固原市玫瑰苑小區低影響開發措施改造對降雨徑流的調控效益

賈斌凱， 李懷恩， 黃綿松， 孫文靖， 黨 菲， 付德宇

(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)

隨著中國城市化進程加快，城市缺水、城市內澇、熱島效應、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年先后批準了30個海綿城市建設試點，在全國各地開展海綿城市發展之路，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。住宅小區海綿改造是完成城市海綿建設任務和解決城市水環境問題的關鍵，住宅小區是各種低影響開發(low impact development，LID)措施組合應用的最小整體單元之一；以住宅小區為研究對象，對雨水徑流調控效益進行貨幣化計算，可以明確住宅小區海綿改造的效益，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支撐。

《海綿城市建設技術指南(試行)》中提供了17種主要的低影響開發措施，包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設施、滲透塘、滲井、濕塘、雨水濕地、蓄水池、雨水罐、調節塘、植草溝、滲管/渠、植被緩沖帶、初期雨水棄流設施、人工土壤滲濾等，不同氣候和下墊面條件使得不同區域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施在不同情況下產生的效益也不一樣，所以，LID效益貨幣化研究是一個復雜的問題。國內外學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，從經濟、環境、社會3個方面對國內外城市LID建設、運營的雨洪管理效益進行了分析；張書涵等[2]從經濟、環境和社會方面討論了城市雨水利用的效益，認為城市雨水利用的社會效益遠大于直接經濟效益；左建兵等[3]根據城市水文學原理和經濟學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種具體效益指標及計算標準，結合全生命周期成本的理念，構建出環境綜合效益與經濟綜合效益模型；李晨等[6]從增設LID措施前后外排量、節水量、回補地下水量、消除污染而減少的社會損失、節電量和固碳釋氧量的變化，分析計算了北京市某海綿小區的生態效益；曹秀麗等[7]從經濟、環境和社會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域碳排量6個指標，分析計算了某物流中心LID措施的成本效益；Juan等[8]結合洪水和海岸侵蝕風險管理評估指南，分析計算了倫敦市SuDS系統緩解城市內澇的效益；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個指標貨幣化了香港某社區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LID改造后雨水調控效益的量化與貨幣化方法。以寧夏回族自治區固原市某住宅小區為研究對象，結合小區各LID設施的布設情況，計算不同設計降雨量下LID設施對降雨徑流的截蓄量與各LID設施截蓄容積的利用率；再結合固原市2004—2014年的降雨資料，量化該小區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LID設施對降雨徑流的截蓄數據，結合資源環境經濟學原理，計算小區降雨徑流年調控效益、單方降雨徑流調控效益與各LID措施年均降雨徑流調控效益。以期計算方法與結果可以為固原市以及西北地區住宅小區海綿化改造效益的貨幣化提供參考，為海綿城市LID設施的科學布設提供技術支撐。

1 研究背景

1.1 海綿改造前小區概況

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

1.2 海綿改造后小區LID配置

小區海綿改造的目標是將年徑流總量控制率提升至90%，對應的設計降雨量為22.6 mm。小區海綿改造運用的雨水設施主要有雨水桶、植草溝、雨水花園、下沉式綠地和蓄水模塊(雨水池)。小區雨水設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，考慮該小區為Ⅰ級非自重濕陷性黃土地區，設施均設有土工布防滲；植草溝主要設置在雨水花園、下沉式綠地前端，用以引導和凈化徑流雨水；蓄水模塊修建在地下，位于整個雨水徑流處理系統的末端，容積為168 m3，用以收集小區溢流雨水及雨水花園和下沉式綠地處理后的雨水。

圖1 海綿小區雨水設施流程示意圖

2 數據與計算

2.1 小區各LID設施降雨徑流調控定量分析計算

2.1.1 小區海綿改造后降雨徑流調蓄情況

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

圖2 不同設計降雨量下各LID設施徑流截蓄情況

在設計降雨量小于5 mm時，隨設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；在設計降雨量在5～14 mm之間時，雨水桶蓄滿徑流，隨設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，隨設計降雨量增大的徑流雨水均被雨水池截蓄；當設計降雨量大于22.5 mm時，小區各LID設施蓄滯容積均蓄滿雨水，小區開始產生外排雨水徑流。

(2) 降雨結束后小區降雨徑流實際截蓄量分析。降雨結束后，由于小區內雨水花園和下沉式綠地均為防滲型設施，2種設施處理的雨水流入雨水模塊。如圖3所示，降雨結束后小區是否有出流的關鍵節點為9 mm，設計降雨量小于9 mm時，小區降雨徑流全部被截留；設計降雨量大于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，多余雨水排出小區外；結合圖2可知，在設計降雨量大于14 mm時，在降雨期間蓄水模塊便已蓄滯了小區部分未被處理的雨水，降雨結束后，經過雨水花園和下沉式綠地處理的雨水進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外。

圖3 不同設計降雨量下小區實際截留雨量

2.1.2 小區各LID設施降雨徑流年調控量 固原市多年平均降雨量為466 mm，降雨年內分配不均，降雨主要發生在7—9月份。根據固原市雨量站2004—2014年觀測的降雨數據，原州區年均降雨42次，各降雨量與場次見表1。

根據不同設計降雨量下各LID設施徑流截蓄情況和原州區年均降雨量與降雨場次數據，玫瑰苑各LID設施年均截蓄徑流量與單位LID設施年均截蓄量見表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，截蓄的雨水經過雨水花園與下沉式綠地凈化后進入雨水池，供社區居民使用，小區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 原州區年均降雨量與降雨場次

表2 各LID設施年均截蓄徑流量與單位LID設施年均截蓄量

2.2 效益識別

2.2.1 經濟效益 固原市屬于嚴重缺水地區，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，遠低于公認的維持一個地區經濟發展所必須的1 000 m3。固原市海綿改造前，原州區中水生產量較低，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，玫瑰苑小區雨水桶與雨水池集蓄的雨水可以補充小區居民的生活用水，如：洗車、澆灌花卉、沖洗廁所等，以及替代部分市政用水，如：小區綠地澆灌等。從經濟角度來看，小區LID設施集蓄的雨水可以增加小區的可用水資源量以及減少水資源遠程輸水成本。

(1) 增加小區水資源效益B1。小區LID設施集蓄的雨水水質接近中水水質，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) 減少遠程輸水成本效益B2。雨水資源化利用增加了區域可利用水資源量，降低遠程輸水壓力，減少了遠程輸水的成本。固原市原州區自來水主要引自六盤山區，根據六盤山水庫和引水管網建設成本、運營期限及年引水量，計算得原州區遠程引水成本約1.9元/m3。

2.2.2 生態環境效益 從生態環境角度來看，對小區雨水徑流進行截蓄能夠減少區域徑流外排量，有利于海綿城市達到年徑流總量控制率目標；同時，小區LID措施對雨水徑流的凈化和區域外排徑流的減少，能夠緩解面源污染；小區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域水生態環境的影響，具有提升水環境的效益。

(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進入受納水體，市政管網的建設運營成本決定了雨水徑流運移具有一定的成本。某區域內市政排水管網每年的折舊費和運營維護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。根據譚雪等[10]的研究，西部地區管網建設的平均成本為1.64元/m3，以此作為小區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直接進入受納水體，使受納水體遭受面源污染的影響。控制城市面源污染的效果與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，以此作為小區徑流控制緩解城市面源污染的單位效益。

(3) 提升水環境效益B5。水環境惡化會造成區域經濟損失，提升水環境質量能夠減少因區域水環境惡化帶來的經濟損失。一般污染造成的損失是污染治理成本的1.5～3倍，固原地區經濟發展水平降低，水環境質量對經濟發展的影響較低，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境效益為2.25元。

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

2.2.4 玫瑰苑小區的內部效益與外溢效益 上述的效益分類是站在整個城市角度進行分析的，站在玫瑰苑小區的角度分析，上述6種效益可以分為發生在玫瑰苑小區內的內部效益和發生在玫瑰苑小區以外的外溢效益。

(1) 內部效益主要是增加小區水資源效益(B1)。

(2) 外溢效益有：減少城市遠程輸水成本(B2)、減少排水管網運營成本(B3)、緩解城市面源污染(B4)、提升水環境(B5)、緩解城市內澇(B6)。

2.3 效益計算

2.3.1 經濟效益

(1) 增加小區水資源效益。固原市中水回用價格為1.2元/m3，根據表2的計算結果，小區雨水桶與雨水池年均蓄水總量分別為646 m3和4 704 m3，故增加小區水資源的效益為：B1=(646+4 704)m3/a×1.2元/m3=6 420元/a。小區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) 減少遠程輸水成本效益。固原市原州區單方水資源遠程運移成本約為1.9元，根據表2的計算結果，小區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LID設施集蓄雨水減少水資源遠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 生態環境效益

(1) 年徑流總量控制效益。根據表2的計算結果，小區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。根據表2的計算結果，小區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) 提升水環境效益。根據表2的計算結果，小區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境效益為2.25元。則小區提升水環境效益為B5=11 568 m3/a×2.25元/m3=26 028元/a。

2.3.3 社會效益 緩解內澇效益。根據固原市內澇點數據與年均降雨量與降雨場次數據，計算得各LID措施緩解內澇的年效益見表3。結合玫瑰苑各LID設施的數量和面積，計算得玫瑰苑緩解內澇的年效益B6為31 837元/a。

表3 玫瑰苑LID措施緩解內澇的年效益

3 結果與分析

海綿改建后，玫瑰苑小區徑雨水流調控年效益計算結果見表4。總效益約為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控效益約為19.06元/m3，其計算的結果約為固原市的2倍，與本文計算結果具有差異的原因是其選擇的效益計算項目較多，包括了節電、補充地下水、固碳釋氧等效益，且兩地氣候、經濟與生態環境等方面差異，也導致計算的結果略有差異；從海綿城市單位面積年效益方面看，其計算的小區單位面積效益為2.60×104元/(hm2·a)，而本文計算的玫瑰苑小區的效益約為2.50×104元/(hm2·a)，兩者相差較小；故計算的玫瑰苑小區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

玫瑰苑小區各單位LID設施年效益見表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，在不考慮各設施運營維護成本的前提下，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與翻修成本，其產生的總效益也遠大于建設維護成本；雨水桶為塑料制品，假設其露天放置使用壽命平均為15 a，假設其維護成本為建設成本的0.5～1倍，雨水桶運營6～8 a產生的效益即可抵消其成本，剩余的7～9 a產生的效益即為雨水桶的純收益；建設在地下的雨水池若運營維護得當，一般不需要重建，假設運營周期內運營維護費用為建設成本的0.5～1倍，雨水池在18～24 a產生的效益即可抵消其成本，剩余的6～12 a內產生的效益即為純收益。

表5 玫瑰苑小區各單位LID措施年效益

4 結 論

(1) 住宅小區海綿改建能夠有效控制小區降雨徑流的外排量，提高小區年徑流總量控制率，具有明顯的經濟、環境和社會效益。

(2) 玫瑰苑小區海綿改造后，平均每年增加的雨水徑流調控量約為11 568 m3，增加的徑流調控經濟效益、生態環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，平均雨水徑流調控效益為9.62元/m3。

(3) 玫瑰苑小區各LID設施中，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海綿改建對降雨徑流調控效益的分析計算方法，可以為海綿城市住宅小區效益貨幣化計算提供參考。計算結果可以為固原市及西北部分地區，住宅小區海綿改建過程中，各LID設施的科學布設提供一定的技術支撐。