[美國(guó)] S.多爾曼 等

雨水收集系統(tǒng)收益成本分析

[美國(guó)] S.多爾曼 等

雨水收集越來(lái)越多地被視為缺水地區(qū)減少雨水徑流和補(bǔ)充供水的一種實(shí)用手段，盡管其應(yīng)用一直局限于城市地區(qū)。 針對(duì)雨水收集在減少飲用水使用、雨水徑流以及飲用水供應(yīng)所需能源方面的潛力，或者雨水收集相關(guān)的成本，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)成本和收益進(jìn)行同時(shí)評(píng)估，尚無(wú)先例。 以加州南部一個(gè)高度城市化的流域?yàn)槔?，量化研究了雨水收集的?jīng)濟(jì)收益和成本，探討雨水收集使用是否是一項(xiàng)高效的區(qū)域政策。 考慮流域的土地利用、地形和降雨變化，評(píng)價(jià)了各種水箱尺寸，估算了兩種雨水利用情景下(即僅室外使用以及室外使用加室內(nèi)非飲用水使用)的節(jié)水、節(jié)能和節(jié)碳量級(jí)。

雨水；雨水收集;收益成本分析; 雨水管理; 城市供水

1 概 述

城市社區(qū)擴(kuò)張給水管理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。 例如，在美國(guó)加州南部，大部分城市需要從數(shù)百英里外的地方輸水來(lái)保證當(dāng)?shù)毓┧?市區(qū)鋪設(shè)地面和不透水地面破壞了雨水的自然過(guò)濾和下滲進(jìn)程，導(dǎo)致河道徑流量增加、水質(zhì)惡化。 不斷增多的洪澇損害了公共安全，對(duì)受納水體的生態(tài)、地形和社會(huì)經(jīng)濟(jì)收益產(chǎn)生了不利影響。

公眾越來(lái)越多地關(guān)注雨水的潛在價(jià)值。 某些公共部門和決策團(tuán)體將雨水收集和再利用視為補(bǔ)充地方供水和減少雨水徑流的可行性策略。 利用集雨水，可避免城市居民將飲用水用于景觀灌溉等非飲用用途，同時(shí)也可以減少受污染雨水徑流進(jìn)入河流、湖泊和海灘。 在城市區(qū)域，雨水收集可節(jié)約大量飲用水，特別是在加州南部這樣的半干旱地區(qū)，其景觀灌溉用水至少占整個(gè)城市飲用水水量的一半。 減少飲用水需求還可以節(jié)約能源、減少碳排放。 水和能源這兩者是密切聯(lián)系的，因?yàn)樯a(chǎn)能源需要水，而水的輸送、處理和配置也需要能源。

對(duì)于將雨水收集系統(tǒng)(RWHS)作為增加供水以及一種雨水管理方案的可行性、成本以及運(yùn)行情況進(jìn)行了大量研究。 有學(xué)者對(duì)其效果進(jìn)行了模擬，在一幢獨(dú)立住宅安裝了一個(gè)水箱，據(jù)推測(cè)，可實(shí)質(zhì)性減少1 a一遇和2 a一遇設(shè)計(jì)暴雨的徑流量和峰量。 在街區(qū)尺度上，有學(xué)者對(duì)住宅安裝的190 L水箱進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果顯示，在美國(guó)濕潤(rùn)區(qū)(中西部和東部海岸)，最多可節(jié)約50%的室外非飲用水；在西南等半干旱地區(qū)，可減少最多達(dá)20%的徑流量。針對(duì)加州圣地亞哥的一個(gè)流域，計(jì)劃為流域內(nèi)所有住宅安裝容量達(dá)7 571 L的水箱，減少的徑流量可達(dá)到12.5%。 有學(xué)者研究了美國(guó)東南部幾個(gè)大規(guī)模雨水收集系統(tǒng)的運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)收益，發(fā)現(xiàn)在一些案例中，執(zhí)行雨水收集系統(tǒng)計(jì)劃的成本與付出的努力超過(guò)了節(jié)水產(chǎn)生的收益，并建議，在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益時(shí)考慮雨水減少等其他收益。 就供水而言，幾項(xiàng)研究探討了水箱尺寸優(yōu)化問(wèn)題，以保證在降水和用水存在季節(jié)變化的情況下集雨水供給不會(huì)中斷。 研究表明，在氣候多變地區(qū)，單純依靠雨水滿足非飲用用水在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，但是可以提供相當(dāng)一部分非飲用水。

一些研究對(duì)雨水收集系統(tǒng)的潛在節(jié)能進(jìn)行了探討。 有學(xué)者估計(jì)，如果在景觀灌溉以及其他室外用途中使用雨水替代飲用水，美國(guó)每年可節(jié)約能源38億kW·h，價(jià)值2.7億美元。 然而研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)家庭節(jié)約的能源以及節(jié)約的相關(guān)成本很少，每年最多節(jié)約120 kW·h，不到10美元。 有學(xué)者指出，雨水收集系統(tǒng)的效能隨水需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水能強(qiáng)度和建筑類型等地域特征的變化而變化。 另外，還有學(xué)者注意到，與水相關(guān)的能源消耗所產(chǎn)生的溫室氣體排放總量超過(guò)1億t二氧化碳當(dāng)量，而為加州水基礎(chǔ)設(shè)施提供能源的碳基燃料燃燒釋放的特殊物質(zhì)，可能導(dǎo)致哮喘和其他健康問(wèn)題。 因此，節(jié)水也意味著節(jié)能和減少污染。

以往的研究探討了雨水收集系統(tǒng)的節(jié)能或者飲用水使用及雨水徑流的潛在減少，但是對(duì)于區(qū)域尺度成本和收益的綜合評(píng)估卻鮮有研究。 本文創(chuàng)新之處在于預(yù)測(cè)用于住宅和商用建筑的雨水收集系統(tǒng)的生命周期的成本和收益。 本文所指收益包括減少的徑流量和洪峰徑流、節(jié)約的飲用水和能源以及減少的碳排放。 這里所說(shuō)的成本是指業(yè)主購(gòu)買、安裝、運(yùn)行以及維護(hù)雨水收集系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施(水箱、水泵和管道)時(shí)發(fā)生的成本。 以加州南部一個(gè)高度城市化流域?yàn)槔瑢?duì)收益成本進(jìn)行了分析，以預(yù)測(cè)執(zhí)行雨水收集計(jì)劃的凈收益。

2 方 法

為評(píng)估雨水收集系統(tǒng)的總經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該項(xiàng)目依托已經(jīng)建立的工程框架估算削減的雨水以及節(jié)約的水和能源。 利用EPA雨水管理模型(SWMM)，根據(jù)用途類型(僅室外使用或者室內(nèi)室外同時(shí)使用)以及所安裝水箱的大小，估算減少的雨水量以及節(jié)約的飲用水量。 同時(shí)，量化了相同執(zhí)行情景下減少的能耗量以及碳排放量。

然后，根據(jù)文獻(xiàn)資料所獲取的成本數(shù)據(jù)將節(jié)約的水量和能源量換算為美元。 將這些貨幣價(jià)值納入成本收益框架，評(píng)估巴羅納克里克(Ballona Creek)流域不同情景下雨水收集的經(jīng)濟(jì)效率。

2.1 雨水減少量和節(jié)水量化

水箱能夠收集的水量取決于眾多局部變量，包括降雨模式、土地利用分布、屋頂大小、水箱大小、降水范圍、集雨水用途及其利用率，而這些變量又取決于蒸散發(fā)(ET)以及室內(nèi)使用需求等因素。 巴羅納克里克流域雨水收集系統(tǒng)節(jié)約的飲用水量與雨水減少量的估算基于如下假定：

(1) 水箱安裝于住宅和商用建筑內(nèi)，這些建筑占地面積大約為整個(gè)土地利用的75%。

(2) 50%的住宅和商用建筑采用了雨水收集系統(tǒng)，參與該計(jì)劃的每棟建筑安裝一個(gè)水箱。

(3) 住宅區(qū)或者商業(yè)區(qū)屋頂面積占其區(qū)域內(nèi)不透水面積的70%或者60%，剩余不透水部分包括街道、停車場(chǎng)、人行道和車行道。

(4) 每棟建筑草地面積為93 m2，典型景觀為暖季型草坪，每48 h澆灌一次。

基于上述假定，利用下列水平衡公式計(jì)算可收集雨水量

(1)

式中，v為儲(chǔ)水量;q0為進(jìn)入水箱的屋面徑流，取決于降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度以及屋面面積;q1為水箱流出的、滿足草坪灌溉和/或室內(nèi)用途的雨水;q2為超過(guò)儲(chǔ)存能力時(shí)水箱溢出的水量;t為模擬時(shí)段。q0、q1和q2的單位是[L]3/[T]，v的單位是[L]3。

水箱流出水量q1既代表了節(jié)約的飲用水量，也代表了雨水收集系統(tǒng)減少的徑流量，它們?nèi)Q于水利用的類型、蒸散發(fā)、草地面積和水利用率。 為了量化徑流量、洪峰徑流和長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)節(jié)約的飲用水，利用公式(1)求解時(shí)，必須考慮流域中參與計(jì)劃的所有建筑、氣候的時(shí)空變化、流域特征如土地利用、地形以及現(xiàn)有的雨水排水基礎(chǔ)設(shè)施。為了更好地掌握氣候和流域特征的非均勻性，根據(jù)地形和現(xiàn)有雨水收集網(wǎng)絡(luò)，將該337 km2的流域劃分為1 414個(gè)子流域。 子流域的平均面積為 0.163 km2。

流域土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自于洛杉磯縣公共事業(yè)局(LACDPW) 2005年的統(tǒng)計(jì)，用于估算每個(gè)子流域住宅用地和商用用地的百分比。 利用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的流域不透水地圖推算不透水面積百分比。 建筑的平均屋面面積取值148.65 m2。 根據(jù)這些數(shù)據(jù)和假設(shè)，估算每個(gè)子流域住宅和商業(yè)建筑的數(shù)量。 根據(jù)估算，商業(yè)建筑和住宅總數(shù)為449 752棟。 該估算量與利用沃什伯恩等人提出的加州城市建筑數(shù)量計(jì)算方法獲得的結(jié)果相差不超過(guò) 2.8%。 根據(jù)參與率50%的假定，整個(gè)流域執(zhí)行雨水收集系統(tǒng)計(jì)劃所涉及的住宅和商用建筑總數(shù)為224 876棟。

分析中考慮了兩種雨水使用情景，每一種情景模擬了不同的水箱大小，確定各種水箱等級(jí)的經(jīng)濟(jì)效率。 在第一種情景下，假定集雨水僅用于草坪灌溉，而第二種情景則同時(shí)考慮草坪灌溉和室內(nèi)非飲用用途。 室內(nèi)用途僅限于沖廁所和洗衣服。 根據(jù)日蒸散發(fā)數(shù)據(jù)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統(tǒng)氣象站提供了日蒸散發(fā)資料。 灌溉需水量為上次灌溉后蒸散發(fā)總量與總降水量之差。 LACDPW提供了流域內(nèi)3個(gè)雨量站的15 min時(shí)段降雨資料。 利用距離和高程確定每個(gè)子流域代表雨量站的控制范圍。

根據(jù)日污水流量估算值估算室內(nèi)非飲用水利用率，洛杉磯住宅和商業(yè)區(qū)每人每天產(chǎn)生的污水量為378 L。 假定沖廁所和洗衣服用水量為每日人均產(chǎn)生污水量的50%。 美國(guó)人口普查資料顯示，洛杉磯市平均家庭人口為3人，每棟商業(yè)建筑平均雇員數(shù)量為 3.5人。 因此，參與計(jì)劃的每棟建筑的室內(nèi)非飲用水用水率為 25.6 L/h。 利用巴特勒提出的時(shí)段需水模式模擬室內(nèi)水利用率的時(shí)段變化。

分析了介于208～ 757 L之間的6種不同大小的水箱，以研究收益成本對(duì)水箱大小的敏感性。 對(duì)于每一種水箱尺寸和水用途情景的組合，利用雨水管理模型求解公式(1)，預(yù)測(cè)整個(gè)流域以及1 414個(gè)子流域的節(jié)水量和雨水減少量。 利用先前研究對(duì)SWMM進(jìn)行流域校正。

2.2 節(jié)能計(jì)算

鑒于大型跨流域調(diào)水系統(tǒng)遠(yuǎn)距離大量調(diào)水的抽水要求，南部加州水系成為能源密集型水系。 泵站為輸水以及通過(guò)管網(wǎng)輸送經(jīng)處理的飲用水提供足夠壓力，其消耗能源的比例相當(dāng)大，占供水系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)能源消耗的90%。

區(qū)域水批發(fā)商——南加州都市水分區(qū)(MWD)兩大水源分別是“州水項(xiàng)目”(SWP)中北加州提供的水和科羅拉多河。 巴羅納克里克流域的城市供水，大部分由地方水務(wù)機(jī)構(gòu)，主要是洛杉磯水電局(LADWP)從MWD購(gòu)買，少部分來(lái)源于當(dāng)?shù)亻_采的地下水或者回收的污水。 從北加州將SWP中分配的水輸送到MWD服務(wù)區(qū)，每兆升(ML)大約消耗能源2 638 kW·h。 這些未經(jīng)處理的水被輸送到位于南加州的水處理系統(tǒng)和配水系統(tǒng)。 據(jù)MWD估算，從科羅拉多河抽水至南加州，約消耗能源1 621.4 kW·h/ML。

在本分析中，計(jì)算雨水收集系統(tǒng)所節(jié)約的能源時(shí)， MWD的能源密度因子采用1 621.4 kW·h/ML。 該數(shù)據(jù)是一個(gè)非常保守的估算值，沒(méi)有包括水處理系統(tǒng)和配水系統(tǒng)水泵耗用的能源。

碳排放減少的計(jì)算，采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)的CO2等價(jià)因子 6.895 51×10-4t/kW·h。

2.3 收益成本模型

收益成本分析(BCA)比較了減少飲用水使用量帶來(lái)的收益同執(zhí)行和維護(hù)雨水收集系統(tǒng)計(jì)劃的成本。 收益成本分析基于如下假定。

(1) 雨水收集所獲得的水量并不增加業(yè)主總的用水量，但是會(huì)使水機(jī)構(gòu)購(gòu)買的水永久減少。 不存在假定的“反彈效應(yīng)”。 當(dāng)技術(shù)進(jìn)步不能產(chǎn)生凈節(jié)水，相反導(dǎo)致用戶增加用水量時(shí)，反彈效應(yīng)發(fā)生。

(2) 雨水收集系統(tǒng)產(chǎn)生的水質(zhì)改善、洪水風(fēng)險(xiǎn)降低、洪峰徑流和徑流量減少帶來(lái)的損失減少等雨水收益，沒(méi)有包括在該收益成本分析中。 雨水收集系統(tǒng)水質(zhì)收益分析不屬于該研究的范圍，根據(jù)SWMM模擬結(jié)果，預(yù)計(jì)該流域不存在明顯的洪水損失減少，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為節(jié)約的水、能源和減排的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。業(yè)主還能通過(guò)雨水收集產(chǎn)生內(nèi)在滿足感或者榮譽(yù)感，因?yàn)槠湎嘈殴?jié)水的重要性，即使成本超過(guò)了貨幣收益。 本文收益成本分析不包括這類無(wú)形收益。

(4) 每個(gè)水箱的成本是固定的，與購(gòu)買水箱數(shù)量無(wú)關(guān)。本文不假定批發(fā)折扣。

(5) 對(duì)于固定的50%的參與率，每個(gè)水箱的收益不變。 本研究不包括參與率敏感度測(cè)試(用于確定是否存在額外收益數(shù)量級(jí)變化的上下閾值)。

(6) 雨水收集系統(tǒng)購(gòu)買和安裝成本在計(jì)劃執(zhí)行后全部付清，但是，節(jié)水、節(jié)能和減排收益是逐年累積的，直到該項(xiàng)目服務(wù)期限結(jié)束為止，本研究假定服務(wù)期限為30 a。

假定(2)和(3)可能低估了雨水收集系統(tǒng)的真實(shí)收益，而假定(4)和(5)可能高估了真實(shí)成本。 因此，本文的收益成本分析方法非常保守，真實(shí)的凈收益很可能高于這些估算值。

每種規(guī)格雨水收集系統(tǒng)的凈收益現(xiàn)值計(jì)算公式如下

(2)

式中，Bt表示t年的總收益，Ct表示t年的總成本。 收益包括節(jié)水、減排和節(jié)能的貨幣價(jià)值(區(qū)域收益)。 成本包括雨水收集系統(tǒng)的購(gòu)買、安裝以及相關(guān)的運(yùn)行維護(hù)成本。 計(jì)算了每一等級(jí)(水箱大小)及兩種情景下的雨水收集系統(tǒng)貼現(xiàn)凈收益，兩種情景為僅室外使用、室外和室內(nèi)使用。 最高貼現(xiàn)凈收益的等級(jí)和情景，就是針對(duì)巴羅納克里克流域的最高效的雨水收集系統(tǒng)。

2.4 基線參數(shù)

2.4.1 節(jié)水量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

針對(duì)執(zhí)行雨水收集系統(tǒng)計(jì)劃節(jié)約的飲用水量，確定其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法很多，如直接市場(chǎng)估價(jià)法、重置成本法等。 可根據(jù)所節(jié)約水的后續(xù)最佳用途測(cè)算其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 例如，收集的雨水可以作為未進(jìn)入水箱而是留在源區(qū)域改善環(huán)境條件的水來(lái)計(jì)算價(jià)值。 也可以通過(guò)MWD為滿足未來(lái)城市需求額外購(gòu)水而支付的價(jià)格測(cè)算其價(jià)值，例如向中央山谷里的農(nóng)民購(gòu)水。 另外一種方法，根據(jù)各水機(jī)構(gòu)收取水費(fèi)的價(jià)格，計(jì)算消費(fèi)者減少使用自來(lái)水而節(jié)省的開支，以此來(lái)測(cè)算價(jià)值。 考慮到巴羅納克里克流域大部分供水是從MWD購(gòu)買的，針對(duì)各水機(jī)構(gòu)的批發(fā)價(jià)對(duì)于該研究似乎是最合適的。MWD收取的Ⅱ級(jí)全方位服務(wù)費(fèi)被作為節(jié)水價(jià)值 。2015年，其價(jià)格是0.86美元/m3。 該收益成本分析考慮了項(xiàng)目持續(xù)期間固定水成本的情況，也考慮了更為現(xiàn)實(shí)的情景，即每年水價(jià)增加5%以反映增加的管理成本。 2005年之后，就MWD平均水價(jià)增長(zhǎng)而言，該值沒(méi)有變化。

2.4.2 碳社會(huì)成本

根據(jù)12866號(hào)聯(lián)邦行政命令，跨部門工作小組估算2013年碳社會(huì)成本(SCC)為40.45美元/t，碳減排的美元價(jià)值據(jù)此計(jì)算。 從全球情況看，美國(guó)的這一碳社會(huì)成本估算值較低。 例如，碳社會(huì)成本的平均價(jià)格是43美元。 根據(jù)學(xué)者們關(guān)于碳社會(huì)成本價(jià)格綜述，其價(jià)格介于14～165美元之間，平均價(jià)格為93美元/t。 本文研究采用跨部門工作小組的估算值，因?yàn)槁?lián)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

根據(jù)洛杉磯縣平均能源價(jià)格，節(jié)能價(jià)值按照0.21美元/kW·h計(jì)算。

2.4.4 水箱成本

為估算雨水收集系統(tǒng)的設(shè)備和安裝成本，從家裝商店和在線專業(yè)供應(yīng)商等多家頗受歡迎的水箱及相關(guān)設(shè)備供應(yīng)商處收集了價(jià)格資料。 模型使用了南加州的平均市場(chǎng)價(jià)格。 假定室外僅使用重力流，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內(nèi)用途時(shí)，水箱成本是相同的，但人工和材料成本要高得多。 材料包括送水至室內(nèi)供非飲用用途所需的管道和水泵。 對(duì)于室內(nèi)用途水箱，配備一臺(tái)一馬力且效率為60%的水泵，項(xiàng)目運(yùn)行期內(nèi)更換水泵2次。 未考慮潛在的地下安裝成本。

2.4.5 貼現(xiàn)率

關(guān)于長(zhǎng)期項(xiàng)目適當(dāng)貼現(xiàn)率問(wèn)題，存在廣泛爭(zhēng)議，部分原因涉及長(zhǎng)時(shí)間段以及代際公平問(wèn)題。該研究采用3%的貼現(xiàn)率，這一貼現(xiàn)率與EPA近期對(duì)清潔能源計(jì)劃所做的監(jiān)管影響分析是一致的，該計(jì)劃是一項(xiàng)重要的溫室氣體管理計(jì)劃。

3 模擬結(jié)果

3.1 雨水減少量和節(jié)水量化

利用2000～2010年雨量和蒸散發(fā)資料，使用長(zhǎng)期雨水管理模型進(jìn)行了模擬，數(shù)據(jù)包括濕潤(rùn)年份和干旱年份。 圖1顯示了巴羅納克里克各子流域50%的住宅和商業(yè)大廈安裝不同大小水箱后每年可能節(jié)約的飲用水量。

圖1 流域尺度下針對(duì)各種大小水箱和水用途情景的年均節(jié)水量(柱狀圖)和最大雨水收集量

結(jié)果清晰顯示了項(xiàng)目節(jié)水對(duì)水箱的敏感性，而對(duì)水用途敏感程度則較弱。 為了進(jìn)一步闡明敏感性，計(jì)算了參與該項(xiàng)目建筑的數(shù)量、這些建筑的平均屋面面積以及模擬期內(nèi)流域年平均降雨量(381 mm)，獲得最大可能年節(jié)水量為1 274萬(wàn)m3。 圖1還示出了各種大小水箱收集的最大可能節(jié)水量百分比。 所考慮的最小水箱尺寸，其節(jié)水量小于年可能收集雨量的一半，而最大水箱則可以收集最大降雨量90%左右。 就這些數(shù)字來(lái)看，假定一座獨(dú)立住宅年平均耗水量為360 617 L，則每個(gè)家庭每天耗水量約為988 L，這一分析數(shù)據(jù)表明，各種大小水箱收集和再使用雨水節(jié)約的可飲用水可供13 345～31 138座獨(dú)立屋使用1a。

針對(duì)流域降水產(chǎn)生的年平均徑流量和洪峰流量，對(duì)于僅室外使用的最小水箱，分別減少11%～24%和0～24%；對(duì)于同時(shí)考慮灌溉和室內(nèi)使用的最大水箱，分別減少11%～14%和0～14%。 預(yù)測(cè)洪峰削減并不明顯，因?yàn)楹榉辶髁渴歉邚?qiáng)度和長(zhǎng)歷時(shí)降雨導(dǎo)致的，這樣的降雨很快將水箱充滿，平衡了洪峰流量減少效果。

3.2 節(jié) 能

將年節(jié)能量作為水箱大小的函數(shù)，繪制圖像，比較僅用于灌溉用途和同時(shí)考慮灌溉和室內(nèi)使用兩種情況的節(jié)能量。 水箱尺寸增大時(shí)，年節(jié)能量增加。 兩種用水情景呈現(xiàn)相似的能源節(jié)約水平。 年碳當(dāng)量減少呈現(xiàn)類似于節(jié)能模式，隨著水箱尺寸增大，呈增大趨勢(shì)。 類似地，兩種用水情景下的碳當(dāng)量減少非常相似。

3.3 收益成本分析結(jié)果

收益成本分析結(jié)果揭示了如何比較雨水收集系統(tǒng)安裝成本與雨水收集和再使用收益。 圖2描述了分析結(jié)果，展示了恒定水價(jià)和水價(jià)每年增加5%兩種情況的分析結(jié)果。

圖2 巴羅納克里克流域雨水收集系統(tǒng)貼現(xiàn)凈收益

當(dāng)項(xiàng)目時(shí)段內(nèi)水價(jià)穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)水用途折扣凈收益是負(fù)的，所有尺度的雨水收集系統(tǒng)都是如此。 設(shè)備的購(gòu)置、安裝和維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)節(jié)水、節(jié)能和減排產(chǎn)生的收益。 大水箱的折扣凈收益低于小水箱，這表明收集的水量增加并不改變結(jié)果。 唯一的產(chǎn)生正凈收益的等級(jí)和情景是最小的水箱和僅室外用途。 這種情況下，收益超過(guò)成本大約6 480萬(wàn)美元。 其他尺寸的水箱，僅室外用途時(shí)，貼現(xiàn)凈收益均呈負(fù)值。

如果水價(jià)每年增加，結(jié)果則呈現(xiàn)戲劇性變化。 此時(shí)，室外用途情境下，所有尺寸水箱的貼現(xiàn)凈收益均呈正值，盡管最小水箱依然產(chǎn)生最高的貼現(xiàn)凈收益(15 180萬(wàn)美元)。 在水價(jià)提高的情況下，結(jié)果中差異最大的是室外用途情景和室內(nèi)用途情景。 開始時(shí)，208～379 L的貼現(xiàn)凈收益下降，之后，隨著水箱尺寸增加，貼現(xiàn)凈收益也增加。 最大水箱的貼現(xiàn)凈收益為4 900萬(wàn)美元。 就長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，提高水價(jià)并安裝更大的水箱可使得室內(nèi)水用途在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

總體而言，最小水箱的貼現(xiàn)凈收益最高。 如果項(xiàng)目時(shí)段內(nèi)水價(jià)不變，雨水收集系統(tǒng)室內(nèi)用途和室外用途的凈收益始終呈負(fù)值。 因此，模型表明，如果保持目前水價(jià)不變，雨水收集系統(tǒng)不應(yīng)該用于室內(nèi)用途。 如果水價(jià)有望每年至少提高5%，也可以考慮較大的水箱。 盡管效率最大的尺寸依然是208 L，但是必須考慮該小收集量對(duì)于室內(nèi)用途的實(shí)用性。

流域內(nèi)貼現(xiàn)凈收益的空間分布隨地理特征變化而變化。 人口密度和不透水面積大的子流域，貼現(xiàn)凈收益較高。 盡管地圖上無(wú)法看出，地理空間分析顯示，流域內(nèi)預(yù)測(cè)節(jié)水量、土地利用、不透水地面分布和貼現(xiàn)凈收益之間存在明顯空間關(guān)聯(lián)。

4 討 論

收益成本分析模型的分析結(jié)果表明，巴羅納克里克流域雨水收集計(jì)劃最具經(jīng)濟(jì)效率的水箱規(guī)格是208 L。 無(wú)論水價(jià)是否提高，這一水箱尺寸都是最高效的。 提高水價(jià)情景下貼現(xiàn)凈收益比水價(jià)不變情景高出3倍。 水箱成本低，因此收益可觀。

總體而言，收益的最大份額來(lái)源于節(jié)水(收集雨水替代飲用水購(gòu)買)。 例如，208 L水箱僅用于室外用途，總收益中年節(jié)水占70%(430萬(wàn)美元)，而節(jié)能和節(jié)碳分別占27%(170萬(wàn)美元)和3%(23萬(wàn)美元)。 這意味著，水價(jià)是確定最有效率政策的關(guān)鍵部分。 如果項(xiàng)目期間水價(jià)保持不變，無(wú)論水箱大小，收集雨水用于室內(nèi)用途是沒(méi)有價(jià)值的，盡管用于室外用途依然性價(jià)比高。如果水價(jià)每年適度提高5%，無(wú)論水箱大小，雨水收集系統(tǒng)凈收益都是正值。 舉例來(lái)說(shuō)，僅室外用途情景下，208 L水箱貼現(xiàn)凈收益為6 480萬(wàn)美元；當(dāng)水價(jià)提高時(shí)，相同情景下的貼現(xiàn)凈收益增加至15 180萬(wàn)美元。 流域內(nèi)供水價(jià)格是確定雨水收集和再使用收益最重要的參數(shù)。

收益成本分析應(yīng)視為保守估算。 正如前面提到的，收益成本分析不包括水質(zhì)、洪水減少或者個(gè)人滿足感等非市場(chǎng)價(jià)值之收益。 該分析采用的節(jié)能價(jià)值和碳價(jià)格非常保守。 因此，雨水收集系統(tǒng)的收益可能比本文估算值高。 同時(shí)，如果通過(guò)批發(fā)貼現(xiàn)降低水箱成本、或者水箱成本可以每年分?jǐn)傊Ц抖堑谝荒暌淮涡灾Ц叮商岣呤覂?nèi)用途效益。

5 結(jié) 論

針對(duì)在住宅建筑和商用建筑安裝雨水收集系統(tǒng)，以部分替代從市區(qū)水機(jī)構(gòu)購(gòu)買飲用水的可行性方案，本文提出了收益成本分析的方法。

研究發(fā)現(xiàn)，在巴羅納克里克流域，對(duì)于大部分尺寸的水箱，雨水收集收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了實(shí)施和運(yùn)行成本。 即使水價(jià)保持不變，廣泛采用僅用于室外用途的最小水箱的雨水收集系統(tǒng)，也是經(jīng)濟(jì)有效的。 對(duì)于室內(nèi)用途的較大水箱，水價(jià)保持不變時(shí)，成本不合理；但是，如果水價(jià)每年上漲，收益則超過(guò)成本。 因此，在確定采用雨水收集政策是否合理以及優(yōu)化執(zhí)行等級(jí)時(shí)，水價(jià)是關(guān)鍵因素。

該研究可為公共政策制定提供一種潛在的經(jīng)濟(jì)有效的方法，從而在不增加通常由納稅人承擔(dān)成本的管道水基礎(chǔ)設(shè)施投資的情況下，補(bǔ)充供水、加強(qiáng)水資源保護(hù)和減少資源使用。研究成果對(duì)于決策者和水管理者確定是否以及在何地鼓勵(lì)采用雨水收集系統(tǒng)具有重要價(jià)值。分析結(jié)果表明，流域內(nèi)預(yù)測(cè)的節(jié)水量、土地利用、不透水地面分布和貼現(xiàn)凈收益之間存在明顯空間關(guān)聯(lián)。 根據(jù)研究成果，市政工程師和水管理者只要依據(jù)流域現(xiàn)有土地覆蓋數(shù)據(jù)就可以確定優(yōu)先采用雨水收集系統(tǒng)的區(qū)域。 進(jìn)一步的分析可包括檢驗(yàn)不同水價(jià)上漲幅度和能源成本增加的敏感性、或者不同參與比例和季節(jié)性的敏感性，以確定是否存在導(dǎo)致額外收益大大增加的最小或最大水箱體積。 展開收益成本分析，考慮雨水量減少帶來(lái)的水質(zhì)和減洪效益，則可以提供更為全面的核算，并進(jìn)一步提高雨水收集系統(tǒng)的凈收益。

朱慶云 譯

(編輯：朱曉紅)

2016-11-24

1006-0081(2017)04-0021-05

TU823.6

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朱慶云，男，江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局，高級(jí)工程師，主要從事站網(wǎng)及水文分析計(jì)算工作。)