李俊奇 孟光輝 汪宏玲
（北京建筑工程學(xué)院城建系） （北京市城市節(jié)水辦公室）

1　前言

　　傳統(tǒng)的城市雨水處置方式大多為直接排放。近年來，由于水資源的缺乏，地下水位的下降，雨季城區(qū)水澇發(fā)生頻率增多等原因，因此，尋求新的雨水處置或利用方法已成為必然趨勢。相應(yīng)的，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，比選更好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)決策方案，對新的雨水利用方案的經(jīng)濟(jì)效果的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。
　　作為公益事業(yè)項(xiàng)目，雨水利用方案不僅具有直接經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是還有間接經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境生態(tài)效益和社會(huì)效益，故方案比較應(yīng)從社會(huì)及生態(tài)環(huán)境的角度，即通過國民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對雨水利用工程各方案進(jìn)行比選。本文將結(jié)合工程實(shí)例對雨水利用方案及其經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)兩方面的問題作一些探討。

2　雨水利用方案

　　雨水利用方案有很多種。根據(jù)現(xiàn)場條件和用水要求可以是直接排放；滲透與排放；滲透與中水等。以下給出可供小區(qū)選用的幾種雨水利用形式。
2.1直接排放
　　即傳統(tǒng)的雨水直接排放方案。一般采用鋼筋混凝土圓管，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=0.33～2。
2.2滲透管滲透+排放
　　即在傳統(tǒng)雨水排放方案的基礎(chǔ)上，將非滲透管改為滲透管或穿孔管，周圍回填礫石，斷面示意圖見圖1。

　　滲透管溝具備滲透和排放兩種功能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧此兩方面的要求。
　　為保證防洪能力不減小，中心穿孔管仍采用與直接排放方案相同的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)。
　　管溝滲透能力（滲透所需有效貯存空間與滲透面積）可按Sjoberg-Martensson方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。滲透設(shè)施所需設(shè)計(jì)最大存貯體積V采用下式計(jì)算：

　　V=max{1.25·[3600·(C_m·A+A₀)·t·q_T/1000]-3600K·A_s·t}
　　其中：Cm 平均徑流系數(shù)；
　　　　　q_T 重現(xiàn)期為T年，降雨歷時(shí)為t的暴雨強(qiáng)度（l/s/ha）；
　　　　　A 流域面積 （ha）；
　　　　　A₀ 滲透裝置降雨直接承受面面積；
　　　　　k 土壤滲透系數(shù) （m/s），滲透系數(shù)要乘以0.3-0.5的安全系數(shù)；
　　　　　A_s 有效滲透面積 ( m2 )；
　　　　　t 降雨歷時(shí)（h）；

　　滲透管溝設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤暌?guī)律和現(xiàn)場條件進(jìn)行選擇，一般居住小區(qū)可選P=0.33～1。管溝斷面尺寸依據(jù)現(xiàn)場條件、施工作業(yè)和滲透管溝的基本要求而定。中心管采用鋼筋混凝土穿孔管時(shí)，開孔率為2～3%；管外回填粒徑為10～20mm礫石，礫石外包土工布（滲透系數(shù)31×10^-4m/s，厚度33mm），以保證滲透順利，同時(shí)防止土粒進(jìn)入滲透管溝發(fā)生堵塞。
　　另外，為了提高滲透效率，充分保證存貯空間，在檢查井內(nèi)設(shè)置與上游管溝礫石填料頂標(biāo)高相平齊的隔板，如圖2所示。

　　該方案較適合舊雨水管系的的改造，在雨水水質(zhì)較差的地區(qū)或?qū)τ蜌诸愇菝鎽?yīng)在雨水進(jìn)入滲透設(shè)施之前應(yīng)增設(shè)預(yù)處理設(shè)施或初期雨水棄流裝置。還可將雨水截流井、連接管、檢查井均建成滲透裝置，以增大滲透儲(chǔ)存空間。但由于埋深和占用空間較大，與小區(qū)內(nèi)其它管線發(fā)生交叉的可能性較大。
2.3高花壇+低綠地+淺溝滲渠滲透
　　該方案采用了多種滲透設(shè)施，屋面雨水先流經(jīng)高位花壇（內(nèi)填滲透性能好、凈化能力強(qiáng)的人工混合土）進(jìn)行滲透凈化，而后與道路雨水一起通過低綠地，流入滲透淺溝；雨量較大時(shí)，雨水沿著淺溝進(jìn)入滲渠繼續(xù)下滲；超過滲透能力的雨水再排入市政管網(wǎng)。雨水利用系統(tǒng)示意圖和淺溝、滲透渠效果圖分別如圖3和圖4所示。

2.3.1高位花壇設(shè)計(jì)
　　研究結(jié)果表明：人工拌和土與天然土對屋面初期雨水均有不同程度的凈化作用。故本方案在建筑物周圍設(shè)置高位花壇，花壇中填入人工拌和土，將屋面雨水接入，作為雨水凈化裝置，提高系統(tǒng)的安全性。
　　高位花壇尺寸的尺寸可根據(jù)建筑物周圍條件而定。每條花壇外壁布設(shè)2-4個(gè)穿孔排水管，管徑≥50mm，排水管與雨落管間距≥5m。為防止雨水沖刷花壇內(nèi)植被和土壤，在雨落管出口處應(yīng)設(shè)減沖措施或在花壇內(nèi)鋪設(shè)卵石。如圖5所示。

2.3.2 滲透淺溝與滲透渠
　　滲透渠與滲透淺溝，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可綜合在一起設(shè)計(jì)。仍按S-M方法進(jìn)行計(jì)算。滲透渠斷面如圖6所示，滲渠中心渠采用無砂混凝土矩形渠，外填粒徑為10-20mm礫石，礫石外包土工布。渠上加蓋混凝土蓋板。滲透渠在每兩個(gè)集水井之間均為水平布置，高程為兩集水井之間平均高程。為保證滲透空間充分利用，每個(gè)集水井內(nèi)溢流堰板，溢流堰板標(biāo)高與上游中心渠內(nèi)頂平。

　　滲透淺溝采用三角形斷面，淺溝邊坡水平：高4:1～10:1，縱向坡度￡2%。當(dāng)溝長增加使得縱向高差超過淺溝深度時(shí)應(yīng)增設(shè)臺(tái)坎，臺(tái)坎高度略低于淺溝深度，臺(tái)坎可選用無砂混凝土制作或采用其它措施，以保證滲透存貯空間的有效利用。
2.3.3小區(qū)雨水溢流管與道路設(shè)計(jì)
　　因目前國內(nèi)尚無雨水滲透與排放聯(lián)合設(shè)計(jì)與運(yùn)行的規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)，作為方案設(shè)計(jì)與比較，為防洪安全，滲透設(shè)施與市政管網(wǎng)的連接溢流管設(shè)計(jì)重現(xiàn)期仍采用與直接排放方案相同的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。
　　小區(qū)中所有路面均高于綠地約60mm, 主道沿其中心軸線向兩側(cè)綠地傾斜，輔道向某一側(cè)傾斜，保證道路雨水先進(jìn)入綠地進(jìn)行滲透處理。小區(qū)中停車位布置滲透地面。
　　該方案滲透裝置采用矩形蓋板渠，方便施工，埋深較淺，有利用增大滲透儲(chǔ)存空間，減少投資。易于清堵，便于管理。小區(qū)雨水水質(zhì)較好時(shí)可不設(shè)初期棄流裝置，而直接利用高位花壇對屋面雨水進(jìn)行凈化處理，其余徑流雨水進(jìn)入綠地和淺溝，經(jīng)過植被和土壤的物理、生物等作用，攔截了雨水中的懸浮顆粒，對其它污染物也有較強(qiáng)的凈化作用，為后續(xù)滲透設(shè)施提供了較好的水質(zhì),并有效地防止堵塞大大減少了由雨水?dāng)y帶進(jìn)入水體的污染物總量。
2.4中水利用+淺溝滲透
　　該方案考慮中水利用和滲透兩方面。中水主要利用水質(zhì)相對較好且易于收集的屋面雨水，處理后作為綠化、噴灑道路等雜用水的補(bǔ)充水源。道路雨水和綠地雨水采用淺溝進(jìn)行滲透。
　　屋面雨水收集及中水處理工藝流程見圖7。

　　道路雨水首先進(jìn)入低綠地或滲透淺溝進(jìn)行滲透，多余雨水排至市政雨水管道。
2.4.1初期棄流設(shè)施
　　雨水初期棄流裝置可以有很多種形式，在實(shí)施時(shí)主要要考慮其可操作性。根據(jù)研究結(jié)果，初期棄流量按2mm設(shè)計(jì)。
2.4.2屋面雨水中水處理系統(tǒng)及其收集管渠
　　中水處理工藝流程如圖7所示。貯水池的有效容積按雨水調(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)方法計(jì)算?？蔀榈叵落摻罨炷两Y(jié)構(gòu)；中水池的有效容積與貯水池相同，為減少占地，節(jié)省投資，可利用貯水池的頂板作為中水池的底板，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可與小區(qū)內(nèi)水景設(shè)計(jì)結(jié)合起來，如選用石砌池壁，敞口水池。
2.4.3道路和綠地雨水滲透系統(tǒng)
　　道路雨水和綠地雨水仍用三角形滲透淺溝回灌地下。滲透淺溝主要沿小區(qū)道路兩側(cè)布置，在綠地中和建筑物周圍適當(dāng)布置分支淺溝。
2.4.4小區(qū)雨水溢流管與路面設(shè)計(jì)
　　小區(qū)雨水溢流管與路面設(shè)計(jì)均與2.3方案同。
　　該方案將水質(zhì)相對較好的屋面雨水進(jìn)行處理后作為中水補(bǔ)充水源，供給綠化、洗車、噴灑路面等使用，直接利用水量比例加大。貯水池、設(shè)備間及與運(yùn)行控制室均設(shè)在地下，不減少綠地與滲透面積。中水池采用石砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)可與小區(qū)水景設(shè)計(jì)相結(jié)合，為小區(qū)美化環(huán)境提供了條件。道路與綠地雨水均采用滲透淺溝，充分利用天然土壤與植被的滲透與凈化功能，滲透系統(tǒng)運(yùn)行簡單。但中水系統(tǒng)需要較多的構(gòu)筑物、設(shè)備與控制裝置，使該方案的總費(fèi)用加大，同時(shí)由于雨水的季節(jié)性和隨機(jī)性，會(huì)造成中水系統(tǒng)運(yùn)行不連續(xù)，使用率不高。

3　工程實(shí)例及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1工程背景概況
　　本實(shí)例為北京市某居住小區(qū)。占地總面積29320 m2，其中：建筑占地5925 m2；道路與停車場8995 m2；綠地14400m2。小區(qū)內(nèi)建筑主要為3～4層的高級(jí)寓所，建筑占地面積為270m2的寓所14座，建筑占地面積為195m2的寓所11座。小區(qū)內(nèi)地勢平坦，地面坡度0～0.3%。該地區(qū)為永定河沖擊扇，土壤以砂壤土為主，滲透系數(shù)5×10-5 m/s，地下水位-12m左右，適于進(jìn)行雨水滲透。另外，該小區(qū)建筑層數(shù)較低，均為瓦質(zhì)屋面，屋面雨水水質(zhì)較好，且全小區(qū)綠地面積和道路、停車場占地面積比例較高，綠化和噴灑道路所需用水量較多，可以考慮將屋面雨水單獨(dú)收集作為中水補(bǔ)充水源。為比選最佳方案，分別根據(jù)2.1～2.4 所述方法設(shè)計(jì)了四種方案，以下對其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
3.2基建投資
　　基建投資是指雨水利用工程的初期建設(shè)投資費(fèi)用，包括土建投資和設(shè)備管道電氣部分投資。按1996年北京市建設(shè)工程概算定額進(jìn)行計(jì)算，各方案的基建工程造價(jià)見表1。若以單位滲透和利用（直接利用）的雨水量所需工程造價(jià)進(jìn)行比較，方案三最好，其次是方案二，方案四最差。
3.3運(yùn)行成本
　　投入運(yùn)行后所需藥劑費(fèi)、電費(fèi)、人工費(fèi)、管理、維修維護(hù)費(fèi)等的總和折合成每m³水的價(jià)格。也即雨水系統(tǒng)單位水量的運(yùn)行成本。
3.3.1滲透系統(tǒng)運(yùn)行成本
　　工程建成后,該小區(qū)每年處置的總水量為17445(未計(jì)損失)，工程造價(jià)為38.87萬元,假定折舊期為30年,每年折舊費(fèi)為38.87/30=1.296萬元。按靜態(tài)分析每單位水量分?jǐn)傎M(fèi)用為1.296/17445=0.74元。

表1 雨水利用、利用雨水總量與工程造價(jià)比較 方案 年均降雨總量(m³) 年滲透雨水總量 年利用雨水總量 年排放雨水總量 工程造價(jià)(萬元) 單位滲透、利用雨水工程造價(jià)(元/m³) 單位占地面積雨水工程造價(jià)(元/ m2) m³ % m³ % m³ % 方案一 17445 8164 46.8 0 0 9281 53.2 26.64 32.63 9.09 方案二 17445 12857 73.7 0 0 4588 26.3 37.13 28.88 12.66 方案三 17445 14599 83.7 0 0 2846 16.3 38.87 26.63 13.26 方案四 17445 12946 74.2 2346 13.5 2153 12.3 108.76 71.12 37.09

　　由于滲透系統(tǒng)在雨水口增加了截污裝置，所以每年第一場雨之前和每兩場雨之間，往往需要人工清理堵塞污物，以便更好運(yùn)行。以每年清理10次，每次10工日，每工日30元計(jì)，則該小區(qū)全年滲透系統(tǒng)運(yùn)行成本為10×10×30=3000元。假設(shè)滲透運(yùn)行成本全部均勻分?jǐn)偟矫磕隄B透水總量上，則方案二、方案三、方案四每m³滲透水量運(yùn)行增加成本分別為0.23元、0.21元、0.24元/ m³。
兩項(xiàng)合計(jì)，方案二、三、四的滲透系統(tǒng)運(yùn)行成本每單位水量分別為1.00元、0.95元、1.01元/ m³
3.3.2中水系統(tǒng)運(yùn)行成本
　　方案四建有屋面雨水中水系統(tǒng)，參考北京中水系統(tǒng)的運(yùn)行價(jià)格指標(biāo)，若不考慮維修費(fèi)用，本小區(qū)系統(tǒng)建成后，其成本為0.7元/ m³。如果考慮設(shè)備的維護(hù)和折舊，成本為1.0元/ m³。[4]
3.4方案對比評(píng)價(jià)
　　以方案三為例，求算方案三與方案一的差額投資收益率。
3.4.1差額收益分析
　?。?）節(jié)省城市引水、凈水的邊際費(fèi)用
　　方案三實(shí)施以后，每年較之方案一多滲透補(bǔ)充地下水14599-8164=6435 m³/年，假設(shè)其中50%通過地下水源自來水供給使用，則每年可節(jié)約地表水源自來水6435×50%=3218 m³/年。
　　以北京市目前每m³水地下水源自來水實(shí)際價(jià)格0.4元，則每m³滲透水轉(zhuǎn)化為自來水的成本為0.95+0.4=1.35元/ m³，而地表水源自來水實(shí)際價(jià)格1.60元，每m³水可節(jié)約1.60-1.35=0.25元/ m³。
　　所以該小區(qū)每年可節(jié)省的費(fèi)用為3218×0.25=805元/年。
　　若考慮遠(yuǎn)距離引水（如南水北調(diào)）和用水超標(biāo)加價(jià)收費(fèi)和罰款，此項(xiàng)節(jié)省費(fèi)用還會(huì)更高。據(jù)報(bào)道，遠(yuǎn)距離輸水是節(jié)水費(fèi)用的3-5倍。
　?。?）節(jié)水可增加的國家財(cái)政收入
　　這一部分收入即目前國家由于缺水造成的國家財(cái)政收入的損失。據(jù)了解，目前全國六百多個(gè)城市日平均缺水1000萬m³，造成國家財(cái)政收入年減少200億元[4]，相當(dāng)于每缺水1 m³，要損失5.48元，即節(jié)約1 m³水意味著創(chuàng)造了5.48元的收益。
　　方案三較方案一每年節(jié)水3218 m³，可產(chǎn)生收益3218×5.48=17635元/年。
　　（3）消除污染而減少的社會(huì)損失
　　據(jù)分析，為消除污染每投入1元可減少的環(huán)境資源損失是3元[4]，即投入產(chǎn)出比為1：3。
　　由于在本方案中提出“高花壇凈化、低綠地接納、淺溝和滲透渠同時(shí)滲透”的治理方案，盡管這是一種理想狀態(tài)，雨量較大時(shí)仍有部分雨水出流，但畢竟大大減少了污染雨水排入河流水體，也減少了因雨水的污染而帶來的河流水體環(huán)境的污染。
　　方案三較方案一減少排放雨水9281-2846=6435 m³，若以北京市目前排污費(fèi)為0.4元/m³作為消除污染的投資費(fèi)來計(jì)，則每年因消除污染而減少的社會(huì)損失為3×0.4×6435=7722元/年。
　?。?）節(jié)省城市排水設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用
　　雨水滲透與利用后，每年減少向市政管網(wǎng)排放雨水6435m³。這樣會(huì)減輕市政管網(wǎng)的壓力，也減少市政管網(wǎng)的建設(shè)維護(hù)費(fèi)用。城市排水設(shè)施的建設(shè)費(fèi)依據(jù)北京市規(guī)劃局的估計(jì)日處理100萬m³的規(guī)模需投資為18億元。以日處理每m³計(jì)為1800元，如設(shè)計(jì)年限以30年計(jì)，合到每m³水為0.16元；城市污水處理設(shè)施活性污泥法的運(yùn)行費(fèi)用為0.25元/m³，兩項(xiàng)合計(jì)為0.41元/m³，加上管網(wǎng)的費(fèi)用大致為0.49元/m³[4]。所以每1 m³水的管網(wǎng)費(fèi)用為0.08元。
　　所以方案三較方案一每年可節(jié)省城市排水設(shè)施的建設(shè)運(yùn)行費(fèi)6435×0.08=515元/年。
　　以上四項(xiàng)費(fèi)用合計(jì)為805+17635+7722+515=26677元/年。
3.4.2差額投資內(nèi)部收益率計(jì)算
　　方案三較方案一的工程造價(jià)高38.87-26.64=12.23萬元，每年運(yùn)行費(fèi)多投入3000元。
　　以壽命期30年計(jì)，則其差額投資內(nèi)部收益率為19.2%。
　　同樣方法可算出方案二與方案一的差額投資內(nèi)部收益率為15.5%，同樣方法可算出方案二與方案一的差額投資內(nèi)部收益率為15.5%。見表2。
3.4.3評(píng)價(jià)結(jié)論及建議
　　以上分析可以看出，方案三和方案二均優(yōu)于方案一，方案三效果最為明顯。在前述假設(shè)前提下方案四不可行。
　　當(dāng)然這僅是粗略計(jì)算。在計(jì)算中，對其各方案的防洪減災(zāi)、節(jié)省水資源、防止地面沉降減少的災(zāi)害，改善城市環(huán)境以后帶來的其它環(huán)境效益和社會(huì)效益等未作定量分析。如果考慮這些效益，則方案三、方案二的收益率更大，方案四的可行性則需另行分析。

表2 雨水利用方案綜合評(píng)價(jià) 項(xiàng)目方案 要點(diǎn) 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期 主要材料與設(shè)備 單位滲透、利用水量工程造價(jià) 運(yùn)行管理 與方案一的差額投資收益率(%) 綜合評(píng)價(jià) 方案一 直接排放 P=1 鋼筋混凝土管 較高 最易 / 一般 方案二 滲透+排放 滲透P=0.33
排放P=1 鋼筋混凝土穿孔管、礫石、土工布、截污裝置 低 較易 15.5 較好 方案三 滲透+排放 滲透P=0.5
溢流排放P=1 無砂混凝土矩形渠、礫石、土工布、截污裝置 最低 較易 19.2 好 方案四 滲透+中水+排放 中水P=0.5
滲透P=0.5
排放P=1 鋼筋混凝土管、貯水池、中水池、棄流裝置、中水處理設(shè)備 最高 最難 4.3 較差

4　結(jié)束語

　　城市雨水利用工程是城市化快速發(fā)展所提出的新課題，必須根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的技術(shù)和管理措施，進(jìn)行綜合、全面的考慮。其中，雨水滲透可以涵養(yǎng)地下水，緩減地面下沉、減少城鎮(zhèn)的洪澇損失。在條件成熟、資金充足時(shí)，雨水的中水利用也可作為嚴(yán)重缺水地區(qū)解決水資源危機(jī)的途徑。初期雨水的棄流則對減少面源污染、改善城市水環(huán)境，保證雨水利用、滲透設(shè)施的安全運(yùn)行有著積極的作用。排放、滲透利用、中水利用、棄流、污染控制等幾方面必須綜合考慮，合理規(guī)劃。如果雨水利用工程能在整個(gè)城市推廣，將有利于改善北京的生態(tài)環(huán)境，緩解水資源短缺、地下水位下降、城區(qū)水澇等許多矛盾。雨水利用工程的綜合效益較高，值得大力提倡和推廣。

參考文獻(xiàn)

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