2035年廣東省內(nèi)河航道通過能力及降碳預(yù)測*

江森匯，王 青，李毅旭

(廣州航海學院，廣東 廣州 510725)

隨著極端氣候頻發(fā)及其所引發(fā)的災(zāi)害日益嚴重，國際社會和國內(nèi)對氣候變化關(guān)注程度與日俱增，中國承諾“努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”，將為世界降碳做出應(yīng)有的貢獻。近年來，航運業(yè)的低碳發(fā)展和降碳的壓力日益增加，如何權(quán)衡航運業(yè)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，已引起社會各界的高度重視。2020年，為對標交通強國建設(shè)要求，適應(yīng)粵港澳大灣區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運輸體系的建設(shè)需求，廣東省交通運輸廳編制《廣東省航道發(fā)展規(guī)劃(2020—2035年)》[1]，明確廣東省未來一段時期航道發(fā)展的目標和重點，升級改造廣東省內(nèi)河航道網(wǎng)，增加內(nèi)河航道的貨物通過能力，進而對廣東省區(qū)域交通的碳排放總體水平產(chǎn)生影響，以達到降碳的效果。

目前，航道通過能力的研究大致經(jīng)歷了4個階段：1)純經(jīng)驗分析階段。根據(jù)工程經(jīng)驗，結(jié)合航道的實際情況，綜合考慮管理服務(wù)水平，分析航道通過能力。2)半經(jīng)驗半理論公式計算階段。以理論航道通過能力為基礎(chǔ)，結(jié)合不同因素的影響，計算出更準確的實際航道通過能力。在這一階段涌現(xiàn)出很多公式，如西德公式[2]、長江公式[3]、川江公式[4]、閔朝斌敞流航道公式[5]、蘇南運河公式[6]和王宏達公式[7]等。在上述公式的基礎(chǔ)上，學者們考慮交通流理論和船舶領(lǐng)域基本概念，提出了各種不同的半經(jīng)驗半理論公式[8-10]，進一步完善了利用經(jīng)驗公式計算航道通過能力的方法。3)理論模型計算階段。隨著數(shù)學理論和方法的發(fā)展，出現(xiàn)了排隊論[11-12]、跟馳理論[13-14]等理論模型，主要通過模擬船舶進出港及泊位裝卸貨、交通流等過程分析航道通過能力。4)數(shù)值仿真階段。隨著數(shù)值仿真的出現(xiàn)及相對成熟，國內(nèi)外專家采用ARENA、SIMIO、EM-PLANT、FLEXSIM、WITNESS等數(shù)值仿真軟件對航道通過能力進行了建模、分析研究[15]。

隨著航道建設(shè)投入的增加，航道等級提升，高等級航道里程數(shù)日益增長，大大促進了航道貨物通過能力的變化，克服了原先低等級航道單次運量少、周轉(zhuǎn)便利性差等缺點，吸引貨物運輸向水路航運傾斜，優(yōu)化了區(qū)域運輸結(jié)構(gòu)。水路運輸相較于公路、鐵路、民航等運輸方式，其能耗低、污染少、更環(huán)保；水路運輸將分擔公路、鐵路貨物量，進而從總體上降低碳排放量。目前，較為廣泛應(yīng)用的交通碳排放量計算方法是由IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)提出的“自上而下”[16-17]和“自下而上”[18]兩種形式。由于兩者在計算交通碳排放量均存在缺點，在使用中通常將二者結(jié)合計算交通碳排放量[19]。在交通碳排放量預(yù)測研究取得進展的同時，學者們采用分解分析法[20]、空間計量法[21]、可拓展隨機性的評估模型(STIRPAT)[22]等對交通碳排放的主要影響因素開展了相關(guān)研究。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，交通運輸結(jié)構(gòu)對交通碳排放具有顯著影響，區(qū)域交通運輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將成為中國交通運輸行業(yè)重點發(fā)展方向之一[23]。本文涉及到的“交通運輸結(jié)構(gòu)”主要表示區(qū)域交通運輸貨物量在不同交通運輸形式下的分擔。國內(nèi)外學者通過文字分析和實證分析兩種方式對優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)碳減排開展了相關(guān)研究。前者主要集中于交通運輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論指導及政策[24-25]；后者則是通過采用綜合指標評價體系、情景分析法、線性規(guī)劃模型等方法，研究理想狀態(tài)下實現(xiàn)碳減排目標最優(yōu)的交通運輸結(jié)構(gòu)[26-27]。

本文根據(jù)《廣東省航道發(fā)展規(guī)劃(2020—2035年)》的部署，結(jié)合廣東省內(nèi)河航道的發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃愿景，采用考慮不同安全間距的經(jīng)驗計算方法，計算2035年廣東省內(nèi)河航道通過能力，分析升級改造前后航道通過能力的變化情況；利用Logit分配模型，結(jié)合各運輸方式的效用指標，預(yù)測水路運輸對公路和鐵路的分擔率，進而分析碳排放總量的變化情況，闡明內(nèi)河航道提升對區(qū)域交通系統(tǒng)減碳的貢獻，為更加合理地開展內(nèi)河航道降碳相關(guān)工作提供理論參考。

1 廣東省內(nèi)河航道發(fā)展現(xiàn)狀

廣東省擁有優(yōu)良海岸和密集水網(wǎng)，為充分發(fā)揮其優(yōu)勢，打造一流水運網(wǎng)絡(luò)，形成綜合交通體系。依據(jù)全國航道和港口布局規(guī)劃，結(jié)合航道所處的地理位置、自然條件以及在綜合交通運輸體系和經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用，廣東省確立全省航道的總體布局為“八通、兩橫、一網(wǎng)、三連、四線”，見圖1。

圖1 廣東省航道總體布局

至2020年底，廣東省內(nèi)河航道通航總里程達1.2萬km，Ⅰ～Ⅲ級高等級內(nèi)河航道總里程為1 397 km(其中I級航道563 km，Ⅱ級航道73 km，Ⅲ級航道761 km)，占比11.5%；Ⅳ～Ⅶ級航道里程數(shù)為3 033 km；等外航道里程數(shù)為7 698 km。2035年，內(nèi)河高等級航道總里程將達到1 952.6 km(其中Ⅰ級航道873.6 km，Ⅱ級航道318 km，Ⅲ級航道1 096 km)，Ⅳ～Ⅶ級航道里程數(shù)將為3 304 km，其對比關(guān)系見圖2。從圖2不難發(fā)現(xiàn)，2035年相較于2019年，不論Ⅰ～Ⅲ級航道或是Ⅳ～Ⅶ級航道，其里程數(shù)均有所增加。Ⅰ級航道增加了約55%；Ⅱ級航道增加比例最大，約335%；III級航道增加比例約44%；Ⅳ～Ⅶ級航道增加了約8.9%。因省級航道管理部門未給出等外航道里程的增長狀況，總里程增加的確切數(shù)據(jù)尚不明確。

圖2 Ⅰ～Ⅶ級內(nèi)河航道變化對比

廣東省內(nèi)河運輸承擔了水陸交通運輸周轉(zhuǎn)量的24%，航道體系為水上大宗貨物運輸提供了綠色環(huán)保的運輸通道保障，但在綜合交通運輸體系中的占比仍不高，水運的優(yōu)勢和運輸能力遠沒有發(fā)揮出來。為推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和支撐社會可持續(xù)發(fā)展的要求，廣東省內(nèi)河航道還存在與產(chǎn)業(yè)發(fā)展新變化不適應(yīng)、主要河流港口規(guī)?；l(fā)展滯后、航道發(fā)展資源制約因素加劇、航道建設(shè)和養(yǎng)護經(jīng)費不足、航道現(xiàn)代化水平有待提升等問題，有待進一步優(yōu)化和解決。

2 航道通過能力預(yù)測分析

航道通過能力是反映航道適航性的一個重要指標，通常是指在某一計算時間段內(nèi)航道某一區(qū)段或控制階段處可能通過的最大貨運量，一般可采用貨噸或船噸數(shù)來表示[28]。航道通過能力能夠直觀反映航道的疏導能力，影響水運經(jīng)濟和服務(wù)水平的發(fā)展，也受到航道等級、船舶種類、管理能力等因素的制約，科學有效地預(yù)測航道通過能力不僅可以為航道主管部門設(shè)計規(guī)劃、港口部門管理運營等提供輔助性決策，還可以為區(qū)域交通組織、航道的升級改造等提供理論和技術(shù)支持，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義[29-31]。

目前，航道通過能力尚無統(tǒng)一公式，本文將采用考慮交通流和船舶領(lǐng)域理論的半經(jīng)驗半理論公式對廣東省內(nèi)河航道通過能力進行計算。

(1)

式中：C為單向航道通過能力(艘/h)；vf為船速(km/h)；l為最小船頭間距(m)；t為船舶駕駛員反應(yīng)時間(s)；T為不同安全條件下的時間(s)。公式(1)是以船舶之間運行狀態(tài)為基礎(chǔ)，考慮兩船跟船碰撞情況，是不同安全條件下的船舶通過量和實際船舶通過量綜合作用的結(jié)果。相較傳統(tǒng)的航道通過能力經(jīng)驗公式，明確了安全條件的限制，符合實際航道中船舶航行相互跟馳并選擇一定跟船距離的基本原則。根據(jù)不同安全水平的安全距離，可計算出相應(yīng)安全條件下的航道通過能力。該公式已應(yīng)用于蘇南運河中航道通過能力的計算，計算結(jié)果較為合理，符合實際船舶運行狀況。

依據(jù)上述公式，結(jié)合廣東省內(nèi)河航道的現(xiàn)狀及規(guī)劃狀況，計算得到廣東省內(nèi)河航道通過能力，計算參數(shù)見表1，計算結(jié)果見圖3。

表1 廣東省內(nèi)河航道通過能力計算參數(shù)

圖3 理論航道通過能力對比

由圖3可以看出，隨著廣東省內(nèi)河航道改擴建工程的實施，其航道的理論通過能力均得到了一定的提升?；诂F(xiàn)狀的內(nèi)河航道理論通過能力，其計算結(jié)果均與文獻[32]的計算結(jié)果基本一致，Ⅰ級內(nèi)河航道的理論通過能力約為2.81億t/a、Ⅱ級內(nèi)河航道約為1.98億t/a、Ⅲ級內(nèi)河航道約為1.05億t/a。到2035年，隨著高等級內(nèi)河航道里程的增加，其通過能力也有所增加，Ⅰ級內(nèi)河航道約增長30%、II級內(nèi)河航道約增加50%、Ⅲ級內(nèi)河航道約增加20%。

3 內(nèi)河航運在區(qū)域交通體系中的降碳貢獻預(yù)測

針對航運業(yè)如何降碳這一問題，學者們積極開展相關(guān)研究，主要集中在航道和港口的升級改造、船舶種類及能效的改進、貨運方式及裝卸工藝的改善、節(jié)能減排技術(shù)及推廣、區(qū)域交通運輸組織等方面，并取得了較多的成果[33-34]。

據(jù)統(tǒng)計，2019年廣東省公路貨運量為31.90億t(比上年增速4.8%)，鐵路貨運量為0.82億t(比上年增速7.5%)，水路貨運量為4.50億t(比上年增速5.9%)，民航的貨運量最少，僅為238萬t(比上年增速5.6%)。隨著廣東省內(nèi)河航道的改擴建，航道貨物通過能力不斷提升，因其運價的優(yōu)勢，航運將分擔其他運輸方式的貨運量。根據(jù)《廣東省航道發(fā)展規(guī)劃(2020—2035年)》的預(yù)測，2035年內(nèi)河航運的貨運量為8.2億t。假定水路、公路、鐵路、民航貨運量增長速度維持2019年的比例關(guān)系，到2035年預(yù)測的貨運量分別為8.2億、47.3億、1.9億t和412萬t。

內(nèi)河航運能力的提升，勢必分擔公路、鐵路和民航的貨物運輸量，進而影響區(qū)域交通系統(tǒng)的節(jié)能減排效果。采用Logit分配模型計算內(nèi)河航道能力提升對公路、鐵路和民航貨物運輸量的分擔率，結(jié)合貨物周轉(zhuǎn)的排放量，分析2035年廣東省內(nèi)河航運能力提升對區(qū)域交通系統(tǒng)節(jié)能減排的貢獻。計算方法如下：

(2)

(3)

式中：P公路、P鐵路分別表示航運能力提升對公路和鐵路貨物運輸量的分擔率；S公路、S鐵路、S水路分別表示公路、鐵路和水運的特征函數(shù)，其主要因素包括運輸時間、等待時間、運輸費用及其他不可測因素等。參考文獻[34]的計算思路，采用運輸方式效用值指標替代特征函數(shù)，公式如下：

V=C1WY+C2WK

(4)

式中：V是交通運輸方式綜合效用值；C1和C2分別表示運價權(quán)重和快捷性權(quán)重；WY和WK分別表示運價影響因素和快捷性影響因素，取值見表2。

表2 分擔率計算參數(shù)

由表2可看出，水路貨物運輸對公路和鐵路貨物運輸?shù)睦碚摲謸史謩e為40.9%和42.8%。結(jié)合廣東省不同交通運輸方式的實際情況和2035年預(yù)測貨運量，水路貨物運輸對公路和鐵路的承擔量分別為1.51億和1.58億t。另外，民航運輸?shù)姆謸蕰憾?%，民航運輸追求時間效率，與航運時間相對較長存在一定的矛盾性；民航運輸貨物量相對其他運輸方式占比較小，故未進行相應(yīng)分擔計算。

基于上述計算，按照文獻[35]貨物周轉(zhuǎn)的單位碳排放量，見表3，并結(jié)合各運輸方式的貨運量，可得到各運輸方式的碳排放總量，其計算公式如下：

P=GH

(5)

式中：P為碳排放總量；G為單位碳排放量；H為貨運量。

從表3可看出，2019年，碳排放總量為18.779萬t；2035年，若水路對公路和鐵路的分擔率為零，即不分擔的條件下，碳總排放量為27.745萬t；通過航運業(yè)的分擔后，碳排放總量為27.137萬t；比較分擔前后的碳排放總量，減少了0.608萬t，占比約為2.2%。

表3 碳排放預(yù)測分析

4 結(jié)論

1)基于《廣東省航道發(fā)展規(guī)劃(2020—2035年)》的分析，到2035年，廣東省內(nèi)河高等級航道和低等級航道通過升級改造，其里程數(shù)均有一定程度的增加。高等級航道(Ⅰ～Ⅲ級)將增加約890 km，占比63.7%；低等級航道(Ⅳ～Ⅶ級)將增加271 km，占比8.9%。

2)通過采用考慮交通流和船舶領(lǐng)域理論的半經(jīng)驗半理論公式對廣東內(nèi)河航道的理論通過能力進行計算。結(jié)果表明，到2035年，廣東內(nèi)河航道的理論通過能力得到一定的提升；相較于2019年，Ⅰ級內(nèi)河航道約增長了30%，II級內(nèi)河航道約增加了50%，Ⅲ級內(nèi)河航道約增加了20%。

3)廣東內(nèi)河航道理論通過能力的增加，促進了航運能力的提升，分擔了公路、鐵路和民航的貨物運輸量，優(yōu)化區(qū)域交通結(jié)構(gòu)，對區(qū)域降碳做出相應(yīng)的貢獻?；贚ogit分配模型，預(yù)測水路貨物運輸對公路和鐵路貨物運輸?shù)睦碚摲謸始柏浳锍袚?，進而得到碳排放總量降低約2.2%。

4)在計算航道的理論通過能力時，未考慮船閘等交通節(jié)點的影響，其計算結(jié)果可能存在一定的偏差；后續(xù)將尋求與省航道管理部門的合作，采用數(shù)值仿真的方法對廣東省內(nèi)河航道的實際通過能力，以求更加準確地模擬出區(qū)域交通結(jié)構(gòu)的變化對節(jié)能減排的影響，進而為實現(xiàn)碳中和提供更加合理的理論參考。