2035年廣東省內(nèi)河航道通過(guò)能力及降碳預(yù)測(cè)*

江森匯，王 青，李毅旭

(廣州航海學(xué)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(yán)重，國(guó)際社會(huì)和國(guó)內(nèi)對(duì)氣候變化關(guān)注程度與日俱增，中國(guó)承諾“努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，將為世界降碳做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。近年來(lái)，航運(yùn)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(yùn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，已引起社會(huì)各界的高度重視。2020年，為對(duì)標(biāo)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)要求，適應(yīng)粵港澳大灣區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系的建設(shè)需求，廣東省交通運(yùn)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(lái)一段時(shí)期航道發(fā)展的目標(biāo)和重點(diǎn)，升級(jí)改造廣東省內(nèi)河航道網(wǎng)，增加內(nèi)河航道的貨物通過(guò)能力，進(jìn)而對(duì)廣東省區(qū)域交通的碳排放總體水平產(chǎn)生影響，以達(dá)到降碳的效果。

目前，航道通過(guò)能力的研究大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：1)純經(jīng)驗(yàn)分析階段。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合航道的實(shí)際情況，綜合考慮管理服務(wù)水平，分析航道通過(guò)能力。2)半經(jīng)驗(yàn)半理論公式計(jì)算階段。以理論航道通過(guò)能力為基礎(chǔ)，結(jié)合不同因素的影響，計(jì)算出更準(zhǔn)確的實(shí)際航道通過(guò)能力。在這一階段涌現(xiàn)出很多公式，如西德公式[2]、長(zhǎng)江公式[3]、川江公式[4]、閔朝斌敞流航道公式[5]、蘇南運(yùn)河公式[6]和王宏達(dá)公式[7]等。在上述公式的基礎(chǔ)上，學(xué)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(yàn)半理論公式[8-10]，進(jìn)一步完善了利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算航道通過(guò)能力的方法。3)理論模型計(jì)算階段。隨著數(shù)學(xué)理論和方法的發(fā)展，出現(xiàn)了排隊(duì)論[11-12]、跟馳理論[13-14]等理論模型，主要通過(guò)模擬船舶進(jìn)出港及泊位裝卸貨、交通流等過(guò)程分析航道通過(guò)能力。4)數(shù)值仿真階段。隨著數(shù)值仿真的出現(xiàn)及相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家采用ARENA、SIMIO、EM-PLANT、FLEXSIM、WITNESS等數(shù)值仿真軟件對(duì)航道通過(guò)能力進(jìn)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(jí)提升，高等級(jí)航道里程數(shù)日益增長(zhǎng)，大大促進(jìn)了航道貨物通過(guò)能力的變化，克服了原先低等級(jí)航道單次運(yùn)量少、周轉(zhuǎn)便利性差等缺點(diǎn)，吸引貨物運(yùn)輸向水路航運(yùn)傾斜，優(yōu)化了區(qū)域運(yùn)輸結(jié)構(gòu)。水路運(yùn)輸相較于公路、鐵路、民航等運(yùn)輸方式，其能耗低、污染少、更環(huán)保；水路運(yùn)輸將分擔(dān)公路、鐵路貨物量，進(jìn)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(jì)算方法是由IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì))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(jì)算交通碳排放量均存在缺點(diǎn)，在使用中通常將二者結(jié)合計(jì)算交通碳排放量[19]。在交通碳排放量預(yù)測(cè)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，學(xué)者們采用分解分析法[20]、空間計(jì)量法[21]、可拓展隨機(jī)性的評(píng)估模型(STIRPAT)[22]等對(duì)交通碳排放的主要影響因素開(kāi)展了相關(guān)研究。通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)對(duì)交通碳排放具有顯著影響，區(qū)域交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將成為中國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向之一[23]。本文涉及到的“交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)”主要表示區(qū)域交通運(yùn)輸貨物量在不同交通運(yùn)輸形式下的分擔(dān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)文字分析和實(shí)證分析兩種方式對(duì)優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)碳減排開(kāi)展了相關(guān)研究。前者主要集中于交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論指導(dǎo)及政策[24-25]；后者則是通過(guò)采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)體系、情景分析法、線(xiàn)性規(guī)劃模型等方法，研究理想狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)最優(yōu)的交通運(yùn)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(yàn)計(jì)算方法，計(jì)算2035年廣東省內(nèi)河航道通過(guò)能力，分析升級(jí)改造前后航道通過(guò)能力的變化情況；利用Logit分配模型，結(jié)合各運(yùn)輸方式的效用指標(biāo)，預(yù)測(cè)水路運(yùn)輸對(duì)公路和鐵路的分擔(dān)率，進(jìn)而分析碳排放總量的變化情況，闡明內(nèi)河航道提升對(duì)區(qū)域交通系統(tǒng)減碳的貢獻(xiàn)，為更加合理地開(kāi)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(shì)，打造一流水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，形成綜合交通體系。依據(jù)全國(guó)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(yùn)輸體系和經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(xiàn)”，見(jiàn)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(dá)1.2萬(wàn)km，Ⅰ～Ⅲ級(jí)高等級(jí)內(nèi)河航道總里程為1 397 km(其中I級(jí)航道563 km，Ⅱ級(jí)航道73 km，Ⅲ級(jí)航道761 km)，占比11.5%；Ⅳ～Ⅶ級(jí)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(jí)航道總里程將達(dá)到1 952.6 km(其中Ⅰ級(jí)航道873.6 km，Ⅱ級(jí)航道318 km，Ⅲ級(jí)航道1 096 km)，Ⅳ～Ⅶ級(jí)航道里程數(shù)將為3 304 km，其對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖2不難發(fā)現(xiàn)，2035年相較于2019年，不論Ⅰ～Ⅲ級(jí)航道或是Ⅳ～Ⅶ級(jí)航道，其里程數(shù)均有所增加。Ⅰ級(jí)航道增加了約55%；Ⅱ級(jí)航道增加比例最大，約335%；III級(jí)航道增加比例約44%；Ⅳ～Ⅶ級(jí)航道增加了約8.9%。因省級(jí)航道管理部門(mén)未給出等外航道里程的增長(zhǎng)狀況，總里程增加的確切數(shù)據(jù)尚不明確。

圖2 Ⅰ～Ⅶ級(jí)內(nèi)河航道變化對(duì)比

廣東省內(nèi)河運(yùn)輸承擔(dān)了水陸交通運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量的24%，航道體系為水上大宗貨物運(yùn)輸提供了綠色環(huán)保的運(yùn)輸通道保障，但在綜合交通運(yùn)輸體系中的占比仍不高，水運(yùn)的優(yōu)勢(shì)和運(yùn)輸能力遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和支撐社會(huì)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)模化發(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(hù)經(jīng)費(fèi)不足、航道現(xiàn)代化水平有待提升等問(wèn)題，有待進(jìn)一步優(yōu)化和解決。

2 航道通過(guò)能力預(yù)測(cè)分析

航道通過(guò)能力是反映航道適航性的一個(gè)重要指標(biāo)，通常是指在某一計(jì)算時(shí)間段內(nèi)航道某一區(qū)段或控制階段處可能通過(guò)的最大貨運(yùn)量，一般可采用貨噸或船噸數(shù)來(lái)表示[28]。航道通過(guò)能力能夠直觀(guān)反映航道的疏導(dǎo)能力，影響水運(yùn)經(jīng)濟(jì)和服務(wù)水平的發(fā)展，也受到航道等級(jí)、船舶種類(lèi)、管理能力等因素的制約，科學(xué)有效地預(yù)測(cè)航道通過(guò)能力不僅可以為航道主管部門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)劃、港口部門(mén)管理運(yùn)營(yíng)等提供輔助性決策，還可以為區(qū)域交通組織、航道的升級(jí)改造等提供理論和技術(shù)支持，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[29-31]。

目前，航道通過(guò)能力尚無(wú)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(yàn)半理論公式對(duì)廣東省內(nèi)河航道通過(guò)能力進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：C為單向航道通過(guò)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(shí)間(s)；T為不同安全條件下的時(shí)間(s)。公式(1)是以船舶之間運(yùn)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(guò)量和實(shí)際船舶通過(guò)量綜合作用的結(jié)果。相較傳統(tǒng)的航道通過(guò)能力經(jīng)驗(yàn)公式，明確了安全條件的限制，符合實(shí)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(jì)算出相應(yīng)安全條件下的航道通過(guò)能力。該公式已應(yīng)用于蘇南運(yùn)河中航道通過(guò)能力的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較為合理，符合實(shí)際船舶運(yùn)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(jì)算得到廣東省內(nèi)河航道通過(guò)能力，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 廣東省內(nèi)河航道通過(guò)能力計(jì)算參數(shù)

圖3 理論航道通過(guò)能力對(duì)比

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

3 內(nèi)河航運(yùn)在區(qū)域交通體系中的降碳貢獻(xiàn)預(yù)測(cè)

針對(duì)航運(yùn)業(yè)如何降碳這一問(wèn)題，學(xué)者們積極開(kāi)展相關(guān)研究，主要集中在航道和港口的升級(jí)改造、船舶種類(lèi)及能效的改進(jìn)、貨運(yùn)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(yùn)輸組織等方面，并取得了較多的成果[33-34]。

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

內(nèi)河航運(yùn)能力的提升，勢(shì)必分擔(dān)公路、鐵路和民航的貨物運(yùn)輸量，進(jìn)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(jì)算內(nèi)河航道能力提升對(duì)公路、鐵路和民航貨物運(yùn)輸量的分擔(dān)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(yùn)能力提升對(duì)區(qū)域交通系統(tǒng)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)。計(jì)算方法如下：

(2)

(3)

式中：P公路、P鐵路分別表示航運(yùn)能力提升對(duì)公路和鐵路貨物運(yùn)輸量的分擔(dān)率；S公路、S鐵路、S水路分別表示公路、鐵路和水運(yùn)的特征函數(shù)，其主要因素包括運(yùn)輸時(shí)間、等待時(shí)間、運(yùn)輸費(fèi)用及其他不可測(cè)因素等。參考文獻(xiàn)[34]的計(jì)算思路，采用運(yùn)輸方式效用值指標(biāo)替代特征函數(shù)，公式如下：

V=C1WY+C2WK

(4)

式中：V是交通運(yùn)輸方式綜合效用值；C1和C2分別表示運(yùn)價(jià)權(quán)重和快捷性權(quán)重；WY和WK分別表示運(yùn)價(jià)影響因素和快捷性影響因素，取值見(jiàn)表2。

表2 分擔(dān)率計(jì)算參數(shù)

由表2可看出，水路貨物運(yùn)輸對(duì)公路和鐵路貨物運(yùn)輸?shù)睦碚摲謸?dān)率分別為40.9%和42.8%。結(jié)合廣東省不同交通運(yùn)輸方式的實(shí)際情況和2035年預(yù)測(cè)貨運(yùn)量，水路貨物運(yùn)輸對(duì)公路和鐵路的承擔(dān)量分別為1.51億和1.58億t。另外，民航運(yùn)輸?shù)姆謸?dān)率暫定為0%，民航運(yùn)輸追求時(shí)間效率，與航運(yùn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)存在一定的矛盾性；民航運(yùn)輸貨物量相對(duì)其他運(yùn)輸方式占比較小，故未進(jìn)行相應(yīng)分擔(dān)計(jì)算。

基于上述計(jì)算，按照文獻(xiàn)[35]貨物周轉(zhuǎn)的單位碳排放量，見(jiàn)表3，并結(jié)合各運(yùn)輸方式的貨運(yùn)量，可得到各運(yùn)輸方式的碳排放總量，其計(jì)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(yùn)量。

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

表3 碳排放預(yù)測(cè)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(jí)航道和低等級(jí)航道通過(guò)升級(jí)改造，其里程數(shù)均有一定程度的增加。高等級(jí)航道(Ⅰ～Ⅲ級(jí))將增加約890 km，占比63.7%；低等級(jí)航道(Ⅳ～Ⅶ級(jí))將增加271 km，占比8.9%。

2)通過(guò)采用考慮交通流和船舶領(lǐng)域理論的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式對(duì)廣東內(nèi)河航道的理論通過(guò)能力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，到2035年，廣東內(nèi)河航道的理論通過(guò)能力得到一定的提升；相較于2019年，Ⅰ級(jí)內(nèi)河航道約增長(zhǎng)了30%，II級(jí)內(nèi)河航道約增加了50%，Ⅲ級(jí)內(nèi)河航道約增加了20%。

3)廣東內(nèi)河航道理論通過(guò)能力的增加，促進(jìn)了航運(yùn)能力的提升，分擔(dān)了公路、鐵路和民航的貨物運(yùn)輸量，優(yōu)化區(qū)域交通結(jié)構(gòu)，對(duì)區(qū)域降碳做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。基于Logit分配模型，預(yù)測(cè)水路貨物運(yùn)輸對(duì)公路和鐵路貨物運(yùn)輸?shù)睦碚摲謸?dān)率及貨物承擔(dān)量，進(jìn)而得到碳排放總量降低約2.2%。

4)在計(jì)算航道的理論通過(guò)能力時(shí)，未考慮船閘等交通節(jié)點(diǎn)的影響，其計(jì)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(mén)的合作，采用數(shù)值仿真的方法對(duì)廣東省內(nèi)河航道的實(shí)際通過(guò)能力，以求更加準(zhǔn)確地模擬出區(qū)域交通結(jié)構(gòu)的變化對(duì)節(jié)能減排的影響，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)碳中和提供更加合理的理論參考。