城市海綿小區(qū)雨水利用的效益分析
——以固原市海綿小區(qū)建設(shè)為例

孫文靖， 李懷恩， 劉祺超, 賈斌凱, 張澤文， 黨 菲

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048； 2.寧夏首創(chuàng)海綿城市建設(shè)發(fā)展有限公司， 寧夏 固原 756000)

中國城市化進程加快而產(chǎn)生的環(huán)境和水安全問題日益突出，一方面城市建設(shè)增加了大量不透水面積，使洪峰流量增大、匯水時間縮短，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害、地下水位下降、生活水源污染等問題，另一方面增大了區(qū)域水資源需求，加劇了水資源緊張狀態(tài)，因此高效合理開發(fā)利用城市水資源特別是雨水資源顯得尤為重要。

建設(shè)海綿城市是高效合理利用城市雨水資源、緩解城市用水緊張狀況的嶄新模式，但由于雨水設(shè)施規(guī)模、組合方式及地理氣候的差異，導(dǎo)致其建設(shè)的投資差異較大，對不同雨水設(shè)施的成本效益評估已經(jīng)成為目前人們關(guān)注的問題。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園和下沉式綠地等低影響開發(fā)(LID)設(shè)施具有削減洪峰流量、徑流污染及徑流量的效益[1-8]，部分還有緩解熱島效應(yīng)、凈化空氣等效益[9]。在效益定量化計算方面，Abdullah等[10]通過計算投資回收期和凈現(xiàn)值對比花園式和簡單式綠色屋頂?shù)牟町?，Peng等[11]計算了綠色屋頂與氣候有關(guān)的6項效益，張書涵等[12]計算了6個雨水利用示范區(qū)的經(jīng)濟效益，李俊奇等[13]計算小區(qū)不同雨水利用方案的經(jīng)濟效益進行方案優(yōu)選。不同雨水設(shè)施會發(fā)揮不同的功能作用，不僅會產(chǎn)生經(jīng)濟效益，還會產(chǎn)生環(huán)境效益和社會效益，這些效益指標(biāo)中既有定性指標(biāo)也有定量指標(biāo)。目前的成本效益研究多為定性描述，缺乏定量評價，且多對工程的經(jīng)濟效益進行分析，對雨水利用最突出的環(huán)境及社會效益多做定性描述，效益定量化方法也有待進一步研究。

對雨水設(shè)施效益的定量及貨幣化計算十分有必要，具體的貨幣化數(shù)值能夠調(diào)動投資者的積極性，推動雨水科學(xué)收集利用的深度和廣度。同時能為決策者提供參考，促進鼓勵政策的施行。隨著雨水管理實踐的推進，海綿小區(qū)作為其重要單元之一，在城市雨水管理中起著不可替代的作用，但有關(guān)小區(qū)尺度的效益定量計算分析較少。本文對海綿小區(qū)的雨水管理利用效益進行識別并對經(jīng)濟、環(huán)境、社會3大類共10項效益進行量化，選取試點城市寧夏固原作為實例進行效益計算分析，以期為海綿城市的建設(shè)推進提供參考。

1 城市海綿小區(qū)雨水利用

目前，中國建設(shè)用地的40%為居住小區(qū)[14]，海綿小區(qū)建設(shè)是海綿城市建設(shè)的重要組成部分。運用海綿城市理念，統(tǒng)籌住宅小區(qū)規(guī)劃與布局，使用綠色基礎(chǔ)設(shè)施替代灰色基礎(chǔ)設(shè)施或?qū)⒍呓Y(jié)合使用，增加雨水的入滲、滯蓄、凈化、利用，能夠“彈性”應(yīng)對環(huán)境變化和自然災(zāi)害。海綿小區(qū)常用的雨水技術(shù)措施有滲透技術(shù)、儲存技術(shù)、調(diào)節(jié)技術(shù)、轉(zhuǎn)輸技術(shù)和截污凈化技術(shù)，具體內(nèi)容見表1。

表1 海綿小區(qū)常用雨水技術(shù)措施

早期國內(nèi)外住宅小區(qū)建設(shè)多采用灰色基礎(chǔ)設(shè)施與硬化不透水鋪裝，相比之下綠地建設(shè)較少，粗放的建設(shè)不能滿足人們隨生活水平提高的居住環(huán)境需求，因此海綿小區(qū)的改建受到大家的歡迎，加入低影響開發(fā)LID(low impact development)設(shè)施元素的住宅小區(qū)開始推廣并走入大眾的生活。

國外代表性的海綿小區(qū)有美國西雅圖High Point居住區(qū)、德國Waldsteige West住宅區(qū)、德國Am Rosensee住宅區(qū)、高貝爾綜合小區(qū)、卡米耶克洛岱爾生態(tài)小區(qū)等。High Point住宅區(qū)位于美國華盛頓州西雅圖Delridge區(qū)內(nèi)，為容納多階層的混合式居住區(qū)，占地面積49 hm2，是LID在住宅應(yīng)用的成功案例之一。該住宅區(qū)毗鄰朗費羅河流域，由于住宅區(qū)污染物排入河流會造成污染因此在2003年重建，其設(shè)計綜合運用了多種雨洪管理設(shè)施，如調(diào)蓄水池、植草溝、雨水花園、滲透溝等，并將其與風(fēng)景園林結(jié)合營造出了一個舒適、生態(tài)、優(yōu)美的住宅環(huán)境，該住宅區(qū)LID的成功實踐不僅解決了環(huán)境資源問題，同時也是景觀與園林工程結(jié)合的典范。

國內(nèi)代表性的海綿小區(qū)有北京市順義區(qū)東方太陽城老年住宅區(qū)、嘉興煙雨小區(qū)、北京市海淀區(qū)海淀塔院小區(qū)、北京市通州區(qū)紫金雅園小區(qū)等。北京市順義區(qū)東方太陽城老年住宅區(qū)位于北京市順義區(qū)潮白河的西岸，占地面積234 hm2，為自然生態(tài)、布局合理的低影響開發(fā)(LID)雨水系統(tǒng)建設(shè)項目。由于住宅區(qū)存在地勢低、無市政雨污水管線、中心景觀水體富營養(yǎng)化等問題，因此加入LID元素進行改建，雨洪管理設(shè)施包括雨水濕地、雨水花園、植草溝、多功能調(diào)蓄水體、初期雨水棄流設(shè)施等，通過生態(tài)堤岸、人工土壤滲濾和中水濕地循環(huán)凈化來改善中心景觀水體[15]。該項目不僅提高了小區(qū)的防洪排澇能力而且提升了入湖水質(zhì)，是經(jīng)受住北京2011年“6·23”和2012年“7·21”等暴雨事件考驗的成功LID住宅區(qū)改造。

2 城市海綿小區(qū)雨水利用效益

城市海綿小區(qū)雨水利用效益可分為經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，其中經(jīng)濟效益主要包括：節(jié)約自來水收益、回補地下水收益、節(jié)水增加的國家財政收入、節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用、降低城市河湖改擴建費用、減少土方回填費用、物質(zhì)生產(chǎn)收益、節(jié)省引水費用、減輕污染而減少的社會損失、降低內(nèi)澇損失等；環(huán)境效益主要包括：減少地面沉降的經(jīng)濟損失、固碳制氧效益、改善城市熱島效益、凈化空氣效益、防洪排澇效益、調(diào)蓄雨水效益、提供生境效益、降噪效益、保持生物多樣性效益、滯塵效益、保護土壤效益等；社會效益包括：增加旅游收入、拉動經(jīng)濟發(fā)展、景觀娛樂、促進周邊房地產(chǎn)升值、提供工作崗位等。效益計算參考水利經(jīng)濟及資源環(huán)境經(jīng)濟學(xué)等方法，可以采用水量平衡法、替代工程法、影子工程法、市場價值法、碳稅法、造林成本法、效益轉(zhuǎn)移法等一種或多種方法。

2.1 經(jīng)濟效益

2.1.1 雨水資源利用收益 海綿城市雨水設(shè)施能夠蓄集并回用雨水，回用雨水與中水用途相似，采用市場價格法計算該收益。

B水資源=V利用×P中水

(1)

式中：V利用為雨水年利用量(m3)；P中水為當(dāng)?shù)刂兴膬r格(元/m3)，查詢固原市水務(wù)局網(wǎng)站得固原市中水價格為1.2元/m3。

2.1.2 節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用 雨水收集利用或者入滲后，可以減少向市政管網(wǎng)排放的雨水量，減輕市政管網(wǎng)的壓力，從而節(jié)省市政管網(wǎng)的維護費用。

B削減=θ×D×RV×A×P

(2)

式中：θ為徑流系數(shù)；D為年均降水量(mm)；RV為年均徑流量削減率；A為匯水面積(m2)；P為管網(wǎng)運行及水處理費用，取污水廠處理設(shè)施運行費用的三分之一，參考2008年西部地區(qū)污水廠處理設(shè)施運行費用1.05元/m3[16]，調(diào)算至2018年為2.33元/m3，因此單方水的管網(wǎng)運行費用為0.78元/m3。小區(qū)徑流總量控制率按照《固原市海綿城市建設(shè)系統(tǒng)化方案》取為90%，對應(yīng)降雨量為22.6 mm。固原市居民生活用水污水處理費為0.70元/m3，非居民生活用水污水處理費為1.00元/m3，取二者平均值0.85元/m3，因此管網(wǎng)運行及水處理費用P為1.63元/m3。

2.1.3 減輕污染而減少的社會損失 雨水措施的建設(shè)減少了污染雨水排入水體，也減少了因此產(chǎn)生的水體污染，采用市場價值法計算。

(3)

式中：P污為污水處理費用，可用排污費用來替代，為1.05元/m3[16]；α為環(huán)境治理的投入產(chǎn)出比，投入1元可消除3元環(huán)境污染，因此投入產(chǎn)出比為1∶3；V排為排水量，即減少排放的雨水量(m3)。θ為徑流系數(shù)；D為年均降水量(mm)；RV為年均徑流量削減率；A為匯水面積(m2)。

2.2 環(huán)境效益

2.2.1 調(diào)蓄徑流效益 LID設(shè)施對雨水能夠起到調(diào)蓄作用，與水庫調(diào)蓄洪水的作用相似，采用影子工程法計算。

B調(diào)蓄=P庫×V調(diào)

(4)

式中：V調(diào)為調(diào)蓄的雨水量(m3)；P庫為每1 m3庫容需要的年投入成本，取0.67元/m3[17]。

2.2.2 固碳釋氧效益 植物能夠通過光合作用吸收CO2并釋放O2。吸收CO2效益能夠通過碳稅法及綠地成本法進行計算，釋放O2效益能夠通過工業(yè)制氧法和綠地成本法進行計算。

B吸碳=V碳×P碳×S綠B制氧=V氧×P工×S綠

(5)

式中：V碳為林草地吸碳量〔t/(a·hm2)〕，每hm2綠地每年凈吸收二氧化碳16 t；P碳為碳稅率，取1 023元/t；S綠為綠地面積(hm2)；V氧為林草地釋氧量〔t/(a·hm2)〕，每hm2綠地每年釋放氧氣取12 t；P工為工業(yè)氧批發(fā)價，取400元/t[18-19]。

2.2.3 凈化空氣效益 綠色植物具有凈化空氣的功能，能夠吸收空氣中的粉塵，SO2，氟化物，氮氧化物等，采用直接市場法進行計算。

B吸收SO2=S綠×QSO2×FSO2

B滯塵=S綠×Qd×F治理

(6)

式中：QSO2為單位面積植被吸收二氧化硫的量，取140.62 kg/hm2；FSO2為二氧化硫排污權(quán)價格，取600元/t；Qd為單位面積植被滯塵降塵的量，取10.90 t/(hm2·a)；F治理為消減塵土的治理成本，取1.50元/t[18]；S綠表示綠地面積(hm2)。

2.2.4 降噪效益 LID設(shè)施的建設(shè)能夠增加城市的植物量，從而增加吸附聲波的表面，因此能降低噪聲對城市居民的影響，參考陳龍等[19]采用影子工程法計算出綠地降噪價值156 033元/(hm2·a)。

2.2.5 維持生物多樣性效益 由于LID設(shè)施建設(shè)能夠為野生動物提供更多的生活棲息環(huán)境，所以可以起到保護生物多樣性的功能，參考謝高地等[20]采用當(dāng)量因子法計算出草地生態(tài)系統(tǒng)維持生物多樣性價值839.82元/(hm2·a)。

2.3 社會效益

2.3.1 提供美學(xué)景觀效益 海綿城市建設(shè)能夠改善城市水循環(huán)從而改善城市生態(tài)，林草地生態(tài)環(huán)境和水系生態(tài)環(huán)境增加為野生動物提供更多的生活棲息環(huán)境，采用效益轉(zhuǎn)移法計算，參考謝高地等[20]采用當(dāng)量因子法計算出的草地生態(tài)系統(tǒng)提供美學(xué)景觀價值390.72元/(hm2·a)。

2.3.2 文化教育價值 海綿城市LID設(shè)施的應(yīng)用能夠增強人們的節(jié)水意識，有利于國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，采用效益轉(zhuǎn)移法計算，生態(tài)系統(tǒng)的平均文化科研價值參考中國濕地生態(tài)系統(tǒng)單位面積的平均文化科研價值取為382元/hm2[21]。

3 實例計算

3.1 研究區(qū)概況

本文選取寧夏固原市西南新區(qū)的海綿小區(qū)作為研究對象。固原市為國家財政部、住建部、水利部在全國開展的第二批全國海綿城市建設(shè)試點城市。固原市位于寧夏回族自治區(qū)南部，黃土高原中西部，市域總面積1.05×104km2，市區(qū)面積為45 km2。屬于黃土高原暖溫半干旱氣候區(qū)，是典型的大陸性氣候，平均氣溫為6.7～8.8 ℃，多年平均降水量為466 mm，各縣(區(qū))日照時數(shù)為2 056.9～2 384.4 h，土壤為非自重至自重濕陷性黃土，海綿設(shè)施選擇本地植物種植。海綿示范區(qū)主要有4個建設(shè)區(qū)域：西南新區(qū)、老城區(qū)、飲馬河區(qū)、清水河。

西南新區(qū)海綿城市建設(shè)是以低影響開發(fā)(LID)理念引領(lǐng)的城市建設(shè)，包括透水路面、下沉式綠地、植草溝、雨水罐、雨水花園等。海綿小區(qū)包括玫瑰苑、福滿苑、裕豐苑、丁香苑、荷花園和祥和苑，雨水設(shè)施主要包括雨水罐、植草溝、雨水花園、下沉式綠地、蓄水池以及展示標(biāo)牌系統(tǒng)等。

3.2 雨水調(diào)蓄工程方案

西南新區(qū)住宅小區(qū)雨水改造系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。屋面雨水由屋面排水雨落管先進入雨水罐進行存儲，溢流的雨水進入植草溝后經(jīng)排空管進入雨水花園，植草溝內(nèi)的徑流則進入下沉式綠地，后經(jīng)雨水管網(wǎng)流入蓄水池內(nèi)用于人工澆灌，溢流的雨水排入市政管網(wǎng)。由于小區(qū)位于非自重濕陷性黃土地區(qū)，因此雨水系統(tǒng)都采取防滲措施。

圖1 城市海綿小區(qū)改造工藝流程圖

3.3 效益計算

3.3.1 雨水措施規(guī)模 本文研究海綿小區(qū)包括玫瑰苑、福滿苑、裕豐苑、丁香苑、荷花園和祥和苑，其雨水設(shè)施主要為植草溝、雨水花園、下沉式綠地、雨水罐(容積均為1 m3)和蓄水池，各小區(qū)海綿設(shè)施工程量見表2。

表2 城市海綿小區(qū)雨水設(shè)施量統(tǒng)計

3.3.2 計算結(jié)果 結(jié)合固原市西南新區(qū)6個海綿小區(qū)的實際情況，按照前述效益計算方法并結(jié)合固原市實際參數(shù)計算出雨水花園、下沉式綠地、植草溝的效益，包括節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用、減輕污染而減少的社會損失、固碳釋氧、凈化空氣、降噪、維持生物多樣性、提供美學(xué)景觀和文化教育，雨水罐和蓄水池的效益包括調(diào)蓄徑流和雨水資源利用。

固原市西南新區(qū)6個海綿小區(qū)雨水設(shè)施的3類效益計算結(jié)果為： ①經(jīng)濟效益中，節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用為1.25×104元/a;消除污染而減少的社會損失為2.41×104元/a;雨水資源利用效益為2.99×104元/a; ②環(huán)境效益中，固碳釋氧效益為2.44×104元/a；凈化空氣效益為2 000元/a；降噪效益為1.80×105元/a；維持生物多樣性效益為1 000元/a；調(diào)蓄徑流效益為1.67×104元/a； ③社會效益中，文化教育、提供美學(xué)景觀效益均為400元/a。

固原市西南新區(qū)6個海綿小區(qū)各類雨水設(shè)施的效益計算結(jié)果為：雨水花園為1.03×105元/a；下沉式綠地為7.99×104元/a；植草溝為6.15×104元/a；雨水罐為1.75×104元/a；蓄水池為2.91×104元/a。固原市西南新區(qū)6個海綿小區(qū)的效益及設(shè)施面積占小區(qū)總面積比例分別為：玫瑰苑3.87×104元/a，3.41%；福滿苑5.62×104元/a，2.02%；裕豐苑3.32×104元/a，1.29%；丁香苑5.29×104元/a，4.76%；荷花苑7.05×104元/a，5.40%；祥和苑3.97×104元/a，3.07%(設(shè)施面積占小區(qū)總面積比=雨水設(shè)施面積/小區(qū)總面積)。固原市6個海綿小區(qū)的總效益為2.91×105元/a，其中經(jīng)濟效益為6.65×104元/a，環(huán)境效益為2.24×105元/a，社會效益為800元/a，3種效益比例為22.84%,76.89%和0.27%，海綿小區(qū)的環(huán)境效益占有很大比重，可見海綿小區(qū)的建設(shè)能產(chǎn)生較好的環(huán)境效益。由計算結(jié)果可見，雨水設(shè)施產(chǎn)生的效益中：降噪>雨水資源利用>固碳釋氧>減輕污染而減少的社會損失>調(diào)蓄徑流>節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用>凈化空氣>維持生物多樣性>提供美學(xué)景觀=文化教育，環(huán)境效益在排序中靠前，進一步說明固原市海綿小區(qū)產(chǎn)生較好的環(huán)境氣候收益。計算得各雨水設(shè)施及小區(qū)產(chǎn)生的效益不同并存在較大差異，對小區(qū)效益進行排序發(fā)現(xiàn)其與雨水設(shè)施面積占小區(qū)總面積比排序大致相同，增加雨水設(shè)施的面積能夠增加效益。

3.4 效益費用分析

參考水利建設(shè)項目經(jīng)濟評價，本文選擇國民經(jīng)濟評價中的經(jīng)濟效益費用比來分析雨水設(shè)施的成本效益。

3.4.1 成本計算參數(shù) 對于雨水設(shè)施的成本計算，由于試點區(qū)部分小區(qū)還在建設(shè)中，因此參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(2014)》中低影響開發(fā)單項設(shè)施單價估算表，即下沉式綠地為40～50元/m3,生物滯留設(shè)施為150～800元/m3,植草溝為30～200元/m3，考慮到準(zhǔn)確性本文取其平均值進行計算，即下沉式綠地為45元/m3,雨水花園為475元/m3,植草溝為115元/m3，植草溝、下沉式綠地和雨水花園的運行費用分別取為建造費用的2.5%和6%[22]。

3.4.2 成本效益分析 效益費用比(benefit-cost ratio， BCR)是建設(shè)項目在計算期內(nèi)效益流量的現(xiàn)值與費用流量現(xiàn)值的比率。為比較分析不同設(shè)施的成本效益，取植草溝、下沉式綠地和雨水花園生命周期的最小公倍數(shù)進行全生命周期的成本效益分析，查閱文獻取為30 a[23]，由于生命周期較長，考慮資金的時間價值進行動態(tài)效益費用分析，按折現(xiàn)率7%[24]進行計算，計算結(jié)果見表3。

表3 海綿小區(qū)雨水設(shè)施效益分析結(jié)果

由表3可知，下沉式綠地的靜態(tài)、動態(tài)效益費用比均最大，可獲得較好的綜合效益，雨水花園的比值均最小，且動態(tài)效益費用比較低，考慮雨水花園造價較高，分別約為下沉式綠地和植草溝的10倍和4倍，因此效益費用比較低，海綿小區(qū)規(guī)劃時可考慮增多植草溝和下沉式綠地?？傮w看來，固原市海綿小區(qū)能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

4 討論與結(jié)論

海綿小區(qū)雨水利用包括滲透、儲存、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)輸、截污凈化技術(shù)，能產(chǎn)生經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，本文以第二批試點城市寧夏回族自治區(qū)固原市西南新區(qū)海綿小區(qū)為實例，采用水量平衡法、替代工程法、影子工程法、市場價值法、碳稅法、造林成本法等定量計算了海綿小區(qū)產(chǎn)生的雨水資源利用、固碳釋氧、降噪、調(diào)蓄徑流、文化教育等經(jīng)濟、環(huán)境和社會3大類共10項效益，并采用效益費用比進行靜態(tài)及動態(tài)成本效益分析，表明固原市海綿小區(qū)具有良好的效益。

第二批試點城市寧夏回族自治區(qū)固原市西南新區(qū)玫瑰苑、福滿苑、裕豐苑、丁香苑、荷花園和祥和苑雨水措施的總效益為2.91×105元/年，其中雨水花園的效益為1.03×105元/a，下沉式綠地的效益為7.99×104元/a，植草溝的效益為6.15×104元/a，這3種雨水設(shè)施均能產(chǎn)生較好的效益，其中雨水花園效益最佳。效益費用比成本效益分析結(jié)果表明，植草溝、下沉式綠地及雨水花園的靜態(tài)及動態(tài)效益費用比均較好，具有良好的投資效益，其中植草溝和下沉式綠地的投資效益優(yōu)于雨水花園。固原市6個海綿小區(qū)雨水設(shè)施的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益占比為22.84%,76.89%和0.27%，海綿小區(qū)建設(shè)會對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。固原市海綿小區(qū)環(huán)境效益占比較高而經(jīng)濟和社會效益占比較低，這和寧夏固原的區(qū)位特性有關(guān)，因處于非自重濕陷性黃土地區(qū)，故雨水設(shè)施都采取防滲并將蓄水池和雨水罐溢流的雨水通過小區(qū)雨水管網(wǎng)排入市政雨水管網(wǎng)，因此缺乏對地下水及水資源利用方面的效益；同時，由于小區(qū)未采用屋頂綠化和透水鋪裝，二者產(chǎn)生的節(jié)水、節(jié)電、減輕污染及固碳釋氧等效益均未計算在內(nèi)。

相較于李晨等[25]對北京某海綿社區(qū)的效益計算成果，固原市海綿小區(qū)效益較低，一方面是因為該試點區(qū)域的地理區(qū)位及城市特性，較少的降雨量、較大的蒸發(fā)量及濕陷性土地因素都使可回用雨水量較少，雨水設(shè)施類型及數(shù)量也少于北京市海綿社區(qū)；另一方面固原市經(jīng)濟發(fā)展水平較低，相關(guān)計算參數(shù)較北京低，因此產(chǎn)生的效益低于北京市海綿社區(qū)。對于小區(qū)尺度的海綿城市效益計算相關(guān)數(shù)據(jù)及案例均較少，本文部分參數(shù)參考相似地區(qū)進行效益計算，因此可能存在差異，需要在今后的工作中加強地域差異性的研究。對社會效益多采用定性描述而缺乏定量化的方法，對其貨幣化較為困難，因此社會效益指標(biāo)選取及量化方法有待進一步補充。之后的研究可考慮將效益計算與績效考核方法相結(jié)合，以指導(dǎo)雨水設(shè)施的組合優(yōu)化，進一步完善海綿城市體系的建設(shè)。