城市海綿小區雨水利用的效益分析
——以固原市海綿小區建設為例

孫文靖， 李懷恩， 劉祺超, 賈斌凱, 張澤文， 黨 菲

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048； 2.寧夏首創海綿城市建設發展有限公司， 寧夏 固原 756000)

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

建設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，但由于雨水設施規模、組合方式及地理氣候的差異，導致其建設的投資差異較大，對不同雨水設施的成本效益評估已經成為目前人們關注的問題。許多學者研究發現綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園和下沉式綠地等低影響開發(LID)設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、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值對比花園式和簡單式綠色屋頂的差異，Peng等[11]計算了綠色屋頂與氣候有關的6項效益，張書涵等[12]計算了6個雨水利用示范區的經濟效益，李俊奇等[13]計算小區不同雨水利用方案的經濟效益進行方案優選。不同雨水設施會發揮不同的功能作用，不僅會產生經濟效益，還會產生環境效益和社會效益，這些效益指標中既有定性指標也有定量指標。目前的成本效益研究多為定性描述，缺乏定量評價，且多對工程的經濟效益進行分析，對雨水利用最突出的環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。

對雨水設施效益的定量及貨幣化計算十分有必要，具體的貨幣化數值能夠調動投資者的積極性，推動雨水科學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，但有關小區尺度的效益定量計算分析較少。本文對海綿小區的雨水管理利用效益進行識別并對經濟、環境、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推進提供參考。

1 城市海綿小區雨水利用

目前，中國建設用地的40%為居住小區[14]，海綿小區建設是海綿城市建設的重要組成部分。運用海綿城市理念，統籌住宅小區規劃與布局，使用綠色基礎設施替代灰色基礎設施或將二者結合使用，增加雨水的入滲、滯蓄、凈化、利用，能夠“彈性”應對環境變化和自然災害。海綿小區常用的雨水技術措施有滲透技術、儲存技術、調節技術、轉輸技術和截污凈化技術，具體內容見表1。

表1 海綿小區常用雨水技術措施

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

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

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

2 城市海綿小區雨水利用效益

城市海綿小區雨水利用效益可分為經濟效益、環境效益和社會效益，其中經濟效益主要包括：節約自來水收益、回補地下水收益、節水增加的國家財政收入、節省城市排水設施的運行費用、降低城市河湖改擴建費用、減少土方回填費用、物質生產收益、節省引水費用、減輕污染而減少的社會損失、降低內澇損失等；環境效益主要包括：減少地面沉降的經濟損失、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、拉動經濟發展、景觀娛樂、促進周邊房地產升值、提供工作崗位等。效益計算參考水利經濟及資源環境經濟學等方法，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、效益轉移法等一種或多種方法。

2.1 經濟效益

2.1.1 雨水資源利用收益 海綿城市雨水設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中水為當地中水的價格(元/m3)，查詢固原市水務局網站得固原市中水價格為1.2元/m3。

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

B削減=θ×D×RV×A×P

(2)

式中：θ為徑流系數；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為管網運行及水處理費用，取污水廠處理設施運行費用的三分之一，參考2008年西部地區污水廠處理設施運行費用1.05元/m3[16]，調算至2018年為2.33元/m3，因此單方水的管網運行費用為0.78元/m3。小區徑流總量控制率按照《固原市海綿城市建設系統化方案》取為90%，對應降雨量為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 雨水措施的建設減少了污染雨水排入水體，也減少了因此產生的水體污染，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為環境治理的投入產出比，投入1元可消除3元環境污染，因此投入產出比為1∶3；V排為排水量，即減少排放的雨水量(m3)。θ為徑流系數；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 環境效益

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

B調蓄=P庫×V調

(4)

式中：V調為調蓄的雨水量(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工為工業氧批發價，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設施的建設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設施建設能夠為野生動物提供更多的生活棲息環境，所以可以起到保護生物多樣性的功能，參考謝高地等[20]采用當量因子法計算出草地生態系統維持生物多樣性價值839.82元/(hm2·a)。

2.3 社會效益

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

2.3.2 文化教育價值 海綿城市LID設施的應用能夠增強人們的節水意識，有利于國家的可持續發展戰略，采用效益轉移法計算，生態系統的平均文化科研價值參考中國濕地生態系統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 研究區概況

本文選取寧夏固原市西南新區的海綿小區作為研究對象。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試點城市。固原市位于寧夏回族自治區南部，黃土高原中西部，市域總面積1.05×104km2，市區面積為45 km2。屬于黃土高原暖溫半干旱氣候區，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)日照時數為2 056.9～2 384.4 h，土壤為非自重至自重濕陷性黃土，海綿設施選擇本地植物種植。海綿示范區主要有4個建設區域：西南新區、老城區、飲馬河區、清水河。

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

3.2 雨水調蓄工程方案

西南新區住宅小區雨水改造系統工藝流程如圖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排空管進入雨水花園，植草溝內的徑流則進入下沉式綠地，后經雨水管網流入蓄水池內用于人工澆灌，溢流的雨水排入市政管網。由于小區位于非自重濕陷性黃土地區，因此雨水系統都采取防滲措施。

圖1 城市海綿小區改造工藝流程圖

3.3 效益計算

3.3.1 雨水措施規模 本文研究海綿小區包括玫瑰苑、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，各小區海綿設施工程量見表2。

表2 城市海綿小區雨水設施量統計

3.3.2 計算結果 結合固原市西南新區6個海綿小區的實際情況，按照前述效益計算方法并結合固原市實際參數計算出雨水花園、下沉式綠地、植草溝的效益，包括節省城市排水設施的運行費用、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、提供美學景觀和文化教育，雨水罐和蓄水池的效益包括調蓄徑流和雨水資源利用。

固原市西南新區6個海綿小區雨水設施的3類效益計算結果為： ①經濟效益中，節省城市排水設施的運行費用為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、提供美學景觀效益均為400元/a。

固原市西南新區6個海綿小區各類雨水設施的效益計算結果為：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6個海綿小區的效益及設施面積占小區總面積比例分別為：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%(設施面積占小區總面積比=雨水設施面積/小區總面積)。固原市6個海綿小區的總效益為2.91×105元/a，其中經濟效益為6.65×104元/a，環境效益為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%，海綿小區的環境效益占有很大比重，可見海綿小區的建設能產生較好的環境效益。由計算結果可見，雨水設施產生的效益中：降噪>雨水資源利用>固碳釋氧>減輕污染而減少的社會損失>調蓄徑流>節省城市排水設施的運行費用>凈化空氣>維持生物多樣性>提供美學景觀=文化教育，環境效益在排序中靠前，進一步說明固原市海綿小區產生較好的環境氣候收益。計算得各雨水設施及小區產生的效益不同并存在較大差異，對小區效益進行排序發現其與雨水設施面積占小區總面積比排序大致相同，增加雨水設施的面積能夠增加效益。

3.4 效益費用分析

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

3.4.1 成本計算參數 對于雨水設施的成本計算，由于試點區部分小區還在建設中，因此參考《海綿城市建設技術指南(2014)》中低影響開發單項設施單價估算表，即下沉式綠地為40～50元/m3,生物滯留設施為150～800元/m3,植草溝為30～200元/m3，考慮到準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)是建設項目在計算期內效益流量的現值與費用流量現值的比率。為比較分析不同設施的成本效益，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效益費用分析，按折現率7%[24]進行計算，計算結果見表3。

表3 海綿小區雨水設施效益分析結果

由表3可知，下沉式綠地的靜態、動態效益費用比均最大，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，海綿小區規劃時可考慮增多植草溝和下沉式綠地。總體看來，固原市海綿小區能產生較好的經濟、環境和社會效益。

4 討論與結論

海綿小區雨水利用包括滲透、儲存、調節、轉輸、截污凈化技術，能產生經濟、環境和社會效益，本文以第二批試點城市寧夏回族自治區固原市西南新區海綿小區為實例，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產生的雨水資源利用、固碳釋氧、降噪、調蓄徑流、文化教育等經濟、環境和社會3大類共10項效益，并采用效益費用比進行靜態及動態成本效益分析，表明固原市海綿小區具有良好的效益。

第二批試點城市寧夏回族自治區固原市西南新區玫瑰苑、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種雨水設施均能產生較好的效益，其中雨水花園效益最佳。效益費用比成本效益分析結果表明，植草溝、下沉式綠地及雨水花園的靜態及動態效益費用比均較好，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于雨水花園。固原市6個海綿小區雨水設施的經濟、環境和社會效益占比為22.84%,76.89%和0.27%，海綿小區建設會對環境產生較大的影響。固原市海綿小區環境效益占比較高而經濟和社會效益占比較低，這和寧夏固原的區位特性有關，因處于非自重濕陷性黃土地區，故雨水設施都采取防滲并將蓄水池和雨水罐溢流的雨水通過小區雨水管網排入市政雨水管網，因此缺乏對地下水及水資源利用方面的效益；同時，由于小區未采用屋頂綠化和透水鋪裝，二者產生的節水、節電、減輕污染及固碳釋氧等效益均未計算在內。

相較于李晨等[25]對北京某海綿社區的效益計算成果，固原市海綿小區效益較低，一方面是因為該試點區域的地理區位及城市特性，較少的降雨量、較大的蒸發量及濕陷性土地因素都使可回用雨水量較少，雨水設施類型及數量也少于北京市海綿社區；另一方面固原市經濟發展水平較低，相關計算參數較北京低，因此產生的效益低于北京市海綿社區。對于小區尺度的海綿城市效益計算相關數據及案例均較少，本文部分參數參考相似地區進行效益計算，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合，以指導雨水設施的組合優化，進一步完善海綿城市體系的建設。