唐國磊，郭 雷，李善新，趙卓瑤，李 熠

(1.大連理工大學，海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.中國石油大港油田公司，天津 300280；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司普蘭店分公司，遼寧 大連 116200)

我國客貨滾裝運輸迅速發(fā)展，形成瓊州海峽、舟山群島、渤海灣三大運輸中心[1]，客貨滾裝碼頭的規(guī)劃和運營正朝著安全、綠色、高效、舒適的方向發(fā)展。旅客作為客貨滾裝運輸?shù)姆罩黧w，其身體健康面臨著船舶廢氣的危害。因此，在規(guī)劃運營客貨滾裝碼頭時，應綜合考慮成本、減排效果、環(huán)境效益等因素選擇適合客貨滾裝碼頭的減排設計方案。

目前國內外學者對各種減排方案進行了相關研究，如Kom等[2]闡述岸電的起源及發(fā)展；彭傳圣等[3-4]的研究表明，岸電投資大和換用低硫油保障基礎不足是我國能源替代政策實施的主要瓶頸；賈石巖[5]對船舶岸電改造或新船安裝的成本進行研究；Boer等[6]的研究表明，船基洗滌器競爭優(yōu)勢隨著低硫柴油和重質燃料油之間價格差異的降低而降低；王成鴻等[7]計算船基洗滌器的減排效果，并指出影響其推廣應用的因素；Worley Advisian公司[8]調研表明，CAE-M公司研發(fā)的陸基洗滌器可捕獲船舶廢氣并凈化處理；Lasselle等[9]和Ammar[10]研究了甲醇作為燃料的船舶改建成本。由此可見，岸電、洗滌器、清潔燃料等方案均可減少污染物排放，但所需投資、運營維護成本、環(huán)境效益等存在差異，需要合適的評價方法對客貨滾裝碼頭減排設計進行評價擇優(yōu)。

碼頭減排設計需要考慮成本、減排效果、環(huán)境效益等諸多因素，是一個多目標決策問題。目前常用的評價方法包括模糊評價法、優(yōu)劣解距離法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)和物元分析法等。如?l?er等[11]建立模糊群體決策模型，評價海運中的清潔能源；Besikci等[12]應用模糊層次分析法(fuzzy-AHP)評價船舶節(jié)能措施；李曉滿等[13]應用加權TOPSIS法評價港口綠色發(fā)展水平；王征等[14]將物元分析法和熵權法相結合，對港區(qū)內不同碳排放源進行綜合評價。雖然已有研究較少涉及客貨滾裝碼頭減排設計方案評價，但可為本文提供一定的思路。

本文通過考慮旅客健康、經(jīng)濟可行性、環(huán)境效益等因素，構建適用于客貨滾裝碼頭的評價指標體系，引入AHP法和加權TOPSIS法，評價客貨滾裝減排設計方案，以期為客貨滾裝碼頭減排設計提供決策支持。

1 客貨滾裝碼頭減排方案

客貨滾裝碼頭為旅客、車輛提供服務，旅客數(shù)量多、人流密度大，船舶污染排放危害旅客健康[15]。為減少污染物排放、保護旅客健康，本文提出采用岸電、陸基洗滌器和清潔燃料等方案，其特點如下：

1)岸電是供、受電設備及相應的監(jiān)控輔助系統(tǒng)的統(tǒng)稱[16]。當使用岸電后，客貨滾裝船用電由陸側電網(wǎng)提供，船載發(fā)電機組不再工作。因此，該方案會明顯減少SO2、NOx、顆粒物PM(包括PM2.5和PM10)等大氣污染物排放，而且降低噪聲污染。但岸電的建設、運營及維護等成本較高，而且電價昂貴和復雜的連接流程也會制約其發(fā)展。

2)陸基洗滌器可捕獲大氣污染物并進行凈化處理，船舶使用重油作為燃料也可以達到排放標準。陸基洗滌器需要大型起重機和支撐系統(tǒng)，不需要對船舶做太多改造，只在船舶靠泊時進行作業(yè)。根據(jù)洛杉磯港在集裝箱船、貨船上的試驗，陸基洗滌器脫硫效率可達95%，同時能去除大約80%的PM和NOx，但對CO2減排效果不明顯，且噪聲污染會增加。

3)清潔燃料包括低硫柴油、天然氣等，可以有效減少污染物的產(chǎn)生，但不能減少噪聲污染，而且需要對船舶進行改造。

綜上所述，各方案在成本、環(huán)境、社會效益等方面表現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性。因此，為選擇合適的減排設計方案，應確定合適的方案評價指標體系及評價方法，解決客貨滾裝碼頭減排設計方案多目標決策問題。

2 客貨滾裝碼頭減排設計方案評價方法

為有效評估客貨滾裝碼頭減排設計方案，本文綜合考慮成本、污染排放、環(huán)境效益等屬性，提出適用于客貨滾裝碼頭的減排設計方案評價指標體系，并引入AHP指標賦權法和TOPSIS評價方法，形成客貨滾裝碼頭減排設計方案評價框架。

2.1 評價指標體系

依據(jù)《綠色港口等級評價指南》[17]，綜合考慮經(jīng)濟可行性、旅客健康、社會影響等因素，構建客貨滾裝碼頭減排設計方案評價指標體系，見圖1。

圖1 客貨滾裝碼頭減排設計方案評價指標體系

2.1.1成本屬性

成本屬性包含建設成本、運營和維護成本、投資回收期3個指標。其中，建設成本是指所耗費的貨幣支出總和，反映方案的經(jīng)濟效果；運營和維護成本是指維持其正常運轉所需的支出，它反映方案持續(xù)的可行性；投資回收期是指收回投資費用或達到收支平衡所需要的時間，采用凈現(xiàn)值，按下式計算：

(1)

式中：NPV為年收益凈現(xiàn)值；EBt為第t年的環(huán)境效益，取值見2.1.3節(jié)；OMCt為第t年的運營和維護成本；w為計息期數(shù)；pt為第t年的折現(xiàn)率。

2.1.2環(huán)境屬性

環(huán)境屬性包含SO2、NOx和PM這3種大氣污染物排放量和噪聲共4個指標。其中，SO2使人呼吸困難，對肺部造成直接損傷；NOx易引起支氣管炎和肺炎，誘發(fā)肺細胞癌變；PM易附著有害物質沉積于肺，引起呼吸系統(tǒng)疾病。SO2、NOx和PM排放量公式見式(2)。噪聲會影響聽力和視力，且高強度的噪聲會使人出現(xiàn)焦躁不安等癥狀。但噪聲污染不易量化，本文以噪聲的相對排序作為指標值。

(2)

式中：EMm為大氣污染物m的排放量(t)，m取1、2、3時分別代表SO2、NOx、PM；BEFam和BEFbm為大氣污染物m的燃料的排放系數(shù)和電網(wǎng)的排放系數(shù)(t/kW)；P(t)為船舶輔機功率(kW)；β為0或1的變量，1表示輔機發(fā)電，0表示岸電供電；FCV為燃料熱值(kW/t)；ηa為燃燒系數(shù)；ηb為岸電效率。

2.1.3社會屬性

污染排放減少可帶來社會效益，該效益與污染物減排量及環(huán)境成本有關，按下式計算：

(3)

式中：EB為環(huán)境效益；i為污染物序號，1、2、3、4分別代表SO2、NOx、PM、CO2；ERi為污染物i的減排量；ECi為污染物i的環(huán)境成本。

2.2 AHP指標賦權法

為尊重旅客、船方、碼頭運營方的意愿，本文引入AHP法確定各指標的影響程度，具體步驟為：

1)建立判斷矩陣。按薩蒂1～9比例標度法(表1)確定判斷矩陣B，B為n×n型矩陣(=[bij])。

表1 薩蒂1～9比例標度法相對重要性取值

2)層次單排序。用正規(guī)化求和法確定本層次各相關元素相對重要性的權重向量w=(w1，w2，…，wn)。

3)一致性檢驗。調整判斷矩陣至隨機一致性指標CR<0.1。CR為一致性指標CI與平均隨機一致性指標RI的比值，RI由表2確定，CI按式(4)計算。

表2 平均隨機一致性指標RI

(4)

式中：λmax為權重向量對應的最大特征根；n為判斷矩陣維數(shù)。

2.3 TOPSIS評價方法

考慮到減排設計方案評價的多目標決策特征，引入TOPSIS法[18]對其進行評價。TOPSIS法在交通運輸、綠色發(fā)展評價、企業(yè)管理等方面[19-22]具有廣泛的應用，其具體步驟為：

1)給定方案集P={Ph|h=1，2，…，p}和指標集Q={Ql|l=1，2，…，q}，計算指標值Rhl，構建決策評估矩陣R=[Rhl]。

2)按式(5)計算規(guī)范化決策評估矩陣X=[Xhl]：

(5)

3)確定權重向量，并按式(6)計算加權規(guī)范化值矩陣Y=[Yhl]：

Yhl=wl·Xhl

(6)

式中：wl為指標l對應權重。

4)確定正負理想向量Y+和Y-。成本類指標按式(7)計算，效益類指標按式(8)計算：

(7)

(8)

5)計算加權歐氏距離及各方案與理想解的貼近度Dk：

(9)

(10)

式中：Dk±為加權規(guī)范化值Ykl到正(負)理想解Yl±的距離。根據(jù)Dk的大小可對各減排方案進行排序，Dk值越大表明方案越優(yōu)。

3 算例

某客貨滾裝作業(yè)區(qū)由4個3萬GT泊位和2個1萬GT泊位組成，10艘客貨滾裝船將服務6條航線?？蜐L船的發(fā)動機組主要參數(shù)見表3，船舶靠泊時的輔機負荷率為25%。根據(jù)船舶用電功率及船期表，該港區(qū)船舶用電功率的峰值為6 MW，船舶年用電量為15.4 GW·h。本著安全、綠色、高效、舒適的發(fā)展理念，該工程提出岸電、陸基洗滌器、低硫柴油等3種減排設計方案。

表3 客滾船舶發(fā)動機組主要參數(shù)值

3.1 減排設計方案

1)岸電。依據(jù)《碼頭岸電設施建設技術規(guī)范》[23]，岸電布置及主要參數(shù)見圖2，其用電容量約為6.2 MW。參考文獻[24]，本客貨滾裝作業(yè)區(qū)岸電的建設成本約為1億元，此地區(qū)基礎電費為0.8元/(kW·h)，年運營和維護成本共計約1 300萬元。

圖2 客貨滾裝碼頭平面布置及岸電主要參數(shù)

2)陸基洗滌器建設成本約為2.5億元，船舶每年靠泊時消耗的重油約3 400 t，其單價為3 700元/t。

3)船用燃料升級。該港區(qū)所在地可提供充足的低硫柴油，升級倉儲設施等所需的倉儲設施約為2 800萬元，依據(jù)船舶能耗和低硫柴油的平均低位發(fā)熱量可計算年消耗量約為3 300 t，其單價為3 700元/t。

3.2 排放系數(shù)與環(huán)境成本

該地區(qū)以火力發(fā)電為主，首先根據(jù)現(xiàn)階段能源發(fā)電比例及各能源排放系數(shù)計算電網(wǎng)排放系數(shù)，見表4；然后，參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》《中國船舶大氣污染物排放清單報告(2016)》，確定各燃料的排放系數(shù)，見表4；最后，參考文獻[24]～[26]確定各污染物的環(huán)境成本，見表5。

表4 各能源發(fā)電比例及排放系數(shù)

表5 各污染物環(huán)境成本

3.3 方案評價

應用本文提出的客貨滾裝碼頭減排設計方案評價框架，確定指標權重1(表6)及其規(guī)范化決策評估矩陣柱狀圖(圖3)，求得岸電、陸基洗滌器和低硫柴油對應的Dk分別為0.116 9、0.056 7和0.068 7。可見，各方案在評價模型下具有良好的區(qū)分度。對于此工程，方案從優(yōu)到劣為：岸電、低硫柴油和陸基洗滌器。

表6 指標權重情形集合

圖3 規(guī)范化決策評估矩陣柱狀圖

3.4 敏感性分析

在確定指標影響程度時，不同的偏好會得到不同的權重向量。由表6可看出，偏向碼頭運營方時，方案的成本屬性比重大(權重2)；偏向旅客時，方案的減排效果比重大(權重3)。經(jīng)計算，在不同偏好下各方案的評價結果見圖4?？梢钥闯?，由于各方案在各指標下優(yōu)劣性的不同，各方案受指標權重變化的影響較大。當傾向成本屬性時，低硫柴油憑借其建設成本低這一優(yōu)勢成為最優(yōu)方案，而岸電和陸基洗滌器的競爭力明顯下降；當傾向環(huán)境屬性時，低硫柴油成為最差減排方案。

圖4 不同權重下的方案評價結果

目前，我國正在大力推動靠港船舶使用岸電，但受成本高、環(huán)境效益低等因素的影響，在權重2下，岸電的競爭力有待提高。為此，本文在權重2下，探究各情形(表7)對岸電競爭力的影響，評價結果見圖5?？梢钥闯?，為促進我國岸電建設，政府可采取以下措施：1)發(fā)放建設補貼，提高港方積極性；2)降低電價，提高船方積極性；3)優(yōu)化岸電技術，提高操作便捷性；4)優(yōu)化電力結構，降低岸電生命周期內的排放，提高其環(huán)境效益。

表7 情形描述

圖5 不同情形下的方案評價結果

4 結論

1)綜合考慮成本、污染排放、環(huán)境效益等屬性，提出適用于客貨滾裝碼頭的減排設計方案評價指標體系，并引入AHP指標賦權法和TOPSIS評價方法，形成客貨滾裝碼頭減排設計方案評價框架。

2)在客貨滾裝碼頭算例中，岸電是最優(yōu)減排方案，低硫柴油為次優(yōu)減排方案。因此，考慮到岸電的建設、運營及維護等成本相對較高，建議分階段建設，以逐步實現(xiàn)整個客貨滾裝作業(yè)區(qū)的岸電全覆蓋；在岸電建設過程中，無法連接岸電的船舶可暫時通過使用低硫柴油達到排放要求。