基于生命周期的區(qū)域圍填海存量分析方法研究

方 劍, 劉百橋, 劉利東, 黃秋雙, 付陽子

(天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 天津 300387)

21世紀初期的10多年間, 中國的圍填?；顒邮只钴S, 圍填海規(guī)模迅速增長。圍填海活動在給中國沿海地區(qū)帶來豐厚經(jīng)濟效益的同時, 也產(chǎn)生了發(fā)展過于超前、存量過多、資源閑置等問題。為進一步加快推進海洋生態(tài)文明建設[1-2], 國家和各級地方政府先后依法頒布了系列圍填海管控政策文件[3-5], 要求在保護海洋生態(tài)環(huán)境的前提下, 摸清當前圍填海歷史成因和存量, 并以圍填海存量合理、高效利用為目標, 根據(jù)圍填海存量的工程狀態(tài)和海域使用權屬情況, 穩(wěn)妥制定圍填海資源閑置方案。原則上, 對尚未完成填海成陸的區(qū)域, 要求能不填的不填、能少填的少填、能恢復的恢復; 對已經(jīng)成陸的區(qū)域, 要求加快集約利用。同時要求進行必要的生態(tài)修復。

作者認為對圍填海存量的處置不能搞一刀切, 應根據(jù)區(qū)域圍填海存量特征因地施策。目前對于圍填海存量的研究主要是從其內涵、成因及存量分類等角度出發(fā), 結合各種數(shù)理統(tǒng)計結果, 探討合理高效利用存量資源的途徑。劉大海等、金左文等[6-7]對圍填海存量的內涵、形成原因進行了分析, 并就其形成機制和收回制度進行了研究。索安寧等[8]利用高分辨率遙感影像將圍填海存量資源分為圍而未填、填而未建、低密度建設區(qū)域、低洼坑塘、低效鹽田和低效養(yǎng)殖池塘6種類型, 并分析了各類的面積占比和成因。武紅慶[9]分析了錦州灣25年的圍填海變化, 給出圍填海資源需要高效利用的建議。艾彬等[10]和Chu等[11]等運用生命周期理論研究了珠江口和天津濱海地區(qū)圍填海的歷史演進過程?？蔓惸鹊萚12]和龐琳[13]等根據(jù)圍填海存量資源的開發(fā)強度, 計算了動態(tài)度指數(shù), 提出了圍填海資源需要科學評價和高效利用的建議。

以上圍填海存量相關研究的對象主要局限于其空間規(guī)模, 未考慮圍填海存量在各種工程狀態(tài)的持續(xù)時間。實際上, 圍填海存量是在圍填海區(qū)域發(fā)展過程中逐步形成的, 圍填海存量的持續(xù)時間反映了該地區(qū)圍填海資源的閑置程度和消化利用能力。某區(qū)域圍填海存量持續(xù)的時間越久, 說明資源的閑置程度越嚴重,圍填海存量消化利用的能力也越弱, 圍填海存量處置的難度也越大。為此, 作者引用生命周期理論, 在圍填海存量空間規(guī)?；A上進一步考慮圍填海存量各工程狀態(tài)的持續(xù)時間, 提出圍填海存量時空規(guī)模概念,并將其作為衡量圍填海存量消化利用壓力的指標, 選取曹妃甸經(jīng)濟區(qū)和天津南港工業(yè)區(qū)開展實證研究, 探討區(qū)域圍填海存量分析方法的適用性。

1 圍填海存量內涵與界定

圍填海是指以填海造地為目的的圍海和填海,不包括港池、圍海養(yǎng)殖等不以填海造地為目的的半封閉或全封閉圍海。國內外關于圍填海存量和圍填海資源閑置問題的認識與研究, 多數(shù)停留在圍而未填和填而未建狀態(tài)的圍填海空間規(guī)模上, 而對圍填海工程建設必須經(jīng)歷的階段、工藝要求和所需時間周期等缺少系統(tǒng)的評價。圍填海的發(fā)展是一個動態(tài)過程, 需要經(jīng)歷“圍-填-建”等多個工程階段, 即先從圍海到填海成陸, 再經(jīng)歷自然沉降、地基處理, 最后用于建設的過程。此過程可看成圍填海的出生、成長和消亡過程, 可認為是圍填海的生命周期。

生命周期概念[14-15]最早被運用于社會學和心理學范疇, 原指一個對象的生老病死。目前這個概念的應用已被泛化, 特別是在政治、經(jīng)濟、環(huán)境、技術、社會等諸多領域經(jīng)常被應用。

對圍填海工程發(fā)展過程的動態(tài)監(jiān)測主要依據(jù)的是遙感影像。從圍填海的生命周期來看, 遙感監(jiān)測到的區(qū)域圍填?；顒颖憩F(xiàn)為部分圍海、完成圍海但未填成陸、成陸但未利用、開始基礎設施但未建成、實際建成等多種工程狀態(tài), 對應著圍填海前期改變海域自然屬性和后期開發(fā)利用的程度。根據(jù)以上狀態(tài)特征, 并考慮圍填海行政管理的關注重點以及遙感影像對圍填海動態(tài)的監(jiān)測能力, 作者將圍填海劃分為“半封閉圍?！?、“圍而未填”、“填而未建”、“基礎建設”、“建成利用”5個工程狀態(tài)。

圍填海存量是指尚未建設利用(未達到“基礎建設”和“建成利用”狀態(tài))的圍填海, 即為“半封閉圍?！?、“圍而未填”、“填而未建”3種狀態(tài)的圍填海總和。圍填海存量中各工程狀態(tài)的圍填海影像特征及界定標準見表1。

表1 圍填海存量工程狀態(tài)界定標準與影像特征示例Tab. 1 Examples of the criteria for defining the state of reclamation projects and image characteristics

2 圍填海存量特征分析方法

區(qū)域圍填海存量分析應考量3個方面: (1) 圍填海存量的空間規(guī)模; (2) 圍填海存量各工程狀態(tài)的持續(xù)時間, 本文稱之為圍填海存量的年齡; (3) 圍填海存量在時間和空間雙重維度的綜合表征, 即本文所指的圍填海存量時空規(guī)模。

2.1 空間規(guī)模統(tǒng)計

圍填海存量空間規(guī)模是指其面積, 主要通過遙感影像解譯獲得。作者將圍填海面積按圍填海工程狀態(tài)進行細分統(tǒng)計。

由于吹填工程結束后的自然沉降和降水等原因,部分填海成陸區(qū)會出現(xiàn)水體覆蓋現(xiàn)象, 在當期影像中呈現(xiàn)圍而未填的特征。為此作者通過圍填海過程追溯, 結合現(xiàn)場勘查進行圍填海工程狀態(tài)核定, 將雖然存在表面積水, 但從底高程看已經(jīng)基本成陸,且從歷史影像看也曾判定為填而未建狀態(tài)的區(qū)域,判定為填而未建狀態(tài)的圍填海存量。

2.2 圍填海存量年齡計算

圍填海存量各工程狀態(tài)所持續(xù)的時間對應著圍填海在各工程階段的進展速度。作者依據(jù)生命周期理論引入圍填海存量的正常年齡和平均歷史年齡兩個指標, 來表征區(qū)域圍填海存量各工程狀態(tài)的理論所需時長和平均實際持續(xù)時長, 以此來判斷區(qū)域圍填海的開發(fā)程度或閑置狀況。

2.2.1 圍填海工程狀態(tài)正常年齡計算

根據(jù)生命周期理論, 客觀上圍填海各工程狀態(tài)都需要持續(xù)一定的時間周期?？紤]所在區(qū)域自然條件、圍填海方式、填料及來源等因素, 在正常條件下, 圍填海各工程狀態(tài)所持續(xù)的時間周期即所謂的正常年齡。

圍填海工程的理論成長過程見圖1, 圖中所示為正常條件下圍填海各工程狀態(tài)轉化為最終建成利用狀態(tài)的面積變化。t1為從“半封閉圍?！钡健敖ǔ衫谩钡母鞴こ虪顟B(tài)面積累加與“圍而未填”到“建成利用”的各工程狀態(tài)面積累加的時間差, 其反映的是“半封閉圍?！睜顟B(tài)的正常年齡; 類似,t2、t3分別為“圍而未填”、“填而未建”狀態(tài)的正常年齡。對于不用地區(qū)而言, 正常年齡可以衡量地區(qū)之間圍填海開發(fā)的條件適宜性, 正常年齡越短說明該地區(qū)圍填海資源利用的綜合條件越好, 反之則反。

圖1 圍填海工程理論成長過程示意圖Fig. 1 Schematic of the theoretical growth process for reclamation engineering

某工程狀態(tài)的圍填海正常年齡的統(tǒng)計步驟為:(1) 確定已經(jīng)由本工程狀態(tài)向后一狀態(tài)轉化的圍填海區(qū)域。(2) 統(tǒng)計這些區(qū)域中本狀態(tài)的平均持續(xù)時間, 即為本工程狀態(tài)對應的正常年齡。鑒于遙感影像的間隙性, 正常年齡統(tǒng)計結果按整年計量。

2.2.2 圍填海存量平均歷史年齡計算

區(qū)域圍填海存量平均歷史年齡是指所有圍填海區(qū)域(不論已被建設利用還是處于閑置狀態(tài))在某種工程狀態(tài)的持續(xù)時間。同一地區(qū)內, 圍填海各工程狀態(tài)的平均歷史年齡可用來判斷圍填海的閑置情況,當其超過該狀態(tài)的正常年齡時, 說明該區(qū)域圍填海在此工程狀態(tài)存在超前發(fā)展和資源閑置問題, 超過得越多, 說明閑置程度越嚴重。“平均歷史年齡”的具體計算流程見圖2, 計算方法如下。

圖2 圍填海存量平均歷史年齡計算流程Fig. 2 Calculation process for the average historical age of marine reclamation stock

(1) 將每年度的圍填海圖斑矢量數(shù)據(jù)做柵格化處理, 形成柵格圖層, 并按5種圍填海工程狀態(tài)分別賦值, 值域見圖2a。

(2) 將各年度賦值后的數(shù)據(jù)柵格圖層進行空間疊置運算, 累加計算區(qū)域圍填海各工程狀態(tài)的累計值, 計算過程如圖2b～圖2d所示。

(3) 對上述計算所得累計值圖層按圖2d的規(guī)則分別提取每個柵格各圍填海工程狀態(tài)的“歷史年齡”(XX)。

(4) 針對每個圍填海工程狀態(tài), 統(tǒng)計所有柵格的“歷史年齡”總和A, 并統(tǒng)計出現(xiàn)過該工程狀態(tài)及跨越該狀態(tài)向后演進的柵格數(shù)之和B。

(5) 針對每個圍填海工程狀態(tài), 利用(4)的統(tǒng)計結果計算“平均歷史年齡”YS, 計算公式為:

2.3 圍填海存量時空規(guī)模計算

圍填海存量資源需要采取積極的管控措施和科學的處置方案推進消化利用和生態(tài)建設。作者認為科學評估區(qū)域圍填海存量處置壓力是制定處置方案的重要依據(jù)。為此, 將圍填海存量面積與轉化為“基礎建設”狀態(tài)前所需時間的乘積作為圍填海存量的時空規(guī)模, 用以表征區(qū)域圍填海存量處置壓力。

圍填海存量的時空規(guī)模計算方法如下:

(1) 圍填海存量時空總規(guī)模FS

用圍填海存量時空總規(guī)模FS反映區(qū)域內圍填海存量處置面臨的整體壓力。計算公式為:

式中,FA、FB、FC分別為“半封閉圍海”、“圍而未填”、“填而未建”狀態(tài)的圍填海存量時空規(guī)模。

(2)“半封閉圍?！睜顟B(tài)存量時空規(guī)模FA, 計算公式為:

式中,Sa為“半封閉圍海”狀態(tài)的圍填海存量面積,YA、YB、YC分別為“半封閉圍?！?、“圍而未填”、“填而未建”狀態(tài)的平均歷史年齡。

(3)“圍而未填”狀態(tài)的存量時空規(guī)模FB, 計算公式為:

式中,SB為“圍而未填”狀態(tài)的圍填海存量面積,YB、YC分別為“圍而未填”、“填而未建”狀態(tài)的平均歷史年齡。

(4)“填而未建”狀態(tài)的存量時空規(guī)模FC, 計算公式為:

式中,SC為“填而未建”狀態(tài)的圍填海存量面積,YC為“填而未建”狀態(tài)的平均歷史年齡。

3 實證分析

3.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

選取同處渤海西岸的兩個較大的圍填海區(qū)——曹妃甸經(jīng)濟區(qū)和天津南港工業(yè)區(qū)作為研究區(qū)開展實證研究, 研究區(qū)位置如圖3所示?？紤]2018年后國家已對圍填海活動實施嚴格控制[3], 提取圍填海數(shù)據(jù)的截止時間為2017年底。

圖3 研究區(qū)位置圖Fig. 3 Location of study area

綜合考慮遙感影像數(shù)據(jù)的可獲取性和成像質量,主要選取了TM、ETM、OLI以及“資源3號”衛(wèi)星和“高分一號”衛(wèi)星作為主要數(shù)據(jù)源, 其中2003年—2010年采用Landsat5 TM影像、2011年—2012年采用Landsat7 ETM+影像、2013年采用Landsat8 OLI影像, 2014年—2017年采用“資源3號”衛(wèi)星和“高分一號”衛(wèi)星遙感影像。為保證圍填海信息提取精度和可靠性, 對數(shù)據(jù)源進行了必要的預處理, 包括波段組合、幾何精校正、圖像融合和去條帶、增強處理等。

基于ArcGIS平臺, 采用目視解譯與實地調查相結合的方法, 提取兩個區(qū)域的圍填海信息。由于所選數(shù)據(jù)源前后年份的影像空間分辨率不一致, 為盡量減少對同一地物邊界判別的人為偏差, 先對最新年份高分辨率影像進行目視解譯, 經(jīng)實地調查修訂后, 再以逐年倒推的順序解譯其他年份的圍填海信息。實踐表明, 這種方法有利于提高圍填海信息判讀的效率和精度。

3.2 區(qū)域圍填海規(guī)模

自始建年至2017年, 河北曹妃甸經(jīng)濟區(qū)和天津南港工業(yè)區(qū)的圍填海區(qū)域經(jīng)歷了迅猛擴張、穩(wěn)步推進和滯緩發(fā)展3個階段, 圍填?？傄?guī)模分別達到23 275.1 hm2和12 244.6 hm2。兩研究區(qū)的圍填海存量各工程狀態(tài)面積累加曲線以及圍填海各工程狀態(tài)分布分別如圖4和圖5所示, 2011年以前, 受地方發(fā)展需求及金融危機后國家的投資鼓勵政策影響, 兩區(qū)域圍填海規(guī)模擴張迅猛, 2011年之后, 國家相繼出臺系列政策管控圍填海規(guī)模, 圍填海規(guī)模趨于穩(wěn)定。

圖4 研究區(qū)圍填海存量各工程狀態(tài)面積累加曲線圖Fig. 4 Accumulation and curve diagram of each project status of reclamation stock in the study area

圖5 研究區(qū)圍填海各工程狀態(tài)分布圖Fig. 5 Distribution map representing the state of reclamation projects in the study area

3.3 圍填海存量特征

3.3.1 空間規(guī)模

表2所列為兩研究區(qū)“半封閉圍海”、“圍而未填”和“填而未建”3種工程狀態(tài)的圍填海存量面積。可知, 截至2017年, 兩研究區(qū)圍填海存量面積均超過萬頃, 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的存量面積是天津南港工業(yè)區(qū)存量面積的1.27倍。曹妃甸經(jīng)濟區(qū)“填而未建”面積占比達到7成多, 天津南港則將近6成, 這說明圍填海存量中“填而未建”工程狀態(tài)是圍填海存量的主要成分, 在存量的消化利用時應著重考慮。

表2 截止2017年的圍填海存量工程狀態(tài)面積占比Tab. 2 Proportion of the area of the surrounding reclamation project as of 2017

3.3.2 年齡

在兩研究區(qū)已被建設利用的區(qū)域中, 追溯其處于各工程狀態(tài)時的平均持續(xù)時間, 得出兩研究區(qū)“半封閉圍?！睜顟B(tài)的“正常年齡”約為1 a,“圍而未填”狀態(tài)的“正常年齡”約為2 a,“填而未建”狀態(tài)的“正常年齡”約為4 a。

兩研究區(qū)域各工程狀態(tài)的“平均歷史年齡”見表3, 其中, 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)“半封閉圍?！睜顟B(tài)的為0.24 a, “圍而未填”狀態(tài)的為2.55 a, “填而未建”狀態(tài)的為6.08 a; 天津南港工業(yè)區(qū)“半封閉圍海”狀態(tài)的為1.7 a,“圍而未填”狀態(tài)的為1.79 a,“填而未建”狀態(tài)的為7.3 a。兩研究區(qū)的“平均歷史年齡”均呈現(xiàn)“半封閉圍?！保肌皣刺睢保肌疤疃唇ā钡默F(xiàn)象。

表3 圍填海存量各工程狀態(tài)的年齡(單位: a)Tab. 3 Age of each project state of the reclamation (unit: a)

對比兩區(qū)域圍填海各工程狀態(tài)的“平均歷史年齡”和“正常年齡”之差, 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的“半封閉圍?！钡摹捌骄鶜v史年齡”小于“正常年齡”, 而天津南港工業(yè)區(qū)“半封閉圍海”的“平均歷史年齡”大于“正常年齡”, 說明在圍填海的起步階段, 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的圍填?；顒虞^天津南港工業(yè)區(qū)活躍; 兩研究區(qū)“圍而未填”的“平均歷史年齡”基本與“正常年齡”相當, 說明兩區(qū)域的圍填海吹填過程進展正常, 其中天津南港工業(yè)區(qū)相對積極; 兩研究區(qū)“填而未建”的“平均歷史年齡”明顯大于“正常年齡”, 說明區(qū)域圍填海資源閑置問題突出, 其中, 天津南港工業(yè)區(qū)的閑置問題更為突出。

3.3.3 時空規(guī)模

兩研究區(qū)的圍填海存量時空規(guī)模見表4。可知,雖然天津南港工業(yè)區(qū)圍填海存量的空間規(guī)模比曹妃甸經(jīng)濟區(qū)小(相對比為0.96), 但其圍填海存量時空總規(guī)模卻比曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的大(相對比為1.04), 說明天津南港工業(yè)區(qū)圍填海存量處置的整體壓力比曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的大。

表4 兩區(qū)域圍填海存量時空規(guī)模Tab. 4 Temporal-spatial scales of reclamation stocks in two regions

從圍填海存量時空規(guī)模的組成看, 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)主要由“圍而未填”(占34.72%)和“填而未建”(占65.28%)兩部分組成, 按照國家關于圍填海存量處置的相關要求, 該區(qū)域重點應解決“填而未建”區(qū)域的消化利用問題, 同時兼顧“圍而未填”區(qū)域如何進一步向后續(xù)狀態(tài)轉化和實施生態(tài)建設的問題。

天津南港工業(yè)區(qū)的圍填海存量時空規(guī)模由“半封閉圍?！?占28.74%), “圍而未填”(占18.46%)和“填而未建”(占52.80%)3部分組成, 該區(qū)域在處置圍填海存量時, 除了要重點解決“填而未建”區(qū)域的消化利用問題, 還要著力實施“半封閉圍?！眳^(qū)域的海域恢復和生態(tài)修復措施, 并兼顧推進“圍而未填”區(qū)域向后續(xù)狀態(tài)的轉化和實施生態(tài)建設。

4 結論與討論

作者依據(jù)圍填海工程發(fā)展過程的階段順序界定了5種工程狀態(tài), 并將建設利用前的3種狀態(tài)界定為圍填海存量工程狀態(tài)。為了科學合理處置圍填海存量提供參考依據(jù), 提出了基于生命周期的區(qū)域圍填海存量特征分析方法, 用圍填海存量的年齡來反映其持續(xù)歷史, 用時空規(guī)模反映其處置壓力。選擇曹妃甸經(jīng)濟區(qū)和天津南港工業(yè)區(qū)開展了實證研究, 結果表明: (1) 曹妃甸經(jīng)濟區(qū)和天津南港工業(yè)區(qū)從始建年至2017年, 前期圍填?；顒佣驾^為活躍, 但后期工程狀態(tài)的轉化速度緩慢, 圍填海存量空間規(guī)模均較大; (2) 盡管天津南港工業(yè)區(qū)圍填海存量空間規(guī)模比曹妃甸經(jīng)濟區(qū)的小, 但由于前者的“半封閉圍海”和“填而未建”狀態(tài)的持續(xù)時間比后者長, 圍填海的消化利用的能力弱, 導致時空規(guī)模表征的圍填海存量處置壓力反而比后者大。說明在制定圍填海存量處置方案時, 不僅要關注空間規(guī)模, 還需要追溯存量的形成歷史、工程狀態(tài)和持續(xù)時間。

為了提供一種新的圍填海存量分析方法, 該方法需要較長時間序列的圍填海數(shù)據(jù)支持, 因此適用于有長期不間斷遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的區(qū)域。所用遙感影像的時相、空間分辨率、目視解譯的主觀性等對提取的圍填海各工程狀態(tài)面積及持續(xù)時間的數(shù)據(jù)精度會有一定影響, 但從實證研究的效果看, 應該不會明顯影響區(qū)域圍填海存量特征分析的總體結論。