雨水收集系统收益成本分析

[美国] S.多尔曼 等

雨水收集系统收益成本分析

[美国] S.多尔曼 等

雨水收集越来越多地被视为缺水地区减少雨水径流和补充供水的一种实用手段，尽管其应用一直局限于城市地区。 针对雨水收集在减少饮用水使用、雨水径流以及饮用水供应所需能源方面的潜力，或者雨水收集相关的成本，已经进行了大量研究，但对成本和收益进行同时评估，尚无先例。 以加州南部一个高度城市化的流域为例，量化研究了雨水收集的经济收益和成本，探讨雨水收集使用是否是一项高效的区域政策。 考虑流域的土地利用、地形和降雨变化，评价了各种水箱尺寸，估算了两种雨水利用情景下(即仅室外使用以及室外使用加室内非饮用水使用)的节水、节能和节碳量级。

雨水；雨水收集;收益成本分析; 雨水管理; 城市供水

1 概 述

城市社区扩张给水管理带来了巨大挑战。 例如，在美国加州南部，大部分城市需要从数百英里外的地方输水来保证当地供水。 市区铺设地面和不透水地面破坏了雨水的自然过滤和下渗进程，导致河道径流量增加、水质恶化。 不断增多的洪涝损害了公共安全，对受纳水体的生态、地形和社会经济收益产生了不利影响。

公众越来越多地关注雨水的潜在价值。 某些公共部门和决策团体将雨水收集和再利用视为补充地方供水和减少雨水径流的可行性策略。 利用集雨水，可避免城市居民将饮用水用于景观灌溉等非饮用用途，同时也可以减少受污染雨水径流进入河流、湖泊和海滩。 在城市区域，雨水收集可节约大量饮用水，特别是在加州南部这样的半干旱地区，其景观灌溉用水至少占整个城市饮用水水量的一半。 减少饮用水需求还可以节约能源、减少碳排放。 水和能源这两者是密切联系的，因为生产能源需要水，而水的输送、处理和配置也需要能源。

对于将雨水收集系统(RWHS)作为增加供水以及一种雨水管理方案的可行性、成本以及运行情况进行了大量研究。 有学者对其效果进行了模拟，在一幢独立住宅安装了一个水箱，据推测，可实质性减少1 a一遇和2 a一遇设计暴雨的径流量和峰量。 在街区尺度上，有学者对住宅安装的190 L水箱进行了观测，结果显示，在美国湿润区(中西部和东部海岸)，最多可节约50%的室外非饮用水；在西南等半干旱地区，可减少最多达20%的径流量。针对加州圣地亚哥的一个流域，计划为流域内所有住宅安装容量达7 571 L的水箱，减少的径流量可达到12.5%。 有学者研究了美国东南部几个大规模雨水收集系统的运行情况和经济收益，发现在一些案例中，执行雨水收集系统计划的成本与付出的努力超过了节水产生的收益，并建议，在评价经济效益时考虑雨水减少等其他收益。 就供水而言，几项研究探讨了水箱尺寸优化问题，以保证在降水和用水存在季节变化的情况下集雨水供给不会中断。 研究表明，在气候多变地区，单纯依靠雨水满足非饮用用水在经济上是不可行的，但是可以提供相当一部分非饮用水。

一些研究对雨水收集系统的潜在节能进行了探讨。 有学者估计，如果在景观灌溉以及其他室外用途中使用雨水替代饮用水，美国每年可节约能源38亿kW·h，价值2.7亿美元。 然而研究发现，每个家庭节约的能源以及节约的相关成本很少，每年最多节约120 kW·h，不到10美元。 有学者指出，雨水收集系统的效能随水需求、系统设计、水能强度和建筑类型等地域特征的变化而变化。 另外，还有学者注意到，与水相关的能源消耗所产生的温室气体排放总量超过1亿t二氧化碳当量，而为加州水基础设施提供能源的碳基燃料燃烧释放的特殊物质，可能导致哮喘和其他健康问题。 因此，节水也意味着节能和减少污染。

以往的研究探讨了雨水收集系统的节能或者饮用水使用及雨水径流的潜在减少，但是对于区域尺度成本和收益的综合评估却鲜有研究。 本文创新之处在于预测用于住宅和商用建筑的雨水收集系统的生命周期的成本和收益。 本文所指收益包括减少的径流量和洪峰径流、节约的饮用水和能源以及减少的碳排放。 这里所说的成本是指业主购买、安装、运行以及维护雨水收集系统所需的基础设施(水箱、水泵和管道)时发生的成本。 以加州南部一个高度城市化流域为例，对收益成本进行了分析，以预测执行雨水收集计划的净收益。

2 方 法

为评估雨水收集系统的总经济价值，该项目依托已经建立的工程框架估算削减的雨水以及节约的水和能源。 利用EPA雨水管理模型(SWMM)，根据用途类型(仅室外使用或者室内室外同时使用)以及所安装水箱的大小，估算减少的雨水量以及节约的饮用水量。 同时，量化了相同执行情景下减少的能耗量以及碳排放量。

然后，根据文献资料所获取的成本数据将节约的水量和能源量换算为美元。 将这些货币价值纳入成本收益框架，评估巴罗纳克里克(Ballona Creek)流域不同情景下雨水收集的经济效率。

2.1 雨水减少量和节水量化

水箱能够收集的水量取决于众多局部变量，包括降雨模式、土地利用分布、屋顶大小、水箱大小、降水范围、集雨水用途及其利用率，而这些变量又取决于蒸散发(ET)以及室内使用需求等因素。 巴罗纳克里克流域雨水收集系统节约的饮用水量与雨水减少量的估算基于如下假定：

(1) 水箱安装于住宅和商用建筑内，这些建筑占地面积大约为整个土地利用的75%。

(2) 50%的住宅和商用建筑采用了雨水收集系统，参与该计划的每栋建筑安装一个水箱。

(3) 住宅区或者商业区屋顶面积占其区域内不透水面积的70%或者60%，剩余不透水部分包括街道、停车场、人行道和车行道。

(4) 每栋建筑草地面积为93 m2，典型景观为暖季型草坪，每48 h浇灌一次。

基于上述假定，利用下列水平衡公式计算可收集雨水量

(1)

式中，v为储水量;q0为进入水箱的屋面径流，取决于降雨历时、降雨强度以及屋面面积;q1为水箱流出的、满足草坪灌溉和/或室内用途的雨水;q2为超过储存能力时水箱溢出的水量;t为模拟时段。q0、q1和q2的单位是[L]3/[T]，v的单位是[L]3。

水箱流出水量q1既代表了节约的饮用水量，也代表了雨水收集系统减少的径流量，它们取决于水利用的类型、蒸散发、草地面积和水利用率。 为了量化径流量、洪峰径流和长时段内节约的饮用水，利用公式(1)求解时，必须考虑流域中参与计划的所有建筑、气候的时空变化、流域特征如土地利用、地形以及现有的雨水排水基础设施。为了更好地掌握气候和流域特征的非均匀性，根据地形和现有雨水收集网络，将该337 km2的流域划分为1 414个子流域。 子流域的平均面积为 0.163 km2。

流域土地利用数据来自于洛杉矶县公共事业局(LACDPW) 2005年的统计，用于估算每个子流域住宅用地和商用用地的百分比。 利用美国地质调查局的流域不透水地图推算不透水面积百分比。 建筑的平均屋面面积取值148.65 m2。 根据这些数据和假设，估算每个子流域住宅和商业建筑的数量。 根据估算，商业建筑和住宅总数为449 752栋。 该估算量与利用沃什伯恩等人提出的加州城市建筑数量计算方法获得的结果相差不超过 2.8%。 根据参与率50%的假定，整个流域执行雨水收集系统计划所涉及的住宅和商用建筑总数为224 876栋。

分析中考虑了两种雨水使用情景，每一种情景模拟了不同的水箱大小，确定各种水箱等级的经济效率。 在第一种情景下，假定集雨水仅用于草坪灌溉，而第二种情景则同时考虑草坪灌溉和室内非饮用用途。 室内用途仅限于冲厕所和洗衣服。 根据日蒸散发数据估算草坪灌溉的需水量，在案例研究流域附近的加州圣塔莫尼卡(Santa Monica)，加州灌溉管理信息系统气象站提供了日蒸散发资料。 灌溉需水量为上次灌溉后蒸散发总量与总降水量之差。 LACDPW提供了流域内3个雨量站的15 min时段降雨资料。 利用距离和高程确定每个子流域代表雨量站的控制范围。

根据日污水流量估算值估算室内非饮用水利用率，洛杉矶住宅和商业区每人每天产生的污水量为378 L。 假定冲厕所和洗衣服用水量为每日人均产生污水量的50%。 美国人口普查资料显示，洛杉矶市平均家庭人口为3人，每栋商业建筑平均雇员数量为 3.5人。 因此，参与计划的每栋建筑的室内非饮用水用水率为 25.6 L/h。 利用巴特勒提出的时段需水模式模拟室内水利用率的时段变化。

分析了介于208～ 757 L之间的6种不同大小的水箱，以研究收益成本对水箱大小的敏感性。 对于每一种水箱尺寸和水用途情景的组合，利用雨水管理模型求解公式(1)，预测整个流域以及1 414个子流域的节水量和雨水减少量。 利用先前研究对SWMM进行流域校正。

2.2 节能计算

鉴于大型跨流域调水系统远距离大量调水的抽水要求，南部加州水系成为能源密集型水系。 泵站为输水以及通过管网输送经处理的饮用水提供足够压力，其消耗能源的比例相当大，占供水系统和水处理系统能源消耗的90%。

区域水批发商——南加州都市水分区(MWD)两大水源分别是“州水项目”(SWP)中北加州提供的水和科罗拉多河。 巴罗纳克里克流域的城市供水，大部分由地方水务机构，主要是洛杉矶水电局(LADWP)从MWD购买，少部分来源于当地开采的地下水或者回收的污水。 从北加州将SWP中分配的水输送到MWD服务区，每兆升(ML)大约消耗能源2 638 kW·h。 这些未经处理的水被输送到位于南加州的水处理系统和配水系统。 据MWD估算，从科罗拉多河抽水至南加州，约消耗能源1 621.4 kW·h/ML。

在本分析中，计算雨水收集系统所节约的能源时， MWD的能源密度因子采用1 621.4 kW·h/ML。 该数据是一个非常保守的估算值，没有包括水处理系统和配水系统水泵耗用的能源。

碳排放减少的计算，采用美国环境保护署(EPA)的CO2等价因子 6.895 51×10-4t/kW·h。

2.3 收益成本模型

收益成本分析(BCA)比较了减少饮用水使用量带来的收益同执行和维护雨水收集系统计划的成本。 收益成本分析基于如下假定。

(1) 雨水收集所获得的水量并不增加业主总的用水量，但是会使水机构购买的水永久减少。 不存在假定的“反弹效应”。 当技术进步不能产生净节水，相反导致用户增加用水量时，反弹效应发生。

(2) 雨水收集系统产生的水质改善、洪水风险降低、洪峰径流和径流量减少带来的损失减少等雨水收益，没有包括在该收益成本分析中。 雨水收集系统水质收益分析不属于该研究的范围，根据SWMM模拟结果，预计该流域不存在明显的洪水损失减少，因此洪水收益分析也被排除在外。

(3) 所包括的雨水收集收益为节约的水、能源和减排的经济价值。业主还能通过雨水收集产生内在满足感或者荣誉感，因为其相信节水的重要性，即使成本超过了货币收益。 本文收益成本分析不包括这类无形收益。

(4) 每个水箱的成本是固定的，与购买水箱数量无关。本文不假定批发折扣。

(5) 对于固定的50%的参与率，每个水箱的收益不变。 本研究不包括参与率敏感度测试(用于确定是否存在额外收益数量级变化的上下阈值)。

(6) 雨水收集系统购买和安装成本在计划执行后全部付清，但是，节水、节能和减排收益是逐年累积的，直到该项目服务期限结束为止，本研究假定服务期限为30 a。

假定(2)和(3)可能低估了雨水收集系统的真实收益，而假定(4)和(5)可能高估了真实成本。 因此，本文的收益成本分析方法非常保守，真实的净收益很可能高于这些估算值。

每种规格雨水收集系统的净收益现值计算公式如下

(2)

式中，Bt表示t年的总收益，Ct表示t年的总成本。 收益包括节水、减排和节能的货币价值(区域收益)。 成本包括雨水收集系统的购买、安装以及相关的运行维护成本。 计算了每一等级(水箱大小)及两种情景下的雨水收集系统贴现净收益，两种情景为仅室外使用、室外和室内使用。 最高贴现净收益的等级和情景，就是针对巴罗纳克里克流域的最高效的雨水收集系统。

2.4 基线参数

2.4.1 节水量的经济价值

针对执行雨水收集系统计划节约的饮用水量，确定其经济价值的方法很多，如直接市场估价法、重置成本法等。 可根据所节约水的后续最佳用途测算其经济价值。 例如，收集的雨水可以作为未进入水箱而是留在源区域改善环境条件的水来计算价值。 也可以通过MWD为满足未来城市需求额外购水而支付的价格测算其价值，例如向中央山谷里的农民购水。 另外一种方法，根据各水机构收取水费的价格，计算消费者减少使用自来水而节省的开支，以此来测算价值。 考虑到巴罗纳克里克流域大部分供水是从MWD购买的，针对各水机构的批发价对于该研究似乎是最合适的。MWD收取的Ⅱ级全方位服务费被作为节水价值 。2015年，其价格是0.86美元/m3。 该收益成本分析考虑了项目持续期间固定水成本的情况，也考虑了更为现实的情景，即每年水价增加5%以反映增加的管理成本。 2005年之后，就MWD平均水价增长而言，该值没有变化。

2.4.2 碳社会成本

根据12866号联邦行政命令，跨部门工作小组估算2013年碳社会成本(SCC)为40.45美元/t，碳减排的美元价值据此计算。 从全球情况看，美国的这一碳社会成本估算值较低。 例如，碳社会成本的平均价格是43美元。 根据学者们关于碳社会成本价格综述，其价格介于14～165美元之间，平均价格为93美元/t。 本文研究采用跨部门工作小组的估算值，因为联邦政府估算值更有可能用于公共政策的收益成本分析。

2.4.3 能源成本

根据洛杉矶县平均能源价格，节能价值按照0.21美元/kW·h计算。

2.4.4 水箱成本

为估算雨水收集系统的设备和安装成本，从家装商店和在线专业供应商等多家颇受欢迎的水箱及相关设备供应商处收集了价格资料。 模型使用了南加州的平均市场价格。 假定室外仅使用重力流，因此，不存在能源或者水泵重置成本。 雨水用于室外用途和室内用途时，水箱成本是相同的，但人工和材料成本要高得多。 材料包括送水至室内供非饮用用途所需的管道和水泵。 对于室内用途水箱，配备一台一马力且效率为60%的水泵，项目运行期内更换水泵2次。 未考虑潜在的地下安装成本。

2.4.5 贴现率

关于长期项目适当贴现率问题，存在广泛争议，部分原因涉及长时间段以及代际公平问题。该研究采用3%的贴现率，这一贴现率与EPA近期对清洁能源计划所做的监管影响分析是一致的，该计划是一项重要的温室气体管理计划。

3 模拟结果

3.1 雨水减少量和节水量化

利用2000～2010年雨量和蒸散发资料，使用长期雨水管理模型进行了模拟，数据包括湿润年份和干旱年份。 图1显示了巴罗纳克里克各子流域50%的住宅和商业大厦安装不同大小水箱后每年可能节约的饮用水量。

图1 流域尺度下针对各种大小水箱和水用途情景的年均节水量(柱状图)和最大雨水收集量

结果清晰显示了项目节水对水箱的敏感性，而对水用途敏感程度则较弱。 为了进一步阐明敏感性，计算了参与该项目建筑的数量、这些建筑的平均屋面面积以及模拟期内流域年平均降雨量(381 mm)，获得最大可能年节水量为1 274万m3。 图1还示出了各种大小水箱收集的最大可能节水量百分比。 所考虑的最小水箱尺寸，其节水量小于年可能收集雨量的一半，而最大水箱则可以收集最大降雨量90%左右。 就这些数字来看，假定一座独立住宅年平均耗水量为360 617 L，则每个家庭每天耗水量约为988 L，这一分析数据表明，各种大小水箱收集和再使用雨水节约的可饮用水可供13 345～31 138座独立屋使用1a。

针对流域降水产生的年平均径流量和洪峰流量，对于仅室外使用的最小水箱，分别减少11%～24%和0～24%；对于同时考虑灌溉和室内使用的最大水箱，分别减少11%～14%和0～14%。 预测洪峰削减并不明显，因为洪峰流量是高强度和长历时降雨导致的，这样的降雨很快将水箱充满，平衡了洪峰流量减少效果。

3.2 节 能

将年节能量作为水箱大小的函数，绘制图像，比较仅用于灌溉用途和同时考虑灌溉和室内使用两种情况的节能量。 水箱尺寸增大时，年节能量增加。 两种用水情景呈现相似的能源节约水平。 年碳当量减少呈现类似于节能模式，随着水箱尺寸增大，呈增大趋势。 类似地，两种用水情景下的碳当量减少非常相似。

3.3 收益成本分析结果

收益成本分析结果揭示了如何比较雨水收集系统安装成本与雨水收集和再使用收益。 图2描述了分析结果，展示了恒定水价和水价每年增加5%两种情况的分析结果。

图2 巴罗纳克里克流域雨水收集系统贴现净收益

当项目时段内水价稳定时，室内水用途折扣净收益是负的，所有尺度的雨水收集系统都是如此。 设备的购置、安装和维护成本远远超过节水、节能和减排产生的收益。 大水箱的折扣净收益低于小水箱，这表明收集的水量增加并不改变结果。 唯一的产生正净收益的等级和情景是最小的水箱和仅室外用途。 这种情况下，收益超过成本大约6 480万美元。 其他尺寸的水箱，仅室外用途时，贴现净收益均呈负值。

如果水价每年增加，结果则呈现戏剧性变化。 此时，室外用途情境下，所有尺寸水箱的贴现净收益均呈正值，尽管最小水箱依然产生最高的贴现净收益(15 180万美元)。 在水价提高的情况下，结果中差异最大的是室外用途情景和室内用途情景。 开始时，208～379 L的贴现净收益下降，之后，随着水箱尺寸增加，贴现净收益也增加。 最大水箱的贴现净收益为4 900万美元。 就长远而言，提高水价并安装更大的水箱可使得室内水用途在经济上是可行的。

总体而言，最小水箱的贴现净收益最高。 如果项目时段内水价不变，雨水收集系统室内用途和室外用途的净收益始终呈负值。 因此，模型表明，如果保持目前水价不变，雨水收集系统不应该用于室内用途。 如果水价有望每年至少提高5%，也可以考虑较大的水箱。 尽管效率最大的尺寸依然是208 L，但是必须考虑该小收集量对于室内用途的实用性。

流域内贴现净收益的空间分布随地理特征变化而变化。 人口密度和不透水面积大的子流域，贴现净收益较高。 尽管地图上无法看出，地理空间分析显示，流域内预测节水量、土地利用、不透水地面分布和贴现净收益之间存在明显空间关联。

4 讨 论

收益成本分析模型的分析结果表明，巴罗纳克里克流域雨水收集计划最具经济效率的水箱规格是208 L。 无论水价是否提高，这一水箱尺寸都是最高效的。 提高水价情景下贴现净收益比水价不变情景高出3倍。 水箱成本低，因此收益可观。

总体而言，收益的最大份额来源于节水(收集雨水替代饮用水购买)。 例如，208 L水箱仅用于室外用途，总收益中年节水占70%(430万美元)，而节能和节碳分别占27%(170万美元)和3%(23万美元)。 这意味着，水价是确定最有效率政策的关键部分。 如果项目期间水价保持不变，无论水箱大小，收集雨水用于室内用途是没有价值的，尽管用于室外用途依然性价比高。如果水价每年适度提高5%，无论水箱大小，雨水收集系统净收益都是正值。 举例来说，仅室外用途情景下，208 L水箱贴现净收益为6 480万美元；当水价提高时，相同情景下的贴现净收益增加至15 180万美元。 流域内供水价格是确定雨水收集和再使用收益最重要的参数。

收益成本分析应视为保守估算。 正如前面提到的，收益成本分析不包括水质、洪水减少或者个人满足感等非市场价值之收益。 该分析采用的节能价值和碳价格非常保守。 因此，雨水收集系统的收益可能比本文估算值高。 同时，如果通过批发贴现降低水箱成本、或者水箱成本可以每年分摊支付而非第一年一次性支付，可提高室内用途效益。

5 结 论

针对在住宅建筑和商用建筑安装雨水收集系统，以部分替代从市区水机构购买饮用水的可行性方案，本文提出了收益成本分析的方法。

研究发现，在巴罗纳克里克流域，对于大部分尺寸的水箱，雨水收集收益远远超过了实施和运行成本。 即使水价保持不变，广泛采用仅用于室外用途的最小水箱的雨水收集系统，也是经济有效的。 对于室内用途的较大水箱，水价保持不变时，成本不合理；但是，如果水价每年上涨，收益则超过成本。 因此，在确定采用雨水收集政策是否合理以及优化执行等级时，水价是关键因素。

该研究可为公共政策制定提供一种潜在的经济有效的方法，从而在不增加通常由纳税人承担成本的管道水基础设施投资的情况下，补充供水、加强水资源保护和减少资源使用。研究成果对于决策者和水管理者确定是否以及在何地鼓励采用雨水收集系统具有重要价值。分析结果表明，流域内预测的节水量、土地利用、不透水地面分布和贴现净收益之间存在明显空间关联。 根据研究成果，市政工程师和水管理者只要依据流域现有土地覆盖数据就可以确定优先采用雨水收集系统的区域。 进一步的分析可包括检验不同水价上涨幅度和能源成本增加的敏感性、或者不同参与比例和季节性的敏感性，以确定是否存在导致额外收益大大增加的最小或最大水箱体积。 展开收益成本分析，考虑雨水量减少带来的水质和减洪效益，则可以提供更为全面的核算，并进一步提高雨水收集系统的净收益。

朱庆云 译

(编辑：朱晓红)

2016-11-24

1006-0081(2017)04-0021-05

TU823.6

A

朱庆云，男，江苏省水文水资源勘测局南京分局，高级工程师，主要从事站网及水文分析计算工作。)