林思源，張振偉*，劉必勁, 袁和平

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024；2.浙江大學(xué)海南研究院，海南 三亞 572025；3.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

塑料以其廉價(jià)與方便，給人們生活帶來了便捷，但卻對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生了惡劣的影響。預(yù)計(jì)到2050年，將有120億t的塑料垃圾進(jìn)入自然界，這將對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成不可估量的影響[1]。據(jù)估計(jì)，現(xiàn)每年約有1 270萬t的塑料垃圾進(jìn)入海洋，相當(dāng)于每分鐘有一卡車的塑料垃圾被傾倒進(jìn)海洋[2]。研究指出，有914種海洋物種受到海洋塑料污染的影響[3]。海洋塑料垃圾已經(jīng)成為僅次于氣候變化的全球危機(jī)，為此，聯(lián)合國(guó)在全球啟動(dòng)海洋廢棄物行動(dòng)計(jì)劃與區(qū)域合作，并呼吁工業(yè)國(guó)率先帶頭減少塑料垃圾。

為更有效地治理海漂垃圾，人們?cè)O(shè)計(jì)和建造了多種收集裝置來清理海漂垃圾。國(guó)外，Pete Geglinski和Andrew Turton設(shè)計(jì)建造了“Seabin”垃圾桶[4]。該種垃圾桶可以固定在碼頭上，應(yīng)用水泵從桶底產(chǎn)生水流，從而使垃圾桶邊緣和海水液面形成水位差，帶動(dòng)周圍水體和漂浮物向“垃圾桶”內(nèi)運(yùn)動(dòng)，完成漂浮垃圾的收集。荷蘭The Ocean Cleanup建造了依靠洋流和水流作用收集海漂垃圾的System 001/B[5]和Interceptor[6]，前者整體形狀為C形，配有3 m深的裙帶，用于攔截大洋漂浮垃圾；后者主要用于河流區(qū)域的漂浮垃圾收集。2014年，非營(yíng)利組織海濱合作伙伴(Waterfront Partnership)設(shè)計(jì)完成內(nèi)港水輪機(jī)海漂垃圾回收裝置，采用舊式水輪機(jī)和太陽能作為動(dòng)力，收集河流中的漂浮垃圾[7]。位于華盛頓貝靈漢的Marina Accessories 公司生產(chǎn)出了Marina Trash Skimmer裝置，該裝置需安裝在漂浮碼頭上，由水泵產(chǎn)生水流后將漂浮垃圾收進(jìn)垃圾箱內(nèi)，而后由人工將收集到的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)至岸上[8]。國(guó)內(nèi)，劉必勁[9]研制了Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備并布放于平潭大嶼島海域，該收集裝備以波浪、海流的沖擊力為動(dòng)力進(jìn)行漂浮垃圾收集，但只有波浪波高足夠大或者水流作用足夠強(qiáng)時(shí)才能帶動(dòng)裝備的傳輸組件運(yùn)動(dòng)。總體上看，以上海漂垃圾收集裝備主要適用于大洋、河流或者內(nèi)港，用于近岸區(qū)域的Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備難以自動(dòng)完成漂浮垃圾收集；其中，只有Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備利用了波浪的沖擊力為動(dòng)力來完成海漂垃圾的收集，但對(duì)波浪波高要求較高。為有利于近岸海域海漂垃圾的長(zhǎng)期有效治理，避免海漂垃圾收集過程中人工效率低的問題，本文以波浪能/太陽能為動(dòng)力源，吸收Duck Mouth型收集裝備的優(yōu)點(diǎn)，并通過振蕩浮子將波浪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，克服其浪高需足夠大的問題，設(shè)計(jì)出近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備。

1 近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備的結(jié)構(gòu)型式

海洋環(huán)境惡劣而復(fù)雜，海上裝備的整體可靠性是裝備研制的難點(diǎn)之一。Duck Mouth型收集裝備在平潭大嶼島附近海域投入了實(shí)際應(yīng)用，積累了一定的技術(shù)資料。在設(shè)計(jì)近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備時(shí)，研究組吸收了Duck Mouth型收集裝備的優(yōu)點(diǎn)，并通過振蕩浮子將波浪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，克服其浪高需足夠大的問題，設(shè)計(jì)出由V字型浮圍欄和收集系統(tǒng)兩大主體構(gòu)成的近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備(圖1)。V字型浮圍欄的功能是將漂浮的垃圾匯集到收集系統(tǒng)，繼而在機(jī)械裝置作用下將垃圾提升、轉(zhuǎn)移到垃圾分揀框中。自驅(qū)動(dòng)收集系統(tǒng)主要由HDPE材料制成的浮平臺(tái)及浮平臺(tái)上安裝的單向門、垃圾匯集框、波浪能收集系統(tǒng)(振蕩浮子液壓式和振蕩浮子棘輪式)、太陽能電池板、鏈?zhǔn)絺鬏敊C(jī)構(gòu)、耙爪機(jī)械手、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、垃圾分揀框和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部件組成，具體如圖2所示。

圖1 近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備整體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of the self-driven floating marine litter collection equipment

圖2 海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集系統(tǒng)組成部件圖Fig.2 Components of the self-driven floating marine litter collection system

在V字型浮圍欄和自然動(dòng)力作用下，海漂垃圾匯集到垃圾匯集框內(nèi)，而后垃圾抓取機(jī)構(gòu)將其提升至垃圾分揀框內(nèi)。垃圾分揀框內(nèi)有垃圾收集袋，當(dāng)垃圾較多時(shí)，可以直接更換垃圾收集袋。為了防止漂浮垃圾逃逸，在垃圾匯集框部分設(shè)置了單向門。垃圾抓取動(dòng)作的執(zhí)行由懸掛的鏈?zhǔn)絺鬏敊C(jī)構(gòu)和耙爪機(jī)械手完成，電機(jī)或波浪能收集系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上的塑料鏈條組繞環(huán)形結(jié)構(gòu)循環(huán)移動(dòng)，掛在鏈條組上的耙爪式機(jī)械手跟隨鏈條組移動(dòng)，將垃圾抓取后沿斜坡提升，直至斜坡最高點(diǎn)后落入垃圾分揀框內(nèi)。維護(hù)人員可根據(jù)視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程觀察垃圾收集情況，并不定期到平臺(tái)上對(duì)垃圾進(jìn)行分揀、回收和無害化處理。

為了保證系統(tǒng)的綠色環(huán)保性和穩(wěn)定運(yùn)行，裝置動(dòng)力部分由太陽能和波浪能兩套系統(tǒng)并聯(lián)而成。晴朗天氣時(shí)由太陽能板發(fā)電，變壓后儲(chǔ)存到蓄電池，蓄電池為電動(dòng)機(jī)提供電力，帶動(dòng)耙抓機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)可以設(shè)置為間隔一定時(shí)間啟動(dòng)的模式。陰雨天氣、風(fēng)浪大時(shí)以波浪能驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)為主。波浪能裝置不產(chǎn)生電能，僅將波浪引起的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為帶動(dòng)耙抓機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。通過此設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)全天候自驅(qū)動(dòng)垃圾收集。

2 近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備的應(yīng)用

2.1 近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備的布置

2021年3月，研究組將海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備布設(shè)于福建省連江縣海潮寺海灘近岸海域。連江縣是重要的漁業(yè)養(yǎng)殖基地，養(yǎng)殖過程中使用的泡沫浮標(biāo)、塑料容器、木材及生活垃圾都是海漂垃圾的來源。福建省生態(tài)環(huán)境廳曾多次通報(bào)連江縣為海漂垃圾問題突出的海岸段。目前，連江縣采取人工清理的方法清理漁港及部分海岸區(qū)域的海漂垃圾，但對(duì)漂浮于海水中的垃圾尚缺乏有效的治理手段。主要原因是海域水面開闊，海漂垃圾體積小且運(yùn)動(dòng)受氣象條件影響大，從而造成人工收集效率較低。海潮寺海灘沙白浪凈，具有良好的旅游價(jià)值，是連江縣筱埕鎮(zhèn)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域——海潮寺濱海旅游景點(diǎn)的重要組成部分，但垃圾問題較為嚴(yán)重，影響了景點(diǎn)體驗(yàn)感，故研究組將設(shè)計(jì)的海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備布設(shè)于此。

海潮寺海灘位于黃岐半島南側(cè)突出部位，屬典型的岬灣海灘，岸線呈西北走向，海灘岸線長(zhǎng)度約400 m，干灘最大寬度約28 m，具體如圖3所示。

圖3 海潮寺海灘及附近海岸布局圖Fig.3 Map of Haichaosi Beach and its adjacent coastal regions

裝備在該海灘近岸海域的的平面布置情況和現(xiàn)場(chǎng)工作照如圖4所示。

圖4 海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備平面布置和工作照Fig.4 The set-up and photo of self-driven floating marine litter collection equipment

2.2 海灘海洋垃圾調(diào)查評(píng)估方法

研究組于2021年1月7日至8日進(jìn)行了海潮寺海灘第一次海洋垃圾調(diào)查，共調(diào)查了15個(gè)樣方；9月10日對(duì)海潮寺海灘開展了第二次海洋垃圾調(diào)查，共調(diào)查了10個(gè)樣方。調(diào)查以10 m×10 m的區(qū)域作為樣方[10]，按照塑料類、橡膠類、泡沫聚苯乙烯類、玻璃陶瓷類、金屬類、其他人造物等6個(gè)種類(見表1)對(duì)樣方內(nèi)海洋垃圾進(jìn)行分類、稱重。垃圾稱重采用津鷹818型號(hào)電子秤，精度為±1.0 g。

表1 海洋垃圾分類表Table 1 Marine litter classification

調(diào)查區(qū)域內(nèi)單位面積垃圾數(shù)量或單位面積垃圾質(zhì)量(D)按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

D=s/A。

(1)

式(1)中：s為垃圾的數(shù)量或質(zhì)量，單位為個(gè)或g；A為調(diào)查樣方的面積，單位為m2。

為評(píng)估海潮寺海灘整體環(huán)境質(zhì)量狀況，采用 Schulz M等[11]提出的評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)海潮寺海灘海洋垃圾類別調(diào)查結(jié)果，選定“塑料飲料瓶”和“塑料/聚苯乙烯制成的所有對(duì)象總和”這兩種垃圾為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算海潮寺海灘整體環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 海潮寺海灘海洋垃圾綜合評(píng)價(jià)表Table 2 Comprehensive evaluation of marine litter at Haichaosi Beach

表2中，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量多少來確定的，數(shù)量越多，得分越高，而得分越高，則海灘整體質(zhì)量越差。海灘整體環(huán)境質(zhì)量狀況綜合評(píng)價(jià)指數(shù)根據(jù)式(2)計(jì)算：

(2)

2.3 海灘海洋垃圾治理效果

表3給出了海潮寺海灘海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備布放前后不同種類垃圾的數(shù)量、質(zhì)量。由表3可見，第二次調(diào)查結(jié)果中的垃圾數(shù)量和質(zhì)量均比第一次有了明顯的提升，垃圾總數(shù)由796個(gè)下降到202個(gè)，單位面積數(shù)量由每平方米0.53個(gè)下降為0.17個(gè)；垃圾總體質(zhì)量由55 890 g下降為12 015 g，單位面積質(zhì)量由37 g·m-2下降為12 g·m-2。采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)第一次調(diào)查時(shí)海潮寺海灘海洋垃圾綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為3.25，海灘環(huán)境質(zhì)量居于較差和差之間；第二次調(diào)查時(shí)為2.00，海灘環(huán)境質(zhì)量屬于中等情況。這表明，布設(shè)本研究設(shè)計(jì)的近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備后，有效地減少了海潮寺海灘的海洋垃圾。

表3 海潮寺海灘海洋垃圾的數(shù)量和質(zhì)量Table 3 Quantity and mass of marine litter at Haichaosi Beach

3 結(jié)論

本文研制了以波浪能/太陽能為動(dòng)力、由V字型浮圍欄和垃圾收集系統(tǒng)兩大部分組成的近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備，并將其布放于福建省連江縣海潮寺海灘近岸海域。應(yīng)用結(jié)果表明，布放此裝置后，海潮寺海灘海洋垃圾的單位面積數(shù)量由原來的每平方米0.53 個(gè)下降為0.17 個(gè)，單位面積質(zhì)量由37 g·m-2下降為12 g·m-2，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)由3.25下降為2.00，海灘環(huán)境質(zhì)量由較差/差上升為中等。這表明，本研究研制的近岸海漂垃圾自驅(qū)動(dòng)收集裝備對(duì)海灘海洋垃圾的治理效果明顯，在有效提高海漂垃圾收集效率的同時(shí)，也避免了人工收集效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)近岸海漂垃圾的長(zhǎng)期有效治理。