北方海航道与苏伊士运河航道混合集装箱班轮航线经济性研究

徐骅

随着全球气候变暖，夏季北极海冰范围呈现缩小趋势，从而使船舶在北极航行的可行性提高。北极航道包括沿俄罗斯北部海域的东北航道（其中白令海峡与新地岛之间的航道被俄罗斯称为“北方海航道”）、沿加拿大和美国阿拉斯加北部海域的西北航道以及穿过北冰洋中央海域的跨极地航道。上述航道的冰情各不相同，其中：北方海航道冰情最轻，自2008年以来每年9月都处于全线无冰状态;西北航道冰情次之，海冰范围变化较大，并非每年都有全线无冰的情况;跨极地航道穿过北冰洋中心地带，冰情最重，全年处于封冻状态。目前，北极航行大多取道北方海航道，经西北航道的航次数量极少，跨极地航道则尚未通航。本文提出连接鹿特丹港与上海港的北方海航道与苏伊士运河航道混合集装箱班轮航线（以下简称“混合航线”），并针对混合航线和传统航线（即苏伊士运河航线）分别构建航运成本模型，据此计算并比较混合航线和传统航线的航运成本，以评估混合航线的经济性。

1 研究背景

2009年，俄罗斯开始在北方海航道开展国际商业航行。2013年，北方海航道过境运量达到135.6万t的历史峰值，其中：东行货物以油气和铁矿石为主，西行货物为成品油等。2013年以后，北方海航道过境运输货类发生重大变化：散货运量大幅减少，而以钢铁、机械设备等为代表的件杂货运量占优势比重。2014年，北方海航道过境运量剧烈滑坡。2015年，北方海航道过境运量仅约4.0万t，此后开始逐步回升。2018年，北方海航道过境运量回升至49.1万t。2013年，原中远集团旗下杂货船“永盛”号首次穿越北方海航道;2018年，中远海运集团共有8个航次途经北方海航道，一跃成为北方海航道过境运输的主力军，也使我国成为开展北极航行的重要国家。2018年，马士基旗下载箱量为3 600 TEU的集装箱船“文塔·马士基”号穿越北方海航道，成为全球首艘在北极航行的全集装箱船。

由于东亚与西北欧之间制成品贸易量巨大，经北方海航道的亚欧航线可行性研究日益受到关注。LASSERRE[1]和MENG等[2]综述北方海航道与传统航道经济性对比的研究进展， VERNY等[3]、LIU等[4]、XU等[5]、OMRE[6]、FURUICHI等[7]、WANG等[8]、ZHAO等[9]、LIN等[10]对北极集装箱班轮运输开展研究。为确保集装箱班轮航线能够全年运营，本文提出连接鹿特丹港与上海港的混合航线。该航线具有季节性特点，即：船舶在经济可行季节经北方海航道航行，在其他季节经苏伊士运河航道航行。

2 航运成本模型构建

2.1 研究方法

由于北方海航道有冰航段和无冰航段的长度随着船舶与北极海冰边界相对位置关系的变化而变化，本文提出一种新的研究方法――时空图示法，即：在直角坐标系中，用横坐标表示时间，用纵坐标表示航程，并在其中绘制船舶航行轨迹。以连接鹿特丹港与上海港的航线为例：如果该航线途经北方海航道，并穿越新西伯利亚群岛北部和新地岛，则航程为7 630 n mile;如果该航线途经苏伊士运河航道，则航程为10 472 n mile。根据美国国家冰雪数据中心发布的2015年各月北极海冰范围数据，绘制同期经北方海航道的鹿特丹港―上海港航线船舶航行轨迹（见图1）。需要注意的是，船舶在有冰航段和无冰航段的航速不同：船舶驶入冰区后，航速减慢;船舶驶出冰区后，航速加快。假设冰区中的冰层厚度为1 m，且船舶在有冰航段的航速与引航的破冰船航速相同。在冰层厚度为1 m的情况下，破冰船航速通常为3～5 kn，故本文考虑船舶在有冰航段的3种航速，即3 kn、4 kn和5 kn。为了保证船期，集装箱班轮航线每个航次的时间相对固定;因此，船舶在有冰航段航行的时间越长，其在无冰航段航行的时间就越短，即船舶在有冰航段的航速决定其在无冰航段的航速。

2.2 模型构建

本文针对混合航线和传统航线分别构建航运成本模型，其中，航运成本包含燃油成本、资本成本和运营成本以及苏伊士运河通行费或北方海航道破冰费。

2.2.1 燃油成本

燃油成本与燃油价格、航次时间和燃油消耗率有关，燃油消耗率则与主机功率成正比。此外，根据“推进器法则”，在开敞水域航行的船舶所需的主机功率与航速的3次方成正比。

2.2.1.1 混合航线北极航次k的燃油成本

由于船舶在有冰航段和无冰航段的航速不同，导致船舶在有冰航段和无冰航段的燃油消耗率不同，故混合航线北极航次k的燃油成本

C燃油（混合航线北极航次k）=p燃油（t有冰 有冰+t无冰 无冰）（1）

式中：p燃油为燃油价格，美元/t;t有冰为船舶在有冰航段的航行时间，d; 有冰为船舶在有冰航段的燃油消耗率，t/d;t无冰为船舶在无冰航段的航行时间，d; 无冰为船舶在无冰航段的燃油消耗率，t/d。

船舶在有冰航段和无冰航段的燃油消耗率分别为

有冰= max

无冰= max

式中： max为船舶在最高航速下的燃油消耗率，t/d;a1为冰级船的额外燃油消耗系数;vmax为船舶最高航速，kn;v有冰为船舶在有冰航段的航速（即破冰船在冰区的航速），kn;Ps为船舶克服冰阻力所需的额外功率，kW;Pmax为船舶主机最大功率，kW;v无冰为船舶在无冰航段的航速，kn。由此式（1）可变为

C燃油（混合航线北极航次k）=p燃油 max

（2）

参照JUVA等[11]提出的公式计算船舶克服冰阻力所需的额外功率，即

Ps=（3）

式中：F为冰阻力，kN;D为船舶推进器直径，m;K为与船舶推进器数量和机械类型有关的系数。在采用可调螺距推进器或电推进机械的情况下：若推進器数量为1个，则K=2.03;若推进器数量为2个，则K=1.44;若推进器数量为3个，则K=1.18。在采用固定螺距推进器的情况下：若推进器数量为1个，则K=2.26;若推进器数量为2个，则K=1.60;若推进器数量为3个，则K=1.31。

根据《芬兰-瑞典冰级规范》，冰阻力

F=C1+C2+C3（ 1+ 2）2（b+0.658 1）+

C4

x=

式中： 1为被船首推至冰通道两侧的碎冰厚度，m; 2为冰通道中间的碎冰厚度，m;b为船舶宽度，m;l为船舶垂线间长度，m;d为船舶吃水，m; 1≈0.26+（b 2）0.5;C3=459.993;C4=18.783;C5=825.600。对于有球鼻艏的船舶，C1和C2的取值分别为

（1+1.2 d/b）b2/

式中：f1=10.35;f2=45.80;f3=2.94;f4=5.80;g1=1 537.30;g2=172.30;g3=398.70。

将以上变量和参数代入式（3），并将式（3）代入式（2），即可得到混合航线北极航次k的燃油成本。

2.2.1.2 传统航线航次k的燃油成本

由于苏伊士运河对船舶航速有一定限制，导致船舶在苏伊士运河航段和非苏伊士运河航段的燃油消耗率不同，故传统航线航次k的燃油成本

C燃油（传统航线航次k）=p燃油（t1 1 + t2 2）（4）

式中：p燃油为燃油价格，美元/t;t1为船舶在非苏伊士运河航段的航行时间，d; 1为船舶在非苏伊士运河航段的燃油消耗率，t/d;t2为船舶在苏伊士运河航段的航行时间，d; 2为船舶在苏伊士运河航段的燃油消耗率，t/d。

船舶在非苏伊士运河航段和苏伊士运河航段的燃油消耗率分别为

1= max a1  = max a1

2= max a1 = max a1

式中： max为船舶在最高航速下的燃油消耗率，t/d;a1為冰级船的额外燃油消耗系数;vmax为船舶最高航速，kn;v1为船舶在非苏伊士运河航段的平均航速，kn;d1为亚欧航线非苏伊士运河航段的航程，n mile;v2为船舶在苏伊士运河航段的平均航速，本文设定v2=8 kn，接近苏伊士运河的限制航速8.64 kn;d2为苏伊士运河航段的航程，n mile。将 1和 2代入式（4），得

C燃油（传统航线航次k）=p燃油a1 （5）

船舶在非苏伊士运河航段的航行时间t1=船舶航行总时间 船舶在港时间 船舶在苏伊士运河航段的航行时间t2，并且周班航线往返航次船舶航行总时间为航线配船数量的7倍，故式（5）可改写为

C燃油（传统航线航次k）= （6）

式中：n为航线配船数量，艘;t3为船舶在港时间，d。

2.2.1.3 小结

对于航次k，船公司将比较经北方海航道与经苏伊士运河航道的燃油成本，并从中选择燃油成本较低的航线方案。

2.2.2 资本成本

资本成本指船舶折旧额，其由新造船价格和航线配船数量决定。假设船舶寿命为10年[12]，并采用直线折旧法计算船舶年折旧额，即船舶年折旧额为新造船价格的1/10，则单船年度资本成本

C资本（年度）=a2

式中：p新造船为新造船价格，美元;a2为冰级船的额外价格系数（冰级船价格高于普通船价格）。

对于周班航线而言，单船往返航次的资本成本

C资本=

2.2.3 运营成本

运营成本包括维护修理费、保险费、船员工资等费用。假设运营成本为资本成本的50%，则运营成本

2.2.4 航运成本

综上所述，混合航线经北方海航道往返航次（包含东行航次i和西行航次j）的航运成本

（7）

式中：C破冰为北方海航道破冰费，美元。

作为对比，传统航线往返航次的航运成本

（8）

式中：C运河通行为苏伊士运河通行费，美元。

根据上述公式计算并比较混合航线与传统航线的单箱航运成本，注意：（1）2个航次之间间隔7 d;（2）选取合适的航线配船数量，使混合航线和传统航线的单箱航运成本最低;（3）航线配船数量受船舶最高航速的限制。

3 实证分析

3.1 假设条件

针对航运成本模型中部分变量的不确定性，本文结合航线实际运营情况提出以下假设条件。

（1）航线仅挂靠上海港和鹿特丹港。虽然现实中大多数集装箱班轮航线挂靠多个港口，但为了在不失一般性的前提下避免模型过于复杂，北极集装箱航运研究通常假设航线为点对点航线。

（2）混合航线与传统航线的船期、运量、运价均相同。

（3）北极航行采用符合《芬兰-瑞典冰级规范》的1A冰级（相当于俄罗斯船级社的Arc4冰级）船。根据对现有冰级船运营数据的回归分析，1A冰级船的额外燃油消耗系数和额外价格系数的取值均为1.1。

（4）北极海冰厚度为1 m，这在夏季北极海域是常见情况。[13]虽然冬季北极海冰更厚，但在可预见的未来，冬季北极海冰将会变薄;因此，假设北极海冰厚度为1 m是合理的。

（5）西行航次（东亚至西欧）船舶装载率为100%，东行航次（西欧至东亚）船舶装载率为50%。这与近年来亚欧航线运量数据相符。

（6）破冰船在冰区的航速分别为3 kn、4 kn和。

（7）船舶燃油价格分别为100美元/t、200美元/t、300美元/t、400美元/t、500美元/t、600美元/t和700美元/t。

（8）船舶船型分别为8 000 TEU、10 000 TEU、、14 000 TEU和16 000 TEU。由于北方海航道萨尼科夫海峡水深小于13 m，北极航行研究大多假设船舶船型不超过4 000 TEU;但由于本文提出的航线绕过新西伯利亚群岛北部，不经过萨尼科夫海峡，故不考虑水深对船舶船型的限制。

（9）虽然俄罗斯对破冰费率上限有规定，但MOE[14]指出，破冰费率实际是参照苏伊士运河通行费率协商确定的;因此，本文设定6种不同的北方海航道破冰费率，分别相当于苏伊士运河通行费率的100%、80%、60%、40%、20%以及为0。

3.2 分析结果

3.2.1 不同条件下混合航线与传统航线相对成本差异

基于航运成本模型和上述假设条件，计算并比较混合航线与传统航线的单箱航运成本，从而得到不同条件下混合航线与传统航线的相对成本差异（见图2）。

（1）混合航线的单箱航运成本为188.0～389.3美元/TEU，传统航线的单箱航运成本为195.4～371.7美元/TEU，混合航线与传统航线的相对成本差异在11.7%～4.9%之间。

（2）当北方海航道破冰费率與苏伊士运河通行费率相等时，混合航线的单箱航运成本总是高于传统航线。

（3）当北方海航道破冰费率为0时，大多数情况下混合航线的单箱航运成本低于传统航线。

（4）当北方海航道破冰费率与苏伊士运河通行费率相等且燃油价格处于300～500美元/t的中等水平时，混合航线相对于传统航线的成本劣势最小，这是因为：在燃油价格较低的情况下，传统航线的燃油成本较低，北方海航道的竞争力下降;而在燃油价格较高的情况下，船公司倾向于采取加船减速的策略，导致船舶资本成本和运营成本上升，从而抵消冰级船经北方海航道航行所节约的燃油成本。

（5）当北方海航道破冰费率为0且船舶在有冰航段的航速为5 kn时，200～300美元/t的燃油价格使混合航线相对于传统航线的成本优势最明显;当北方海航道破冰费率为0且船舶在有冰航段的航速为3 kn时，100 ～200美元/t的燃油价格使混合航线相对于传统航线的成本优势最明显。这表明：当北方海航道破冰费率下降时，混合航线所需的最优燃油价格也会下降，即只有更低的燃油价格才能使混合航线成本最低。

（6）混合航线和传统航线均表现出一定的规模效应，即航线配置的船型越大，单箱航运成本就越低;但并非船型越大，混合航线相对于传统航线的成本优势就越明显。此外，超大型船舶通过北方海航道仍然面临一系列技术挑战。到目前为止，通过北方海航道的最大船舶是苏伊士型油船“弗拉基米尔蒂霍诺夫”号。该船全长280 m，宽50 m，吃水，小于本文实证分析中的16 000 TEU型集装箱船。

3.2.2 混合航线的单箱航运成本低于传统航线的条件组合

经过计算和分析，得到混合航线的单箱航运成本低于传统航线的条件组合（见图3）。对于和16 000 TEU型集装箱船，当北方海航道破冰费率高于苏伊士运河通行费率的40%时，混合航线总是不经济的;对于10 000 TEU和型集装箱船，当北方海航道破冰费率为0时，混合航线总是经济的。

4 结束语

本文基于船舶与北极海冰边界相对位置关系的动态变化来研究混合航线的经济性，通过建立航运成本模型计算混合航线和传统航线的单箱航运成本，并设置3种有冰航段航速、7种燃油价格、5种船型（以载箱量计）、6种北方海航道破冰费率等条件，最后得出以下结论。

（1）当北方海航道破冰费率达到或超过苏伊士运河通行费率的80%时，混合航线总是不经济的;而当破冰费率足够低时，混合航线在某些条件下更经济。总体而言：混合航线的单箱航运成本最多可比传统航线低11.7%，但也可能最多比传统航线高4.9%。

（2）燃油价格是把双刃剑：一方面，当燃油价格较高时，混合航线相对于传统航线的成本优势显著，从而有助于推动船公司更多地使用北方海航道;另一方面，如果燃油价格过高，船公司将采取加船减速的策略，导致船舶资本成本和运营成本上升，从而抵消冰级船经北方海航道航行所节约的燃油成本。计算结果显示，适中的燃油价格（200～500美元/t）对于混合航线运营最为有利。需要注意的是，其他因素也会影响混合航线的经济性，例如：当船舶在有冰航段的航速为3 kn且北方海航道破冰费率为0时，混合航线节约燃油成本的效果不如冰级船资本成本和运营成本增加的效果显著，需要燃油价格降至更低水平（100～200美元/t）才能使混合航线成本最优。

（3）配置大型船舶比配置小型船舶更为经济，表明混合航线同样具有一定的规模效应。

总之，为了使混合航线经济可行，必须大幅调减北方海航道破冰费率。目前北方海航道破冰费率是参考苏伊士运河通行费率协商确定的，北方海航道季节性通航的特点使得经该航道的集装箱班轮航线无法实现全年赢利，从而导致船公司对北方海航道普遍持消极态度。

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（編辑：张敏 收稿日期：2019-11-11）