城市透水面集水效益评价研究——以大连市为例

张洪涛，徐向舟，曹 健，许金辉，李美娟

(1.大连理工大学水利工程学院，辽宁大连，116024;2.中交广州航道局有限公司，广东广州，510221;3.大连勘察测绘研究院有限公司，辽宁大连，116021)

根据下垫面的透水性，可以将城市地表分为两类:透水面和不透水面。不透水面主要指能够阻止雨水渗透到地下的地表，如屋顶和水泥路面等。透水面指相对前者而言透水性较大的地表，主要包括林地、草地、透水性材料铺设的路面、裸地等。透水面是城市雨水利用的重要手段，城市透水面在改善城市生态环境、增强城市防洪能力等方面起着不可替代的作用。大连市属于资源性严重缺水城市，人均水资源占有量仅为全国人均占有量的1/4。扩大城市地表透水面积，深化雨水利用，增加可使用的淡水量，对于大连市有特别重要的意义。

本研究在已有城市小区雨水利用效益评价研究成果的基础上[1-2]，以城市行政区的尺度，探索城市透水面集水效益的评价方法。城市雨水利用是最近20 a来新兴的产业，目前对这一产业效益评价的研究成果很少，而且现有成果都是以城市小区尺度进行评价的。透水面雨水下渗是城市雨水利用的重要形式，以行政区的尺度评价，可以更宏观地反映雨水利用的效益，为政府决策提供依据。

1 典型市区透水面的调查统计

大连市地处黄海与渤海之间，地势丘陵起伏，在季节性暴雨条件下，易发生水土流失。20世纪80年代是大连市城市飞速发展的时候，当时大连市区的水土流失情况相当严重。据遥感普查结果[3]，1985年大连市水土流失面积为8 306.7 km2，占全市总面积的66%。大连市从20世纪80年代末开始重视水土保持建设，20世纪90年代中期开始快速发展[4]。采取的水土保持措施主要有:加强城市绿化和加大路面的透水性。彩色步行砖的渗透系数较大，且铺装后块体之间存在一定的缝隙，有利于雨水的集蓄和下渗，目前大连市内人行步道均已改为彩色步行砖铺路面。另一方面，大连市的林草地面积一直在持续稳步增长，绿化覆盖率已由1995年的37%上升到2004年的42%[5]。本研究以大连典型市区——西岗区和中山区为背景，采用由航摄影像生成的大比例尺地形图，定量统计和分析大连市区透水面的分布。

西岗区和中山区位于大连市中心，面积合计为71 km2，是城市经济最繁荣、人口最密集的区域。该地区透水面分布的特点是:裸地面积很小，明水面较少，透水面主要由林草地和透水路面组成。区域内仅有一处面积较大的湖泊——明泽湖(儿童公园内，面积约3 hm2)，贯穿中山区的城中河——马栏河河道为人工修筑混凝土不透水地面。区域内公园、广场、山林分布密集，如森林动物园、滨海路景区(部分)、劳动公园、星海广场、人民广场等都分布在该区域，林、草覆盖率相当高。机动车道两侧均为透水性良好的彩色步行砖路面。公园和城市广场中，除了绿化率很高以外，绿地和彩色步行砖路面的面积所占比例较多，不透水的屋顶和机动车道面积所占比例很小。

根据有关航摄参数，获取大连市西岗区和中山区的航摄影像。然后，根据2005年1月航摄采集的基础数据统计当年的透水路面、林地、草地的面积。将航摄影像经过内业采集、外业现场调绘、内业编图等过程形成AutoCAD格式的大比例尺分层编码基础数据。在此基础上，利用ArcGIS Engine开发平台将基础数据转化为ArcGIS Personal Geodatabase格式的数据，并对林地、草地等要素进行构面处理。然后，利用ArcGIS的统计功能直接提取基础数据中的林地和绿地要素的面积字段Shape_Area，进行面积统计;而对于透水路面的面积，则通过统计区域内道路的长度以及透水路面的平均宽度来获取。

各类透水面面积统计的结果如表1所示。由表中可以看出，研究区域林地、草地、透水路面的总面积为3 663.30 hm2，占研究区域总面积的51.5%。林地、草地、透水路面的面积之比为6.5∶1.3∶1.0，其中林地面积较大，约为草地或透水路面面积的6倍。

表1 2005年研究区域透水面面积统计

2 效益识别

2.1 经济效益

城市透水面集水的经济效益为:节省城市排水设施的运行费用C1。由于雨水渗入地下，可以等量减少向市政管网排放雨水。每1 m3水管网运行费用为0.08元[1]。

2.2 生态效益

(1)消除污染而减少的社会损失C3。雨水的生态化利用传输通道及储存介质，如明沟、人工湿地、集水塘等，对雨水中污染物具有一定的自然净化能力。在雨水的下落、汇流过程中，由于空气、地面存在污染介质而被一定程度污染。城市透水面收集、净化、利用了这部分水体，相当于消除污染。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，即投入产出比为1∶3[6]。以目前大连市污水排污费为0.6元/m3作为消除污染投入的费用，可计算出消除污染减少的社会损失为1.8元/m3。

(2)渗透雨水置换自来水的效益C2。当雨水入渗地下时，会有大量雨水入渗回补地下水。其收益可根据以自来水实际价格减去以地下水为水源的自来水成本来计算[1]。目前大连市民用自来水价格2.3元/m3，渗透水转化为自来水的成本可参照北京市的情况(1.35元/m3)，于是渗透补充地下水的效益约为2.3-1.35=0.95(元/m3)。

(3)林草地的吸碳制氧效益C4。林草地对改善城市生态环境有着重要的作用。绿色植物可以在多个方面发挥功效，如降低噪音、水土保持、调节气候等。绿色植物每年吸收大量的二氧化碳，并释放大量的氧气，使空气得到净化。据研究[7]，1 hm2绿地每年吸收二氧化碳2.9～4.1 t，释放氧气2.2～3.2 t。植物吸收CO2释放O2，可以提高空气质量、减轻温室效应。对于农用地，其吸碳价格可用绿地成本法或碳税法，其制氧价格可用绿地成本法或工业制氧法[8]，上述方法也可用于林草地的吸碳制氧效益评价中。

城市透水面雨水利用还可以削减洪峰，提高城市防洪能力等，这部分效益难以量化，一般采用定性描述的方法来解决。

2.3 社会效益

通过城市透水面雨水利用，可以改善城市的整体环境，促进城市的和谐发展和社会安定;可以增强人们的惜水、节水和利用雨水的意识，有利于可持续发展战略的深入落实;城市雨水利用工程的实施，可带来直接和间接就业效果。对于这部分效益，很难量化得到一个精确的数据，一般通过定性描述的方法来解决。

3 效益评价

3.1 集水量计算

对于节省城市排水设施的运行费用C1，其大小为透水面的截流下渗的水量B1与单位体积集水量效益c的乘积，其中

式中:B1——下渗水量(m3);α1——降雨过程中透水面对地表径流的截留系数;r——径流系数;P——降雨量(mm);A——透水面承雨投影面积(m2)。影响的因素主要有:降雨的强度和持续时间、土壤的性质和结构、透水面的种类等。一般情况下，林地的渗透量占总降雨量的40%～80%[9]，目前大连市森林覆盖率已达到42%，是我国生态建设最好的城市之一，本研究进行林地渗透集水量计算时，雨水截流系数可取为0.7。根据武晟等[10]的降雨模拟模型试验成果，在雨强约为1.3 mm/min、降雨历时在30～90 min之间时，城市草地的径流率平均值为0.375。目前大连人行步道采用的是彩色荷兰砖路面，根据本研究降雨模拟现场试验结果，在雨强为1.2～2.0 mm/min、降雨时间为30 min时，大连市荷兰砖路面截留系数约0.52～0.65。于是，在进行草地和透水路面渗透集水量计算时，两者的雨水截流系数均可近似取为0.6。

对于渗透雨水置换自来水的效益C3，其大小为由于降雨而补充到地下水的雨水量B2与单位体积集水量效益c的乘积。降雨对地下水的补给主要受地下水埋深、降雨量和含水层岩性等因素的影响。为了简化起见，采用当地降雨对地下水的补给系数来计算:

按照大连市水务公报公布的数据，大连市2005年降雨量为681 mm;再根据西岗区和中山区的各类透水面的统计面积和渗流系数，可计算得知:2005年中山区和西岗区两行政区的由于林地、草地、透水路面的截流下渗作用，使降雨过程中径流的减少量合计为1.69×107m3;当年雨水通过林地、草地、透水路面下渗，补充到地下水层的雨水量合计为5.00×106m3。

3.2 效益评价

根据上述2005年中山区和西岗区透水面的集雨量以及单位体积雨水效益，可计算出研究区域透水面集蓄雨水的经济效益，如表2所示。2005年，研究区域林地、草地和透水路面的集雨经济效益合计为1.40×106元;消除污染而减少的社会损失为3.05×107元;产生渗透雨水置换自来水的效益合计为4.70×106元。

根据2005年大连市西岗区和中山区的林草地面积，可估算出 2005年该市区林地吸收CO2为9 666.6 t，释放 O2为 7 791.0 t;草地吸收 CO2为1 494.0 t，释放O2为1 204.2 t。参照文献[8]中碳税法，可得大连市2区林草地的年吸碳的生态效益C4a(元)为:

式中:Qa——林、草地年吸碳量(t);TC——碳税率，可以国际较为公认的瑞典碳税 0.15美元/kg为标准。根据2005年的吸碳制氧量，以及当年人民币相对美元的汇率等资料，可计算出大连市2区林草地的吸碳效益为1.37×107元。林草地释放氧气的生态效益C4b(元)可用工业制氧法[8]计算:

式中:Qb——林、草地年释放氧气量(t);I0——工业氧批发价(700元/t)。根据2005年的制氧量，可计算出大连市2区林草地的制氧效益为6.30×106元。

综上所述，2005年大连市典型市区(中山区和西岗区)的林地、草地、透水路面可以定量计算的经济效益为1.40×106元，生态效益为5.52×107元，如表2所示。城市透水面还能有效减小地表径流，增强城市的防洪能力;同时降低地表径流的侵蚀力，减轻水土流失。目前透水面的增加已有效地解决了大连市区的水土流失问题，基本控制了城市开发建设中新造成的水土流失。大连市已连续6 a在全国城市环境考评中名列前茅，被评为全国6个模范城市之一。目前大连市已经被水利部命名为全国水土保持示范城市。

表2 2005年研究区透水面效益定量计算

3.3 社会效益

大连市区透水面的增加对大连市的发展起着深远的推动作用，促进了城市的和谐发展和社会安定。2001年大连市率先被联合国环境规划署评为环境“全球500佳”城市。随着城市环境的改善，大连市旅游吸引力不断增强，如2005年大连市实现旅游总收入210.9亿元，增长24%，旅游总收入占当年全市国内生产总值的9.8%[14]。花园式的城市环境和良好的城市形象已成为大连最大、最有效的“名片”和“招商广告”。如今大连市成为我国外资最集中的城市之一，产业结构和布局得到合理调整和优化升级，城市经济得到很大发展。

4 结论

(1)大连市透水面分布较广，其主要形式是林地、草地、透水路面。大连市典型市区(西岗区和中山区)林地、草地、透水路面的总面积为36.6 km2，占研究区域总面积的51.5%;林地、草地、透水路面的面积之比为6.5∶1.3∶1.0，其中林地面积较大，约为草地或透水路面面积的6倍。

(2)大连市透水面产生了显著的生态、社会和经济效益。2005年大连市典型市区(中山区和西岗区)的林地、草地、透水路面可以定量计算的经济效益为1.40×106元，生态效益为 5.52×107元。大连市透水面的增加还营造了良好的人居环境，保障了丰富的旅游资源，促进了该市经济发展，产生了显著的社会效益。

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