北极东北航道通航策略及经济性研究

钱作勤 徐立 严新平，3 程君林 张凌杰 姚志敏

（1武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉430063；

2武汉理工大学能源与动力工程学院，可靠性工程研究所，湖北武汉430063；3武汉理工大学水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心，湖北武汉430063）

0 引言

随着全球气候变化，每年夏季北极东北航道和西北航道都会出现历时不同的无冰窗口，为商业利用北极航道提供了机会。北极航道是连接东亚、北美和欧洲的最便捷航道，相对于经苏伊士运河或巴拿马运河的商业航线，航行里程缩短，可以节省时间以及降低运输成本［1］。同时，船舶航行选择北极航道将降低船舶途经马六甲海峡、巴拿马运河、索马里海域和苏伊士运河等高敏感区域所承担的风险。

相对于普通商业航线，对海冰等海运自然环境认识的不足依然是利用北极航道的最大障碍。海冰的存在不但严重影响航速，更重要的是会对船舶的安全航行造成威胁［2］。同时，由于缺乏北极冰区的航行经验，航线的选择和制订显得尤为重要。东北航道的通航能够改善中国对外贸易平衡，对中欧的经济往来乃至世界经济的发展具有深远影响［3-4］。

本文以北极东北航道为对象，通过研究东北航道的地理环境特点，特别是沿途各季节的冰情状况，确定一条合理的多季节航行的东北航道航线，并且针对既定的航线，进行了适航船舶的选型分析。在此基础上进行不同船型的经济性分析，比较不同情况的航行费用，综合考虑航行路线、适航船型以及航行成本等多个主要因素，制定最优的通航策略。

1 东北航道地理环境及冰情分析

1.1 东北航道地理环境

东北航道大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域，其海岸线十分曲折，形成了许多浅而宽的边缘海及海湾，海岸类型中有侵蚀海岸、峡湾式海岸、三角洲型海岸及泻湖式海岸，沿岸地区岛屿众多，有些地势比较低洼，在海冰融化时形成湿地、湖泊和大面积沼泽。

1.2 东北航道冰情分析

北极航道海冰情况是制约北极航道开发最为重要的因素。根据海冰的运动状态，可以将其分为固定冰、流冰和冰山。在当前海冰研究中，常使用十分法来对海面上浮冰覆盖的比例进行度量，即冰量。一般将冰量分为八个级别，分别为：无冰（0／10）、散冰（＜1／10）、稀冰（1／10—3／10）、疏冰（4／10—6／10）、密冰（7／10—8／10）、集冰（9／10—10／10）和满冰（10／10）［5］。

船舶在冰区航行，海冰密集度、海冰厚度和冰面堆积程度是影响船舶安全航行非常重要的因素［6-8］。北极海冰密集度影响着船舶能否自由通航。当航道冰量在1／10以下时，船舶可以自由航行；当航道冰量在1／10—5／10之间时，船舶不能够按照预定的航道航行；当航道冰量在5／10—8／10期间时船舶通航存在障碍；当航道冰量在8／10以上时，在没有破冰船协助时难以继续航行。

根据中国第5次北极考察以及相关资料，“雪龙”号航行期间（2012年7—9月）其航线的海冰情况如图1—3所示。图中红色线段为“雪龙”号在北极东北航道航行期间的航线。

图1 “雪龙”号在北极东北航道航行期间（7月22日—8月2日）海冰范围的变化Fig.1.The change of sea ice extent during the Xuelong sailing on the Northeast Passage from July 22 to August2

图2 “雪龙”号沿高纬度航线航行期间（8月24日—9月3日）海冰范围的变化Fig.2.The change of sea ice extent during the Xuelong sailing along the route of high latitudes（August24 to September 3）

图3 “雪龙”号沿东北航道和高纬度航线海冰厚度的分布情况Fig.3.The distribution of sea ice thickness between Northeast Passage and the route of high latitudes

由图1可以看出，7月下旬和8月初，在进入白令海不久，沿俄罗斯海岸线在东北航道上海冰范围还比较大；由图2可以看出，8月下旬和9月初，东北航道上的海冰基本都已融化，只是在一些高纬度地区还有一些海冰；由图3可以看出，7月下旬和8月初，在进入白令海不久，沿俄罗斯海岸线附近海冰厚度在80 cm左右，在北地群岛和拉普捷夫海附近海冰厚度也在80 cm左右，局部区域甚至超过了100 cm［9］。

1.3 东北航道航线选择

在了解东北航道的地理位置以及分析海冰分布的基础上，确定一条航行路线：由白令海峡到达楚科奇海，通过德朗海峡，进入东西伯利亚海，再到桑尼科夫海峡然后进入拉普捷夫海；从拉普捷夫海进入维利基茨基海峡到达喀拉海；从喀拉海通过喀拉海峡进入巴伦支海，然后到达摩尔曼斯克港口。航线示意图如图4所示。

图4 东北航道的航线图（红色线路表示东北航道航线，其中绿色线路是俄罗斯强制引航航段）Fig.4.The route chart of Northeast Passage（Red lines represent the northeast passage routes，and the green line is the compulsory pilotage segment by Russia）

2 船舶选型及不同航线里程比较

2.1 通航船舶选型

由于船舶选型的影响因素有很多，主要有船舶吃水深度、船舶吨位和船体形状、货物性质等等。综合考虑这些影响因素，结合东北航道特有的地理环境特点以及目前的主流船型，东北航道通航可以选择集装箱船或者散货船较为合适。东北航道的船型选择需结合其主要影响因素，应进行综合考虑，对集装箱船和散货船两种船型具体分析如下。

（1）船舶吃水深度 东北航线的最浅航道深度为12.8 m［10-11］，而3 000—4 000 TEU集装箱船吃水为11—12 m，4 000 TEU集装箱船吃水为12.5m，可以通过航道的最浅深度。6—7万吨散货船和4 000 TEU集装箱船相当，但其吃水深度超过了13 m。

（2）船舶吨位与船体形状 一般而言，船舶吨位越大，破冰能力更强，如果船舶吨位过小，不足以达到破冰的效果。集装箱船船头下端较尖，而散货船船头下端宽大，因而集装箱船的破冰阻力相对于散货船较小。

（3）货物性质 货物在低温条件下理化特性发生变化后给船舶带来的次生影响可能更加严重，该因素对于散货船影响较大。例如，当船舶运载煤炭或精矿粉时，如果货物中所含的水分因低温而发生结冰导致货物体积增大，就完全有可能对船体结构造成破坏。

（4）风对船舶稳性影响 由于集装箱船的重心相对于散货船较高，所以风对集装箱船的船舶稳性影响较大。但是，相关文献显示东北航道在通航时期风力较小，因此，东北航道船型的选择可以忽略风对船舶稳性影响。

（5）货运贸易的特点 目前，矿砂、原油贸易主要来源于巴西、澳大利亚，基本不经过东北航线，而中国是轻工业品出口大国，与北美和欧洲的贸易比重最大，而且以集装箱运输货物为主，并且集装箱船航运周期短，相比散货船利用率高，但租金相对较高。

综合考虑以上因素，可选用的船型为4 000 TEU集装箱船或者5.7万吨的散货船。

2.2 航线里程比较

以上海经苏伊士运河航线到西欧各港口，以及经东北航线到西欧各港口为例，对航线里程进行比较，两条航线总里程如表1所示。

表1 上海经苏伊士运河航线或东北航线到西欧各港口海运里程对照表Table 1.Maritime Mileage Chartof Shanghai via the Suez Canal route or northeast route to Western Europe seaports

根据航线水域情况，东北航线大致可分为：正常水域（非冰区）航段、冰区非引航段（海冰密度在7／10以内）和冰区引航段。各航段里程如表2所示。

表2 5—10月份东北航线各航段里程（单位：海里）Table 2.Each segmentmileage of northeast passage from May to October

3 经济性分析

东北航线为东亚与北美和欧洲的货物运输提供了一条最为便捷的新通道，在商业利用上，必须测算其经济性。下面以4 000 TEU集装箱船和5.7万吨散货船为例，对东北航道经济性进行分析，并与经苏伊士运河的传统航线进行比较。

3.1 船舶经济性主要影响因素

影响船舶经济性的因素主要包括：船舶造价（或船舶折旧费）、燃油费、保险费、引水费、适冰证书、航行许可证、破冰船护航费、船员培训费、生活垃圾处理费、船舶检验费、航行天数、人员工资、武装保安护航费、运河费用等。其中，船舶造价（或船舶折旧费）、燃油费、航行天数、保险费、武装保安护航费、破冰船护航费（或苏伊士运河航行费）是最主要的影响因素［12-15］。其他因素如人员工资、防污染费和船舶检验费等，就单航次而言，不同航线差异并不大。

3.1.1 船舶造价与折旧

船舶造价随着年份变化而不同，如表1所示。一般情况下，冰区适航的加强型船舶价格较同类型或同吨位的普通船舶高约20%，船舶折旧费用也高20%左右。

以2012年价格为例，4 000 TEU非加强型集装箱船平均价格为4 500万美元，对应加强型集装箱船的平均价格为5 400万美元；5.7万吨非加强型散货船造价为2 400万美元，对应加强型散货船造价为2 880万美元。

4 000 TEU废集装箱船舶的净吨位约为2.2万吨（加强型净吨位约为2.64万吨），5.7万吨废散货船的净吨位约为1.2万吨（加强型净吨位约为1.44万吨），2012年后废船价格约为470美元／净吨，按船舶寿命25年计算，船舶日折旧费如表3所示。

表3 4 000 TEU集装箱船和5.7万吨散货船平均价格和日折旧费Table 3.The average price and date depreciation charges of 4 000 TEU container ships and 57 000 tons bulk carrier

3.1.2 燃油费

在正常水域（非冰区）航段，4 000 TEU加强型集装箱船舶可按20节航速航行，油耗0.245吨／海里；5.7万吨加强型散货船可按14节航速航行，油耗0.12吨／海里。

在冰区非引航段（海冰密度在7／10以内），由于需要破冰，航速高且油耗较大。4 000 TEU加强型集装箱船舶可按5节航速航行，油耗按正常水域一倍，即0.49吨／海里计算；5.7万吨加强型散货船可按5节航速航行，油耗按正常水域一倍，即0.24吨／海里计算。

在冰区引航段，由于不同月份冰层厚度不同，因而不同月份航速也不同。5—10月份根据冰情不同具体航速和油耗如图5所示。

图5 冰区引航段5—10月份船舶航速设定及油耗情况一览Fig.5.Ship speed and fuel conditions set in ice pilotage segment from May to October

以近5年平均油价约530美元／吨计算，则5—10月份上海港经东北航线到欧洲各港口单航次油费如表4所示。

表4 5—10月上海经东北航线到不同港口单航次油费（单位：万美元）Table 4.Single voyage fuel costs of Shanghaivia northeast route to different seaports from May to October

东北航线适航的加强型船舶较同载重量的非加强型船舶要重，且动力性要增强，即耗油量较多。以加强型船舶比非加强型船舶多耗油0.5%计算，则上海经苏伊士运河航线到欧洲各港口的燃油费如表5所示。

表5 上海经苏伊士运河航线到欧洲各港口的燃油费（单位：万美元）Table 5.Fuel costs of Shanghai via the Suez Canal route to European ports

3.1.3 单航次航行时间

冰区航行船舶平均船速通常在5节左右，非冰区集装箱船通常在20节左右，散货船通常在14节左右。则不同月份船舶走东北航线单航次航行天数如表6所示。苏伊士运河航线单航次航行天数如表7所示。

表6 5—10月份加强型船舶走东北航线单航次航行天数（单位：d）Table 6.Single few days sailing voyage of enhanced vessel via Northeast route from May to October

表7 苏伊士运河航线单航次航行的天数（单位：d）Table 7.Single few days sailing voyage via the Suez Canal route

3.1.4 保险费

船舶航行的保险费主要包括海运保险费和海盗保险费。其中东北航线相对安全，基本不需要海盗险。苏伊士运河航线因为要经过索马里附近海域，需要购买海盗险。海盗保险费通常为船舶总价格的0.125%—0.2%，苏伊士运河海运保险和东北航线保险均取船舶总价格的2%。则船舶保险费如表8，9所示。

表8 不同航线集装箱船保险费估算表（单位：万美元）Table 8.Insurance estimate table of different route container ship

表9 不同航线散货船保险费估算表（单位：万美元）Table 9.Insurance estimate table of different route bulk carrier

3.1.5 武装保安护航费

自2008年下半年以来，苏伊士运河航线途径亚丁湾、红海、阿拉伯海、印度洋等海域海盗活动日益猖獗，且活动范围不断扩大，严重影响到远洋运输生产的顺利开展。因此，各航运企业在经过该海域时要求配备武装保安。

表10 单航次索马里海域武装护航费用表Table 10.Single voyage Somaliwaters armed escort fee schedule

3.1.6 破冰船护航

在东北航线行驶的船舶，进入俄罗斯北部航道前，俄罗斯通常强制要求租用两条破冰船护航，租费视情况而定。即便是在夏季冰情较轻，抗冰船可以不需要护航时，仍需支付全额费用。随着东北航道的开通，越来越多的船舶可以组队租用破冰船护航，费用将逐步减低。根据俄罗斯北方海管理局相关资料，目前俄罗斯北方海管理部门按每20英尺标准集装箱14吨计［16］，每吨14美元收费。则两种船型东北航线破冰船单航次护航费，如表11所示。

表11 东北航线破冰船护航费（单位：万美元）Table 11.Icebreaker escort fee in Northeast routes

3.1.7 运河费用

船舶走苏伊士运河时，需缴纳苏伊士运河附加费。4 000 TEU集装箱船单次运河费用约为27.3万美元；5.7万吨级散货船单次运河费用约为18.9万美元。

3.2 航线费用比较

3.2.1 从上海至摩尔曼斯克

（1）5—10月份，4 000 TEU集装箱船走东北航线的经济效益均高于走苏伊士运河航线。其中，9月份最多可节省123.96万美元，如表12所示。

（2）5—10月份，5.7万吨散货船走东北航线的经济效益要高于走苏伊士运河航线。其中，9月份最多可节省70.68万美元。

对于4 000 TEU集装箱船，5—10月份从上海至摩尔曼斯克走东北航线的经济性好于走苏伊士运河航线；对于5.7万吨散货船，5—10月份走东北航线的经济性好于走苏伊士运河航线，其中均以9月份 经济性最佳。

表12 上海-摩尔曼斯克不同船型费用和航行天数比较表Table 12.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Murmansk

3.2.2 从上海至特隆赫姆

（1）6—10月份，4 000 TEU集装箱船走东北航线的经济效益要高于走苏伊士运河航线，但5月份经济效益低于走苏伊士运河航线，平均经济效益东北航线要高于苏伊士运河航线，如表13所示。

表13 上海-特隆赫姆不同船型费用和航行天数比较表Table 13.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Trondheim

（2）无论是4 000 TEU集装箱船还是5.7万吨散货船，每年9月走东北航线最经济。其中，4 000 TEU集装箱船9月份走东北航线要比走苏伊士运河航线节省87.61万美元；5.7万吨散货船9月份走东北航线要比走苏伊士运河航线节省90.39万美元。

对于4 000 TEU集装箱船，6—10月份从上海至特隆赫姆走东北航线较好；对于5.7万吨散货船，6—10月份从上海至特隆赫姆走东北航线较好，其他月份走苏伊士运河航线较好。

3.2.3 从上海至鹿特丹

（1）7—10月份，4 000 TEU集装箱船走东北航线的经济效益高于走苏伊士运河航线，但其他月份经济效益低于走苏伊士运河航线，平均经济效益东北航线要略微高于苏伊士运河航线，如表14所示。

（2）8—9月份，5.7万吨散货船走东北航线的经济效益要高于走苏伊士运河航线。

对于4 000 TEU集装箱船，7—10月份从上海至鹿特丹走东北航线较好，其他月份走苏伊士运河航线较好；对于5.7万吨散货船，8—9月份从上海至鹿特丹走东北航线较好。

表14 上海至鹿特丹不同船型费用和航行天数比较表Table 14.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Rotterdam

3.3 不同情况航行费用比较

表15 不同船型航行费用比较（单位：万美元）Table 15.Comparison table of different sailing ship’s costs

4 总结

随着全球气候的变化，每年夏季东北航道都会出现历时不同的无冰窗口，通过以上分析，充分利用东北航道的无冰期制定合理的航行路线，从而实现东北航道的通航。截至目前，已有数艘商用船舶成功通过东北航道到达欧洲。东北航道的通航，相对于传统的巴拿马运河和苏伊士运河航线，大大缩短了航线里程，节省了航行时间，降低了航行成本。在船舶选型上，主要考虑到船舶吃水深度、吨位以及形状等主要因素的影响，初步确定4 000 TEU集装箱船和5.7万吨散货船两种船型。在既定航行路线的基础上，对不同船舶的航行进行经济性的分析。

本文主要考虑了两种船型经过不同的航行路线到达三个不同港口的情况，通过经济性分析研究，对不同船型到达不同港口的航行费用比较分析，总体看来，东北航道航线里程短，航行天数少这些优势是显而易见的，其中选用4 000 TEU集装箱船9月份航行于东北航道路线的经济性最好。

具体而言，从上海到摩尔曼斯克选择东北航道航线两种船型均有明显优势，相对于苏伊士运河，东北航道航线里程短，航行时间少，经济效益好；从上海到特隆赫姆，4 000 TEU集装箱船航行于东北航道平均节省48.61万美元，而5.7万吨散货船航行费用平均节省60.27万美元；从上海到鹿特丹，4 000 TEU集装箱船平均航行费用比苏伊士运河航线的费用略节省5万美元，而5.7万吨散货船航行费用平均多支出13.3万美元，所以从经济性角度出发，从上海到鹿特丹的线路最好选择苏伊士运河 航线。

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