海绵小区蓝绿基础设施的生态效益综合评估与应用潜力分析

李诗雨，柏云声，龚静仪，许 可，陈 钰，杨 青，李 慧，袁秋玲，孟凡鑫，范振林，刘耕源，5

（1. 北京师范大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100875；2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司，北京 100045；3. 广东工业大学环境生态工程研究院，大湾区城市环境安全与绿色发展教育部重点实验室，广东 广州 510006；4. 中国自然资源经济研究院，北京 101149；5. 北京市流域环境生态修复与综合调控工程技术研究中心，北京 100875）

面对暴雨内涝、生态破坏、水环境污染等生态环境问题，“海绵城市”已成为近10余年的研究热点，同时对海绵城市建设的争论也从未停止。海绵城市建设存在两种分歧：一是具有理论研究和国内外建设经验的研究者认为，海绵城市建设能够解决或在很大程度上缓解城市暴雨内涝等水问题；二是有研究者担心国家投入大量资金建设海绵城市未达到预期效果。例如，2016年年底，据《中国经济周刊》不完全统计，纳入海绵城市建设试点的30个城市中，有19个城市发生内涝，占比63%[1]。所以，建设很重要，评估建设效果更为关键。2015年，住建部颁布了《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》，其中规定了指标可以从水生态、水环境、水资源、水安全、制度建设及执行状况、显示度6个方面来衡量，但未明确易于定量的实际考核指标。目前，已有不少学者对海绵城市建设效果的评估方法进行了研究。除简单的通过“径流总量控制率”“下沉式绿地覆盖率”等易获数据进行粗略评估的方法外[2]，目前综合的评估方法主要为指标体系建立法和模型模拟法。指标体系建立法多采用多种指标选择和基于权重设定进行综合指数计算的方法。董淑秋等[3]通过“雨水利用强度指标值”，从调蓄径流带来的水资源节约和净化设施带来的污染物减少的角度，评估了海绵生态系统的价值。谭术魁等[4]则进一步纳入经济这一维度，用熵权法建立了“市政-经济”系数，通过市政实施建设和经济发展水平的一致性和量比程度来判断城市的排涝能力。也有学者系统考虑了经济、社会、环境等因素建立的综合指标体系。例如，方宇婷[5]利用基于信息熵的逼近理想解排序评价法来评价海绵城市不同建设方案的综合效益。但上述方法均未进行实例验证，缺乏对评估效果的讨论。高峰等[6]认为上述指标体系建立法均未能从海绵城市的内涵出发，指标间缺乏联系，评估止于形式；提出构建水文特征定量评估概念模型，从侧面反映经济、技术、政策的投入与海绵城市建设的影响。这就延伸到了第二类海绵城市建设效果的评估方法——模型模拟法。例如，由阳等[7]利用模型进行了参数的模拟评估以验证海绵城市的建设效果。范玉燕等[8]基于一二维水动力模型模拟海绵城市改造前后的效果对比。

蓝绿基础设施是海绵城市及海绵小区建设的重要工程措施，也是评估海绵城市建设及海绵小区效果的对象之一。美国佛罗里达州的土地保护报告[9]中提出，绿色基础设施是一种水土耦合的系统，具有维持自然界循环、保护与维持人与自然各类生物和资源的重要作用。蓝绿基础设施是指与城市雨洪管理有关的传统排水管网、蓄滞设施及污水处理设施[10]，也提供良好的生态服务，可以促进河流湖泊的自我净化、海绵城市的建设、气候变化的应对与生物多样性的保护[11]，提高城市环境水平，并能够让其成为居民宜居性的关键组成部分[12]，对居民的身心健康也有重要影响[11]。国内外对于蓝绿基础设施评估研究日益增多，其评估方法主要为社会调查法、模型模拟法和生态方法等。社会调查法主要是运用调查问卷、专家访谈等方式获得感知数据进行评价，常常与模型模拟法和生态方法结合使用，比如成本-效益货币分析[13]。模型模拟法包括运用SWMM模型进行流域尺度的水文模拟来评价雨洪管理效益[14]；MIKE FLOOD模型将一维和二维动态耦合，反映城市水流运动[15]；InVEST模型通过模拟不同土地覆被情景下，生态系统服务物质量和价值量的变化来实现生态系统服务功能价值定量评估的空间化[16]；CITYgreen模型以RS和GIS为技术基础，进行绿色空间生态服务价值量化计算[17]等。生态方法主要包括使用EcoMetrix来描述研究区的生态系统服务和流出[18]；利用GVC（国家绿色值计算器）将BGI（Blue-Green Infrastruc ture，蓝绿基础设施）的性能、成本、效益和传统雨水管理效果进行比较[19]；i-Tree也是生态方法中的重要评估工具，能够量化城市树木的生态效益，进行定量分析与比较[20]；ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）和 NAIS（The Natural Assets Information System） 都是基于GIS开发的、应用于生态系统服务评估的生态方法[18]。上述方法存在数据收集难、数据要求高、评价的生态效益不全面、无法多维比较等问题。本文使用能值分析法进行生态效益评估，将各类生态服务功能统一量纲核算并进行衡量比较，更加适用于城市蓝绿基础设施多类生态效益的评估。将经济效益和社会效益耦合生态效益，共同纳入蓝绿基础设施的评估是未来的趋势之一，有助于社区尺度蓝绿基础设施的建设[19]。

综上所述，海绵小区建设具有环境效益、生态效益和社会效益，不同的蓝绿基础设施之间互相关联，目前还尚未出现充分考虑多效益及关联性的蓝绿基础设施建设效果评估框架。基于2018年《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345-2018）重点考察的水环境效益，应充分考虑蓝绿基础设施作为微观生态系统本身的生态性，以及这些基础设施与人群密集接触的社会性[21]，形成完整性的评估体系。

1 方法构建

1.1 海绵小区蓝绿基础设施生态效益的正负性与环境效益的关联性

海绵城市的建设分为宏观、中观和微观（小区）三个尺度，其中微观建设也就是蓝绿基础设施建设中最为基础的部分。本文对每种蓝绿基础设施单位面积提供的生态服务价值进行核算，其中，海绵小区蓝绿基础设施分为4种类型：湿地类（A）,草地类（B），特殊类（C），森林类（D）。对应核算的生态系统服务包括增加生物量、固碳释氧、补充地下水、调蓄水量、调节温湿度和净化大气，对由于植被自身释放VOC所带来的负服务进行了核算抵消。

本文拟采用能值分析法定量化评估海绵小区蓝绿基础设施生态效益。能值分析法是用于环境核算的主要方法之一，能值是某种流动或储存的能量中所包含的另一种能量的数量，即形成一种产品或服务的过程中直接或间接消耗的各种太阳等效能量的总和[22]。能值分析法的优势是通过能值转化率将不同等级、不同类别的物质或能量转化为统一的衡量单位，从而解决当前生态系统服务核算中缺乏共同度量尺度的问题。能值分析法通过对物质流动和能量传递的细致剖析，能够重新理解生态服务及负服务的产生，相较于经济学方法更加适用于核算自然生态系统的生态产品。本文使用的能值核算公式可参考刘耕源等[23]的文章。

1.2 海绵小区蓝绿基础设施的社会效益评估方法

本文除考虑通过相关系数与数据定量计算的生态服务外，同时基于人本感受下，前往调研小区进行有关居住感受、海绵建设情况满意度等方面的居民问卷调查，以及小区进行海绵化改造或建设所产生的经济费用的调研。问卷设计旨在调查海绵小区居民的海绵化建设认知和参与情况，以及海绵化改造后的居住感受，涵盖公众参与、海绵城市建设或改造效果、整体居住情况与感受三方面的相关问题，对于问卷结果进行赋值评价而获得社会效益评估结果。经济效益评价依据调研所得的建设成本和日常维护成本进行。

1.3 综合评估指标

将各类设施和小区进行比较，先对小区内各类设施的单位面积生态服务能值和单位面积投资额进行加权平均处理，依据各类设施的面积进行权重分配，公式如下：

针对生态服务，xk为某小区各类设施生态服务的单位面积总能值，fk为对应设施的面积。针对投资额，xk为某小区各类设施的单位面积投资额，fk为对应设施的面积。

考虑生态效益和经济效益，即一单位投资额所带来的单位面积生态服务能值的多少，定义为生态-经济效益比，用来衡量各小区及各类设施的效益成本。计算公式为：

利用数据统计中的极差变换法，对生态、经济的单位面积平均值和社会问卷调查的得分平均值进行数据变换，并计算三者的平均分，来进行各小区的综合生态效益评价。

x为各小区的生态服务单位面积平均值/投资额平均值/问卷结果平均值，x′为进行数据转换后的结果。其中由于经济效益与投入额为负相关，故经济效益经极差转换后所得结果应为负数。

具体评估逻辑如图1所示。

图1 小区海绵化改造综合评估框架图

1.4 调研区选择与参数说明

本研究调研的20个小区分布在7个城市，分别是北京、山东青岛、广西南宁、江西萍乡、福建厦门、湖南常德和湖北武汉，由于分布地区、城市不同，其自然环境、经济条件、人文环境均有所差异。

2 结果

2.1 单位面积蓝绿基础设施生态效益比较

从设施发挥的生态服务水平分析，湿地类设施的生态服务明显高于其他类型，主要表现在高的调蓄水量功能。森林类设施与草地类设施的生态服务水平相当，其平均值分别是湿地类设施的39.2%和28.9%，主要为增加生物量。森林类设施还具有较高的调节温湿度和净化大气的作用，相对于草地类，具有更为综合的生态效益。特殊类设施发挥的生态服务较小且单一，仅为湿地类生态服务的1.17%，以调蓄水量和补充地下水为主。

对小区同类设施的生态效益进行比较。湿地类设施，南方小区的平均生态效益为北方小区的1.64倍，其生态效益明显高于北方小区，主要原因是湿地类设施在降水量较大的南方能够发挥更好的调蓄水量功能。草地类，各个小区单位面积能值大致一致，无明显的南北差异，原因在于草地的主要生态服务体现在增加生物量上。特殊类，南方小区为北方小区的2.36倍，其生态效益明显高于北方小区。森林类，涉及的生态服务类型多，但南北方差异较小。

2.2 海绵小区蓝绿基础设施的生态-经济效益比较

本研究核算了20个小区进行海绵城市建设或改造的经济投入。可以发现北京的3号小区单位面积投资额最高，为1523.7元；位于南宁的12号小区经济投入最低，为285.4元。20个小区的平均单位面积投资额为508.56元；常德的9号小区和武汉的20号小区均为该城市相对较高档的小区，各方面的投入也相对较高。小区的单位面积投资额还受改造设施数量和类型的影响，改造面积较大、改造数量多的小区，单位面积投资额相对较低。

对各小区的生态-经济效益比并进行比较（表1）。湖南常德的7号小区比值最高，生态-经济效益最佳；北京的1号小区比值最低，生态-经济效益最差。总体来看，南方城市的生态-经济效益比大于北方城市的生态-经济效益比，约为北方城市的1.89倍。各小区湿地类、特殊类和森林类设施的生态-经济效益比各有高低，无明显的南北差别，因各小区的档次、改造设施而异。北方小区草地类设施的生态-经济效益比低于南方小区。

表1 各小区单位面积平均生态效益和平均投资额

对20个小区的生态-经济效益比分析发现，一个城市的海绵化建设或改造所需要的资金投入与其经济地位、建设难度、改造范围等因素相关，且城市中的小区除上述因素外，还受小区的档次、类型、地段等因素的影响。同一个城市中的蓝绿基础设施所带来的生态效益相差不大，而城市间受自然条件差别的影响，其生态效益会产生一定的差别。

2.3 海绵小区的社会影响分析结果

7个城市共收集了近700份问卷，其中有效问卷为651份。所有问卷中最高分为35分，平均分为20.62分，7个城市调查的小区居民对小区海绵化改造的满意度并不高。小区平均分中，常德10号小区得分最高，为24.81分；厦门16号小区得分最低，为18.76分。北京、青岛、厦门和武汉的小区平均分在整体平均分之下，得分相对较低。而常德和萍乡的各小区问卷平均分在整体平均分之上，满意度相对较高。

从具体题目得分情况来看，居民的整体居住感受得分情况良好，而对于海绵小区改造的知情度，虽然所选小区均为政府公开文件中的海绵化改造小区，但从问卷调查结果看，并未达到100%知情。得分最低的为支付意愿，多数居民表示不愿意对海绵城市建设或改造进行支付，少部分选择愿意支付较低的金额数，这与小区的海绵化改造效果、小区档次、城市居民收入水平相关，厦门和武汉的5个小区支付意愿得分较高。对于海绵化改造后的社会效益来看，得分较高的为路面积水情况和绿化覆盖情况的改善，雨水收集情况和水体污臭改善得分次之，小区居民对空气质量和气温调节的感受较弱，得分也较低。

2.4 综合效益分析

利用极差变换法，对各小区生态服务的单位面积平均总能值、单位面积投资额、问卷调查的平均得分进行数据转换，计算平均得到各小区综合生态-经济-社会三方效益的评估结果。根据得分进行排名，常德的4个小区排名领先。其次为萍乡、厦门、青岛、南宁、武汉小区，北京的小区排名相对靠后。整体趋势为南方城市领先北方城市，但其中有特例出现，如厦门的16号小区（倒数第二位），原因可能与小区在海绵化改造的实际成效有关，该小区的居民问卷调查结果最低，居住感受较差。

表2 各小区生态-经济-社会得分及排名情况

3 讨论

研究结果表明，蓝绿基础设施的选择与区域的气候特点关系较大。南方城市雨水多，雨季长，希望能够有效缓解路面积水、洪涝灾害等；而北方城市降雨量少，大部分城市并无常年路面积水，主要目的在于应对突发性暴雨，以及提高整体生态效益。为此，南方城市首推湿地类基础设施，特殊类次之，原因在于能够发挥较好的雨水调蓄功能，且观赏性高、应用性广；森林类和草地类由于雨洪管理效果较弱，不推荐优先应用，但可适当用以提升生态效益。北方城市优先推荐草地类，特殊类次之，因为能够很好地进行雨洪管理，解决暴雨天气路面积水问题，又能满足缺水地区的保水需求；森林类和湿地类不能在北方发挥出最大效益，故不推荐应用。

4 结论

本文构建了海绵小区生态-经济-社会综合效益的综合评估方法，调研7大城市20个小区。研究发现：①湿地类设施单位面积的生态效益最高（调蓄水量）；森林类、草地类次之（增加生物量）；特殊类也具有调蓄水量的功能，但无其他生态效益。森林类设施单位面积的生态效益为湿地类的39.2%；草地类为28.9%；特殊类最小，仅为湿地类的1.17%。②综合考虑生态-经济-社会三方效益，蓝绿基础设施的综合效益表现出明显的空间异质性，南方城市的小区综合效益明显好于北方城市的小区，发挥的生态效益更大，单位投资下生态效益更好，居民的反馈更积极，综合评价也更高。

目前海绵小区蓝绿基础设施建设的评价指标不全面，缺少对生态效益和社会效益的评价，难以真正反映海绵城市建设的效果，也未准确反映居民的生态需求与居住感受。同时，中国地域辽阔、气候差距大、空间异质性强，若全国实行海绵小区建设统一评价标准，难以体现由于自然本底环境带来的空间异质性，因此，南北方的海绵小区建设需要针对降雨量选择不同类的设施。在效果评估方面可在现有《海绵城市建设评价标准》指标的基础上进一步补充生态系统服务类指标和社会类指标，并考虑污染指标与生态系统服务指标的关联性，以及生态-经济-社会三方效益的平衡性。同时，由于自然情况和地方经济发展水平的不同，居民的需求也不同，南方居民需求多在于雨洪管理、景观需求等，北方居民则更多是保持水土等需求。所以，对于各地海绵小区蓝绿基础的设施建设选择应因地制宜，并深入调研居民需求，可以在提升生态、环境效益的同时，获得更高的满意度。