城市雨水经济利用分析

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1城市雨水处置与利用方案

雨水处置与利用方案有多种。除传统的直接排放方案外,还可以根据当地条件和用水要求设计为渗透、中水利用或几种方式的组合。以下为北京某新建小区雨水处置与利用的4种设计方案。该小区位于北京东南部,占地总面积29320m2,其中:建筑占地5925m2;道路与停车场8995m2;绿地14400m2;三者的占地比例分别为20•2%,30•7%,49•1%。小区地势平坦,土壤渗透系数为5×10-5m/s,地下水位在-12m左右,适于进行雨水渗透。另外,小区内建筑主要为3~4层的高级寓所,且均为瓦质屋面,屋面雨水水质较好且便于收集,可考虑将屋面雨水单独收集作为中水补充水源。

1•1方案一直接排放

方案一按传统的雨水直接排放方案。采用钢筋混凝土圆管,设计重现期P=1a。根据条件,可设计较多的低绿地和渗透地面。

1•2方案二渗透管渗透+排放

在方案一的基础上,将非渗透雨水管改为渗透管或穿孔管,周围回填砾石。渗透管沟兼有渗透和排放两种功能。为保证防洪能力不减少,中心穿孔管仍采用与方案一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)按照文献[1]推荐使用的图解法进行设计,设计重现期P=0•33a。此例中心管采用钢筋混凝土穿孔管,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≥5×10-4m/s,厚度≥3mm),以保证渗透顺利,同时防止土粒进入渗透管沟发生堵塞。该方案充分利用中心管和周围砾石的空隙体积作为渗透利用的有效存贮空间,占地面积小,设计简单,方便施工,费用增加不多,安全性和效益均较高,适合旧小区原有管系的改造。除在雨水口上设置截污装置以外,没有其它特殊设备,管理较容易。根据路面和雨水水质状况,起始段检查井可设计成截污井。工程实施时还可将雨水口、连接管、检查井均建成渗透装置,以增大渗透储存空间。该方案采用了多种渗透设施,屋面雨水先流经高位花坛进行渗透净化,再与道路雨水一起通过低绿地,通过截污装置后流入渗透浅沟;雨量较大时,雨水沿着浅沟进入渗透渠继续下渗;超过渗透能力的雨水再排入市政管网。

1.3研究结果表明,人工拌和土较天然土对屋面初期雨水有更好的净化作用。故本方案在建筑物周围设置高位花坛,花坛中填入渗透性能好、净化能力强的人工拌和土[3],将屋面雨水接入,作为雨水净化装置,提高系统安全性。高位花坛的尺寸可按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。渗透渠与渗透浅沟仍按图解法进行计算,设计重现期P=0•5a。渗透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。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直接排放方案时选用的设计重现期。小区中所有路面均高于绿地约60mm,保证道路雨水先进入绿地进行渗透处理。该方案渗透装置埋深较浅,有利于增大渗透储存空间,方便施工,减少投资。小区雨水水质较好,未设初期弃流装置,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。易于清堵,便于管理。

1•4方案四中水利用+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。中水收集及处理流程为:屋面雨水→初期弃流装置→贮水池→加药、接触过滤→消毒→中水池→利用。道路雨水进入低绿地或渗透浅沟进行渗透,多余雨水溢流排至市政雨水管道。根据研究结果,雨水初期弃流装置容积按汇水面积乘以2mm降雨量设计[4]。贮水池的有效容积按雨水调节池的设计方法计算,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,利用贮水池的顶板作为中水池的底板,且与小区内水景设计相结合,选用石砌池壁敞口水池。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,直接利用水量比例加大。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。

2技术经济分析

2•1基建投资

基建投资包括土建投资和管道设备部分投资。按1996年北京市建设工程概算定额进行计算,各方案雨水利用总量与工程造价。结果表明:方案二、三、四的工程造价分别较方案一高10•49万元、12•23万元、82•12万元,较之多渗透(或多利用)雨水量分别为4693m3,6435m3,7128m3。事实上,无论采用哪种方案,雨水收集排放均不可少。若以单位渗透与直接利用雨水工程造价来计,则方案三所需费用最低,仅为26•63元/m3,是方案一的81•6%;其次是方案二,为28•88元/m3,是方案一的88•5%。故方案三与方案二均优于方案一。

2•2运行成本

2•2•1渗透系统运行成本

以方案三为例,工程建成后,该小区平均每年处置的总水量为17445m3(未计损失),工程造价为38•87万元,假定折旧期为30a,每年折旧费为38•87/30=1•294万元。按静态分析每单位水量分摊费用为1•294×104/17445=0•74元。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,则方案三每m3渗透水量运行成本为0•21元。两项合计,方案三渗透系统运行成本为0•95元/m3。

2•2•2中水系统运行成本中水运行成本的影响因素较多,与处理规模、实际水量、设备自动化程度、管理水平、日常维修等因素有关。根据北京市中水设施运行调查结果,若不考虑折旧费可使中水系统运行费降到0•75元/m3以下[5]。

2•3方案对比评价

雨水利用的效益是多方面的,更多地表现为社会效益、环境效益等间接效益。故应以国民经济评价为主。下面以方案三为例,求算方案三与方案一的差额投资经济内部收益率。

2•3•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,每年较方案一多渗透补充地下水14559-8164=6435m3,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%=3218m3。以北京市2001年初每m3地下水源自来水实际价格0•4元计,则每m3渗透水转化为自来水的成本为0•95+0•4=1•35元,而地表水源自来水每m3实际价格1•60元,每m3水可节约1•60-1•35=0•25元。所以该小区每年可节省的费用为3218×0•25=805元。若考虑远距离引水(如南水北调)及用水超标加价收费和罚款,则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。这一部分收入可按目前国家由于缺水造成的国家财政收入的损失计算。据了解,目前全国600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[5],相当于每缺水1m3,要损失5•48元,即节约1m3水意味着创造了5•48元的收益。方案三较方案一每年节水3218m3,可产生收益3218×5•48=17635元。

(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[5],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污染。方案三较方案一减少排放雨水9281-2846=6435m3,以北京市2001年初排污费0•4元/m3作为消除污染需投入的费用,则每年因消除污染而减少的社会损失为3×0•4×6435=7722元。

(4)节省城市排水设施的运行费用。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,也减少市政管网的维护费用。每m3水的管网运行费用为0•08元[5],则方案三较方案一每年可节省城市排水设施的运行费用为6435×0•08=515元。四项合计,方案三每年较方案一多收益805+17635+7722+515=26677元。

2•3•2差额投资经济内部收益率

方案三较方案一的工程造价高38•87-26•64=12•23万元,每年运行费用多投入3000元。以寿命期30a计,则其差额投资经济内部收益率为19•2%,高于目前我国社会折现率12%,故方案三优于方案一。同样方法可算出方案二与方案一的差额投资经济内部收益率为15•5%,优于方案一。方案四与方案一的差额投资经济内部收益率小于12%,方案一优于方案四。

2•4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。在计算中,对各方案的防洪减灾、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根据具体情况进行分析。

3结束语

城市雨水利用有多种形式。主要包括渗透与中水利用。它们均具有较好的环境、社会等综合效益,其中渗透方案最为明显,值得大力提倡和推广。对旧城区改造,渗透管方案较适宜;对新建工程,“高花坛+低绿地+浅沟、渗透渠渗透”方案最好。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。实施时应综合考虑雨水排放、渗透利用、中水利用、弃流、污染控制等几方面,根据具体情况进行合理规划。