Environmental impacts of freshwater use and suspended solids in life cycle assessment

Abstract

Perturbation of natural ecosystems, namely by increasing freshwater use and its degradative use, as well as topsoil erosion by water of land-use production systems, have been emerging as topics of high environmental concern. Freshwater use has become a focus of attention in the last few years for all stakeholders involved in the production of goods, mainly agro-industrial and forest-based products, which are freshwater-intensive consumers, requiring large inputs of green and blue water. This thesis presents a global review on the available Water Footprint Assessment and Life Cycle Assessment (LCA)-based methods for measuring and assessing the environmental relevance of freshwater resources use, based on a life cycle perspective. Using some of the available midpoint LCA-based methods, the freshwater use-related impacts of a Portuguese wine (white ‘vinho verde’) were assessed. However, the relevance of environmental green water has been neglected because of the absence of a comprehensive impact assessment method associated with green water flows. To overcome this constraint, this thesis helps to improve and enhance the LCA-based methods by providing a midpoint and spatially explicit Life Cycle Impact Assessment (LCIA) method for assessing impacts on terrestrial green water flow and addressing reductions in surface blue water production caused by reductions in surface runoff due to land-use production systems. The applicability of the proposed method is illustrated by a case study on Eucalyptus globulus conducted in Portugal, as the growth of short rotation forestry is largely dependent on local precipitation. Topsoil erosion by water has been characterised as one of the most upsetting problems for rivers. Because of this, this thesis also focuses on the ecosystem impacts caused by suspended solids (SS) from topsoil erosion that reach freshwater systems. A framework to conduct a spatially distributed SS delivery to freshwater streams and a fate and effect LCIA method to derive site-specific characterisation factors (CFs) for endpoint damage on aquatic ecosystem diversity, namely on algae, macrophyte, and macroinvertebrates organisms, were developed. The applicability of this framework, combined with the derived site-specific CFs, is shown by conducting a case study on E. globulus stands located in Portugal as an example of a land use based system. A spatially explicit LCA assessment was shown to be necessary, since the impacts associated with both green water flows and SS vary greatly as a function of spatial location.

As perturbações no equilíbrio dos ecossistemas devido ao aumento do uso de água doce, do aumento da sua poluição, e da erosão do solo pela água, são temas emergentes e de elevada significância na avaliação da sustentabilidade. Na presente tese é efetuada uma revisão de literatura dos métodos desenvolvidos para contabilizar e avaliar os impactes do uso de água doce, numa perspetiva de ciclo de vida. O método da pegada de água desenvolvido pela Water Footprint Network, e os vários métodos desenvolvidos com base na metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) foram analisados. Os impactes decorrentes do uso de água para a produção do vinho verde branco produzido em Portugal, foram contabilizados e avaliados, por aplicação de alguns destes métodos de ACV. A relevância da água verde na regulação dos serviços do ecossistema tem sido ‘esquecida’ devido à ausência de um método capaz de avaliar os impactes ambientais decorrentes de alterações dos fluxos de água verde. Para superar esta lacuna, na presente tese é apresentado um método de Avaliação de impacte do Ciclo de (AICV) midpoint que permite uma avaliação espacialmente diferenciada dos impactes decorrentes das alterações dos fluxos de água verde que retornam à atmosfera em resultado de atividades de uso de solo. Este método permite também uma avaliação da redução de produção de água azul devido a reduções no escoamento superficial. A aplicabilidade deste método é demonstrada num caso de estudo de povoamentos de Eucalyptus globulus localizados em Portugal, os quais dependem fortemente da precipitação local. A erosão do solo pela água afeta os ecossistemas aquáticos, nomeadamente quando os sólidos suspensos (SS) atingem os rios. Na presente tese foi desenvolvida uma abordagem para estabelecer inventários de SS espacialmente diferenciados, e um método de AICV endpoint que permite obter fatores de caracterização específicos para avaliar os impactes ambientais diretos dos SS em algas, macrófitas e macroinvertebrados. A aplicabilidade da abordagem de inventário e do método endpoint foi demonstrada num caso de estudo de povoamentos de E. globulus localizados em Portugal. Tanto os impactes associados aos fluxos de água verde como os impactes relativos aos SS variam significativamente em função da localização do sistema de uso de solo em análise, pelo que se conclui que a inclusão da variabilidade espacial deve ser considerada em métodos de ACV.