中国不同气候区雨水收集系统的经济可行性评估与参数敏感性分析

为解决城市水资源短缺与极端降雨双重挑战，研究人员基于Infoworks ICM模型，对中国乌鲁木齐(半干旱)、保定(半湿润)和汕头(湿润)三地的雨水收集系统(RWH)进行30年长期模拟，结合粒子群优化(PSO)算法和多变量非线性回归，定量分析储水池最优容积与绿地率、道路比等参数的关系，发现净现值(NPV)和效益成本比(BCR)随容积呈先增后降趋势，并通过Sobol敏感性分析揭示贴现率和水价对设计参数的关键影响，为海绵城市建设提供精准设计依据。

　　

在全球气候变化背景下，城市正面临干旱与极端降雨的双重夹击。随着城市化进程加速，水资源短缺问题日益严峻，传统供水系统已难以满足需求。雨水作为一种易获取、低污染的非传统水源，其收集利用系统(RWH)成为缓解水资源压力的重要手段。然而，中国幅员辽阔，从西北干旱区到东南湿润带，不同气候区的降雨特征差异显著，这使得雨水收集系统的经济效益评估充满挑战。当前研究多聚焦单一气候区，且缺乏对经济参数与地理特征的系统性分析，导致储水池设计往往陷入"太小不够用，太大浪费钱"的困境。

针对这一难题，北京工业大学的研究团队在《Water-Energy Nexus》发表了一项突破性研究。该团队选取乌鲁木齐(年降雨201.5mm)、保定(467.7mm)和汕头(1569.5mm)作为半干旱、半湿润和湿润气候区的代表，构建了基于道路喷洒和绿地灌溉的雨水利用模型。通过Infoworks ICM水力模型进行30年长期模拟，创新性地将粒子群优化算法(PSO)与多目标规划相结合，同步优化净现值(NPV)和效益成本比(BCR)两个经济指标，并建立储水池容积与下垫面特征的定量关系模型。

研究采用三项关键技术：首先运用Infoworks ICM建立水文水力耦合模型，模拟不同气候区典型平水年的雨水收集过程；其次采用粒子群算法(PSO)求解多目标优化问题，确定使NPV+BCR最大化的最优储水池容积；最后通过Sobol全局敏感性分析，量化绿地率(a)、道路比(b)、水价(Dt)、贴现率(n)等参数对设计容积的影响权重。

经济分析揭示气候依赖性规律
模拟结果显示，三个城市的NPV和BCR曲线均随储水池容积呈"先升后降"趋势。在未设置排水的情况下，汕头、保定和乌鲁木齐的NPV正值对应容积范围分别为0-150m³
、0-100m³
和0-50m³
，反映出降雨量对经济收益的直接影响。值得注意的是，当储水池设置3-5天排空机制时，三地NPV拐点分别出现在78m³
、104m³
和130m³
，表明排空周期显著影响系统经济性。

多变量模型精准预测最优容积
研究建立了容积与下垫面特征的定量关系：乌鲁木齐Z=(11.551-16.89a²
-8.646ab-2.653b²
+5.157a+7.268b)M，保定和汕头的公式同样呈现高度非线性(R²

0.98)。当绿地率35%、道路比30%时，三地2公顷地块的最优容积分别为24.11m³
、76.14m³
和148.32m³
，证实容积设计与降雨量呈正相关。

敏感性分析揭示关键参数
Sobol分析显示：乌鲁木齐系统对绿地率最敏感(敏感度>0.15)，而汕头系统主要受排空天数影响。值得注意的是，贴现率在所有城市均表现出高强度敏感性，当其从3%升至10%时，最优容积可缩减30%以上。水价波动则呈现区域差异性，在汕头每上涨1CNY/m³
可驱动容积增加15m³
。

这项研究首次建立了跨气候区的雨水系统经济评估框架，提出的容积计算公式已被纳入《海绵城市建设技术指南》。特别值得关注的是，研究发现半干旱区的储水池设计应优先考虑绿地率变化，而湿润地区则需严格控制排空周期(2-4天为宜)。研究团队建议：在发展中国家采用高贴现率(8-10%)的背景下，可通过动态调整水价来平衡系统经济性，这对推动联合国可持续发展目标(SDG6)的实现具有重要实践意义。