生态学报  2014, Vol. 34 Issue (3): 766-773

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林琛琛, 饶欢欢, 刘岩, 李京梅, 江毓武, 彭本荣
LIN Chenchen, RAO Huanhuan, LIU Yan, LI Jingmei, JIANG Yuwu, PENG Benrong
最大可允许填海面积模拟——厦门西海域案例研究
Modeling the total allowable area for coastal reclamation:a case study of Xiamen, China
生态学报, 2014, 34(3): 766-773
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(3): 766-773
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201209041246

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收稿日期:2012-9-4
修订日期:2013-3-4
最大可允许填海面积模拟——厦门西海域案例研究
林琛琛1, 饶欢欢1, 刘岩2, 李京梅3, 江毓武1, 彭本荣1     
1. 福建省海陆界面生态环境重点实验室,厦门大学环境与生态学院,厦门 361005;
2. 国家海洋局海洋发展战略研究所,北京 100860;
3. 中国海洋大学经济学院,青岛 266100
摘要:填海造地在解决海岸带地区发展空间短缺问题的同时,严重损害了人类赖以生存和发展的海洋与海岸带生态系统。如何控制大规模填海造地是我国面临的重大课题。构建了估算海湾最大可允许填海造地面积的分析框架和模型。填海造地的各种收益和成本,包括环境和生态成本被系统性地量化并嵌入到框架和模型之中。模型的估算结果可以为实施控制填海造地的约束机制提供科技支撑。利用建立的框架和模型对厦门西海域模拟的结果显示:当贴现率为4.5%时,厦门西海域最大可允许填海面积是89.44 hm2,其面积至少应该保持在44.52 km2;即便是使用8%的高贴现率,最大可允许填海面积也只占规划填海面积的35.83%;如果采用更加重视环境与生态效益的低贴现率2%,则厦门西海域最大可允许填海面积是0。
关键词最大可允许填海面积    最优填海位置    收益和成本分析    厦门    
Modeling the total allowable area for coastal reclamation:a case study of Xiamen, China
LIN Chenchen1, RAO Huanhuan1, LIU Yan2, LI Jingmei3, JIANG Yuwu1, PENG Benrong1     
1. Joint Key Laboratory of Coastal Study, College of Environment and Ecology Xiamen University, Xiamen 361005, China;
2. China Institute for Marine Affairs, State Oceanic Administration, Beijing 100860, China;
3. College of Economics, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract:While creating useful space for agriculture, industry, and urban development, coastal reclamation damages considerably the marine ecosystems which human-kind depends on. How to control the large-scale coastal reclamation is a great challenge in China. This paper presents an analytical framework and model to estimate the Total Allowable Area for Coastal Reclamation (TAACR) to provide scientific support for the implementation of a coastal reclamation restriction mechanism. Various benefits and costs, including the ecological and environmental costs of coastal reclamation, are systematically quantified in the framework. Model simulations are developed using data from West Sea of Xiamen. The results show that the TAACR in West Sea is 89.44 hm2 at a discount rate of 4.5%. Area of West Sea must be maintained at a minimum of 44.52 km2 so that the social well-being can be maximized. Under low discount rate, 2%, the TAACR is zero. Even with high discount rate, 8%, the optimal reclamation area is 157.97 hm2, about 35.83% of the total planned area.
Key words: total allowable reclamation    optimal reclamation area    benefit and cost analysis    Xiamen City    

因其高生物生产力和便利的交通条件,海岸带地区一直是人类活动的中心[1]。世界大约40%的人口、一半的生产和消费活动都集中在仅占陆地总面积10%的海岸带地区[2]。所有高人口密度的海岸带地区都面临着发展“空间赤字”问题,填海造地成为海岸带地区人们解决土地短缺问题的共同方式。在岛屿国家如日本、韩国、新加坡等,非岛国家如荷兰、德国、美国等均可观察到大规模填海造地活动[3]。填海造地意味着创造了更多的农业、工业和城市发展用地,然而这通常是以损害环境为代价的。海洋转变成陆地使得海洋和海岸带地区的自然属性发生永久性改变,严重破坏了人类赖以生存的海洋与海岸带生态系统[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

从20世纪中期开始的大规模填海造地,已经使我国约1.34万km2滩涂和浅海成为农业、盐场、海洋养殖、工业和城镇发展用地[11]。这导致近50%的滨海湿地和73%的红树林丧失,进而引起水生生物栖息地破坏、生物多样性减少和海岸带地区生产力下降,威胁到海岸带地区可持续发展[12, 13]

我国目前相关控制填海造地的法律法规的实施效果都不是很理想。2001年颁布的《中华人民共和国海域使用管理法》第33条规定的海域有偿制度为控制填海造地提供了经济刺激手段。但现有的填海造地海域使用金标准偏低影响了其作用的发挥[14];而第35条和36条关于用海项目海域使用金减免条款限制了经济刺激手段控制政府所实施的大型填海造地项目的功能;第18条规定的大型用海项目中央政府审批制度要求面积超过50公顷填海项目必须得到国务院批准。在实践中,大型填海造地项目的开发者往往把整个大项目分成若干个小项目来规避中央政府审批制度。1982年颁布(1999年修订)的《中华人民共和海洋环境保护法》第43条和47条规定海岸工程和海洋工程建设项目,包括填海造地项目必须进行项目环境影响评价(EIA)。项目环境影响评价往往只考虑单一项目的环境影响而没有考虑到所有相关项目的累积环境影响。单一项目对环境影响往往比较小因而容易通过环境影响评价审查。更为重要的是,大多数的填海造地项目都源于地方政府的发展规划。所以尽管中央政府再三要求严格限制填海造地,沿海省市仍然提出了大量的填海造地计划。

随着新一轮的沿海发展战略的开展 http://news.xinhuanet.com/local/2009-06/24/content_11573216.htm ,到2020年我国还有5780 km2填海造地需求,这无疑将对海洋与海岸带生态环境造成严重影响[15]。因此急需探索控制填海造地的有效途径,以协调填海造地需求和海洋与海岸生态系统保护的关系。其中的一种解决方案是建立类似国家耕地保护政策的填海造地“红线制度”[15]。填海造地红线制度意味着在充分考虑填海造地的多重收益和成本的基础上,确定每一个具体海湾必须保留的最小海域面积 考虑到海湾环境比开放海域的环境更加脆弱,所以本论文主要研究海湾最大可允许填海面积 。并以法律法规的形式将这一最小必须保留的海域面积确定下来。任何试图突破所设定的临界值的个人和单位,包括政府,必须首先修改法律。而修改法律这个既困难而又漫长的过程可以有效地控制大规模填海造地。

在海湾要实施填海造地红线制度,关键是在权衡经济发展和环境保护的基础上,估算出该海湾最大可允许的填海造地的面积。论文第二部分构建了估算最大可允许的填海面积的分析框架和模型;第三部分应用建立的方法和模型对厦门西海域最大可允许填海面积进行了研究;结论和讨论包括在论文的第四部分。

1 研究方法和模型 1.1 基本模型

理论上,估算最大可允许的填海造地的面积的基本思路是直观的。填海造地所形成的土地可用于工农业生产以及城市发展。这些可以促进社会福利的改善,增加社会收益。同时,填海造地涉及到一系列成本,包括环境成本,使得社会福利的减少。从整个社会角度来看,填海造地规划者的目标是通过选取最优的填海造地位置和面积来最大化社会净收益(总收益扣除总成本)。

社会净收益最大化问题可用以下非线性规划模型来描述:

式中,NB表示海岸围海造地的净效益;i (= 1,2,3,…,n) 代表填海位置;pi代表位置i填海形成的土地上生产的产品的价格;f(xi)是位置i填海形成的土地的生产函数;c(xi) 是位置i填海形成的土地生产的成本函数;k=(1,2,3,…,m)代表填海造地成本项;Ck(xi)表示位置i填海第 k种成本的成本函数;函数hi是位置i填海的约束条件,如填海规模约束、关键生境面积不减少等。它是关于x的线性函数。

以上非线性规划问题的最优解,x*i(在位置i的填海面积),必须满足Kuhn-Tucker条件。但是,Kuhn-Tucker条件是潜在最优解的必要条件,而不是全局最优解的充分条件。根据微观经济学一般理论,填海造地总成本函数以及所有单项成本函数为拟凸函数,填海造地收益函数为凹函数。这样目标函数是拟凹的。因此,拉格朗日量Hessian矩阵是半负定的,即存在唯一最大解。

方程(3)—(6)列出了所需的Kuhn-Tucker条件。

方程(3)中是最优性条件,方程(4)是可行性条件,方程(5)是松驰互补条件,方程(6)是非负条件。λi是拉格朗日因子,在经济学理论上被认为代表影子价格。

1.2 填海造地收益

在位置i,填海造地的收益体现在方程(1)的[pi×f(xi)-c(xi)]项中。它是填海形成土地上生产的产品的价值与将土地转化为产品的成本之差。在自然资源经济学中,这一差额是土地的租金或者土地的价格[16]。考虑到填海形成土地占现有土地总量的比重较小,可以合理假定填海形成土地的供给将不会影响现有土地的市场价格。因此填海形成土地的收益可以用相邻的、同类型的土地的市场价格来代表。

如上所述,填海土地能够有不同的用途。不同用途的土地价格是不同的。而且,不同区域的土地价格变化是显著的。如果知道填海形成土地各种用途的权重,位置i填海形成土地价格可用方程(7)来进行计算:

式中,j= (1,2,3,…,J)表示土地利用方式;i=(1,2,3,…,n) 代表填海位置;Pij 表示在位置ij使用方式的土地价格;sij位置i填海形成土地j使用方式的权重。

1.3 填海造地成本

填海造地的成本可以分为4个部分:(1)工程成本;(2)生态系统损害成本;(3)填海导致泥沙淤积产生的成本;(4)填海导致周边海域海洋环境容量下降而产生的成本。工程成本是指将被填海域变成可以马上使用的土地而发生的成本,可通过现场调查或者工程分析来估算。

海岸生态系统为人类提供了各种服务,比如提供食物和材料,营养物的存储和循环,净化内陆淡水系统的污染物,保护海岸线免遭侵蚀和风暴潮破坏,调节全球水文和气候,以及容纳和吸收废弃物等。填海造地将导致被填海域提供这些服务能力的消失,并对相邻海域及海岸生态系统提供上述服务的能力产生负面影响。估算填海造地对生态系统服务损害时,必须对海岸生态系统服务价值进行评估。

填海造地将改变海湾水动力条件,降低海湾纳潮量,从而将导致航道泥沙淤积的增加,增加清淤成本。清淤成本可以用来估算填海造地导致淤积而产生的成本。海湾纳潮量减少将降低海湾水体吸收、稀释、溶解污染物的能力。社会必须采取措施提高治理这些污染的能力。增加的污染处理成本可以用以估算因填海造地引起的环境容量下降而产生的成本。

1.4 收益和成本的年价值

在中国,土地价格反映了法律规定的土地最高使用年限的现值。例如,法律规定商业、住宅和工业用地的最高使用年限分别为40、70a和50a。其他的估算,例如生态系统损害成本,通常以年金形式表示。为了能够比较,论文分别估算了与填海造地有关的收益和成本的年价值。一次性收益(如土地价格)和成本使用以下公式转化成年价值。

式中,A是收益或成本的年价值;S 是相关的一次性收益和成本的现值;r是贴现率;n是年限。

一次性发生的填海造地的工程成本(CENG)在未来几乎无限期时期里将带来收益。相当于公式(8)中的n趋向于无穷大。所以填海造地工程成本的年价值(CENGA)计算公式为:

2 案例研究

厦门市位于福建省东南,台湾海峡西岸。作为海岸带城市,厦门的社会经济发展和人们福利的改善依赖海洋提供的资源、产品和服务。20世纪50年代以来的大规模填海造地使厦门125.74 km2的海域变成陆地(截止到2005年)。填海造地导致90%天然红树林消失,多种生物资源的自然栖息地遭到破坏或改变。填海造地与其他人类活动一起,使得海洋环境质量恶化、水体富营养化和相应的赤潮增加、渔业资源及其他海洋物种下降,以及航道淤积等。严重威胁到厦门的可持续发展。

即使在这种情况下,为应对经济快速发展、人口增长和城市化进程的加快而出现的空间短缺问题,有关部门仍然提出了20km2的填海计划,其中西海域的7个规划填海区(从WS1到WS7)规划填海面积4.41 km2(见图1,表1第2列)。西海域位于厦门城市的核心部位,长期以来是厦门社会经济发展的重心。大规模填海造地已经使海域面积从108km2缩小到45.41km2,纳潮面积减少了58%[17]。厦门迫 切需要研究海湾最大可允许填海造地面积及其位置,在此基础上,寻找有效途径确保各海域最小需要维持的面积,以维护海洋生态系统的健康和恢复力。

图 1 厦门西海域、同安湾填海规划区域和面积 图中阴影区为围海规划区,数字为规划填海面积(km2) Fig. 1 location and area of planned reclamation in West Sea and Tongan Bay of Xiamen

本部分利用建立的模型对厦门西海域最大可允许的填海面积及其位置进行了估算。论文以20a长期政府债券利率4.5%作为基准社会贴现率[18, 19]

2.1 填海土地的收益函数

根据规划,厦门西海域填海形成的土地主要是用于商业、工业和基础设施建设。为了建立填海土地的收益函数,本研究调查了与规划填海区域相邻的商业和工业用地的价格(表1)。填海形成的土地用于商业和工业的比例见表1。根据调查得到的数据和公式(7)、(8),计算得到各规划的填海区形成土地的加权平均年价格PAi(表1)。从而填海造地的收益函数为:

表 1 土地价格和填海造地收益 Table 1 Revenue of reclaimed land
区域
Location
面积Area
/hm2
不同使用的比例
Share of different uses
土地价格
Price of land/(元/m2)
平均加权价格
Weighted average price
(Pi)/(元/m2年)
商业Commercial工业Industrial商业Commercial工业Industrial
数据来源: ①,② 厦门市发展与改革委员会和厦门市海洋与渔业局; ③ 厦门市国土与房地产管理局和实地调查(用于基础设施的土地价格同工业用地价格)
WS1480.20.8295025037.95
WS21470.350.65295025056.92
WS3220.450.55295025069.57
WS4440.40.6295025063.25
WS51140.350.65295025056.92
WS6390.40.6295025063.25
WS7270.750.254150700155.66
2.2 填海土地的成本函数

(1)工程成本

根据关于厦门市填海项目的研究[20, 21],填海造地的工程成本为660元/m2。利用公式(9),计算得到工程成本的年价值为29.7元/ m2。因此工程造价的成本函数CENGAi(xi)是:

(2)生态系统损害成本

关于厦门海洋生态系统服务价值及海洋生态损害评估的研究较多[22, 23, 24],但是具体到每个海域的生态系统服务价值的评估尚少。厦门大学海洋与海岸带发展研究院[25]对厦门各海域的生态系统进行了识别,并对每一个海区的生态系统服务价值进行了评估(表2)。填海造地破坏了被填海域提供的所有这些服务。生态系统服务价值的损失是填海造地导致海岸带生态系统损害的成本。从而海岸带生态系统损害的成本函数CEDi(xi)为:

表 2 规划填海区的生态系统服务价值 Table 2 Value of ecosystem services of planned reclamation area
区域
Location
生态系统服务价值(ei)/(元·m-2·a-1)
Value of ecosystem services
数据来源:厦门大学海洋与海岸带发展研究院[25]
WS19.34
WS28.61
WS39.46
WS49.46
WS59.46
WS69.46
WS79.62

其中,ei是表2第2列所列的生态系统服务价值。

(3)环境容量下降和淤积成本

福建海洋研究所和海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学)[26]建立了厦门湾的水动力、泥沙沉积物以 及水质模型。利用这一模型可以模拟各种填海造地方案及其组合造成的泥沙淤积和纳潮量的变化。填海造地方案的组合是根据填海土地需求的先后顺序以累积叠加的形式设计的(表3)。通过模型估算得到的不同填海方案下每年航道泥沙淤积量和每个潮周期的纳潮量结果见表3。

厦门航道清淤的平均成本是29.7元/m3。以单位成本乘以泥沙淤积量,可得到不同填海方案下的清淤成本(表3)。不同填海方案下的环境容量的价值用下列公式计算,计算结果见表3:

式中,△c是西海域内部和外部COD的浓度差(△c的值是0.035mg/L[27]);v是纳潮量;c是去除COD的单位成本(c = 4300元/t[28, 29])。

使用表3的成本估算的结果,运用普通最小二乘法对边际成本函数进行估计。

表 3 不同填海方案的清淤成本和环境容量价格价值 Table 3 Dredging cost and value of carrying capacity of different reclamation scenarios
情景
Scenarios
方案
Schemes
填海面积
Reclamation area
/hm2
淤积量
Siltation/m3
清淤成本
Dredging cost
/104
纳潮量
Tidal volume
/106m3
环境容量价值
Value of environmental
carrying capacity
/104
1无填海015285974540416.58890.28
2WS63915340614556414.78852.00
3WS6+WS18715407864576412.58804.90
4WS6+WS1+WS310915434394584411.38779.98
5WS6+WS1+WS3+WS713615466954594409.98749.40
6WS6+WS1+WS3+WS7+WS525015594044631404.18625.60
7WS6+WS1+WS3+WS7+WS5+WS429415636424644402.38587.17
8WS6+WS1+WS3+WS7+WS5+WS4+WS244115782954688396.48460.38

方程(14)是边际成本函数的一般形式。△C表示增加的清淤成本或因环境容量下降的增加的清污成本;△x代表填海面积的增加。方程(15)和(16)分别是泥沙淤积边际成本函数和环境容量减少的边际成本函数。

2.3 最大可允许填海面积及位置

将前文得到的填海造地收益和成本方程的信息带入模型(1),并设计GAMS程序来求解模型(1)的填海造地净收益最大化问题。其中约束条件方程(4)hi max是每个区域的规划填海面积(表1)。结果表明在贴现率为4.5%时西海域最大可允许填海面积是89.44 hm2(表4)。此最优面积占规划的填海面积的20.28%。也就是西海域面积必须至少维持在44.52 km2才能达到社会净收益的最大化。这意味着从整个社会角度来看,现有的填海规划经济效率是低下的。

最优的填海位置和填海面积如表4所示。结果表明,在WS1区域填海造地是不可行的,WS2和WS5区最大填海面积必须控制在规划填海面积的8%以下。

表 4 估算结果和敏感性分析 Table 4 Estimation results and sensitive analysis
区域
Location
规划面积/hm2
Planned area
最大可允许填海面积Optimal reclamation area /hm2
4.5%8%2%
WS148000.00
WS21478.6230.00
WS32219.07220.00
WS44413.4631.860.00
WS51147.8522.250.00
WS63913.4631.860.00
WS72727270.00
合计44189.44157.970.00

为检查不同贴现率下最大可允许填海面积的变化,论文分别使用2%和8%两个贴现率进行了敏感性分析。如表4的第4列和第5列所示,分析结果对贴现率非常敏感。在2%的低贴现率下,最大可允许填海面积为0。在8%的高贴现率下,最大可允许填海面积是157.97hm2。由于海洋生态系统提供的服务分布的时间较长,这些环境效益是下一代以及下好几代人了利益。使用较低的社会贴现率更能体现下一代人的利益。所以在制定填海造地规划时应该采用较低的社会贴现率。同时需要指出的是,即使使用较高的贴现率8%,最优填海面积也只占规划面积的35.82%。西海域的面积必须至少维持在43.83 km2

3 结论和讨论

填海造地在为农业、工业和城市发展创造有用空间的同时,永久性改变了海洋和海岸环境的自然属性,损害了人类赖以生存和发展的海洋生态系统。决策者必需仔细权衡短期利益(满足土地需求)与长期利益(确保海洋和海岸带生态系统可持续利用)二者之间的关系。通过估算最大可允许填海面积及其位置,可以找到既能够满足当前社会经济发展的需又可以维持海岸生态系统的健康和恢复力的解决方案。论文构建的分析框架和模型涵盖了填海造地的多重利益及成本部分。从整个社会角度出发来考虑社会净福利,在分析框架中同时包含填海造地多种用途和环境生态效应、内部效应和外部效应是十分必要的。

估算结果显示当贴现率为4.5%,厦门西海域最大可允许填海面积是89.44hm2。即便是使用8%的高贴现率,最大可允许填海面积也只占规划填海面积的35.83%。如果采用低贴现率2%,则最大可允许填海面积是0。为了保持海岸生态系统为人类提供各种服务的能力,厦门市应重新审视目前的填海造地规划,使西海域面积至少44.52 km2。采用2%的低贴现率意味着更加重视长期的环境效益和后代的利益。因此政府决策时要尽可能采用低贴现率。

需要指出的是,由于数据的缺乏,填海造地的某些成本,如填海造地对相邻海岸生态系统服务造成的损害、填海造地导致环境容量减少造成的其他污染物(如氮、磷等营养盐)处理成本增加等,在经验估计中没有被包括。而海洋营养盐污染是我国近岸海域面临的严重环境问题之一。所以估算出来的最大可允许填海面积是能够填海的最大值。

虽然本研究是以厦门为案例,但是论文提出的分析框架和模型可适用于其他区域,也适用于不同规模填海造地方案的评估。最后需注意的是,模型估算出的最大可允许填海面积,或者最小必须保持的海域面积,必须通过法律规定下来,使之成为填海造地红线制度的一部分。这样才能确保填海造地得到有效控制。

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