賈斌凱， 李懷恩， 黃綿松， 孫文靖， 黨 菲， 付德宇

(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)

隨著中國城市化進(jìn)程加快，城市缺水、城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)、城市黑臭水體等城市問題凸顯，為緩解這些城市問題，中國在2015，2016年先后批準(zhǔn)了30個海綿城市建設(shè)試點，在全國各地開展海綿城市發(fā)展之路，海綿城市效益的貨幣化研究是目前海綿城市需要研究的問題之一。住宅小區(qū)海綿改造是完成城市海綿建設(shè)任務(wù)和解決城市水環(huán)境問題的關(guān)鍵，住宅小區(qū)是各種低影響開發(fā)(low impact development，LID)措施組合應(yīng)用的最小整體單元之一；以住宅小區(qū)為研究對象，對雨水徑流調(diào)控效益進(jìn)行貨幣化計算，可以明確住宅小區(qū)海綿改造的效益，也可以為市政道路、綠地與廣場等海綿改造單元雨水徑流調(diào)控效益的貨幣化研究提供參考，為整個海綿城市改造效益的貨幣化研究提供技術(shù)支撐。

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》中提供了17種主要的低影響開發(fā)措施，包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、滲透塘、滲井、濕塘、雨水濕地、蓄水池、雨水罐、調(diào)節(jié)塘、植草溝、滲管/渠、植被緩沖帶、初期雨水棄流設(shè)施、人工土壤滲濾等，不同氣候和下墊面條件使得不同區(qū)域LID措施的組合具有一定差異，氣候條件、下墊面條件和LID措施組合的差異使得同一設(shè)施在不同情況下產(chǎn)生的效益也不一樣，所以，LID效益貨幣化研究是一個復(fù)雜的問題。國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度研究分析LID措施的效益，馬恒升等[1]以項目生命周期理論為指導(dǎo)，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會3個方面對國內(nèi)外城市LID建設(shè)、運營的雨洪管理效益進(jìn)行了分析；張書涵等[2]從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會方面討論了城市雨水利用的效益，認(rèn)為城市雨水利用的社會效益遠(yuǎn)大于直接經(jīng)濟(jì)效益；左建兵等[3]根據(jù)城市水文學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理建立了城市雨水利用成本效益分析模型，并對北京市267項雨水利用工程的成本和效益進(jìn)了分析；劉俊杰等[4]計算了某市政道路下沉式綠地年徑流控制率，從年徑流總量控制率和年徑流污染控制率兩個方面與成本進(jìn)行了簡單對比；唐樹英[5]提出市政道路徑流總量控制、污水再生利用等6種具體效益指標(biāo)及計算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合全生命周期成本的理念，構(gòu)建出環(huán)境綜合效益與經(jīng)濟(jì)綜合效益模型；李晨等[6]從增設(shè)LID措施前后外排量、節(jié)水量、回補地下水量、消除污染而減少的社會損失、節(jié)電量和固碳釋氧量的變化，分析計算了北京市某海綿小區(qū)的生態(tài)效益；曹秀麗等[7]從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會3個方面，選取了減少土地成本、減少中水費用、減少污染物去除費、徑流削減、降低洪泛成本和減少區(qū)域碳排量6個指標(biāo)，分析計算了某物流中心LID措施的成本效益；Juan等[8]結(jié)合洪水和海岸侵蝕風(fēng)險管理評估指南，分析計算了倫敦市SuDS系統(tǒng)緩解城市內(nèi)澇的效益；Zhan等[9]從減少污水處理費、減少能耗、減少空氣污染、吸收CO2以及支付意愿5個指標(biāo)貨幣化了香港某社區(qū)LID措施的效益，并做了成本—效益對比分析。

本文重點探討住宅小區(qū)LID改造后雨水調(diào)控效益的量化與貨幣化方法。以寧夏回族自治區(qū)固原市某住宅小區(qū)為研究對象，結(jié)合小區(qū)各LID設(shè)施的布設(shè)情況，計算不同設(shè)計降雨量下LID設(shè)施對降雨徑流的截蓄量與各LID設(shè)施截蓄容積的利用率；再結(jié)合固原市2004—2014年的降雨資料，量化該小區(qū)年均降雨徑流總截蓄量與各LID措施對降雨徑流的截蓄量。基于量化的小區(qū)LID設(shè)施對降雨徑流的截蓄數(shù)據(jù)，結(jié)合資源環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，計算小區(qū)降雨徑流年調(diào)控效益、單方降雨徑流調(diào)控效益與各LID措施年均降雨徑流調(diào)控效益。以期計算方法與結(jié)果可以為固原市以及西北地區(qū)住宅小區(qū)海綿化改造效益的貨幣化提供參考，為海綿城市LID設(shè)施的科學(xué)布設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 研究背景

1.1 海綿改造前小區(qū)概況

玫瑰苑小區(qū)屬于居民住宅小區(qū)，位于寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)，是固原市海綿城市建設(shè)試點示范小區(qū)之一。小區(qū)總面積為43 800 m2，其中屋面面積8 883 m2，占小區(qū)面積的20.3%；綠地面積24 734 m2，占小區(qū)面積的56.5%；硬化道路面積10 183 m2，占小區(qū)面積的23.2%。小區(qū)海綿改造前，除了部分屋面雨水徑流被居民收集利用外，大部雨水徑流經(jīng)過市政排水管網(wǎng)進(jìn)入清水河中。由于居民使用的雨水收集設(shè)施容積有限，單場降雨單個雨落管下雨水收集量約0.2～0.5 m3，所以小區(qū)雨水利用率僅為1%左右。小區(qū)海綿改造前沒有任何LID措施，根據(jù)小區(qū)下墊面類型與雨量徑流系數(shù)，計算出小區(qū)海綿改造前徑流控制率約為60%。

1.2 海綿改造后小區(qū)LID配置

小區(qū)海綿改造的目標(biāo)是將年徑流總量控制率提升至90%，對應(yīng)的設(shè)計降雨量為22.6 mm。小區(qū)海綿改造運用的雨水設(shè)施主要有雨水桶、植草溝、雨水花園、下沉式綠地和蓄水模塊(雨水池)。小區(qū)雨水設(shè)施處理雨水徑流的工藝流程見圖1。雨水桶主要分布于各建筑物雨落管下，用以收集屋面雨水，雨水桶數(shù)量為17個，單個雨水桶容積為1 m3；雨水花園和下沉式綠地則是在原有綠地的基礎(chǔ)上改建的，用以收集和處理路面、草地以及雨水桶溢流的徑流雨水，面積分別為574 m2和514 m2，占小區(qū)總面積的2.53%和2.52%，蓄水深度分別為0.3 m和0.2 m，考慮該小區(qū)為Ⅰ級非自重濕陷性黃土地區(qū)，設(shè)施均設(shè)有土工布防滲；植草溝主要設(shè)置在雨水花園、下沉式綠地前端，用以引導(dǎo)和凈化徑流雨水；蓄水模塊修建在地下，位于整個雨水徑流處理系統(tǒng)的末端，容積為168 m3，用以收集小區(qū)溢流雨水及雨水花園和下沉式綠地處理后的雨水。

圖1 海綿小區(qū)雨水設(shè)施流程示意圖

2 數(shù)據(jù)與計算

2.1 小區(qū)各LID設(shè)施降雨徑流調(diào)控定量分析計算

2.1.1 小區(qū)海綿改造后降雨徑流調(diào)蓄情況

(1) 降雨期間各LID設(shè)施降雨徑流截蓄量分析。在單場降雨期間，各LID設(shè)施由于其屬性和位置不同，其發(fā)揮的作用不同。如圖2所示，在理想條件下，隨著設(shè)計降雨量增大，有2個關(guān)鍵小節(jié)點與1個關(guān)鍵大節(jié)點，分別為5，14，22.5 mm。

圖2 不同設(shè)計降雨量下各LID設(shè)施徑流截蓄情況

在設(shè)計降雨量小于5 mm時，隨設(shè)計降雨量增大的徑流雨水均被雨水桶、雨水花園和下沉式綠地截蓄；在設(shè)計降雨量在5～14 mm之間時，雨水桶蓄滿徑流，隨設(shè)計降雨量增大的徑流雨水均被雨水花園和下沉式綠地截蓄；在設(shè)計降雨量在14～22.5 mm時，雨水桶、雨水花園和下沉式綠地截蓄空間均蓄滿，雨水池開始截蓄雨水徑流，隨設(shè)計降雨量增大的徑流雨水均被雨水池截蓄；當(dāng)設(shè)計降雨量大于22.5 mm時，小區(qū)各LID設(shè)施蓄滯容積均蓄滿雨水，小區(qū)開始產(chǎn)生外排雨水徑流。

(2) 降雨結(jié)束后小區(qū)降雨徑流實際截蓄量分析。降雨結(jié)束后，由于小區(qū)內(nèi)雨水花園和下沉式綠地均為防滲型設(shè)施，2種設(shè)施處理的雨水流入雨水模塊。如圖3所示，降雨結(jié)束后小區(qū)是否有出流的關(guān)鍵節(jié)點為9 mm，設(shè)計降雨量小于9 mm時，小區(qū)降雨徑流全部被截留；設(shè)計降雨量大于9 mm時，雨水花園和下沉式綠地處理的雨水量大于雨水模塊的容積，多余雨水排出小區(qū)外；結(jié)合圖2可知，在設(shè)計降雨量大于14 mm時，在降雨期間蓄水模塊便已蓄滯了小區(qū)部分未被處理的雨水，降雨結(jié)束后，經(jīng)過雨水花園和下沉式綠地處理的雨水進(jìn)入蓄水模塊與未被處理的雨水混合，雨水模塊蓄滿后，多余的雨水排出小區(qū)外。

圖3 不同設(shè)計降雨量下小區(qū)實際截留雨量

2.1.2 小區(qū)各LID設(shè)施降雨徑流年調(diào)控量 固原市多年平均降雨量為466 mm，降雨年內(nèi)分配不均，降雨主要發(fā)生在7—9月份。根據(jù)固原市雨量站2004—2014年觀測的降雨數(shù)據(jù)，原州區(qū)年均降雨42次，各降雨量與場次見表1。

根據(jù)不同設(shè)計降雨量下各LID設(shè)施徑流截蓄情況和原州區(qū)年均降雨量與降雨場次數(shù)據(jù)，玫瑰苑各LID設(shè)施年均截蓄徑流量與單位LID設(shè)施年均截蓄量見表2。其中，雨水池滯留的雨水是指在降雨期間，雨水池能夠減少的徑流量；雨水池蓄留雨水，是由于雨水花園與下沉式綠地均不可下滲，在降雨過后，截蓄的雨水經(jīng)過雨水花園與下沉式綠地凈化后進(jìn)入雨水池，供社區(qū)居民使用，小區(qū)海綿改建后年雨水利用量約增加至5 350 m3，利用率由1%提升至26%。

表1 原州區(qū)年均降雨量與降雨場次

表2 各LID設(shè)施年均截蓄徑流量與單位LID設(shè)施年均截蓄量

2.2 效益識別

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益 固原市屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，人均水資源量僅為368 m3(按2011年人口計)，不足全國人均的1/6，遠(yuǎn)低于公認(rèn)的維持一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必須的1 000 m3。固原市海綿改造前，原州區(qū)中水生產(chǎn)量較低，主要用于熱電廠冷卻和清水河補水。城市海綿改造前，居民日常生活用水、綠地澆灌用水等主要是自來水。海綿改造后，玫瑰苑小區(qū)雨水桶與雨水池集蓄的雨水可以補充小區(qū)居民的生活用水，如：洗車、澆灌花卉、沖洗廁所等，以及替代部分市政用水，如：小區(qū)綠地澆灌等。從經(jīng)濟(jì)角度來看，小區(qū)LID設(shè)施集蓄的雨水可以增加小區(qū)的可用水資源量以及減少水資源遠(yuǎn)程輸水成本。

(1) 增加小區(qū)水資源效益B1。小區(qū)LID設(shè)施集蓄的雨水水質(zhì)接近中水水質(zhì)，用途也與中水相似，故可用中水價格作為雨水回用的價值。

(2) 減少遠(yuǎn)程輸水成本效益B2。雨水資源化利用增加了區(qū)域可利用水資源量，降低遠(yuǎn)程輸水壓力，減少了遠(yuǎn)程輸水的成本。固原市原州區(qū)自來水主要引自六盤山區(qū)，根據(jù)六盤山水庫和引水管網(wǎng)建設(shè)成本、運營期限及年引水量，計算得原州區(qū)遠(yuǎn)程引水成本約1.9元/m3。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境效益 從生態(tài)環(huán)境角度來看，對小區(qū)雨水徑流進(jìn)行截蓄能夠減少區(qū)域徑流外排量，有利于海綿城市達(dá)到年徑流總量控制率目標(biāo)；同時，小區(qū)LID措施對雨水徑流的凈化和區(qū)域外排徑流的減少，能夠緩解面源污染；小區(qū)對徑流量與面源污染物的截蓄能夠減少城市雨水徑流對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的影響，具有提升水環(huán)境的效益。

(1) 年徑流總量控制效益B3。大部分雨水徑流會通過市政排水管網(wǎng)進(jìn)入受納水體，市政管網(wǎng)的建設(shè)運營成本決定了雨水徑流運移具有一定的成本。某區(qū)域內(nèi)市政排水管網(wǎng)每年的折舊費和運營維護(hù)費平攤到年均運移的雨/污水總量上，即為單方雨/污水的運移成本。根據(jù)譚雪等[10]的研究，西部地區(qū)管網(wǎng)建設(shè)的平均成本為1.64元/m3，以此作為小區(qū)年徑流總量控制的單位效益。

(2) 緩解城市面源污染效益B4。一般情況下，由于城市污水處理廠處理負(fù)荷有限，不會接納雨水徑流，大部分城市雨水徑流會通過市政排水管網(wǎng)直接進(jìn)入受納水體，使受納水體遭受面源污染的影響?？刂瞥鞘忻嬖次廴镜男Чc在末端建立污水處理廠處理城市雨水徑流的效果一致，所以，源頭控制污染物的效益可以用污水末端處理的成本替代。根據(jù)譚雪等[11]的研究，污水處理廠的綜合處理成本為1.49元，以此作為小區(qū)徑流控制緩解城市面源污染的單位效益。

(3) 提升水環(huán)境效益B5。水環(huán)境惡化會造成區(qū)域經(jīng)濟(jì)損失，提升水環(huán)境質(zhì)量能夠減少因區(qū)域水環(huán)境惡化帶來的經(jīng)濟(jì)損失。一般污染造成的損失是污染治理成本的1.5～3倍，固原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平降低，水環(huán)境質(zhì)量對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響較低，取1.5倍，污水處理成本1.49元/m3，即源頭減少單方徑流提升的水環(huán)境效益為2.25元。

2.2.3 社會效益 緩解內(nèi)澇效益B6。城市不透水面增加和排水管網(wǎng)排水能力不足造成城市部分地區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)，海綿城市小區(qū)源頭徑流截蓄能夠減少進(jìn)入排水管網(wǎng)的雨水徑流，緩解易澇區(qū)域內(nèi)澇程度，減少內(nèi)澇帶來的損失。

2.2.4 玫瑰苑小區(qū)的內(nèi)部效益與外溢效益 上述的效益分類是站在整個城市角度進(jìn)行分析的，站在玫瑰苑小區(qū)的角度分析，上述6種效益可以分為發(fā)生在玫瑰苑小區(qū)內(nèi)的內(nèi)部效益和發(fā)生在玫瑰苑小區(qū)以外的外溢效益。

(1) 內(nèi)部效益主要是增加小區(qū)水資源效益(B1)。

(2) 外溢效益有：減少城市遠(yuǎn)程輸水成本(B2)、減少排水管網(wǎng)運營成本(B3)、緩解城市面源污染(B4)、提升水環(huán)境(B5)、緩解城市內(nèi)澇(B6)。

2.3 效益計算

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

(1) 增加小區(qū)水資源效益。固原市中水回用價格為1.2元/m3，根據(jù)表2的計算結(jié)果，小區(qū)雨水桶與雨水池年均蓄水總量分別為646 m3和4 704 m3，故增加小區(qū)水資源的效益為：B1=(646+4 704)m3/a×1.2元/m3=6 420元/a。小區(qū)海綿改造前綠地澆灌用水主要是自來水，所以，除非必要，極少進(jìn)行綠地澆灌。海綿改造4—9月份間月均綠地澆灌2次，按1.5 L/m2澆灌量，年均澆灌用水222 m3，固原市自來水價格為2.9元/m3，則海綿改造后每年節(jié)省綠地澆灌費為644元。綜上，增加水資源效益為7 064元/a。

(2) 減少遠(yuǎn)程輸水成本效益。固原市原州區(qū)單方水資源遠(yuǎn)程運移成本約為1.9元，根據(jù)表2的計算結(jié)果，小區(qū)雨水桶與雨水池年均蓄水總量分別為646 m3和4 704 m3。故小區(qū)LID設(shè)施集蓄雨水減少水資源遠(yuǎn)程輸水成本的效益為：B2=(646+4 704)m3/a×1.9元/m3=10 165元/a。

2.3.2 生態(tài)環(huán)境效益

(1) 年徑流總量控制效益。根據(jù)表2的計算結(jié)果，小區(qū)對降雨徑流的截蓄量年均增加11 568 m3，而單方雨水的運移成本為1.64元。則小區(qū)年徑流總量控制效益為：B3=11 568 m3/a×1.64元/m3=18 972元/a。

(2) 緩解城市面源污染效益。根據(jù)表2的計算結(jié)果，小區(qū)對降雨徑流的截蓄量年均增加11 568 m3，而單方雨水減少的面源污染效益為1.49元，則小區(qū)緩解城市面源污染的效益為：B4=11 568 m3/年×1.49元/m3=17 236元/a。

(3) 提升水環(huán)境效益。根據(jù)表2的計算結(jié)果，小區(qū)對降雨徑流的截蓄量年均增加11 568 m3，而源頭減少單方降雨徑流提升的水環(huán)境效益為2.25元。則小區(qū)提升水環(huán)境效益為B5=11 568 m3/a×2.25元/m3=26 028元/a。

2.3.3 社會效益 緩解內(nèi)澇效益。根據(jù)固原市內(nèi)澇點數(shù)據(jù)與年均降雨量與降雨場次數(shù)據(jù)，計算得各LID措施緩解內(nèi)澇的年效益見表3。結(jié)合玫瑰苑各LID設(shè)施的數(shù)量和面積，計算得玫瑰苑緩解內(nèi)澇的年效益B6為31 837元/a。

表3 玫瑰苑LID措施緩解內(nèi)澇的年效益

3 結(jié)果與分析

海綿改建后，玫瑰苑小區(qū)徑雨水流調(diào)控年效益計算結(jié)果見表4?？傂б婕s為110 658元/a，其中雨水花園、下沉式綠地、雨水桶和雨水池的效益分別為45 273,27 103,6 654,32 272元/a。內(nèi)部效益為7 064元/a，占總效益的5.8%；外部效益為104 238元/a，占總效益的94.2%。小區(qū)海綿改造后年均滯蓄徑流量增加11 568 m3，平均單方雨水徑流源頭滯蓄效益為9.62元。李晨等[6]計算北方某城市雨水徑流調(diào)控效益約為19.06元/m3，其計算的結(jié)果約為固原市的2倍，與本文計算結(jié)果具有差異的原因是其選擇的效益計算項目較多，包括了節(jié)電、補充地下水、固碳釋氧等效益，且兩地氣候、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境等方面差異，也導(dǎo)致計算的結(jié)果略有差異；從海綿城市單位面積年效益方面看，其計算的小區(qū)單位面積效益為2.60×104元/(hm2·a)，而本文計算的玫瑰苑小區(qū)的效益約為2.50×104元/(hm2·a)，兩者相差較?。还视嬎愕拿倒逶沸^(qū)單方雨水徑流的滯蓄效益為9.62元較為合理。

表4 玫瑰苑LID措施年效益與單方雨水徑流控制效益 元/a

玫瑰苑小區(qū)各單位LID設(shè)施年效益見表5。雨水花園為78.9元/(m2·a)，下沉式綠地為52.5元/(m2·a)，雨水桶為391.4元/(個·a)，雨水池為192.1元/(m3·a)。根據(jù)固原市LID措施建造成本，4項措施的成本分別為80元/m2,40元/m2,2 000元/個和2 200元/m3，在不考慮各設(shè)施運營維護(hù)成本的前提下，雨水花園和下沉式綠地運行1 a后即可回本，雨水桶和雨水池則分別需運營4 a和12 a方可回本。即便考慮雨水花園與下沉式綠地的維護(hù)與翻修成本，其產(chǎn)生的總效益也遠(yuǎn)大于建設(shè)維護(hù)成本；雨水桶為塑料制品，假設(shè)其露天放置使用壽命平均為15 a，假設(shè)其維護(hù)成本為建設(shè)成本的0.5～1倍，雨水桶運營6～8 a產(chǎn)生的效益即可抵消其成本，剩余的7～9 a產(chǎn)生的效益即為雨水桶的純收益；建設(shè)在地下的雨水池若運營維護(hù)得當(dāng)，一般不需要重建，假設(shè)運營周期內(nèi)運營維護(hù)費用為建設(shè)成本的0.5～1倍，雨水池在18～24 a產(chǎn)生的效益即可抵消其成本，剩余的6～12 a內(nèi)產(chǎn)生的效益即為純收益。

表5 玫瑰苑小區(qū)各單位LID措施年效益

4 結(jié) 論

(1) 住宅小區(qū)海綿改建能夠有效控制小區(qū)降雨徑流的外排量，提高小區(qū)年徑流總量控制率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。

(2) 玫瑰苑小區(qū)海綿改造后，平均每年增加的雨水徑流調(diào)控量約為11 568 m3，增加的徑流調(diào)控經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益分別為17 229,62 236,31 837元/a，合計為111 302元/a，平均雨水徑流調(diào)控效益為9.62元/m3。

(3) 玫瑰苑小區(qū)各LID設(shè)施中，雨水花園、下沉式綠地、雨水桶和雨水池的效益分別為45 273,27 103,6 654,32 272元/a。單位面積雨水花園效益為78.9元/(m2·a)，單位面積下沉式綠地效益為52.5元/(m2·a)，單個雨水桶效益為391.4元/(個·a)，單位容積雨水池的效益為192.1元/(m3·a)。

(4) 本文量化分析、貨幣化計算住宅小區(qū)海綿改建對降雨徑流調(diào)控效益的分析計算方法，可以為海綿城市住宅小區(qū)效益貨幣化計算提供參考。計算結(jié)果可以為固原市及西北部分地區(qū)，住宅小區(qū)海綿改建過程中，各LID設(shè)施的科學(xué)布設(shè)提供一定的技術(shù)支撐。