考虑环境负荷的长江干线流域集装箱运输瓶颈解决方案

徐鹏飞， 杨忠振

(大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026)

考虑环境负荷的长江干线流域集装箱运输瓶颈解决方案

徐鹏飞， 杨忠振

(大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026)

鉴于三峡船闸的通过能力已成为制约长江航运发展的瓶颈，从可持续发展的角度出发，以减少集装箱运输的环境负荷为目标，综合考虑运输方式、运输费用和运输时间等因素，寻求解决三峡船闸通过能力不足的方案.构建由长江水路与区域公路组成的运输网络模型，确定各路段的运输属性特征，给出水路和公路运输环境负荷的计算方法.分析集装箱在水陆联运网络上的路径选择行为.在多种集装箱运输需求下，分析各解决方案的优劣，确定优化方案.相比翻坝运输方案，扩闸(即扩大船闸通过能力)方案更高效环保，符合节能减排的可持续发展要求，对长江经济带的可持续发展具有重要的战略意义.

长江航道; 集装箱运输; 船闸; 三峡; 多式联运网络

0 引 言

随着长江航运的发展，船舶在三峡船闸的待闸时间越来越长.三峡船闸的通过能力已成为制约长江航运发展的瓶颈[1]，在一定程度上阻碍了长江经济带战略的有效实施.为解决三峡船闸通过能力不足的问题，提出了一系列的对策与方案，如：提高过闸效率，扩大船闸通过能力(简称扩闸)和利用水陆联运实施翻坝运输.

提高过闸效率方案[2-4]可在某种程度上减少船舶的等待时间，但在船闸已处于饱和运行状态时其作用有限.扩闸方案[5-7]可提升三峡船闸的通过能力，但其投资大，建设周期长，见效缓慢.实施翻坝运输方案[8-9]见效快，容易实施，可快速解决三峡船闸通过能力不足的问题，但这种方案使大量的货物转向公路，削弱了水路运输作为长江干线流域货运方式主体的地位，而且公路交通流的增加会导致环境污染和交通事故等的增加，与节能环保的可持续发展要求不符.

本文从可持续发展的角度，以减少集装箱运输的环境负荷为优化目标，综合考虑运输方式、运输费用和运输时间等因素，基于长江流域综合运输网络，拟定各种解决三峡船闸通过能力不足的方案，分别定量计算采用扩闸方案和实施翻坝运输方案的环境负荷，找出对环境友好的解决方案.

1 模型建立及求解

1.1 水陆联运网络模型

长江集装箱运输航线与沿线公路共同构成了长江干线流域的集装箱运输网络.为分析集装箱运输的路径选择行为，需要基于长江水路与区域公路构建水陆联运网络模型[10-11]，其主要任务是建立水路路段与公路路段的拓扑关系，并确定各路段的运输属性特征.首先分离港口与港口所在的城市，将港口看作货物运输节点，然后基于图1所示的方法构建模型.

图1中上半部分表示从城市1到城市2的抽象路径，下半部分表示从城市1到城市2的具体路径：集装箱从城市1出发经公路到达港口1，然后在港口1换装经水路到达港口2，接下来在港口2换装再经公路到达城市2.A表示运输网络集合，As,At和Al分别表示水路路段、换装路段和公路路段的集合，A=As∪At∪Al.

图1 水陆联运网络模型构建方法

运输路段(即水路路段和公路路段)的阻抗函数为

(1)

换装路段的阻抗函数由在港口的换装费用和时间组成，其表达式为

(2)

式中：β2为阻滞系数，与港口的拥堵情况有关；gt为在换装路段a上的单位集装箱换装成本；ta为在换装路段a上的换装时间,ta=ta,wait+ta,handle,这里ta,wait和ta,handle分别为货物在港口的等待时间和换装操作时间.

1.2 集装箱运输网络“用户均衡”分配模型

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：R为出发地的集合，r∈R；S为目的地的集合，s∈S；W为出发地r与目的地s(起终点(OD))之间的所有路径的集合；fk,rs为出发地r与目的地s之间的第k条路径上的集装箱流量；qrs为出发地r与目的地s之间的集装箱流量；δa,k,rs为0-1变量，如果路段a属于出发地r与目的地s之间的第k条路径，则δa,k,rs=1，否则δa,k,rs=0.

1.3 CO2排放量计算

根据文献[12]，通用的碳排放计算方法为：排放量等于活动水平乘以排放因子.载运工具依靠化石燃料驱动，所有燃烧源的排放量均可根据燃料的燃烧量和平均排放因子计算，即总排放量=消耗量×排放因子.CO2的排放因子主要取决于燃料中碳的质量分数，其排放量可以基于燃料的燃烧总量和燃料中碳的质量分数估算.集装箱运输网络上的CO2排放量的计算方法如下：

(7)

式中，Ea为在路段a上运输单位集装箱的CO2排放量.公路运输和水路运输对应的Ea分别为

(8)

(9)

式中：Da为运输距离；mtruck为某集装箱货物质量；Utruck为运输单位质量货物单位距离的CO2排放量；G为运输单位质量货物单位距离的燃料消耗量；F为CO2排放因子；Cij为船舶处在第i种运行模式下第j种燃油的消耗量；Cj,F为基于燃料中碳的质量分数的非空间转换因子(燃料的CF值见表1[13])；Q为船舶的额定箱位数；ρ为船舶的满载率；ti为船舶处在第i种运行模式下的时间；Fj,c为第j种燃油的消耗率.

表1 燃料的CF值

1.4 模型求解

通过情景分析方法求解模型，具体步骤如下：

步骤1 考虑各种翻坝运输能力和船闸通过能力建立多个备选方案：翻坝运输能力分别增加20%，40%，60%和80%；船闸通过能力分别扩充20%，40%，60%和80%.

步骤2 针对各备选方案，在运输网络上基于用户均衡原理用Frank-Wolfe法为各OD间的集装箱指派运输路径，得到各路段上的集装箱流量.

步骤3 在各备选方案下，根据各路段的交通流特征(集装箱流量、运输方式、距离、速度等)，计算各路段上的CO2排放量.把整个运输网络上的CO2排放量作为评价各备选方案的环境负荷指标.

2 实例分析

2.1 数据收集与处理

选取长江航道上的14个主要港口作为水路运输的港口节点，选取长江干线流域的28个内陆城市作为公路运输的城市节点，这些城市节点也是集装箱流的发生点或吸引点.模型的输入数据如下：

(1)城市间集装箱OD流量.因为较难直接收集28个城市间的集装箱OD流量,所以基于14个港口的集装箱吞吐量和港口间的集装箱OD流量(见表2)反推得到该数据.

表2 港口间的集装箱OD流量 TEU

(2)公路运输距离与费用.使用GIS软件数字化公路网络，再用最短路径算法计算28个城市间最短路径的里程以及28个城市间的运费.

(3)水路运输距离与费用.用GIS软件刻画长江集装箱运输航线，计算航线上14个港口间的水路运输距离，再通过调查得到港口间的运价(见表3)以及港口使费(均为200元/TEU)与换装费(均为100元/TEU).

表3 港口间水路运价 元/TEU

(4)船舶属性数据.为解决规划阶段的集装箱流量分配问题，采用平均船型的概念，即认为装载量325 TEU的船为平均船型(或代表性船型)，再根据平均船型计算水路上的平均集装箱流量及CO2排放量.平均船型参数见表4.

表4 平均船型参数

2.2 计算结果分析

根据三峡船闸的通过能力和翻坝运输能力，求解得到在长江流域运输网络上的集装箱流量分布(见图2)和对应的CO2排放量分布(见图3).图2和3中：线条越粗表示对应的量越大；表示与公路相关的量的大小的线条，其粗细与水路运输的一致，只不过用虚线表示.

图2 在长江流域运输网络上的集装箱流量分布

图3 在长江流域运输网络上的CO2排放量分布

从图2可以看出：整个长江流域的集装箱流量为380万TEU，其中水路周转量为8亿TEU·km，公路周转量为7亿TEU·km，水路运输稍占优势；长江中上游之间的集装箱流量为27.5万TEU，其中水路集装箱流量为25万TEU，占全部集装箱流量的91%，说明长江航道是长江中上游地区的核心运输通道；在长江中下游地区，如芜湖港—张家港港，水路集装箱流量超过40万TEU，周边地区公路集装箱流量均不超过10万TEU，形成了以长江水路运输为轴，公路运输为辐的轴辐式运输网络；三峡船闸上游水路集装箱流量为25万TEU，下游为28万TEU，通过船闸的集装箱流量只有20万TEU，说明船闸处的拥堵使部分集装箱选择了绕行.

比较图2与3可以看出，不同路段上的CO2排放量与集装箱流量和运输距离直接相关，集装箱流量越大、运输距离越长的路段，CO2的排放量越大.在运输单位集装箱时，水路运输的CO2排放量远低于公路运输的，如重庆港—宜昌港的水路集装箱流量为25万TEU，运输距离为576 km，重庆—成都的公路集装箱流量为19万TEU，运输距离为283 km，前者CO2的排放量为1.9万t，仅为后者的39%.经计算得知，三峡船闸造成的交通拥堵对整个长江流域运输网络上的CO2排放量几乎没有影响，对三峡周边地区运输网络上的CO2排放量影响较大.因此，在分析集装箱运输的环境负荷时，将三峡周边地区(宜昌及荆州)作为研究对象.

从环境负荷方面评价各种解决长江航运发展瓶颈的方案.图4为当集装箱运输需求增加时，三峡地区分别采用扩闸方案和翻坝运输方案所产生的CO2排放量.

a)扩闸方案

b)翻坝运输方案

由图4a)可以看出，随着集装箱运输需求的增加，CO2排放量逐渐增加，但船闸通过能力不同时排放增加量不同.需求增长10%时，扩闸20%可少排放36%的CO2，扩闸40%可少排放38%的CO2，扩闸60%和80%都可少排放54%的CO2.需求增长20%时，扩闸20%可少排放30%的CO2，而其他3

种扩闸方案(扩闸40%，60%和80%)都可少排放40%的CO2.扩闸60%与80%的效果几乎相同，说明船闸通过能力扩大60%即可满足集装箱流量增长30%的运输需求.

由图4b)可以看出，随着集装箱运输需求的增加，CO2排放量逐渐增加，且翻坝运输能力越大CO2排放量越大.需求每增长10%，翻坝运输能力增加20%时会多排放27%的CO2，翻坝运输能力增加40%时会多排放31%的CO2.从CO2排放量看：在集装箱运输需求增长初期，三峡船闸未完全达到饱和运行状态，可分担一部分集装箱运输需求，CO2排放量增加不足5%；当三峡船闸处于饱和运行状态时，增加的集装箱运输需求会全部由翻坝公路运输满足，导致CO2排放量增加10%以上；当水路拥堵不堪，公路运输价格升高时，部分集装箱会选择绕过三峡地区，翻坝运输量增长放缓，CO2排放量的增长也趋于平稳.

综上，扩闸方案不仅可显著降低货物运输带来的环境负荷，而且能很好地满足未来集装箱运输量增长的需求，符合可持续发展的要求.虽然翻坝运输方案也能在一定程度上解决运输拥堵问题，但却不是对环境友好的方案.

3 结 论

针对三峡船闸通过能力不足的问题，从可持续发展的角度，以集装箱运输的节能减排为目标，综合考虑运输方式、运输费用和运输时间等因素，计算采用扩闸方案和实施翻坝运输方案的环境负荷，从环境友好的角度评价两种方案的优劣，得出结论：(1)水路运输成本优势明显，环境负荷小，是长江流域值得长期发展的运输方式；(2)翻坝运输短期内可缓解三峡船闸的拥堵，但公路运输的增加会导致环境负荷上升；(3)扩大船闸通过能力，发展水路运输，不仅能缓解目前的运输压力，还能适应未来集装箱运输量增长的需求.相比翻坝运输，扩闸方案更高效环保，符合节能减排的可持续发展要求，对长江经济带的可持续发展具有重要的战略意义.

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(编辑 赵勉)

Solution to container transport bottleneck along Yangtze River considering environmental load

XU Pengfei, YANG Zhongzhen

(Transportation Management College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

In view of the fact that the capacity of the Three Gorges ship lock has become a bottleneck for the Yangtze River shipping development, a solution to the lack of capacity of the Three Gorges ship lock is sought from a sustainable development perspective with the objective of lower environmental load of container transport, where the factors of transport mode, transport cost and transport time are considered comprehensively. The transport network model is built composed of the waterway and highway in the Yangtze River area, the transport attribute of each section is determined, and a calculation method to environmental load is given for waterway and highway transport. Path choice behaviors of containers in the network are analyzed. Different solutions are evaluated under various container transport demands and the optimal scheme is determined. Compared with the over-the-dam transport scheme, the scheme of the dock capacity expansion is more efficient and environment-friendly, meets the sustainable development requirement of energy conservation and emission reduction, and is of important strategic significance for sustainable development of the Yangtze River Economic Belt.

Yangtze River waterway; container transport; ship lock; Three Gorges; multi-mode transport network

10.13340/j.jsmu.2017.01.006

1672-9498(2017)01-0026-05

2016-06-13

2016-11-28

国家自然科学基金(71431001)；中央高校基本科研业务费专项资金(3132016303)

徐鹏飞(1993—)，男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理，(E-mail)xupengfei@dlmu.edu.cn； 杨忠振(1964—)，男，辽宁凌海人，教授，博士，研究方向为航运网络设计、城市物流，(E-mail)yangzz@dlmu.edu.cn

U695.22

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