鯨盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集設(shè)備

NEARSHORE GARBAGE——近岸垃圾

15，000～30，000 WAVES/DAY——1.5～3萬(wàn)個(gè)浪/天

FOUR-LEVEL INTERCEPTION COLLECTION——四級(jí)攔截收集

全球一半以上人口生活在沿海附近，近岸活動(dòng)產(chǎn)生了大量垃圾。海岸線(xiàn)作為大陸與海洋的交界線(xiàn)，是阻止垃圾入海和外來(lái)垃圾上岸的一道重要防線(xiàn)。清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系碩士研究生嚴(yán)澤騰在導(dǎo)師劉新教授的指導(dǎo)完成了其畢業(yè)設(shè)計(jì)——鯨盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集設(shè)備，該設(shè)備旨在對(duì)近岸垃圾起到收集和防御的作用，并以海浪作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)垃圾收集。

據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每年向海洋投放的垃圾多達(dá)約800萬(wàn)噸。在空間尺度上，海洋垃圾是全球性的環(huán)境污染問(wèn)題;在時(shí)間維度上，則是跨時(shí)代的;在危害范圍上，又是跨物種的。垃圾存量大（歷史遺留）、增量大。塑料占海洋垃圾的80%，在海洋環(huán)境中難以被降解，易分解成小碎塊和微塑料，這也使其數(shù)量有增無(wú)減。天氣和自然災(zāi)害也會(huì)導(dǎo)致原本不是垃圾的物品“被”成為垃圾，或?qū)⒃究煽氐睦兊貌豢煽亍?/p>

全球一半以上人口生活在沿海附近，近岸活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量垃圾。近岸漂浮垃圾的流動(dòng)性強(qiáng)，靠岸擱淺的幾率大，容易反復(fù)徘徊。如果我們能在沿海建設(shè)垃圾收集和防御系統(tǒng)，其作用就好比給海岸線(xiàn)戴一層“口罩”，既能防止垃圾入海，也能阻止外來(lái)垃圾上岸。如此也能減少垃圾的留存時(shí)間，縮短危害周期，并能減少擴(kuò)散，縮小危害范圍，減少與海洋生物接觸的機(jī)會(huì)和物理作用下產(chǎn)生的次生微塑料。

設(shè)計(jì)思路

近岸的特點(diǎn)是浪多。海浪作為可持續(xù)的自然能源，幾乎能夠24小時(shí)源源不斷地供應(yīng)。以中國(guó)為例，平均常年浪高約1米，大部分海域的海浪周期基本在3～5.5s之間，即一天可產(chǎn)生約1.5～3萬(wàn)個(gè)浪。即使考慮到漲潮和退潮的限制，減去過(guò)高和過(guò)低的浪，收集設(shè)備依舊能接收到可觀(guān)的海浪數(shù)。

近岸的另一特點(diǎn)是垃圾容易被海浪推到高潮線(xiàn)的位置并形成一條垃圾帶。假設(shè)在這個(gè)位置開(kāi)槽挖坑，垃圾便能夠被打入坑中。當(dāng)然，如此簡(jiǎn)單的方式會(huì)影響游客，所以我們可以將這個(gè)基本結(jié)構(gòu)往前移到近岸水域，使設(shè)備提前接收到浪，再通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)浪的能量，并作為助推力將垃圾推入設(shè)備中。

四級(jí)攔截收集

一級(jí)為攔截帶，若垃圾沒(méi)有漂至設(shè)備主體附近，則被海浪和風(fēng)推往攔截帶處的垃圾會(huì)先被截獲;

二級(jí)為迎浪坡上的臺(tái)階和凸棱，當(dāng)海浪沒(méi)有足夠的動(dòng)力將垃圾推至垃圾收集口時(shí)，臺(tái)階和凸棱會(huì)將部分垃圾掛住，防止退回的海水將垃圾拖回水中，并等待較大的浪;

三級(jí)為低浪收集口，當(dāng)浪較低仍無(wú)法將垃圾推入高浪收集口時(shí)，在聚浪側(cè)板、中間V形分流板和繞射弧的導(dǎo)流和繞射下，海浪會(huì)將垃圾推入中間的低浪收集口;

四級(jí)則為開(kāi)口最大的高浪收集口，在理想情況下，大多數(shù)爬上坡的垃圾會(huì)被推入這一收集口，并最終存儲(chǔ)在垃圾倉(cāng)中。

方案優(yōu)勢(shì)

1.低能源依賴(lài)：利用海浪作為動(dòng)力來(lái)收集近岸漂浮垃圾，無(wú)需依賴(lài)外接電力或其他不可再生能源，收集垃圾的過(guò)程中無(wú)需人工操作。

2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：利用低技術(shù)的物理手段實(shí)現(xiàn)垃圾收集，設(shè)備造價(jià)低，易維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)性高。

3.利用率高：設(shè)備一直放置在近岸水域，海浪可提供源源不斷的動(dòng)力，可24小時(shí)持續(xù)運(yùn)行。

4.干預(yù)得早：可起到防御作用，即垃圾產(chǎn)生不久后便被攔截捕獲。做到本地垃圾就地解決，不影響周邊水域，同時(shí)降低外來(lái)垃圾上岸的可能。

5.近岸水域建設(shè)垃圾收集與防御機(jī)制：減少陸源垃圾入海和外來(lái)垃圾上岸，減少海灘度假旅游景區(qū)的垃圾，進(jìn)而增加人流、帶動(dòng)周邊經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)旅游業(yè)發(fā)展。設(shè)備有一定離岸距離，因此對(duì)近岸游客影響較小。

設(shè)備前后兩端各有繩索拖拽固定，攔截帶的最前端連接著固定錨，設(shè)備后方的繩索固定至陸地端。這樣連接一來(lái)可使設(shè)備處于相對(duì)固定的位置，提高收集效率（晃動(dòng)過(guò)大效率低，且影響水中游客）;二來(lái)可有雙保險(xiǎn)，無(wú)論繩索哪端斷裂都不會(huì)使設(shè)備漂遠(yuǎn)，減少丟失概率，設(shè)備也設(shè)有GPS便于找回，防止自身成為垃圾。

此外，在布局時(shí)還需根據(jù)不同海域的平均常年浪高來(lái)選擇不同型號(hào)的設(shè)備，并根據(jù)海灘坡度和漲潮退潮情況來(lái)確定設(shè)備的離岸距離，以及視具體的海灘管理能力和污染情況來(lái)確定布局范圍和密度。

設(shè)備放置地點(diǎn)為少礁石的近岸帶，可結(jié)合防鯊網(wǎng)以節(jié)省材料和成本，同時(shí)還需兼顧設(shè)備對(duì)游泳者的影響，并考慮溺水的情況。在設(shè)備后方靠近水面高度處設(shè)有半圈扶手，可供游泳者休息。如遇溺水情況，可在抓取攔截帶或繩索后，移至設(shè)備處按下求助按鈕。

設(shè)備前端兩側(cè)和后端頂部各有一燈帶，起到示廓作用，提示往來(lái)船只，防止誤撞。同時(shí)也可為夜間發(fā)生溺水的游客提示設(shè)備所在位置，可沿繩索移至設(shè)備扶手處倚靠并按下緊急求救按鈕，且求救按鈕處在夜間也有燈光照明。

不足與展望

在1：4的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)間關(guān)系以及樣機(jī)的材料強(qiáng)度和耐久性不足，因此只驗(yàn)證了方案的結(jié)構(gòu)合理性和有效性，并沒(méi)有驗(yàn)證長(zhǎng)期運(yùn)行的收集情況。

垃圾收集口有一定高度，預(yù)測(cè)打入魚(yú)類(lèi)的可能性較低，但由于條件有限沒(méi)有做1：1的樣機(jī)長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，這一方面在本研究中難以驗(yàn)證。

中國(guó)作為快速發(fā)展的大國(guó)，面對(duì)海洋垃圾治理這一全球問(wèn)題，有著不可推卸的責(zé)任，然而我國(guó)的海洋事業(yè)起步晚，投入少，相關(guān)組織少，監(jiān)測(cè)研究數(shù)據(jù)不夠充分。相較于英語(yǔ)語(yǔ)言國(guó)家，我國(guó)的漢字具有高識(shí)別度，因此更應(yīng)該重視對(duì)本土垃圾的管控，減少外流。

清除海洋垃圾是一場(chǎng)持久戰(zhàn)，需要各個(gè)沿海國(guó)家和社會(huì)多方共同努力才能逐漸被消減。也希望能有更多學(xué)者關(guān)注這一問(wèn)題，加強(qiáng)跨學(xué)科合作，提出更多高效、簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。

我們需要時(shí)刻反思人類(lèi)的行為對(duì)自然環(huán)境和其他物種的影響，不要讓《寂靜的春天》里所描述的悲劇再次上演，沒(méi)有人希望豐富多彩的海洋成為“寂靜的海洋”。

導(dǎo)師的話(huà)

嚴(yán)澤騰同學(xué)的研究聚焦在海洋垃圾問(wèn)題上，這是一個(gè)龐大的課題，充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，但意義重大。該設(shè)計(jì)從海洋垃圾類(lèi)型、移動(dòng)和變化特點(diǎn)，以及海浪、地形和垃圾三者關(guān)系的研究入手，在調(diào)研分析了大量設(shè)計(jì)案例的基礎(chǔ)上，提出利用海浪作為動(dòng)力，收集近岸垃圾的可行性，并通過(guò)多次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型實(shí)驗(yàn)和方案迭代，最終設(shè)計(jì)出獨(dú)具特色的針對(duì)近岸漂浮垃圾的收集設(shè)備。

嚴(yán)澤騰同學(xué)有公益心和社會(huì)責(zé)任感，敏銳、細(xì)膩、務(wù)實(shí)，動(dòng)手能力極強(qiáng)。在研究過(guò)程中，能夠主動(dòng)尋求跨學(xué)科專(zhuān)家的支持，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性與工作效率，具有優(yōu)秀設(shè)計(jì)師的潛質(zhì)。

——工業(yè)設(shè)計(jì)系教授 劉新

特別致謝

設(shè)計(jì)研究中多處數(shù)據(jù)來(lái)自仁渡海洋，國(guó)內(nèi)針對(duì)這一領(lǐng)域的研究和監(jiān)測(cè)工作起步較晚，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和組織也極少，感謝這一組織多年以來(lái)的堅(jiān)持和努力。同時(shí)為我聯(lián)系了海岸環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的曹憶婕。曹學(xué)姐為我解答了與物理海洋學(xué)和近岸動(dòng)力學(xué)相關(guān)的疑惑，以及為我的設(shè)計(jì)方案提供了許多專(zhuān)業(yè)性的建議，特此感謝。