雨水收集系統收益成本分析

[美國] S.多爾曼 等

雨水收集系統收益成本分析

[美國] S.多爾曼 等

雨水收集越來越多地被視為缺水地區減少雨水徑流和補充供水的一種實用手段，盡管其應用一直局限于城市地區。 針對雨水收集在減少飲用水使用、雨水徑流以及飲用水供應所需能源方面的潛力，或者雨水收集相關的成本，已經進行了大量研究，但對成本和收益進行同時評估，尚無先例。 以加州南部一個高度城市化的流域為例，量化研究了雨水收集的經濟收益和成本，探討雨水收集使用是否是一項高效的區域政策。 考慮流域的土地利用、地形和降雨變化，評價了各種水箱尺寸，估算了兩種雨水利用情景下(即僅室外使用以及室外使用加室內非飲用水使用)的節水、節能和節碳量級。

雨水；雨水收集;收益成本分析; 雨水管理; 城市供水

1 概 述

城市社區擴張給水管理帶來了巨大挑戰。 例如，在美國加州南部，大部分城市需要從數百英里外的地方輸水來保證當地供水。 市區鋪設地面和不透水地面破壞了雨水的自然過濾和下滲進程，導致河道徑流量增加、水質惡化。 不斷增多的洪澇損害了公共安全，對受納水體的生態、地形和社會經濟收益產生了不利影響。

公眾越來越多地關注雨水的潛在價值。 某些公共部門和決策團體將雨水收集和再利用視為補充地方供水和減少雨水徑流的可行性策略。 利用集雨水，可避免城市居民將飲用水用于景觀灌溉等非飲用用途，同時也可以減少受污染雨水徑流進入河流、湖泊和海灘。 在城市區域，雨水收集可節約大量飲用水，特別是在加州南部這樣的半干旱地區，其景觀灌溉用水至少占整個城市飲用水水量的一半。 減少飲用水需求還可以節約能源、減少碳排放。 水和能源這兩者是密切聯系的，因為生產能源需要水，而水的輸送、處理和配置也需要能源。

對于將雨水收集系統(RWHS)作為增加供水以及一種雨水管理方案的可行性、成本以及運行情況進行了大量研究。 有學者對其效果進行了模擬，在一幢獨立住宅安裝了一個水箱，據推測，可實質性減少1 a一遇和2 a一遇設計暴雨的徑流量和峰量。 在街區尺度上，有學者對住宅安裝的190 L水箱進行了觀測，結果顯示，在美國濕潤區(中西部和東部海岸)，最多可節約50%的室外非飲用水；在西南等半干旱地區，可減少最多達20%的徑流量。針對加州圣地亞哥的一個流域，計劃為流域內所有住宅安裝容量達7 571 L的水箱，減少的徑流量可達到12.5%。 有學者研究了美國東南部幾個大規模雨水收集系統的運行情況和經濟收益，發現在一些案例中，執行雨水收集系統計劃的成本與付出的努力超過了節水產生的收益，并建議，在評價經濟效益時考慮雨水減少等其他收益。 就供水而言，幾項研究探討了水箱尺寸優化問題，以保證在降水和用水存在季節變化的情況下集雨水供給不會中斷。 研究表明，在氣候多變地區，單純依靠雨水滿足非飲用用水在經濟上是不可行的，但是可以提供相當一部分非飲用水。

一些研究對雨水收集系統的潛在節能進行了探討。 有學者估計，如果在景觀灌溉以及其他室外用途中使用雨水替代飲用水，美國每年可節約能源38億kW·h，價值2.7億美元。 然而研究發現，每個家庭節約的能源以及節約的相關成本很少，每年最多節約120 kW·h，不到10美元。 有學者指出，雨水收集系統的效能隨水需求、系統設計、水能強度和建筑類型等地域特征的變化而變化。 另外，還有學者注意到，與水相關的能源消耗所產生的溫室氣體排放總量超過1億t二氧化碳當量，而為加州水基礎設施提供能源的碳基燃料燃燒釋放的特殊物質，可能導致哮喘和其他健康問題。 因此，節水也意味著節能和減少污染。

以往的研究探討了雨水收集系統的節能或者飲用水使用及雨水徑流的潛在減少，但是對于區域尺度成本和收益的綜合評估卻鮮有研究。 本文創新之處在于預測用于住宅和商用建筑的雨水收集系統的生命周期的成本和收益。 本文所指收益包括減少的徑流量和洪峰徑流、節約的飲用水和能源以及減少的碳排放。 這里所說的成本是指業主購買、安裝、運行以及維護雨水收集系統所需的基礎設施(水箱、水泵和管道)時發生的成本。 以加州南部一個高度城市化流域為例，對收益成本進行了分析，以預測執行雨水收集計劃的凈收益。

2 方 法

為評估雨水收集系統的總經濟價值，該項目依托已經建立的工程框架估算削減的雨水以及節約的水和能源。 利用EPA雨水管理模型(SWMM)，根據用途類型(僅室外使用或者室內室外同時使用)以及所安裝水箱的大小，估算減少的雨水量以及節約的飲用水量。 同時，量化了相同執行情景下減少的能耗量以及碳排放量。

然后，根據文獻資料所獲取的成本數據將節約的水量和能源量換算為美元。 將這些貨幣價值納入成本收益框架，評估巴羅納克里克(Ballona Creek)流域不同情景下雨水收集的經濟效率。

2.1 雨水減少量和節水量化

水箱能夠收集的水量取決于眾多局部變量，包括降雨模式、土地利用分布、屋頂大小、水箱大小、降水范圍、集雨水用途及其利用率，而這些變量又取決于蒸散發(ET)以及室內使用需求等因素。 巴羅納克里克流域雨水收集系統節約的飲用水量與雨水減少量的估算基于如下假定：

(1) 水箱安裝于住宅和商用建筑內，這些建筑占地面積大約為整個土地利用的75%。

(2) 50%的住宅和商用建筑采用了雨水收集系統，參與該計劃的每棟建筑安裝一個水箱。

(3) 住宅區或者商業區屋頂面積占其區域內不透水面積的70%或者60%，剩余不透水部分包括街道、停車場、人行道和車行道。

(4) 每棟建筑草地面積為93 m2，典型景觀為暖季型草坪，每48 h澆灌一次。

基于上述假定，利用下列水平衡公式計算可收集雨水量

(1)

式中，v為儲水量;q0為進入水箱的屋面徑流，取決于降雨歷時、降雨強度以及屋面面積;q1為水箱流出的、滿足草坪灌溉和/或室內用途的雨水;q2為超過儲存能力時水箱溢出的水量;t為模擬時段。q0、q1和q2的單位是[L]3/[T]，v的單位是[L]3。

水箱流出水量q1既代表了節約的飲用水量，也代表了雨水收集系統減少的徑流量，它們取決于水利用的類型、蒸散發、草地面積和水利用率。 為了量化徑流量、洪峰徑流和長時段內節約的飲用水，利用公式(1)求解時，必須考慮流域中參與計劃的所有建筑、氣候的時空變化、流域特征如土地利用、地形以及現有的雨水排水基礎設施。為了更好地掌握氣候和流域特征的非均勻性，根據地形和現有雨水收集網絡，將該337 km2的流域劃分為1 414個子流域。 子流域的平均面積為 0.163 km2。

流域土地利用數據來自于洛杉磯縣公共事業局(LACDPW) 2005年的統計，用于估算每個子流域住宅用地和商用用地的百分比。 利用美國地質調查局的流域不透水地圖推算不透水面積百分比。 建筑的平均屋面面積取值148.65 m2。 根據這些數據和假設，估算每個子流域住宅和商業建筑的數量。 根據估算，商業建筑和住宅總數為449 752棟。 該估算量與利用沃什伯恩等人提出的加州城市建筑數量計算方法獲得的結果相差不超過 2.8%。 根據參與率50%的假定，整個流域執行雨水收集系統計劃所涉及的住宅和商用建筑總數為224 876棟。

分析中考慮了兩種雨水使用情景，每一種情景模擬了不同的水箱大小，確定各種水箱等級的經濟效率。 在第一種情景下，假定集雨水僅用于草坪灌溉，而第二種情景則同時考慮草坪灌溉和室內非飲用用途。 室內用途僅限于沖廁所和洗衣服。 根據日蒸散發數據估算草坪灌溉的需水量，在案例研究流域附近的加州圣塔莫尼卡(Santa Monica)，加州灌溉管理信息系統氣象站提供了日蒸散發資料。 灌溉需水量為上次灌溉后蒸散發總量與總降水量之差。 LACDPW提供了流域內3個雨量站的15 min時段降雨資料。 利用距離和高程確定每個子流域代表雨量站的控制范圍。

根據日污水流量估算值估算室內非飲用水利用率，洛杉磯住宅和商業區每人每天產生的污水量為378 L。 假定沖廁所和洗衣服用水量為每日人均產生污水量的50%。 美國人口普查資料顯示，洛杉磯市平均家庭人口為3人，每棟商業建筑平均雇員數量為 3.5人。 因此，參與計劃的每棟建筑的室內非飲用水用水率為 25.6 L/h。 利用巴特勒提出的時段需水模式模擬室內水利用率的時段變化。

分析了介于208～ 757 L之間的6種不同大小的水箱，以研究收益成本對水箱大小的敏感性。 對于每一種水箱尺寸和水用途情景的組合，利用雨水管理模型求解公式(1)，預測整個流域以及1 414個子流域的節水量和雨水減少量。 利用先前研究對SWMM進行流域校正。

2.2 節能計算

鑒于大型跨流域調水系統遠距離大量調水的抽水要求，南部加州水系成為能源密集型水系。 泵站為輸水以及通過管網輸送經處理的飲用水提供足夠壓力，其消耗能源的比例相當大，占供水系統和水處理系統能源消耗的90%。

區域水批發商——南加州都市水分區(MWD)兩大水源分別是“州水項目”(SWP)中北加州提供的水和科羅拉多河。 巴羅納克里克流域的城市供水，大部分由地方水務機構，主要是洛杉磯水電局(LADWP)從MWD購買，少部分來源于當地開采的地下水或者回收的污水。 從北加州將SWP中分配的水輸送到MWD服務區，每兆升(ML)大約消耗能源2 638 kW·h。 這些未經處理的水被輸送到位于南加州的水處理系統和配水系統。 據MWD估算，從科羅拉多河抽水至南加州，約消耗能源1 621.4 kW·h/ML。

在本分析中，計算雨水收集系統所節約的能源時， MWD的能源密度因子采用1 621.4 kW·h/ML。 該數據是一個非常保守的估算值，沒有包括水處理系統和配水系統水泵耗用的能源。

碳排放減少的計算，采用美國環境保護署(EPA)的CO2等價因子 6.895 51×10-4t/kW·h。

2.3 收益成本模型

收益成本分析(BCA)比較了減少飲用水使用量帶來的收益同執行和維護雨水收集系統計劃的成本。 收益成本分析基于如下假定。

(1) 雨水收集所獲得的水量并不增加業主總的用水量，但是會使水機構購買的水永久減少。 不存在假定的“反彈效應”。 當技術進步不能產生凈節水，相反導致用戶增加用水量時，反彈效應發生。

(2) 雨水收集系統產生的水質改善、洪水風險降低、洪峰徑流和徑流量減少帶來的損失減少等雨水收益，沒有包括在該收益成本分析中。 雨水收集系統水質收益分析不屬于該研究的范圍，根據SWMM模擬結果，預計該流域不存在明顯的洪水損失減少，因此洪水收益分析也被排除在外。

(3) 所包括的雨水收集收益為節約的水、能源和減排的經濟價值。業主還能通過雨水收集產生內在滿足感或者榮譽感，因為其相信節水的重要性，即使成本超過了貨幣收益。 本文收益成本分析不包括這類無形收益。

(4) 每個水箱的成本是固定的，與購買水箱數量無關。本文不假定批發折扣。

(5) 對于固定的50%的參與率，每個水箱的收益不變。 本研究不包括參與率敏感度測試(用于確定是否存在額外收益數量級變化的上下閾值)。

(6) 雨水收集系統購買和安裝成本在計劃執行后全部付清，但是，節水、節能和減排收益是逐年累積的，直到該項目服務期限結束為止，本研究假定服務期限為30 a。

假定(2)和(3)可能低估了雨水收集系統的真實收益，而假定(4)和(5)可能高估了真實成本。 因此，本文的收益成本分析方法非常保守，真實的凈收益很可能高于這些估算值。

每種規格雨水收集系統的凈收益現值計算公式如下

(2)

式中，Bt表示t年的總收益，Ct表示t年的總成本。 收益包括節水、減排和節能的貨幣價值(區域收益)。 成本包括雨水收集系統的購買、安裝以及相關的運行維護成本。 計算了每一等級(水箱大小)及兩種情景下的雨水收集系統貼現凈收益，兩種情景為僅室外使用、室外和室內使用。 最高貼現凈收益的等級和情景，就是針對巴羅納克里克流域的最高效的雨水收集系統。

2.4 基線參數

2.4.1 節水量的經濟價值

針對執行雨水收集系統計劃節約的飲用水量，確定其經濟價值的方法很多，如直接市場估價法、重置成本法等。 可根據所節約水的后續最佳用途測算其經濟價值。 例如，收集的雨水可以作為未進入水箱而是留在源區域改善環境條件的水來計算價值。 也可以通過MWD為滿足未來城市需求額外購水而支付的價格測算其價值，例如向中央山谷里的農民購水。 另外一種方法，根據各水機構收取水費的價格，計算消費者減少使用自來水而節省的開支，以此來測算價值。 考慮到巴羅納克里克流域大部分供水是從MWD購買的，針對各水機構的批發價對于該研究似乎是最合適的。MWD收取的Ⅱ級全方位服務費被作為節水價值 。2015年，其價格是0.86美元/m3。 該收益成本分析考慮了項目持續期間固定水成本的情況，也考慮了更為現實的情景，即每年水價增加5%以反映增加的管理成本。 2005年之后，就MWD平均水價增長而言，該值沒有變化。

2.4.2 碳社會成本

根據12866號聯邦行政命令，跨部門工作小組估算2013年碳社會成本(SCC)為40.45美元/t，碳減排的美元價值據此計算。 從全球情況看，美國的這一碳社會成本估算值較低。 例如，碳社會成本的平均價格是43美元。 根據學者們關于碳社會成本價格綜述，其價格介于14～165美元之間，平均價格為93美元/t。 本文研究采用跨部門工作小組的估算值，因為聯邦政府估算值更有可能用于公共政策的收益成本分析。

2.4.3 能源成本

根據洛杉磯縣平均能源價格，節能價值按照0.21美元/kW·h計算。

2.4.4 水箱成本

為估算雨水收集系統的設備和安裝成本，從家裝商店和在線專業供應商等多家頗受歡迎的水箱及相關設備供應商處收集了價格資料。 模型使用了南加州的平均市場價格。 假定室外僅使用重力流，因此，不存在能源或者水泵重置成本。 雨水用于室外用途和室內用途時，水箱成本是相同的，但人工和材料成本要高得多。 材料包括送水至室內供非飲用用途所需的管道和水泵。 對于室內用途水箱，配備一臺一馬力且效率為60%的水泵，項目運行期內更換水泵2次。 未考慮潛在的地下安裝成本。

2.4.5 貼現率

關于長期項目適當貼現率問題，存在廣泛爭議，部分原因涉及長時間段以及代際公平問題。該研究采用3%的貼現率，這一貼現率與EPA近期對清潔能源計劃所做的監管影響分析是一致的，該計劃是一項重要的溫室氣體管理計劃。

3 模擬結果

3.1 雨水減少量和節水量化

利用2000～2010年雨量和蒸散發資料，使用長期雨水管理模型進行了模擬，數據包括濕潤年份和干旱年份。 圖1顯示了巴羅納克里克各子流域50%的住宅和商業大廈安裝不同大小水箱后每年可能節約的飲用水量。

圖1 流域尺度下針對各種大小水箱和水用途情景的年均節水量(柱狀圖)和最大雨水收集量

結果清晰顯示了項目節水對水箱的敏感性，而對水用途敏感程度則較弱。 為了進一步闡明敏感性，計算了參與該項目建筑的數量、這些建筑的平均屋面面積以及模擬期內流域年平均降雨量(381 mm)，獲得最大可能年節水量為1 274萬m3。 圖1還示出了各種大小水箱收集的最大可能節水量百分比。 所考慮的最小水箱尺寸，其節水量小于年可能收集雨量的一半，而最大水箱則可以收集最大降雨量90%左右。 就這些數字來看，假定一座獨立住宅年平均耗水量為360 617 L，則每個家庭每天耗水量約為988 L，這一分析數據表明，各種大小水箱收集和再使用雨水節約的可飲用水可供13 345～31 138座獨立屋使用1a。

針對流域降水產生的年平均徑流量和洪峰流量，對于僅室外使用的最小水箱，分別減少11%～24%和0～24%；對于同時考慮灌溉和室內使用的最大水箱，分別減少11%～14%和0～14%。 預測洪峰削減并不明顯，因為洪峰流量是高強度和長歷時降雨導致的，這樣的降雨很快將水箱充滿，平衡了洪峰流量減少效果。

3.2 節 能

將年節能量作為水箱大小的函數，繪制圖像，比較僅用于灌溉用途和同時考慮灌溉和室內使用兩種情況的節能量。 水箱尺寸增大時，年節能量增加。 兩種用水情景呈現相似的能源節約水平。 年碳當量減少呈現類似于節能模式，隨著水箱尺寸增大，呈增大趨勢。 類似地，兩種用水情景下的碳當量減少非常相似。

3.3 收益成本分析結果

收益成本分析結果揭示了如何比較雨水收集系統安裝成本與雨水收集和再使用收益。 圖2描述了分析結果，展示了恒定水價和水價每年增加5%兩種情況的分析結果。

圖2 巴羅納克里克流域雨水收集系統貼現凈收益

當項目時段內水價穩定時，室內水用途折扣凈收益是負的，所有尺度的雨水收集系統都是如此。 設備的購置、安裝和維護成本遠遠超過節水、節能和減排產生的收益。 大水箱的折扣凈收益低于小水箱，這表明收集的水量增加并不改變結果。 唯一的產生正凈收益的等級和情景是最小的水箱和僅室外用途。 這種情況下，收益超過成本大約6 480萬美元。 其他尺寸的水箱，僅室外用途時，貼現凈收益均呈負值。

如果水價每年增加，結果則呈現戲劇性變化。 此時，室外用途情境下，所有尺寸水箱的貼現凈收益均呈正值，盡管最小水箱依然產生最高的貼現凈收益(15 180萬美元)。 在水價提高的情況下，結果中差異最大的是室外用途情景和室內用途情景。 開始時，208～379 L的貼現凈收益下降，之后，隨著水箱尺寸增加，貼現凈收益也增加。 最大水箱的貼現凈收益為4 900萬美元。 就長遠而言，提高水價并安裝更大的水箱可使得室內水用途在經濟上是可行的。

總體而言，最小水箱的貼現凈收益最高。 如果項目時段內水價不變，雨水收集系統室內用途和室外用途的凈收益始終呈負值。 因此，模型表明，如果保持目前水價不變，雨水收集系統不應該用于室內用途。 如果水價有望每年至少提高5%，也可以考慮較大的水箱。 盡管效率最大的尺寸依然是208 L，但是必須考慮該小收集量對于室內用途的實用性。

流域內貼現凈收益的空間分布隨地理特征變化而變化。 人口密度和不透水面積大的子流域，貼現凈收益較高。 盡管地圖上無法看出，地理空間分析顯示，流域內預測節水量、土地利用、不透水地面分布和貼現凈收益之間存在明顯空間關聯。

4 討 論

收益成本分析模型的分析結果表明，巴羅納克里克流域雨水收集計劃最具經濟效率的水箱規格是208 L。 無論水價是否提高，這一水箱尺寸都是最高效的。 提高水價情景下貼現凈收益比水價不變情景高出3倍。 水箱成本低，因此收益可觀。

總體而言，收益的最大份額來源于節水(收集雨水替代飲用水購買)。 例如，208 L水箱僅用于室外用途，總收益中年節水占70%(430萬美元)，而節能和節碳分別占27%(170萬美元)和3%(23萬美元)。 這意味著，水價是確定最有效率政策的關鍵部分。 如果項目期間水價保持不變，無論水箱大小，收集雨水用于室內用途是沒有價值的，盡管用于室外用途依然性價比高。如果水價每年適度提高5%，無論水箱大小，雨水收集系統凈收益都是正值。 舉例來說，僅室外用途情景下，208 L水箱貼現凈收益為6 480萬美元；當水價提高時，相同情景下的貼現凈收益增加至15 180萬美元。 流域內供水價格是確定雨水收集和再使用收益最重要的參數。

收益成本分析應視為保守估算。 正如前面提到的，收益成本分析不包括水質、洪水減少或者個人滿足感等非市場價值之收益。 該分析采用的節能價值和碳價格非常保守。 因此，雨水收集系統的收益可能比本文估算值高。 同時，如果通過批發貼現降低水箱成本、或者水箱成本可以每年分攤支付而非第一年一次性支付，可提高室內用途效益。

5 結 論

針對在住宅建筑和商用建筑安裝雨水收集系統，以部分替代從市區水機構購買飲用水的可行性方案，本文提出了收益成本分析的方法。

研究發現，在巴羅納克里克流域，對于大部分尺寸的水箱，雨水收集收益遠遠超過了實施和運行成本。 即使水價保持不變，廣泛采用僅用于室外用途的最小水箱的雨水收集系統，也是經濟有效的。 對于室內用途的較大水箱，水價保持不變時，成本不合理；但是，如果水價每年上漲，收益則超過成本。 因此，在確定采用雨水收集政策是否合理以及優化執行等級時，水價是關鍵因素。

該研究可為公共政策制定提供一種潛在的經濟有效的方法，從而在不增加通常由納稅人承擔成本的管道水基礎設施投資的情況下，補充供水、加強水資源保護和減少資源使用。研究成果對于決策者和水管理者確定是否以及在何地鼓勵采用雨水收集系統具有重要價值。分析結果表明，流域內預測的節水量、土地利用、不透水地面分布和貼現凈收益之間存在明顯空間關聯。 根據研究成果，市政工程師和水管理者只要依據流域現有土地覆蓋數據就可以確定優先采用雨水收集系統的區域。 進一步的分析可包括檢驗不同水價上漲幅度和能源成本增加的敏感性、或者不同參與比例和季節性的敏感性，以確定是否存在導致額外收益大大增加的最小或最大水箱體積。 展開收益成本分析，考慮雨水量減少帶來的水質和減洪效益，則可以提供更為全面的核算，并進一步提高雨水收集系統的凈收益。

朱慶云 譯

(編輯：朱曉紅)

2016-11-24

1006-0081(2017)04-0021-05

TU823.6

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朱慶云，男，江蘇省水文水資源勘測局南京分局，高級工程師，主要從事站網及水文分析計算工作。)