基于成本—效益分析的海平面上升背景下基础设施适应性规划策略——以美国佛罗里达为例 - 沿海城市基础设施规划

2 x$ X5 |" x$ r3 G

本文基于成本—效益分析，评估海平面上升背景下佛罗里达州西北部的基础设施适应性规划策略。通过分析基础设施之间的相互依赖性来考虑海平面上升对该区域的直接和间接影响。从研究结果来看，虽然全面的海岸线保护能够带来更多的效益，但最有效的策略还是保护部分土地使其免受海水淹没，同时升级可能被淹没的交通网络。基于总效益和成本效益两个标准对目标规划年份的适应性规划策略进行对比分析，结果表明：将2080年定为长期基础设施规划的目标年份将是最为经济有效的。由于总成本会分摊到多个年份，基础设施的经济效益会随着时间的推移越来越大，但这并不表明规划目标年限越长，适应性规划策略就越经济有效。

1文献综述

( |+ G6 O9 |: l0 i P# M

1.1 适应海平面上升的成本和效益

目前，国内已有研究关注不同尺度、不同区域海平面上升的变化特征；部分学者关注海平面上升带来的影响；还有部分学者关注如何应对海平面上升的风险。

4 ]) i/ n/ a. G) m5 S) x* f' ~

在适应性规划研究方面，目前我国对气候变化的适应性研究较少。在国外相关研究中，有研究采用了多种模型方法来评估适应性规划，从而减小海平面影响的总成本。但相关研究很少涉及沿海城市被洪水淹没的极端情况。一些研究试图使用可计算的一般均衡（CGE）模型来评估沿海地区土地价值损失和保护费用增长的间接经济影响，然而考虑到区域间海平面的差异以及沿海城市地形的差异，经济影响会随沿海城市的实际情况而发生变化。

" g9 y i2 M* ?; i+ f( \

1.2 基础设施适应的成本和效益

基础设施是应对海平面上升的适应性规划的关键组成部分。基础设施的成本取决于两个方面：基础设施适应性解决方案的成本和不受气候影响基础设施的成本。交通网络是学者和规划界经常讨论的另一种关键的基础设施。在土地利用适应性策略的经济评估、土地使用价值和房地产方面，也均有学者进行了探索研究。

: O% A1 P A9 \ V! V

2方法和数据

9 i) T( o* ]( R# q+ Q" b y

2.1 适应性规划策略的分析框架

首先，基于半地方模型来预测规划年份的海平面。该模型不仅考虑了海平面的全球影响，还考虑了地方沿海城市的地形。其次，使用修改后的浴缸模型以量化规划年份的被淹没区域。根据淹没地图，提取被淹没的基础设施。同时基于规划的角度，从基础设施保护和调节方面分析规划策略。最后，本文提出4种特定情景下的规划策略，并介绍3种成本—效益计算的方法。

$ c. M% a# X% w4 ^

适应性规划策略的成本—效益分析框架

来源：笔者自绘。

1 |' w0 B/ ^3 o# w% `: H

2.2 淹没的时空分析

在全球层面，联合国政府间气候变化专门委员会第6次气候变化评估报告指出，目前海平面上升处于加速状态，并会在未来持续上升且呈现不可逆趋势。全球预测显然不可能适用于当地的每个社区，因为海平面高度还取决于沿海地区的地形。本文采用由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）及美国陆军工程兵团（USACE）开发的海平面上升预测模型。这些模型基于附近潮汐测量仪的数据进行预测，更为准确。本文分析中将考虑多种情景，并采用半地方模型对2040年、2060年、2080年和2100年进行预测，即在预测模型中同时考虑全局和局部预测。

每个沿海地区的海平面上升预测模型使用公式（1），其在已有的研究中已被广泛使用。不同情景下的参数决定了不同的海平面加速率，导致海平面预测的变化。

（1）

4 @- x* f2 S3 g! _( W

式中：ΔE是适应性规划项目开始年份（2018年）的海平面变化量；ΔT2指目标年份减去参考年份（本文中是1992年）；α是地方的平均海平面上升率，根据美国国家海洋和大气管理局提供的佛罗里达州西北部的相对海平面趋势，该值为0.00239 m/y；β是全球海平面的上升率，根据不同的海平面上升预测方法而确定。海平面上升预测中通常进行最坏情况下的分析，因此本文取NOAA情景下的β值。

测量站海平面预测（单位：m）

2 X& y0 ~1 F) O8 t

6 N8 h8 B$ C q k

来源：笔者自制。

为了划分不同情景下的淹没区域，本文采用基于地方数字高程模型（DEM）的修正“浴缸”模型。为了设想最坏的情况，将采用八边法则来显示最大潜在淹没区域。

$ j2 N5 h U9 A" a

2.3 适应性规划策略

根据以往文献中提出的适应性规划策略，本文将其归纳为4类应对路径：维持原状、保护、调节和有规划性的搬迁。根据提出的适应性规划策略，计算每种策略的效益和成本。一旦选择了规划策略，成本是固定的，因此选择策略的效益取决于适应性策略的成本—效益分析方法。

适应性规划策略与效益计算

来源：笔者自制。

2.4 成本—效益分析模型

5 m0 u2 }. u; `3 O! T+ q$ Y D

本文基于3种效益计算方法对提出的适应性策略进行成本—效益分析。这3种效益计算方式的主要区别在于是否考虑间接的经济影响和基础设施的相互依赖性。首先，计算净效益现值来评估策略的绩效，可以定义为净现值成本减去净现值效益。

& I, N$ |4 \/ T( `

" c% u) C3 _3 J2 i5 h" Y( Z, Q

（2）

# Z" A# p7 u- d# m/ ^- k

式中：PVNB是净效益现值；Bt表示目标年份t的效益；Ct表示目标年份t的成本；d表示贴现率，本文设为0.04进行初步分析。

但是，高净效益现值并不意味着该策略是最具实践价值的，因为所需的成本可能高得多。为了比较提出策略的经济效益，采用成本—效益分析来探讨如果投资一个单位成本可以获得多少效益。

（3）

除了考虑交通网络与用地之间的相关性外，本文还考虑了土地价格的空间相关性。为了反映土地价格的空间相关性，并计算邻近地区的潜在增减，本文采用学术界广泛使用的空间计量模型——空间滞后模型（SLM）和空间误差模型（SEM）。SLM模型可以定义如下：

! l+ j& q6 p( ^! X( u' y

（4）

& ?1 B* A. S. k1 P2 ?8 I' E

式中：ρ是自回归参数向量；W表示N×N空间加权矩阵；y是因变量（N×1）；X是独立变量（N×K）；ln是截距（N×1向量）。SEM模型可以表示为：

7 a2 |+ x% P- }* h& p

（5）

式中：λ是空间自相关参数；u表示残差（N×1向量）。

" \& p: I% m. Z m8 P

研究区域可按社区进行划分，内生变量为就业密度、人口密度和建筑密度。因变量是平均地价，因变量在SLM中的影响（W）将根据TAZs之间的距离进行加权，表现较好的模型将用于本文成本—效益分析。

3研究区域和数据

2 {9 i' ]. H# i

3.1 研究区域

作为美国易受气候变化影响的地区之一，佛罗里达州饱受海平面上升之苦。本文选取佛罗里达州西北部13个县作为研究区域。根据现有的地方规划文件和报告，将目标年份设定为2040年、2060年、2080年和2100年。

& }5 N( |( g2 h7 C$ L- P

研究区域

# v" U/ S0 T- \2 Q2 r9 g

来源：笔者自绘。

: n# c9 ?; g" y5 j

3.2 数据

佛罗里达地理数据库提供了对土地利用和房价信息的免费访问与下载。增加的出行时间也被认为是淹没路段的一种间接影响，可以在美国交通规划软件Cube中的FSUTMS模型中进行计算。该模型本身包含社区级别的就业数据。出行时间的价值通常用佛罗里达州2017年时薪的一半来衡量。根据美国统计数据，佛罗里达州的平均工资为25.2美元/（h•人），因此出行时间的价值为12.6美元/（h•人）。1 m海堤建设费为3 280 840美元/km，年维护费为328084美元/km。1m道路提高的平均成本为124.2万美元/km，排水系统建设费为133421美元/km，维护费为22966美元/km。根据上述数据，可以在研究区域进行成本—效益分析。

4结果

+ v2 r. Z4 i$ C/ _

4.1 海平面上升对基础设施的影响

绘制4个规划年份的淹没区域地图，并在预测的海水淹没区域上叠加交通网络和土地利用范围。利用FSUTMS模型，基于经典的美国道路局（BPR）函数，计算洪水淹没前后的出行时间差。

. T0 n: k/ K7 y; r D2 e

不同年份海平面淹没情景

- @, l: T, { _# e8 A

来源：笔者自绘。

% `; B& {; p- Q6 q: |

不同年份淹没的道路

! d# J/ c0 F. Q& o3 I; W

来源：笔者自绘。

" `' _( |* C' |! ^/ A6 f& s3 F& T

不同年份淹没的用地范围

来源：笔者自绘。

v( e/ q/ ]$ t8 g6 q q W, C

不同策略下的经济影响

4 Z* o" y0 w1 v. L* t# O1 [. ^( l

9 T" v3 v) k; n$ v

来源：笔者自制。

4.2 成本—效益分析

利用沿海城市和佛罗里达州西北部交通出行小区的数据，计算Morans I指数，衡量因变量的空间自相关。Morans I指数为-0.11，对应的标准差为0.0074，P值为0.032，在统计上具有显著的空间自相关。继而，测试OLS回归，并校正SLM和SEM。

两个模型中的内生变量都是显著的。由于SLM的R2高于SEM和OLS，本文选择SLM进行经济影响评估。假设淹没地区的地价为零，并运行实证的SLM重新计算地价，从而得到未受影响的地价变化。

空间经济模型回归结果

来源：笔者自制。

, p" a' ?: N$ l: @& q

大部分策略都具有正的成本效益值，即这些策略在经济上是合理的，可以被决策者所接受。但是无论采用何种效益计算方法，策略D均为负值。可以理解为，策略D没有效益（方法I）或没有足够的效益（方法II和方法III），因为在这种情况下，只有节省出行时间才能被视为有效益。进一步观察不包含间接淹没影响的方法I，可以发现策略A具有最高的净效益现值，但是成本—效益分析并未证明它是最具成本效益的。

( r! H; q! d4 a

成本—效益分析结果

来源：笔者自制。

; n; f7 j3 d" P: `$ p# s

成本—效益分析结果与净效益现值趋势一致，也就是说，方法III计算出的策略C的成本效益值高于其他策略。这是因为无论是否考虑基础设施的相互依赖性，这种策略只保护了关键土地。如果从横截面的角度比较成本—效益分析的结果，可以发现方法III显示出最大的成本效益值。这是因为方法III考虑的间接影响类型最多，并且空间自相关导致的地价上涨超过了排水系统改造和维护的成本。然而，如果再比较4个规划年份内的成本效益结果，就会发现距离现在更遥远的规划年份并不意味着更高的有效性，虽然可能净效益现值仍在增加。

总之，无论采用何种效益计算方法，如果规划管理者只关心总效益，那么保护整个海岸线的规划方案似乎是最佳选择。但是如果想要让项目中的每一分钱都得到回报，规划者应该对关键土地进行部分保护，并提高路段的高度。

0 P* U; N* @. g K1 s2 B: z" k

4.3 敏感性分析

8 t9 R7 v* R0 ^/ {

在成本—效益分析中，本文将贴现率设为0.04，但是在现实中，贴现率可能会随时间而变化，这意味着存在影响结果的不确定性。因此，成本—效益分析的一个重要步骤就是确定贴现率。本文通过方法II重新计算了各策略在2040年的效益和成本。总体而言，除了策略D，无论贴现率如何，策略都将获利。如果贴现率增加，总效益和净效益现值会降低。因此，可以得出结论，即净效益现值对贴现率不敏感。如果规划者想要实现社会效益和经济效益的最大化，就需要考虑到不同利益相关者的需求，这对于决策者来说是一个重要的权衡。

; _! L9 ?4 W0 S5 V% j6 W

敏感性分析——贴现率从1%到10%的参数

来源：笔者自制。

. k: L! D4 q2 s6 v+ s

5讨论

% i8 o9 X5 f# X; _* i( U4 ?

对于我国沿海城市，通常可以从多方面来应对海平面上升的影响，包括：（1）建设和完善相关的基础设施；（2）优化应对海平面上升风险的技术；（3）加强制度建设与观念普及；（4）通过金融手段转移风险；（5）建立主动规划和预警信息系统。对于沿海城市的适应性规划来说，其具体过程包括气候灾害评估、适应性规划目标确立、现有风险的适应性战略的制定，以及适应性政策的实施。在未来沿海城市的适应性策略和方案中，应更多关注基础设施之间的相互依赖性，采取可行的适应性措施；通过情景分析法模拟多种情景，规划和完善城市的基础设施；建立相关的沿海基础设施配套机制，保证基础设施的稳定运行。为避免采取不当或无效策略，所有方案的有效性都将被讨论并评估，以确定其是否适用于当地情况。

详情请关注《上海城市规划》2022年第6期《基于成本—效益分析的海平面上升背景下基础设施适应性规划策略——以美国佛罗里达为例》，作者：翟炜，美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校；黄文亮，南京大学建筑与城市规划学院。本文内容仅代表作者观点。

/ ^0 p; T# N$ b( V+ Y

（来源：上海城市规划杂志）

2 w0 c1 v7 C7 ?1 ~2 H1 j' l$ D 9 ?5 s! y; z. d* ] % Y" D. D: u# ]% G7 Q/ {. _$ n