錢作勤 徐立 嚴(yán)新平，3 程君林 張凌杰 姚志敏

（1武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430063；

2武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，可靠性工程研究所，湖北武漢430063；3武漢理工大學(xué)水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，湖北武漢430063）

0 引言

隨著全球氣候變化，每年夏季北極東北航道和西北航道都會(huì)出現(xiàn)歷時(shí)不同的無冰窗口，為商業(yè)利用北極航道提供了機(jī)會(huì)。北極航道是連接?xùn)|亞、北美和歐洲的最便捷航道，相對于經(jīng)蘇伊士運(yùn)河或巴拿馬運(yùn)河的商業(yè)航線，航行里程縮短，可以節(jié)省時(shí)間以及降低運(yùn)輸成本［1］。同時(shí)，船舶航行選擇北極航道將降低船舶途經(jīng)馬六甲海峽、巴拿馬運(yùn)河、索馬里海域和蘇伊士運(yùn)河等高敏感區(qū)域所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。

相對于普通商業(yè)航線，對海冰等海運(yùn)自然環(huán)境認(rèn)識(shí)的不足依然是利用北極航道的最大障礙。海冰的存在不但嚴(yán)重影響航速，更重要的是會(huì)對船舶的安全航行造成威脅［2］。同時(shí)，由于缺乏北極冰區(qū)的航行經(jīng)驗(yàn)，航線的選擇和制訂顯得尤為重要。東北航道的通航能夠改善中國對外貿(mào)易平衡，對中歐的經(jīng)濟(jì)往來乃至世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響［3-4］。

本文以北極東北航道為對象，通過研究東北航道的地理環(huán)境特點(diǎn)，特別是沿途各季節(jié)的冰情狀況，確定一條合理的多季節(jié)航行的東北航道航線，并且針對既定的航線，進(jìn)行了適航船舶的選型分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同船型的經(jīng)濟(jì)性分析，比較不同情況的航行費(fèi)用，綜合考慮航行路線、適航船型以及航行成本等多個(gè)主要因素，制定最優(yōu)的通航策略。

1 東北航道地理環(huán)境及冰情分析

1.1 東北航道地理環(huán)境

東北航道大部分航段位于俄羅斯北部沿海的北冰洋離岸海域，其海岸線十分曲折，形成了許多淺而寬的邊緣海及海灣，海岸類型中有侵蝕海岸、峽灣式海岸、三角洲型海岸及瀉湖式海岸，沿岸地區(qū)島嶼眾多，有些地勢比較低洼，在海冰融化時(shí)形成濕地、湖泊和大面積沼澤。

1.2 東北航道冰情分析

北極航道海冰情況是制約北極航道開發(fā)最為重要的因素。根據(jù)海冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以將其分為固定冰、流冰和冰山。在當(dāng)前海冰研究中，常使用十分法來對海面上浮冰覆蓋的比例進(jìn)行度量，即冰量。一般將冰量分為八個(gè)級別，分別為：無冰（0／10）、散冰（＜1／10）、稀冰（1／10—3／10）、疏冰（4／10—6／10）、密冰（7／10—8／10）、集冰（9／10—10／10）和滿冰（10／10）［5］。

船舶在冰區(qū)航行，海冰密集度、海冰厚度和冰面堆積程度是影響船舶安全航行非常重要的因素［6-8］。北極海冰密集度影響著船舶能否自由通航。當(dāng)航道冰量在1／10以下時(shí)，船舶可以自由航行；當(dāng)航道冰量在1／10—5／10之間時(shí)，船舶不能夠按照預(yù)定的航道航行；當(dāng)航道冰量在5／10—8／10期間時(shí)船舶通航存在障礙；當(dāng)航道冰量在8／10以上時(shí)，在沒有破冰船協(xié)助時(shí)難以繼續(xù)航行。

根據(jù)中國第5次北極考察以及相關(guān)資料，“雪龍”號(hào)航行期間（2012年7—9月）其航線的海冰情況如圖1—3所示。圖中紅色線段為“雪龍”號(hào)在北極東北航道航行期間的航線。

圖1 “雪龍”號(hào)在北極東北航道航行期間（7月22日—8月2日）海冰范圍的變化Fig.1.The change of sea ice extent during the Xuelong sailing on the Northeast Passage from July 22 to August2

圖2 “雪龍”號(hào)沿高緯度航線航行期間（8月24日—9月3日）海冰范圍的變化Fig.2.The change of sea ice extent during the Xuelong sailing along the route of high latitudes（August24 to September 3）

圖3 “雪龍”號(hào)沿東北航道和高緯度航線海冰厚度的分布情況Fig.3.The distribution of sea ice thickness between Northeast Passage and the route of high latitudes

由圖1可以看出，7月下旬和8月初，在進(jìn)入白令海不久，沿俄羅斯海岸線在東北航道上海冰范圍還比較大；由圖2可以看出，8月下旬和9月初，東北航道上的海冰基本都已融化，只是在一些高緯度地區(qū)還有一些海冰；由圖3可以看出，7月下旬和8月初，在進(jìn)入白令海不久，沿俄羅斯海岸線附近海冰厚度在80 cm左右，在北地群島和拉普捷夫海附近海冰厚度也在80 cm左右，局部區(qū)域甚至超過了100 cm［9］。

1.3 東北航道航線選擇

在了解東北航道的地理位置以及分析海冰分布的基礎(chǔ)上，確定一條航行路線：由白令海峽到達(dá)楚科奇海，通過德朗海峽，進(jìn)入東西伯利亞海，再到桑尼科夫海峽然后進(jìn)入拉普捷夫海；從拉普捷夫海進(jìn)入維利基茨基海峽到達(dá)喀拉海；從喀拉海通過喀拉海峽進(jìn)入巴倫支海，然后到達(dá)摩爾曼斯克港口。航線示意圖如圖4所示。

圖4 東北航道的航線圖（紅色線路表示東北航道航線，其中綠色線路是俄羅斯強(qiáng)制引航航段）Fig.4.The route chart of Northeast Passage（Red lines represent the northeast passage routes，and the green line is the compulsory pilotage segment by Russia）

2 船舶選型及不同航線里程比較

2.1 通航船舶選型

由于船舶選型的影響因素有很多，主要有船舶吃水深度、船舶噸位和船體形狀、貨物性質(zhì)等等。綜合考慮這些影響因素，結(jié)合東北航道特有的地理環(huán)境特點(diǎn)以及目前的主流船型，東北航道通航可以選擇集裝箱船或者散貨船較為合適。東北航道的船型選擇需結(jié)合其主要影響因素，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮，對集裝箱船和散貨船兩種船型具體分析如下。

（1）船舶吃水深度 東北航線的最淺航道深度為12.8 m［10-11］，而3 000—4 000 TEU集裝箱船吃水為11—12 m，4 000 TEU集裝箱船吃水為12.5m，可以通過航道的最淺深度。6—7萬噸散貨船和4 000 TEU集裝箱船相當(dāng)，但其吃水深度超過了13 m。

（2）船舶噸位與船體形狀 一般而言，船舶噸位越大，破冰能力更強(qiáng)，如果船舶噸位過小，不足以達(dá)到破冰的效果。集裝箱船船頭下端較尖，而散貨船船頭下端寬大，因而集裝箱船的破冰阻力相對于散貨船較小。

（3）貨物性質(zhì) 貨物在低溫條件下理化特性發(fā)生變化后給船舶帶來的次生影響可能更加嚴(yán)重，該因素對于散貨船影響較大。例如，當(dāng)船舶運(yùn)載煤炭或精礦粉時(shí)，如果貨物中所含的水分因低溫而發(fā)生結(jié)冰導(dǎo)致貨物體積增大，就完全有可能對船體結(jié)構(gòu)造成破壞。

（4）風(fēng)對船舶穩(wěn)性影響 由于集裝箱船的重心相對于散貨船較高，所以風(fēng)對集裝箱船的船舶穩(wěn)性影響較大。但是，相關(guān)文獻(xiàn)顯示東北航道在通航時(shí)期風(fēng)力較小，因此，東北航道船型的選擇可以忽略風(fēng)對船舶穩(wěn)性影響。

（5）貨運(yùn)貿(mào)易的特點(diǎn) 目前，礦砂、原油貿(mào)易主要來源于巴西、澳大利亞，基本不經(jīng)過東北航線，而中國是輕工業(yè)品出口大國，與北美和歐洲的貿(mào)易比重最大，而且以集裝箱運(yùn)輸貨物為主，并且集裝箱船航運(yùn)周期短，相比散貨船利用率高，但租金相對較高。

綜合考慮以上因素，可選用的船型為4 000 TEU集裝箱船或者5.7萬噸的散貨船。

2.2 航線里程比較

以上海經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航線到西歐各港口，以及經(jīng)東北航線到西歐各港口為例，對航線里程進(jìn)行比較，兩條航線總里程如表1所示。

表1 上海經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航線或東北航線到西歐各港口海運(yùn)里程對照表Table 1.Maritime Mileage Chartof Shanghai via the Suez Canal route or northeast route to Western Europe seaports

根據(jù)航線水域情況，東北航線大致可分為：正常水域（非冰區(qū)）航段、冰區(qū)非引航段（海冰密度在7／10以內(nèi)）和冰區(qū)引航段。各航段里程如表2所示。

表2 5—10月份東北航線各航段里程（單位：海里）Table 2.Each segmentmileage of northeast passage from May to October

3 經(jīng)濟(jì)性分析

東北航線為東亞與北美和歐洲的貨物運(yùn)輸提供了一條最為便捷的新通道，在商業(yè)利用上，必須測算其經(jīng)濟(jì)性。下面以4 000 TEU集裝箱船和5.7萬噸散貨船為例，對東北航道經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并與經(jīng)蘇伊士運(yùn)河的傳統(tǒng)航線進(jìn)行比較。

3.1 船舶經(jīng)濟(jì)性主要影響因素

影響船舶經(jīng)濟(jì)性的因素主要包括：船舶造價(jià)（或船舶折舊費(fèi)）、燃油費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、引水費(fèi)、適冰證書、航行許可證、破冰船護(hù)航費(fèi)、船員培訓(xùn)費(fèi)、生活垃圾處理費(fèi)、船舶檢驗(yàn)費(fèi)、航行天數(shù)、人員工資、武裝保安護(hù)航費(fèi)、運(yùn)河費(fèi)用等。其中，船舶造價(jià)（或船舶折舊費(fèi)）、燃油費(fèi)、航行天數(shù)、保險(xiǎn)費(fèi)、武裝保安護(hù)航費(fèi)、破冰船護(hù)航費(fèi)（或蘇伊士運(yùn)河航行費(fèi)）是最主要的影響因素［12-15］。其他因素如人員工資、防污染費(fèi)和船舶檢驗(yàn)費(fèi)等，就單航次而言，不同航線差異并不大。

3.1.1 船舶造價(jià)與折舊

船舶造價(jià)隨著年份變化而不同，如表1所示。一般情況下，冰區(qū)適航的加強(qiáng)型船舶價(jià)格較同類型或同噸位的普通船舶高約20%，船舶折舊費(fèi)用也高20%左右。

以2012年價(jià)格為例，4 000 TEU非加強(qiáng)型集裝箱船平均價(jià)格為4 500萬美元，對應(yīng)加強(qiáng)型集裝箱船的平均價(jià)格為5 400萬美元；5.7萬噸非加強(qiáng)型散貨船造價(jià)為2 400萬美元，對應(yīng)加強(qiáng)型散貨船造價(jià)為2 880萬美元。

4 000 TEU廢集裝箱船舶的凈噸位約為2.2萬噸（加強(qiáng)型凈噸位約為2.64萬噸），5.7萬噸廢散貨船的凈噸位約為1.2萬噸（加強(qiáng)型凈噸位約為1.44萬噸），2012年后廢船價(jià)格約為470美元／凈噸，按船舶壽命25年計(jì)算，船舶日折舊費(fèi)如表3所示。

表3 4 000 TEU集裝箱船和5.7萬噸散貨船平均價(jià)格和日折舊費(fèi)Table 3.The average price and date depreciation charges of 4 000 TEU container ships and 57 000 tons bulk carrier

3.1.2 燃油費(fèi)

在正常水域（非冰區(qū)）航段，4 000 TEU加強(qiáng)型集裝箱船舶可按20節(jié)航速航行，油耗0.245噸／海里；5.7萬噸加強(qiáng)型散貨船可按14節(jié)航速航行，油耗0.12噸／海里。

在冰區(qū)非引航段（海冰密度在7／10以內(nèi)），由于需要破冰，航速高且油耗較大。4 000 TEU加強(qiáng)型集裝箱船舶可按5節(jié)航速航行，油耗按正常水域一倍，即0.49噸／海里計(jì)算；5.7萬噸加強(qiáng)型散貨船可按5節(jié)航速航行，油耗按正常水域一倍，即0.24噸／海里計(jì)算。

在冰區(qū)引航段，由于不同月份冰層厚度不同，因而不同月份航速也不同。5—10月份根據(jù)冰情不同具體航速和油耗如圖5所示。

圖5 冰區(qū)引航段5—10月份船舶航速設(shè)定及油耗情況一覽Fig.5.Ship speed and fuel conditions set in ice pilotage segment from May to October

以近5年平均油價(jià)約530美元／噸計(jì)算，則5—10月份上海港經(jīng)東北航線到歐洲各港口單航次油費(fèi)如表4所示。

表4 5—10月上海經(jīng)東北航線到不同港口單航次油費(fèi)（單位：萬美元）Table 4.Single voyage fuel costs of Shanghaivia northeast route to different seaports from May to October

東北航線適航的加強(qiáng)型船舶較同載重量的非加強(qiáng)型船舶要重，且動(dòng)力性要增強(qiáng)，即耗油量較多。以加強(qiáng)型船舶比非加強(qiáng)型船舶多耗油0.5%計(jì)算，則上海經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航線到歐洲各港口的燃油費(fèi)如表5所示。

表5 上海經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航線到歐洲各港口的燃油費(fèi)（單位：萬美元）Table 5.Fuel costs of Shanghai via the Suez Canal route to European ports

3.1.3 單航次航行時(shí)間

冰區(qū)航行船舶平均船速通常在5節(jié)左右，非冰區(qū)集裝箱船通常在20節(jié)左右，散貨船通常在14節(jié)左右。則不同月份船舶走東北航線單航次航行天數(shù)如表6所示。蘇伊士運(yùn)河航線單航次航行天數(shù)如表7所示。

表6 5—10月份加強(qiáng)型船舶走東北航線單航次航行天數(shù)（單位：d）Table 6.Single few days sailing voyage of enhanced vessel via Northeast route from May to October

表7 蘇伊士運(yùn)河航線單航次航行的天數(shù)（單位：d）Table 7.Single few days sailing voyage via the Suez Canal route

3.1.4 保險(xiǎn)費(fèi)

船舶航行的保險(xiǎn)費(fèi)主要包括海運(yùn)保險(xiǎn)費(fèi)和海盜保險(xiǎn)費(fèi)。其中東北航線相對安全，基本不需要海盜險(xiǎn)。蘇伊士運(yùn)河航線因?yàn)橐?jīng)過索馬里附近海域，需要購買海盜險(xiǎn)。海盜保險(xiǎn)費(fèi)通常為船舶總價(jià)格的0.125%—0.2%，蘇伊士運(yùn)河海運(yùn)保險(xiǎn)和東北航線保險(xiǎn)均取船舶總價(jià)格的2%。則船舶保險(xiǎn)費(fèi)如表8，9所示。

表8 不同航線集裝箱船保險(xiǎn)費(fèi)估算表（單位：萬美元）Table 8.Insurance estimate table of different route container ship

表9 不同航線散貨船保險(xiǎn)費(fèi)估算表（單位：萬美元）Table 9.Insurance estimate table of different route bulk carrier

3.1.5 武裝保安護(hù)航費(fèi)

自2008年下半年以來，蘇伊士運(yùn)河航線途徑亞丁灣、紅海、阿拉伯海、印度洋等海域海盜活動(dòng)日益猖獗，且活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重影響到遠(yuǎn)洋運(yùn)輸生產(chǎn)的順利開展。因此，各航運(yùn)企業(yè)在經(jīng)過該海域時(shí)要求配備武裝保安。

表10 單航次索馬里海域武裝護(hù)航費(fèi)用表Table 10.Single voyage Somaliwaters armed escort fee schedule

3.1.6 破冰船護(hù)航

在東北航線行駛的船舶，進(jìn)入俄羅斯北部航道前，俄羅斯通常強(qiáng)制要求租用兩條破冰船護(hù)航，租費(fèi)視情況而定。即便是在夏季冰情較輕，抗冰船可以不需要護(hù)航時(shí)，仍需支付全額費(fèi)用。隨著東北航道的開通，越來越多的船舶可以組隊(duì)租用破冰船護(hù)航，費(fèi)用將逐步減低。根據(jù)俄羅斯北方海管理局相關(guān)資料，目前俄羅斯北方海管理部門按每20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱14噸計(jì)［16］，每噸14美元收費(fèi)。則兩種船型東北航線破冰船單航次護(hù)航費(fèi)，如表11所示。

表11 東北航線破冰船護(hù)航費(fèi)（單位：萬美元）Table 11.Icebreaker escort fee in Northeast routes

3.1.7 運(yùn)河費(fèi)用

船舶走蘇伊士運(yùn)河時(shí)，需繳納蘇伊士運(yùn)河附加費(fèi)。4 000 TEU集裝箱船單次運(yùn)河費(fèi)用約為27.3萬美元；5.7萬噸級散貨船單次運(yùn)河費(fèi)用約為18.9萬美元。

3.2 航線費(fèi)用比較

3.2.1 從上海至摩爾曼斯克

（1）5—10月份，4 000 TEU集裝箱船走東北航線的經(jīng)濟(jì)效益均高于走蘇伊士運(yùn)河航線。其中，9月份最多可節(jié)省123.96萬美元，如表12所示。

（2）5—10月份，5.7萬噸散貨船走東北航線的經(jīng)濟(jì)效益要高于走蘇伊士運(yùn)河航線。其中，9月份最多可節(jié)省70.68萬美元。

對于4 000 TEU集裝箱船，5—10月份從上海至摩爾曼斯克走東北航線的經(jīng)濟(jì)性好于走蘇伊士運(yùn)河航線；對于5.7萬噸散貨船，5—10月份走東北航線的經(jīng)濟(jì)性好于走蘇伊士運(yùn)河航線，其中均以9月份 經(jīng)濟(jì)性最佳。

表12 上海-摩爾曼斯克不同船型費(fèi)用和航行天數(shù)比較表Table 12.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Murmansk

3.2.2 從上海至特隆赫姆

（1）6—10月份，4 000 TEU集裝箱船走東北航線的經(jīng)濟(jì)效益要高于走蘇伊士運(yùn)河航線，但5月份經(jīng)濟(jì)效益低于走蘇伊士運(yùn)河航線，平均經(jīng)濟(jì)效益東北航線要高于蘇伊士運(yùn)河航線，如表13所示。

表13 上海-特隆赫姆不同船型費(fèi)用和航行天數(shù)比較表Table 13.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Trondheim

（2）無論是4 000 TEU集裝箱船還是5.7萬噸散貨船，每年9月走東北航線最經(jīng)濟(jì)。其中，4 000 TEU集裝箱船9月份走東北航線要比走蘇伊士運(yùn)河航線節(jié)省87.61萬美元；5.7萬噸散貨船9月份走東北航線要比走蘇伊士運(yùn)河航線節(jié)省90.39萬美元。

對于4 000 TEU集裝箱船，6—10月份從上海至特隆赫姆走東北航線較好；對于5.7萬噸散貨船，6—10月份從上海至特隆赫姆走東北航線較好，其他月份走蘇伊士運(yùn)河航線較好。

3.2.3 從上海至鹿特丹

（1）7—10月份，4 000 TEU集裝箱船走東北航線的經(jīng)濟(jì)效益高于走蘇伊士運(yùn)河航線，但其他月份經(jīng)濟(jì)效益低于走蘇伊士運(yùn)河航線，平均經(jīng)濟(jì)效益東北航線要略微高于蘇伊士運(yùn)河航線，如表14所示。

（2）8—9月份，5.7萬噸散貨船走東北航線的經(jīng)濟(jì)效益要高于走蘇伊士運(yùn)河航線。

對于4 000 TEU集裝箱船，7—10月份從上海至鹿特丹走東北航線較好，其他月份走蘇伊士運(yùn)河航線較好；對于5.7萬噸散貨船，8—9月份從上海至鹿特丹走東北航線較好。

表14 上海至鹿特丹不同船型費(fèi)用和航行天數(shù)比較表Table 14.Comparison table of different sailing ship’s costs and the number of days from Shanghai to Rotterdam

3.3 不同情況航行費(fèi)用比較

表15 不同船型航行費(fèi)用比較（單位：萬美元）Table 15.Comparison table of different sailing ship’s costs

4 總結(jié)

隨著全球氣候的變化，每年夏季東北航道都會(huì)出現(xiàn)歷時(shí)不同的無冰窗口，通過以上分析，充分利用東北航道的無冰期制定合理的航行路線，從而實(shí)現(xiàn)東北航道的通航。截至目前，已有數(shù)艘商用船舶成功通過東北航道到達(dá)歐洲。東北航道的通航，相對于傳統(tǒng)的巴拿馬運(yùn)河和蘇伊士運(yùn)河航線，大大縮短了航線里程，節(jié)省了航行時(shí)間，降低了航行成本。在船舶選型上，主要考慮到船舶吃水深度、噸位以及形狀等主要因素的影響，初步確定4 000 TEU集裝箱船和5.7萬噸散貨船兩種船型。在既定航行路線的基礎(chǔ)上，對不同船舶的航行進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的分析。

本文主要考慮了兩種船型經(jīng)過不同的航行路線到達(dá)三個(gè)不同港口的情況，通過經(jīng)濟(jì)性分析研究，對不同船型到達(dá)不同港口的航行費(fèi)用比較分析，總體看來，東北航道航線里程短，航行天數(shù)少這些優(yōu)勢是顯而易見的，其中選用4 000 TEU集裝箱船9月份航行于東北航道路線的經(jīng)濟(jì)性最好。

具體而言，從上海到摩爾曼斯克選擇東北航道航線兩種船型均有明顯優(yōu)勢，相對于蘇伊士運(yùn)河，東北航道航線里程短，航行時(shí)間少，經(jīng)濟(jì)效益好；從上海到特隆赫姆，4 000 TEU集裝箱船航行于東北航道平均節(jié)省48.61萬美元，而5.7萬噸散貨船航行費(fèi)用平均節(jié)省60.27萬美元；從上海到鹿特丹，4 000 TEU集裝箱船平均航行費(fèi)用比蘇伊士運(yùn)河航線的費(fèi)用略節(jié)省5萬美元，而5.7萬噸散貨船航行費(fèi)用平均多支出13.3萬美元，所以從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，從上海到鹿特丹的線路最好選擇蘇伊士運(yùn)河 航線。

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