小区雨水利用方案比较与技术经济分析

李俊奇 孟光辉 汪宏玲
（北京建筑工程学院城建系） （北京市城市节水办公室）

1　前言

　　传统的城市雨水处置方式大多为直接排放。近年来，由于水资源的缺乏，地下水位的下降，雨季城区水涝发生频率增多等原因，因此，寻求新的雨水处置或利用方法已成为必然趋势。相应的，通过技术经济分析，比选更好的经济技术决策方案，对新的雨水利用方案的经济效果的评价显得尤为重要。
　　作为公益事业项目，雨水利用方案不仅具有直接经济效益，更重要的是还有间接经济效益、环境生态效益和社会效益，故方案比较应从社会及生态环境的角度，即通过国民经济评价，对雨水利用工程各方案进行比选。本文将结合工程实例对雨水利用方案及其经济评价两方面的问题作一些探讨。

2　雨水利用方案

　　雨水利用方案有很多种。根据现场条件和用水要求可以是直接排放；渗透与排放；渗透与中水等。以下给出可供小区选用的几种雨水利用形式。
2.1直接排放
　　即传统的雨水直接排放方案。一般采用钢筋混凝土圆管，设计重现期P=0.33～2。
2.2渗透管渗透+排放
　　即在传统雨水排放方案的基础上，将非渗透管改为渗透管或穿孔管，周围回填砾石，断面示意图见图1。

　　渗透管沟具备渗透和排放两种功能，在设计时应兼顾此两方面的要求。
　　为保证防洪能力不减小，中心穿孔管仍采用与直接排放方案相同的设计方法和参数。
　　管沟渗透能力（渗透所需有效贮存空间与渗透面积）可按Sjoberg-Martensson方法进行设计。渗透设施所需设计最大存贮体积V采用下式计算：

　　V=max{1.25·[3600·(C_m·A+A₀)·t·q_T/1000]-3600K·A_s·t}
　　其中：Cm 平均径流系数；
　　　　　q_T 重现期为T年，降雨历时为t的暴雨强度（l/s/ha）；
　　　　　A 流域面积 （ha）；
　　　　　A₀ 渗透装置降雨直接承受面面积；
　　　　　k 土壤渗透系数 （m/s），渗透系数要乘以0.3-0.5的安全系数；
　　　　　A_s 有效渗透面积 ( m2 )；
　　　　　t 降雨历时（h）；

　　渗透管沟设计重现期可根据当地降雨规律和现场条件进行选择，一般居住小区可选P=0.33～1。管沟断面尺寸依据现场条件、施工作业和渗透管沟的基本要求而定。中心管采用钢筋混凝土穿孔管时，开孔率为2～3%；管外回填粒径为10～20mm砾石，砾石外包土工布（渗透系数31×10^-4m/s，厚度33mm），以保证渗透顺利，同时防止土粒进入渗透管沟发生堵塞。
　　另外，为了提高渗透效率，充分保证存贮空间，在检查井内设置与上游管沟砾石填料顶标高相平齐的隔板，如图2所示。

　　该方案较适合旧雨水管系的的改造，在雨水水质较差的地区或对油毡类屋面应在雨水进入渗透设施之前应增设预处理设施或初期雨水弃流装置。还可将雨水截流井、连接管、检查井均建成渗透装置，以增大渗透储存空间。但由于埋深和占用空间较大，与小区内其它管线发生交叉的可能性较大。
2.3高花坛+低绿地+浅沟渗渠渗透
　　该方案采用了多种渗透设施，屋面雨水先流经高位花坛（内填渗透性能好、净化能力强的人工混合土）进行渗透净化，而后与道路雨水一起通过低绿地，流入渗透浅沟；雨量较大时，雨水沿着浅沟进入渗渠继续下渗；超过渗透能力的雨水再排入市政管网。雨水利用系统示意图和浅沟、渗透渠效果图分别如图3和图4所示。

2.3.1高位花坛设计
　　研究结果表明：人工拌和土与天然土对屋面初期雨水均有不同程度的净化作用。故本方案在建筑物周围设置高位花坛，花坛中填入人工拌和土，将屋面雨水接入，作为雨水净化装置，提高系统的安全性。
　　高位花坛尺寸的尺寸可根据建筑物周围条件而定。每条花坛外壁布设2-4个穿孔排水管，管径≥50mm，排水管与雨落管间距≥5m。为防止雨水冲刷花坛内植被和土壤，在雨落管出口处应设减冲措施或在花坛内铺设卵石。如图5所示。

2.3.2 渗透浅沟与渗透渠
　　渗透渠与渗透浅沟，可以单独设计，也可综合在一起设计。仍按S-M方法进行计算。渗透渠断面如图6所示，渗渠中心渠采用无砂混凝土矩形渠，外填粒径为10-20mm砾石，砾石外包土工布。渠上加盖混凝土盖板。渗透渠在每两个集水井之间均为水平布置，高程为两集水井之间平均高程。为保证渗透空间充分利用，每个集水井内溢流堰板，溢流堰板标高与上游中心渠内顶平。

　　渗透浅沟采用三角形断面，浅沟边坡水平：高4:1～10:1，纵向坡度￡2%。当沟长增加使得纵向高差超过浅沟深度时应增设台坎，台坎高度略低于浅沟深度，台坎可选用无砂混凝土制作或采用其它措施，以保证渗透存贮空间的有效利用。
2.3.3小区雨水溢流管与道路设计
　　因目前国内尚无雨水渗透与排放联合设计与运行的规范与经验，作为方案设计与比较，为防洪安全，渗透设施与市政管网的连接溢流管设计重现期仍采用与直接排放方案相同的设计重现期。
　　小区中所有路面均高于绿地约60mm, 主道沿其中心轴线向两侧绿地倾斜，辅道向某一侧倾斜，保证道路雨水先进入绿地进行渗透处理。小区中停车位布置渗透地面。
　　该方案渗透装置采用矩形盖板渠，方便施工，埋深较浅，有利用增大渗透储存空间，减少投资。易于清堵，便于管理。小区雨水水质较好时可不设初期弃流装置，而直接利用高位花坛对屋面雨水进行净化处理，其余径流雨水进入绿地和浅沟，经过植被和土壤的物理、生物等作用，拦截了雨水中的悬浮颗粒，对其它污染物也有较强的净化作用，为后续渗透设施提供了较好的水质,并有效地防止堵塞大大减少了由雨水携带进入水体的污染物总量。
2.4中水利用+浅沟渗透
　　该方案考虑中水利用和渗透两方面。中水主要利用水质相对较好且易于收集的屋面雨水，处理后作为绿化、喷洒道路等杂用水的补充水源。道路雨水和绿地雨水采用浅沟进行渗透。
　　屋面雨水收集及中水处理工艺流程见图7。

　　道路雨水首先进入低绿地或渗透浅沟进行渗透，多余雨水排至市政雨水管道。
2.4.1初期弃流设施
　　雨水初期弃流装置可以有很多种形式，在实施时主要要考虑其可操作性。根据研究结果，初期弃流量按2mm设计。
2.4.2屋面雨水中水处理系统及其收集管渠
　　中水处理工艺流程如图7所示。贮水池的有效容积按雨水调节池的设计方法计算。可为地下钢筋混凝土结构；中水池的有效容积与贮水池相同，为减少占地，节省投资，可利用贮水池的顶板作为中水池的底板，实际设计时可与小区内水景设计结合起来，如选用石砌池壁，敞口水池。
2.4.3道路和绿地雨水渗透系统
　　道路雨水和绿地雨水仍用三角形渗透浅沟回灌地下。渗透浅沟主要沿小区道路两侧布置，在绿地中和建筑物周围适当布置分支浅沟。
2.4.4小区雨水溢流管与路面设计
　　小区雨水溢流管与路面设计均与2.3方案同。
　　该方案将水质相对较好的屋面雨水进行处理后作为中水补充水源，供给绿化、洗车、喷洒路面等使用，直接利用水量比例加大。贮水池、设备间及与运行控制室均设在地下，不减少绿地与渗透面积。中水池采用石砌结构，设计时可与小区水景设计相结合，为小区美化环境提供了条件。道路与绿地雨水均采用渗透浅沟，充分利用天然土壤与植被的渗透与净化功能，渗透系统运行简单。但中水系统需要较多的构筑物、设备与控制装置，使该方案的总费用加大，同时由于雨水的季节性和随机性，会造成中水系统运行不连续，使用率不高。

3　工程实例及其技术经济分析

3.1工程背景概况
　　本实例为北京市某居住小区。占地总面积29320 m2，其中：建筑占地5925 m2；道路与停车场8995 m2；绿地14400m2。小区内建筑主要为3～4层的高级寓所，建筑占地面积为270m2的寓所14座，建筑占地面积为195m2的寓所11座。小区内地势平坦，地面坡度0～0.3%。该地区为永定河冲击扇，土壤以砂壤土为主，渗透系数5×10-5 m/s，地下水位-12m左右，适于进行雨水渗透。另外，该小区建筑层数较低，均为瓦质屋面，屋面雨水水质较好，且全小区绿地面积和道路、停车场占地面积比例较高，绿化和喷洒道路所需用水量较多，可以考虑将屋面雨水单独收集作为中水补充水源。为比选最佳方案，分别根据2.1～2.4 所述方法设计了四种方案，以下对其进行技术经济分析。
3.2基建投资
　　基建投资是指雨水利用工程的初期建设投资费用，包括土建投资和设备管道电气部分投资。按1996年北京市建设工程概算定额进行计算，各方案的基建工程造价见表1。若以单位渗透和利用（直接利用）的雨水量所需工程造价进行比较，方案三最好，其次是方案二，方案四最差。
3.3运行成本
　　投入运行后所需药剂费、电费、人工费、管理、维修维护费等的总和折合成每m³水的价格。也即雨水系统单位水量的运行成本。
3.3.1渗透系统运行成本
　　工程建成后,该小区每年处置的总水量为17445(未计损失)，工程造价为38.87万元,假定折旧期为30年,每年折旧费为38.87/30=1.296万元。按静态分析每单位水量分摊费用为1.296/17445=0.74元。

表1 雨水利用、利用雨水总量与工程造价比较 方案 年均降雨总量(m³) 年渗透雨水总量 年利用雨水总量 年排放雨水总量 工程造价(万元) 单位渗透、利用雨水工程造价(元/m³) 单位占地面积雨水工程造价(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

　　由于渗透系统在雨水口增加了截污装置，所以每年第一场雨之前和每两场雨之间，往往需要人工清理堵塞污物，以便更好运行。以每年清理10次，每次10工日，每工日30元计，则该小区全年渗透系统运行成本为10×10×30=3000元。假设渗透运行成本全部均匀分摊到每年渗透水总量上，则方案二、方案三、方案四每m³渗透水量运行增加成本分别为0.23元、0.21元、0.24元/ m³。
两项合计，方案二、三、四的渗透系统运行成本每单位水量分别为1.00元、0.95元、1.01元/ m³
3.3.2中水系统运行成本
　　方案四建有屋面雨水中水系统，参考北京中水系统的运行价格指标，若不考虑维修费用，本小区系统建成后，其成本为0.7元/ m³。如果考虑设备的维护和折旧，成本为1.0元/ m³。[4]
3.4方案对比评价
　　以方案三为例，求算方案三与方案一的差额投资收益率。
3.4.1差额收益分析
　　（1）节省城市引水、净水的边际费用
　　方案三实施以后，每年较之方案一多渗透补充地下水14599-8164=6435 m³/年，假设其中50%通过地下水源自来水供给使用，则每年可节约地表水源自来水6435×50%=3218 m³/年。
　　以北京市目前每m³水地下水源自来水实际价格0.4元，则每m³渗透水转化为自来水的成本为0.95+0.4=1.35元/ m³，而地表水源自来水实际价格1.60元，每m³水可节约1.60-1.35=0.25元/ m³。
　　所以该小区每年可节省的费用为3218×0.25=805元/年。
　　若考虑远距离引水（如南水北调）和用水超标加价收费和罚款，此项节省费用还会更高。据报道，远距离输水是节水费用的3-5倍。
　　（2）节水可增加的国家财政收入
　　这一部分收入即目前国家由于缺水造成的国家财政收入的损失。据了解，目前全国六百多个城市日平均缺水1000万m³，造成国家财政收入年减少200亿元[4]，相当于每缺水1 m³，要损失5.48元，即节约1 m³水意味着创造了5.48元的收益。
　　方案三较方案一每年节水3218 m³，可产生收益3218×5.48=17635元/年。
　　（3）消除污染而减少的社会损失
　　据分析，为消除污染每投入1元可减少的环境资源损失是3元[4]，即投入产出比为1：3。
　　由于在本方案中提出“高花坛净化、低绿地接纳、浅沟和渗透渠同时渗透”的治理方案，尽管这是一种理想状态，雨量较大时仍有部分雨水出流，但毕竟大大减少了污染雨水排入河流水体，也减少了因雨水的污染而带来的河流水体环境的污染。
　　方案三较方案一减少排放雨水9281-2846=6435 m³，若以北京市目前排污费为0.4元/m³作为消除污染的投资费来计，则每年因消除污染而减少的社会损失为3×0.4×6435=7722元/年。
　　（4）节省城市排水设施的建设和运行费用
　　雨水渗透与利用后，每年减少向市政管网排放雨水6435m³。这样会减轻市政管网的压力，也减少市政管网的建设维护费用。城市排水设施的建设费依据北京市规划局的估计日处理100万m³的规模需投资为18亿元。以日处理每m³计为1800元，如设计年限以30年计，合到每m³水为0.16元；城市污水处理设施活性污泥法的运行费用为0.25元/m³，两项合计为0.41元/m³，加上管网的费用大致为0.49元/m³[4]。所以每1 m³水的管网费用为0.08元。
　　所以方案三较方案一每年可节省城市排水设施的建设运行费6435×0.08=515元/年。
　　以上四项费用合计为805+17635+7722+515=26677元/年。
3.4.2差额投资内部收益率计算
　　方案三较方案一的工程造价高38.87-26.64=12.23万元，每年运行费多投入3000元。
　　以寿命期30年计，则其差额投资内部收益率为19.2%。
　　同样方法可算出方案二与方案一的差额投资内部收益率为15.5%，同样方法可算出方案二与方案一的差额投资内部收益率为15.5%。见表2。
3.4.3评价结论及建议
　　以上分析可以看出，方案三和方案二均优于方案一，方案三效果最为明显。在前述假设前提下方案四不可行。
　　当然这仅是粗略计算。在计算中，对其各方案的防洪减灾、节省水资源、防止地面沉降减少的灾害，改善城市环境以后带来的其它环境效益和社会效益等未作定量分析。如果考虑这些效益，则方案三、方案二的收益率更大，方案四的可行性则需另行分析。

表2 雨水利用方案综合评价 项目方案 要点 设计重现期 主要材料与设备 单位渗透、利用水量工程造价 运行管理 与方案一的差额投资收益率(%) 综合评价 方案一 直接排放 P=1 钢筋混凝土管 较高 最易 / 一般 方案二 渗透+排放 渗透P=0.33
排放P=1 钢筋混凝土穿孔管、砾石、土工布、截污装置 低 较易 15.5 较好 方案三 渗透+排放 渗透P=0.5
溢流排放P=1 无砂混凝土矩形渠、砾石、土工布、截污装置 最低 较易 19.2 好 方案四 渗透+中水+排放 中水P=0.5
渗透P=0.5
排放P=1 钢筋混凝土管、贮水池、中水池、弃流装置、中水处理设备 最高 最难 4.3 较差

4　结束语

　　城市雨水利用工程是城市化快速发展所提出的新课题，必须根据具体情况采取相应的技术和管理措施，进行综合、全面的考虑。其中，雨水渗透可以涵养地下水，缓减地面下沉、减少城镇的洪涝损失。在条件成熟、资金充足时，雨水的中水利用也可作为严重缺水地区解决水资源危机的途径。初期雨水的弃流则对减少面源污染、改善城市水环境，保证雨水利用、渗透设施的安全运行有着积极的作用。排放、渗透利用、中水利用、弃流、污染控制等几方面必须综合考虑，合理规划。如果雨水利用工程能在整个城市推广，将有利于改善北京的生态环境，缓解水资源短缺、地下水位下降、城区水涝等许多矛盾。雨水利用工程的综合效益较高，值得大力提倡和推广。

参考文献

　　1.北京市政设计院，给水排水设计手册（第五册/城市排水），中国建筑工业出版社，1986
　　2.北京市城乡建设委员会，北京市建设工程概算定额（市政工程/第三册/排水管道），1996
　　3.北京市城乡建设委员会，北京市建设工程概算定额（市政工程/第六册/室外管线、道路），1996
　　4.邬扬善，北京市中水设施的成本效益分析，给水排水，1996（4）