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战略设计和雨水收集的资金成本效益

满足大规模城市供水基础设施需求

摘 要

随着集中供水基础设施在气候变化中日益不足，许多城市面临着水资源短缺和城市洪涝的双重问题。像雨水收集（雨水收集系统）这样分散的基础设施可以缓解这两个问题。然而大多数研究发现，雨水收集系统以高成本提供有限的基础设施能力。但是以前的评估没有考虑到两个关键优势：多功能和高适应性。我们对纽约市106万幢建筑进行了分析，这些建筑具有独特的设计和用水需求特征，并记录了20年每小时的降水。与现有研究相反，我们证明，在所有或部分建筑中，策略性地设计、融资和实施了屋顶雨水收集系统，能够满足大型基础设施建设对供水和雨水管理的需求。在43-96％的建筑中采用公私合作（PPP）的雨水收集系统实施，可以满足城市非饮用水需求的17-29％，同时减少每单位供水的公共支出13-85％。城市范围内的分布式雨水收集系统实现，每月可防止35-56％的屋顶径流进入污水系统、河流或水道。据观察，单次降雨的屋顶径流减少率高达90％。

关键词 雨水收集；基础设施分散；数据驱动的分析；公私合作伙伴关系　　

Strategic design and finance of rainwater harvesting to cost-effectively meet large-scale urban water infrastructure needs

Abstract

Many cities are confronted with both water scarcity and urban flooding as centralized water infrastructures becoming increasingly inadequate in a changing climate．Decentralized infrastructures like rainwater harvesting (RWH) can ease both issues．Yet，most studies find RWH offers limited infrastructure capacity at high cost． Previous assessments，however，fail to consider two critical advantages：multi-functionality and high adaptability．By improving the incorporation of these advantages in our analysis of 1.06 million buildings with distinct design and water demand characteristics and 20-year hourly precipitation records in New York City (NYC), we demonstrate，contrary to existing studies，that strategically designed, financed and implemented rooftop RWH systems in all or a subset of the buildings can meet large-scale infrastructure development needs for water supply and stormwater management．RWH implementation featuring public-private partnerships (PPP) in 43-96% of the buildings can serve 17-29% of the cityrsquo;s non-drinking water demands while reducing the public expenditure per unit of water supply by 13-85%．The distributed citywide RWH implementations prevent 35-56% of rooftop runoff from entering the sewage system, rivers, and/or waterways per month，with observed rooftop runoff reductions as high as 90% for a single rain event．

Keywords Rainwater harvesting; Infrastructure decentralization; Data-driven analysis; Public-private partnership (PPP)

目 录

第1章 介绍 1

第2章 材料和方法 4

2.1 研究背景 4

2.1.1 研究区域 4

2.1.2 模拟与评估期 4

2.2 屋顶雨水收集系统模型的质量平衡 4

2.3 按建筑类别建模需水量 5

2.3.1 建筑类 5

2.3.2 非饮用水需求 5

2.4 设计雨水储存池 6

2.5 评估雨水收集系统性能 8

2.5.1 性能指标 8

2.5.2 战略实施方案 9

2.5.2 空间展示 10

2.6 数据源 10

第3章 结果与讨论 12

3.1 所有建筑雨水收集系统具有较大的城市供水和径流减少潜力 12

3.2 雨水收集系统在建筑类内部和跨建筑类的异质财务表现 13

3.3 公共和私人资助计划下的雨水收集系统战略实施 14

3.4 改进了对雨水收集系统关键优势的考虑 16

3.5 模型的局限性和未来可能的工作 17

结论 18

作者的贡献 19

竞争性利益声明 19

附录a补充数据 19

参考文献 20

介绍

全球城市化和气候变化迫切需要在全球范围内开发更高效和可持续的城市水系统（各国，2019年）。到2050年，由于城市人口和财富的增长，全球城市用水需求预计将增长80％（Florkeetal，2018）。此外，气候变化将导致更多极端事件，如世界各地的洪水和干旱，从而进一步强调当前的水和非水基础设施（斯托特，2016年）。可持续城市水系统研究主要集中在低收入和中等收入国家，然而，高收入国家的城市也面临着类似但不同的挑战。在大多数高收入国家，饮用水处理和输送系统正在老化和腐烂，而关键的维护和维修积压或被忽视，造成了巨大的健康风险，与2004年华盛顿发生的令人意外的铅污染相当。而最近，伦敦破旧的水利基础设施问题因气候变化和人口增长而加剧（库珀，2019）。此外，饮用水系统面临压力，必须遵守更严格的水质标准和新确定的污染物，以保障人类健康（Canedo-Arguellesetal，2016；Rosario-Ortize等人，2016）例如，欧洲议会定期审查和更新欧盟水指令，如执行的适用于地表水的欧盟水质标准，最近将药品添加到新的观察名单（欧盟，2018年）。

雨水收集系统是一个可行但有争议的策略，它同时解决各种与水相关的问题。与现有的集中和单一用途的城市水基础设施不同，雨水收集系统是一种分散的多功能基础设施，可增加供水，替代用于非饮用目的的高质量饮用水，并减少雨水径流，而雨水径流是全球城市洪水和水污染的主要来源（Campisano等，2017）。雨水收集系统在各种供水和径流减少指标上的积极表现得到了很好的支持（Basingertal等人，2010；enenbach等人，2018；琼斯与亨特，2010；Rostad等人2016；Ward等人，2012；张等，2009）。一些研究还强调了雨水收集系统在由联合下水道系统（CSS）服务的城市中减少水质损害的能力，在这种情况下，未经处理的径流－污水混合物会在高降水期间溢出到河流或水道（Basingertal等人，2010；格温兹和尼亚玛扎沃，2014；Wang and Zimmerman，2015）。然而，大多数现有研究发现，雨水收集系统供水潜力低，单位成本高于集中供水（Basingertal等人；Farreny等，2011；罗巴克等人，2011）。因此，雨水收集系统改善城市供水系统的能力受到了挑战。　

然而，对雨水收集系统不利的评估是在没有公平地考虑分散式基础设施的关键优势：多功能和适应性的情况下得出的。大多数与水有关的基础设施的经济评估都隐含地假定了一个单一的“公用事业”，例如供水（Boers和Benasher，1982；Farreny等，2011；Roebuck等人，2011；维埃拉等人，2014）。这种单一的“效用”方法对传统的单一用途基础设施很有效，但低估了服务于多个基础设施需求的替代方案（如雨水收集系统）所实现的好处。对于雨水收集系统的高适应性的忽视更加微妙。首先，现有的大规模雨水收集系统研究基于单一尺寸的雨水收集系统配置，并假定在城市（Rostadetal，2016）或国家（enenbachetal，2018）无差别地实现全建筑。然而，雨水收集系统的性能取决于雨水池的大小（Imteaz等人，2011；琼斯与亨特，2010；Wang and Zimmerman，2015）和建筑需水模式（Basingeretal，2010；环境局，2010；Retamal等，2009）。也就是说，城市范围内雨水收集系统实施的性能可以通过根据建筑类别和针对具有良好雨水收集系统性能的建筑的策略来提高雨水池的大小。雨水收集系统对单个建筑的尺寸、成本和设计的可定制性在集中式基础设施系统中是不可能实现的。此外，其高度的可定制性和分散性允许具有不同设计和成本特征的雨水收集系统灵活联系，以满足各种规模的基础设施扩展需求。这些优点还使雨水收集系统的实施能够高度适应公共基金（如社会利益）和私人基金（如投资回报）的不同优先事项，最大限度地提高资本投资的社会经济价值。

在这种背景下，我们通过更公平地结合其多功能和高适应性的关键优势来检查大规模雨水收集系统实现的性能。为此，我们的研究在几个方面改进了现有文献。我们以前所未有的空间细节建立了全市雨水收集系统模型，考虑了纽约市１０６万座具有独特设计和用水需求特征的建筑。基于庞大而多样的建筑存量，我们根据我们的信息，通过建筑类别对雨水收集系统的节水效率和财务方面进行了最一致的评估。更重要的是，通过建筑级别的结果，我们能够确定精确的实施和资金策略，提高大规模雨水收集系统实施的财务绩效，潜在地超过集中式替代方案。我们首次揭示了公私伙伴关系（PPP）在提高大规模雨水收集系统实施的成本效益方面的潜力和重要性。

本文的内容如下。首先详细介绍了该方法和数据来源。接下来，我们在两个主要设计标准下，基于雨水收集系统在所有106万栋建筑中的实施进行评估：每个雨水收集系统的大小是为了实现最大的雨水产量（场景１，S1）或最大的效益－成本比（场景２，S2）。然后，我们提出一系列的战略推行方案，在不同的公私合作资助计划下，在部分楼宇推行雨水收集系统。

材料和方法

2.1 研究背景

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