无居民海岛近岸海漂垃圾收集技术应用研究

2021-02-04曹凯飞，刘世昌

人民长江 2021年1期

曹凯飞，刘世昌

(中交上航(福建)交通建设工程有限公司，福建厦门 361000)

1 研究背景

我国海岛数量众多，其中94%为无居民海岛。无居民海岛地理位置独特，生态环境优美，资源丰富，目前主要发展方向有海洋观光旅游业、能源、工业基地、及作物种植、养殖家禽等农业活动[1]。因海洋经济政策的支持和国家海洋生态文明建设的需要，无居民海岛的开发现状正朝着市场化、规范化的方向发展，海岛开发利用跨上新台阶[2]。

随着海岸带工业的发展以及各种海上活动的加剧，不可避免产生了海洋漂浮物垃圾。根据权威发布的《2019年中国海洋环境状况公报》，我国海面漂浮垃圾为50个/km2。大量的陆域垃圾入海，一部分漂浮在海面，一部分随着潮汐变化堆积在海岸边。由于没有相应的管理人员和适合的处理方式，无居民海岛环岛海域海漂垃圾漂流上岸无法及时清理，不仅严重影响海岛景观效果，威胁航行安全[3]，还可能导致生物因海漂垃圾污染而死亡，间接导致海洋生态系统功能丧失和生物多样性减少。党的十八届五中全会提出开展蓝色海湾整治行动计划，为了实现“水清、岸绿、滩净、湾美”的目标，海漂垃圾必须及时清理、回收、转运和处理[4]。

大屿岛是无居民海岛，位于福建省平潭综合实验区，平潭海坛海峡中段东侧，近陆距离2.35 km。该岛整治修复前期近岸海漂垃圾较多，主要分布在岛屿东北侧。传统的人工小船清理是现阶段比较常见的海漂垃圾清理方式[5]，小船比较灵动，能够有效清理部分垃圾，但效率低、费时费力，可能还会造成二次环境污染[4]。无居民海岛生态环境脆弱，且能源供给薄弱，生态环保要求高[6]，因此在进行海漂垃圾收集时就必须做到“适地适用”。

清理海漂垃圾与清理湖泊(水库)等淡水域水上漂浮垃圾有一定的异同点。考虑到淡水域没有潮汐带来的水动力，水上漂浮垃圾主要集中在近岸的静水区域，主要清理方式大致可分为推漂、捞漂及两者的结合3类[7]。这些方式借助人力、机械动力，实施水上漂浮垃圾点状、集中收集并打捞上岸。但此类水上漂浮垃圾往往在汛期时才会大量出现，因此只要定时地进行属地管理、就地打捞、科学清运、妥善处置，就可以保证水面清洁、无漂浮物聚集。海洋的不稳定性和较大的风浪，除了会使海漂垃圾不定时、不定量的出现，还会导致漂浮垃圾收集时的安全可靠性比淡水域低得多。因此在进行海漂垃圾清理时，可以适当结合淡水域清理方式的思路，但无法有效复制应用在无居民海岛。

面对愈加严峻的海洋污染，国内外也正积极探索实践更加环保高效的海漂垃圾回收技术，比较典型的技术有海上垃圾桶、基于洋流作用的海漂垃圾回收器、太阳能水车海漂垃圾回收器等[4]。这些技术主要应用于沿海港口城市，对于无居民海岛的研究应用几乎是空白，因此适用于无居民海岛海漂垃圾收集清理的技术研究就显得迫在眉睫。

本文阐述的近岸海漂垃圾自驱动收集技术是一项新技术。该技术基于波浪折射原理，利用近岸最主要的3种水动力，即波浪、潮汐和潮流来实现海漂垃圾的全时段无能耗主动面式吸收[4]。所提出的无能耗理念，克服了人工收集海漂垃圾费时费力等缺点，而且利用该技术研发的海漂垃圾收集装置具有体积小和造价低等特点，特别适合应用于无居民海岛近岸。

2 近岸海漂垃圾自驱动收集技术关键点

2.1 海坛海峡海域海漂垃圾运动轨迹

本技术关键点在于对海漂垃圾的运动规律进行研究分析，通过潮流数值计算、潮流场验证、水动力计算、GPS跟踪海试等方式来确定其运动轨迹[8]。在运动轨迹确定后，即可大致选定后续海漂垃圾拦截装置和收集装置的布置方向。

(1) 通过MIKE21模型对海坛海峡海域流场进行二维潮流模拟，得到海漂垃圾收集装置布置区域的点位流速流向等数据。为了验证建立的数值模型能否准确模拟工程区域流场特征，将实测资料(潮位、流速及流向)与模拟结果进行对比，并进行修正。

(2) 对大、中、小潮涨急、落急时刻流场水动力数值模拟计算结果进行分析。根据水动力计算分析可知，外海涨潮流从东北向进入研究海域，受大屿岛的阻挡分为两支水流，一支从大屿岛西侧由北向南传入海坛海峡，另一支从大屿岛东侧向西南方向流动。落潮流则沿涨潮流的反方向流动。也就是海坛海峡海域涨潮流由北向南流动，落潮流由南向北流动。

(3) 进行漂流轨迹海试试验，实地投放GPS定位装置。结合数模和实地试验分析可知：海坛海峡潮流主要为南北向的往复流，其中水位高于平均海平面时，潮流流向自北向南，水位低于平均海平面时，潮流流向自南向北。自北向南的涨急流速明显大于自南向北的落急流速。潮致余流方向为自北向南，这是大屿岛北部海漂垃圾向南迁移至大屿岛北岸的重要原因，也是海坛海峡海域海漂垃圾的运动规律。

2.2 无居民海岛近岸垃圾运动规律

据波浪理论可知，波浪进入浅水后，波速和波长随着水深变浅而减小。当波浪与水下等深线成斜向传播时，水深较大处波浪的传播速度快于浅水处波浪，因而使波浪的传播方向(波向)逐渐发生变化，最终趋向于与海岸线垂直，这种现象称为波浪折射[9]。折射作用的结果是：在大屿岛岬角处，波高因折射而增大、波浪能密度大；在大屿岛海湾里，波高因折射而减小，波浪能密度小。大屿岛沿海岸上各处的波高不等，这样波能会从密度高的区域流向密度低的区域。当海漂垃圾随着波浪进入到大屿岛近岸浅水区时，经过波浪折射作用，导致大屿岛上海漂垃圾几乎都集中在大屿岛A、B、C段的岸滩海湾里(图1(a)开口型所示区域)。

图1 海漂垃圾自动收集装置布置形式Fig.1 Layout of marine waste automatic collection devices

2.3 海漂垃圾自动收集装置布置形式

考虑到C段坡度大且临近习惯航路，施工难度大、安全系数低，因此C段采用只拦不收的方式，让垃圾在风浪流共同作用下，运动到地势平坦、易布置垃圾桶的A、B两段处再被收集。为了尽可能多地收集到海漂垃圾，根据波浪折射定律及海漂垃圾运动规律，本技术将海漂垃圾收集装置布置成“V”形[4]，当海漂垃圾进入到装置所覆盖区域，首先被浮式栅栏拦截，然后经过海上复杂外载荷的持续作用，慢慢顺着浮式栅栏滑向垃圾桶，完成收集。

目前主流的垃圾收集装置的布置方案分别是开口型和封口型[8](如图1所示)，两者都充分考虑B段丁坝的系泊作用，区别是A、B两段是否封闭连接。开口型沿着潮流波浪传播方向的纵向布置，使在不降低垃圾收集效率的同时，有效减小整个结构的受力；但布置位置的水深地形变化梯度较大，施工难度大，不能够完全保证沙滩不受海漂垃圾的污染，布置形式也不够美观。封口型的布置水域水深较浅，地形较为平缓，施工难度不大，比较经济，可以对A、B两处沙滩形成全封闭式的保护；但结构总体受力较大，A、B两处装置离的比较近，有一定碰撞概率，但风险也不大。因此，推荐采用封口型布置形式。

2.4 海漂垃圾自动收集结构设计

(1) 对海岛海漂垃圾现状进行调查，统计其种类、数量、大小等情况[10]，根据调查结果中的典型垃圾，设计垃圾桶的尺寸及容量。经现场调查，木制类和塑料类垃圾占大屿岛海漂垃圾的绝大多数。木制类尺寸较大，但长度大都在1 m以下，少部分在1～3 m之间。因此根据这些特定垃圾的种类和尺寸，针对性地设计了两种形式的垃圾桶，其中门式尺寸4 m×4 m，叶轮式尺寸3.2 m×6.9 m，分别投放在A、B两段进行收集效率对比试验。门式垃圾桶为单向门，只允许垃圾单向进入，不允许反向溢出。而叶轮式结构通过波浪力推动水车叶面旋转，带动传输带由下至上移动，进而带动垃圾向上移动，同时在波浪作用下垃圾向斜坡上方移动，传输到垃圾桶中，完成垃圾的收集。

(2) 海漂垃圾自动收集结构物参照海上平台设计，有柱桩定位及锚链系泊定位两种[8]。其中，柱桩+锚链定位方式，能适应在恶劣海况下全天候工作，而无需考虑恶劣天气下的安全问题。垃圾桶利用3个固定桩柱进行定位，浮式栅栏采用两个浮筒并配套相应的锚块加钢缆的系泊系统进行定位，而锚链端部则利用沉石稳定在海床之上，如图2(a)所示。而全锚链定位方式外载荷作用力最大处集中在垃圾桶，通过使用四根锚链完全对称的方式进行系泊，同样定位可靠，如图2(b)所示。考虑到该岛整体及周边海域生态环境脆弱，应当尽可能减少对环境造成影响；从施工难度和施工周期来看，考虑到该区域行驶船舶较多，桩柱定位施工期要加大安全警戒，打桩机械投入成本高，施工周期长，利用全锚链的定位方案更加简便快速；柱桩+锚链结构后期再次优化的空间不高，不利于后续的进一步拓展研究。因此，推荐使用全锚链定位方案。

(3) 海漂垃圾收集装置要想发挥应有的功能，应考虑该装置在复杂水动力条件下的稳定性和安全性。因此，需要对选定的定位方案进行理论结构强度设计，对收集装置的结构强度进行分析并进行物理模型试验研究，确定最终结构形式及后续生产投放、收集效率现场试验等[4]。

图2 海漂垃圾自动收集结构形式Fig.2 Structures of marine waste automatic collettion devices

3 现场实际应用效果

3.1 应用概况

由于需要解决的海漂垃圾集中在东北侧，垃圾覆盖长度经现场统计为750 m，综合收集效率、结构受力、经济成本、建造施工以及对东面航道影响等因素，使用封口“V”形布置方案。A段设置230 m的拦截浮式围栏(浮子式橡胶围油栏材质，下同)和门式海上垃圾桶，B段设置180 m的拦截浮式围栏和叶轮式海上垃圾桶，C段设置340 m浮式围栏。试验装置的锚固系统由35 m的锚链和150 kg锚块组成，垃圾桶布置四根锚链(以及锚块)，浮式围栏每隔40 m布置一对锚链。所有金属结构件均采用密度低、强度高、耐腐蚀性好的钛金属制造[4]。

3.2 应用条件

(1) 试验基本参数。开始时间：2019年5月15日16∶00，涨潮。持续时间48 h。风况NNE向，平均风速9.0 m/s，最大为10.1 m/s，最小为7.5 m/s。波浪：风浪和涌浪并存的NNE向混合浪，平均波高1.4～1.5 m。

(2) 试验方法。制作木头20块、塑料瓶30个和泡沫20个作为海漂垃圾的试验样本，分别在海漂垃圾收集装置的外海域的3个地点随机丢下垃圾样本，用于垃圾的收集和拦截情况试验。现场整体布置如图3所示。

图3 现场总平面布置Fig.3 Site general layout

3.3 应用结论

采取集中A、B段收集的方式可以有效实施C段垃圾的回收。从垃圾的收集效率和效果来看，“V”形的布置方式能够有效地收集到海上漂浮的垃圾。对比两种垃圾桶结构发现，门式结构比较简单且造价低，但收集垃圾效果更好；叶轮式结构的叶轮转动跟波浪的特征有明显关系，浪大的时候叶轮转动效果才明显。在规定48 h试验条件下，最终进入垃圾桶的共有12个泡沫、8个塑料瓶、10块木头，其余垃圾样本均被成功拦截，未发现进入B段的垃圾样本。装置的拦截率为100%，收集率为43%，达到了该工程各项指标的要求。

4 效益分析

以大屿岛近岸堆积的海漂垃圾一次人工清理费为例，清理上述750 m范围，投入计日工6人，施工期8 d，合计48个工日。由于海岛施工的特殊性，人工单价255元/工日，费用合计12 240元。为保证海岛岸线美观保守估计每年清理费约15万元，价格昂贵且费时费力、效率低下。而采取近岸海漂垃圾自驱动收集技术，一方面节省了人力物力资源，另一方面也不会造成海岛生态二次环境污染，收集的海漂垃圾可以通过分类进行回收。此外，清理海漂垃圾能有效提升海岛岸线的魅力，推动我国无居民海岛旅游产业的经济发展[4]。

5 开发应用过程的反思

5.1 收集率和拦截率指标

该工程要求海岛岸线无海漂垃圾堆积，达到清洁岸线效果，并以48 h内海漂垃圾拦截率不低于95%作为考核指标。但实际实施过程中发现，收集率意义不大，因为在项目48 h实验过程中，标本数量太少，有的垃圾可能过了一段时间又被海浪重新推了回来，导致数据重复性记录。考虑到世界上的海漂垃圾数量巨大，且目前回收率不足20%，因此更应该关注的是收集量，比如以一个月为界限，垃圾桶能够收集到多少方垃圾，再推算出每年能减少海上多少垃圾，这样的绩效考核指标才更有意义。

5.2 海漂垃圾后期处理

目前，该工程海漂垃圾处理采取人工清掏，并直接转运至大陆填埋场填埋或者焚烧的方式。由于该工程相对陆地距离较短，可以考虑上述直接方式进行，但对于远离大陆地区的无居民海岛而言，推荐海漂垃圾收集入桶后按如下流程进行处理：根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中固体废物资源化、减量化、无害化处理原则，通过建立相应的垃圾分类收集、回收机制对产生的垃圾进行减量化处理。配置一座海岛垃圾转运站，总体上与周围风格相呼应协调[11]，建议采用中式简约风格设计的垃圾中转站。垃圾中转站内设置垃圾处理设备，垃圾清理建议为一日一清。海漂垃圾通过人工分类后，装入分类垃圾桶，通过垃圾压缩设备对一切轻泡、松软物料、饮料瓶、易拉罐和边角料等可回收垃圾进行压缩打包处理，能节约80%空间，降低运输成本及劳动力，同时利于环保和废物回收。有条件时，可采取将生物分解垃圾技术和太阳能生活垃圾干馏技术相结合的方法进行垃圾处理，回收率达到20%以上。垃圾处理转运站内的垃圾经处理后由垃圾转运车及运输船定期运至大陆垃圾填埋场或焚烧场进行无害化处理。由于海岛内部交通不便及所属区位风浪往往较大，因此需慎重选择垃圾运输车辆和运输船。

5.3 不同风浪情况下海漂垃圾收集效率

由于该收集装置作为浮体漂浮在海面上，经过课题组的研究，在不同海面波况、风况下，装置相较于垂直方向的运动振幅，水平方向有着更小的往复位移运动，但存在显著的长周期位移响应，尤其在风浪更严重的工况条件下表现得更为明显。分析实际波浪风速等环境因素，可以得知相较于波浪的影响作用，风对海漂垃圾装置浮体结构的水平长周期运动有着极大的影响。因此在不同风浪情况下，收集装置的拦截率和收集率、收集量也会有相应的差异。后续应加强研究，进行长期观测，记录好每次试验的风、浪等条件，进行收集效率统计分析，加强理论研究和应用改进，从而对该技术的完善作进一步的补充。

5.4 核心装置质量把控

与传统机械设备不同，该海漂垃圾收集技术所生产的装置零部件没有固定型号，大部分是定制生产。因此实施单位前期应对零部件生产的原材料严格把控，检查原材合格证、抽检原材料批次，确保原材合格。零部件制作完成进场前应会同有关单位一起严格依照设计图纸认真核对相关参数，对检测参数与设计不符的零部件不予进场。海漂垃圾收集装置主要部件进场后进行设备组装，实施单位对组装过程中关键工序、关键部位，尤其是各焊接点强度(此处是薄弱环节)严格执行旁站、巡检，确保零部件组配自检合格。