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

1　前言

　　傳統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，雨季城區水澇發生頻率增多等原因，因此，尋求新的雨水處置或利用方法已成為必然趨勢。相應的，通過技術經濟分析，比選更好的經濟技術決策方案，對新的雨水利用方案的經濟效果的評價顯得尤為重要。
　　作為公益事業項目，雨水利用方案不僅具有直接經濟效益，更重要的是還有間接經濟效益、環境生態效益和社會效益，故方案比較應從社會及生態環境的角度，即通過國民經濟評價，對雨水利用工程各方案進行比選。本文將結合工程實例對雨水利用方案及其經濟評價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。根據現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。以下給出可供小區選用的幾種雨水利用形式。
2.1直接排放
　　即傳統的雨水直接排放方案。一般采用鋼筋混凝土圓管，設計重現期P=0.33～2。
2.2滲透管滲透+排放
　　即在傳統雨水排放方案的基礎上，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，在設計時應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計方法和參數。
　　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方法進行設計。滲透設施所需設計最大存貯體積V采用下式計算：

　　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；
　　　　　q_T 重現期為T年，降雨歷時為t的暴雨強度（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 （m/s），滲透系數要乘以0.3-0.5的安全系數；
　　　　　A_s 有效滲透面積 ( m2 )；
　　　　　t 降雨歷時（h）；

　　滲透管溝設計重現期可根據當地降雨規律和現場條件進行選擇，一般居住小區可選P=0.33～1。管溝斷面尺寸依據現場條件、施工作業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，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31×10^-4m/s，厚度33mm），以保證滲透順利，同時防止土粒進入滲透管溝發生堵塞。
　　另外，為了提高滲透效率，充分保證存貯空間，在檢查井內設置與上游管溝礫石填料頂標高相平齊的隔板，如圖2所示。

　　該方案較適合舊雨水管系的的改造，在雨水水質較差的地區或對油氈類屋面應在雨水進入滲透設施之前應增設預處理設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，以增大滲透儲存空間。但由于埋深和占用空間較大，與小區內其它管線發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施，屋面雨水先流經高位花壇（內填滲透性能好、凈化能力強的人工混合土）進行滲透凈化，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，雨水沿著淺溝進入滲渠繼續下滲；超過滲透能力的雨水再排入市政管網。雨水利用系統示意圖和淺溝、滲透渠效果圖分別如圖3和圖4所示。

2.3.1高位花壇設計
　　研究結果表明：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，提高系統的安全性。
　　高位花壇尺寸的尺寸可根據建筑物周圍條件而定。每條花壇外壁布設2-4個穿孔排水管，管徑≥50mm，排水管與雨落管間距≥5m。為防止雨水沖刷花壇內植被和土壤，在雨落管出口處應設減沖措施或在花壇內鋪設卵石。如圖5所示。

2.3.2 滲透淺溝與滲透渠
　　滲透渠與滲透淺溝，可以單獨設計，也可綜合在一起設計。仍按S-M方法進行計算。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，每個集水井內溢流堰板，溢流堰板標高與上游中心渠內頂平。

　　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%。當溝長增加使得縱向高差超過淺溝深度時應增設臺坎，臺坎高度略低于淺溝深度，臺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小區雨水溢流管與道路設計
　　因目前國內尚無雨水滲透與排放聯合設計與運行的規范與經驗，作為方案設計與比較，為防洪安全，滲透設施與市政管網的連接溢流管設計重現期仍采用與直接排放方案相同的設計重現期。
　　小區中所有路面均高于綠地約60mm, 主道沿其中心軸線向兩側綠地傾斜，輔道向某一側傾斜，保證道路雨水先進入綠地進行滲透處理。小區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，有利用增大滲透儲存空間，減少投資。易于清堵，便于管理。小區雨水水質較好時可不設初期棄流裝置，而直接利用高位花壇對屋面雨水進行凈化處理，其余徑流雨水進入綠地和淺溝，經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的凈化作用，為后續滲透設施提供了較好的水質,并有效地防止堵塞大大減少了由雨水攜帶進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充水源。道路雨水和綠地雨水采用淺溝進行滲透。
　　屋面雨水收集及中水處理工藝流程見圖7。

　　道路雨水首先進入低綠地或滲透淺溝進行滲透，多余雨水排至市政雨水管道。
2.4.1初期棄流設施
　　雨水初期棄流裝置可以有很多種形式，在實施時主要要考慮其可操作性。根據研究結果，初期棄流量按2mm設計。
2.4.2屋面雨水中水處理系統及其收集管渠
　　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節池的設計方法計算?？蔀榈叵落摻罨炷两Y構；中水池的有效容積與貯水池相同，為減少占地，節省投資，可利用貯水池的頂板作為中水池的底板，實際設計時可與小區內水景設計結合起來，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
　　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道路兩側布置，在綠地中和建筑物周圍適當布置分支淺溝。
2.4.4小區雨水溢流管與路面設計
　　小區雨水溢流管與路面設計均與2.3方案同。
　　該方案將水質相對較好的屋面雨水進行處理后作為中水補充水源，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、設備間及與運行控制室均設在地下，不減少綠地與滲透面積。中水池采用石砌結構，設計時可與小區水景設計相結合，為小區美化環境提供了條件。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，滲透系統運行簡單。但中水系統需要較多的構筑物、設備與控制裝置，使該方案的總費用加大，同時由于雨水的季節性和隨機性，會造成中水系統運行不連續，使用率不高。

3　工程實例及其技術經濟分析

3.1工程背景概況
　　本實例為北京市某居住小區。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。小區內建筑主要為3～4層的高級寓所，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。小區內地勢平坦，地面坡度0～0.3%。該地區為永定河沖擊扇，土壤以砂壤土為主，滲透系數5×10-5 m/s，地下水位-12m左右，適于進行雨水滲透。另外，該小區建筑層數較低，均為瓦質屋面，屋面雨水水質較好，且全小區綠地面積和道路、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收集作為中水補充水源。為比選最佳方案，分別根據2.1～2.4 所述方法設計了四種方案，以下對其進行技術經濟分析。
3.2基建投資
　　基建投資是指雨水利用工程的初期建設投資費用，包括土建投資和設備管道電氣部分投資。按1996年北京市建設工程概算定額進行計算，各方案的基建工程造價見表1。若以單位滲透和利用（直接利用）的雨水量所需工程造價進行比較，方案三最好，其次是方案二，方案四最差。
3.3運行成本
　　投入運行后所需藥劑費、電費、人工費、管理、維修維護費等的總和折合成每m³水的價格。也即雨水系統單位水量的運行成本。
3.3.1滲透系統運行成本
　　工程建成后,該小區每年處置的總水量為17445(未計損失)，工程造價為38.87萬元,假定折舊期為30年,每年折舊費為38.87/30=1.296萬元。按靜態分析每單位水量分攤費用為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(萬元) 單位滲透、利用雨水工程造價(元/m³) 單位占地面積雨水工程造價(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，以便更好運行。以每年清理10次，每次10工日，每工日30元計，則該小區全年滲透系統運行成本為10×10×30=3000元。假設滲透運行成本全部均勻分攤到每年滲透水總量上，則方案二、方案三、方案四每m³滲透水量運行增加成本分別為0.23元、0.21元、0.24元/ m³。
兩項合計，方案二、三、四的滲透系統運行成本每單位水量分別為1.00元、0.95元、1.01元/ m³
3.3.2中水系統運行成本
　　方案四建有屋面雨水中水系統，參考北京中水系統的運行價格指標，若不考慮維修費用，本小區系統建成后，其成本為0.7元/ m³。如果考慮設備的維護和折舊，成本為1.0元/ m³。[4]
3.4方案對比評價
　　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
　?。?）節省城市引水、凈水的邊際費用
　　方案三實施以后，每年較之方案一多滲透補充地下水14599-8164=6435 m³/年，假設其中50%通過地下水源自來水供給使用，則每年可節約地表水源自來水6435×50%=3218 m³/年。
　　以北京市目前每m³水地下水源自來水實際價格0.4元，則每m³滲透水轉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際價格1.60元，每m³水可節約1.60-1.35=0.25元/ m³。
　　所以該小區每年可節省的費用為3218×0.25=805元/年。
　　若考慮遠距離引水（如南水北調）和用水超標加價收費和罰款，此項節省費用還會更高。據報道，遠距離輸水是節水費用的3-5倍。
　　（2）節水可增加的國家財政收入
　　這一部分收入即目前國家由于缺水造成的國家財政收入的損失。據了解，目前全國六百多個城市日平均缺水1000萬m³，造成國家財政收入年減少200億元[4]，相當于每缺水1 m³，要損失5.48元，即節約1 m³水意味著創造了5.48元的收益。
　　方案三較方案一每年節水3218 m³，可產生收益3218×5.48=17635元/年。
　　（3）消除污染而減少的社會損失
　　據分析，為消除污染每投入1元可減少的環境資源損失是3元[4]，即投入產出比為1：3。
　　由于在本方案中提出“高花壇凈化、低綠地接納、淺溝和滲透渠同時滲透”的治理方案，盡管這是一種理想狀態，雨量較大時仍有部分雨水出流，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為0.4元/m³作為消除污染的投資費來計，則每年因消除污染而減少的社會損失為3×0.4×6435=7722元/年。
　　（4）節省城市排水設施的建設和運行費用
　　雨水滲透與利用后，每年減少向市政管網排放雨水6435m³。這樣會減輕市政管網的壓力，也減少市政管網的建設維護費用。城市排水設施的建設費依據北京市規劃局的估計日處理100萬m³的規模需投資為18億元。以日處理每m³計為1800元，如設計年限以30年計，合到每m³水為0.16元；城市污水處理設施活性污泥法的運行費用為0.25元/m³，兩項合計為0.41元/m³，加上管網的費用大致為0.49元/m³[4]。所以每1 m³水的管網費用為0.08元。
　　所以方案三較方案一每年可節省城市排水設施的建設運行費6435×0.08=515元/年。
　　以上四項費用合計為805+17635+7722+515=26677元/年。
3.4.2差額投資內部收益率計算
　　方案三較方案一的工程造價高38.87-26.64=12.23萬元，每年運行費多投入3000元。
　　以壽命期30年計，則其差額投資內部收益率為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部收益率為15.5%。見表2。
3.4.3評價結論及建議
　　以上分析可以看出，方案三和方案二均優于方案一，方案三效果最為明顯。在前述假設前提下方案四不可行。
　　當然這僅是粗略計算。在計算中，對其各方案的防洪減災、節省水資源、防止地面沉降減少的災害，改善城市環境以后帶來的其它環境效益和社會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價 項目方案 要點 設計重現期 主要材料與設備 單位滲透、利用水量工程造價 運行管理 與方案一的差額投資收益率(%) 綜合評價 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、中水處理設備 最高 最難 4.3 較差

4　結束語

　　城市雨水利用工程是城市化快速發展所提出的新課題，必須根據具體情況采取相應的技術和管理措施，進行綜合、全面的考慮。其中，雨水滲透可以涵養地下水，緩減地面下沉、減少城鎮的洪澇損失。在條件成熟、資金充足時，雨水的中水利用也可作為嚴重缺水地區解決水資源危機的途徑。初期雨水的棄流則對減少面源污染、改善城市水環境，保證雨水利用、滲透設施的安全運行有著積極的作用。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，合理規劃。如果雨水利用工程能在整個城市推廣，將有利于改善北京的生態環境，緩解水資源短缺、地下水位下降、城區水澇等許多矛盾。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

　　1.北京市政設計院，給水排水設計手冊（第五冊/城市排水），中國建筑工業出版社，1986
　　2.北京市城鄉建設委員會，北京市建設工程概算定額（市政工程/第三冊/排水管道），1996
　　3.北京市城鄉建設委員會，北京市建設工程概算定額（市政工程/第六冊/室外管線、道路），1996
　　4.鄔揚善，北京市中水設施的成本效益分析，給水排水，1996（4）