考慮環(huán)境負(fù)荷的長江干線流域集裝箱運(yùn)輸瓶頸解決方案

徐鵬飛， 楊忠振

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

考慮環(huán)境負(fù)荷的長江干線流域集裝箱運(yùn)輸瓶頸解決方案

徐鵬飛， 楊忠振

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

鑒于三峽船閘的通過能力已成為制約長江航運(yùn)發(fā)展的瓶頸，從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，以減少集裝箱運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境負(fù)荷為目標(biāo)，綜合考慮運(yùn)輸方式、運(yùn)輸費(fèi)用和運(yùn)輸時(shí)間等因素，尋求解決三峽船閘通過能力不足的方案.構(gòu)建由長江水路與區(qū)域公路組成的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，確定各路段的運(yùn)輸屬性特征，給出水路和公路運(yùn)輸環(huán)境負(fù)荷的計(jì)算方法.分析集裝箱在水陸聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的路徑選擇行為.在多種集裝箱運(yùn)輸需求下，分析各解決方案的優(yōu)劣，確定優(yōu)化方案.相比翻壩運(yùn)輸方案，擴(kuò)閘(即擴(kuò)大船閘通過能力)方案更高效環(huán)保，符合節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展要求，對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義.

長江航道; 集裝箱運(yùn)輸; 船閘; 三峽; 多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著長江航運(yùn)的發(fā)展，船舶在三峽船閘的待閘時(shí)間越來越長.三峽船閘的通過能力已成為制約長江航運(yùn)發(fā)展的瓶頸[1]，在一定程度上阻礙了長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的有效實(shí)施.為解決三峽船閘通過能力不足的問題，提出了一系列的對(duì)策與方案，如：提高過閘效率，擴(kuò)大船閘通過能力(簡稱擴(kuò)閘)和利用水陸聯(lián)運(yùn)實(shí)施翻壩運(yùn)輸.

提高過閘效率方案[2-4]可在某種程度上減少船舶的等待時(shí)間，但在船閘已處于飽和運(yùn)行狀態(tài)時(shí)其作用有限.擴(kuò)閘方案[5-7]可提升三峽船閘的通過能力，但其投資大，建設(shè)周期長，見效緩慢.實(shí)施翻壩運(yùn)輸方案[8-9]見效快，容易實(shí)施，可快速解決三峽船閘通過能力不足的問題，但這種方案使大量的貨物轉(zhuǎn)向公路，削弱了水路運(yùn)輸作為長江干線流域貨運(yùn)方式主體的地位，而且公路交通流的增加會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染和交通事故等的增加，與節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展要求不符.

本文從可持續(xù)發(fā)展的角度，以減少集裝箱運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境負(fù)荷為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮運(yùn)輸方式、運(yùn)輸費(fèi)用和運(yùn)輸時(shí)間等因素，基于長江流域綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，擬定各種解決三峽船閘通過能力不足的方案，分別定量計(jì)算采用擴(kuò)閘方案和實(shí)施翻壩運(yùn)輸方案的環(huán)境負(fù)荷，找出對(duì)環(huán)境友好的解決方案.

1 模型建立及求解

1.1 水陸聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型

長江集裝箱運(yùn)輸航線與沿線公路共同構(gòu)成了長江干線流域的集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò).為分析集裝箱運(yùn)輸?shù)穆窂竭x擇行為，需要基于長江水路與區(qū)域公路構(gòu)建水陸聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型[10-11]，其主要任務(wù)是建立水路路段與公路路段的拓?fù)潢P(guān)系，并確定各路段的運(yùn)輸屬性特征.首先分離港口與港口所在的城市，將港口看作貨物運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，然后基于圖1所示的方法構(gòu)建模型.

圖1中上半部分表示從城市1到城市2的抽象路徑，下半部分表示從城市1到城市2的具體路徑：集裝箱從城市1出發(fā)經(jīng)公路到達(dá)港口1，然后在港口1換裝經(jīng)水路到達(dá)港口2，接下來在港口2換裝再經(jīng)公路到達(dá)城市2.A表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)集合，As,At和Al分別表示水路路段、換裝路段和公路路段的集合，A=As∪At∪Al.

圖1 水陸聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法

運(yùn)輸路段(即水路路段和公路路段)的阻抗函數(shù)為

(1)

換裝路段的阻抗函數(shù)由在港口的換裝費(fèi)用和時(shí)間組成，其表達(dá)式為

(2)

式中：β2為阻滯系數(shù)，與港口的擁堵情況有關(guān)；gt為在換裝路段a上的單位集裝箱換裝成本；ta為在換裝路段a上的換裝時(shí)間,ta=ta,wait+ta,handle,這里ta,wait和ta,handle分別為貨物在港口的等待時(shí)間和換裝操作時(shí)間.

1.2 集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)“用戶均衡”分配模型

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：R為出發(fā)地的集合，r∈R；S為目的地的集合，s∈S；W為出發(fā)地r與目的地s(起終點(diǎn)(OD))之間的所有路徑的集合；fk,rs為出發(fā)地r與目的地s之間的第k條路徑上的集裝箱流量；qrs為出發(fā)地r與目的地s之間的集裝箱流量；δa,k,rs為0-1變量，如果路段a屬于出發(fā)地r與目的地s之間的第k條路徑，則δa,k,rs=1，否則δa,k,rs=0.

1.3 CO2排放量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，通用的碳排放計(jì)算方法為：排放量等于活動(dòng)水平乘以排放因子.載運(yùn)工具依靠化石燃料驅(qū)動(dòng)，所有燃燒源的排放量均可根據(jù)燃料的燃燒量和平均排放因子計(jì)算，即總排放量=消耗量×排放因子.CO2的排放因子主要取決于燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其排放量可以基于燃料的燃燒總量和燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算.集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的CO2排放量的計(jì)算方法如下：

(7)

式中，Ea為在路段a上運(yùn)輸單位集裝箱的CO2排放量.公路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸對(duì)應(yīng)的Ea分別為

(8)

(9)

式中：Da為運(yùn)輸距離；mtruck為某集裝箱貨物質(zhì)量；Utruck為運(yùn)輸單位質(zhì)量貨物單位距離的CO2排放量；G為運(yùn)輸單位質(zhì)量貨物單位距離的燃料消耗量；F為CO2排放因子；Cij為船舶處在第i種運(yùn)行模式下第j種燃油的消耗量；Cj,F為基于燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的非空間轉(zhuǎn)換因子(燃料的CF值見表1[13])；Q為船舶的額定箱位數(shù)；ρ為船舶的滿載率；ti為船舶處在第i種運(yùn)行模式下的時(shí)間；Fj,c為第j種燃油的消耗率.

表1 燃料的CF值

1.4 模型求解

通過情景分析方法求解模型，具體步驟如下：

步驟1 考慮各種翻壩運(yùn)輸能力和船閘通過能力建立多個(gè)備選方案：翻壩運(yùn)輸能力分別增加20%，40%，60%和80%；船閘通過能力分別擴(kuò)充20%，40%，60%和80%.

步驟2 針對(duì)各備選方案，在運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上基于用戶均衡原理用Frank-Wolfe法為各OD間的集裝箱指派運(yùn)輸路徑，得到各路段上的集裝箱流量.

步驟3 在各備選方案下，根據(jù)各路段的交通流特征(集裝箱流量、運(yùn)輸方式、距離、速度等)，計(jì)算各路段上的CO2排放量.把整個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的CO2排放量作為評(píng)價(jià)各備選方案的環(huán)境負(fù)荷指標(biāo).

2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

選取長江航道上的14個(gè)主要港口作為水路運(yùn)輸?shù)母劭诠?jié)點(diǎn)，選取長江干線流域的28個(gè)內(nèi)陸城市作為公路運(yùn)輸?shù)某鞘泄?jié)點(diǎn)，這些城市節(jié)點(diǎn)也是集裝箱流的發(fā)生點(diǎn)或吸引點(diǎn).模型的輸入數(shù)據(jù)如下：

(1)城市間集裝箱OD流量.因?yàn)檩^難直接收集28個(gè)城市間的集裝箱OD流量,所以基于14個(gè)港口的集裝箱吞吐量和港口間的集裝箱OD流量(見表2)反推得到該數(shù)據(jù).

表2 港口間的集裝箱OD流量 TEU

(2)公路運(yùn)輸距離與費(fèi)用.使用GIS軟件數(shù)字化公路網(wǎng)絡(luò)，再用最短路徑算法計(jì)算28個(gè)城市間最短路徑的里程以及28個(gè)城市間的運(yùn)費(fèi).

(3)水路運(yùn)輸距離與費(fèi)用.用GIS軟件刻畫長江集裝箱運(yùn)輸航線，計(jì)算航線上14個(gè)港口間的水路運(yùn)輸距離，再通過調(diào)查得到港口間的運(yùn)價(jià)(見表3)以及港口使費(fèi)(均為200元/TEU)與換裝費(fèi)(均為100元/TEU).

表3 港口間水路運(yùn)價(jià) 元/TEU

(4)船舶屬性數(shù)據(jù).為解決規(guī)劃階段的集裝箱流量分配問題，采用平均船型的概念，即認(rèn)為裝載量325 TEU的船為平均船型(或代表性船型)，再根據(jù)平均船型計(jì)算水路上的平均集裝箱流量及CO2排放量.平均船型參數(shù)見表4.

表4 平均船型參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)三峽船閘的通過能力和翻壩運(yùn)輸能力，求解得到在長江流域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的集裝箱流量分布(見圖2)和對(duì)應(yīng)的CO2排放量分布(見圖3).圖2和3中：線條越粗表示對(duì)應(yīng)的量越大；表示與公路相關(guān)的量的大小的線條，其粗細(xì)與水路運(yùn)輸?shù)囊恢?，只不過用虛線表示.

圖2 在長江流域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的集裝箱流量分布

圖3 在長江流域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的CO2排放量分布

從圖2可以看出：整個(gè)長江流域的集裝箱流量為380萬TEU，其中水路周轉(zhuǎn)量為8億TEU·km，公路周轉(zhuǎn)量為7億TEU·km，水路運(yùn)輸稍占優(yōu)勢(shì)；長江中上游之間的集裝箱流量為27.5萬TEU，其中水路集裝箱流量為25萬TEU，占全部集裝箱流量的91%，說明長江航道是長江中上游地區(qū)的核心運(yùn)輸通道；在長江中下游地區(qū)，如蕪湖港—張家港港，水路集裝箱流量超過40萬TEU，周邊地區(qū)公路集裝箱流量均不超過10萬TEU，形成了以長江水路運(yùn)輸為軸，公路運(yùn)輸為輻的軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)；三峽船閘上游水路集裝箱流量為25萬TEU，下游為28萬TEU，通過船閘的集裝箱流量只有20萬TEU，說明船閘處的擁堵使部分集裝箱選擇了繞行.

比較圖2與3可以看出，不同路段上的CO2排放量與集裝箱流量和運(yùn)輸距離直接相關(guān)，集裝箱流量越大、運(yùn)輸距離越長的路段，CO2的排放量越大.在運(yùn)輸單位集裝箱時(shí)，水路運(yùn)輸?shù)腃O2排放量遠(yuǎn)低于公路運(yùn)輸?shù)?，如重慶港—宜昌港的水路集裝箱流量為25萬TEU，運(yùn)輸距離為576 km，重慶—成都的公路集裝箱流量為19萬TEU，運(yùn)輸距離為283 km，前者CO2的排放量為1.9萬t，僅為后者的39%.經(jīng)計(jì)算得知，三峽船閘造成的交通擁堵對(duì)整個(gè)長江流域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的CO2排放量幾乎沒有影響，對(duì)三峽周邊地區(qū)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的CO2排放量影響較大.因此，在分析集裝箱運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境負(fù)荷時(shí)，將三峽周邊地區(qū)(宜昌及荊州)作為研究對(duì)象.

從環(huán)境負(fù)荷方面評(píng)價(jià)各種解決長江航運(yùn)發(fā)展瓶頸的方案.圖4為當(dāng)集裝箱運(yùn)輸需求增加時(shí)，三峽地區(qū)分別采用擴(kuò)閘方案和翻壩運(yùn)輸方案所產(chǎn)生的CO2排放量.

a)擴(kuò)閘方案

b)翻壩運(yùn)輸方案

由圖4a)可以看出，隨著集裝箱運(yùn)輸需求的增加，CO2排放量逐漸增加，但船閘通過能力不同時(shí)排放增加量不同.需求增長10%時(shí)，擴(kuò)閘20%可少排放36%的CO2，擴(kuò)閘40%可少排放38%的CO2，擴(kuò)閘60%和80%都可少排放54%的CO2.需求增長20%時(shí)，擴(kuò)閘20%可少排放30%的CO2，而其他3

種擴(kuò)閘方案(擴(kuò)閘40%，60%和80%)都可少排放40%的CO2.擴(kuò)閘60%與80%的效果幾乎相同，說明船閘通過能力擴(kuò)大60%即可滿足集裝箱流量增長30%的運(yùn)輸需求.

由圖4b)可以看出，隨著集裝箱運(yùn)輸需求的增加，CO2排放量逐漸增加，且翻壩運(yùn)輸能力越大CO2排放量越大.需求每增長10%，翻壩運(yùn)輸能力增加20%時(shí)會(huì)多排放27%的CO2，翻壩運(yùn)輸能力增加40%時(shí)會(huì)多排放31%的CO2.從CO2排放量看：在集裝箱運(yùn)輸需求增長初期，三峽船閘未完全達(dá)到飽和運(yùn)行狀態(tài)，可分擔(dān)一部分集裝箱運(yùn)輸需求，CO2排放量增加不足5%；當(dāng)三峽船閘處于飽和運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，增加的集裝箱運(yùn)輸需求會(huì)全部由翻壩公路運(yùn)輸滿足，導(dǎo)致CO2排放量增加10%以上；當(dāng)水路擁堵不堪，公路運(yùn)輸價(jià)格升高時(shí)，部分集裝箱會(huì)選擇繞過三峽地區(qū)，翻壩運(yùn)輸量增長放緩，CO2排放量的增長也趨于平穩(wěn).

綜上，擴(kuò)閘方案不僅可顯著降低貨物運(yùn)輸帶來的環(huán)境負(fù)荷，而且能很好地滿足未來集裝箱運(yùn)輸量增長的需求，符合可持續(xù)發(fā)展的要求.雖然翻壩運(yùn)輸方案也能在一定程度上解決運(yùn)輸擁堵問題，但卻不是對(duì)環(huán)境友好的方案.

3 結(jié) 論

針對(duì)三峽船閘通過能力不足的問題，從可持續(xù)發(fā)展的角度，以集裝箱運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排為目標(biāo)，綜合考慮運(yùn)輸方式、運(yùn)輸費(fèi)用和運(yùn)輸時(shí)間等因素，計(jì)算采用擴(kuò)閘方案和實(shí)施翻壩運(yùn)輸方案的環(huán)境負(fù)荷，從環(huán)境友好的角度評(píng)價(jià)兩種方案的優(yōu)劣，得出結(jié)論：(1)水路運(yùn)輸成本優(yōu)勢(shì)明顯，環(huán)境負(fù)荷小，是長江流域值得長期發(fā)展的運(yùn)輸方式；(2)翻壩運(yùn)輸短期內(nèi)可緩解三峽船閘的擁堵，但公路運(yùn)輸?shù)脑黾訒?huì)導(dǎo)致環(huán)境負(fù)荷上升；(3)擴(kuò)大船閘通過能力，發(fā)展水路運(yùn)輸，不僅能緩解目前的運(yùn)輸壓力，還能適應(yīng)未來集裝箱運(yùn)輸量增長的需求.相比翻壩運(yùn)輸，擴(kuò)閘方案更高效環(huán)保，符合節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展要求，對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義.

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(編輯 趙勉)

Solution to container transport bottleneck along Yangtze River considering environmental load

XU Pengfei, YANG Zhongzhen

(Transportation Management College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

In view of the fact that the capacity of the Three Gorges ship lock has become a bottleneck for the Yangtze River shipping development, a solution to the lack of capacity of the Three Gorges ship lock is sought from a sustainable development perspective with the objective of lower environmental load of container transport, where the factors of transport mode, transport cost and transport time are considered comprehensively. The transport network model is built composed of the waterway and highway in the Yangtze River area, the transport attribute of each section is determined, and a calculation method to environmental load is given for waterway and highway transport. Path choice behaviors of containers in the network are analyzed. Different solutions are evaluated under various container transport demands and the optimal scheme is determined. Compared with the over-the-dam transport scheme, the scheme of the dock capacity expansion is more efficient and environment-friendly, meets the sustainable development requirement of energy conservation and emission reduction, and is of important strategic significance for sustainable development of the Yangtze River Economic Belt.

Yangtze River waterway; container transport; ship lock; Three Gorges; multi-mode transport network

10.13340/j.jsmu.2017.01.006

1672-9498(2017)01-0026-05

2016-06-13

2016-11-28

國家自然科學(xué)基金(71431001)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132016303)

徐鵬飛(1993—)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理，(E-mail)xupengfei@dlmu.edu.cn； 楊忠振(1964—)，男，遼寧凌海人，教授，博士，研究方向?yàn)楹竭\(yùn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、城市物流，(E-mail)yangzz@dlmu.edu.cn

U695.22

A