主導權異質性視角下的過壩方式貨運量分擔率研究

趙 旭， 尹熙琛， 高 攀

(1.三峽大學 經濟與管理學院; 2.三峽大學 水庫移民研究中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

大中型水利水電工程的興建，在疏浚航道提升內河通航能力的同時，也使得過壩運輸需求逐年增加，而目前水利樞紐有限的過閘能力卻難以與之相匹配，進而導致航運阻塞的現象愈演愈烈。如三峽雙線五級船閘的年設計通過量為1億噸，但2010年的實際過壩運量就已接近極限，到2017年已超過其設計水平的40%，船舶的平均待閘時間已達30～60小時[1]。目前已有各水利水電樞紐均開始嘗試修建翻壩公路，以“水-公”或“水-公-水”等聯運方式來緩解水運貨物在壩前的梗阻情況[2]。然而由于行政管轄權的不同，通航建筑和翻壩公路間一直缺乏明晰的協同分配機制[3]。這使得翻壩轉運投入的合理性和有效性難以論證，進而導致在基礎設施投入、定價模式等核心問題的決策上缺乏科學依據。因此探究水運貨物在各類過壩方式間的分擔率，實現壩前待閘船舶擁堵的合理分流，降低翻壩成本并提升效率已成為亟待解決的問題。

因能源結構和經濟發展水平的差異，國外水電站的建設高峰已基本結束[4,5]，學者更注重庫區生態修復的研究，極少涉及由大壩引起的通航阻塞問題[6,7]。為解決這一問題，國內學者一方面建議引入翻壩運輸進行貨物分流，一方面進行船舶優化調度以挖掘通航建筑物的過壩潛力。如劉耕等[8]針對金沙江梯級電站通航設施能力不足的問題，設計了“公路+皮帶”、“公路+溜筒”等多種翻壩運輸方式。胡適軍等[9]則從提高船閘運行效率的角度出發，利用遺傳算法對通航排序機制進行了優化。目前的研究傾向于打造綜合過壩運輸系統來緩解通航擁堵，如在考慮過壩貨物復雜多樣性的前提下，提出整合通航建筑物、翻壩公路、翻壩鐵路和管道等四種路徑的構想[10]。雖然上述研究在一定程度上緩解了大壩通航擁堵，但大都集中在增加通道上，對船舶貨物在不同過壩方式間的分配機制還未有深入研究。然而優化過壩貨物分擔率，才是解決內河通航梗阻的核心所在[11]。

目前在貨運量分擔率研究中，主要采用基于Logit模型進行分析。如Cantillo等[12]通過構建隨機閾值Logit模型，來處理貨運分擔率屬性過多的問題。Swait[13]進一步提出了MNLS模型(Multinomial Logit Swait)，能更精確測量多因素影響下的分擔效率。Castro[14]則設計出受約束的CMNL模型(Constrained Multinomial Logit)，來辨析貨主的自主選擇行為。近年來這些模型已應用于高鐵產品貨流分配[15]，國際集裝箱內陸運輸鏈選擇[16]等領域。以往運用Logit及其擴展模型的研究，側重于厘清分擔率中不同貨主的差異化決策機理，但仍難以處理過壩運輸中的幾個特殊問題：①異質性問題，即水運貨物過壩中不僅涉及貨主間的差異，同時各過壩方式的主導方還存在不同，如通航建筑物的控制權歸屬通航管理局，而翻壩公路則可由貨主自主決定；②主導權轉移問題，貨物在各類過壩路徑間的轉換雖有提及，但伴隨其中的還有貨運主導權變化，雙轉移情形下的致因與分流機制尚缺乏探討；③優化不足問題，傳統的logit計量回歸模型過于聚集決策者行為，忽視了航運過閘及翻壩運輸過程中的約束條件，以致于分擔率的相關性影響結論較多而無法實現精準測算。

據此本研究突破以往實證研究的局限，針對過壩運輸主導權異質性情形，在建立過壩方式效用函數的基礎上，根據主導權轉移變化條件和通航建筑物過壩原則，構建了過壩方式貨運量分擔率模型。同時以三峽大壩為例，探討了船舶過壩順序、翻壩費率和分擔率的關系。本研究將為緩解大壩通航擁堵，提供基于貨運分擔率的新視角。

1 過壩方式貨運量分擔率建模

過壩運輸方式主要有通航建筑物和翻壩運輸兩類，所提供的服務差異性較大，各自對應的貨運量分擔率模型也有不同。因此需預先分析兩類過壩運輸方式，明確船舶及貨物過壩主導權屬性，再根據效用最大化理論，建立各過壩方式的效用函數，分析主導權的轉移變化過程，最終構建過壩方式的貨運量分擔率模型。

1.1 過壩運輸方式與主導權異質性

通航建筑物由升船機與船閘組成，受通航管理局控制并提供免費的過壩服務，具有較強的經濟性優勢。然而過壩的無償性使得待閘船舶及貨物量逐年增加，平均待閘時間激增，導致其快速性優勢大大降低。翻壩運輸有公路和鐵路等方式，而后者尚處在規劃階段，未實際運營，所以目前主要以前者為主。在經公路翻壩中，貨主需支付高額的運輸和裝卸成本。但與經由通航建筑物過壩相比，現行翻壩公路運輸具有頻次高、速度快等優點，其等待時間可忽略并計入裝卸時間之中。由于翻壩運輸會涉及貨物在水路和陸路之間的銜接轉換，因此翻壩總時間可分為裝卸和運輸時間兩部分。

兩種過壩方式流程如圖1所示，其中獲得通航管理局授權且編序的船舶，在碼頭錨地等待過壩。在接到過壩通知后，船舶從待閘錨地航行距離d1到壩前，并經由指定的通航建筑通過大壩，然后繼續航行距離d2后完成過壩。若經由翻壩運輸過壩，貨主則可自主選擇方式和貨物分配。載貨船舶從錨地航行距離d3到上游(下游)轉運碼頭，并將貨物從船舶裝卸至對應的翻壩運輸工具上，載運距離d4后到達下游(上游)轉運碼頭。當貨物裝載至相應的船舶，航行距離d5后即為過壩完成。一般來講，d3對翻壩運輸的時間和費用影響可忽略不計，d4代表翻壩運輸距離。若貨物完成裝載時翻壩即結束，則d5取值為0。故目前過壩運輸中存在貨主和通航管理局兩個主導方，主導權會在兩者之間轉移，進而影響到各方式的貨運量分擔情形。因此，必須將主導權轉移分析納入到分擔率計算模型中。

圖1 各過壩方式的基本流程

1.2 過壩效用函數與分擔率模型

主導權的轉移實際受各過壩方式效用影響，一般來說翻壩運輸較為安全，所以其效用函數主要與其經濟性、快速性等因素相關，如式(1)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

目前船舶在碼頭錨地停泊等待的時間持續遞增，多處于連續等待狀態[18]。而船舶除單一逐次過壩外，還可按照一定的船舶總噸級組合過壩。因為通航建筑物通過能力恒定，所以各批次的總噸級大致相等[19]。因此過壩順序從b到b+n-1的船舶組成的批次為k的組合，其噸級總量應不超過通航建筑物的通過能力。為了便于管理及避免船舶之間發生碰撞，第k與k+1批次船隊之間有較長的過壩時間間隔T。此時通航管理局為便于對船舶進行組織調度，會將相鄰批次間的時間間隔設為定值。根據船閘和升船機的操作要求，同一批次船舶會共用一個閘室或承船廂，并需以較小且固定的時間間隔到達，此間隔可視為常數T′。因此過壩批次為k且過壩順序為b+n的船舶等待時間，可利用相鄰船隊的間隔時間T和船隊內船舶之間的間隔時間T′近似求得。如公式(6)～(9)所示。

(9)

由圖1可知，航行距離d1的時間為船舶過壩的準備時間，其值為船舶反應距離與平均反應航速的比值，如式(10)所示。而等級的差異使船舶的平均反應航速也不同，如式(11)可分為兩類。

(10)

(11)

(12)

1.3 主導權轉移情況下的分擔率計算

(13)

(14)

(15)

其二，總時間最小原則：通航建筑物通航效率最大化，通航任務所花總時間最小。如公式(16)所示。

(16)

式中：tA為經由通航建筑物過壩貨物j的總時間。一般來說船閘因為操作復雜，所以船舶過壩的操作時間較長，而升船機過壩操作相對直接故時間較短。經由翻壩運輸完成過壩時，貨主擁有絕對主導權，而經由通航建筑物過壩時，主導權轉移至通航管理局。但無論過壩主導權歸屬如何，整個貨物過壩過程都應該滿足經濟性與快速性兩個要求，如公式(17)、(18)所示。

(17)

(18)

(19)

2 實例分析

2.1 各過壩方式分擔率分析

三峽大壩擁有世界上最大的通航建筑物(雙線五級船閘和升船機)，2018年樞紐通過量1.44億噸，目前已經初步形成以通航建筑物為主，翻壩公路為輔的過壩運輸體系。前者的過壩服務由三峽通航管理局管理，免費服務使得過壩需求量極大，待閘錨地停泊等待船舶數量極多，通航建筑物已提前19年達到設計能力。與之相反的是，翻壩公路的運輸費用較高，使用量偏低。三峽通航管理局在為錨地待閘船舶制定過壩排序的同時，也會對船舶進行批次組合，故過壩船舶在獲得過壩序號的同時，其所在船隊也將獲得相應的過壩批次號。為便于船舶調度和避免碰撞事故，通航管理局會在相鄰批次的船隊間設置恒定且較大時間間隔，而同一批次內的船舶間的時間間隔則較小。以調度計劃為例：船隊的噸級總量為19000噸級，其中數量一般為3到6艘，船隊間調度間隔為1.5小時，同一船隊中相鄰船舶間的出發間隔為10分鐘，各過壩方式的基礎數據如表1所示。

表1 過壩方式基礎數據

其中i=1、i=2、i=3分別表示船閘、升船機和翻壩公路3種過壩方式，j=1、j=2、j=3為礦物、糧食、化肥三種過壩貨物。同時過壩船舶的基礎數據：船隊過壩次序、船舶過壩順序、載貨量及船只等級、過壩準備距離和平均航行速度，如表2所示。

表2 船舶過壩次序表

根據鐘鳴等[3]對于三峽大壩過壩貨物量的分配建議，將w1取為0.85，w2取為0.15，結合表1與表2得出各過壩方式的分擔率如表3所示。其中翻壩運輸與過壩建筑物的貨運分擔率測算結果，與以往實證研究設定的權重值完全匹配，說明該計算方法可行。在考慮主導權異質性及其轉移的前提下，載貨量、翻壩公路運輸費率與裝卸費率是影響翻壩公路貨運量分擔率的主要因素，而船舶等級、船隊過壩批次和船舶過壩順序，則是影響通航建筑物貨運量分擔率的關鍵。下文將通過探討貨運量分擔率的影響因素及機制，為緩解三峽擁堵提供決策建議。

表3 過壩方式貨運量分擔率

2.2 翻壩公路貨運量分擔率的影響因素

相較于通航建筑物來說，翻壩公路運輸方便靈活且迅速快捷，兩者的過壩總時間如圖2所示。其中當翻壩公路貨運量分擔率增加時，過壩總時間減少。這說明提升翻壩公路的利用率，可以有效縮短過壩總時間，減少在停泊錨地停泊等待的船舶數量，進而改善三峽大壩的通航擁堵狀況。

圖2 翻壩公路貨運量分擔率與過壩總時間

由上文關于過壩方式主導權轉移的分析可知，翻壩公路貨運量分擔率的增加與過壩主導權的轉移有關。而船舶載貨量、裝卸費率和運輸費率，又會影響到主導權在通航建筑物與翻壩公路間的轉移，因此將分別探討這些影響因素與翻壩運輸貨運量分擔率的關系。

(20)

圖3 翻壩公路費率與其分擔率

(21)

圖4 裝卸費率與翻壩公路貨運量分擔率

2.3 過壩次序與主導權轉移

表4 船舶過壩次序區間值

(22)

由表4可得，b=b*時，兩種方式過壩的效用相同；bb*時，翻壩公路過壩更具優勢。另外船舶所載貨物的性質不同，船舶所對應的b*值也不一樣(表4)，這與過壩實際情況相符。本例中待閘錨地到通航建筑物的距離較小，因此過壩準備時間不是影響主導權轉移的主要因素，故在載貨量和貨物種類一致的情況下，船舶所對應的次序區間(b*值)不變。

當船載貨物種類相同時，載貨量越大的船舶其b*值越小(排序越前)。這源于船載貨物量越大，因等待而引發的貨物遲滯成本越高，所以載貨量較大的船舶所能承受的停泊等待時間更小，則更有可能選擇快速性較好的翻壩運輸過壩。但是目前翻壩公路的高額計費，會使得大規模貨物的翻壩轉運成本過高。因此地方政府需與翻壩公路營運方協商，可推出有針對性的優惠措施，提升高貨載船舶選擇翻壩公路運輸的幾率。而當船舶載貨量相等時，裝載單價更高貨物的船舶所對應的b*值更小。對于載有高價值或時間敏感性貨物的船舶，通航管理局應在考慮過壩總體最優的情況下，提升其過壩優先級，由此帶來的外部性可由貨主支付附加費用進行彌補。若此類貨物經由翻壩公路過壩，享受的快捷過壩服務不會影響其他競爭性過壩主體的通過效率，故地方政府和翻壩公路運營方也可專門制定針對高單價貨物的優惠計費方案，以兼顧通航過壩效率和經濟收益。

3 結論

基于過壩方式主導權異質性背景，本研究測算了各過壩方式的貨運量分擔率，并通過探究翻壩運輸費率、過壩順序等因素對緩解通航擁堵的作用機制，具體結論如下：

(1)翻壩運輸是對通航建筑物過壩方式的有效補充，綜合提升翻壩公路的利用率，可以改善三峽大壩船舶及貨物的過壩運輸狀況。

(2)翻壩公路運費和裝卸費率的下降，能有效驅動過壩主導權向貨主轉移。當翻壩公路完全免費時，其貨運量分擔率最優也未達到100%。而且存在一個運費區間，無論費率如何提高翻壩公路的貨運量分擔率均不會改變。但當裝卸費率下降70%后，貨運量分擔率即達到100%，說明降低裝卸費率比降低運輸費率，更能增加翻壩公路貨運量分擔率，以提升投入基礎設施的利用水平。

(3)存在一個可計算的過閘次序閾值b*，當船舶計劃排序小于b*時應選擇經通航建筑物過壩，反之則通過翻壩公路效用更高。

(4)在載貨量相等的條件下，載有高單位價值或時間敏感性貨物的船舶，因其單位等待時間成本更高，所對應的排序值也更小，因此需盡早安排過壩以避免發生較大損失。

結合研究結論，提出以下政策建議：

(1)通航管理局作為過壩運輸中重要的主導方之一，應在其原有的以船型和優先級為基礎的調度方式中，加入對于翻壩運輸的協同調度，充分利用翻壩運輸方式來緩解擁堵。

(2)地方政府也應采取補貼等措施，激勵貨主選擇翻壩公路轉運貨物，進而緩解通航建筑的通行壓力。

(3)翻壩運輸管理者可在一定區間內適當提升翻壩運輸費率，在以翻壩公路快速靈活性優勢改善過壩狀況的前提下，獲得較高的經濟收益。同時地方政府可加大翻壩轉運碼頭等基礎設施投入，以提高效率降低裝卸成本的方式，增加翻壩運輸的貨運量分擔率，進而改善通航狀況。

(4)針對載有高單位價值貨物的船舶，地方政府和通航管理部門應聯合推出轉運優惠方案，提高其利用公路進行翻壩運輸的可能性。另外兩方還需進一步協作，推行通航建筑物和翻壩公路的聯動調度，通過各過壩方式的有效利用來緩解通航擁堵。

未來的研究將秉承主導權異質性分析，進一步探討各過壩方式對于樞紐通航擁堵的改善效力。同時將考慮針對現行通航建筑物的免費策略，實行分時段通航擁堵收費機制，并對其定價形式、力度及效用進行研究。