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Acta Geographica Sinica >

2021 , Vol. 76 >Issue 5: 1122 - 1135

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202105006

Research on the Arctic Region

Maritime accessibility and navigation cost evolution estimation of Sino-Russian oil and gas resources from 2030 to 2070

  • ZHANG Tianyuan , 1 ,
  • HUANG Jixia , 2, 3 ,
  • WANG Li 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
  • 2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Received date: 2020-11-26

  Request revised date: 2021-03-31

  Online published: 2021-07-25

Supported by

Chinese Academy of Sciences(ZDRW-ZS-2017-4)

The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA190705)

Copyright

Copyright reserved © 2021
Fold

Abstract

Due to the rapid development of society and economy, China's demand for energy and mineral resources is increasing day by day. Therefore, China has carried out a lot of energy trade with Russia, a country with adequate resources. Under the background of global warming and the gradual improvement of Arctic navigation, the energy transportation between the ports of the two countries can be completed through the northeast passage, which will be better than the traditional passage in terms of time, cost, and security. In this paper, the weighted average travel time was used to quantify the accessibility from Chinese ports to Russian oil and gas resources from 2030 to 2070 under climate change scenarios, and a shipping cost system was established to calculate the navigation cost. The conclusions are as follows: (1) The accessibility of Chinese ports to Russian oil resources will be better than that to Russian gas resources. (2) The accessibility of Chinese ports to Russian resources will be reduced by 7 hours on average every decade, and the accessibility of Nantong Port to Russian resources will be the best. (3) The navigation cost of Chinese ports will be reduced by $5000 on average every decade, and the cost of the route from Nantong Port will be the lowest. (4) Under the high emission concentration scenario, merchant shipping will cover a wide range in the future. This paper quantified and evaluated the time and cost of energy trade between China and Russia from 2030 to 2070, which provided a theoretical reference for Sino-Russian maritime transportation and energy trade.

Key words： Sino-Russian oil and gas shipping; accessibility; shipping cost; Northeast Passage; Polar Silk Road

Cite this article

ZHANG Tianyuan , HUANG Jixia , WANG Li . Maritime accessibility and navigation cost evolution estimation of Sino-Russian oil and gas resources from 2030 to 2070[J]. Acta Geographica Sinica, 2021 , 76(5) : 1122 -1135 . DOI: 10.11821/dlxb202105006

1 引言

中国是能矿资源大国,石油、天然气和煤矿储量以亿万计。但因为人口众多,中国能矿资源的人均拥有量远低于世界平均水平[1],且随着社会经济的加速发展,中国对能矿资源的需求量日益增高。除本国能源之外,中国亟需其他能源国家的能源引进,因此与合适的资源出口国保持稳定的合作关系至关重要。2013年“一带一路”倡议提出,“21世纪海上丝绸之路”作为该倡议的重要组成部分,为中国能矿资源储备提供切实保障[2]。2017年以“一带一路”国际合作高峰论坛为契机,俄罗斯向中国提出“把北极航道与‘一带一路’连接起来”的希望,两国将在互利合作的基础上共同开发与建设北极航线,打造“冰上丝绸之路”[3]。
北极地区拥有丰富的自然资源,主要资源类型有石油、天然气、煤炭和矿产资源等。北极地区可采的总油气资源为4120亿桶油当量（BBL of Equivalent, BOE）,其中石油资源为900亿BOE,液态天然气为440亿BOE,天然气为4.73×1013 m3;北极地区煤炭储量超过1×1012 t,占全球煤炭储量的1/4;特大型铁矿资源可供世界开采200余年[4,5]。在北极众多的资源贮藏中,俄罗斯拥有其58%的油气资源[6],矿产资源种类几近齐备。根据俄罗斯制定的产量规划,到2030年天然气储量将达到5.57×1013 m3,石油储量将达到248 t油当量,且随着新油气田的投产,东西伯利亚和远东地区将成为资源开发的核心地区[7,8]。
俄罗斯东部与中国在地理位置上毗连,在地缘方面具有和中国开展能源贸易合作的天然优势[9]。近年来中俄之间保持着良好的贸易合作关系,根据中华人民共和国商务部发布的2018年俄罗斯货物贸易及中俄双边贸易概况,2018年俄罗斯与中国的双边货物贸易额为1082.8亿美元,同比增长24.5%,中国已成为俄罗斯第一大出口国和进口国。矿物燃料和矿物油等矿产品是俄罗斯出口中国的主要产品,2018年出口额为427.1亿美元,同比增长61.9%,占俄罗斯对中国出口总额的77.9%。中俄能源贸易在双边贸易中占据着重要地位。
中国主要从俄罗斯进口原油和煤炭,原油进口通过中俄原油管道实现,煤炭、矿石、金属进口主要通过西伯利亚大铁路实现[10]。2012年底,中国已基本形成初具规模的跨区域油气管网,中俄原油、天然气管道与国内油田、气田的资源市场相连。而俄罗斯地区的石油和天然气储量和出口需求较大,运输方式取决于储量和到消费市场的距离,输送到东亚、东南亚的距离超过5000 km,用货轮运输比用管线输送经济[11]。2013年中国的一艘货船从大连出发,完成了中国在东北航道的首次商业运输。北极航线的开辟提高了东北进口俄罗斯资源的海运可能性,扩大中国海上东进资源的进口格局[12]。俄罗斯丰富的油气资源对中国来说经济价值巨大,而北极航线的开通将缩短航程、节省能源、降低运输成本。未来,除陆上交通管道运输之外,北极航线将是中国获取俄罗斯地区能矿资源的重要途径。
与俄罗斯合作开采能矿资源,建设使经济效益最大化的资源运输路线,是中国北极资源开发中的重点。根据运输路线分析中国到俄罗斯的资源可达性,是选择港口和路线投资建设的理论基础。国内外关于可达性的方法与应用方面的研究比较成熟,Hansen于1959年首次将可达性定义为“交通网络中各节点相互作用的机会大小”[13],这一概念随后与地理信息科学技术紧密结合,被运用到交通规划、城市规划等领域[14]。Linneker等分析了伦敦M25环形公路所引起的可达性变化对区域经济发展作用[15];Dupuy等对欧洲城市公路可达性与等级体系进行了探讨[16];陆锋等利用GIS空间分析方法定量研究武汉城市圈各城市区位[17]。在刻化可达性的指标上,国内外学者大多引入了加权平均旅行时间的方法[18,19,20,21,22,23,24,25],用于评价可达性的时间测度。同时,对北极航线进行通航成本量化分析,在资源运输方式选择、沿海区域经济发展等方面影响重大。Lasserre发现一些亚洲港口使用北极航道具有经济可行性,其主要影响因素是航行速度与负载系数[26]。李振福等将对东北航线和传统航线的成本收益进行比较,认为随着北极海域的航行条件逐渐改善,东北航道运输成本会随之降低,其经济优势将会更加突出[27]。史义江从“冰区船舶在无冰航段航行不经济”这一角度出发,提出在普通航段采用普通船舶运输、在冰区航段换用冰区船舶运输的方案,并对沿东北航线各备选中转港进行了评价[28]。张侠等对比了中国分别通过北极航线和传统航线到达北美和欧洲的海运距离与成本,进而分析了北极航线的开通对中国沿海地区经济发展产生的影响[29]。郝增辉运用成本分析法对比了通航期内每条航线的成本构成,发现燃油费、破冰引航费和船舶造价是影响北极航线航行经济性的三大因素[30]。
影响北极地区资源和贸易运输的主要因素是气候变化,逐渐变暖的北极圈将从2个方面扩大经济贸易的可能性：① 气候变暖直接扩大了东北航道可通行的空间范围与每年可开放的时间长度,从北极取道的国际船只将增多,东北航道运输里程的缩短将增加中俄海上贸易的机遇;② 随着气候变暖,冻土逐渐融化,俄罗斯北极圈（尤其是远东地区）潜在资源的挖掘受到自然环境的阻力减少,该地区的交通建设也将随着环境变暖而加快进程,更有利于国家间合作开展资源开采与港口建设。由此可见,气候变化会随时间变化而影响北极的资源可达性,进而促进中俄北极能源经济的进一步合作。
目前国内外关于可达性的研究仍集中在交通网络对经济发展的影响上,较少应用于资源运输;且系统分析气候变化影响航道运输成本的研究也比较少。本文以中俄海运油气资源的可达性和通航成本为研究内容,用改进的加权平均旅行时间量化海运资源的可达性,计算中国沿海重要港口2030—2070年通过东北航道到达俄罗斯地区油气资源的可达时间,分别就不同船型—排放情景组合下的可达时间展开分析,采用线性拟合的方式描述了中国港口资源可达性与年代变化之间的稳定相关关系,并对两国港口间海上运输的成本进行了详细的计算。本文研究结果可以为中俄间未来能源海上贸易运输提供理论建议。

2 研究数据与方法

2.1 研究区域与数据

本文综合考虑港口定位、货物吞吐量规模与地理位置分布等多方面港口特性（表1）,选择了天津港、大连港、青岛港、南通港、舟山港、泉州港、深圳港、防城港、北海港和洋浦港等10个中国东部沿海重要的油气资源接卸港口及俄罗斯北冰洋沿岸和太平洋沿岸的16个具有油气资源可达潜力的港口[31]（图1）,作为资源运输的起终点。中俄两国港口经纬度信息来源于World Port Source（http://www.world-portsource.com）。
表1 研究选取中国港口的贸易定位与2019年吞吐量

Tab. 1 Trade orientation and 2019 annual throughput of selected Chinese ports

港口名称 贸易定位 2019年吞吐量(万t)
天津港 集装箱、矿石、煤炭、焦炭、原油及制品、钢材、液化天然气 49220
大连港 集装箱、原油、成品油、粮食、煤炭、散矿、液化天然气 36641
青岛港 集装箱、金属矿石、煤炭、原油、液化天然气 57736
南通港 化肥、粮油、集装箱、散件杂货、液化天然气 33620
舟山港 集装箱、矿石、原油、液化天然气、煤炭 112009
泉州港 集装箱、成品油、原油、煤炭 12726
深圳港 化肥、粮食、钢材、水泥、木材、原油、煤炭、矿石 25785
防城港 铁矿石、煤炭、硫磺、粮食、化肥、液化天然气 10141
北海港 化肥、矿石、煤炭、白糖、粮食、散件杂货、液化天然气 2427
洋浦港 集装箱、原油、煤炭、矿石、液化天然气 5051
图1 俄罗斯港口与油气资源分布图

Fig. 1 Distribution of ports and oil and gas resources in Russia

中俄间资源运输途径的海运路径为北极东北航道,东北航道西起西北欧北部海域,东至符拉迪沃斯托克,途径巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和白令海峡,沿线国家有冰岛、瑞典、芬兰、俄罗斯等,全线通航期2~3个月[32]。利用Google地图分别量取中国港口与白令海峡之间的海上运距,并通过ports.com网站分别计算中国港口与俄罗斯8个太平洋沿岸港口之间的海上航行时间,结果见表2。
表2 中国港口到白令海峡和俄罗斯太平洋沿岸港口的航行时间

Tab. 2 Navigation time between Chinese ports and Russian Pacific coast ports

中国
港口		 到海峡和港口的航行时间(h)
白令
海峡		 阿纳
德尔		 霍尔姆
斯克		 马加丹 尼古拉耶夫
斯克(庙街)		 勘察加彼得罗
巴浦洛夫斯克		 普罗维
杰尼亚		 瓦尼诺 符拉迪沃斯
托克(海参崴)
天津港 237.18 240.69 128.00 185.69 143.88 180.00 236.36 126.75 92.56
大连港 230.73 229.63 116.81 174.50 132.75 168.94 233.81 115.63 68.13
青岛港 220.93 223.06 110.38 168.06 126.25 162.38 215.69 109.13 74.94
南通港 217.74 217.75 105.13 162.75 121.00 157.06 204.97 103.88 69.69
舟山港 220.00 221.88 109.25 166.88 125.13 161.25 207.70 108.00 73.81
泉州港 238.82 252.69 137.25 194.94 153.19 192.00 229.44 136.06 101.88
深圳港 263.11 279.50 164.94 235.81 180.81 218.81 258.54 163.69 129.50
防城港 290.65 310.56 198.25 266.88 214.19 249.88 281.19 197.06 162.88
北海港 286.67 307.44 195.19 263.81 211.06 246.75 273.42 194.00 159.75
洋浦港 282.21 303.75 191.50 260.13 207.38 243.06 268.97 190.25 156.06
俄罗斯的港口、交通与油气资源情况如图1所示。俄罗斯港口众多,分布在太平洋沿岸和北冰洋沿岸,部分分布在俄罗斯西部地区黑海、里海和波罗的海沿岸。俄罗斯的铁路和公路网络主要集中在东欧平原,目前探明的石油和天然气资源也多分布于西部地区,以西西伯利亚地区分布最为密集。虽然目前远东地区的矿产资源尚未探明,但资源潜力巨大。综合考虑资源的数量、重要程度和数据的可获取度等因素,本文将俄罗斯重要的石油和天然气资源点作为主要研究对象。石油和天然气数据来源于哈佛大学地理分析中心worldmap平台（http://worldmap.harvard.edu）。

2.2 方法

2.2.1 北冰洋沿岸港口到白令海峡冰区通航时长 采用RCP 4.5和RCP 8.5两种代表性浓度路径排放情景,选择耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中的6种全球气候模式（CNRM-CM5、GFDL-CM3、HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-LR、MIROC-ESM、MPI-ESM-MR）的海冰密集度和厚度数据参与计算。以2030年、2040年、2050年、2060年和2070年作为研究节点,将每个节点前后5年的5月1日—10月31日的海冰数据进行均值处理,作为该节点的数据。使用北极通航可行性模型（ATAM）对通航性进行量化,计算破冰船（PC6）和商船（OW）2种船型的船舶航行安全指数（IN）。采用Dijkstra最短路径算法确定北冰洋沿岸港口与白令海峡冰区之间最短路线,针对各航线,用每个栅格的航行距离除以IN值对应的该栅格航速,得到该栅格航行时间,相加后得到该航线的总通航时长[33]。
2.2.2 中国港口到俄油气资源的可达时间 本文参考加权平均旅行时间的概念[19],定义中国重要港口到俄罗斯的油气资源的可达时间指标。其中,俄罗斯港口是连接中国港口与北极油气资源的重要桥梁,中国获取俄罗斯地区资源的途径由两部分组成,首先将资源从俄罗斯资源储存地运输到俄罗斯港口,再由俄罗斯港口经过海上运输到达中国港口。基于上述途径,本研究对加权平均旅行时间的公式做出改进,以表述本文对中国港口资源可达性的定义。中国港口i通过俄罗斯港口j的获取油气资源的可达时间计算公式如下：
A ij = ∑ k = 1 n ( ( T ij + T jk ) × M k ) ∑ k = 1 n M k
式中： M k 为资源点 k 的储量; T ij 为中国港口 i 与俄罗斯港口 j 之间的航行时长; T jk 为俄罗斯港口 j 到资源点 k 的可达时间[31]; n 为资源点总数量。 T jk 的计算方法简要概括如下（计算细节与结果请参见文献[31]）：通过栅格成本距离法得到俄罗斯地区各资源点到俄罗斯各港口的最短时间 t jk ,然后按照式（2）分别计算各港口的油气加权平均旅行时间（ T jk ）,从而表示各港口与油气资源联系的紧密程度[31]。
T jk = ∑ k = 1 n ( t jk × M k ) ∑ k = 1 n M k
根据文献[34,35]的有关描述,考虑安全因素,将海上运输的船速定位16 kn（1 kn=1.852 km/h）,俄罗斯太平洋沿岸港口到中国港口的海运时长=两者间海区距离/海区船速;俄罗斯北冰洋沿岸港口到中国港口的海运时长=北冰洋沿岸港口到白令海峡冰区通航时长[33]+白令海峡到中国港口海区距离/海区船速。根据式（1）,按照船型—排放情景分成4种情况进行计算,得到2030—2070年中国港口油气资源可达性的变化趋势。
2.2.3 中国港口到俄油气资源的海运成本 本文中的中国港口到资源的海运成本指中国港到俄罗斯各港口的通航成本平均值。根据俄罗斯港口位置的不同,通航成本应分段计算,具体情况可分为2种：
（1）俄罗斯太平洋沿岸港口到中国港：由于世界上油轮和LNG船的船舶数量（尤其是冰级油气船舶）较少,较难获取统一标准的参数,在本文中均假设采用普通4100 TEU集装箱船进行货物运输,设定船速为海区船速16 kn,无需破冰护航费。
（2）俄罗斯北冰洋沿岸港口到中国港：整条航线采用抗冰型4100 TEU集装箱船进行货物运输,其中：① 从俄港口到白令海峡的航线需要考虑冰区航行的特殊情况[33];② 从白令海峡到中国港口的航线设定船速为海区船速16 kn,无需破冰护航费。
基于上述分析,通航成本的具体计算方法如下：
（1）俄罗斯太平洋沿岸港口到中国港口的通航成本
资本成本：仅包括船舶租金,普通4100 TEU集装箱船的日租金为2万美元[36]。
营运成本：① 船员费,普通4100 TEU集装箱船传统航线的船员费为每年144万美元,折合到日工资为3945.21美元[36];② 修理维护费,年度修理维护费一般为船舶造价的0.2%。普通4100 TEU集装箱船的船舶造价为5500万美元,因此确定修理维护费用为5500×0.2%=11万美元,折合成日修理维护费301.37美元[36];③ 保险费,普通4100 TEU集装箱船一年的保险费为14万美元,折合日保险费为383.56美元[36];④ 管理费,包括与航运活动有关的各种事务流程处理费用。日管理费设定为船员工资的1/2,为1972.61美元[36];⑤ 折旧费,一般一艘造价5500万美元的普通4100 TEU集装箱船使用寿命为25 a,因此年折旧费为5500万/25=220万美元,折合日折旧费为6千美元[37];⑥ 其他运营费,设定为管理费的2%,折合日其他运营费为39.45美元[36]。
航次成本：燃料费,等于主机燃料消耗×燃料油价格。主机燃料消耗率计算公式如下[36]：
F = FP × BHP
式中： F 为主机燃料消耗率（t/h）; FP 为主机单位功率燃料消耗率; BHP 为主机制动马力,普通4100 TEU集装箱船 BHP 为3.6万kW,单位功率燃料消耗率为170 g/(h kW)。因此,主机燃料消耗率为固定值6.12 t/h。取燃料重油价格为600美元/t,最终和主机燃料消耗率、航行时间共同计算得出总燃料费[36]。
（2）白令海峡到中国港口的通航成本
资本成本：仅包括船舶租金,具有抗冰能力的4100 TEU集装箱船日租金为2.6万美元[36]。
营运成本：① 船员费,由于对员工PC6的操控要求较高,因此将年船员费提高为172.8万美元,折合到日工资为4734.25美元[36];② 修理维护费,年度修理维护费一般为船舶造价的0.2%;抗冰型船舶造价为7150万美元,因此确定修理维护费用为7150×0.2%=14.3万美元,折合成日修理维护费391.78美元[36];③ 保险费,抗冰型集装箱船一年的保险费为21万美元,折合日保险费为575.34美元[36];④ 管理费,设定为船员工资的1/2,因此日管理费为2367.13美元[36];⑤ 折旧费,一般一艘造价7150万美元的抗冰型4100 TEU集装箱船使用寿命为25 a,因此年折旧费为7150万/25=286万美元,折合日折旧费为8千美元[37];⑥ 其他运营费,设定为管理费的2%,因此日其他运营费为47.34美元[36]。
航次成本：燃料费,等于主机燃料消耗×燃料油价格。主机燃料消耗率计算见式（3）。抗冰型船只的主机制动马力为4.68万kW,主机单位功率燃料消耗率为187 g/(h kW)。因此,主机燃料消耗率为固定值8.75 t/h。取燃料重油价格为600美元/t,最终和主机燃料消耗率、航行时间共同计算得出总燃料费[36]。
（3）俄罗斯北冰洋沿岸港口到中国港口的通航成本
俄罗斯北冰洋沿岸港口到中国港口的通航成本分为2个部分：① 北冰洋沿岸港口到白令海峡的航线成本,该成本的计算过程和上述成本计算过程近似,参与计算的航行时间和航行速度取决于东北航道不同年代不同排放情景下的海冰状况[33];② 白令海峡到中国港口的航线成本。将2个部分相加即可得到总的航线成本。

3 研究结果

3.1 中国港口到俄油气资源可达性演变

图2、图3分别为4种船型—排放情景组合下2030—2070年中国港口到俄罗斯石油资源和天然气资源的加权平均旅行时间变化。港口在不同船型—排放情景下对两种资源的可达时间排名保持一致,耗时最少的是南通港,其次是舟山港和青岛港,这两个港口的变化趋势非常接近;防城港和北海港的用时较长。深圳港以南的港口（防城港、北海港、洋浦港）到达俄罗斯地区资源点的时间普遍较长;泉州港以北的港口可达时间较短,其中又以相对靠南的南通港耗时最短。
图2 2030—2070年中国各港口到俄石油资源的可达时间变化趋势

Fig. 2 Changes of accessible time from Chinese ports to Russian oil resources in 2030—2070

图3 2030—2070年中国各港口到俄天然气资源的可达性变化趋势

Fig. 3 Changes of accessible time from Chinese ports to Russian gas resources in 2030-2070

对比2种资源可达性趋势,相比于到俄天然气资源,中国港口到俄石油资源的可达时间更短,时长缩短10 h左右。这个差距在不同的船型—情景组合、不同的中国港口之间普遍且稳定存在,可能来源于两种资源点分布状况的差异。从不同的船型—排放情景组合来看,中国各港口通过OW在RCP 8.5情况下的资源可达时间下降趋势最显著（图2b）,幅度高达50 h。整体而言,高排放情景比低排放情景可达时间下降10 h左右。PC6情况下,RCP 4.5情景中从2030年到2050年时长下降较快,2050年之后下降速度放缓（图2c）。RCP 8.5情景下,2030年到2040年的下降速度较慢,从2040年开始突然加快,然后缓缓放慢,到2070年下降速度恢复至2030年水平（图2d）。在RCP 4.5情景下,2030年和2070年PC6对资源可达时间的下降作一致,均比OW下降了70 h左右;而RCP 8.5情景下,PC6对OW在2070年（50 h）的时长下降作用没有2030年（80 h）的强烈,说明高排放情景下OW的通航能力逐年增强。在同一船级比较排放浓度不同带来的影响,会进一步确定上述结论的得出：2070年OW在RCP 8.5情景下可达时长要比RCP 4.5情景的时长降低约25 h,而同期不同排放情景PC6的下降幅度仅仅为5 h。
重点关注OW—RCP 8.5情景下的可达性趋势。将10个中国港口的石油、天然气资源可达时间变化趋势平均计算,得到表3。在该组合情况下,石油和天然气资源的可达时间从2030年的500 h下降到2070年的440 h,50年内时长下降了52 h,在所有船型—情景组合中可达性潜力最大,无论在何种资源运输中,OW都具有巨大的潜力优势。综合上述分析,在高排放情景中,OW在2070年后逐渐可以独立航行,对破冰辅助的需求逐渐减少,运输成本较低,而且OW本身的货物运输能力要高于PC6,因此2070年后采用OW航行比采用PC6具有更优的经济性和资源可达潜力,这种情况的出现对未来的资源运输是有利的。
表3 商船RCP 8.5情景下中国港口的资源可达性

Tab. 3 Resource accessibility of Chinese ports under OW-RCP8.5 combination

资源 资源可达时间(h)
2030年 2040年 2050年 2060年 2070年 下降幅度
石油 493.25 476.00 472.88 457.81 441.23 52.02
天然气 501.88 484.62 481.51 466.44 449.85 52.03
综合整理各船型、各排放情景下中国各港口到两种资源的可达性数据,可以得到10个港口的加权平均旅行时间的总体变化趋势。分析各港口到石油资源的可达性演变过程（图4）,10个港口的可达时间下降较为稳定,可达时间最长的港口防城港从2030年的497 h（20.7 d）下降到2070年的469 h（19.5 d）;南通港50年间的资源可达时间最短,从2030年的414 h（17.3 d）下降到2070年的386 h（16.1 d）。将10个港口的可达时间平均,趋势线如图4黑色虚线所示。中国港口到俄罗斯地区石油资源可达时间在50年内下降了近30 h。由于演变情况的趋势线与一次线性函数相类似,将可达时间—年代数据作线性函数拟合,得到的表达式为y = -6.8823x+456.62,其中R2 = 0.9971。从该函数可知,时间每向后推移10 a,中国港口的石油资源加权平均旅行时间相应下降近7 h。由于R²高度接近1,可以认为该规律比较可靠,可达时长和年代变化之间呈现稳定的负相关关系。由于各港口的演变趋势各自平行,而该平行差异取决于港口的位置差异,因此不同港口的趋势线斜率和平均值的斜率基本等同,拟合函数之间的差距在于截距,即前述的港口位置差异,由此可认为该线性函数规律适用于中国各港口的石油资源可达程度。此外,从图4中可以发现,泉州港的可达时间变化趋势线和各港口平均变化趋势线最为接近,说明在中国沿海港口的选取中,泉州的地理位置适中,其资源可达情况可以近似代表中国重要港口资源可达程度的平均水平。
图4 2030—2070年中国各港口到石油资源的总体可达性变化趋势

Fig. 4 General changes of accessibility from Chinese ports to oil resources in 2030-2070

各港口到天然气资源的加权平均旅行时间趋势如图5所示。和石油资源相比,天然气资源的可达时间要多出近10 h。除了总体可达时长普遍高于石油资源外,各港口天然气可达时长的变化走向与时长下降幅度和石油资源的可达程度近似。防城港的加权平均旅行时间依然最长,从2030年的505 h（21.0 d）下降到2070年的478 h（19.9 d）;时长最短的港口为南通港。天然气可达程度从2030年的422 h（17.6 d）下降到2070年的395 h（16.5 d）,将天然气可达时间—年代数据作线性函数拟合,得到y = -6.8823x+465.24,其中R2 = 0.9971。斜率和R2与石油资源的相同,两个拟合函数的主要差距在于截距,相差不到10 h。该部分的差距主要取决于俄罗斯港口到其内陆石油、天然气2种资源可达时间的差异。
图5 2030—2070年中国各港口到天然气资源的总体可达性变化趋势

Fig. 5 General changes of accessibility from Chinese portsto gas resources in 2030-2070

除平均船型—情景组合后的总体可达性分析外,表4还同时给出了中国各港口2070年在PC6—RCP 8.5组合情况下（北极航道冰况和可达性在4种组合情况中最佳）直观的数字展示,作为中国港口到俄罗斯资源可达性的定量化参考。比较平均情况和最优情况,2070年最佳情况下的资源可达时间比平均情况要减少约1.5 d,南通港在可达性最佳情况下到达俄罗斯油气资源仅仅需要14.8 d,而防城港在平均情况下的油气资源可达时间在18 d以上。因此,从不同港口出发的航线在不同情况下的资源可达时间有较大差异,进而导致航运成本的不同。
表4 2070年中国各港口资源可达性对照(d)

Tab. 4 Comparison of resource accessibility of Chinese ports under different conditions in 2070 (d)

港口 PC6—RCP 8.5 平均情况
石油资源可达时间 天然气资源可达时间 石油资源可达时间 天然气资源可达时间
天津港 15.57 15.93 17.00 17.36
大连港 15.19 15.55 16.63 16.98
青岛港 14.86 15.22 16.29 16.65
南通港 14.67 15.03 16.10 16.46
舟山港 14.80 15.16 16.23 16.59
泉州港 15.77 16.13 17.20 17.56
深圳港 16.89 17.25 18.32 18.68
防城港 18.11 18.47 19.54 19.90
北海港 17.95 18.31 19.38 19.74
洋浦港 17.78 18.14 19.21 19.57

3.2 中俄港口间海运成本变化

分别对不同情况下的中俄港口间航线的通航成本进行计算,按照船型—情景的组合将成本变化趋势分类（图6）。在所有组合情况中,OW—RCP 8.5情景的成本下降趋势最为明显（图6b）,且从2050年开始下降趋势变得较为稳定,在该组合下通航成本从2030年到2070年下降幅度最多,为5.2万美元。对比OW情况（图6a、6b）和PC6情况（图6c、6d）,OW的变化起伏普遍比PC6要大。对于任何港口、任何时段,OW的运费普遍比PC6运费高出3万美元以上。不同情景之间的差异较小,对OW而言高排放浓度情景能够比低排放浓度情景降低2万美元,而对PC6而言不同排放情景下运费的差距微乎其微。
图6 2030—2070年中俄港口间通航成本变化趋势

Fig. 6 Changes of navigation costs between Chinese and Russian ports in 2030-2070

综合各种船型情景情况,得到中俄港口间平均通航成本变化趋势（图7）。各港口的通航成本50 a来总体呈下降趋势,俄罗斯港口到南通港的通航成本最低,2070年可达163万美元;防城港的通航成本最高,在2070年为212万美元。通航成本最高和最低的港口之间相差近49万美元。对各港口通航成本做平均分析,发现泉州港的通航成本依然近似代表了整体中国港口的平均值,整体的通航成本变化可拟合为：y = -0.4868x+187.31,其中R2 = 0.9788,接近于1,认为拟合程度较好,各港口的成本变化规律比较稳定。根据拟合式,总体港口的成本基础为187万美元,在此基础上,每过10 a通航成本下降0.5万美元。经过该规律的变化,平均通航成本从2030年的187万美元变为2070年的185万美元,下降了2万美元。
图7 2030—2070年中俄港口间通航成本变化总体趋势

Fig. 7 General changes of navigation costs between Chinese and Russian ports in 2030-2070

4 结论与讨论

从中国港口出发连接油气资源,需要通过俄罗斯港口作为重要连接媒介。结合加权平均旅行时间的概念,本文给出了中国港口资源可达性的计算公式,定量计算天津港、大连港、青岛港、南通港、舟山港、泉州港、深圳港、防城港、北海港和洋浦港10个中国进口港在不同的船型—情景组合情况下2030—2070年对石油和天然气两种资源的可达程度。从计算结果来看（表4）,首先,对于2种资源而言,中国港口的可达性排名没有发生变化,和其地理位置之间的差异有关,而这个差异是固定的。总体上到达俄罗斯地区资源耗时最少的是南通港,最长的为防城港,舟山港和青岛港的可达程度接近;第二,基于目前油气资源的地理分布,中国港口到达石油资源的时间普遍短于到天然气资源,可达性更佳,两种资源的可达性时长相差10 h。这一差距主要是由俄罗斯港口资源可达性的差异导致;第三,对船型—情景组合情况的影响进行分析后发现,高排放情景下可达时间普遍比低排放情景低10 h左右,且高排放情景下OW的通航能力显著增强,对比低排放情景资源可达时间下降幅度远大于PC6的下降幅度。在这种趋势下,OW和PC6的运距差异不断缩小,而且OW在货物运输能力更为显著,海冰融化通航能力提高使得破冰费用不断降低,在2070年之后的资源运输中具有更大的优势潜力。
将从中国港口出发到达俄罗斯油气资源途径的所有航线数据平均化之后,得到的10个中国港口2030—2070年的石油、天然气资源加权平均旅行时间变化趋势。结果表明,各港口对两种资源的可达程度变化走向相同,只在趋势线截距上存在由于俄罗斯资源分布（俄罗斯港口资源可达性）不同导致的差异,到天然气资源的可达时间比到石油资源多消耗近10 h。泉州港的资源可达时间变化趋势可以近似代表中国港口的平均水平。对数据进行线性拟合,发现时间每往后推移10 a,中国港口对油气资源的可达时间下降7 h,且数据拟合效果较好。在本研究已获得的资料基础上,可以根据这一相对稳定的规律对未来中国资源可达性进行一定程度上的预测。到2070年,在冰况最佳的情况下（采用PC6进行货运,假定排放情景为RCP 8.5高浓度排放）,南通港仅需要14.8 d就能够获取俄罗斯地区的油气资源。而不同船型、不同排放情景下这一时长数值会有所不同,相应的航运成本也会发生改变。因此,在资源运输与调度方面,应综合考虑不同的货运船型与排放情景,选择合适的进口港,结合资源港口建设的政策可能性做出必要的计划调整。此外,该可达时长的预测是在俄罗斯港口到其内陆资源可达性50 a不变的基础上开展的,未来俄罗斯港口的资源可达性会有大幅度的提高[31],相应中国港口的资源可达性也会有所上升,因此可认为本文给出的资源可达时间预测值较为保守。
本文还评估了2030—2070年中俄港口间的通航成本变化,南通港的通航成本最低,到2070年仅需163万美元;防城港的通航成本最高,比南通港的要高出49万美元;泉州港的通航成本可近似代表中国港口的平均水平。结合中国各港口的地理位置、总体资源可达性变化（图4、图5）和总体通航成本变化（图7）,发现以南通港为界,其以南的港口,越往南、往西,耗费的时间越多、成本越高,而南通港以北的港口越往南耗费的时间越少、成本越低,到南通港位置达到最小耗费点。总体上,每往后推移10 a,中俄港口间的通航成本下降0.5万美元。OW在高排放浓度情境下通航成本的变化最大,结合其运输特点,可认为这一现象对未来中俄间货物运输是十分有利的。本文使用固定的经济运营参数计算通航成本,而随着社会经济发展与政策的变化,这些经济参数在未来会出现波动[36]。因此,需要构建更为复杂的成本计算体系[38],以准确计算未来的海运成本。本文发现,在其他运营参数不变的情况下,气候变化导致了东北航道航速的提高,有利于海运成本下降,进而为中国资源海运进口带来的机遇和优势。随着北冰洋海区（东北航道航段）的海冰逐渐消融,航速加快,破冰费用减少,船舶建造技术和船员素质提高,未来运费的下降是必然出现的,而且将会比本研究中估测的下降幅度更大。经由东北航道运输,无论是在时间还是在成本上都比传统航道更为有利,在海冰减少的情况下,从东北航道运输的优势将进一步体现,且运输变得逐渐稳定、安全。
进一步研究将从以下几个方面进行改进和扩展：第一,由于资料限制,本文使用了集装箱船成本计算通航成本,导致成本的计算结果会出现误差。在今后的研究中,将继续搜集油轮和液化天然气船的相关参数,使成本计算更加准确。第二,本文仅关注气候变化背景下中俄港口间的海运成本,将根据“全路径”的分析思路,从俄罗斯内部资源点到港口的交通运输方式与路线入手,建立油气资源运输的陆运成本指标体系。第三,北极航道的开通对于中国的能源贸易具有深远影响。短距离方面,开通北极航道会提升中国从俄罗斯进口油气资源的海上运输潜力;长距离方面,中国可以从北极航道进口来自中东和非洲地区的石油资源,可以规避海运必经马六甲海峡的潜在风险,保障了中国石油的进口安全。我们将进一步研究中国经北极航道从中东和非洲国家进口石油资源的可达性和通航成本,探索北极航道为中国油气资源进口提供的更多机遇。

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