中国城市化进程加快而产生的环境和水安全问题日益突出，一方面城市建设增加了大量不透水面积，使洪峰流量增大、汇水时间缩短，导致城市洪涝灾害、地下水位下降、生活水源污染等问题，另一方面增大了区域水资源需求，加剧了水资源紧张状态，因此高效合理开发利用城市水资源特别是雨水资源显得尤为重要。

建设海绵城市是高效合理利用城市雨水资源、缓解城市用水紧张状况的崭新模式，但由于雨水设施规模、组合方式及地理气候的差异，导致其建设的投资差异较大，对不同雨水设施的成本效益评估已经成为目前人们关注的问题。许多学者研究发现绿色屋顶、透水铺装、雨水花园和下沉式绿地等低影响开发(LID)设施具有削减洪峰流量、径流污染及径流量的效益^[1-8]，部分还有缓解热岛效应、净化空气等效益^[9]。在效益定量化计算方面，Abdullah等^[10]通过计算投资回收期和净现值对比花园式和简单式绿色屋顶的差异，Peng等^[11]计算了绿色屋顶与气候有关的6项效益，张书涵等^[12]计算了6个雨水利用示范区的经济效益，李俊奇等^[13]计算小区不同雨水利用方案的经济效益进行方案优选。不同雨水设施会发挥不同的功能作用，不仅会产生经济效益，还会产生环境效益和社会效益，这些效益指标中既有定性指标也有定量指标。目前的成本效益研究多为定性描述，缺乏定量评价，且多对工程的经济效益进行分析，对雨水利用最突出的环境及社会效益多做定性描述，效益定量化方法也有待进一步研究。

对雨水设施效益的定量及货币化计算十分有必要，具体的货币化数值能够调动投资者的积极性，推动雨水科学收集利用的深度和广度。同时能为决策者提供参考，促进鼓励政策的施行。随着雨水管理实践的推进，海绵小区作为其重要单元之一，在城市雨水管理中起着不可替代的作用，但有关小区尺度的效益定量计算分析较少。本文对海绵小区的雨水管理利用效益进行识别并对经济、环境、社会3大类共10项效益进行量化，选取试点城市宁夏固原作为实例进行效益计算分析，以期为海绵城市的建设推进提供参考。

1 城市海绵小区雨水利用

目前，中国建设用地的40%为居住小区^[14]，海绵小区建设是海绵城市建设的重要组成部分。运用海绵城市理念，统筹住宅小区规划与布局，使用绿色基础设施替代灰色基础设施或将二者结合使用，增加雨水的入渗、滞蓄、净化、利用，能够“弹性”应对环境变化和自然灾害。海绵小区常用的雨水技术措施有渗透技术、储存技术、调节技术、转输技术和截污净化技术，具体内容见表 1。

早期国内外住宅小区建设多采用灰色基础设施与硬化不透水铺装，相比之下绿地建设较少，粗放的建设不能满足人们随生活水平提高的居住环境需求，因此海绵小区的改建受到大家的欢迎，加入低影响开发LID(low impact development)设施元素的住宅小区开始推广并走入大众的生活。

国外代表性的海绵小区有美国西雅图High Point居住区、德国Waldsteige West住宅区、德国Am Rosensee住宅区、高贝尔综合小区、卡米耶克洛岱尔生态小区等。High Point住宅区位于美国华盛顿州西雅图Delridge区内，为容纳多阶层的混合式居住区，占地面积49 hm²，是LID在住宅应用的成功案例之一。该住宅区毗邻朗费罗河流域，由于住宅区污染物排入河流会造成污染因此在2003年重建，其设计综合运用了多种雨洪管理设施，如调蓄水池、植草沟、雨水花园、渗透沟等，并将其与风景园林结合营造出了一个舒适、生态、优美的住宅环境，该住宅区LID的成功实践不仅解决了环境资源问题，同时也是景观与园林工程结合的典范。

国内代表性的海绵小区有北京市顺义区东方太阳城老年住宅区、嘉兴烟雨小区、北京市海淀区海淀塔院小区、北京市通州区紫金雅园小区等。北京市顺义区东方太阳城老年住宅区位于北京市顺义区潮白河的西岸，占地面积234 hm²，为自然生态、布局合理的低影响开发(LID)雨水系统建设项目。由于住宅区存在地势低、无市政雨污水管线、中心景观水体富营养化等问题，因此加入LID元素进行改建，雨洪管理设施包括雨水湿地、雨水花园、植草沟、多功能调蓄水体、初期雨水弃流设施等，通过生态堤岸、人工土壤渗滤和中水湿地循环净化来改善中心景观水体^[15]。该项目不仅提高了小区的防洪排涝能力而且提升了入湖水质，是经受住北京2011年“6·23”和2012年“7·21”等暴雨事件考验的成功LID住宅区改造。

2 城市海绵小区雨水利用效益

城市海绵小区雨水利用效益可分为经济效益、环境效益和社会效益，其中经济效益主要包括：节约自来水收益、回补地下水收益、节水增加的国家财政收入、节省城市排水设施的运行费用、降低城市河湖改扩建费用、减少土方回填费用、物质生产收益、节省引水费用、减轻污染而减少的社会损失、降低内涝损失等；环境效益主要包括：减少地面沉降的经济损失、固碳制氧效益、改善城市热岛效益、净化空气效益、防洪排涝效益、调蓄雨水效益、提供生境效益、降噪效益、保持生物多样性效益、滞尘效益、保护土壤效益等；社会效益包括：增加旅游收入、拉动经济发展、景观娱乐、促进周边房地产升值、提供工作岗位等。效益计算参考水利经济及资源环境经济学等方法，可以采用水量平衡法、替代工程法、影子工程法、市场价值法、碳税法、造林成本法、效益转移法等一种或多种方法。

2.1 经济效益 2.1.1 雨水资源利用收益

海绵城市雨水设施能够蓄集并回用雨水，回用雨水与中水用途相似，采用市场价格法计算该收益。

$ {B}_{水资源} = V_{利用} \times P_{中水} $

(1)

式中：V_利用为雨水年利用量(m³)；P_中水为当地中水的价格(元/m³)，查询固原市水务局网站得固原市中水价格为1.2元/m³。

2.1.2 节省城市排水设施的运行费用

雨水收集利用或者入渗后，可以减少向市政管网排放的雨水量，减轻市政管网的压力，从而节省市政管网的维护费用。

$ B_{削减} = \theta \times D \times {R_V} \times A \times P $

(2)

式中：θ为径流系数；D为年均降水量(mm)；R_V为年均径流量削减率；A为汇水面积(m²)；P为管网运行及水处理费用，取污水厂处理设施运行费用的三分之一，参考2008年西部地区污水厂处理设施运行费用1.05元/m^3[16]，调算至2018年为2.33元/m³，因此单方水的管网运行费用为0.78元/m³。小区径流总量控制率按照《固原市海绵城市建设系统化方案》取为90%，对应降雨量为22.6 mm。固原市居民生活用水污水处理费为0.70元/m³，非居民生活用水污水处理费为1.00元/m³，取二者平均值0.85元/m³，因此管网运行及水处理费用P为1.63元/m³。

2.1.3 减轻污染而减少的社会损失

雨水措施的建设减少了污染雨水排入水体，也减少了因此产生的水体污染，采用市场价值法计算。

$ B_{消除污染} = \frac{1}{\alpha } \times P_{污} \times V_{排}\\V_{排} = \theta \times D \times {R_V} \times A $

(3)

式中：P_污为污水处理费用，可用排污费用来替代，为1.05元/m^3[16]；α为环境治理的投入产出比，投入1元可消除3元环境污染，因此投入产出比为1:3；V_排为排水量，即减少排放的雨水量(m³)。θ为径流系数；D为年均降水量(mm)；R_V为年均径流量削减率；A为汇水面积(m²)。

2.2 环境效益 2.2.1 调蓄径流效益

LID设施对雨水能够起到调蓄作用，与水库调蓄洪水的作用相似，采用影子工程法计算。

$ B_{调蓄} =P_{库} \times V_{调} $

(4)

式中：V_调为调蓄的雨水量(m³)；P_库为每1 m³库容需要的年投入成本，取0.67元/m^3[17]。

2.2.2 固碳释氧效益

植物能够通过光合作用吸收CO₂并释放O₂。吸收CO₂效益能够通过碳税法及绿地成本法进行计算，释放O₂效益能够通过工业制氧法和绿地成本法进行计算。

$ \begin{array}{l} B_{吸碳} = V_{碳} \times P_{碳} \times S_{绿}\\ B_{制氧} = V_{氧} \times P_{工} \times S_{绿} \end{array} $

(5)

式中：V_碳为林草地吸碳量〔t/(a·hm²)〕，每hm²绿地每年净吸收二氧化碳16 t；P_碳为碳税率，取1 023元/t；S_绿为绿地面积(hm²)；V_氧为林草地释氧量〔t/(a·hm²)〕，每hm²绿地每年释放氧气取12 t；P_工为工业氧批发价，取400元/t^[18-19]。

2.2.3 净化空气效益

绿色植物具有净化空气的功能，能够吸收空气中的粉尘，SO₂，氟化物，氮氧化物等，采用直接市场法进行计算。

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{B_{{吸收}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} = S_{绿} \times {Q_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} \times {F_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}}}\\ {B_{滞尘} = S_{绿} \times {Q_d} \times F_{治理}} \end{array} $

(6)

式中：Q_SO2为单位面积植被吸收二氧化硫的量，取140.62 kg/hm²；F_SO2为二氧化硫排污权价格，取600元/t；Q_d为单位面积植被滞尘降尘的量，取10.90 t/(hm²·a)；F_治理为消减尘土的治理成本，取1.50元/t^[18]；S_绿表示绿地面积(hm²)。

2.2.4 降噪效益

LID设施的建设能够增加城市的植物量，从而增加吸附声波的表面，因此能降低噪声对城市居民的影响，参考陈龙等^[19]采用影子工程法计算出绿地降噪价值156 033元/(hm²·a)。

2.2.5 维持生物多样性效益

由于LID设施建设能够为野生动物提供更多的生活栖息环境，所以可以起到保护生物多样性的功能，参考谢高地等^[20]采用当量因子法计算出草地生态系统维持生物多样性价值839.82元/(hm²·a)。

2.3 社会效益 2.3.1 提供美学景观效益

海绵城市建设能够改善城市水循环从而改善城市生态，林草地生态环境和水系生态环境增加为野生动物提供更多的生活栖息环境，采用效益转移法计算，参考谢高地等^[20]采用当量因子法计算出的草地生态系统提供美学景观价值390.72元/(hm²·a)。

2.3.2 文化教育价值

海绵城市LID设施的应用能够增强人们的节水意识，有利于国家的可持续发展战略，采用效益转移法计算，生态系统的平均文化科研价值参考中国湿地生态系统单位面积的平均文化科研价值取为382元/hm^2[21]。

3 实例计算 3.1 研究区概况

本文选取宁夏固原市西南新区的海绵小区作为研究对象。固原市为国家财政部、住建部、水利部在全国开展的第二批全国海绵城市建设试点城市。固原市位于宁夏回族自治区南部，黄土高原中西部，市域总面积1.05×10⁴ km²，市区面积为45 km²。属于黄土高原暖温半干旱气候区，是典型的大陆性气候，平均气温为6.7~8.8 ℃，多年平均降水量为466 mm，各县(区)日照时数为2 056.9~2 384.4 h，土壤为非自重至自重湿陷性黄土，海绵设施选择本地植物种植。海绵示范区主要有4个建设区域：西南新区、老城区、饮马河区、清水河。

西南新区海绵城市建设是以低影响开发(LID)理念引领的城市建设，包括透水路面、下沉式绿地、植草沟、雨水罐、雨水花园等。海绵小区包括玫瑰苑、福满苑、裕丰苑、丁香苑、荷花园和祥和苑，雨水设施主要包括雨水罐、植草沟、雨水花园、下沉式绿地、蓄水池以及展示标牌系统等。

3.2 雨水调蓄工程方案

西南新区住宅小区雨水改造系统工艺流程如图 1所示。屋面雨水由屋面排水雨落管先进入雨水罐进行存储，溢流的雨水进入植草沟后经排空管进入雨水花园，植草沟内的径流则进入下沉式绿地，后经雨水管网流入蓄水池内用于人工浇灌，溢流的雨水排入市政管网。由于小区位于非自重湿陷性黄土地区，因此雨水系统都采取防渗措施。

3.3 效益计算 3.3.1 雨水措施规模

本文研究海绵小区包括玫瑰苑、福满苑、裕丰苑、丁香苑、荷花园和祥和苑，其雨水设施主要为植草沟、雨水花园、下沉式绿地、雨水罐(容积均为1 m³)和蓄水池，各小区海绵设施工程量见表 2。

3.3.2 计算结果

结合固原市西南新区6个海绵小区的实际情况，按照前述效益计算方法并结合固原市实际参数计算出雨水花园、下沉式绿地、植草沟的效益，包括节省城市排水设施的运行费用、减轻污染而减少的社会损失、固碳释氧、净化空气、降噪、维持生物多样性、提供美学景观和文化教育，雨水罐和蓄水池的效益包括调蓄径流和雨水资源利用。

固原市西南新区6个海绵小区雨水设施的3类效益计算结果为：①经济效益中，节省城市排水设施的运行费用为1.25×10⁴元/a; 消除污染而减少的社会损失为2.41×10⁴元/a; 雨水资源利用效益为2.99×10⁴元/a; ②环境效益中，固碳释氧效益为2.44×10⁴元/a；净化空气效益为2 000元/a；降噪效益为1.80×10⁵元/a；维持生物多样性效益为1 000元/a；调蓄径流效益为1.67×10⁴元/a；③社会效益中，文化教育、提供美学景观效益均为400元/a。

固原市西南新区6个海绵小区各类雨水设施的效益计算结果为：雨水花园为1.03×10⁵元/a；下沉式绿地为7.99×10⁴元/a；植草沟为6.15×10⁴元/a；雨水罐为1.75×10⁴元/a；蓄水池为2.91×10⁴元/a。固原市西南新区6个海绵小区的效益及设施面积占小区总面积比例分别为：玫瑰苑3.87×10⁴元/a，3.41%；福满苑5.62×10⁴元/a，2.02%；裕丰苑3.32×10⁴元/a，1.29%；丁香苑5.29×10⁴元/a，4.76%；荷花苑7.05×10⁴元/a，5.40%；祥和苑3.97×10⁴元/a，3.07%(设施面积占小区总面积比=雨水设施面积/小区总面积)。固原市6个海绵小区的总效益为2.91×10⁵元/a，其中经济效益为6.65×10⁴元/a，环境效益为2.24×10⁵元/a，社会效益为800元/a，3种效益比例为22.84%, 76.89%和0.27%，海绵小区的环境效益占有很大比重，可见海绵小区的建设能产生较好的环境效益。由计算结果可见，雨水设施产生的效益中：降噪>雨水资源利用>固碳释氧>减轻污染而减少的社会损失>调蓄径流>节省城市排水设施的运行费用>净化空气>维持生物多样性>提供美学景观=文化教育，环境效益在排序中靠前，进一步说明固原市海绵小区产生较好的环境气候收益。计算得各雨水设施及小区产生的效益不同并存在较大差异，对小区效益进行排序发现其与雨水设施面积占小区总面积比排序大致相同，增加雨水设施的面积能够增加效益。

3.4 效益费用分析

参考水利建设项目经济评价，本文选择国民经济评价中的经济效益费用比来分析雨水设施的成本效益。

3.4.1 成本计算参数

对于雨水设施的成本计算，由于试点区部分小区还在建设中，因此参考《海绵城市建设技术指南(2014)》中低影响开发单项设施单价估算表，即下沉式绿地为40~50元/m³, 生物滞留设施为150~800元/m³, 植草沟为30~200元/m³，考虑到准确性本文取其平均值进行计算，即下沉式绿地为45元/m³, 雨水花园为475元/m³, 植草沟为115元/m³，植草沟、下沉式绿地和雨水花园的运行费用分别取为建造费用的2.5%和6%^[22]。

3.4.2 成本效益分析

效益费用比(benefit-cost ratio，BCR)是建设项目在计算期内效益流量的现值与费用流量现值的比率。为比较分析不同设施的成本效益，取植草沟、下沉式绿地和雨水花园生命周期的最小公倍数进行全生命周期的成本效益分析，查阅文献取为30 a^[23]，由于生命周期较长，考虑资金的时间价值进行动态效益费用分析，按折现率7%^[24]进行计算，计算结果见表 3。

由表 3可知，下沉式绿地的静态、动态效益费用比均最大，可获得较好的综合效益，雨水花园的比值均最小，且动态效益费用比较低，考虑雨水花园造价较高，分别约为下沉式绿地和植草沟的10倍和4倍，因此效益费用比较低，海绵小区规划时可考虑增多植草沟和下沉式绿地。总体看来，固原市海绵小区能产生较好的经济、环境和社会效益。

4 讨论与结论

海绵小区雨水利用包括渗透、储存、调节、转输、截污净化技术，能产生经济、环境和社会效益，本文以第二批试点城市宁夏回族自治区固原市西南新区海绵小区为实例，采用水量平衡法、替代工程法、影子工程法、市场价值法、碳税法、造林成本法等定量计算了海绵小区产生的雨水资源利用、固碳释氧、降噪、调蓄径流、文化教育等经济、环境和社会3大类共10项效益，并采用效益费用比进行静态及动态成本效益分析，表明固原市海绵小区具有良好的效益。

第二批试点城市宁夏回族自治区固原市西南新区玫瑰苑、福满苑、裕丰苑、丁香苑、荷花园和祥和苑雨水措施的总效益为2.91×10⁵元/年，其中雨水花园的效益为1.03×10⁵元/a，下沉式绿地的效益为7.99×10⁴元/a，植草沟的效益为6.15×10⁴元/a，这3种雨水设施均能产生较好的效益，其中雨水花园效益最佳。效益费用比成本效益分析结果表明，植草沟、下沉式绿地及雨水花园的静态及动态效益费用比均较好，具有良好的投资效益，其中植草沟和下沉式绿地的投资效益优于雨水花园。固原市6个海绵小区雨水设施的经济、环境和社会效益占比为22.84%, 76.89%和0.27%，海绵小区建设会对环境产生较大的影响。固原市海绵小区环境效益占比较高而经济和社会效益占比较低，这和宁夏固原的区位特性有关，因处于非自重湿陷性黄土地区，故雨水设施都采取防渗并将蓄水池和雨水罐溢流的雨水通过小区雨水管网排入市政雨水管网，因此缺乏对地下水及水资源利用方面的效益；同时，由于小区未采用屋顶绿化和透水铺装，二者产生的节水、节电、减轻污染及固碳释氧等效益均未计算在内。

相较于李晨等^[25]对北京某海绵社区的效益计算成果，固原市海绵小区效益较低，一方面是因为该试点区域的地理区位及城市特性，较少的降雨量、较大的蒸发量及湿陷性土地因素都使可回用雨水量较少，雨水设施类型及数量也少于北京市海绵社区；另一方面固原市经济发展水平较低，相关计算参数较北京低，因此产生的效益低于北京市海绵社区。对于小区尺度的海绵城市效益计算相关数据及案例均较少，本文部分参数参考相似地区进行效益计算，因此可能存在差异，需要在今后的工作中加强地域差异性的研究。对社会效益多采用定性描述而缺乏定量化的方法，对其货币化较为困难，因此社会效益指标选取及量化方法有待进一步补充。之后的研究可考虑将效益计算与绩效考核方法相结合，以指导雨水设施的组合优化，进一步完善海绵城市体系的建设。