蔡梅江 曹 偉 胡 冰

（1.中石化中海船舶燃料供應(yīng)有限公司 廣州510623；2.中遠海運特種運輸有限公司 廣州510627；3.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；4.武漢理工大學(xué)國家水運安全工程技術(shù)研究中心 武漢430063；5.中國遠洋海運集團有限公司 上海200027；6.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室 上海2000240）

0 引 言

隨著北極航線的季節(jié)性通航且可通航時間逐漸延長，北極通航問題逐漸引起世界各國關(guān)注。北極東北航道在通航條件上，較西北航道、北極點航道而言，島嶼數(shù)量少，海冰消融速度快，大部分海冰為一年冰，更加有利于船舶通航。據(jù)統(tǒng)計，全球近90%的貨物通過海運方式運輸?shù)绞澜绺鞯豙1]，中歐作為當今世界上兩大貿(mào)易市場，在全球海運占據(jù)重要地位，中歐航線也是世界上遠洋運輸?shù)姆泵骄€。長久以來，中歐航線一直是穿越馬六甲海峽和蘇伊士運河這一條傳統(tǒng)航線。隨著地緣政治和國際間貿(mào)易摩擦，更多航運公司將北極東北航道視為中歐航線的替代航線，北極東北航道的開通，對中歐航線形成了一定程度的補充。

北極地區(qū)擁有豐富的自然資源，擁有世界未探明石油儲量的13%、未開采天然氣儲量的30%[2]。未來一旦開采，將會促進北冰洋海上貨物運輸?shù)陌l(fā)展。目前關(guān)于北極通航經(jīng)濟性研究，主要集中于探討海冰的影響、北極航線與傳統(tǒng)航線的對比這2 個方面。駱巧云等[3]基于海冰因素的影響，分析北極航次集裝箱運輸?shù)臓I運成本，壽建敏等[4]在基于航運經(jīng)濟成本的基礎(chǔ)上，對不同規(guī)模船型穿越東北航道的經(jīng)濟性進行分析，王諾等[5]在北極通航的大背景下，對中歐航線在北極航線和傳統(tǒng)航線2種條件下的經(jīng)濟性進行對比分析。本文通過傳統(tǒng)航線與北極航線之間的對比，分析北極航線的經(jīng)濟效益和未來應(yīng)用前景，結(jié)合船舶航次分析結(jié)果和目前北極東北航道的開發(fā)利用現(xiàn)狀，對北極船型趨勢和船舶冰級設(shè)計進行分析，并展望未來航道建設(shè)方向。

1 北極東北航道通航概況

1.1 航道歷史通航統(tǒng)計分析

北極東北航道作為穿越北冰洋連接亞洲與西歐的最短海上通道，存在著重要的戰(zhàn)略價值和潛在的海上運輸和世界貿(mào)易經(jīng)濟效益。由于其航段大部分位于俄羅斯北部海域，因此也被俄羅斯聯(lián)邦稱作“北方海航道”（NorthernSea Route，NSR）。

根據(jù)俄羅斯北方海航道管理局官方數(shù)據(jù)顯示，自2011—2019 年這9 年間，共計307 艘次船舶穿越了北方海航道，具體船舶通航數(shù)量見圖1。其中2013 年船舶數(shù)量最多，達到了71 艘次，2011—2014年船舶通航數(shù)量大體上呈上升趨勢，2015—2019年船舶數(shù)量較前面而言整體偏少，但仍處于上升趨勢。究其原因，主要是北極航道探索熱度逐漸消退和船舶商業(yè)化運營條件尚不成熟，但由于航道建設(shè)不斷完善和冰區(qū)航行技術(shù)逐步提升，就船舶每年通航數(shù)量而言，仍處于不斷上升的趨勢。

圖1 2011—2019年NSR船舶通航數(shù)量Fig.1 Transits through the NSR，2011—2019

船舶類型以2019年航次為例，對船舶類型進行統(tǒng)計分析，29 艘船舶穿越北極東北航道，共計37 個航次。船舶類型分布具體見圖2，其中貨船占比最高，共計14艘，其次為冷藏/漁船、油船；對所有船舶的冰區(qū)加強進行統(tǒng)計分析，船舶的冰級以Arc4 和Arc5為主。

圖2 2019年穿越NSR船型分布Fig.2 Type of ships through the NSR，2019

自20 世紀80 年代以來，從北極海冰覆蓋范圍和冰厚的變化趨勢來看，北極航道通航環(huán)境會逐漸改善。

1.2 國內(nèi)歷史航次統(tǒng)計分析

自2011 年底國家提出“海洋強國”發(fā)展戰(zhàn)略以來，我國航運業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。2013年8月，中遠海運集團所屬“永盛”輪在太倉港裝載貨物后啟航北極，開啟了中國商船首航北極的“破冰之旅”。2013—2019年，中遠海運集團一共派出17艘船，共計31航次，其中東行14個航次，西行17個航次。在北極東北航道31 個航次中，與航經(jīng)馬六甲海峽與蘇伊士運河傳統(tǒng)航線相比，共節(jié)省里程122,812 n miles，節(jié)省燃油12,149t/標準煤17,356t，共運輸貨物52.41萬t。

2 海冰與北極航行經(jīng)濟性分析

2.1 海冰對北極航運經(jīng)濟性影響

目前北極航道的開發(fā)受海冰因素和船舶低冰級的制約，海冰的存在使得船舶北極航次需要額外考慮許多因素。在船舶建造方面，冰區(qū)加強型船舶在造價上較普通船舶有很大區(qū)別，主要體現(xiàn)在船體結(jié)構(gòu)、主機及槳舵設(shè)施等特殊技術(shù)要求；在船舶航行方面，海冰影響著船舶的燃油經(jīng)濟性以及額外支出的破冰船護航費用；在船舶經(jīng)營上，惡劣的北極冰區(qū)航行環(huán)境會導(dǎo)致船員薪資和船舶修理等費用的提升。

海冰對北極航行經(jīng)濟效益的影響主要體現(xiàn)為以下3個方面。

1）海冰的存在影響船舶設(shè)計和船體結(jié)構(gòu)。船體結(jié)構(gòu)上，冰區(qū)加強型船舶在不同程度上將直接導(dǎo)致船舶造價的提高，即船舶冰級越高，其造價相應(yīng)越高；另一方面，低溫環(huán)境會導(dǎo)致甲板結(jié)冰，影響船舶穩(wěn)性，在低溫條件下，機艙、管系等設(shè)備也會受到一定影響，需加裝額外的加熱或除冰設(shè)施。

2）海冰在船舶航行上對經(jīng)濟性影響較大。冰區(qū)航行時由于額外的冰阻力，對主機功率提出了更高的要求，這些將直接影響到燃油經(jīng)濟性。C Zhang 等[6]利用皮爾遜相關(guān)性分析方法，分析航速、風速、水溫、海冰密集度等因素對燃油經(jīng)濟性的影響，結(jié)果表明冰區(qū)船舶航速是影響燃油消耗的最主要因素，其次為海冰密集度。另一方面，當船舶無法獨立航行時，需額外支付破冰船引航費用。根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦法律規(guī)定，在某一特定海域不同冰情下，不同冰級的船舶會依據(jù)規(guī)定允許獨立航行或者強制破冰船引航，在重度、中度、輕度3種冰情下，指導(dǎo)船舶航行規(guī)則。

3）在船舶經(jīng)營方面，海冰會導(dǎo)致其成本的升高。北極水域?qū)儆诟唢L險水域，船員冰區(qū)航行經(jīng)驗匱乏，相應(yīng)的船員薪酬、船舶保險、船體維修等費用較普通船舶有所增加[7]。

2.2 中遠北極航次經(jīng)濟性分析

“永盛”輪于2013年成功首航北極東北航道后，中遠海運集團一直致力于北極東北航道的商業(yè)化探索，共計17艘船舶執(zhí)行31航次的運輸任務(wù)。在這17艘船舶當中，僅“永盛”輪以及“天健”“天恩”“天佑”4艘船舶具有Arc 4冰級，其余船舶無冰區(qū)加強，具體航次信息見表1。

根據(jù)上述介紹的船舶經(jīng)濟性影響因素，采用成本對比的方法，對各個航次的傳統(tǒng)航線和北極航線的經(jīng)濟成本進行對比分析，計算航次運輸?shù)目偝杀尽?/p>

在一般航次成本計算模型中，主要以下費用支出：燃油費、港口及運河費（冰區(qū)破冰船引航費用按照北方海航道船舶準入規(guī)則計算）、船員工資、保險費、船舶折舊費等。由于北極航線節(jié)省的主要為航行里程，相對應(yīng)的節(jié)省船舶燃油消耗和航行時間，且船員工資、船舶保險費用、船舶折舊費等相對于傳統(tǒng)航線提升不高，故不計入計算模型中。

因此計算模型主要包含3個部分：燃油費、運河費（破冰引航費用）、節(jié)省船期費用。各航次傳統(tǒng)航線里程及北極航道里程見表1。在航行里程上，各航次較傳統(tǒng)航線節(jié)省30%～40%，部分自歐洲至日本、俄羅斯至中國北方港口北極航線較傳統(tǒng)航線在里程上的優(yōu)勢更為顯著，節(jié)約里程達到50%左右。

根據(jù)錢作勤等[8]的研究，船舶每海里油耗可根據(jù)如下估算方法估算，散貨船在普通水域燃油消耗0.12 t/n mile，浮冰水域由于要克服浮冰阻力，燃油消耗翻倍，即0.24 t/n mile。據(jù)國家海洋環(huán)境預(yù)報中心海冰預(yù)報信息顯示，每年夏季浮冰水域主要集中于維利基茨基海峽區(qū)域、桑尼科夫海峽區(qū)域、拉普捷夫海部分海域以及東西伯利亞海部分海域。其中2013年、2015年、2016年冰情嚴重，估計浮冰水域里程700 n mile；2017年、2018年、2019年冰情比較樂觀，海冰主要集中于利亞霍夫群島和北地群島水域，實際影響維利基茨基海峽區(qū)域和桑尼科夫海峽區(qū)域，估計浮冰水域里程200 n mile。燃油費用根據(jù)海事服務(wù)網(wǎng)2020 年1 月1 日公布的港口燃油價格，IF380為280.55 美元/t。

表1 2013—2019 年北極航次匯總Tab.1 List of Arctic voyage since 2013—2019

傳統(tǒng)航線中，蘇伊士運河費用十分可觀，在模型計算中，單次運河費及安保費用計17萬美元。在破冰引航費用支出方面，根據(jù)2017年“蓮花松”號破冰船引航費用，單次北方海航道引航費用計20 萬美元。根據(jù)歷史航次數(shù)據(jù)得知，與傳統(tǒng)航線相比，北極航線節(jié)省10～15 d 船期，在此以1.35 萬美元/d 計算。表2為每航次節(jié)省費用。

2條航線各航次成本見表2。2013—2019年共計節(jié)省航行時間871 d，節(jié)省航行里程122 812 n mile，根據(jù)此模型計算大約節(jié)省成本624.44萬美元。

3 極地船舶的發(fā)展趨勢

隨著關(guān)于冰區(qū)航行的船級社規(guī)范、國際規(guī)則和指南等出臺，以及北極東北航道通航條件的日益成熟，未來北極水域船舶活動將逐漸增加。在北冰洋這一特殊水域，以及未來航經(jīng)北極東北航道的貨運需求，極地船型將會有所改變。

3.1 極地商船船型發(fā)展趨勢

在未來北極商業(yè)航行中，根據(jù)中遠北極航次中船舶類型統(tǒng)計分析，76.4%的船舶類型為貨船，并且貨船還將持續(xù)作為北極東北航道的主要運輸船型，往返中歐運輸?shù)V石、風機、紙漿等貨物。

表2 北極航線節(jié)省費用一覽表Tab.2 Schedule of cost savings in Arctic voyage

在“冰上絲綢之路”的戰(zhàn)略下，YAMAL 液化天然氣項目已實現(xiàn)投產(chǎn)運營，在此背景下，結(jié)合國內(nèi)天然氣供需和進口狀況，未來北極東北航道LNG船舶的運輸經(jīng)濟性逐漸凸顯，東北航線經(jīng)濟性的優(yōu)勢不斷擴大。在北極東北航道夏季無冰期越來越長的大背景下，在北極天然氣運輸、港口建設(shè)的大趨勢下，未來LNG船將會穿越北極東北航道進行商業(yè)化運輸。

在2019 年4 月北極國際論壇上，俄羅斯國家原子能公司提出了未來一系列設(shè)想，計劃到2024年將北方海航道的貨運量提至9 260 萬t，主要為天然氣、煤、石油等。在俄羅斯方面提出政策的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前北極航道的發(fā)展趨勢來看，天然氣、干散貨、集裝箱將成為未來經(jīng)北極航道運輸?shù)闹饕浳?。對于在極地實現(xiàn)集裝箱班輪運輸，還須考慮專用的極地集裝箱船舶，并且其作業(yè)的形式也需作相應(yīng)的研究和調(diào)整。

3.2 極地非商船船型發(fā)展趨勢

在北極科學(xué)考察方面，極地科考船占據(jù)重要的戰(zhàn)略地位，其破冰能力、運輸能力、航行性能等決定了極地科考的能力[9]?？茖W(xué)考察的項目成果，可應(yīng)用于航運公司在北極東北航道的商業(yè)化探索和運營。“雪龍2號”的成功下水不僅標志著我國北極科考水平的進步，也預(yù)示著未來建造更多的極地科考船。

隨著北極船舶數(shù)量的增加，海上船舶事故不可避免。目前我國極地破冰船的數(shù)量較少，缺少冰區(qū)應(yīng)急救援、溢油回收、船舶事故應(yīng)急處置等救助船舶。

3.3 極地船舶冰級設(shè)計

船舶是極地航運的載運工具，船舶的冰級等級決定著船舶的冰區(qū)航行能力，影響著船舶的航行安全。張俊武等[10]對目前主流破冰船進行分析，認為目前極地破冰船的發(fā)展體現(xiàn)了破冰能力持續(xù)增強的特點。張羽等[11]針對環(huán)北及國家的破冰船技術(shù)進行分析，給我國未來破冰船的建造提出具體建議。壽建敏等[12]在分析冰級船舶保有量、船舶營運等環(huán)節(jié)，提出建設(shè)我國高冰級船隊的對策。在傳統(tǒng)航線和北極航線的經(jīng)濟性對比分析中，駱巧云等[13]發(fā)現(xiàn)冰區(qū)加強船和普通船的造價、引航費用、燃油價格是對經(jīng)濟效益影響最大的三大因素。同樣，在不掛靠任何港口的條件下，考慮海冰因素的影響，對從我國中部沿海的上海至荷蘭鹿特丹港的集裝箱航線全年經(jīng)濟性進行分析，發(fā)現(xiàn)Arc5 冰級的集裝箱船經(jīng)濟性最佳，而Arc7 冰級船由于船舶造價昂貴，全年運輸周轉(zhuǎn)量和年利潤均低于前者。

從船舶航行安全性的角度來看，是否具備一定的抗冰能力是未來北極船舶設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)表2，中遠北極運輸中45.2%的航次采用破冰船引航的作業(yè)模式，且船舶航行時間主要集中于7 至10 月份。由此可見，船舶自身的冰級對北極航次的航行安全和經(jīng)濟性影響巨大。由表2 可得，在有破冰船破冰引航的條件下，節(jié)省費用在大多數(shù)10 萬美元以內(nèi)，獨立航行的條件下，節(jié)省費用在20～30萬美元左右，因此航次的經(jīng)濟性受破冰船引航費用的影響較大。

自身具備抗冰能力的運輸船舶在冰區(qū)航行時受惡劣冰情和天氣的影響較小，未來船舶通航窗口期將達到6 個月，部分高冰級船舶理論上可實現(xiàn)全年通航，節(jié)省巨額的引航費用，同樣在航行里程上的縮減，節(jié)省了船舶的船期，可以額外安排航次任務(wù)。與此同時，抗冰級船舶相對普通船舶來說，船舶造價相對增加。

4 北極航道應(yīng)用開發(fā)方向

加強極地航海保障技術(shù)，是我國服務(wù)于世界航運、建設(shè)“海洋強國”的一項全新的基礎(chǔ)性工作[14]。對于我國而言，目前極地活動正逐漸起步，主要為科學(xué)考察活動和商業(yè)航行。北極科考2年1次，“雪龍2號”的成功下水，未來有望實現(xiàn)1年1次，商業(yè)航行主要是中遠海運特運公司承擔，在通航條件逐漸改善的大背景下，船舶通航數(shù)量逐年增加。對于俄羅斯而言，北方海航道占據(jù)北極東北航道的主要航段，如何促進海上貨物運輸一直是俄羅斯未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點。早在2018年，俄羅斯承諾，將投資約400億美元用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括修建新的鐵路和擴大海港容量，進一步發(fā)展北方海航線，將貨物運輸量增加到8 000萬t。

就上述北極東北航道的發(fā)展前景而言，結(jié)合以上北極東北航道經(jīng)濟效益分析結(jié)果，未來北極航道的開發(fā)和利用主要集中于極地新型船舶設(shè)計、航行保障服務(wù)、新型轉(zhuǎn)運港口建設(shè)等方向。

4.1 極地新型船舶設(shè)計

北極航道開發(fā)將促進極地船舶自主設(shè)計、建造與配套技術(shù)的完善和提升，配套設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)的培育，帶動建立大型冰水池等科研基礎(chǔ)設(shè)施，冰情預(yù)報技術(shù)，北極冰區(qū)船舶智能航行技術(shù)，低溫材料、冰區(qū)船舶防寒、防污染等關(guān)鍵技術(shù)裝備。逐步形成建造新型的極地運輸船、科考船、郵船、漁船等建造能力，培育國家北極航道應(yīng)急保障體系建設(shè)。北極航道開發(fā)將促進極地科考活動，為油氣、礦物、漁業(yè)、旅游等資源開發(fā)提供平臺，實現(xiàn)極地可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

4.2 極地航行保障服務(wù)

在航行保障服務(wù)方面，提高氣象預(yù)報和海冰監(jiān)測能力是北極船舶航行安全的重要。國內(nèi)外學(xué)者在海冰遙感監(jiān)測、船舶航行風險保障等方面取得了一定的研究成果[15]。2018 年4 月，中國科學(xué)院與芬蘭簽訂了合作協(xié)議，協(xié)議提出共建北極觀測聯(lián)合研究中心的設(shè)想。觀測數(shù)據(jù)是氣象預(yù)報的基礎(chǔ)，隨著我國在極地科考的投入，未來建設(shè)應(yīng)著重于極地氣象數(shù)據(jù)觀測和調(diào)查，加強相關(guān)觀測系統(tǒng)的建設(shè)，并提高海冰、氣象觀測的精度和分辨率[16]。在綜合信息服務(wù)數(shù)據(jù)展示方面，應(yīng)以更多可視化的方式直觀的展示給研究人員和船員[17]。

4.3 極地港口建設(shè)

從表1可以看出中遠海運特運公司承擔的北極航次任務(wù)中，西行航次目的港多在西歐地區(qū)，東行航次目的港主要集中在東北亞地區(qū)，越靠近北部，航程節(jié)省比例越大。

目前，歐洲輻軸式樞紐港多位于西歐地區(qū)，歐洲北部的貨物到港后還需要北上進行支線運輸，額外增加航行里程。在未來港口建設(shè)上，可依托俄羅斯北方海沿岸港口基本設(shè)施和中國強大的基礎(chǔ)建設(shè)能力，建設(shè)新型樞紐港群，完成大型貨物的輸送和中轉(zhuǎn)任務(wù)，提升北極東北航道的競爭力。目前中俄合作共建扎魯比諾港、阿爾漢格爾斯克市的深水港口改造項目正處于穩(wěn)步推進中。扎魯比諾港是一個天然不凍港，位于俄羅斯遠東地區(qū)，地理位置優(yōu)越，除了計劃建設(shè)港口本身，還將建設(shè)連接港口和各自腹地的鐵路等運輸路線，促進貨物聯(lián)運。

5 總 結(jié)

北極東北航道的建設(shè)和發(fā)展必將影響世界未來海上貿(mào)易格局，尤其是對中國與歐洲之間的海上運輸影響巨大。相對于傳統(tǒng)中歐航線，目前北極東北航道的經(jīng)濟性優(yōu)勢存在，但不明顯，且受船舶自身冰級的影響較大。未來隨著北極航行保障服務(wù)的完善、新型冰區(qū)加強船舶的建造和投入運營、輻軸式樞紐港口群的建設(shè)，北半球的海上運輸物流體系將呈現(xiàn)新的格局。