張洪濤，徐向舟，曹 健，許金輝，李美娟

(1.大連理工大學水利工程學院，遼寧大連，116024;2.中交廣州航道局有限公司，廣東廣州，510221;3.大連勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連，116021)

根據(jù)下墊面的透水性，可以將城市地表分為兩類:透水面和不透水面。不透水面主要指能夠阻止雨水滲透到地下的地表，如屋頂和水泥路面等。透水面指相對前者而言透水性較大的地表，主要包括林地、草地、透水性材料鋪設(shè)的路面、裸地等。透水面是城市雨水利用的重要手段，城市透水面在改善城市生態(tài)環(huán)境、增強城市防洪能力等方面起著不可替代的作用。大連市屬于資源性嚴重缺水城市，人均水資源占有量僅為全國人均占有量的1/4。擴大城市地表透水面積，深化雨水利用，增加可使用的淡水量，對于大連市有特別重要的意義。

本研究在已有城市小區(qū)雨水利用效益評價研究成果的基礎(chǔ)上[1-2]，以城市行政區(qū)的尺度，探索城市透水面集水效益的評價方法。城市雨水利用是最近20 a來新興的產(chǎn)業(yè)，目前對這一產(chǎn)業(yè)效益評價的研究成果很少，而且現(xiàn)有成果都是以城市小區(qū)尺度進行評價的。透水面雨水下滲是城市雨水利用的重要形式，以行政區(qū)的尺度評價，可以更宏觀地反映雨水利用的效益，為政府決策提供依據(jù)。

1 典型市區(qū)透水面的調(diào)查統(tǒng)計

大連市地處黃海與渤海之間，地勢丘陵起伏，在季節(jié)性暴雨條件下，易發(fā)生水土流失。20世紀80年代是大連市城市飛速發(fā)展的時候，當時大連市區(qū)的水土流失情況相當嚴重。據(jù)遙感普查結(jié)果[3]，1985年大連市水土流失面積為8 306.7 km2，占全市總面積的66%。大連市從20世紀80年代末開始重視水土保持建設(shè)，20世紀90年代中期開始快速發(fā)展[4]。采取的水土保持措施主要有:加強城市綠化和加大路面的透水性。彩色步行磚的滲透系數(shù)較大，且鋪裝后塊體之間存在一定的縫隙，有利于雨水的集蓄和下滲，目前大連市內(nèi)人行步道均已改為彩色步行磚鋪路面。另一方面，大連市的林草地面積一直在持續(xù)穩(wěn)步增長，綠化覆蓋率已由1995年的37%上升到2004年的42%[5]。本研究以大連典型市區(qū)——西崗區(qū)和中山區(qū)為背景，采用由航攝影像生成的大比例尺地形圖，定量統(tǒng)計和分析大連市區(qū)透水面的分布。

西崗區(qū)和中山區(qū)位于大連市中心，面積合計為71 km2，是城市經(jīng)濟最繁榮、人口最密集的區(qū)域。該地區(qū)透水面分布的特點是:裸地面積很小，明水面較少，透水面主要由林草地和透水路面組成。區(qū)域內(nèi)僅有一處面積較大的湖泊——明澤湖(兒童公園內(nèi)，面積約3 hm2)，貫穿中山區(qū)的城中河——馬欄河河道為人工修筑混凝土不透水地面。區(qū)域內(nèi)公園、廣場、山林分布密集，如森林動物園、濱海路景區(qū)(部分)、勞動公園、星海廣場、人民廣場等都分布在該區(qū)域，林、草覆蓋率相當高。機動車道兩側(cè)均為透水性良好的彩色步行磚路面。公園和城市廣場中，除了綠化率很高以外，綠地和彩色步行磚路面的面積所占比例較多，不透水的屋頂和機動車道面積所占比例很小。

根據(jù)有關(guān)航攝參數(shù)，獲取大連市西崗區(qū)和中山區(qū)的航攝影像。然后，根據(jù)2005年1月航攝采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計當年的透水路面、林地、草地的面積。將航攝影像經(jīng)過內(nèi)業(yè)采集、外業(yè)現(xiàn)場調(diào)繪、內(nèi)業(yè)編圖等過程形成AutoCAD格式的大比例尺分層編碼基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS Engine開發(fā)平臺將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ArcGIS Personal Geodatabase格式的數(shù)據(jù)，并對林地、草地等要素進行構(gòu)面處理。然后，利用ArcGIS的統(tǒng)計功能直接提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的林地和綠地要素的面積字段Shape_Area，進行面積統(tǒng)計;而對于透水路面的面積，則通過統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)道路的長度以及透水路面的平均寬度來獲取。

各類透水面面積統(tǒng)計的結(jié)果如表1所示。由表中可以看出，研究區(qū)域林地、草地、透水路面的總面積為3 663.30 hm2，占研究區(qū)域總面積的51.5%。林地、草地、透水路面的面積之比為6.5∶1.3∶1.0，其中林地面積較大，約為草地或透水路面面積的6倍。

表1 2005年研究區(qū)域透水面面積統(tǒng)計

2 效益識別

2.1 經(jīng)濟效益

城市透水面集水的經(jīng)濟效益為:節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用C1。由于雨水滲入地下，可以等量減少向市政管網(wǎng)排放雨水。每1 m3水管網(wǎng)運行費用為0.08元[1]。

2.2 生態(tài)效益

(1)消除污染而減少的社會損失C3。雨水的生態(tài)化利用傳輸通道及儲存介質(zhì)，如明溝、人工濕地、集水塘等，對雨水中污染物具有一定的自然凈化能力。在雨水的下落、匯流過程中，由于空氣、地面存在污染介質(zhì)而被一定程度污染。城市透水面收集、凈化、利用了這部分水體，相當于消除污染。據(jù)分析，為消除污染每投入1元可減少的環(huán)境資源損失是3元，即投入產(chǎn)出比為1∶3[6]。以目前大連市污水排污費為0.6元/m3作為消除污染投入的費用，可計算出消除污染減少的社會損失為1.8元/m3。

(2)滲透雨水置換自來水的效益C2。當雨水入滲地下時，會有大量雨水入滲回補地下水。其收益可根據(jù)以自來水實際價格減去以地下水為水源的自來水成本來計算[1]。目前大連市民用自來水價格2.3元/m3，滲透水轉(zhuǎn)化為自來水的成本可參照北京市的情況(1.35元/m3)，于是滲透補充地下水的效益約為2.3-1.35=0.95(元/m3)。

(3)林草地的吸碳制氧效益C4。林草地對改善城市生態(tài)環(huán)境有著重要的作用。綠色植物可以在多個方面發(fā)揮功效，如降低噪音、水土保持、調(diào)節(jié)氣候等。綠色植物每年吸收大量的二氧化碳，并釋放大量的氧氣，使空氣得到凈化。據(jù)研究[7]，1 hm2綠地每年吸收二氧化碳2.9～4.1 t，釋放氧氣2.2～3.2 t。植物吸收CO2釋放O2，可以提高空氣質(zhì)量、減輕溫室效應(yīng)。對于農(nóng)用地，其吸碳價格可用綠地成本法或碳稅法，其制氧價格可用綠地成本法或工業(yè)制氧法[8]，上述方法也可用于林草地的吸碳制氧效益評價中。

城市透水面雨水利用還可以削減洪峰，提高城市防洪能力等，這部分效益難以量化，一般采用定性描述的方法來解決。

2.3 社會效益

通過城市透水面雨水利用，可以改善城市的整體環(huán)境，促進城市的和諧發(fā)展和社會安定;可以增強人們的惜水、節(jié)水和利用雨水的意識，有利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入落實;城市雨水利用工程的實施，可帶來直接和間接就業(yè)效果。對于這部分效益，很難量化得到一個精確的數(shù)據(jù)，一般通過定性描述的方法來解決。

3 效益評價

3.1 集水量計算

對于節(jié)省城市排水設(shè)施的運行費用C1，其大小為透水面的截流下滲的水量B1與單位體積集水量效益c的乘積，其中

式中:B1——下滲水量(m3);α1——降雨過程中透水面對地表徑流的截留系數(shù);r——徑流系數(shù);P——降雨量(mm);A——透水面承雨投影面積(m2)。影響的因素主要有:降雨的強度和持續(xù)時間、土壤的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、透水面的種類等。一般情況下，林地的滲透量占總降雨量的40%～80%[9]，目前大連市森林覆蓋率已達到42%，是我國生態(tài)建設(shè)最好的城市之一，本研究進行林地滲透集水量計算時，雨水截流系數(shù)可取為0.7。根據(jù)武晟等[10]的降雨模擬模型試驗成果，在雨強約為1.3 mm/min、降雨歷時在30～90 min之間時，城市草地的徑流率平均值為0.375。目前大連人行步道采用的是彩色荷蘭磚路面，根據(jù)本研究降雨模擬現(xiàn)場試驗結(jié)果，在雨強為1.2～2.0 mm/min、降雨時間為30 min時，大連市荷蘭磚路面截留系數(shù)約0.52～0.65。于是，在進行草地和透水路面滲透集水量計算時，兩者的雨水截流系數(shù)均可近似取為0.6。

對于滲透雨水置換自來水的效益C3，其大小為由于降雨而補充到地下水的雨水量B2與單位體積集水量效益c的乘積。降雨對地下水的補給主要受地下水埋深、降雨量和含水層巖性等因素的影響。為了簡化起見，采用當?shù)亟涤陮Φ叵滤难a給系數(shù)來計算:

按照大連市水務(wù)公報公布的數(shù)據(jù)，大連市2005年降雨量為681 mm;再根據(jù)西崗區(qū)和中山區(qū)的各類透水面的統(tǒng)計面積和滲流系數(shù)，可計算得知:2005年中山區(qū)和西崗區(qū)兩行政區(qū)的由于林地、草地、透水路面的截流下滲作用，使降雨過程中徑流的減少量合計為1.69×107m3;當年雨水通過林地、草地、透水路面下滲，補充到地下水層的雨水量合計為5.00×106m3。

3.2 效益評價

根據(jù)上述2005年中山區(qū)和西崗區(qū)透水面的集雨量以及單位體積雨水效益，可計算出研究區(qū)域透水面集蓄雨水的經(jīng)濟效益，如表2所示。2005年，研究區(qū)域林地、草地和透水路面的集雨經(jīng)濟效益合計為1.40×106元;消除污染而減少的社會損失為3.05×107元;產(chǎn)生滲透雨水置換自來水的效益合計為4.70×106元。

根據(jù)2005年大連市西崗區(qū)和中山區(qū)的林草地面積，可估算出 2005年該市區(qū)林地吸收CO2為9 666.6 t，釋放 O2為 7 791.0 t;草地吸收 CO2為1 494.0 t，釋放O2為1 204.2 t。參照文獻[8]中碳稅法，可得大連市2區(qū)林草地的年吸碳的生態(tài)效益C4a(元)為:

式中:Qa——林、草地年吸碳量(t);TC——碳稅率，可以國際較為公認的瑞典碳稅 0.15美元/kg為標準。根據(jù)2005年的吸碳制氧量，以及當年人民幣相對美元的匯率等資料，可計算出大連市2區(qū)林草地的吸碳效益為1.37×107元。林草地釋放氧氣的生態(tài)效益C4b(元)可用工業(yè)制氧法[8]計算:

式中:Qb——林、草地年釋放氧氣量(t);I0——工業(yè)氧批發(fā)價(700元/t)。根據(jù)2005年的制氧量，可計算出大連市2區(qū)林草地的制氧效益為6.30×106元。

綜上所述，2005年大連市典型市區(qū)(中山區(qū)和西崗區(qū))的林地、草地、透水路面可以定量計算的經(jīng)濟效益為1.40×106元，生態(tài)效益為5.52×107元，如表2所示。城市透水面還能有效減小地表徑流，增強城市的防洪能力;同時降低地表徑流的侵蝕力，減輕水土流失。目前透水面的增加已有效地解決了大連市區(qū)的水土流失問題，基本控制了城市開發(fā)建設(shè)中新造成的水土流失。大連市已連續(xù)6 a在全國城市環(huán)境考評中名列前茅，被評為全國6個模范城市之一。目前大連市已經(jīng)被水利部命名為全國水土保持示范城市。

表2 2005年研究區(qū)透水面效益定量計算

3.3 社會效益

大連市區(qū)透水面的增加對大連市的發(fā)展起著深遠的推動作用，促進了城市的和諧發(fā)展和社會安定。2001年大連市率先被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署評為環(huán)境“全球500佳”城市。隨著城市環(huán)境的改善，大連市旅游吸引力不斷增強，如2005年大連市實現(xiàn)旅游總收入210.9億元，增長24%，旅游總收入占當年全市國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.8%[14]?；▓@式的城市環(huán)境和良好的城市形象已成為大連最大、最有效的“名片”和“招商廣告”。如今大連市成為我國外資最集中的城市之一，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局得到合理調(diào)整和優(yōu)化升級，城市經(jīng)濟得到很大發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)大連市透水面分布較廣，其主要形式是林地、草地、透水路面。大連市典型市區(qū)(西崗區(qū)和中山區(qū))林地、草地、透水路面的總面積為36.6 km2，占研究區(qū)域總面積的51.5%;林地、草地、透水路面的面積之比為6.5∶1.3∶1.0，其中林地面積較大，約為草地或透水路面面積的6倍。

(2)大連市透水面產(chǎn)生了顯著的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。2005年大連市典型市區(qū)(中山區(qū)和西崗區(qū))的林地、草地、透水路面可以定量計算的經(jīng)濟效益為1.40×106元，生態(tài)效益為 5.52×107元。大連市透水面的增加還營造了良好的人居環(huán)境，保障了豐富的旅游資源，促進了該市經(jīng)濟發(fā)展，產(chǎn)生了顯著的社會效益。

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