一種船舶洗艙水產(chǎn)生量估算方法

程大千，楊 韻，王經(jīng)潔，鄒 慶，邵麗紅

(1. 江蘇交科能源科技發(fā)展有限公司， 南京 210017；2. 江蘇省交通運(yùn)輸行業(yè)能耗排放監(jiān)測統(tǒng)計(jì)中心， 南京 210017)

0 引 言

當(dāng)前船舶污染防治是水路運(yùn)輸領(lǐng)域環(huán)保工作的重點(diǎn)，相比船舶垃圾、生活污水和含油污水防治，船舶洗艙水污染防治更為關(guān)鍵，2018年交通運(yùn)輸部發(fā)布的《長江干線水上洗艙站布局方案》(以下簡稱《布局方案》)為開展長江沿線洗艙站建設(shè)提供了指導(dǎo)。船舶洗艙需求預(yù)測是洗艙站建設(shè)的前提，一般采用現(xiàn)行船舶洗艙水估算方法，結(jié)合《布局方案》提出的年洗艙艘次，對(duì)所在區(qū)域船舶的洗艙水產(chǎn)生量進(jìn)行預(yù)測。但是，在實(shí)際操作過程中，采用現(xiàn)行估算方法所得結(jié)果與海事部門的防污作業(yè)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，主要原因是現(xiàn)行估算方法未考慮船型、貨物相容性和換裝艘次比例等洗艙需求特征。

國內(nèi)外已有很多關(guān)于洗艙水估算方法的研究。弗維拉斯[1]系統(tǒng)性地報(bào)道了油船防污系統(tǒng)課題的研究歷程，為《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL 73/78公約)中預(yù)洗最小水量計(jì)算方法的提出奠定了基礎(chǔ)，但實(shí)際洗艙水量要遠(yuǎn)大于采用該方法所得結(jié)果，該方法僅在具體船舶洗艙作業(yè)之前和海事部門現(xiàn)場執(zhí)法時(shí)采用[2]。吳甲斌[3]在對(duì)我國沿海水域的油污染情況進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了原油和成品油洗艙水油污量為油船總噸位的0.5%～1.0%的結(jié)論，為國內(nèi)船舶洗艙水估算提供了參考依據(jù)[4-7]。當(dāng)前，在對(duì)某區(qū)域的船舶洗艙水量進(jìn)行預(yù)測時(shí)，國內(nèi)主要采用《港口、碼頭、裝卸站和船舶修造拆解單位船舶污染物接收能力要求》(JT/T 879—2013)中的船舶洗艙水估算方法[8-10]，該方法未考慮船舶換裝比例和船舶噸級(jí)分布特征帶來的差異，且將船舶總噸和港口吞吐量同時(shí)納入計(jì)算，一方面可能造成重復(fù)計(jì)算，另一方面船舶總噸實(shí)際為船舶等級(jí)劃分的依據(jù)(即無量綱)，導(dǎo)致該方法的物理意義較難解釋。

長江江蘇段作為承擔(dān)長江干線60%以上的貨運(yùn)量和港口吞吐量的重要區(qū)段，其危化品運(yùn)輸量逐年遞增，隨之帶來的船舶洗艙需求日益增加，污染防治工作越發(fā)緊迫。由此，為有效解決上述問題，本文從船舶洗艙需求出發(fā)，綜合考慮相關(guān)因素，在現(xiàn)行船舶洗艙水估算方法的基礎(chǔ)上，探索并提出一種適用于長江江蘇段的船舶洗艙水估算方法。

1 洗艙需求特征

1.1 貨物品種和強(qiáng)制預(yù)洗要求

目前長江江蘇段在建的5座水上洗艙站接受洗艙的?；坟浄N主要有油類(29.5%)、醇類(12.1%)、芳香烴類(11.6%)、酯類(7.5%)和醚類(1.2%)，南京港基本上覆蓋了江蘇段各類?；坟浄N，具體見表1。

表1 南京港主要?；坟浄N分類匯總 單位：種

1.2 貨物相容性和換裝比例

由美國海岸警衛(wèi)隊(duì)(United States Coast Guard，USCG)編制的貨物相容性表可知，在各類化學(xué)品運(yùn)輸概率均相同的情況下，36組化學(xué)品之間不相容的概率(即考慮換裝貨種的概率)為29%，故在構(gòu)建船舶洗艙水產(chǎn)生量估算公式時(shí)應(yīng)予以考慮。僅對(duì)表1中的主要化學(xué)品(即醇類(含乙二醇)、芳香烴類和酯類(含醋酸乙烯酯)、醚類和有機(jī)酸)的相容性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，在這5組化學(xué)品的運(yùn)輸概率均相同的情況下，這些化學(xué)品之間不相容的概率為11%。由李表奎[11]的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，化學(xué)品與油品和化學(xué)品與化學(xué)品之間的換貨種艘次占比分別為2.0%和2.6%，故若僅考慮化學(xué)品與化學(xué)品之間的換裝情況，其換裝洗艙概率為23.6%，與相關(guān)洗艙站工可報(bào)告中的5 000噸級(jí)以下?lián)Q裝洗艙比例(20%)基本一致。

表2為長江主要區(qū)段?；窊Q裝洗艙作業(yè)艘次和占比。由表2可知：從整體上看，長江中上游段的換裝比例高達(dá)12.6%，江蘇段的換裝比例較低(0.5%～1.1%)，其中2012—2015年南京段的換裝比例逐年增加，從1.0%增加至1.5%；從化學(xué)品船洗艙的角度看，江蘇段的換裝比例(1.2%～2.6%)要高于危化品船的總體換裝比例(1.1%)，其中南京段化學(xué)品船的換裝比例與?；反膿Q裝比例約為2倍的關(guān)系，與中上游段的貨種換裝情況相反[11]。由于長江中上游的相關(guān)數(shù)據(jù)暫未獲取，本文主要根據(jù)長江江蘇段的船舶進(jìn)港、洗艙審批等數(shù)據(jù)開展船舶洗艙水產(chǎn)生量估算方法研究。

表2 長江主要區(qū)段?；窊Q裝洗艙作業(yè)艘次和占比

2 思路與方法

2.1 構(gòu)建本構(gòu)方程

基于上述國內(nèi)外研究成果，針對(duì)船舶洗艙需求特征，綜合相關(guān)影響因素，構(gòu)建相應(yīng)的本構(gòu)方程，具體如下。

1) 構(gòu)建船舶洗艙水與船舶進(jìn)港艘次、洗艙換裝艘次占比和船舶噸級(jí)分布等影響因素之間的本構(gòu)方程，有

T=F(Q,η,W)

(1)

式(1)中：T為給定時(shí)間范圍內(nèi)(一般取1 a)的船舶洗艙水產(chǎn)生量，t；Q為給定時(shí)間范圍內(nèi)(一般取1 a)的船舶進(jìn)港艘次，艘次；η為給定時(shí)間范圍內(nèi)(一般取1 a)的洗艙換裝艘次與船舶進(jìn)港艘次的比值；W為給定時(shí)間范圍內(nèi)(一般取1 a)的洗艙船舶的噸位或載重量分布函數(shù)。

W=G(Q,η,α,β)

(2)

式(2)中：α和β分別為特征洗艙船舶的噸位(D)或載重量(Z)的平均值及其艘次占比。特征洗艙船舶按其噸位(D)分類，即D≤1 000噸級(jí)、1 000

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2) 對(duì)構(gòu)建的2個(gè)本構(gòu)方程的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行比選和確定。

3) 針對(duì)2個(gè)本構(gòu)方程已選定的函數(shù)關(guān)系開展相關(guān)參數(shù)的測算，結(jié)合已有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)初步構(gòu)建的本構(gòu)方程進(jìn)行修正優(yōu)化，從而得到適用于長江江蘇段的船舶洗艙水產(chǎn)生量估算方法。

2.2 洗艙需求與現(xiàn)行估算方法比較分析

JT/T 879—2013提出的船舶洗艙水產(chǎn)生量經(jīng)驗(yàn)公式為三元一次線性方程，其自變量和相關(guān)參數(shù)與船舶活動(dòng)及其特征有密切聯(lián)系，本文僅對(duì)船舶換裝洗艙需求與現(xiàn)行經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較分析：

1) 船舶換裝洗艙與同期的船舶進(jìn)港總艘次之間存在一定的比例關(guān)系，而該比例關(guān)系受到船舶運(yùn)輸貨種性質(zhì)、強(qiáng)制預(yù)洗要求及船方和貨主的需求等多種因素的影響。

2) 船舶洗艙水產(chǎn)生量一方面需滿足MARPOL 73/78公約附則II中的預(yù)洗最小水量的要求，另一方面與船舶實(shí)際載貨量有關(guān)。由于實(shí)際船舶各異，且難以獲取艙室數(shù)量及其容積數(shù)據(jù)，在構(gòu)建船舶洗艙水產(chǎn)生量函數(shù)關(guān)系時(shí)，其自變量轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾潍@取船舶實(shí)際載貨量與洗艙水產(chǎn)生量之間的關(guān)系，但因?qū)嶋H載貨量受船方和港口方雙方需求等主觀因素的影響比較大，可采用與船舶載貨量密切相關(guān)且較易獲取的參數(shù)，如船舶噸位、船舶載重量和港口吞吐量等數(shù)據(jù)。

4) 相關(guān)參數(shù)的物理意義分析如下：

(1) 針對(duì)化學(xué)品洗艙水，現(xiàn)行經(jīng)驗(yàn)公式中船舶噸位和港口貨物吞吐量對(duì)洗艙水產(chǎn)生量的權(quán)重占比達(dá)到90%，即船舶載重量與洗艙水產(chǎn)生量幾乎呈等比例的線性關(guān)系；每萬總噸船舶產(chǎn)生的污染物均量推薦值WT和每萬噸貨物吞吐量產(chǎn)生的污染物均量推薦值WG也與船舶載重量(或船舶載貨量)有關(guān)，分別為2.5 t/萬總噸和1.5 t/萬t(JT/T 879—2013中的表1)，與表3中的每萬噸運(yùn)輸量的化學(xué)品船舶洗艙水產(chǎn)生量(3.4～4.3 t/萬t)基本一致，可見本文構(gòu)建的本構(gòu)方程能將船舶噸位和港口貨物吞吐量變?yōu)榇拜d重量的自變量或相關(guān)參數(shù)；整體修正系數(shù)取0.14(JT/T 879—2013中的表1)，可解釋為實(shí)際船舶洗艙艘次占船舶進(jìn)港總艘次的比例為14%，與相關(guān)文獻(xiàn)[6,11-13]中的表述基本吻合。

表3 長江江蘇段化學(xué)品洗艙水產(chǎn)生量與其運(yùn)輸量關(guān)系

(2) 針對(duì)油船洗艙水，本文采用原含油污水產(chǎn)生量經(jīng)驗(yàn)公式，其3個(gè)自變量與化學(xué)品洗艙水一致，其權(quán)重較為平均，各約占1/3；每艘次船舶產(chǎn)生的污染物均量推薦值WN、WT和WG之比與其權(quán)重比例也較為接近，三者為化學(xué)品洗艙水的4倍左右，與長江南京段的實(shí)際值基本一致，即油船和化學(xué)品船換裝洗艙水產(chǎn)生量分別為161～308 t/艘次和33～56 t/艘次；從整體修正系數(shù)取0.9來看，由于油品基本為X類物質(zhì)和高黏度或凝固性Y類物質(zhì)，以南京港為例，這2類貨種占比恰好約為90%，與該修正系數(shù)一致，故可解釋為按MARPOL 73/78公約附則II，油船進(jìn)港總艘次中有90%均存在洗艙需求，但在實(shí)際情況下應(yīng)考慮具備強(qiáng)制預(yù)洗免除條件的進(jìn)港油船比例。

2.3 主要影響因素間的擬合關(guān)系

表4為更換貨種艘次與對(duì)應(yīng)船舶進(jìn)港艘次擬合關(guān)系，其中：Qz為?；反M(jìn)港艘次；Qhz為船舶換裝洗艙艘次；Qzc為化學(xué)品船進(jìn)港艘次；Qhzc為化學(xué)品船換裝洗艙艘次。由表4可知，采用對(duì)數(shù)方程和線性方程測算的結(jié)果均小于采用指數(shù)方程測算的結(jié)果，即2 376艘次/a，雖然采用前2種方法測算的結(jié)果與海事部門提供的歷史洗艙作業(yè)審批情況較為符合，但未考慮船舶洗艙水接收比例低、港口船舶洗艙水接收能力不足和洗艙站點(diǎn)少且布局不合理等情況[12]，故采用指數(shù)方程測算的結(jié)果更符合實(shí)際情況，且與《布局方案》中預(yù)測的結(jié)果較為接近。

表4 更換貨種艘次與對(duì)應(yīng)船舶進(jìn)港艘次擬合關(guān)系

3 結(jié)果與分析

在上述比較分析的基礎(chǔ)上，分別按船舶換裝和上塢檢修洗艙2類洗艙需求確定式(1)和式(2)的具體函數(shù)關(guān)系。表5為船舶洗艙艘次與洗艙水產(chǎn)生量擬合關(guān)系，其中：Thz+sw為船舶換裝和上塢檢修洗艙水產(chǎn)生量；Qhz+sw為船舶換裝和上塢檢修洗艙艘次；Thz、Thzo和Thzc分別為?；反⒂痛突瘜W(xué)品船換裝洗艙水產(chǎn)生量；Qhz、Qhzo和Qhzc分別為?；反?、油船和化學(xué)品船換裝洗艙艘次。由表4和表5可知，船舶洗艙水產(chǎn)生量(T)與估算得到的船舶換裝洗艙艘次(Qhz)之間有較強(qiáng)的線性關(guān)系，而船舶換裝洗艙艘次(Qhz)與危化品船舶進(jìn)港艘次(Qz)之間呈指數(shù)關(guān)系。針對(duì)上塢檢修洗艙艘次(Qsw)，可根據(jù)所在轄區(qū)長江干線危化品船舶擁有量(Rz)和《老舊運(yùn)輸船舶管理規(guī)定》(即新船4 a、老船2 a需上塢檢修)進(jìn)行估算；對(duì)應(yīng)的洗艙水產(chǎn)生量和相關(guān)參數(shù)取值可采用船舶換裝洗艙水產(chǎn)生量估算方法進(jìn)行測算。

表5 船舶洗艙艘次與洗艙水產(chǎn)生量擬合關(guān)系

3.1 船舶換裝洗艙水產(chǎn)生量估算公式

Thz=a·Qz·ηhz+b

(3)

Thzc=ω·α′·Qzc·ηhzc

(4)

(5)

(6)

(7)

式(3)～式(7)中：Thz、Thzo和Thzc分別為危化品船、油船和化學(xué)品船換裝洗艙水產(chǎn)生量，t；Qz、Qzo和Qzc分別為危化品船、油船和化學(xué)品船進(jìn)港艘次，艘次；ηhz、ηhzo和ηhzc分別為?；反?、油船和化學(xué)品船換裝洗艙比例；ηhzi、ηhzoi和ηhzci分別為按危化品船、油船和化學(xué)品船總噸分級(jí)對(duì)應(yīng)的換裝洗艙比例；βi、βoi和βci分別為按?；反⒂痛突瘜W(xué)品船總噸分級(jí)對(duì)應(yīng)的船舶進(jìn)港艘次占比，該參數(shù)應(yīng)通過獲取所在地海事部門相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，若僅針對(duì)油船或化學(xué)品船進(jìn)行估算，應(yīng)對(duì)βoi或βci進(jìn)行歸一化處理；Qzi、Qzoi和Qzci分別為按?；反?、油船和化學(xué)品船總噸分級(jí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)港艘次，艘次；a和b為船舶換裝洗艙水產(chǎn)生量公式中的參數(shù)，分別針對(duì)?；反?、油船和化學(xué)品船；α′為按特征洗艙船舶對(duì)應(yīng)的平均載重量，t；ω為洗艙水產(chǎn)生量(Thz)與船舶最大載重量(α′)的比例系數(shù)，其余相應(yīng)取值和適用范圍見表6；λ和ξ為?；反瑩Q裝洗艙比例公式中的參數(shù)，分別針對(duì)?；反?、油船和化學(xué)品船，其取值和適用范圍見表7；Ci表示Qzi、Qzoi或Qzci不在表6和表7中的適用范圍內(nèi)時(shí)，?；反瑩Q裝洗艙比例估算公式可根據(jù)對(duì)應(yīng)船舶總噸的特征換裝洗艙船舶的經(jīng)驗(yàn)值選取，具體見表8。

表6 參數(shù)a、b及船舶換裝洗艙水產(chǎn)生量估算公式適用范圍

表7 參數(shù)λ、ξ及船舶換裝洗艙比例估算公式適用范圍

表8 特征洗艙船舶換裝艘次與船舶進(jìn)港艘次占比經(jīng)驗(yàn)值 單位:%

3.2 船舶上塢檢修洗艙水產(chǎn)生量估算公式

1) 當(dāng)Qsw>106艘次時(shí)，有

Tsw=64.293Qsw+266.38

(8)

(9)

2) 當(dāng)Qsw≤106艘次時(shí)，有

(10)

3.3 船舶洗艙需求和洗艙水產(chǎn)生量預(yù)測

根據(jù)上述船舶洗艙水產(chǎn)生量估算方法，經(jīng)計(jì)算可知，2020年和2025年全省沿江船舶洗艙艘次分別為4 393艘次和4 571艘次，對(duì)應(yīng)的船舶洗艙水總量分別為317 713.3 t和335 005.8 t，其中油船換裝及其洗艙水產(chǎn)生量的占比最高，分別達(dá)到45%和77%以上，具體見表10。

表9 特征船舶載重量平均值 單位:t

表10 沿江船舶洗艙需求和洗艙水產(chǎn)生量預(yù)測

4 結(jié) 語

1) 本文所述估算方法中各計(jì)算公式均有相應(yīng)的取值范圍，即一般危化品船進(jìn)港艘次需大于1 123艘次，故其適用于一定時(shí)間周期或一定規(guī)模的港口或港區(qū)，一般為年度或港區(qū)范圍。此外，特征船舶相關(guān)參數(shù)主要采用南京港歷史數(shù)據(jù)，故在實(shí)際估算時(shí)，建議盡量采用當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，若無法獲取，則上述各表中的相關(guān)參數(shù)可作為參考選取。

2) 雖然采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)反推得到的結(jié)果與《布局方案》的匹配度較好，但采用該方法的前提是將各洗艙站的洗艙能力作為約束，通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)試算選取最接近約束條件的擬合方程，與實(shí)際情況可能存在較大差異。本文通過對(duì)?；反M(jìn)港艘次進(jìn)行預(yù)測，結(jié)合特征船舶相關(guān)參數(shù)求得相應(yīng)洗艙需求和洗艙水產(chǎn)生量，其2025年預(yù)測結(jié)果與《布局方案》較為匹配，但2020年預(yù)測值超過了近30%，相當(dāng)于2座洗艙站的洗艙能力。

本文在現(xiàn)有船舶洗艙水估算方法和洗艙需求特征分析的基礎(chǔ)上，提出了考慮船型、貨物相容性和換裝艘次比例等影響因素的估算方法，構(gòu)建了船舶洗艙水產(chǎn)生量本構(gòu)方程，提出了船舶洗艙水產(chǎn)生量與船舶進(jìn)港艘次的定量關(guān)系，明確了相關(guān)參數(shù)的選取，進(jìn)一步縮小了數(shù)據(jù)源獲取范圍。通過分析可知，該估算方法在以年度為周期和港區(qū)以上規(guī)模范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的適用性，與《布局方案》中的2025年需求預(yù)測結(jié)果基本匹配。

由于選取的部分?jǐn)?shù)據(jù)還具有一定的局限性，尤其是在危化品船進(jìn)港艘次較少的情況下，估算結(jié)果會(huì)存在較大誤差，一方面建議未來在擴(kuò)大和完善對(duì)海事部門關(guān)于危化品船進(jìn)港艘次、洗艙作業(yè)和洗艙產(chǎn)生量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修正和完善相關(guān)計(jì)算公式及其參數(shù)；另一方面深入探究MARPOL 73/78公約中的預(yù)洗最小水量計(jì)算方法與本文所述估算方法的關(guān)聯(lián)，建立船舶進(jìn)港艘次小于1 123艘次情況下的估算方法。