無居民海島近岸海漂垃圾收集技術應用研究

曹 凱 飛，劉 世 昌

(中交上航(福建)交通建設工程有限公司，福建 廈門 361000)

1 研究背景

我國海島數(shù)量眾多，其中94%為無居民海島。無居民海島地理位置獨特，生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，資源豐富，目前主要發(fā)展方向有海洋觀光旅游業(yè)、能源、工業(yè)基地、及作物種植、養(yǎng)殖家禽等農(nóng)業(yè)活動[1]。因海洋經(jīng)濟政策的支持和國家海洋生態(tài)文明建設的需要，無居民海島的開發(fā)現(xiàn)狀正朝著市場化、規(guī)范化的方向發(fā)展，海島開發(fā)利用跨上新臺階[2]。

隨著海岸帶工業(yè)的發(fā)展以及各種海上活動的加劇，不可避免產(chǎn)生了海洋漂浮物垃圾。根據(jù)權威發(fā)布的《2019年中國海洋環(huán)境狀況公報》，我國海面漂浮垃圾為50個/km2。大量的陸域垃圾入海，一部分漂浮在海面，一部分隨著潮汐變化堆積在海岸邊。由于沒有相應的管理人員和適合的處理方式，無居民海島環(huán)島海域海漂垃圾漂流上岸無法及時清理，不僅嚴重影響海島景觀效果，威脅航行安全[3]，還可能導致生物因海漂垃圾污染而死亡，間接導致海洋生態(tài)系統(tǒng)功能喪失和生物多樣性減少。黨的十八屆五中全會提出開展藍色海灣整治行動計劃，為了實現(xiàn)“水清、岸綠、灘凈、灣美”的目標，海漂垃圾必須及時清理、回收、轉運和處理[4]。

大嶼島是無居民海島，位于福建省平潭綜合實驗區(qū)，平潭海壇海峽中段東側，近陸距離2.35 km。該島整治修復前期近岸海漂垃圾較多，主要分布在島嶼東北側。傳統(tǒng)的人工小船清理是現(xiàn)階段比較常見的海漂垃圾清理方式[5]，小船比較靈動，能夠有效清理部分垃圾，但效率低、費時費力，可能還會造成二次環(huán)境污染[4]。無居民海島生態(tài)環(huán)境脆弱，且能源供給薄弱，生態(tài)環(huán)保要求高[6]，因此在進行海漂垃圾收集時就必須做到“適地適用”。

清理海漂垃圾與清理湖泊(水庫)等淡水域水上漂浮垃圾有一定的異同點。考慮到淡水域沒有潮汐帶來的水動力，水上漂浮垃圾主要集中在近岸的靜水區(qū)域，主要清理方式大致可分為推漂、撈漂及兩者的結合3類[7]。這些方式借助人力、機械動力，實施水上漂浮垃圾點狀、集中收集并打撈上岸。但此類水上漂浮垃圾往往在汛期時才會大量出現(xiàn)，因此只要定時地進行屬地管理、就地打撈、科學清運、妥善處置，就可以保證水面清潔、無漂浮物聚集。海洋的不穩(wěn)定性和較大的風浪，除了會使海漂垃圾不定時、不定量的出現(xiàn)，還會導致漂浮垃圾收集時的安全可靠性比淡水域低得多。因此在進行海漂垃圾清理時，可以適當結合淡水域清理方式的思路，但無法有效復制應用在無居民海島。

面對愈加嚴峻的海洋污染，國內(nèi)外也正積極探索實踐更加環(huán)保高效的海漂垃圾回收技術，比較典型的技術有海上垃圾桶、基于洋流作用的海漂垃圾回收器、太陽能水車海漂垃圾回收器等[4]。這些技術主要應用于沿海港口城市，對于無居民海島的研究應用幾乎是空白，因此適用于無居民海島海漂垃圾收集清理的技術研究就顯得迫在眉睫。

本文闡述的近岸海漂垃圾自驅(qū)動收集技術是一項新技術。該技術基于波浪折射原理，利用近岸最主要的3種水動力，即波浪、潮汐和潮流來實現(xiàn)海漂垃圾的全時段無能耗主動面式吸收[4]。所提出的無能耗理念，克服了人工收集海漂垃圾費時費力等缺點，而且利用該技術研發(fā)的海漂垃圾收集裝置具有體積小和造價低等特點，特別適合應用于無居民海島近岸。

2 近岸海漂垃圾自驅(qū)動收集技術關鍵點

2.1 海壇海峽海域海漂垃圾運動軌跡

本技術關鍵點在于對海漂垃圾的運動規(guī)律進行研究分析，通過潮流數(shù)值計算、潮流場驗證、水動力計算、GPS跟蹤海試等方式來確定其運動軌跡[8]。在運動軌跡確定后，即可大致選定后續(xù)海漂垃圾攔截裝置和收集裝置的布置方向。

(1) 通過MIKE21模型對海壇海峽海域流場進行二維潮流模擬，得到海漂垃圾收集裝置布置區(qū)域的點位流速流向等數(shù)據(jù)。為了驗證建立的數(shù)值模型能否準確模擬工程區(qū)域流場特征，將實測資料(潮位、流速及流向)與模擬結果進行對比，并進行修正。

(2) 對大、中、小潮漲急、落急時刻流場水動力數(shù)值模擬計算結果進行分析。根據(jù)水動力計算分析可知，外海漲潮流從東北向進入研究海域，受大嶼島的阻擋分為兩支水流，一支從大嶼島西側由北向南傳入海壇海峽，另一支從大嶼島東側向西南方向流動。落潮流則沿漲潮流的反方向流動。也就是海壇海峽海域漲潮流由北向南流動，落潮流由南向北流動。

(3) 進行漂流軌跡海試試驗，實地投放GPS定位裝置。結合數(shù)模和實地試驗分析可知：海壇海峽潮流主要為南北向的往復流，其中水位高于平均海平面時，潮流流向自北向南，水位低于平均海平面時，潮流流向自南向北。自北向南的漲急流速明顯大于自南向北的落急流速。潮致余流方向為自北向南，這是大嶼島北部海漂垃圾向南遷移至大嶼島北岸的重要原因，也是海壇海峽海域海漂垃圾的運動規(guī)律。

2.2 無居民海島近岸垃圾運動規(guī)律

據(jù)波浪理論可知，波浪進入淺水后，波速和波長隨著水深變淺而減小。當波浪與水下等深線成斜向傳播時，水深較大處波浪的傳播速度快于淺水處波浪，因而使波浪的傳播方向(波向)逐漸發(fā)生變化，最終趨向于與海岸線垂直，這種現(xiàn)象稱為波浪折射[9]。折射作用的結果是：在大嶼島岬角處，波高因折射而增大、波浪能密度大；在大嶼島海灣里，波高因折射而減小，波浪能密度小。大嶼島沿海岸上各處的波高不等，這樣波能會從密度高的區(qū)域流向密度低的區(qū)域。當海漂垃圾隨著波浪進入到大嶼島近岸淺水區(qū)時，經(jīng)過波浪折射作用，導致大嶼島上海漂垃圾幾乎都集中在大嶼島A、B、C段的岸灘海灣里(圖1(a)開口型所示區(qū)域)。

圖1 海漂垃圾自動收集裝置布置形式Fig.1 Layout of marine waste automatic collection devices

2.3 海漂垃圾自動收集裝置布置形式

考慮到C段坡度大且臨近習慣航路，施工難度大、安全系數(shù)低，因此C段采用只攔不收的方式，讓垃圾在風浪流共同作用下，運動到地勢平坦、易布置垃圾桶的A、B兩段處再被收集。為了盡可能多地收集到海漂垃圾，根據(jù)波浪折射定律及海漂垃圾運動規(guī)律，本技術將海漂垃圾收集裝置布置成“V”形[4]，當海漂垃圾進入到裝置所覆蓋區(qū)域，首先被浮式柵欄攔截，然后經(jīng)過海上復雜外載荷的持續(xù)作用，慢慢順著浮式柵欄滑向垃圾桶，完成收集。

目前主流的垃圾收集裝置的布置方案分別是開口型和封口型[8](如圖1所示)，兩者都充分考慮B段丁壩的系泊作用，區(qū)別是A、B兩段是否封閉連接。開口型沿著潮流波浪傳播方向的縱向布置，使在不降低垃圾收集效率的同時，有效減小整個結構的受力；但布置位置的水深地形變化梯度較大，施工難度大，不能夠完全保證沙灘不受海漂垃圾的污染，布置形式也不夠美觀。封口型的布置水域水深較淺，地形較為平緩，施工難度不大，比較經(jīng)濟，可以對A、B兩處沙灘形成全封閉式的保護；但結構總體受力較大，A、B兩處裝置離的比較近，有一定碰撞概率，但風險也不大。因此，推薦采用封口型布置形式。

2.4 海漂垃圾自動收集結構設計

(1) 對海島海漂垃圾現(xiàn)狀進行調(diào)查，統(tǒng)計其種類、數(shù)量、大小等情況[10]，根據(jù)調(diào)查結果中的典型垃圾，設計垃圾桶的尺寸及容量。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，木制類和塑料類垃圾占大嶼島海漂垃圾的絕大多數(shù)。木制類尺寸較大，但長度大都在1 m以下，少部分在1～3 m之間。因此根據(jù)這些特定垃圾的種類和尺寸，針對性地設計了兩種形式的垃圾桶，其中門式尺寸4 m×4 m，葉輪式尺寸3.2 m×6.9 m，分別投放在A、B兩段進行收集效率對比試驗。門式垃圾桶為單向門，只允許垃圾單向進入，不允許反向溢出。而葉輪式結構通過波浪力推動水車葉面旋轉，帶動傳輸帶由下至上移動，進而帶動垃圾向上移動，同時在波浪作用下垃圾向斜坡上方移動，傳輸?shù)嚼爸校瓿衫氖占?/p>

(2) 海漂垃圾自動收集結構物參照海上平臺設計，有柱樁定位及錨鏈系泊定位兩種[8]。其中，柱樁+錨鏈定位方式，能適應在惡劣海況下全天候工作，而無需考慮惡劣天氣下的安全問題。垃圾桶利用3個固定樁柱進行定位，浮式柵欄采用兩個浮筒并配套相應的錨塊加鋼纜的系泊系統(tǒng)進行定位，而錨鏈端部則利用沉石穩(wěn)定在海床之上，如圖2(a)所示。而全錨鏈定位方式外載荷作用力最大處集中在垃圾桶，通過使用四根錨鏈完全對稱的方式進行系泊，同樣定位可靠，如圖2(b)所示。考慮到該島整體及周邊海域生態(tài)環(huán)境脆弱，應當盡可能減少對環(huán)境造成影響；從施工難度和施工周期來看，考慮到該區(qū)域行駛船舶較多，樁柱定位施工期要加大安全警戒，打樁機械投入成本高，施工周期長，利用全錨鏈的定位方案更加簡便快速；柱樁+錨鏈結構后期再次優(yōu)化的空間不高，不利于后續(xù)的進一步拓展研究。因此，推薦使用全錨鏈定位方案。

(3) 海漂垃圾收集裝置要想發(fā)揮應有的功能，應考慮該裝置在復雜水動力條件下的穩(wěn)定性和安全性。因此，需要對選定的定位方案進行理論結構強度設計，對收集裝置的結構強度進行分析并進行物理模型試驗研究，確定最終結構形式及后續(xù)生產(chǎn)投放、收集效率現(xiàn)場試驗等[4]。

圖2 海漂垃圾自動收集結構形式Fig.2 Structures of marine waste automatic collettion devices

3 現(xiàn)場實際應用效果

3.1 應用概況

由于需要解決的海漂垃圾集中在東北側，垃圾覆蓋長度經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計為750 m，綜合收集效率、結構受力、經(jīng)濟成本、建造施工以及對東面航道影響等因素，使用封口“V”形布置方案。A段設置230 m的攔截浮式圍欄(浮子式橡膠圍油欄材質(zhì)，下同)和門式海上垃圾桶，B段設置180 m的攔截浮式圍欄和葉輪式海上垃圾桶，C段設置340 m浮式圍欄。試驗裝置的錨固系統(tǒng)由35 m的錨鏈和150 kg錨塊組成，垃圾桶布置四根錨鏈(以及錨塊)，浮式圍欄每隔40 m布置一對錨鏈。所有金屬結構件均采用密度低、強度高、耐腐蝕性好的鈦金屬制造[4]。

3.2 應用條件

(1) 試驗基本參數(shù)。開始時間：2019年5月15日16∶00，漲潮。持續(xù)時間48 h。風況NNE向，平均風速9.0 m/s，最大為10.1 m/s，最小為7.5 m/s。波浪：風浪和涌浪并存的NNE向混合浪，平均波高1.4～1.5 m。

(2) 試驗方法。制作木頭20塊、塑料瓶30個和泡沫20個作為海漂垃圾的試驗樣本，分別在海漂垃圾收集裝置的外海域的3個地點隨機丟下垃圾樣本，用于垃圾的收集和攔截情況試驗。現(xiàn)場整體布置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場總平面布置Fig.3 Site general layout

3.3 應用結論

采取集中A、B段收集的方式可以有效實施C段垃圾的回收。從垃圾的收集效率和效果來看，“V”形的布置方式能夠有效地收集到海上漂浮的垃圾。對比兩種垃圾桶結構發(fā)現(xiàn)，門式結構比較簡單且造價低，但收集垃圾效果更好；葉輪式結構的葉輪轉動跟波浪的特征有明顯關系，浪大的時候葉輪轉動效果才明顯。在規(guī)定48 h試驗條件下，最終進入垃圾桶的共有12個泡沫、8個塑料瓶、10塊木頭，其余垃圾樣本均被成功攔截，未發(fā)現(xiàn)進入B段的垃圾樣本。裝置的攔截率為100%，收集率為43%，達到了該工程各項指標的要求。

4 效益分析

以大嶼島近岸堆積的海漂垃圾一次人工清理費為例，清理上述750 m范圍，投入計日工6人，施工期8 d，合計48個工日。由于海島施工的特殊性，人工單價255元/工日，費用合計12 240元。為保證海島岸線美觀保守估計每年清理費約15萬元，價格昂貴且費時費力、效率低下。而采取近岸海漂垃圾自驅(qū)動收集技術，一方面節(jié)省了人力物力資源，另一方面也不會造成海島生態(tài)二次環(huán)境污染，收集的海漂垃圾可以通過分類進行回收。此外，清理海漂垃圾能有效提升海島岸線的魅力，推動我國無居民海島旅游產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展[4]。

5 開發(fā)應用過程的反思

5.1 收集率和攔截率指標

該工程要求海島岸線無海漂垃圾堆積，達到清潔岸線效果，并以48 h內(nèi)海漂垃圾攔截率不低于95%作為考核指標。但實際實施過程中發(fā)現(xiàn)，收集率意義不大，因為在項目48 h實驗過程中，標本數(shù)量太少，有的垃圾可能過了一段時間又被海浪重新推了回來，導致數(shù)據(jù)重復性記錄。考慮到世界上的海漂垃圾數(shù)量巨大，且目前回收率不足20%，因此更應該關注的是收集量，比如以一個月為界限，垃圾桶能夠收集到多少方垃圾，再推算出每年能減少海上多少垃圾，這樣的績效考核指標才更有意義。

5.2 海漂垃圾后期處理

目前，該工程海漂垃圾處理采取人工清掏，并直接轉運至大陸填埋場填埋或者焚燒的方式。由于該工程相對陸地距離較短，可以考慮上述直接方式進行，但對于遠離大陸地區(qū)的無居民海島而言，推薦海漂垃圾收集入桶后按如下流程進行處理：根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》中固體廢物資源化、減量化、無害化處理原則，通過建立相應的垃圾分類收集、回收機制對產(chǎn)生的垃圾進行減量化處理。配置一座海島垃圾轉運站，總體上與周圍風格相呼應協(xié)調(diào)[11]，建議采用中式簡約風格設計的垃圾中轉站。垃圾中轉站內(nèi)設置垃圾處理設備，垃圾清理建議為一日一清。海漂垃圾通過人工分類后，裝入分類垃圾桶，通過垃圾壓縮設備對一切輕泡、松軟物料、飲料瓶、易拉罐和邊角料等可回收垃圾進行壓縮打包處理，能節(jié)約80%空間，降低運輸成本及勞動力，同時利于環(huán)保和廢物回收。有條件時，可采取將生物分解垃圾技術和太陽能生活垃圾干餾技術相結合的方法進行垃圾處理，回收率達到20%以上。垃圾處理轉運站內(nèi)的垃圾經(jīng)處理后由垃圾轉運車及運輸船定期運至大陸垃圾填埋場或焚燒場進行無害化處理。由于海島內(nèi)部交通不便及所屬區(qū)位風浪往往較大，因此需慎重選擇垃圾運輸車輛和運輸船。

5.3 不同風浪情況下海漂垃圾收集效率

由于該收集裝置作為浮體漂浮在海面上，經(jīng)過課題組的研究，在不同海面波況、風況下，裝置相較于垂直方向的運動振幅，水平方向有著更小的往復位移運動，但存在顯著的長周期位移響應，尤其在風浪更嚴重的工況條件下表現(xiàn)得更為明顯。分析實際波浪風速等環(huán)境因素，可以得知相較于波浪的影響作用，風對海漂垃圾裝置浮體結構的水平長周期運動有著極大的影響。因此在不同風浪情況下，收集裝置的攔截率和收集率、收集量也會有相應的差異。后續(xù)應加強研究，進行長期觀測，記錄好每次試驗的風、浪等條件，進行收集效率統(tǒng)計分析，加強理論研究和應用改進，從而對該技術的完善作進一步的補充。

5.4 核心裝置質(zhì)量把控

與傳統(tǒng)機械設備不同，該海漂垃圾收集技術所生產(chǎn)的裝置零部件沒有固定型號，大部分是定制生產(chǎn)。因此實施單位前期應對零部件生產(chǎn)的原材料嚴格把控，檢查原材合格證、抽檢原材料批次，確保原材合格。零部件制作完成進場前應會同有關單位一起嚴格依照設計圖紙認真核對相關參數(shù)，對檢測參數(shù)與設計不符的零部件不予進場。海漂垃圾收集裝置主要部件進場后進行設備組裝，實施單位對組裝過程中關鍵工序、關鍵部位，尤其是各焊接點強度(此處是薄弱環(huán)節(jié))嚴格執(zhí)行旁站、巡檢，確保零部件組配自檢合格。

6 結 語

針對日益嚴重的海漂垃圾問題，不僅需要攔截收集技術上的支撐和完善，同時更需要激起公眾參與，從源頭處理傾倒垃圾，減少向海洋排放的垃圾數(shù)量。總的來說，該技術在大嶼島上示范應用結果符合各項要求，但后續(xù)還需加大研究優(yōu)化力度，使其更加成熟、應用更廣、收集效率更高，并且逐步推廣至全國。