长江上游船舶大型化对典型污染排放的影响*

李文杰，杨 宁，杜洪波，万 宇，杨胜发，肖 毅

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

国家提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。长江航道作为沟通中国东中西部地区的运输大动脉，是构建长江经济带综合立体交通走廊的主骨架，在航运方面具有独特优势和巨大发展潜力[1]。长江上游水运发展迅速，航道通过能力[2]提高，船舶也逐渐朝着大型化[3]、标准化[4]方向发展。大型船舶凭借优良的规模经济效益、能源效益而受到航运市场的青睐，但社会对船舶污染排放的重视也不断加大。目前，船舶大型化带来的污染排放影响尚不明确，对船舶污染排放的研究侧重于港口[5-8]、城市[9-10]区域的排放清单及污染特征研究，部分学者对船舶污染排放扩散模拟[11]、空间分布规律[12]和防治措施[13]也提出了分析与建议，但总体而言，鲜有文献对船舶大型化带来的典型污染排放影响进行系统研究。

本文旨在分析长江上游船舶吨位、船舶交通流、船舶燃油消耗及典型污染物排放等，研究长江上游船舶大型化趋势对典型污染物排放的综合影响，以期对未来阶段的航道建设规划提供参考，以保证发挥航运经济效益的同时能够促进绿色航运可持续发展。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

1)2008—2019年长江上游朝天门、江津大桥、万州长江二桥、巫山长江大桥观测断面日均船舶流量来源于重庆海事局，用于分析船舶交通流量变化。

2)2008—2019年重庆、四川、贵州、云南的船舶数量、净载质量、水路货运量、水运货物周转量来源于中国统计年鉴，用于分析船舶大型化发展趋势等。

3)100～5 000 t船舶主机功率来源于川江及其支流、三峡库区的干散货船舶数据[14-15]，用于计算不同船型单位时间基本燃油消耗量、船舶营运燃油消耗率。

4)船舶典型污染物类型来源于《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》，典型污染物排放因子来源于中国船舶大气污染物排放清单报告[16]，用于计算船舶典型污染物排放量。

1.2 研究方法

由于国家统计局暂无直接数据表明船舶平均吨位变化，将其定义为净载质量与船舶数量二者的比值。

理论状态下，主机功率P与船舶航速S的3次方成正比关系[17-18]，则主机功率可以表示为：

P=cS3

(1)

式中：P为主机在常用工况下的功率(kW)；S为船舶航速(km/h)；c是常数，由船舶计算实例取0.067[19]。

本文参考GB/T 7187.2—2010《运输船舶燃油消耗量第2部分：内河船舶计算方法》[19]，通过不同吨位船舶主机功率估算其单位时间基本燃油消耗量、船舶营运燃油消耗率，计算公式如下：

Q=αPg

(2)

(3)

式中：Q为单位时间基本燃油消耗量(kg/h)；α为主机基本耗油系数，干散货船取0.73；g为主机在常用工况下的耗油率(kg·kW-1·h-1)，取0.216；R为船舶营运燃油消耗率(kg·t-1·km-1)；M为船舶满载运量(t)。

船舶排放的典型大气污染物主要包括NOx、CO、HC、PM10、PM2.5、SO2，基于船舶燃料消耗计算船舶大气污染物排放量[20]。假定发动机设备保持在正常工作状态，计算公式如下：

W=R·EF

(4)

式中：W为船舶单位周转量典型大气污染物排放量(g·t-1·km-1)；EF为船舶单位燃料典型大气污染物排放因子(g·kg-1)。

2 船舶大型化趋势分析

2.1 船舶平均吨位

长江上游地区主要涉及重庆、云南、贵州、四川三省一市，对该地区2008—2019年船舶总数量、总载质量统计分析并计算平均吨位，见图1。

图1 长江上游船舶运力总量变化

2008—2019年期间长江上游船舶净载质量从348万t增加到910万t，年均递增率9.12%；船舶总数量从1.39万艘下降到1.04万艘，年均递减率2.62%；船舶平均吨位从249 t增加到874 t，年均递增率12.06%。船舶平均吨位主要与净载质量和船舶数量有关，上游船舶净载质量逐年增加，而船舶总数量降低，船舶大型化趋势明显。

需要注意的是，随着2011年12月上游宜宾—泸州段二期航道整治工程竣工验收，长江干线航道全部建成Ⅲ级以上高等级航道，主要货运船舶的平均吨位在1 000 t以上，见表1[21]。而本文船舶包含了岷江、嘉陵江等支流数据，导致船舶平均吨位相对长江干线较小。

表1 内河Ⅰ-Ⅳ级航道可通航船舶吨级

2.2 船舶流量变化

随着长江上游船舶大型化发展，航道断面船舶流量和水运总量也发生变化，图2为长江上游典型断面日均船舶流量随水运量的变化。

图2 长江上游典型断面日均船舶流量及水运总量

2008—2019年上游水运总量从1.12亿t增加到3.04亿t，年均递增率9%；江津观测断面日平均流量从178艘次减少到42艘次，流量日均递减率12%，巫山观测断面日平均流量从217艘次减少到193艘次，流量日均递减率1%。船舶流量记录中包含货船、客船等，不同观测断面各船舶种类比例不一致，如2019年江津大桥、巫山长江大桥、朝天门、万州长江二桥观测断面货船比例分别为90%、68%、65%、44%。货船比例越大的观测断面，船舶流量下降越显著，朝天门和万州观测断面由于旅游船比例较大，总船舶流量基本保持稳定但近年亦有降低趋势。

大型船舶装载量比中小型船舶更大，能有效减少总航行周次，长江上游航道船舶流量逐渐减少。在长江上游水运量不断增加的情况下，船舶流量依旧减少，表明船舶大型化趋势显著。

3 船舶污染排放

3.1 船舶营运燃油消耗率

长江航道以货物运输为主，基于100～5 000 t干散货船主机功率资料，采用公式(1)～(3)估算各船型单位时间基本燃油消耗量、船舶营运燃油消耗率，见表2。结果表明，大型船舶对于单个往返航次来说，越大的船舶燃料消耗量越多，但船舶营运燃油消耗率随着船舶吨位增加逐渐减小。以Ⅳ级航道500 t船舶为基准，Ⅲ级航道1 000 t船舶营运燃油消耗率为500 t船舶的69.9%，Ⅱ级航道2 000 t船舶营运燃油消耗率为500 t船舶的41.8%。因此，航道等级提升后，运输相同货物周转量，船舶大型化有益于降低船舶油耗，货物周转量越大，大型船舶燃油节省的优势越大。

表2 船舶燃油消耗值

3.2 船舶单位周转量典型大气污染物排放

船舶排放的大气污染物主要来源于燃料消耗，燃料消耗越多，污染排放越大。内河船舶主要使用普通柴油，结合船舶大气污染物排放因子(表3)，通过船舶消耗的燃料量计算各船型单位周转量典型污染物的排放量，见图3。

表3 船舶典型大气污染物排放因子

图3 船舶单位周转量典型大气污染物排放

图3表明，无论何种污染物，越大吨位船舶的单位货物周转量典型污染排放量越小。自上游干线航道等级由Ⅳ级升至Ⅲ级，理想状态下船舶单位周转量典型大气污染物排放由500 t船舶的0.48 g/(t·km)降至1 000 t船舶的0.33 g/(t·km)，减少了31.2%。同时Ⅱ级航道2 000吨级船舶相对于Ⅲ级航道船舶单位周转量污染排放更低，为0.21 g/(t·km)，在Ⅲ级航道排放基础上降低36.4%。船舶大型化可有效减少燃油消耗，降低船舶单位周转量污染排放。

3.3 船舶典型大气污染物总排放

由于船舶污染排放采用了标准船型，基于平均吨位计算长江上游污染排放可能有一定误差，但可反映基本的变化趋势。基于100～5 000 t船舶单位周转量典型大气污染物排放量数据进行曲线拟合，其拟合系数为0.99，效果较好，见图4。将上游船舶平均吨位代入拟合公式得到2008—2019年船舶单位周转量典型大气污染物排放量，并结合上游水运货物周转量得到船舶典型大气污染物总排放，见图5。

图4 单位周转量典型大气污染物与船舶吨位关系

图5 船舶典型大气污染物总排放

由图5可得，长江上游船舶典型大气污染物总排放由2008年7.44万t增长至2019年10.05万t，年均递增率2.8%。上游水运货物周转量增加导致污染排放增加，但此部分增量不采用水路运输，由公路或者铁路运输将会产生更大的污染排放。水运每吨公里污染排放量是铁路的1/1.2、公路的1/15[22]，以2008年水运货物周转量为基准，标准状态代表上游船舶吨位保持2008年水准不变，据此算出标准状态、船舶大型化两种情况下水路运输替代公路和铁路运输减少的污染物排放量见表4。

表4 2008—2019年水路运输替代公路、铁路运输的典型大气污染物减排量

由表4可得，公路、铁路运输产生的污染排放远大于水路运输，随着周转量增量增加，水路运输替代公路、铁路运输，典型大气污染物减排量增大。同时相对于标准状态，船舶大型化下的污染减排量更大，如2019年标准状态替代公路、铁路运输减排量176.7万t，船舶大型化替代公路、铁路运输减排量190.3万t，减排量增长7.7%。

对全社会而言，未来我国交通运输需求将持续高速增长，水路货运量仍将保持快速发展。上游干线航道等级由Ⅳ级升至Ⅲ级，航道承载力增加，通航船舶吨位逐渐增大并趋近1 000吨级，船舶大型化可使水路运输替代公路、铁路运输的污染物减排效果更加明显，积极推动货运物流低碳化，实现交通运输绿色发展。

4 结论

1)2008—2018年长江上游三省一市船舶平均吨位由249 t增加到832 t，船舶大型化趋势日益明显。大型船舶能够有效地减少总航行周次，上游船舶流量缓慢减少。

2)长江上游航道等级逐步提升，由Ⅳ级提升至Ⅲ级航道，理想状态下船舶营运燃油消耗率为500 t船舶的69.9%，船舶单位周转量典型大气污染排放由0.48 g/(t·km)降至0.33 g/(t·km)，排放降低约31.2%。长江航道作为能源、原材料和外贸运输的主要通道，货运需求较大，船舶大型化降低单位周转量污染排放可大大减少水路运输污染排放，有利于航运业的绿色发展。

3)以2008年长江上游水运货物周转量为基准，2019年标准状态替代公路、铁路减排量176.7万t，船舶大型化替代公路、铁路减排量190.3万t。对于上游地区总货运量增加，航道等级提升，船舶大型化可进一步增大水路运输替代公路、铁路运输的污染减排量，降低全社会污染物排放总量。

为进一步实现“碳中和”目标，建议提升上游航道等级至Ⅱ级，提高航道承载力，积极推进船舶大型化、标准化，降低船舶营运燃油消耗率，船舶单位周转量典型大气污染排放相对于Ⅲ级航道可减少36.4%。同时，需持续综合采取技术、经济等措施，引导或限期淘汰存量低质量和低标准船舶，可加速运力结构优化，并为新建高质量船舶发展腾出空间。本文以船舶主机功率计算船舶燃油消耗，缺乏辅机燃油消耗部分；计算船舶大气污染排放量，部分参数采用了经验值，但不影响总体结论。下一步研究中可考虑其他方法并引入更多分析对象，以更加明晰船舶大型化对污染物排放的具体影响。