北方海航道與蘇伊士運(yùn)河航道混合集裝箱班輪航線經(jīng)濟(jì)性研究

徐驊

隨著全球氣候變暖，夏季北極海冰范圍呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)，從而使船舶在北極航行的可行性提高。北極航道包括沿俄羅斯北部海域的東北航道（其中白令海峽與新地島之間的航道被俄羅斯稱為“北方海航道”）、沿加拿大和美國(guó)阿拉斯加北部海域的西北航道以及穿過北冰洋中央海域的跨極地航道。上述航道的冰情各不相同，其中：北方海航道冰情最輕，自2008年以來每年9月都處于全線無冰狀態(tài);西北航道冰情次之，海冰范圍變化較大，并非每年都有全線無冰的情況;跨極地航道穿過北冰洋中心地帶，冰情最重，全年處于封凍狀態(tài)。目前，北極航行大多取道北方海航道，經(jīng)西北航道的航次數(shù)量極少，跨極地航道則尚未通航。本文提出連接鹿特丹港與上海港的北方海航道與蘇伊士運(yùn)河航道混合集裝箱班輪航線（以下簡(jiǎn)稱“混合航線”），并針對(duì)混合航線和傳統(tǒng)航線（即蘇伊士運(yùn)河航線）分別構(gòu)建航運(yùn)成本模型，據(jù)此計(jì)算并比較混合航線和傳統(tǒng)航線的航運(yùn)成本，以評(píng)估混合航線的經(jīng)濟(jì)性。

1 研究背景

2009年，俄羅斯開始在北方海航道開展國(guó)際商業(yè)航行。2013年，北方海航道過境運(yùn)量達(dá)到135.6萬t的歷史峰值，其中：東行貨物以油氣和鐵礦石為主，西行貨物為成品油等。2013年以后，北方海航道過境運(yùn)輸貨類發(fā)生重大變化：散貨運(yùn)量大幅減少，而以鋼鐵、機(jī)械設(shè)備等為代表的件雜貨運(yùn)量占優(yōu)勢(shì)比重。2014年，北方海航道過境運(yùn)量劇烈滑坡。2015年，北方海航道過境運(yùn)量?jī)H約4.0萬t，此后開始逐步回升。2018年，北方海航道過境運(yùn)量回升至49.1萬t。2013年，原中遠(yuǎn)集團(tuán)旗下雜貨船“永盛”號(hào)首次穿越北方海航道;2018年，中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)共有8個(gè)航次途經(jīng)北方海航道，一躍成為北方海航道過境運(yùn)輸?shù)闹髁姡彩刮覈?guó)成為開展北極航行的重要國(guó)家。2018年，馬士基旗下載箱量為3 600 TEU的集裝箱船“文塔·馬士基”號(hào)穿越北方海航道，成為全球首艘在北極航行的全集裝箱船。

由于東亞與西北歐之間制成品貿(mào)易量巨大，經(jīng)北方海航道的亞歐航線可行性研究日益受到關(guān)注。LASSERRE[1]和MENG等[2]綜述北方海航道與傳統(tǒng)航道經(jīng)濟(jì)性對(duì)比的研究進(jìn)展， VERNY等[3]、LIU等[4]、XU等[5]、OMRE[6]、FURUICHI等[7]、WANG等[8]、ZHAO等[9]、LIN等[10]對(duì)北極集裝箱班輪運(yùn)輸開展研究。為確保集裝箱班輪航線能夠全年運(yùn)營(yíng)，本文提出連接鹿特丹港與上海港的混合航線。該航線具有季節(jié)性特點(diǎn)，即：船舶在經(jīng)濟(jì)可行季節(jié)經(jīng)北方海航道航行，在其他季節(jié)經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航道航行。

2 航運(yùn)成本模型構(gòu)建

2.1 研究方法

由于北方海航道有冰航段和無冰航段的長(zhǎng)度隨著船舶與北極海冰邊界相對(duì)位置關(guān)系的變化而變化，本文提出一種新的研究方法――時(shí)空?qǐng)D示法，即：在直角坐標(biāo)系中，用橫坐標(biāo)表示時(shí)間，用縱坐標(biāo)表示航程，并在其中繪制船舶航行軌跡。以連接鹿特丹港與上海港的航線為例：如果該航線途經(jīng)北方海航道，并穿越新西伯利亞群島北部和新地島，則航程為7 630 n mile;如果該航線途經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航道，則航程為10 472 n mile。根據(jù)美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2015年各月北極海冰范圍數(shù)據(jù)，繪制同期經(jīng)北方海航道的鹿特丹港―上海港航線船舶航行軌跡（見圖1）。需要注意的是，船舶在有冰航段和無冰航段的航速不同：船舶駛?cè)氡鶇^(qū)后，航速減慢;船舶駛出冰區(qū)后，航速加快。假設(shè)冰區(qū)中的冰層厚度為1 m，且船舶在有冰航段的航速與引航的破冰船航速相同。在冰層厚度為1 m的情況下，破冰船航速通常為3～5 kn，故本文考慮船舶在有冰航段的3種航速，即3 kn、4 kn和5 kn。為了保證船期，集裝箱班輪航線每個(gè)航次的時(shí)間相對(duì)固定;因此，船舶在有冰航段航行的時(shí)間越長(zhǎng)，其在無冰航段航行的時(shí)間就越短，即船舶在有冰航段的航速?zèng)Q定其在無冰航段的航速。

2.2 模型構(gòu)建

本文針對(duì)混合航線和傳統(tǒng)航線分別構(gòu)建航運(yùn)成本模型，其中，航運(yùn)成本包含燃油成本、資本成本和運(yùn)營(yíng)成本以及蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)或北方海航道破冰費(fèi)。

2.2.1 燃油成本

燃油成本與燃油價(jià)格、航次時(shí)間和燃油消耗率有關(guān)，燃油消耗率則與主機(jī)功率成正比。此外，根據(jù)“推進(jìn)器法則”，在開敞水域航行的船舶所需的主機(jī)功率與航速的3次方成正比。

2.2.1.1 混合航線北極航次k的燃油成本

由于船舶在有冰航段和無冰航段的航速不同，導(dǎo)致船舶在有冰航段和無冰航段的燃油消耗率不同，故混合航線北極航次k的燃油成本

C燃油（混合航線北極航次k）=p燃油（t有冰 有冰+t無冰 無冰）（1）

式中：p燃油為燃油價(jià)格，美元/t;t有冰為船舶在有冰航段的航行時(shí)間，d; 有冰為船舶在有冰航段的燃油消耗率，t/d;t無冰為船舶在無冰航段的航行時(shí)間，d; 無冰為船舶在無冰航段的燃油消耗率，t/d。

船舶在有冰航段和無冰航段的燃油消耗率分別為

有冰= max

無冰= max

式中： max為船舶在最高航速下的燃油消耗率，t/d;a1為冰級(jí)船的額外燃油消耗系數(shù);vmax為船舶最高航速，kn;v有冰為船舶在有冰航段的航速（即破冰船在冰區(qū)的航速），kn;Ps為船舶克服冰阻力所需的額外功率，kW;Pmax為船舶主機(jī)最大功率，kW;v無冰為船舶在無冰航段的航速，kn。由此式（1）可變?yōu)?/p>

C燃油（混合航線北極航次k）=p燃油 max

（2）

參照J(rèn)UVA等[11]提出的公式計(jì)算船舶克服冰阻力所需的額外功率，即

Ps=（3）

式中：F為冰阻力，kN;D為船舶推進(jìn)器直徑，m;K為與船舶推進(jìn)器數(shù)量和機(jī)械類型有關(guān)的系數(shù)。在采用可調(diào)螺距推進(jìn)器或電推進(jìn)機(jī)械的情況下：若推進(jìn)器數(shù)量為1個(gè)，則K=2.03;若推進(jìn)器數(shù)量為2個(gè)，則K=1.44;若推進(jìn)器數(shù)量為3個(gè)，則K=1.18。在采用固定螺距推進(jìn)器的情況下：若推進(jìn)器數(shù)量為1個(gè)，則K=2.26;若推進(jìn)器數(shù)量為2個(gè)，則K=1.60;若推進(jìn)器數(shù)量為3個(gè)，則K=1.31。

根據(jù)《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)范》，冰阻力

F=C1+C2+C3（ 1+ 2）2（b+0.658 1）+

C4

x=

式中： 1為被船首推至冰通道兩側(cè)的碎冰厚度，m; 2為冰通道中間的碎冰厚度，m;b為船舶寬度，m;l為船舶垂線間長(zhǎng)度，m;d為船舶吃水，m; 1≈0.26+（b 2）0.5;C3=459.993;C4=18.783;C5=825.600。對(duì)于有球鼻艏的船舶，C1和C2的取值分別為

（1+1.2 d/b）b2/

式中：f1=10.35;f2=45.80;f3=2.94;f4=5.80;g1=1 537.30;g2=172.30;g3=398.70。

將以上變量和參數(shù)代入式（3），并將式（3）代入式（2），即可得到混合航線北極航次k的燃油成本。

2.2.1.2 傳統(tǒng)航線航次k的燃油成本

由于蘇伊士運(yùn)河對(duì)船舶航速有一定限制，導(dǎo)致船舶在蘇伊士運(yùn)河航段和非蘇伊士運(yùn)河航段的燃油消耗率不同，故傳統(tǒng)航線航次k的燃油成本

C燃油（傳統(tǒng)航線航次k）=p燃油（t1 1 + t2 2）（4）

式中：p燃油為燃油價(jià)格，美元/t;t1為船舶在非蘇伊士運(yùn)河航段的航行時(shí)間，d; 1為船舶在非蘇伊士運(yùn)河航段的燃油消耗率，t/d;t2為船舶在蘇伊士運(yùn)河航段的航行時(shí)間，d; 2為船舶在蘇伊士運(yùn)河航段的燃油消耗率，t/d。

船舶在非蘇伊士運(yùn)河航段和蘇伊士運(yùn)河航段的燃油消耗率分別為

1= max a1? = max a1

2= max a1 = max a1

式中： max為船舶在最高航速下的燃油消耗率，t/d;a1為冰級(jí)船的額外燃油消耗系數(shù);vmax為船舶最高航速，kn;v1為船舶在非蘇伊士運(yùn)河航段的平均航速，kn;d1為亞歐航線非蘇伊士運(yùn)河航段的航程，n mile;v2為船舶在蘇伊士運(yùn)河航段的平均航速，本文設(shè)定v2=8 kn，接近蘇伊士運(yùn)河的限制航速8.64 kn;d2為蘇伊士運(yùn)河航段的航程，n mile。將 1和 2代入式（4），得

C燃油（傳統(tǒng)航線航次k）=p燃油a1 （5）

船舶在非蘇伊士運(yùn)河航段的航行時(shí)間t1=船舶航行總時(shí)間 船舶在港時(shí)間 船舶在蘇伊士運(yùn)河航段的航行時(shí)間t2，并且周班航線往返航次船舶航行總時(shí)間為航線配船數(shù)量的7倍，故式（5）可改寫為

C燃油（傳統(tǒng)航線航次k）= （6）

式中：n為航線配船數(shù)量，艘;t3為船舶在港時(shí)間，d。

2.2.1.3 小結(jié)

對(duì)于航次k，船公司將比較經(jīng)北方海航道與經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航道的燃油成本，并從中選擇燃油成本較低的航線方案。

2.2.2 資本成本

資本成本指船舶折舊額，其由新造船價(jià)格和航線配船數(shù)量決定。假設(shè)船舶壽命為10年[12]，并采用直線折舊法計(jì)算船舶年折舊額，即船舶年折舊額為新造船價(jià)格的1/10，則單船年度資本成本

C資本（年度）=a2

式中：p新造船為新造船價(jià)格，美元;a2為冰級(jí)船的額外價(jià)格系數(shù)（冰級(jí)船價(jià)格高于普通船價(jià)格）。

對(duì)于周班航線而言，單船往返航次的資本成本

C資本=

2.2.3 運(yùn)營(yíng)成本

運(yùn)營(yíng)成本包括維護(hù)修理費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、船員工資等費(fèi)用。假設(shè)運(yùn)營(yíng)成本為資本成本的50%，則運(yùn)營(yíng)成本

2.2.4 航運(yùn)成本

綜上所述，混合航線經(jīng)北方海航道往返航次（包含東行航次i和西行航次j）的航運(yùn)成本

（7）

式中：C破冰為北方海航道破冰費(fèi)，美元。

作為對(duì)比，傳統(tǒng)航線往返航次的航運(yùn)成本

（8）

式中：C運(yùn)河通行為蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)，美元。

根據(jù)上述公式計(jì)算并比較混合航線與傳統(tǒng)航線的單箱航運(yùn)成本，注意：（1）2個(gè)航次之間間隔7 d;（2）選取合適的航線配船數(shù)量，使混合航線和傳統(tǒng)航線的單箱航運(yùn)成本最低;（3）航線配船數(shù)量受船舶最高航速的限制。

3 實(shí)證分析

3.1 假設(shè)條件

針對(duì)航運(yùn)成本模型中部分變量的不確定性，本文結(jié)合航線實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況提出以下假設(shè)條件。

（1）航線僅掛靠上海港和鹿特丹港。雖然現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)集裝箱班輪航線掛靠多個(gè)港口，但為了在不失一般性的前提下避免模型過于復(fù)雜，北極集裝箱航運(yùn)研究通常假設(shè)航線為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)航線。

（2）混合航線與傳統(tǒng)航線的船期、運(yùn)量、運(yùn)價(jià)均相同。

（3）北極航行采用符合《芬蘭-瑞典冰級(jí)規(guī)范》的1A冰級(jí)（相當(dāng)于俄羅斯船級(jí)社的Arc4冰級(jí)）船。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有冰級(jí)船運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的回歸分析，1A冰級(jí)船的額外燃油消耗系數(shù)和額外價(jià)格系數(shù)的取值均為1.1。

（4）北極海冰厚度為1 m，這在夏季北極海域是常見情況。[13]雖然冬季北極海冰更厚，但在可預(yù)見的未來，冬季北極海冰將會(huì)變薄;因此，假設(shè)北極海冰厚度為1 m是合理的。

（5）西行航次（東亞至西歐）船舶裝載率為100%，東行航次（西歐至東亞）船舶裝載率為50%。這與近年來亞歐航線運(yùn)量數(shù)據(jù)相符。

（6）破冰船在冰區(qū)的航速分別為3 kn、4 kn和。

（7）船舶燃油價(jià)格分別為100美元/t、200美元/t、300美元/t、400美元/t、500美元/t、600美元/t和700美元/t。

（8）船舶船型分別為8 000 TEU、10 000 TEU、、14 000 TEU和16 000 TEU。由于北方海航道薩尼科夫海峽水深小于13 m，北極航行研究大多假設(shè)船舶船型不超過4 000 TEU;但由于本文提出的航線繞過新西伯利亞群島北部，不經(jīng)過薩尼科夫海峽，故不考慮水深對(duì)船舶船型的限制。

（9）雖然俄羅斯對(duì)破冰費(fèi)率上限有規(guī)定，但MOE[14]指出，破冰費(fèi)率實(shí)際是參照蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率協(xié)商確定的;因此，本文設(shè)定6種不同的北方海航道破冰費(fèi)率，分別相當(dāng)于蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率的100%、80%、60%、40%、20%以及為0。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 不同條件下混合航線與傳統(tǒng)航線相對(duì)成本差異

基于航運(yùn)成本模型和上述假設(shè)條件，計(jì)算并比較混合航線與傳統(tǒng)航線的單箱航運(yùn)成本，從而得到不同條件下混合航線與傳統(tǒng)航線的相對(duì)成本差異（見圖2）。

（1）混合航線的單箱航運(yùn)成本為188.0～389.3美元/TEU，傳統(tǒng)航線的單箱航運(yùn)成本為195.4～371.7美元/TEU，混合航線與傳統(tǒng)航線的相對(duì)成本差異在11.7%～4.9%之間。

（2）當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率與蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率相等時(shí)，混合航線的單箱航運(yùn)成本總是高于傳統(tǒng)航線。

（3）當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率為0時(shí)，大多數(shù)情況下混合航線的單箱航運(yùn)成本低于傳統(tǒng)航線。

（4）當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率與蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率相等且燃油價(jià)格處于300～500美元/t的中等水平時(shí)，混合航線相對(duì)于傳統(tǒng)航線的成本劣勢(shì)最小，這是因?yàn)椋涸谌加蛢r(jià)格較低的情況下，傳統(tǒng)航線的燃油成本較低，北方海航道的競(jìng)爭(zhēng)力下降;而在燃油價(jià)格較高的情況下，船公司傾向于采取加船減速的策略，導(dǎo)致船舶資本成本和運(yùn)營(yíng)成本上升，從而抵消冰級(jí)船經(jīng)北方海航道航行所節(jié)約的燃油成本。

（5）當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率為0且船舶在有冰航段的航速為5 kn時(shí)，200～300美元/t的燃油價(jià)格使混合航線相對(duì)于傳統(tǒng)航線的成本優(yōu)勢(shì)最明顯;當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率為0且船舶在有冰航段的航速為3 kn時(shí)，100 ～200美元/t的燃油價(jià)格使混合航線相對(duì)于傳統(tǒng)航線的成本優(yōu)勢(shì)最明顯。這表明：當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率下降時(shí)，混合航線所需的最優(yōu)燃油價(jià)格也會(huì)下降，即只有更低的燃油價(jià)格才能使混合航線成本最低。

（6）混合航線和傳統(tǒng)航線均表現(xiàn)出一定的規(guī)模效應(yīng)，即航線配置的船型越大，單箱航運(yùn)成本就越低;但并非船型越大，混合航線相對(duì)于傳統(tǒng)航線的成本優(yōu)勢(shì)就越明顯。此外，超大型船舶通過北方海航道仍然面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止，通過北方海航道的最大船舶是蘇伊士型油船“弗拉基米爾蒂霍諾夫”號(hào)。該船全長(zhǎng)280 m，寬50 m，吃水，小于本文實(shí)證分析中的16 000 TEU型集裝箱船。

3.2.2 混合航線的單箱航運(yùn)成本低于傳統(tǒng)航線的條件組合

經(jīng)過計(jì)算和分析，得到混合航線的單箱航運(yùn)成本低于傳統(tǒng)航線的條件組合（見圖3）。對(duì)于和16 000 TEU型集裝箱船，當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率高于蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率的40%時(shí)，混合航線總是不經(jīng)濟(jì)的;對(duì)于10 000 TEU和型集裝箱船，當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率為0時(shí)，混合航線總是經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)束語

本文基于船舶與北極海冰邊界相對(duì)位置關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化來研究混合航線的經(jīng)濟(jì)性，通過建立航運(yùn)成本模型計(jì)算混合航線和傳統(tǒng)航線的單箱航運(yùn)成本，并設(shè)置3種有冰航段航速、7種燃油價(jià)格、5種船型（以載箱量計(jì)）、6種北方海航道破冰費(fèi)率等條件，最后得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)北方海航道破冰費(fèi)率達(dá)到或超過蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率的80%時(shí)，混合航線總是不經(jīng)濟(jì)的;而當(dāng)破冰費(fèi)率足夠低時(shí)，混合航線在某些條件下更經(jīng)濟(jì)?？傮w而言：混合航線的單箱航運(yùn)成本最多可比傳統(tǒng)航線低11.7%，但也可能最多比傳統(tǒng)航線高4.9%。

（2）燃油價(jià)格是把雙刃劍：一方面，當(dāng)燃油價(jià)格較高時(shí)，混合航線相對(duì)于傳統(tǒng)航線的成本優(yōu)勢(shì)顯著，從而有助于推動(dòng)船公司更多地使用北方海航道;另一方面，如果燃油價(jià)格過高，船公司將采取加船減速的策略，導(dǎo)致船舶資本成本和運(yùn)營(yíng)成本上升，從而抵消冰級(jí)船經(jīng)北方海航道航行所節(jié)約的燃油成本。計(jì)算結(jié)果顯示，適中的燃油價(jià)格（200～500美元/t）對(duì)于混合航線運(yùn)營(yíng)最為有利。需要注意的是，其他因素也會(huì)影響混合航線的經(jīng)濟(jì)性，例如：當(dāng)船舶在有冰航段的航速為3 kn且北方海航道破冰費(fèi)率為0時(shí)，混合航線節(jié)約燃油成本的效果不如冰級(jí)船資本成本和運(yùn)營(yíng)成本增加的效果顯著，需要燃油價(jià)格降至更低水平（100～200美元/t）才能使混合航線成本最優(yōu)。

（3）配置大型船舶比配置小型船舶更為經(jīng)濟(jì)，表明混合航線同樣具有一定的規(guī)模效應(yīng)。

總之，為了使混合航線經(jīng)濟(jì)可行，必須大幅調(diào)減北方海航道破冰費(fèi)率。目前北方海航道破冰費(fèi)率是參考蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)率協(xié)商確定的，北方海航道季節(jié)性通航的特點(diǎn)使得經(jīng)該航道的集裝箱班輪航線無法實(shí)現(xiàn)全年贏利，從而導(dǎo)致船公司對(duì)北方海航道普遍持消極態(tài)度。

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（編輯：張敏 收稿日期：2019-11-11）