2020, Vol. 40 
2. 宁夏首创海绵城市建设发展有限公司, 宁夏 固原 756000
2. Ningxia Capital Sponge City Construction & Development CO., Ltd, Guyuan, Ningxia 756000, China
随着中国城市化进程加快，城市缺水、城市内涝、热岛效应、城市黑臭水体等城市问题凸显，为缓解这些城市问题，中国在2015，2016年先后批准了30个海绵城市建设试点，在全国各地开展海绵城市发展之路，海绵城市效益的货币化研究是目前海绵城市需要研究的问题之一。住宅小区海绵改造是完成城市海绵建设任务和解决城市水环境问题的关键，住宅小区是各种低影响开发(low impact development，LID)措施组合应用的最小整体单元之一；以住宅小区为研究对象，对雨水径流调控效益进行货币化计算，可以明确住宅小区海绵改造的效益，也可以为市政道路、绿地与广场等海绵改造单元雨水径流调控效益的货币化研究提供参考，为整个海绵城市改造效益的货币化研究提供技术支撑。
《海绵城市建设技术指南(试行)》中提供了17种主要的低影响开发措施，包括透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节塘、植草沟、渗管/渠、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤等，不同气候和下垫面条件使得不同区域LID措施的组合具有一定差异，气候条件、下垫面条件和LID措施组合的差异使得同一设施在不同情况下产生的效益也不一样，所以，LID效益货币化研究是一个复杂的问题。国内外学者从不同的角度研究分析LID措施的效益，马恒升等[1]以项目生命周期理论为指导，从经济、环境、社会3个方面对国内外城市LID建设、运营的雨洪管理效益进行了分析；张书涵等[2]从经济、环境和社会方面讨论了城市雨水利用的效益，认为城市雨水利用的社会效益远大于直接经济效益；左建兵等[3]根据城市水文学原理和经济学原理建立了城市雨水利用成本效益分析模型，并对北京市267项雨水利用工程的成本和效益进了分析；刘俊杰等[4]计算了某市政道路下沉式绿地年径流控制率，从年径流总量控制率和年径流污染控制率两个方面与成本进行了简单对比；唐树英[5]提出市政道路径流总量控制、污水再生利用等6种具体效益指标及计算标准，结合全生命周期成本的理念，构建出环境综合效益与经济综合效益模型；李晨等[6]从增设LID措施前后外排量、节水量、回补地下水量、消除污染而减少的社会损失、节电量和固碳释氧量的变化，分析计算了北京市某海绵小区的生态效益；曹秀丽等[7]从经济、环境和社会3个方面，选取了减少土地成本、减少中水费用、减少污染物去除费、径流削减、降低洪泛成本和减少区域碳排量6个指标，分析计算了某物流中心LID措施的成本效益；Juan等[8]结合洪水和海岸侵蚀风险管理评估指南，分析计算了伦敦市SuDS系统缓解城市内涝的效益；Zhan等[9]从减少污水处理费、减少能耗、减少空气污染、吸收CO2以及支付意愿5个指标货币化了香港某社区LID措施的效益，并做了成本—效益对比分析。
本文重点探讨住宅小区LID改造后雨水调控效益的量化与货币化方法。以宁夏回族自治区固原市某住宅小区为研究对象，结合小区各LID设施的布设情况，计算不同设计降雨量下LID设施对降雨径流的截蓄量与各LID设施截蓄容积的利用率；再结合固原市2004—2014年的降雨资料，量化该小区年均降雨径流总截蓄量与各LID措施对降雨径流的截蓄量。基于量化的小区LID设施对降雨径流的截蓄数据，结合资源环境经济学原理，计算小区降雨径流年调控效益、单方降雨径流调控效益与各LID措施年均降雨径流调控效益。以期计算方法与结果可以为固原市以及西北地区住宅小区海绵化改造效益的货币化提供参考，为海绵城市LID设施的科学布设提供技术支撑。
1 研究背景 1.1 海绵改造前小区概况玫瑰苑小区属于居民住宅小区，位于宁夏回族自治区固原市原州区，是固原市海绵城市建设试点示范小区之一。小区总面积为43 800 m2，其中屋面面积8 883 m2，占小区面积的20.3%；绿地面积24 734 m2，占小区面积的56.5%；硬化道路面积10 183 m2，占小区面积的23.2%。小区海绵改造前，除了部分屋面雨水径流被居民收集利用外，大部雨水径流经过市政排水管网进入清水河中。由于居民使用的雨水收集设施容积有限，单场降雨单个雨落管下雨水收集量约0.2~0.5 m3，所以小区雨水利用率仅为1%左右。小区海绵改造前没有任何LID措施，根据小区下垫面类型与雨量径流系数，计算出小区海绵改造前径流控制率约为60%。
1.2 海绵改造后小区LID配置小区海绵改造的目标是将年径流总量控制率提升至90%，对应的设计降雨量为22.6 mm。小区海绵改造运用的雨水设施主要有雨水桶、植草沟、雨水花园、下沉式绿地和蓄水模块(雨水池)。小区雨水设施处理雨水径流的工艺流程见图 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，雨水桶数量为17个，单个雨水桶容积为1 m3；雨水花园和下沉式绿地则是在原有绿地的基础上改建的，用以收集和处理路面、草地以及雨水桶溢流的径流雨水，面积分别为574 m2和514 m2，占小区总面积的2.53%和2.52%，蓄水深度分别为0.3 m和0.2 m，考虑该小区为Ⅰ级非自重湿陷性黄土地区，设施均设有土工布防渗；植草沟主要设置在雨水花园、下沉式绿地前端，用以引导和净化径流雨水；蓄水模块修建在地下，位于整个雨水径流处理系统的末端，容积为168 m3，用以收集小区溢流雨水及雨水花园和下沉式绿地处理后的雨水。
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图 1 海绵小区雨水设施流程示意图 |
(1) 降雨期间各LID设施降雨径流截蓄量分析。在单场降雨期间，各LID设施由于其属性和位置不同，其发挥的作用不同。如图 2所示，在理想条件下，随着设计降雨量增大，有2个关键小节点与1个关键大节点，分别为5，14，22.5 mm。
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图 2 不同设计降雨量下各LID设施径流截蓄情况 |
在设计降雨量小于5 mm时，随设计降雨量增大的径流雨水均被雨水桶、雨水花园和下沉式绿地截蓄；在设计降雨量在5~14 mm之间时，雨水桶蓄满径流，随设计降雨量增大的径流雨水均被雨水花园和下沉式绿地截蓄；在设计降雨量在14~22.5 mm时，雨水桶、雨水花园和下沉式绿地截蓄空间均蓄满，雨水池开始截蓄雨水径流，随设计降雨量增大的径流雨水均被雨水池截蓄；当设计降雨量大于22.5 mm时，小区各LID设施蓄滞容积均蓄满雨水，小区开始产生外排雨水径流。
(2) 降雨结束后小区降雨径流实际截蓄量分析。降雨结束后，由于小区内雨水花园和下沉式绿地均为防渗型设施，2种设施处理的雨水流入雨水模块。如图 3所示，降雨结束后小区是否有出流的关键节点为9 mm，设计降雨量小于9 mm时，小区降雨径流全部被截留；设计降雨量大于9 mm时，雨水花园和下沉式绿地处理的雨水量大于雨水模块的容积，多余雨水排出小区外；结合图 2可知，在设计降雨量大于14 mm时，在降雨期间蓄水模块便已蓄滞了小区部分未被处理的雨水，降雨结束后，经过雨水花园和下沉式绿地处理的雨水进入蓄水模块与未被处理的雨水混合，雨水模块蓄满后，多余的雨水排出小区外。
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图 3 不同设计降雨量下小区实际截留雨量 |
固原市多年平均降雨量为466 mm，降雨年内分配不均，降雨主要发生在7—9月份。根据固原市雨量站2004—2014年观测的降雨数据，原州区年均降雨42次，各降雨量与场次见表 1。
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表 1 原州区年均降雨量与降雨场次 |
根据不同设计降雨量下各LID设施径流截蓄情况和原州区年均降雨量与降雨场次数据，玫瑰苑各LID设施年均截蓄径流量与单位LID设施年均截蓄量见表 2。其中，雨水池滞留的雨水是指在降雨期间，雨水池能够减少的径流量；雨水池蓄留雨水，是由于雨水花园与下沉式绿地均不可下渗，在降雨过后，截蓄的雨水经过雨水花园与下沉式绿地净化后进入雨水池，供社区居民使用，小区海绵改建后年雨水利用量约增加至5 350 m3，利用率由1%提升至26%。
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表 2 各LID设施年均截蓄径流量与单位LID设施年均截蓄量 |
固原市属于严重缺水地区，人均水资源量仅为368 m3(按2011年人口计)，不足全国人均的1/6，远低于公认的维持一个地区经济发展所必须的1 000 m3。固原市海绵改造前，原州区中水生产量较低，主要用于热电厂冷却和清水河补水。城市海绵改造前，居民日常生活用水、绿地浇灌用水等主要是自来水。海绵改造后，玫瑰苑小区雨水桶与雨水池集蓄的雨水可以补充小区居民的生活用水，如：洗车、浇灌花卉、冲洗厕所等，以及替代部分市政用水，如：小区绿地浇灌等。从经济角度来看，小区LID设施集蓄的雨水可以增加小区的可用水资源量以及减少水资源远程输水成本。
(1) 增加小区水资源效益B1。小区LID设施集蓄的雨水水质接近中水水质，用途也与中水相似，故可用中水价格作为雨水回用的价值。
(2) 减少远程输水成本效益B2。雨水资源化利用增加了区域可利用水资源量，降低远程输水压力，减少了远程输水的成本。固原市原州区自来水主要引自六盘山区，根据六盘山水库和引水管网建设成本、运营期限及年引水量，计算得原州区远程引水成本约1.9元/m3。
2.2.2 生态环境效益从生态环境角度来看，对小区雨水径流进行截蓄能够减少区域径流外排量，有利于海绵城市达到年径流总量控制率目标；同时，小区LID措施对雨水径流的净化和区域外排径流的减少，能够缓解面源污染；小区对径流量与面源污染物的截蓄能够减少城市雨水径流对区域水生态环境的影响，具有提升水环境的效益。
(1) 年径流总量控制效益B3。大部分雨水径流会通过市政排水管网进入受纳水体，市政管网的建设运营成本决定了雨水径流运移具有一定的成本。某区域内市政排水管网每年的折旧费和运营维护费平摊到年均运移的雨/污水总量上，即为单方雨/污水的运移成本。根据谭雪等[10]的研究，西部地区管网建设的平均成本为1.64元/m3，以此作为小区年径流总量控制的单位效益。
(2) 缓解城市面源污染效益B4。一般情况下，由于城市污水处理厂处理负荷有限，不会接纳雨水径流，大部分城市雨水径流会通过市政排水管网直接进入受纳水体，使受纳水体遭受面源污染的影响。控制城市面源污染的效果与在末端建立污水处理厂处理城市雨水径流的效果一致，所以，源头控制污染物的效益可以用污水末端处理的成本替代。根据谭雪等[11]的研究，污水处理厂的综合处理成本为1.49元，以此作为小区径流控制缓解城市面源污染的单位效益。
(3) 提升水环境效益B5。水环境恶化会造成区域经济损失，提升水环境质量能够减少因区域水环境恶化带来的经济损失。一般污染造成的损失是污染治理成本的1.5~3倍，固原地区经济发展水平降低，水环境质量对经济发展的影响较低，取1.5倍，污水处理成本1.49元/m3，即源头减少单方径流提升的水环境效益为2.25元。
2.2.3 社会效益缓解内涝效益B6。城市不透水面增加和排水管网排水能力不足造成城市部分地区内涝频发，海绵城市小区源头径流截蓄能够减少进入排水管网的雨水径流，缓解易涝区域内涝程度，减少内涝带来的损失。
2.2.4 玫瑰苑小区的内部效益与外溢效益上述的效益分类是站在整个城市角度进行分析的，站在玫瑰苑小区的角度分析，上述6种效益可以分为发生在玫瑰苑小区内的内部效益和发生在玫瑰苑小区以外的外溢效益。
(1) 内部效益主要是增加小区水资源效益(B1)。
(2) 外溢效益有：减少城市远程输水成本(B2)、减少排水管网运营成本(B3)、缓解城市面源污染(B4)、提升水环境(B5)、缓解城市内涝(B6)。
2.3 效益计算 2.3.1 经济效益(1) 增加小区水资源效益。固原市中水回用价格为1.2元/m3，根据表 2的计算结果，小区雨水桶与雨水池年均蓄水总量分别为646 m3和4 704 m3，故增加小区水资源的效益为：B1=(646+4 704)m3/a×1.2元/m3=6 420元/a。小区海绵改造前绿地浇灌用水主要是自来水，所以，除非必要，极少进行绿地浇灌。海绵改造4—9月份间月均绿地浇灌2次，按1.5 L/m2浇灌量，年均浇灌用水222 m3，固原市自来水价格为2.9元/m3，则海绵改造后每年节省绿地浇灌费为644元。综上，增加水资源效益为7 064元/a。
(2) 减少远程输水成本效益。固原市原州区单方水资源远程运移成本约为1.9元，根据表 2的计算结果，小区雨水桶与雨水池年均蓄水总量分别为646 m3和4 704 m3。故小区LID设施集蓄雨水减少水资源远程输水成本的效益为：B2=(646+4 704)m3/a×1.9元/m3=10 165元/a。
2.3.2 生态环境效益(1) 年径流总量控制效益。根据表 2的计算结果，小区对降雨径流的截蓄量年均增加11 568 m3，而单方雨水的运移成本为1.64元。则小区年径流总量控制效益为：B3=11 568 m3/a×1.64元/m3=18 972元/a。
(2) 缓解城市面源污染效益。根据表 2的计算结果，小区对降雨径流的截蓄量年均增加11 568 m3，而单方雨水减少的面源污染效益为1.49元，则小区缓解城市面源污染的效益为：B4=11 568 m3/年×1.49元/m3=17 236元/a。
(3) 提升水环境效益。根据表 2的计算结果，小区对降雨径流的截蓄量年均增加11 568 m3，而源头减少单方降雨径流提升的水环境效益为2.25元。则小区提升水环境效益为B5=11 568 m3/a×2.25元/m3=26 028元/a。
2.3.3 社会效益缓解内涝效益。根据固原市内涝点数据与年均降雨量与降雨场次数据，计算得各LID措施缓解内涝的年效益见表 3。结合玫瑰苑各LID设施的数量和面积，计算得玫瑰苑缓解内涝的年效益B6为31 837元/a。
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表 3 玫瑰苑LID措施缓解内涝的年效益 |
海绵改建后，玫瑰苑小区径雨水流调控年效益计算结果见表 4。总效益约为110 658元/a，其中雨水花园、下沉式绿地、雨水桶和雨水池的效益分别为45 273, 27 103, 6 654, 32 272元/a。内部效益为7 064元/a，占总效益的5.8%；外部效益为104 238元/a，占总效益的94.2%。小区海绵改造后年均滞蓄径流量增加11 568 m3，平均单方雨水径流源头滞蓄效益为9.62元。李晨等[6]计算北方某城市雨水径流调控效益约为19.06元/m3，其计算的结果约为固原市的2倍，与本文计算结果具有差异的原因是其选择的效益计算项目较多，包括了节电、补充地下水、固碳释氧等效益，且两地气候、经济与生态环境等方面差异，也导致计算的结果略有差异；从海绵城市单位面积年效益方面看，其计算的小区单位面积效益为2.60×104元/(hm2·a)，而本文计算的玫瑰苑小区的效益约为2.50×104元/(hm2·a)，两者相差较小；故计算的玫瑰苑小区单方雨水径流的滞蓄效益为9.62元较为合理。
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表 4 玫瑰苑LID措施年效益与单方雨水径流控制效益 |
玫瑰苑小区各单位LID设施年效益见表 5。雨水花园为78.9元/(m2·a)，下沉式绿地为52.5元/(m2·a)，雨水桶为391.4元/(个·a)，雨水池为192.1元/(m3·a)。根据固原市LID措施建造成本，4项措施的成本分别为80元/m2, 40元/m2, 2 000元/个和2 200元/m3，在不考虑各设施运营维护成本的前提下，雨水花园和下沉式绿地运行1 a后即可回本，雨水桶和雨水池则分别需运营4 a和12 a方可回本。即便考虑雨水花园与下沉式绿地的维护与翻修成本，其产生的总效益也远大于建设维护成本；雨水桶为塑料制品，假设其露天放置使用寿命平均为15 a，假设其维护成本为建设成本的0.5~1倍，雨水桶运营6~8 a产生的效益即可抵消其成本，剩余的7~9 a产生的效益即为雨水桶的纯收益；建设在地下的雨水池若运营维护得当，一般不需要重建，假设运营周期内运营维护费用为建设成本的0.5~1倍，雨水池在18~24 a产生的效益即可抵消其成本，剩余的6~12 a内产生的效益即为纯收益。
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表 5 玫瑰苑小区各单位LID措施年效益 |
(1) 住宅小区海绵改建能够有效控制小区降雨径流的外排量，提高小区年径流总量控制率，具有明显的经济、环境和社会效益。
(2) 玫瑰苑小区海绵改造后，平均每年增加的雨水径流调控量约为11 568 m3，增加的径流调控经济效益、生态环境效益和社会效益分别为17 229, 62 236, 31 837元/a，合计为111 302元/a，平均雨水径流调控效益为9.62元/m3。
(3) 玫瑰苑小区各LID设施中，雨水花园、下沉式绿地、雨水桶和雨水池的效益分别为45 273, 27 103, 6 654, 32 272元/a。单位面积雨水花园效益为78.9元/(m2·a)，单位面积下沉式绿地效益为52.5元/(m2·a)，单个雨水桶效益为391.4元/(个·a)，单位容积雨水池的效益为192.1元/(m3·a)。
(4) 本文量化分析、货币化计算住宅小区海绵改建对降雨径流调控效益的分析计算方法，可以为海绵城市住宅小区效益货币化计算提供参考。计算结果可以为固原市及西北部分地区，住宅小区海绵改建过程中，各LID设施的科学布设提供一定的技术支撑。
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