北京市城市雨水利用的成本效益分析

第31卷第8期2009年8月2009，31（8）：1295-1302ResourcesScienceVol.31，No.8Aug.，2009收稿日期：2008-11-25；修订日期：2009-06-17基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目：“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用—城市二元水循环系统演化与安全高效用水机制”（编号：2006CB403407）。作者简介：左建兵，男，河北衡水人，博士生，工程师，主要从事城市水文水资源方面的研究。E-mail:[e-mail]文章编号：1007-7588（2009）08-1295-08北京市城市雨水利用的成本效益分析左建兵1,2，刘昌明1，郑红星1（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院研究生院，北京100049）摘要：科学、合理、高效地利用雨水资源，不仅可以缓解城市缺水状况，而且能够涵养与保护水资源、控制城市水土流失和内涝，减少水污染和改善城市生态环境等。目前世界上很多城市都开展了雨水利用方面的研究。如何科学的评价雨水利用的成本效益是城市雨水利用研究的热点。本文根据城市水文学原理和经济学原理建立了城市雨水利用成本效益分析模型，对北京市2007年267项雨水利用工程进行了分析。结果表明：①北京市雨水利用效益指数α达到了2.3，综合效益非常显著；②根据α的值，将全市分为4个区：①雨水利用无效益区（α1.0），包括朝阳区、西城区、东城区和丰台区，占22.2%；②雨水利用低效益区（1.0≤α≤1.5），包括通州区、平谷区、石景山，占16.7%；③雨水利用利用效益区（1.5α3.0），共包括9个区县，占50.0%；④雨水利用利用高效益区（α≥3.0），共包括2个区县，占11.1%；③从α的空间分布来看，北京市城区的效益指数总体上小于郊区，α与各区县面积呈较好的正相关关系（r=0.65，R2=0.432），这主要是由于城区雨水利用的空间相对郊区来说受到的限制较多，可选择的雨水利用方式比较单一，多以小型的蓄水池和透水地面为主。关键词：城市雨水利用；成本效益分析；空间分布；北京市1引言科学、合理、高效地利用雨水资源，不仅可以缓解城市缺水状况，而且能够涵养与保护水资源、控制城市水土流失与水涝、减少水污染和改善城市生态环境等。目前，世界上很多城市开展了雨水利用研究，如柏林、斯图加特、伦敦、东京[1]、印度Roorkee市[2]、瑞典的Norrköping[3]等，利用方式包括冲厕[4]、绿化、洗车、景观等。因此，实施城市雨水综合利用已经成为人们的普遍共识。然而，由于城市雨水利用的空间位置、利用方式、利用规模等不同，投资差异加大，如何科学的评估城市雨水利用的成本与效益，已经成为人们面临的重要课题。在传统水资源发生短缺无法满足城市需要的情况下，从成本上来看优先考虑的是雨水[5]。目前，城市雨水利用研究多集中在工程技术领域，涉及蓄水池设计[6]、雨水利用选址[7]、节水率分析[8]、典型案例分析等，综合的经济评价研究较少。成本效益分析（Cost-BenefitAnalysis，CBA）常被政策分析家用来评估一项公共投资是否符合经济效率的要求，也即从社会是一个整体的观点，来考虑、比较所有与计划相关的成本和效益，最后获得一个净效益最大化的计划供政府决策参考[9]。成本效益分析方法的概念首次出现在19世纪法国经济学家朱乐斯·帕帕特的著作中，被定义为“社会的改良”。其后，这一概念被意大利经济学家帕累托重新界定。到1940年，美国经济学家尼古拉斯·卡尔德和约翰·希克斯对前人的理论加以提炼，形成了“成本—效益”分析的理论基础，即卡尔德——希克斯准则，也就是在这一时期，“成本—效益”分析开始渗透到政府活动中，如1939年美国的洪水控制法案和田纳西州泰里克大坝的预算。1982年2月，美国政府发布命令要求任何重大管理行动都要执行成本效益分析，这标志着经济分析有可能进入国家政策的决策过程。目前，成本效益分析在实践方面都得到了迅速发展，被世界各国广泛采用。从我国城市雨水利用的实践上来看，对雨水利第31卷第8期资源科学用的成本效益分析多为定性描述，缺乏定量分析和评价，一方面是由于我国城市雨水利用的规模小、程度低，另一方面，我国缺乏统一的评价指标体系。因此，运用经济学原理，采用成本效益分析方法对城市雨水利用项目进行评价非常必要，同时也有利于推动雨水的科学收集利用。本文提出了城市雨水利用成本效益分析框架，以北京市2007年267项雨水利用工程为例，进行了具体分析，为城市雨水利用的管理决策提供科学的依据。2研究过程与方法2.1成本分析与计算方法[10]雨水利用工程的成本包括固定资产投资和年运营成本两部分。其中固定资产投资包括土建工程费用（含构筑物和管道等）、设备及安装工程费和其他工程费等C0；运营成本包括动力费C1、药剂消耗费C2、维护管理费及其他C3和折旧费C4。具体计算公式为：C1=N·T·d（1）式中N为全部电机实际功率和其他耗电量之和（KW）；T为全年电机工作时间（h）；d为电费单价（元/kWh）。通常只计算水泵电费，其他照明用电设备，由于所占比例甚小，可以忽略不计。C2=Q（a1b1+a2b2+…）×0.000001（2）式中Q为处理雨水量（m3/a）；a1，a2为化学药剂（如絮凝剂、消毒剂等）的平均加注量（mg/L）；b1，b2为化学药剂的单价（元/t）。C3一般根据雨水利用工程的实际使用情况分析确定，包括污泥处置、水质分析、消耗材料等。缺少资料的按照总投资额的2%～3%估算。C4按照平均年限法进行计算，具体公式如下：C4=I·r其中r=（1-e）/n×100%（3）式中r为年折旧率；e寿命终了时残余价值率（%）；n为折旧年限（参见表1）；I为雨水利用工程固定资产原值（元）。按照国家规定，城市公用事业单位固定资产报废时的净残值为4%。因此，总成本为：C=C0+C1+C2+C3+C4（4）2.2效益分析与计算方法经济学家将资源的全部经济价值分解为4个主要部分：直接使用价值、间接使用价值、选择价值和存在价值[11]。为此可以把城市雨水利用效益划分为直接使用价值、间接使用价值、选择价值和存在价值4类。因此，城市雨水利用效益应主要包括下列7个方面：节约自来水的收益（B1），回补地下水的收益（B2），节水增加的国家财政收入（B3），消除污染排放而减少的社会损失（B4），节省城市排水系统设施的运行费用（B5），雨水利用提高防洪标准而降低城市河湖改扩建费用（B6），减少地面沉降的经济损失（B7）。具体的计算方法为：（5）式中B表示雨水利用工程总收益（元）；Bi表示第i个雨水利用效益（元）；ptap表示自来水水价（元/m3），北京市目前是2004年调整后的水价，综合水价为5.04（元/m3）；Vr表示蓄水池雨水收集量（m3）；pgnd表示地下水水价（元/m3），目前北京市地下水水价为2.00（元/m3）；Vb表示雨水回补地下的水量（m3），数值上等于透水性地面和下凹式绿地雨水利用量；ps表示每缺水1m3所造成的经济损失（元/m3），由于水资源系统的复杂性以及它和经济系统各部门之间的复杂联系，精确计算缺水所造成的经济损失比较困难，韩宇平和阮本清[12]利用水资源投入产出宏观经济模型，对水资源的影子价格进行分析计算，在此基础上得到水资源短缺的经济损失，研究结果表明考虑南水北调的情况下，2010年北京市缺水为1.62×108m3，缺水造成的经济损失的期望值达23.84×108元，据此计算北京市每缺水1m3所造成的经济损失为14.70（元/m3）；Vs表示节水量（m3），包括直接利用量和间接利用量；α表示环境治理的投入产出比，据分析，为消除污染每投入1元可以减少环境损失3元，即投入产出比为1∶3，α=0.33；pcs表示污水处理费用（元/m3），此处可以用排污费用来替代，按照北京市排污费征收标准，居民排污费为0.9元/表1雨水利用工程主要资产折旧年限参考值Table1Referencevaluesofrainwaterharvestingprojectfixedassets’depreciablelife（年）项目名称雨水沉淀池雨水回用清水池管道其他构筑物年限20303030项目名称水泵电器设备自动化控制设备年限20181012962009年8月左建兵等：北京市城市雨水利用的成本效益分析，其他用户排污费为1.5元/m3，平均为1.2元/m3；Vu表示排水量（m3），据统计，城市用水耗水量约为供水量的20%，因此Vu数值上等于蓄水池雨水收集量乘以80%；pn表示单方水的管网运行费用（元/m3），据分析，雨水利用可以减少雨水向管网排放量，减轻市政管网的压力，1m3水的管网运行费用约为0.08元/m3；F表示由于雨水利用所减少的防洪费用（元/m2），根据《北京市征收防洪工程建设维护管理费暂行规定（1994）》，将防洪费征取额度分为20元/m2和2元/m2两档，以实际的占地面积收取，本文采用二者的平均值11.0元/m2；S表示雨水利用的集雨面积（m2）；pgs表示地面沉降1mm所造成的经济损失（元/mm），据测算，上海市地面每沉降1mm，就会造成经济损失1000×104元，考虑北京市与上海的社会经济条件的相似性，此处采用此值进行估算；h表示地面沉降量（mm）。2.3雨水利用量计算方法封闭式蓄水池、敞开式蓄水池、人工湖和渗透井的雨水可利用量，按照推求的公式（6）进行计算。（6）式中Vr表示封闭式蓄水池、敞开式蓄水池、人工湖和渗透井的雨水可利用量（m3）；V表示蓄水池或渗透井容积（m3）；α表示初期雨水弃流系数，根据径流表面和径流水质污染情况等综合确定，根据北京市雨水利用的实际，取值为0.85；φ表示径流系数。透水地面的雨水利用量计算公式为：Vk=0.58·（1-φ）·Sg（7）式中Vk表示透水地面的雨水利用量（m3）；φ表示径流系数，取值为0.125；Sg表示透水地面的面积（m2）。对于一定结构的透水地面，径流系数与设计降雨的量和强度有关系。当降雨量超过铺装层容水量和路基土壤下渗量时就产生积水和径流，根据丁跃元等的研究结果，透水行地面的平均径流系数为0.125（按照降雨历时15～120min，重现期为5年进行平均）[13]。下凹式绿地的雨水利用量的计算可以采用初损后损法。一次降雨过程中各项损失的强度随时间变化，总趋势为降雨初期损失强度大，以后递减，直至趋于稳定[14]。根据2001年北京建筑工程学院开展“北京市城区雨水利用技术研究及雨水渗透扩大试验”结果，汇水面积与绿地面积的比为1.0，下凹深度Δh为50mm，降雨重现期T为1年时，拦蓄效果是100%。因此，下凹式绿地的雨水利用量Vg可以根据公式（8）进行计算：Vg=[（A1+A2）·P-E]/1000（8）式中A1，A2分别为汇水面积和绿地面积；P表示多年平均降水量（mm）；E表示降雨过程中的蒸发量（mm）。根据北京市雨水利用项目的实际情况，此处按照汇水面积与绿地面积的比为1.0（A1∶A2=1.0），下凹深度Δh为50mm，多年平均降水量P为580mm，重现期T为1年来进行估算。由于降雨过程中的蒸发量较小，此处可以忽略不计。2.4效益指数计算确定雨水利用量后，可以根据成本和效益的计算公式计算年运行成本（C）和年均总效益（B），根据雨水利用工程的固定投资（I）可以计算寿命期内雨水利用工程的费用现值（PresentValue—PV）和寿命期内雨水系统的总效益现值（TotalBenefits—TB），计算方法为：（9）（10）式中PV表示寿命期内雨水利用工程的费用现值（×104元）；I表示雨水利用工程的固定总投资（×104元）；C表示雨水利用工程的年运行成本（×104元/年）；i表示折现率（%），此处取7%；n表示雨水利用工程的设计寿命（年），此处取20年；TB表示寿命期内雨水利用工程的效益现值（×104元）；