江森汇，王 青，李毅旭

(广州航海学院，广东 广州 510725)

随着极端气候频发及其所引发的灾害日益严重，国际社会和国内对气候变化关注程度与日俱增，中国承诺“努力争取2060年前实现碳中和”，将为世界降碳做出应有的贡献。近年来，航运业的低碳发展和降碳的压力日益增加，如何权衡航运业和经济可持续发展之间的关系，已引起社会各界的高度重视。2020年，为对标交通强国建设要求，适应粤港澳大湾区现代化综合交通运输体系的建设需求，广东省交通运输厅编制《广东省航道发展规划(2020—2035年)》[1]，明确广东省未来一段时期航道发展的目标和重点，升级改造广东省内河航道网，增加内河航道的货物通过能力，进而对广东省区域交通的碳排放总体水平产生影响，以达到降碳的效果。

目前，航道通过能力的研究大致经历了4个阶段：1)纯经验分析阶段。根据工程经验，结合航道的实际情况，综合考虑管理服务水平，分析航道通过能力。2)半经验半理论公式计算阶段。以理论航道通过能力为基础，结合不同因素的影响，计算出更准确的实际航道通过能力。在这一阶段涌现出很多公式，如西德公式[2]、长江公式[3]、川江公式[4]、闵朝斌敞流航道公式[5]、苏南运河公式[6]和王宏达公式[7]等。在上述公式的基础上，学者们考虑交通流理论和船舶领域基本概念，提出了各种不同的半经验半理论公式[8-10]，进一步完善了利用经验公式计算航道通过能力的方法。3)理论模型计算阶段。随着数学理论和方法的发展，出现了排队论[11-12]、跟驰理论[13-14]等理论模型，主要通过模拟船舶进出港及泊位装卸货、交通流等过程分析航道通过能力。4)数值仿真阶段。随着数值仿真的出现及相对成熟，国内外专家采用ARENA、SIMIO、EM-PLANT、FLEXSIM、WITNESS等数值仿真软件对航道通过能力进行了建模、分析研究[15]。

随着航道建设投入的增加，航道等级提升，高等级航道里程数日益增长，大大促进了航道货物通过能力的变化，克服了原先低等级航道单次运量少、周转便利性差等缺点，吸引货物运输向水路航运倾斜，优化了区域运输结构。水路运输相较于公路、铁路、民航等运输方式，其能耗低、污染少、更环保；水路运输将分担公路、铁路货物量，进而从总体上降低碳排放量。目前，较为广泛应用的交通碳排放量计算方法是由IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会)提出的“自上而下”[16-17]和“自下而上”[18]两种形式。由于两者在计算交通碳排放量均存在缺点，在使用中通常将二者结合计算交通碳排放量[19]。在交通碳排放量预测研究取得进展的同时，学者们采用分解分析法[20]、空间计量法[21]、可拓展随机性的评估模型(STIRPAT)[22]等对交通碳排放的主要影响因素开展了相关研究。通过大量研究发现，交通运输结构对交通碳排放具有显著影响，区域交通运输结构的优化将成为中国交通运输行业重点发展方向之一[23]。本文涉及到的“交通运输结构”主要表示区域交通运输货物量在不同交通运输形式下的分担。国内外学者通过文字分析和实证分析两种方式对优化交通运输结构实现碳减排开展了相关研究。前者主要集中于交通运输结构优化的理论指导及政策[24-25]；后者则是通过采用综合指标评价体系、情景分析法、线性规划模型等方法，研究理想状态下实现碳减排目标最优的交通运输结构[26-27]。

本文根据《广东省航道发展规划(2020—2035年)》的部署，结合广东省内河航道的发展现状和规划愿景，采用考虑不同安全间距的经验计算方法，计算2035年广东省内河航道通过能力，分析升级改造前后航道通过能力的变化情况；利用Logit分配模型，结合各运输方式的效用指标，预测水路运输对公路和铁路的分担率，进而分析碳排放总量的变化情况，阐明内河航道提升对区域交通系统减碳的贡献，为更加合理地开展内河航道降碳相关工作提供理论参考。

1 广东省内河航道发展现状

广东省拥有优良海岸和密集水网，为充分发挥其优势，打造一流水运网络，形成综合交通体系。依据全国航道和港口布局规划，结合航道所处的地理位置、自然条件以及在综合交通运输体系和经济社会发展中的作用，广东省确立全省航道的总体布局为“八通、两横、一网、三连、四线”，见图1。

图1 广东省航道总体布局

至2020年底，广东省内河航道通航总里程达1.2万km，Ⅰ～Ⅲ级高等级内河航道总里程为1 397 km(其中I级航道563 km，Ⅱ级航道73 km，Ⅲ级航道761 km)，占比11.5%；Ⅳ～Ⅶ级航道里程数为3 033 km；等外航道里程数为7 698 km。2035年，内河高等级航道总里程将达到1 952.6 km(其中Ⅰ级航道873.6 km，Ⅱ级航道318 km，Ⅲ级航道1 096 km)，Ⅳ～Ⅶ级航道里程数将为3 304 km，其对比关系见图2。从图2不难发现，2035年相较于2019年，不论Ⅰ～Ⅲ级航道或是Ⅳ～Ⅶ级航道，其里程数均有所增加。Ⅰ级航道增加了约55%；Ⅱ级航道增加比例最大，约335%；III级航道增加比例约44%；Ⅳ～Ⅶ级航道增加了约8.9%。因省级航道管理部门未给出等外航道里程的增长状况，总里程增加的确切数据尚不明确。

图2 Ⅰ～Ⅶ级内河航道变化对比

广东省内河运输承担了水陆交通运输周转量的24%，航道体系为水上大宗货物运输提供了绿色环保的运输通道保障，但在综合交通运输体系中的占比仍不高，水运的优势和运输能力远没有发挥出来。为推动经济高质量发展和支撑社会可持续发展的要求，广东省内河航道还存在与产业发展新变化不适应、主要河流港口规模化发展滞后、航道发展资源制约因素加剧、航道建设和养护经费不足、航道现代化水平有待提升等问题，有待进一步优化和解决。

2 航道通过能力预测分析

航道通过能力是反映航道适航性的一个重要指标，通常是指在某一计算时间段内航道某一区段或控制阶段处可能通过的最大货运量，一般可采用货吨或船吨数来表示[28]。航道通过能力能够直观反映航道的疏导能力，影响水运经济和服务水平的发展，也受到航道等级、船舶种类、管理能力等因素的制约，科学有效地预测航道通过能力不仅可以为航道主管部门设计规划、港口部门管理运营等提供辅助性决策，还可以为区域交通组织、航道的升级改造等提供理论和技术支持，具有重要的理论价值和现实意义[29-31]。

目前，航道通过能力尚无统一公式，本文将采用考虑交通流和船舶领域理论的半经验半理论公式对广东省内河航道通过能力进行计算。

(1)

式中：C为单向航道通过能力(艘/h)；vf为船速(km/h)；l为最小船头间距(m)；t为船舶驾驶员反应时间(s)；T为不同安全条件下的时间(s)。公式(1)是以船舶之间运行状态为基础，考虑两船跟船碰撞情况，是不同安全条件下的船舶通过量和实际船舶通过量综合作用的结果。相较传统的航道通过能力经验公式，明确了安全条件的限制，符合实际航道中船舶航行相互跟驰并选择一定跟船距离的基本原则。根据不同安全水平的安全距离，可计算出相应安全条件下的航道通过能力。该公式已应用于苏南运河中航道通过能力的计算，计算结果较为合理，符合实际船舶运行状况。

依据上述公式，结合广东省内河航道的现状及规划状况，计算得到广东省内河航道通过能力，计算参数见表1，计算结果见图3。

表1 广东省内河航道通过能力计算参数

图3 理论航道通过能力对比

由图3可以看出，随着广东省内河航道改扩建工程的实施，其航道的理论通过能力均得到了一定的提升。基于现状的内河航道理论通过能力，其计算结果均与文献[32]的计算结果基本一致，Ⅰ级内河航道的理论通过能力约为2.81亿t/a、Ⅱ级内河航道约为1.98亿t/a、Ⅲ级内河航道约为1.05亿t/a。到2035年，随着高等级内河航道里程的增加，其通过能力也有所增加，Ⅰ级内河航道约增长30%、II级内河航道约增加50%、Ⅲ级内河航道约增加20%。

3 内河航运在区域交通体系中的降碳贡献预测

针对航运业如何降碳这一问题，学者们积极开展相关研究，主要集中在航道和港口的升级改造、船舶种类及能效的改进、货运方式及装卸工艺的改善、节能减排技术及推广、区域交通运输组织等方面，并取得了较多的成果[33-34]。

据统计，2019年广东省公路货运量为31.90亿t(比上年增速4.8%)，铁路货运量为0.82亿t(比上年增速7.5%)，水路货运量为4.50亿t(比上年增速5.9%)，民航的货运量最少，仅为238万t(比上年增速5.6%)。随着广东省内河航道的改扩建，航道货物通过能力不断提升，因其运价的优势，航运将分担其他运输方式的货运量。根据《广东省航道发展规划(2020—2035年)》的预测，2035年内河航运的货运量为8.2亿t。假定水路、公路、铁路、民航货运量增长速度维持2019年的比例关系，到2035年预测的货运量分别为8.2亿、47.3亿、1.9亿t和412万t。

内河航运能力的提升，势必分担公路、铁路和民航的货物运输量，进而影响区域交通系统的节能减排效果。采用Logit分配模型计算内河航道能力提升对公路、铁路和民航货物运输量的分担率，结合货物周转的排放量，分析2035年广东省内河航运能力提升对区域交通系统节能减排的贡献。计算方法如下：

(2)

(3)

式中：P公路、P铁路分别表示航运能力提升对公路和铁路货物运输量的分担率；S公路、S铁路、S水路分别表示公路、铁路和水运的特征函数，其主要因素包括运输时间、等待时间、运输费用及其他不可测因素等。参考文献[34]的计算思路，采用运输方式效用值指标替代特征函数，公式如下：

V=C1WY+C2WK

(4)

式中：V是交通运输方式综合效用值；C1和C2分别表示运价权重和快捷性权重；WY和WK分别表示运价影响因素和快捷性影响因素，取值见表2。

表2 分担率计算参数

由表2可看出，水路货物运输对公路和铁路货物运输的理论分担率分别为40.9%和42.8%。结合广东省不同交通运输方式的实际情况和2035年预测货运量，水路货物运输对公路和铁路的承担量分别为1.51亿和1.58亿t。另外，民航运输的分担率暂定为0%，民航运输追求时间效率，与航运时间相对较长存在一定的矛盾性；民航运输货物量相对其他运输方式占比较小，故未进行相应分担计算。

基于上述计算，按照文献[35]货物周转的单位碳排放量，见表3，并结合各运输方式的货运量，可得到各运输方式的碳排放总量，其计算公式如下：

P=GH

(5)

式中：P为碳排放总量；G为单位碳排放量；H为货运量。

从表3可看出，2019年，碳排放总量为18.779万t；2035年，若水路对公路和铁路的分担率为零，即不分担的条件下，碳总排放量为27.745万t；通过航运业的分担后，碳排放总量为27.137万t；比较分担前后的碳排放总量，减少了0.608万t，占比约为2.2%。

表3 碳排放预测分析

4 结论

1)基于《广东省航道发展规划(2020—2035年)》的分析，到2035年，广东省内河高等级航道和低等级航道通过升级改造，其里程数均有一定程度的增加。高等级航道(Ⅰ～Ⅲ级)将增加约890 km，占比63.7%；低等级航道(Ⅳ～Ⅶ级)将增加271 km，占比8.9%。

2)通过采用考虑交通流和船舶领域理论的半经验半理论公式对广东内河航道的理论通过能力进行计算。结果表明，到2035年，广东内河航道的理论通过能力得到一定的提升；相较于2019年，Ⅰ级内河航道约增长了30%，II级内河航道约增加了50%，Ⅲ级内河航道约增加了20%。

3)广东内河航道理论通过能力的增加，促进了航运能力的提升，分担了公路、铁路和民航的货物运输量，优化区域交通结构，对区域降碳做出相应的贡献。基于Logit分配模型，预测水路货物运输对公路和铁路货物运输的理论分担率及货物承担量，进而得到碳排放总量降低约2.2%。

4)在计算航道的理论通过能力时，未考虑船闸等交通节点的影响，其计算结果可能存在一定的偏差；后续将寻求与省航道管理部门的合作，采用数值仿真的方法对广东省内河航道的实际通过能力，以求更加准确地模拟出区域交通结构的变化对节能减排的影响，进而为实现碳中和提供更加合理的理论参考。