目前为止, 国内对于海绵城市研究多集中于政策指标解读、单个项目雨水控制效果研究等方面, 对于不同类型雨水措施配置模式, 不同配置模式下城市雨水资源集蓄利用、下渗和排放产生的综合效益研究尚不多见。本文选取北京经济技术开发区5种典型城建项目雨水措施配置模式综合效益开展定量分析。

　　 城市雨水措施综合效益的分析研究是一项复杂且系统的工程。目前国内外雨水项目效益评估方法主要可以分为:单项措施打分法、模型模拟评估法和经济-生态-社会效益评估法。左建兵等^[1]以成本效益分析模型为基础, 对2007年北京市267项城市雨洪集蓄利用项目进行了分析, 研究结果表明因城区雨水工程区域面积受限, 雨水措施配置单一, 综合效益低于郊区。张书函等^[2]对北京5种类型、6个雨水利用试验示范区的雨水利用的环境、经济效益和社会效益进行了定性和定量分析, 结果表明城市雨水利用工程给投资者或业主的带来直接经济效益远小于其社会性效益。Baek等^[3]基于韩国一商业区密集的雨水监测数据和水文模型模拟, 提出一种雨水措施效益评估和优化LID雨水措施的新型方法。Chui等^[4]模拟不同降雨条件下LID措施的水文响应程度, 以不同城市LID措施维护成本和不同雨强条件下LID措施的水文特性为依据优化雨水措施设计尺寸。

　　 综合目前研究来看, 现行的城市建设项目雨水措施, 存在类型单一、措施组合不协调及措施效益发挥不充分等问题, 同时受北京的降雨量少及立地条件较差的影响, 现阶段很有必要对北京城市城市建设项目效益评估指标体系进行归纳分析研究, 开展不同雨水措施配置模式效益评估, 为优化北京城市雨水措施配置模式及海绵城市建设提供理论依据。

　　 本文将雨水措施效益分为经济效益 (直接使用价值) 、环境效益 (间接使用价值) 、社会效益 (选择价值和存在价值) 3个方面。成本分为初始成本和未来成本两部分。评估时需从以上几方面对雨水措施进行量化计算, 具体指标体系见图1。

　　 量化雨水效益需要确定雨水措施的调蓄容积。水量平衡分析应包括雨水来水量、初期雨水弃流量、回用水量、渗漏量、蒸发量、补充水量和排放量。雨水措施对雨水调蓄、储存的水量通过以下公式进行计算。因研究区域的排水类型属于分流制排水区域, 雨水调蓄池的有效容积V (m³) 按式 (1) 计算:

　　 式中H———设计雨量, mm;

　　 F———系统汇水总面积, m²;

　　 Ψ_Z———径流系数。

　　 雨水回收利用于景观水体的日补水量应该包括水面蒸发量、水体渗漏量和雨水处理设施自用水量。日平均水面蒸发量应按式 (2) 计算, 水体日渗漏量按式 (3) 计算, 雨水处理用水和设施自用水量按总水量的8%计算。

　　 式中Q_zh———水池的水面蒸发量, L/d;

　　 S———水池的表面积, m²;

　　 P_m———水面温度下的饱和蒸气压, Pa;

　　 P_a———空气的蒸汽分压, Pa;

　　 V_m·d———日平均风速, m/s。

　　 式中Q_s———水体的日渗透漏失量, m³/d;

　　 S_m———单位面积日渗透量, L/ (m²·d) ;

　　 A_s———有效渗透面积, 指水体常水位水面面积及常水位以下侧面渗水面积之和, m²。

　　 计算雨水措施调蓄功能削减排水管道洪峰流量时, 雨水调蓄池的有效容积按下式计算:

　　 式中V_c———调蓄池有效容积, m³;

　　 α_t———跳过系数, 取值为调蓄池下游排水管道设计流量和上游排水管道设计流量之比;

　　 Q_s———调蓄池上游设计流量, m³/min;

　　 b、n———暴雨强度公式参数;

　　 t———降雨历时, min, 根据公式t=t₁+mt₂计算, m=1。

　　 表1为几种常见LID雨水措施成本统计^[4~6]。

　　 雨水集蓄与利用工程的成本可分为初始成本即土地利用成本和工程设计施工成本;未来成本即运营成本和包括雨水工程的淤泥清理成本、雨水处理成本、大修成本、替换成本4部分。雨水集蓄利用措施成本估算需结合项目生命周期进行计算, LID雨水措施项目生命周期在为20~30年。雨水措施成本受施工地段、尺寸、材料等多种因素影响。

　　 城市雨水利用的经济效益主要包括以下几个方面:

　　 (1) 雨水利用收益。采用影子工程法计算, 即回用雨水利用量与自来水价格乘积。

　　 (2) 补充地下水收益。雨水入渗量计算采用达西定律, 计算雨水下渗量时, 不同类型下渗面需乘以相对应系数。一般入渗措施需24h把存蓄雨水渗完^[7]。雨水回补地下水收益可依据雨水入渗量、入渗补给系数和地下水水价计算, 地下水水价基本为自来水水价2倍之上, 本文取4元。

　　 (3) 消除污染而减少社会损失的收益。李红祥等^[8]根据十一五期间污染治理情况分析所得单位COD的减排费用为4.140 94元/kg。宋国军^[9]认为城市污染物去除成本可以通过年实际运营成本与年污染物去除总量的比值获得。污染物去除总量可以COD去除成本近似代替总成本, 也可以乘以相应系数, 系数取值一般为1.5。透水铺装、渗水井和集雨式绿地等入渗措施可以降低雨水径流当中的污染物质, 所以以这3种雨水措施收集入渗的雨水总量为计算参数计算污染消除的经济效益。根据有关调查分析结果^[10,11], 植草浅沟对公路径流COD去除率约为30%, 北京城区汇水面雨水径流污染物平均浓度平均值约为179.35mg/L。

　　 (4) 节省城市排水设施的运行费用。文献[1]测算, 雨水的管网运行费用为0.08元/m³。北京市自来水污染处理费为1.36元/m², 本文取两者总和, 即节约雨水管网的运行费用为1.44元/m³。

　　 (5) 水资源紧缺收益。通过雨水收集总量以及每缺1m³水的经济损失量可以计算出雨水措施因缓解城市雨水短缺带来的经济效益。根据韩宇平等^[12]研究计算北京缺水所造成的经济损失为14.70元/m³。

　　 雨水利用不仅仅只是单纯替代城市自来水及中水的水价可计算效益, 更包含对城市生态环境修复的不可计算效益作用。城市雨水收集利用主要的环境效益包括以下几个方面:

　　 (1) 环境污染治理。在LID雨水措施中建立雨水自然传输通道, 种植绿化带, 建造集雨池等方式缩小雨水汇流路径, 将雨水径流中污染物过滤分解是消除城市雨水径流污染的主要方法。本文将这种自然净化效益具体量化得到环境污染治理效益, 见式 (5) 、式 (6) , 式中参数R、a、b分别为污染物治理效益评估的固定参数。以水体为例, a、b值主要由污染物的本底浓度、引起水体污染的临界浓度、污染物在本底浓度状态和严重水体污染时的浓度对水经济价值的损失率4项指标决定^[13]。本文以雨水径流中COD浓度的削减值作为主要环境效益评价指标。结合以往研究a、b值取138.91和0.032 6^[13]。K可以取当地水的价格, 北京当地水价为2.07元/m³, 计算方法见式 (5) :

　　 式中K———当地水的价格, 元/m³;

　　 R———污染治理效益参数;

　　 Q———雨水处理量, m³/hm²;

　　 C———实际污染物浓度, mg/L。

　　 (2) 防洪减灾收益。雨水措施通过集蓄、下渗和排水等方式减少城市地表径流量, 削减洪峰流量, 缓解城市内涝。该项效益的计算由防洪费征收额度与实际雨水项目面积乘积计算而得。根据《北京市征收防洪工程建设维护管理费暂行规定》, 本文值防洪费征收额度取20元/m^2[1]。

　　 社会效益的内涵主要包括4方面: (1) 提高民众节水意识和提高整体社会素质。雨水集蓄利用工程的开展既可以增强人们节约用水, 珍惜用水, 可利用雨水的循环资源利用的意识, 又可以提高人们生活质量, 改善人居环境。对深入落实可持续发展理念, 建设和谐社会主义生态文明社会具有重要的促进意义。 (2) 提供就业机会。雨水利用工程对于人力资源需求以及制造设备的需求刺激了产业人才与设备的纳入, 从而提供了社会的就业机会, 缓解了社会就业的压力, 带动地区经济发展。 (3) 有利于促进雨水利用工程设施地区周边房地产的升值。雨水利用工程的实施地区, 水资源良好的循环利用以及雨水工程中的景观设计大大提升了周边地区的居住环境质量, 从而带动周边房产行业发展。 (4) 带动城市水文化发展。对于这种由自然资源带来的文化激励所产生的效益, 很难具体量化。可通过条件价值法对其进行评估, 即通过调查了解消费者对相应生态系统服务的支付意愿来表达其具体经济价值。

　　 多目标函数模型构建由多目标函数构建、无量纲化处理和计算权重3部分组成。

　　 模型以雨水措施净效益值, 即综合效益与工程施工量成本的差值为目标函数, 见式 (7) :

　　 其中B (x) 为雨水措施效益, 包括经济效益、环境效益和社会效益。C (x) 为雨水措施成本 (具体指标见图1) 。F=max[B (x) -C (x) ]为目标函数, 即效益与成本差值。g (x) 为约束条件集, 其中模型的约束条件为:g₁ (x) 、g₂ (x) , 两者分别为雨水利用量约束、雨水径流量约束。经济效益和环境效益的加权运算值之和与项目成本运算值的差值即为项目雨水措施效益评估值。

　　 雨水措施量化计算后的数据需进行无量纲化处理, 常见无量纲化处理的方式包括:标准化法、极差正规化法和均值化法。极差正规化法的分母仅与原始指标的最大值和最小值有关, 该方法适合指标值最大值和最小值差距较大时运用。均值化后各指标的方差是平均值的平方, 较好地保留了指标变异程度信息, 可以在雨水措施原指标值差距较小时运用。

　　 根据评价性质及评价目标, 雨水集蓄利用措施经济效益指标和成本指标分别为正向指标、逆向指标。其中, 雨水集蓄利用措施项目的项目成本C为负向指标, 措施项目的经济效益, 环境效益B为正向指标。正向指标的处理方法如式 (8) 所示, 负向指标的处理方法如式 (9) 所示。其中d_ij为无量纲化处理后结果, x_ij为原始指标值, x_j^*为该类型指标平均值。

　　 权重确定可以通过主观权重测定法和客观权重测定法相结合的形式算得。可结合熵权法与层次分析法确定各项雨水措施效益评估指标权重值。权重计算步骤如下:

　　 (1) 计算第j个指标下的第i个项目的指标值的比重P_ij (归一化处理) , P_ij相当于事件概率:

　　 (2) 定义熵, 在有m个指标, n个被评价对象的评估问题中, 第j个指标的熵定义为:

　　 (3) 计算第i个指标的熵权:由于信息量与熵成反比关系, 因此可以用下列的量表征信息量权系数。

　　 通过层次分析法将效益评估指标因素条理化、层次化, 建立起多层关系结构模型。按照加权综合的方法由底层指标的状态得到上层指标的状态, 逐层综合, 得出城市雨水集蓄利用措施指标权重。本文采取几何平均法计算权重值, 具体计算公式见式 (14) :层次分析法的权重值应进行归一化检验。

　　 本文采用乘数合成归一法将两组权重组合, 具体计算公式见式 (15) , 具体权重值见表4。

　　 舒安平等^[14~16]将北方典型城市生产建设项目分为市政配套设施、公建设施类、居民住宅类、商业办公类、工业厂房类5种类型。本文选取北京经济技术开发区水务局于2015年12月底以前验收通过的5类典型建设项目, 通过统计分析各项目雨水措施资料, 评估其综合效益值。

　　 5类城市建设项目即A类-办公类、B类-多功能商业类、C类-公建设施类、D类-居民住宅类、E类-工业厂房类, 各项目基本情况统计及雨水措施汇总于表2。

　　 本文选取北京经济技术开发区5种不同类型的建筑项目, 根据建筑项目地下管网分布划分子汇水区域。根据北京市地方标准《城市雨水利用工程技术规程》 (DB11/T 685—2009) , 雨水措施收集雨量计算涉及的设计雨量按照5年一遇、历时最大60min设计。其中居住类小区设计降雨量按年径流总量控制率85%考虑, 即32.5mm;非居住类小区 (如工业厂房) 设计降雨量按年径流总量控制90%考虑, 即40.8 mm。径流系数取值依据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》 (GB 50400-2006) 分别取值为:硬化屋面0.9;硬化地面0.9;绿地0.15;透水铺装0.25;屋顶绿化0.40;水面1.0。

　　 基于计算公式和项目资料^[17]对各项目效益值进行具体量化, 雨水措施每年运营维护成本取总投资额的5%。通过层次分析法和熵权法对各准则权重进行计算。

　　 表3可以看出, 雨水措施的效益评价值中消除污染带来的经济效益和缓解水资源紧缺带来的经济效益值较大, 净化水质、补充地下水以及缓解城市排水设施运行费用等生态价值都很高。以B类项目为例, 其中每年雨水措施带来的净化水质效益为876 600元/ (年·hm²) 。因此, 适当的增加透水铺装、下渗式绿地等雨水入渗措施可以显著增加雨水径流污染的去除效率, 提高雨水措施的综合效益值。由表4可见, 模式二“屋顶绿化+透水铺装+集雨式绿地+集雨池”的雨水措施配置综合效益最大, 集蓄水量最多, 为5类措施中雨水措施配置最优模式。

　　 (1) 城市雨水措施评估体系主要包括雨水措施集蓄、入渗、利用水量计算和雨水措施成本-效益分析2部分。城市雨水措施成本可分为初始成本和未来成本2部分;效益可分为经济效益、环境效益、社会效益3部分。本研究对城市雨水措施的经济效益和部分环境效益开展定量分析, 对社会效益开展定性描述。

　　 (2) 城市雨水措施多目标函数评估模型构建主要包括:确定以工程成本最低, 综合效益最高为目标函数;利用平均值法对数据开展无量纲处理;结合熵权法和层次分分析法确定指标权重3个步骤。

　　 (3) 基于多目标函数评估模型, 对北京经济技术开发区5种典型建设配置模式开展效益评估。计算结果表明B类项目, 即多功能配套设施项目的雨水措施组合模式单位面积综合效益值最高, 具体雨水措施包括:屋顶绿化、透水铺装、集雨式绿地、植草浅沟、集雨池等。同时适当的增加建设项目雨水措施铺设类型, 提高雨水污染物削减效率可以显著提高雨水措施综合效益值。

　　 本研究只是对北京城市雨水措施效益评估模型开展了初步的探讨, 并进行应用案例分析。海绵城市建设尚处在起步阶段, 雨水设施建设不完整, 雨水利用模式单一, 有效的雨水措施评估体系尚未构建。因此下一步应参考海绵城市建设标准与要求, 结合城市水文模型和雨水措施实际效果观测, 进一步开展效益评估研究, 优化不同类型城市雨水措施配置模式。期望能够对促进海绵城市雨水措施布设优化, 推动城市水系统良性循环具有一定的积极作用。