海綿城市理念下開封市雨水資源利用效益分析

劉翠 馮峰 靳曉穎

摘 要：針對開封市海綿城市雨水資源利用效益問題，首先基于擴散效益樹方法，遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”海綿城市建設關鍵技術，識別海綿城市雨水資源利用產生效益，并進行歸類;然后構建海綿城市雨水資源利用效益量化模型;最后量化計算開封市雨水資源利用所產生的經濟效益和生態效益，并對社會效益進行定性分析。結果表明：開封市雨水資源利用產生的效益可觀，2013—2017年的經濟效益、生態效益總和分別為10.711 9億、11.122 8億、11.220 1億、7.585 3億、7.442 3億元。

關鍵詞：海綿城市;雨水資源;利用效益;模型構建;開封市

Abstract：In order to provide theoretical basis and technical reference for the construction of sponge city in Kaifeng， this paper analyzed the benefits brought by the utilization of rainwater resources. Firstly， based on the method of diffusion benefit tree and following the key technology of sponge city construction of “infiltration， stagnation， storage， net， utilization and drainage”， it identified the benefit of the utilization of rainwater resources in sponge city and classified them. Then， taking kaifeng as an example， a quantitative model of utilization efficiency of rainwater resources was constructed. Finally， the economic and ecological benefits were calculated quantitatively and the social benefits were analyzed qualitatively. The results show that rainwater resources produces considerable benefits， the total economic and ecological benefits are 1.071 19 billion Yuan， 1.112 28 billion Yuan， 1.122 01 billion Yuan， 758.53 million Yuan and 744.23 million Yuan respectively from 2013 to 2017.

Key words： sponge city; rainwater resources; utilization benefit; model building; Kaifeng City

隨著城市建設的快速發展，地面硬化面積不斷擴大，部分城區存在排水管網系統設計標準低等問題，導致城市內澇頻繁出現，加劇了城市水環境惡化。同時，城市人口不斷增加引起城市用水量增加，水資源短缺是不少城市發展面臨的重大問題。習近平總書記在2013年中央城鎮化工作會議上明確指出：解決城市缺水問題，必須順應自然，要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市[1]。通過海綿城市建設，科學、合理、高效地利用城市雨水資源，充分發揮雨水資源的利用效益是我國生態文明建設的一項重要任務。

在我國，海綿城市雨水資源利用是最近幾年的新興產業，關于海綿城市雨水資源利用效益的研究，目前主要集中在單項利用措施的效益研究方面，對區域性海綿城市雨水利用效益的研究較少。許杰玉等[2]基于海綿城市理論，以山東省曲阜市為例，通過建筑屋頂、道路、廣場、自然水面對雨水資源的集蓄利用分析，下沉式綠地、透水鋪裝、生物滯留設施對雨水資源的減排下滲分析表明，每年將雨水用于綠地澆灌、道路噴灑，曲阜市雨水資源綜合利用率為9%，同時增加雨水資源下滲量約800萬m3。唐樹英[3]針對海綿城市市政道路低影響開發的綜合效益，基于全生命周期成本理念，構建環境綜合效益和經濟綜合效益模型，并以南方某城市試點道路為例驗證了綜合效益模型的可行性。汪東屹等[4]以常德市為研究對象，運用分析歸納法、調查法等分析了海綿城市建設在生態、經濟、社會等方面所產生的效益。劉俊杰等[5]通過定量分析云錦路下沉式綠地的海綿城市效益，找出了影響年徑流總量控制率的主要參數。但是針對海綿城市雨水資源利用效益的定量評價，還缺乏統一的評價指標體系和評價方法。因此，筆者以開封市為例，識別海綿城市雨水資源利用產生效益，并進行歸類，構建海綿城市雨水資源利用效益量化模型，并對開封市海綿城市雨水資源利用效益進行定量計算，以此宏觀反映海綿城市雨水資源利用的效益，以期為政府決策提供依據。

1 基于擴散效益樹法的雨水資源利用效益識別及歸類

（1）擴散效益樹法的基本思路。擴散效益樹法是根據雨水降落至不同下墊面的流動過程，遵循海綿城市建設的“滲、滯、蓄、凈、用、排”關鍵技術，分析在整個過程中雨水利用會帶來哪些效益，擴散雨水資源利用效益，進而對其效益進行識別和歸類，見圖1。

（2）海綿城市雨水資源利用效益識別及歸類。基于擴散效益樹法，對城市不同下墊面雨水資源利用效益因子進行識別及歸類，見圖2～圖5。

2 開封市海綿城市雨水資源利用效益量化模型

2.1 開封市區域概況及水資源現狀

開封市屬于溫帶季風性氣候區，冬季干燥寒冷，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽。多年平均氣溫為14.52 ℃，多年平均無霜期為221 d;多年平均降水量為662.8 mm，降水多集中在夏季的7—8月;蒸發能力1 600～2 000 mm，每年5—6月蒸發能力最強。開封境內河湖眾多，分屬黃河和淮河水系，水域面積達220 hm2，約占開封中心城區建成面積的1/10，素有“北方水城”之稱。淺層地下水以大氣降水入滲、黃河水側滲、水渠滲漏、灌溉水回滲等為主要補給方式，以開采和蒸發為主要排泄方式。開封市屬于資源型缺水城市，本地區水資源遠遠不能滿足用水需求，年用水量近一半引自黃河，其中大部分用于農業灌溉。近年來，隨著鄭汴一體化進程加快，城市水資源需求進一步增加，同時污水排放量增大，對水資源質和量的需求提升，但引黃水總量有嚴格控制，地下水也不能過度開采，因此充分利用雨水資源是目前解決水資源供需矛盾的有效途徑之一。

2.2 開封市海綿城市雨水資源利用效益量化模型

2.2.1 海綿城市的經濟效益

（1）雨水資源收集利用效益。海綿城市采用雨水集蓄利用措施（如蓄水池、儲水罐等）將雨水儲存起來，作為綠化、消防、景觀、道路和汽車沖洗用水等，提高水資源的利用率，減少城市自來水用量并緩解市政供水壓力。該項收益可用收集回用的雨量乘以自來水的價格進行計算，具體計算公式：

（2）節省的水處理費和城市排水管網運行費。海綿城市通過各種雨水滲透、集蓄和利用設施等，降低場地內的雨水徑流量，減少市政管網雨水排放量，從而減小水處理壓力。節省的水處理費和排水設施運行費可用替代工程法進行計算，該項收益即為節省的水處理費與管網運行費之和，其計算公式為

根據文獻[7]，管網的運行費為0.08元/m3，因此本研究取0.08元/m3。根據《關于調整開封污水處理收費標準的通知》，開封市污水處理費為0.95元/m3。

（3）節省的綠地澆灌用水效益。海綿城市實施雨水利用工程如下凹式綠地、雨水花園等雨水蓄滲設施后，部分不透水路面或屋頂的雨水直接排入雨水蓄滲設施中，增加了綠地雨水的下滲量，減少了綠地澆灌的次數，從而減少自來水用量。這部分收益可根據《室外給水設計規范》（GB 50013—2006）進行計算，具體計算公式

（4）減少治污費用帶來的收益。海綿城市實施雨水利用工程如透水鋪裝、滲水井、下凹式綠地等雨水蓄滲設施后，可以減少雨水徑流中的污染物質，從而大大減少因雨水污染而帶來的河流水體污染。這部分收益可用替代工程法計算，即將排污費作為消除污染需要投入的費用。根據文獻[8]，消除污染每單位投入與其減少的環境損失之比為1∶3，則減少的治污費用Bz為

2.2.2 海綿城市的生態效益

（1）滲透補充地下水的收益。海綿城市通過各種雨水滲透、集蓄利用設施等，消減雨水徑流量、延緩徑流峰值，在一定程度上補給城市地下水，降低城市內澇發生的風險。該項收益可根據增加的入滲量、降雨對地下水的入滲補給系數和自來水價格進行計算[9]，補充地下水的收益Bd為

式中：α為降雨對地下水的入滲補給系數，取0.2;Ad為透水面面積，取各類透水下墊面面積之和;p3為以地下水為水源的自來水的價格，用水資源的影子價格計算，取4.1元/m3。

（2）改善城市小氣候，緩解城市熱島效應的收益。城市植被可以起到降溫增濕的作用，從而緩解城市熱島效應。該項效益可用替代工程法進行評估，如空調的使用具有和綠地相似的降溫效果，相關研究表明[10]，夏季綠地能夠從外界吸收的熱量為81.8 MJ/hm2，相當于189臺空調每天的制冷效果，空調因制冷所消耗電能的價值可作為綠地調節溫度的價值，因此植被調節溫度總效益Bq可按下式計算：

式中：D為室內空調每小時的耗電量，取0.86 kW·h/臺;p4為電價，開封市目前電費標準為0.56元/（kW·h）;n1為空調臺數，取189臺;n2為夏季空調使用的月數，開封市每年夏季使用空調按3個月計算。

此外，城市水域、透水路面等也可在一定程度上緩解城市熱島效應，這部分效益還有待進一步研究。

（3）固碳釋氧，凈化空氣效益。綠色植物對維持地球碳氧平衡起著重要作用。二氧化碳是引起溫室效應的主要原因，而氧氣是維持有氧呼吸必不可少的要素，植物通過光合作用，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣，減弱溫室效應，凈化空氣，該項效益可以用碳稅法評價，固碳釋氧效益可以用工業制氧法評價[11]，計算公式為

式中：Q碳為綠地年吸碳量，t/hm2;T為碳稅率，采用瑞典碳稅0.15美元/kg，按照人民幣匯率7.07元計算，碳稅率為1.06元/kg;Q氧綠地年釋放氧氣量，t/hm2;I為工業制氧的價格，700元/t。

2.2.3 海綿城市的社會效益

（1）豐富城市公共開放空間，服務城市各類人群。海綿城市的建設，除雨洪資源利用外，還可以在保護和利用原有河流、湖泊、溝渠、綠地的基礎上，通過新建綠地、街道、停車場、廣場、水景觀設施等為居民提供活動、休閑、防災避難等多功能的城市公共開放空間，服務各類人群。

（2）構建綠色宜居的生態環境，提升城市品質與整體形象。海綿城市建設所涉及的雨水花園、濕地公園、河道駁岸改造、植被緩沖帶、屋頂花園和下凹式綠地等，豐富了城市公園的種類，提高了公園的品質和景觀價值，從而提升城市的品質和整體形象。

（3）防洪排澇效益。海綿城市雨水利用設施能產生一定的防洪排澇效益，主要表現為在一定程度上減少地表徑流，減少地面積水，削弱洪峰流量，減少城市內澇，從而減少交通擁堵，降低交通事故發生的概率，保障人們生命財產安全。

（4）提升居民的節水意識。海綿城市通過實施雨水利用工程，不僅能給居民帶來休閑、娛樂的場所，而且能夠增強居民愛護水資源、保護水環境、節約用水的意識。

（5）解決就業問題，帶動經濟發展。海綿城市雨水收集、利用，每一個環節都需要人員、設備等，這將對解決城鄉居民就業問題，拉動區域經濟發展起到一定促進作用。

3 開封市海綿城市雨水資源利用效益定量計算

開封市下墊面面積及雨水資源利用潛力見表1。在全國年徑流總量控制率區域劃分圖中查得，開封市屬于Ⅲ區，對應的年徑流總量控制率為75%～85%，本文取控制率下限75%，對開封市海綿城市雨水資源利用產生的經濟效益、生態效益進行計算，結果見表2（其中社會效益不易量化，其定性描述見2.2.3）。

從表1可以看出，開封市建成區總面積包括硬化地面面積、植被面積、水域面積，隨著近年來城市化建設的加快，硬化地面面積不斷增加，而植被面積持續減少，水域面積在2014年開封西湖開始蓄水后趨于穩定，雨水資源利用潛力隨著降雨量變化而變化。

從表2可以看出，按照海綿城市理念開展雨水資源利用，開封市2013—2017年雨水資源利用產生的經濟效益、生態效益總和分別為10.711 9億、11.122 8億、11.220 1億、7.585 3億、7.442 3億元，其中2016年和2017年總效益有所減少。開封市城市化進程的加快導致2016年和2017年不透水面積增大，而且由于這兩年的降雨量偏少，因此雨水資源利用潛力有所減小，進而使雨水資源利用效益減少。從各項效益計算結果可以看出，雨水資源利用除了產生經濟效益之外，更重要的是會帶來重要的生態效益和社會效益。從產生效益的總價值來看，減少污染治理、補充地下水、緩解城市熱島效應、凈化大氣的價值都很高。海綿城市產生的效益還有很多，如節省城市河湖改造的費用、提升區域土地價值、帶動旅游等相關產業發展等。此外，隨著《開封市海綿城市建設實施方案》的實施，開封市海綿城市雨水資源利用將會對開封市生態城市、旅游城市建設以及衛生城市創建起到巨大的推動作用。

4 結 語

基于擴散效益樹法，考慮不同下墊面雨水流動過程，遵循海綿城市建設的“滲、滯、蓄、凈、用、排”關鍵技術，對不同下墊面雨水資源利用產生效益進行識別、歸類，構建開封市海綿城市雨水資源利用效益量化模型，并對開封市海綿城市雨水資源利用效益進行了定量計算和定性分析。計算結果表明，雨水資源利用不僅能產生經濟效益，而且更重要的是能帶來一定的生態效益和社會效益。社會效益短期收益不明顯，但是社會效益中部分影響是長期的。隨著《開封市海綿城市建設實施方案》的實施，海綿城市建設將會對開封市生態城市、旅游城市建設以及衛生城市創建起到巨大的推動作用。本文僅對開封市海綿城市雨水資源利用的效益進行了初步計算，開封市海綿城市建設尚處在起步階段，海綿城市雨水設施建設還很落后，雨水利用模式還很單一。隨著開封市海綿城市建設的推進，在以后的研究中應參考《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》進一步優化海綿城市雨水資源利用效益指標，進而開展效益評估研究。

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【責任編輯 呂艷梅】