建筑小区的海绵化改造效益核算——以固原市玫瑰苑小区为例

樊超，孙学良

中规院(北京)规划设计公司

海绵城市是新时期现代城市雨洪管理的核心理念，是对传统城市建设模式、排水方式进行深刻反思的重要成果。海绵城市坚持保护优先、生态为本、自然循环、因地制宜、统筹推进的原则，实施源头减排、过程控制和系统治理，修复城市水生态，涵养水资源，增强城市防涝能力，最大限度地减少城市开发建设对自然和生态环境的影响，促进人与自然和谐发展[1]。2013年以来，国家相继出台《关于开展中央财政支持海绵城市建设试点工作的通知》《海绵城市建设绩效评价与考核(试行)》《关于推进海绵城市建设的指导意见》等相关政策文件，指导我国城市基础设施建设。从2015年起，我国开始以试点的形式部署海绵城市建设，全面落实海绵城市建设要求，系统解决城市水安全、水资源、水环境等问题。通过海绵城市建设，实施一系列工程和非工程措施，促进城市水循环过程与城市发展的良性互馈[2]。相对于传统排水系统，海绵措施能够更好地与其他基础设施相结合，从而达到较好的经济效益和美学效果，同时对于保持自然的水文特征，保护当地的生态环境具有积极作用[3]。当前我国的海绵城市建设仍存在一些问题，如海绵城市建设本应以保护生态系统为前提，而一些地方在城市建设过程中为了追求经济效益忽视了生态效益，使海绵化改造难以达到预期效果。由于海绵城市的建设是建立在技术与经济的可行性之上的，因此有必要对海绵城市建设的成本和效益开展研究[4]。在建设海绵城市之前，应对当地的生态、城建环境做基础性研究和观测，对拟改造场所的经济和生态效益进行分析，对不同效益的海绵方案进行比选，从而合理地设计和规划建设方案。

固原市位于宁夏回族自治区南部，黄土高原中西部，是古代丝绸之路东段北道必经之地。固原市积极推进海绵城市建设，并成功入选第二批国家海绵城市建设试点。固原市属于干旱地区，地下水匮乏，境内无足够水源。考虑到城市发展对水资源的需求量越来越大，雨水资源化利用成为缓解水资源不足的可行且有效途径。2017年以来，固原市全面推进低影响开发建设，加大雨水源头减排的刚性约束，推广海绵型建筑、海绵型道路、海绵型绿地等，以充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的收纳、蓄渗和缓释作用，通过完成重点片区项目的海绵化建设和改造，形成片区内项目的连片性，其海绵城市建设具有一定程度的可展示性和可复制性。建筑小区作为城市的重要单元，是海绵城市建设的重要着力点和突破点。笔者以固原市典型建筑小区——玫瑰苑的海绵化改造为例，对其雨水调控措施带来的经济效益和生态效益进行计算与分析，以期为推动海绵城市在城市开发建设中的发展和应用提供技术参考。

1 研究区概况及效益核算方法

1.1 玫瑰苑小区概况

玫瑰苑小区位于固原市西南新区，属于新建小区，是固原市建筑小区类的海绵城市建设项目之一。该小区总面积为52 502.00 m2，其中建筑屋面面积为8 883.25 m2，绿地面积23 377.00 m2，硬化面积20 241.75 m2(图1)。改造前该建筑小区主要采用传统建设材料，屋顶采用沥青屋面，人行道、广场采用不透水混凝土、大理石，小区内车行道路、停车场等采用混凝土、沥青等不透垫面，绿化则采用传统绿化方式。

图1 玫瑰苑小区改造前设施构造Fig.1 Structure of the facilities before the transformation of Rose Community

小区四周设有围墙，周边均为市政道路，无客水进入，地下管网完善，配套设施齐全，排水系统为雨污分流，雨水收集后通过地下管网汇入周边市政道路排水系统。小区地势南高北低，西高东低，中心区域设置有大型地下停车库，地下停车库上面覆土1.7 m左右，中心广场处有较大坡度微地形绿化，地下空间开发较大。小区内部空间充足，屋面雨水基本采用外排形式，且以散排至建筑周边绿地居多，雨落管断接改造难度较小，建筑周边可改造绿地空间充足。

1.2 海绵化改造前后雨水蓄积能力变化

1.2.1改造前后综合雨量径流系数

综合雨量径流系数(φ)是根据降雨量来推求径流厚度所用的雨量径流系数，可用于海绵城市设计中雨水径流总量的分析，如通过暴雨强度公式计算可收集的雨水量。海绵化改造后，雨水径流中部分雨水被收集，通过未被收集的雨水径流总量可求出海绵化改造后的综合雨量径流系数。

雨水设计流量(Q)计算公式：

Q=qφ1F

(1)

式中：q为暴雨强度，L/(s·hm2)；φ1为海绵化改造前汇水面积内综合雨量径流系数(任意时段内径流总量与降水总量的比值)，参考《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》[5]中表4-3进行加权平均计算；F为汇水面积，hm2。

固原市暴雨强度计算公式[6]：

(2)

式中：P为设计重现期，取2 a；t为设计降雨历时，min。t=t1+t2，其中t1为地面集水时间，取15 min；t2为管道内雨水流行时间，取13 min。

因玫瑰苑小区海绵化改造后，下垫面情况并未发生改变，根据固原市120 min短历时暴雨公式的降雨量以及实际调蓄容积计算海绵化改造后的综合雨量径流系数(φ2)[6-7]：

φ2=(Q-V)/Q

(3)

式中：V为调蓄容积，m3。

1.2.2调蓄容积

海绵城市雨水调蓄的主要目的是为了满足雨水利用的要求而设置雨水的暂存空间，待降雨停后将雨水加以净化和利用。调蓄容积根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》[5]推荐的容积法进行计算：

V=10Fφ1H1

(4)

式中：H1为设计控制降雨量，即年径流总量控制率目标对应的降雨量，mm。

1.3 经济与生态效益核算

1.3.1节约城市排水设施的费用

经过海绵化改造，玫瑰苑小区雨水可通过渗入地下、收集回用和调控排放3种途径进行消纳和收集[6]。通过低于周围地面适当深度的下沉式绿地、雨水花园等生物滞留设施，不仅使自身雨水不外排，同时周围不透水地面的雨水也能快速流入或通过植草沟的传输功能流入。通过对城市雨水径流的污染控制、利用或渗透处理，每年可以减少向市政管网排放雨水，减轻市政管网的压力，也减少市政管网的建设维护费用[8]。这部分收益计算公式为[9]：

A1=M1V1

(5)

式中：A1为节约城市排水设施的费用，元；M1为每m3水的管网运行费用，结合固原市当地指标，M1取0.08元/m3；V1为因海绵化建设所减少的雨水外排体积，m3。

V径流量=10FφH2

(6)

式中：H2为固原市年平均降雨量，466 mm。

则：

V1=V改造前径流量-V改造后径流量

=10(Fφ1H2-Fφ2H2)

(7)

1.3.2节约自来水的费用

雨水回收后，经过简单过滤的雨水以及生活污水主要用于绿化浇灌和道路浇洒，而下沉式绿地、雨水花园等设施作为一个大型的水处理再利用系统，经其处理的雨水不但可以用于绿化浇灌，而且可以为公共基础设施及小区住宅提供所需的中水，大大减少小区水资源的浪费[10]，收益可依照回用水量和自来水价格进行计算[9]。公式如下：

A2=M2V2

(8)

式中：A2为节约自来水的费用，元；M2为自来水价格，结合固原市当地指标，M2取1.70元/m3；V2为雨水的回用量，m3。

V2计算公式：

V2=FσH2

(9)

式中：σ为雨水资源利用率，%，根据项目设计取10%。

1.3.3节水产生的效益

实行全社会节约用水，有利于建立区域节水型社会体系，维护区域水环境系统的可持续发展。节水效益包括经济效益、社会效益以及环境效益。经济效益指节水对国民经济的贡献，社会效益指节水对社会发展目标的贡献与影响，环境效益指节水对环境目标的影响和贡献[11]。

节水的经济效益可按照目前由于缺水造成国家财政收入的损失计算。目前全国600多个城市日平均缺水1 000万m3，导致国家财政收入减少200亿元/a，相当于每缺水1 m3损失5.48元，即每节约1 m3水意味着创造了5.48元的收益[9]。节水产生的经济效益计算公式：

A3=M3V3

(10)

式中：A3为节水产生的经济效益，元；M3为每缺1 m3水造成的经济损失，取5.48元/m3；V3为节水量，m3。

1.3.4消除污染减少的社会损失

降雨初期10 min内屋面雨水的总氮(TN)、悬浮颗粒物(SS)与总磷(TP)浓度、化学需氧量(COD)均未达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准，因此屋面雨水利用时应弃流2 mm左右，降雨10～20 min的屋面雨水水质好转，经简单处理后可直接利用，降雨20 min以后则可直接回收利用。城市道路主要污染物为总悬浮颗粒物(TSS)和COD，其次为TP、重金属等[12-13]，降雨30 min内或3～5 mm径流为初期径流，其为道路雨水污染最严重的部分，后期雨水水质逐渐好转。在海绵化改造过程中，采用源头治理方案(如截污及过滤和沉降等)，可大大减少污染雨水排入水体的量，也减少了因雨水的污染而带来的水体环境的污染。因此根据海绵设施的蓄滞量计算排污量和因污染消除而减少的社会损失[14]，公式如下：

A4=αM4V4

(11)

式中：A4为消除污染而减少的社会损失，元；α为投入产出系数，据估算，消除污染每投入1元可减少环境资源损失3元，因此投入产出比为1∶3[15]，α取3；V4为排污量，m3；M4为排污费用，取1.5元/m3。

1.3.5回补地下水的效益

将雨水回补地下水，可充分保证地下水资源的安全利用[16]。实践经验表明：将符合水质要求的再生水补给到地下含水层中，可有效增加地下水资源的存储量，同时可以较好地利用含水层的储水空间，从而起到年度和年际的调节作用[17]。其效益可以依据增加的入渗补给系数和以地下水为水源的自来水实际价格计算[9]，公式如下：

A5=βM5V5

(12)

式中：A5为回补地下水的效益，元；β为降雨入渗地下水系数，取0.2；V5为雨水下渗量，m3；M5为地下水资源费用，元/m3。

1.3.6吸碳与释氧经济效益

植物可以通过光合作用吸收并转化二氧化碳，释放氧气，调节空气中的碳氧比例[18]。年吸碳量计算公式：

C碳=Q碳F1

(13)

式中：C碳为年吸碳量，t/a；Q碳为单位面积绿地年吸碳量，研究表明[19-20]，1 hm2绿地每年可吸碳2.9～4.1 t/(hm2·a)，Q碳取3.5 t/(hm2·a)；F1为因海绵建设增加的绿化面积，取玫瑰苑总绿化面积2.337 7 hm2。

释氧经济效益公式：

C氧=Q氧IF1

(14)

式中：C氧为年释氧经济效益，元/a；Q氧为单位面积绿地年释氧量，研究表明[18,21]，1 hm2绿地每年可释氧2.2～3.2 t/(hm2·a)，Q氯取2.7 t/(hm2·a)；I为工业制氧价格，取700元/t。

1.3.7吸收二氧化硫经济效益

绿色植物由于有较大的叶面积，对二氧化硫有较强的吸收能力。当二氧化硫被植物吸收后，可形成亚硫酸盐，然后被氧化成硫酸盐，变成对植物生长有用的营养物质。研究表明[22],1 hm2草坪每年可吸收二氧化硫21.7 kg/a，可减少二氧化硫损失11.8元/a; 每500株树木每年可吸收二氧化硫30.2 kg/a，可减少二氧化硫污染损失16.5元/a。

2 海绵化改造设计及主要建设内容

2.1 主要设计参数

2.1.1改造前综合雨量径流系数

根据玫瑰苑小区改造前各下垫面类型、面积，计算得到不同下垫面的综合雨量径流系数，并按加权平均的计算方法[19]，计算得到玫瑰苑小区海绵化改造前综合雨量径流系数为0.54，表示有54%的降雨量转化为径流量(表1)。由表1可知，该小区内部空间充足，绿地面积达23 377.00 m2，占比为44.5%；建筑周边可改造绿地空间充足，下沉式绿地改造难度不大；小区内集中绿地较易改造为集中的雨水处置空间。

表1 改造前玫瑰苑小区下垫面分析

2.1.2雨水调蓄容积

固原市年径流总量控制率对应设计降雨量关系见表2。由表2结合式(4)可知，按照固原市年平均降雨量为466 mm，年径流总量控制率为90%，对应的设计降雨量为22.6 mm，雨水资源利用率为10%[6]，计算出海绵化改造同雨水调蓄容积为640 m3。

表2 固原市年径流总量控制率对应设计降雨量关系[6]

2.2 海绵化改造总体思路与主要内容

2.2.1海绵化改造思路

针对玫瑰苑小区可改造绿地空间充足、硬质地面较多导致外排雨水量较大的特点，小区海绵化改造技术路线贯彻“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针。其中，渗透技术主要以改造硬质地面，增加下渗雨水量为主，主要措施包括透水铺装等；滞蓄技术主要以雨水的蓄存和利用为主，主要措施包括下沉式绿地、雨水花园等；净化技术主要是改善水质，对雨水进行源头处理，使其出水多直接排放或集中处理后回用，主要措施为植草沟、初期雨水截留和弃流设施等。小区内雨水径流组织如图2所示。由图2可知，降落至硬质路面的雨水可通过开口道牙流至绿地的低影响开发设施中进行蓄存，屋面雨水可通过雨落管流入雨水罐进行收集利用。

图2 玫瑰苑小区雨水径流组织Fig.2 Rainwater runoff organization chart of Rose Community

2.2.2海绵化改造主要内容

玫瑰苑小区海绵化改造主要包括排水系统改造，下沉式绿地、植草沟、雨水花园、雨水罐、蓄水池建造和透水铺装等措施。对小区路面铺装类型进行更换，采用透水铺装作为主要的渗透技术以增加下渗雨水量，辅助绿化吸水。改善地下的供水排水系统，根据小区地形，把排水系统融入到小区海绵化改造中，设置雨水排水管道，将多余的雨水蓄积起来，用于路边植物的灌溉和道路浇洒。在小区路边、广场和停车场等地，建造1 345 m2下沉式绿地和625 m2雨水花园等生物滞留设施作为主要的滞蓄设施。建设520 m2植草沟等净化措施进行土壤截留，净化雨水并控制污染。通过渗透管的利用改善小区的积水现象等，在雨水渗透管周围用砾石堆砌，使积水流入管内后排走。屋面雨水通过雨落管进入17个雨水罐进行收集，共可收集34 m3雨水。玫瑰苑小区海绵建设总投资为262.91万元，实际建设海绵设施情况如表3所示，海绵设施布局如图3所示。

表3 玫瑰苑小区海绵设施情况

3 海绵化改造效益

3.1 雨水调蓄效益

图3 玫瑰苑小区海绵化改造设施布局Fig.3 Schematic diagram of the sponge transformation of Rose Community

由式(2)得出固原市暴雨强度为55.7 L/(s·hm2)，雨水设计流量为158 L/s，根据固原市120 min短历时暴雨公式[6]得到一次的降水量为1 137.6 m3。小区海绵改造后下沉式绿地面积为1 345 m2，有效调蓄深度为20 mm，调蓄水量为269 m3；植草沟面积520 m2，有效调蓄深度20 mm，调蓄水量为104 m3；雨水花园面积为625 m2，有效调蓄深度为30 mm，调蓄水量为188 m3；雨水罐数量为17个，收集雨水量为34 m3；蓄水池调蓄容积为168 m3，则调蓄总容积为763 m3。由式(3)得出海绵化改造后综合雨量径流系数为0.33，表示有33%的降水量转化为径流量，与改造前的综合雨量径流系数(0.54)相比，有21%的雨水量被收集和蓄存。

3.2 经济效益

3.2.1节约城市排水设施的费用

海绵化改造前小区径流量为13 211.60 m3/a，改造后为8 073.75 m3/a，由式(6)得出因下沉式绿地、植草沟、雨水花园、雨水罐和蓄水池等海绵设施所减少的雨水排放量为5 137.85 m3/a，由式(5)得出节约城市排水设施的费用为411.03元/a。

3.2.2节约自来水的费用

由式(9)得出雨水回用量为2 446.59 m3/a，由式(8)得出节约自来水的费用为4 159.20元/a。

3.2.3节水产生的经济效益

因下沉式绿地、植草沟、雨水花园、雨水罐和蓄水池等海绵设施所减少的雨水排放体积为5 137.85 m3/a，由式(10)计算可得每年节水产生的经济效益为28 155.42元/a。

3.2.4消除污染减少的社会损失

下沉式绿地、植草沟、雨水花园、雨水罐和蓄水池等海绵设施具有净化雨水的功能，可有效实现径流污染等的控制目标，由式(11)计算得到该效益为23 120.33元/a。

3.2.5回补地下水的收益

本研究雨水下渗量为下沉式绿地蓄量减去蒸发量的差值加上透水铺装的下渗量。由于玫瑰苑小区有防渗土工布，海绵设施未回补地下水，暂且不计算回补地下水的收益。

3.3 生态效益

3.3.1吸碳与释氧经济效益

由式(13)可计算得到年吸碳量为8.18 t/a。若用木材吸收二氧化碳代替工厂回收二氧化碳制造干冰，二氧化碳以工业市场价格1 000元/t计算，则吸碳经济效益为8 180元/a。

由式(14)可计算得到年释氧量为6.31 t/a。如果用工业液化空气供氧，按市场价格1 600元/t计算，则释氧经济效益为10 096元/a。

3.3.2吸收二氧化硫经济效益

植物通常从土壤中摄取离子型的硫，也可以通过叶片吸收大气中的二氧化硫。玫瑰苑小区草坪绿化面积为2.337 7 hm2，则可吸收二氧化硫50.73 kg/a。

3.4 其他效益

3.4.1使用效益

城市绿地系统也是人们休闲娱乐的场所，它对于体力劳动者来说，可消除疲劳，恢复体力；对于脑力劳动者，可调剂生活，振奋精神，提高工作效率；对于儿童，可培养勇敢、活泼、伶俐的素质，并有益于健康成长；对于老年人，则可享受阳光空气，增进生机，延年益寿[23]。

3.4.2美学效益

园林是自然景观的提炼和再现，是人工艺术环境和生态环境的创造，是美化城市的重要手段。园林包括姿态美、色彩美、嗅觉美、意境美，使人感到亲切、自在、舒适，而不像硬建筑那样有约束力[24]。

3.4.3心理效益

植物对人类有着一定的心理功能。随着科学的发展，人们不断深化对这一功能的认识。德国科隆市市民把公园绿地称为“绿色医生”。绿色，象征着青春、活力与希望[25]。

3.4.4公益效益

园林的社会效益表现在满足日益增长的文化生活的需要，清洁优美的环境给人们以启示：珍惜和爱护环境，使人们随着环境的改变，培养良好的道德风尚。美的绿色环境可以陶冶情操，增长知识，消除疲劳，健康身心，激发人们对自然、对社会、对人际关系爱的情感。

3.4.5防洪效益

玫瑰苑小区海绵化改造后可减少雨水外排流量，削减洪峰，延迟洪峰出现的时间，提高小区防洪能力，避免或减轻小区的水灾损失。

4 结论

(1)根据“渗、滞、蓄、净、用、排”的改造思路，对玫瑰苑小区进行海绵化改造，包括更换小区路面铺装类型，改善地下的供水排水系统，建造下沉式绿地和雨水花园等生物滞留设施，建设土壤截留设施，设置屋面雨水罐收集雨水等。小区综合雨量径流系数由海绵化改造前的0.54降至0.33，表明有21%的雨水量被收集和蓄存。小区雨水径流量由改造前的13 211.60 m3/a降至8 073.75 m3/a。

(2)该小区海绵化改造后可在节约城市排水设施费用、自来水费用等方面产生良好效益，通过节约可产生直接经济效益约7.41万元/a(不计算绿化效益则为5.58万元/a)，按海绵设施有效期25 a计算，则可节约成本185.25万元(不计算绿化效益为139.50万元)。除了直接经济效益外，海绵化改造还有巨大的生态效益，可固碳8.18 t/a，释氧6.31 t/a，吸收二氧化硫50.73 kg/a。从长远角度考虑，海绵化改造不仅节约了成本，产生很大的经济效益，而且带来巨大的生态效益，值得推广。