長江干線水運量和承載能力研究

馮宏琳，張 藝，韓兆星，孫 平，徐 力，魏雪蓮

(交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028)

長江干線是我國橫貫東中西部地區(qū)水路運輸大通道，素有“黃金水道”之稱，依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展是我國正在實施的三大戰(zhàn)略之一[1]。為推進長江經(jīng)濟帶高質量發(fā)展、保護好長江水資源及環(huán)境、科學利用長江黃金水道，交通運輸部規(guī)劃研究院開展了長江干線水運量和承載能力研究。承載能力研究在資源環(huán)境學科較為廣泛和普遍，在水運行業(yè)國內外研究均較少。隨著我國生態(tài)文明建設的推進，長江經(jīng)濟帶確立了生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，共抓大保護、不搞大開發(fā)的新導向，我國學者開展了一些相關探索性研究。徐湘文等[2]將長江中游航道貨運承載能力定位為航道所承載的總貨量最大值，提出了基于OD貨流矩陣的算法；劉懷漢等[3]提出了多目標協(xié)同下的長江航道承載力研究構想。在此構想下，馬馳[4]研究了長江下游航道承載力指標與評價方法，趙藝為等[5-7]研究了長江航道承載力概念、影響因素內涵及體系構建，均嘗試通過多目標多因素綜合確定航道可開發(fā)的最大尺度和通過能力。本文基于已開展的長江干線航道規(guī)劃標準研究，深入分析了長江水運發(fā)展與生態(tài)環(huán)保的關系以及主要影響因素，研究提出了以環(huán)境容量約束為條件的長江水運承載能力內涵和算法，可為確定今后長江干線航道合理運輸規(guī)模和航道發(fā)展規(guī)劃標準提供技術依據(jù)。

1 長江干線水運基本情況

長江干線航道自云南水富至長江口，全長2 838 km。上游水富至宜昌1 074 km，目前水富—涪陵可通航500～3 000噸級船舶，涪陵—宜昌三峽庫區(qū)段可通航5 000噸級船舶。中游宜昌—江西湖口900 km，目前宜昌—武漢段航道可通航3 000～5 000噸級內河船舶，武漢—湖口段可通航5 000噸級海船。下游湖口—長江口864 km，目前湖口—蕪湖段可通航5 000～1萬噸級海船，蕪湖—南京段可通航1萬～2萬噸級海船，南京—南通段可通航3萬～5萬噸級海船，南通—長江口段可全天候雙向通航5萬噸級海船。為提高運輸效益，交通部門近年來開始根據(jù)水位季節(jié)性變化情況，按月、旬向社會發(fā)布航道維護水深，利用中洪水期通航更大的船舶，并開通了城陵磯—蕪湖海輪航道。

2016年，長江干線水運貨運量達22.1億t，2005年以來年均增長8.6%。其中，江海直達運量為12.9億t，占總量的60%左右；海進江運輸占絕對主導，2005年以來海進江運量規(guī)模和運輸范圍進一步提升。沿江企業(yè)生產(chǎn)所需的80%的鐵礦石、83%的電煤和90%以上的集裝箱運輸是通過長江水運完成的。長江水運在長江經(jīng)濟帶煤炭、金屬礦石、水泥、礦建材料等大宗散貨運輸和集裝箱、汽車滾裝運輸中發(fā)揮了重要作用，有效支撐和促進了沿江產(chǎn)業(yè)密集帶的形成和發(fā)展。

長江干線分布有上海、武漢、重慶3大航運中心和南京區(qū)域性航運物流中心以及16個全國主要港口，擁有13個吞吐量超過億噸的大港。長江干線完成的水運貨運量、貨物周轉量約占區(qū)域全社會貨運量的15%和45%，長江水運已成為長江經(jīng)濟帶綜合立體交通走廊中東西向最重要的交通大動脈，在促進區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展和擴大對外開放中發(fā)揮著不可替代的作用。

2 長江干線水運產(chǎn)生的環(huán)境影響

長江干線水運利用天然通道資源，在解決大量物資運輸需求的同時，實現(xiàn)社會物流成本、土地占用、能源消耗和污染物排放的最小化，產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會、生態(tài)三者綜合效益最優(yōu)，是最經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保的綠色運輸方式。一艘5 000 t長江貨船載貨量相當于1列由100節(jié)重載車皮組成的火車或100輛載質量50 t的重型卡車的運能。水運每噸公里能耗是鐵路的12、公路的114，污染排放量是鐵路的11.2、公路的115。

長江干線水運產(chǎn)生的環(huán)境影響主要包括對水生態(tài)和水生物的影響、岸線資源的占用以及廢水廢氣等污染排放。與沿江工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活產(chǎn)生的對長江水生態(tài)、水環(huán)境以及大氣環(huán)境等影響相比，長江干線水運產(chǎn)生的影響甚微。據(jù)不完全統(tǒng)計，長江全流域年廢水排放量超過300億t，其中與港口和船舶相關的廢水排放所占比不足510 000。

水運對水生態(tài)和水生物的影響主要發(fā)生在航道整治階段和船舶運營階段。航道整治需要臨時或永久占用局部水域，對部分水生物的生存環(huán)境和繁殖等活動產(chǎn)生一定影響?！笆濉逼陂L江干線航道整治項目占用相關保護區(qū)水域面積不足2.5%，不會造成生態(tài)功能的總體退化，通過嚴格落實環(huán)境保護規(guī)定，并采用增殖放流、生態(tài)修復等措施影響可進一步減弱。船舶運營中螺旋槳可能會對大型魚類水生物造成傷害個案，與非法捕撈、非法采砂、大型涉水工程建設對長江水生物帶來的不良影響相比微乎其微。隨著長江干線船舶大型化趨勢發(fā)展，近年來營運船舶數(shù)量和密度呈明顯下降態(tài)勢，對魚類水生物影響總體可控。

港口碼頭建設會占用一定的岸線資源。截至2015年底，長江干線港口碼頭利用岸線約占自然岸線總長度的15%。2016—2017年，在長江經(jīng)濟帶領導小組推動下，沿江各省市陸續(xù)制定了非法碼頭專項整治方案，對沿江非法碼頭和飲用水水源保護區(qū)域內的碼頭開展了整治工作，共整治恢復自然岸線146 km。

水運產(chǎn)生的污染主要來自運營船舶產(chǎn)生的廢氣、廢水、固體廢物等排放性污染。2016年長江干線共接收船舶含油污水6.9萬t、船舶垃圾2.5萬t，全線5個固定洗艙站提供洗艙服務約270艘次。目前，交通行業(yè)正在大力推進港口岸電、港口和船舶污染物接受處置等環(huán)保設施建設，長江干線水運產(chǎn)生的排放性污染有望持續(xù)改善。

長江經(jīng)濟帶國家戰(zhàn)略實施以來，長江水運強化綠色發(fā)展頂層設計，嚴格執(zhí)行國家節(jié)能減排、環(huán)境保護相關法規(guī)政策，大力建設生態(tài)航道、綠色港口，切實開展碼頭岸線專項清理整治，嚴格防控港口和船舶污染物排放，綠色發(fā)展水平顯著提升。目前長江干線水運環(huán)保方面存在的主要問題是局部航道建設存在與魚類自然保護區(qū)的矛盾；船舶違規(guī)使用燃油和違規(guī)排放的現(xiàn)象依然存在；港口和船舶污染物接收處置設施仍然不足；推進長江水運綠色發(fā)展的配套政策和機制有待進一步完善。

3 長江干線水運發(fā)展面臨的形勢和需求

未來長江經(jīng)濟帶將以共抓大保護、不搞大開發(fā)為導向，把保護和修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，加快構建綜合立體交通走廊，創(chuàng)新驅動產(chǎn)業(yè)轉型升級，積極推進新型城鎮(zhèn)化，努力構建陸海雙向全方位開放格局，在我國經(jīng)濟社會統(tǒng)籌發(fā)展中發(fā)揮好引領示范和戰(zhàn)略支撐作用。

預計未來一段時期長江干線水運量將保持平穩(wěn)增長，能源原材料等大宗散貨仍然是主要貨種，但增速趨緩；集裝箱、商品汽車滾裝等運量增長加快，運輸結構進一步優(yōu)化。2035年預測長江干線水運量將達36億t，其中江海直達量為21億t，煤炭、金屬礦石、礦建材料、集裝箱貨運量分別為5.9億t、5.3億t、5.7億t、7 200萬TEU。貨運船舶運力增速放緩，船型繼續(xù)向大型化、標準化發(fā)展，船舶安全環(huán)保技術性能顯著提升。

4 長江干線水運承載能力

4.1 水運量和承載能力的內涵

長江干線水運(貨運)量是指在長江干線水富—長江口區(qū)間，航行的船舶(包括內河船、江海船和海船)在一定時間(通常指1 a)內實際運輸完成的貨物質量。

“承載能力”字面原指某一事物“承”與“載”的能力，一般指空間上的最大容量或力學上的最大限度。目前，長江干線水運承載能力在學術理論研究上尚無明確的科學定義，本文引入資源環(huán)境學科領域的承載能力概念，考慮長江水運與生態(tài)環(huán)境相互作用影響，界定長江干線水運承載能力的內涵是：在一定環(huán)境容量條件下，航道上所容許通過的船舶數(shù)量或貨運量之和，即一定環(huán)境容量條件下的航道通過能力限度。

航道通過能力不同于航道內實際發(fā)生的水運貨運量，它反映的是單位時間或特定時間段內能通過航道某一區(qū)段(或某一地點)的船舶或貨物潛在的最大運輸能力。常用計算公式方法有西德公式、蘇南公式、長江公式等，本文選用適用于天然航道的長江公式[8]。

4.2 承載能力研究思路和計算方法

從長江水運產(chǎn)生的環(huán)境影響來看，航道建設維護期、港口建設運營期產(chǎn)生的影響可通過嚴格落實環(huán)境保護制度和重大工程修復補償措施加以避免或大幅減輕。運營船舶產(chǎn)生的排放性污染由于是流動性污染源，給全面治理和防控帶來一定的困難，今后隨著航道條件改善、船舶性能的提升以及監(jiān)管覆蓋力度的進一步強化，將得到逐步改善。

考慮未來長江干線水運發(fā)展不增加總體環(huán)境負擔，設定承載能力的環(huán)境容量條件為船舶污染物排放總量不增長。船舶排放污染物主要有船舶廢氣中硫氧化物、氮氧化物，船舶廢水中的生活污水、船舶殘油、化學品洗艙水以及船舶固體廢物垃圾。經(jīng)分析，選取了船舶氮氧化物、船舶殘油和船舶垃圾作為廢氣、廢水、廢固的3個主要控制指標，明確了環(huán)境約束條件，引入船舶密度公式(式(2))，建立了航道通過能力(式(1))與船舶污染物排放控制即環(huán)境約束項條件(式(3))之間相關聯(lián)的長江干線水運承載能力的算法，即：

航道通過能力計算公式(長江公式)：

W=31.536×106CPF1F2F3F4/T

(1)

船流密度計算公式：

(2)

環(huán)境約束項公式：

(3)

式中：W為航道雙向通過能力；D為航道雙向船舶密度(艘a)；N為船舶氮氧化物；Q為船舶含油污水；L為船舶垃圾；C為上、下行貨運不平衡系數(shù)；P為標準船隊載質量(t)；F1為年通航期系數(shù)；F2為非標準船隊影響系數(shù)；F3為港口、航道、運行調度產(chǎn)生運輸不平衡影響系數(shù)；F4為考慮非運輸船舶通過控制段的影響系數(shù)；T為標準船隊安全通過計算斷面的時間；t為船舶通過斷面間的運行時間；n為氮氧化物排放因子；w為斷面船舶平均功率；q為船舶含油污水產(chǎn)生系數(shù)，依據(jù)船檢規(guī)范和實船數(shù)據(jù)選??；l為單位船員垃圾日產(chǎn)生量；r為船舶對應船員數(shù)量，依據(jù)《船舶最低安全配員規(guī)則》選取；N現(xiàn)狀為船舶氮氧化物現(xiàn)狀值；Q現(xiàn)狀為船舶含油污水現(xiàn)狀值；L現(xiàn)狀為船舶垃圾現(xiàn)狀值。

基于未來長江干線各段航道規(guī)劃推薦通航標準，選取宜賓、萬州、三峽、武漢、安慶、南京、長江口共7個典型斷面，預測得出船舶噸位結構和船舶密度，通過公式組迭代試算，計算得出長江干線航道通過能力和水運承載能力以及分別對應的船舶污染物排放指標值，見表1、2。

表1 長江干線航道通過能力和水運承載能力計算結果

注：長江干線全線能力根據(jù)各斷面航道通過能力，考慮運輸組織、運距等因素綜合測算。

表2 長江干線不同運輸能力對應的污染物排放值

在推薦的長江干線航道標準和預測的船舶運輸組織條件下，采用長江公式計算長江干線航道設計綜合通過能力為58.9億t。航道在達到此通過量時相應的船舶污染物排放指標與2016年現(xiàn)狀比，除硫氧化物大幅降低外(降低95.6%)，氮氧化物、船舶殘油、船舶垃圾、生活污水分別增加48.1%、66.3%、12.1%、11.8%。

假定船舶污染物排放總量不增長為環(huán)境容量約束條件，計算得出長江干線承載能力為36.7億t，基本能夠滿足預測2035年的長江干線水運需求量。從船舶污染物排放具體指標來看，與2016年現(xiàn)狀相比，船舶殘油增長為零，氮氧化物、船舶垃圾、硫氧化物、生活污水分別減少10.8%、36.4%、97.8%、36.3%。

5 結論

1)考慮長江水運量平穩(wěn)增長、船舶標準化大型化以及船舶密度降低等總體發(fā)展趨勢，基于長江干線航道規(guī)劃推薦標準，預測未來船舶噸級結構和不同船舶密度，并結合船舶油品質量強制提高等技術因素，計算得出了未來長江干線航道通過能力和一定環(huán)境容量條件下(假定為船舶污染物排放總量不增長)的水運承載能力。

2)如果考慮環(huán)境容量允許適度增長，或進一步優(yōu)化船型和運輸組織、改善提高船舶技術性能以及清潔能源應用和污染物排放控制技術進步等措施的強化，長江干線水運承載能力尚有較大提升空間。

3)研究認為，未來長江干線水運承載能力合理區(qū)間為36.7億～58.9億t。