一种船舶洗舱水产生量估算方法

程大千，杨 韵，王经洁，邹 庆，邵丽红

(1. 江苏交科能源科技发展有限公司， 南京 210017；2. 江苏省交通运输行业能耗排放监测统计中心， 南京 210017)

0 引 言

当前船舶污染防治是水路运输领域环保工作的重点，相比船舶垃圾、生活污水和含油污水防治，船舶洗舱水污染防治更为关键，2018年交通运输部发布的《长江干线水上洗舱站布局方案》(以下简称《布局方案》)为开展长江沿线洗舱站建设提供了指导。船舶洗舱需求预测是洗舱站建设的前提，一般采用现行船舶洗舱水估算方法，结合《布局方案》提出的年洗舱艘次，对所在区域船舶的洗舱水产生量进行预测。但是，在实际操作过程中，采用现行估算方法所得结果与海事部门的防污作业数据相差甚远，主要原因是现行估算方法未考虑船型、货物相容性和换装艘次比例等洗舱需求特征。

国内外已有很多关于洗舱水估算方法的研究。弗维拉斯[1]系统性地报道了油船防污系统课题的研究历程，为《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL 73/78公约)中预洗最小水量计算方法的提出奠定了基础，但实际洗舱水量要远大于采用该方法所得结果，该方法仅在具体船舶洗舱作业之前和海事部门现场执法时采用[2]。吴甲斌[3]在对我国沿海水域的油污染情况进行调查分析的基础上，总结出了原油和成品油洗舱水油污量为油船总吨位的0.5%～1.0%的结论，为国内船舶洗舱水估算提供了参考依据[4-7]。当前，在对某区域的船舶洗舱水量进行预测时，国内主要采用《港口、码头、装卸站和船舶修造拆解单位船舶污染物接收能力要求》(JT/T 879—2013)中的船舶洗舱水估算方法[8-10]，该方法未考虑船舶换装比例和船舶吨级分布特征带来的差异，且将船舶总吨和港口吞吐量同时纳入计算，一方面可能造成重复计算，另一方面船舶总吨实际为船舶等级划分的依据(即无量纲)，导致该方法的物理意义较难解释。

长江江苏段作为承担长江干线60%以上的货运量和港口吞吐量的重要区段，其危化品运输量逐年递增，随之带来的船舶洗舱需求日益增加，污染防治工作越发紧迫。由此，为有效解决上述问题，本文从船舶洗舱需求出发，综合考虑相关因素，在现行船舶洗舱水估算方法的基础上，探索并提出一种适用于长江江苏段的船舶洗舱水估算方法。

1 洗舱需求特征

1.1 货物品种和强制预洗要求

目前长江江苏段在建的5座水上洗舱站接受洗舱的危化品货种主要有油类(29.5%)、醇类(12.1%)、芳香烃类(11.6%)、酯类(7.5%)和醚类(1.2%)，南京港基本上覆盖了江苏段各类危化品货种，具体见表1。

表1 南京港主要危化品货种分类汇总 单位：种

1.2 货物相容性和换装比例

由美国海岸警卫队(United States Coast Guard，USCG)编制的货物相容性表可知，在各类化学品运输概率均相同的情况下，36组化学品之间不相容的概率(即考虑换装货种的概率)为29%，故在构建船舶洗舱水产生量估算公式时应予以考虑。仅对表1中的主要化学品(即醇类(含乙二醇)、芳香烃类和酯类(含醋酸乙烯酯)、醚类和有机酸)的相容性进行统计可知，在这5组化学品的运输概率均相同的情况下，这些化学品之间不相容的概率为11%。由李表奎[11]的调查统计结果可知，化学品与油品和化学品与化学品之间的换货种艘次占比分别为2.0%和2.6%，故若仅考虑化学品与化学品之间的换装情况，其换装洗舱概率为23.6%，与相关洗舱站工可报告中的5 000吨级以下换装洗舱比例(20%)基本一致。

表2为长江主要区段危化品换装洗舱作业艘次和占比。由表2可知：从整体上看，长江中上游段的换装比例高达12.6%，江苏段的换装比例较低(0.5%～1.1%)，其中2012—2015年南京段的换装比例逐年增加，从1.0%增加至1.5%；从化学品船洗舱的角度看，江苏段的换装比例(1.2%～2.6%)要高于危化品船的总体换装比例(1.1%)，其中南京段化学品船的换装比例与危化品船的换装比例约为2倍的关系，与中上游段的货种换装情况相反[11]。由于长江中上游的相关数据暂未获取，本文主要根据长江江苏段的船舶进港、洗舱审批等数据开展船舶洗舱水产生量估算方法研究。

表2 长江主要区段危化品换装洗舱作业艘次和占比

2 思路与方法

2.1 构建本构方程

基于上述国内外研究成果，针对船舶洗舱需求特征，综合相关影响因素，构建相应的本构方程，具体如下。

1) 构建船舶洗舱水与船舶进港艘次、洗舱换装艘次占比和船舶吨级分布等影响因素之间的本构方程，有

T=F(Q,η,W)

(1)

式(1)中：T为给定时间范围内(一般取1 a)的船舶洗舱水产生量，t；Q为给定时间范围内(一般取1 a)的船舶进港艘次，艘次；η为给定时间范围内(一般取1 a)的洗舱换装艘次与船舶进港艘次的比值；W为给定时间范围内(一般取1 a)的洗舱船舶的吨位或载重量分布函数。

W=G(Q,η,α,β)

(2)

式(2)中：α和β分别为特征洗舱船舶的吨位(D)或载重量(Z)的平均值及其艘次占比。特征洗舱船舶按其吨位(D)分类，即D≤1 000吨级、1 000

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，它是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化语言编程语言。采用数据流编程方式。

2) 对构建的2个本构方程的函数关系进行比选和确定。

3) 针对2个本构方程已选定的函数关系开展相关参数的测算，结合已有数据进行校验，并对初步构建的本构方程进行修正优化，从而得到适用于长江江苏段的船舶洗舱水产生量估算方法。

2.2 洗舱需求与现行估算方法比较分析

JT/T 879—2013提出的船舶洗舱水产生量经验公式为三元一次线性方程，其自变量和相关参数与船舶活动及其特征有密切联系，本文仅对船舶换装洗舱需求与现行经验公式进行比较分析：

1) 船舶换装洗舱与同期的船舶进港总艘次之间存在一定的比例关系，而该比例关系受到船舶运输货种性质、强制预洗要求及船方和货主的需求等多种因素的影响。

2) 船舶洗舱水产生量一方面需满足MARPOL 73/78公约附则II中的预洗最小水量的要求，另一方面与船舶实际载货量有关。由于实际船舶各异，且难以获取舱室数量及其容积数据，在构建船舶洗舱水产生量函数关系时，其自变量转变为如何获取船舶实际载货量与洗舱水产生量之间的关系，但因实际载货量受船方和港口方双方需求等主观因素的影响比较大，可采用与船舶载货量密切相关且较易获取的参数，如船舶吨位、船舶载重量和港口吞吐量等数据。

4) 相关参数的物理意义分析如下：

(1) 针对化学品洗舱水，现行经验公式中船舶吨位和港口货物吞吐量对洗舱水产生量的权重占比达到90%，即船舶载重量与洗舱水产生量几乎呈等比例的线性关系；每万总吨船舶产生的污染物均量推荐值WT和每万吨货物吞吐量产生的污染物均量推荐值WG也与船舶载重量(或船舶载货量)有关，分别为2.5 t/万总吨和1.5 t/万t(JT/T 879—2013中的表1)，与表3中的每万吨运输量的化学品船舶洗舱水产生量(3.4～4.3 t/万t)基本一致，可见本文构建的本构方程能将船舶吨位和港口货物吞吐量变为船舶载重量的自变量或相关参数；整体修正系数取0.14(JT/T 879—2013中的表1)，可解释为实际船舶洗舱艘次占船舶进港总艘次的比例为14%，与相关文献[6,11-13]中的表述基本吻合。

表3 长江江苏段化学品洗舱水产生量与其运输量关系

(2) 针对油船洗舱水，本文采用原含油污水产生量经验公式，其3个自变量与化学品洗舱水一致，其权重较为平均，各约占1/3；每艘次船舶产生的污染物均量推荐值WN、WT和WG之比与其权重比例也较为接近，三者为化学品洗舱水的4倍左右，与长江南京段的实际值基本一致，即油船和化学品船换装洗舱水产生量分别为161～308 t/艘次和33～56 t/艘次；从整体修正系数取0.9来看，由于油品基本为X类物质和高黏度或凝固性Y类物质，以南京港为例，这2类货种占比恰好约为90%，与该修正系数一致，故可解释为按MARPOL 73/78公约附则II，油船进港总艘次中有90%均存在洗舱需求，但在实际情况下应考虑具备强制预洗免除条件的进港油船比例。

2.3 主要影响因素间的拟合关系

表4为更换货种艘次与对应船舶进港艘次拟合关系，其中：Qz为危化品船进港艘次；Qhz为船舶换装洗舱艘次；Qzc为化学品船进港艘次；Qhzc为化学品船换装洗舱艘次。由表4可知，采用对数方程和线性方程测算的结果均小于采用指数方程测算的结果，即2 376艘次/a，虽然采用前2种方法测算的结果与海事部门提供的历史洗舱作业审批情况较为符合，但未考虑船舶洗舱水接收比例低、港口船舶洗舱水接收能力不足和洗舱站点少且布局不合理等情况[12]，故采用指数方程测算的结果更符合实际情况，且与《布局方案》中预测的结果较为接近。

表4 更换货种艘次与对应船舶进港艘次拟合关系

3 结果与分析

在上述比较分析的基础上，分别按船舶换装和上坞检修洗舱2类洗舱需求确定式(1)和式(2)的具体函数关系。表5为船舶洗舱艘次与洗舱水产生量拟合关系，其中：Thz+sw为船舶换装和上坞检修洗舱水产生量；Qhz+sw为船舶换装和上坞检修洗舱艘次；Thz、Thzo和Thzc分别为危化品船、油船和化学品船换装洗舱水产生量；Qhz、Qhzo和Qhzc分别为危化品船、油船和化学品船换装洗舱艘次。由表4和表5可知，船舶洗舱水产生量(T)与估算得到的船舶换装洗舱艘次(Qhz)之间有较强的线性关系，而船舶换装洗舱艘次(Qhz)与危化品船舶进港艘次(Qz)之间呈指数关系。针对上坞检修洗舱艘次(Qsw)，可根据所在辖区长江干线危化品船舶拥有量(Rz)和《老旧运输船舶管理规定》(即新船4 a、老船2 a需上坞检修)进行估算；对应的洗舱水产生量和相关参数取值可采用船舶换装洗舱水产生量估算方法进行测算。

表5 船舶洗舱艘次与洗舱水产生量拟合关系

3.1 船舶换装洗舱水产生量估算公式

Thz=a·Qz·ηhz+b

(3)

Thzc=ω·α′·Qzc·ηhzc

(4)

(5)

(6)

(7)

式(3)～式(7)中：Thz、Thzo和Thzc分别为危化品船、油船和化学品船换装洗舱水产生量，t；Qz、Qzo和Qzc分别为危化品船、油船和化学品船进港艘次，艘次；ηhz、ηhzo和ηhzc分别为危化品船、油船和化学品船换装洗舱比例；ηhzi、ηhzoi和ηhzci分别为按危化品船、油船和化学品船总吨分级对应的换装洗舱比例；βi、βoi和βci分别为按危化品船、油船和化学品船总吨分级对应的船舶进港艘次占比，该参数应通过获取所在地海事部门相关统计数据进行估算，若仅针对油船或化学品船进行估算，应对βoi或βci进行归一化处理；Qzi、Qzoi和Qzci分别为按危化品船、油船和化学品船总吨分级对应的进港艘次，艘次；a和b为船舶换装洗舱水产生量公式中的参数，分别针对危化品船、油船和化学品船；α′为按特征洗舱船舶对应的平均载重量，t；ω为洗舱水产生量(Thz)与船舶最大载重量(α′)的比例系数，其余相应取值和适用范围见表6；λ和ξ为危化品船换装洗舱比例公式中的参数，分别针对危化品船、油船和化学品船，其取值和适用范围见表7；Ci表示Qzi、Qzoi或Qzci不在表6和表7中的适用范围内时，危化品船换装洗舱比例估算公式可根据对应船舶总吨的特征换装洗舱船舶的经验值选取，具体见表8。

表6 参数a、b及船舶换装洗舱水产生量估算公式适用范围

表7 参数λ、ξ及船舶换装洗舱比例估算公式适用范围

表8 特征洗舱船舶换装艘次与船舶进港艘次占比经验值 单位:%

3.2 船舶上坞检修洗舱水产生量估算公式

1) 当Qsw>106艘次时，有

Tsw=64.293Qsw+266.38

(8)

(9)

2) 当Qsw≤106艘次时，有

(10)

3.3 船舶洗舱需求和洗舱水产生量预测

根据上述船舶洗舱水产生量估算方法，经计算可知，2020年和2025年全省沿江船舶洗舱艘次分别为4 393艘次和4 571艘次，对应的船舶洗舱水总量分别为317 713.3 t和335 005.8 t，其中油船换装及其洗舱水产生量的占比最高，分别达到45%和77%以上，具体见表10。

表9 特征船舶载重量平均值 单位:t

表10 沿江船舶洗舱需求和洗舱水产生量预测

4 结 语

1) 本文所述估算方法中各计算公式均有相应的取值范围，即一般危化品船进港艘次需大于1 123艘次，故其适用于一定时间周期或一定规模的港口或港区，一般为年度或港区范围。此外，特征船舶相关参数主要采用南京港历史数据，故在实际估算时，建议尽量采用当地海事部门的相关数据，进一步保证计算结果的准确性，若无法获取，则上述各表中的相关参数可作为参考选取。

2) 虽然采用经验数据反推得到的结果与《布局方案》的匹配度较好，但采用该方法的前提是将各洗舱站的洗舱能力作为约束，通过经验数据试算选取最接近约束条件的拟合方程，与实际情况可能存在较大差异。本文通过对危化品船进港艘次进行预测，结合特征船舶相关参数求得相应洗舱需求和洗舱水产生量，其2025年预测结果与《布局方案》较为匹配，但2020年预测值超过了近30%，相当于2座洗舱站的洗舱能力。

本文在现有船舶洗舱水估算方法和洗舱需求特征分析的基础上，提出了考虑船型、货物相容性和换装艘次比例等影响因素的估算方法，构建了船舶洗舱水产生量本构方程，提出了船舶洗舱水产生量与船舶进港艘次的定量关系，明确了相关参数的选取，进一步缩小了数据源获取范围。通过分析可知，该估算方法在以年度为周期和港区以上规模范围内具有较强的适用性，与《布局方案》中的2025年需求预测结果基本匹配。

由于选取的部分数据还具有一定的局限性，尤其是在危化品船进港艘次较少的情况下，估算结果会存在较大误差，一方面建议未来在扩大和完善对海事部门关于危化品船进港艘次、洗舱作业和洗舱产生量统计数据的收集的基础上，进一步修正和完善相关计算公式及其参数；另一方面深入探究MARPOL 73/78公约中的预洗最小水量计算方法与本文所述估算方法的关联，建立船舶进港艘次小于1 123艘次情况下的估算方法。