河道漂浮物處理技術(shù)的研究及展望

廖競文 周溫雅 魯浩棟 黃霄宇

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

引言

河道是水資源的載體，與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)河道水環(huán)境和景觀功能要求越來越高。宜居的水環(huán)境是幸福河外在的直觀指標(biāo)，但目前仍有部分河道存在較多河道漂浮垃圾。河道漂浮物處理技術(shù)能有效保護(hù)與改善自然河流湖泊的水環(huán)境質(zhì)量，提高城鄉(xiāng)居民親水指數(shù)，為人們提供了更多、更美的親水空間。

一、河道漂浮物的種類

當(dāng)前河道漂浮物的種類主要分為自然漂浮物、人工漂浮物以及水生植物漂浮物（如圖1 所示）。自然漂浮物是在自然作用力下，植物的根莖葉等聚集在水面；人工漂浮物是人類生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的垃圾肆意排放進(jìn)入河流；水生植物漂浮物是由于水體富營養(yǎng)化，造成水葫蘆、綠萍和其他水生植物等肆意生長[1]。

二、河道漂浮物的危害

（一）阻礙船只航行

航運(yùn)是河道所承載的重要功能。河道漂浮物會(huì)阻礙船只航行，降低運(yùn)輸效率。河道漂浮物的存在會(huì)增加其纏繞船只螺旋槳的可能性，造成船只損壞，增加船只維修費(fèi)用，提高運(yùn)行成本，影響航行安全。

（二）破壞河道生態(tài)景觀

人工漂浮物的來源包括生活過程中產(chǎn)生的生活垃圾、糞便及油污，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體垃圾及污狀漂浮物等[2]。河道漂浮物產(chǎn)生的不良視覺和嗅覺效果必然會(huì)引發(fā)人們的感官污染，使河流美感大打折扣。

（三）影響河道水質(zhì)健康

除了感官污染外，河道漂浮物的長期存在會(huì)污染水體，降低水質(zhì)，威脅用水安全。工廠排放的廢棄物會(huì)將重金屬及其他污染物帶入河流；生活垃圾的排放會(huì)導(dǎo)致河道中大腸桿菌超標(biāo)；水面油污和水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致水中溶解氧降低，造成其他水生生物死亡。

河道漂浮物的存在降低了水體的使用價(jià)值和使用功能，其組成復(fù)雜性、地域分布性和季節(jié)更替性使得河道漂浮物處理技術(shù)的研發(fā)意義重大。近年來，隨著“幸福河”建設(shè)的不斷推進(jìn)，全面提升與人民生活休戚相關(guān)的河道環(huán)境質(zhì)量是政府工作重點(diǎn)之一，這也使河道漂浮物處理技術(shù)的發(fā)展得以保障。

三、河道漂浮物處理技術(shù)

當(dāng)前常見的河道漂浮物處理技術(shù)包括人工打撈、大型機(jī)械船打撈以及水面垃圾清理機(jī)器人。

（一）人工打撈

人工打撈的形式一般為“兩人一船”或“一人一船”，打撈時(shí)將河道漂浮物暫存船上，在作業(yè)完成后統(tǒng)一進(jìn)行處理，但是小型打撈船的行駛速度較慢，船艙存儲(chǔ)容積小，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，工作周期長，河道漂浮物處理效率低。在打撈過程中由于河面的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致河面、湖面發(fā)生細(xì)小顛簸使得船只發(fā)生巨大晃動(dòng)，存在一定的安全隱患。人工打撈受環(huán)境影響較大，若遇到惡劣的氣候條件，如風(fēng)、雨、霧或水流湍急等情況無法進(jìn)行打撈作業(yè)。

（二）大型機(jī)械船

相比于人工打撈方式，大型機(jī)械船能處理多種河道漂浮物且工作效率高。大型機(jī)械船一般在前端配備有收集艙，在船員操控行駛的過程中將漂浮物暫時(shí)存放在收集艙之內(nèi)，在船靠岸之后處理艙內(nèi)漂浮物。大型機(jī)械船的體積較大，不適用于狹長的河道水域，也不利于運(yùn)輸，靈活性較差。此外，現(xiàn)階段的打撈船多采用柴油或汽油作為主要燃料，在運(yùn)行的過程中容易發(fā)生燃料泄漏造成二次污染，增加河道清理難度。大型機(jī)械船工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲污染和固體廢棄物污染也使得景觀水環(huán)境和靠近密集居民區(qū)的河道無法使用此類方法。

（三）水面垃圾清理機(jī)器人

目前市面上的水面垃圾清理機(jī)器人基本由驅(qū)動(dòng)模塊、垃圾收集模塊、控制系統(tǒng)組成[3-5]。此類型的設(shè)備能利用地圖定位、垃圾收集、太陽能充電等機(jī)電一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道漂浮物的實(shí)時(shí)清理，不間斷作業(yè)。但水面垃圾清理機(jī)器人能收集并處理的河道漂浮物尺寸受限，例如無法收集較長的樹枝；部分能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理的設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)尚未成熟，維修成本較高，還需配備相應(yīng)的操作人員，使得河道清理成本大幅提升。

四、河道漂浮物搜集設(shè)備

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化、無人化、智慧化的水面垃圾清理設(shè)備已成為了未來發(fā)展趨勢。為此，本文提出并研制的河道漂浮物處理設(shè)備能實(shí)現(xiàn)河道漂浮物自動(dòng)收集的裝置（如圖2 所示）。該設(shè)備集物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，以“智能感知+AI 決策+無人控制”為核心，致力于解決傳統(tǒng)打撈方式效率低下、人力成本高的問題。設(shè)備通過在河道內(nèi)航行，河道漂浮物由不斷張開或閉合的搜集門推向搜集板，當(dāng)搜集板上堆積的垃圾觸發(fā)配備的起升傳感器時(shí)，搜集板沿著升降導(dǎo)向桿的方向，并在抬升同步帶的帶動(dòng)下上升或下降；當(dāng)搜集板上升觸發(fā)最高位置配備的限位傳感器時(shí)，搜集刮板在絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，沿著橫移導(dǎo)向桿的方向進(jìn)行橫向水平移動(dòng)，從而將河道漂浮物刮入搜集箱內(nèi)。

相較于人工打撈處理方式，本設(shè)備不需要人工干預(yù)，從河道漂浮物識(shí)別到收集河道漂浮物，整個(gè)過程儀器設(shè)備可自主完成，這就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工打撈方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人員成本高昂，受環(huán)境影響大，只能清理固體垃圾等缺點(diǎn)；更重要的是在很大程度上保證了打撈工人的人身安全，減少了打撈過程中意外的發(fā)生。相較于大型機(jī)械打撈的弊端，本設(shè)備小巧玲瓏，可以在城市內(nèi)河和鄉(xiāng)村河道自由行駛；采用電力驅(qū)動(dòng)的方式，在打撈清理垃圾的過程中不會(huì)對(duì)河面產(chǎn)生二次污染。相較于當(dāng)前市場上的水電垃圾清理機(jī)器人，本設(shè)備可基于全景攝像頭無死角地觀測河道漂浮垃圾的密集程度，優(yōu)先進(jìn)行密度較高區(qū)域的垃圾搜集；河道漂浮物視覺模塊（PyAI-K210）的搭載能使裝置識(shí)別出河面漂浮物的類型，將漂浮物所在坐標(biāo)信息傳輸回單片機(jī)，自動(dòng)規(guī)劃航行路線，以實(shí)現(xiàn)河道漂浮垃圾智能自動(dòng)搜集的功能。

五、意見及建議

（一）從源頭上減少河道漂浮物的產(chǎn)生

生活垃圾和工業(yè)垃圾是河道漂浮物中的重要組成部分，對(duì)此要加大監(jiān)管力度，建立河道長效監(jiān)管和巡查機(jī)制，對(duì)河道漂浮物聚集較多區(qū)域進(jìn)行不定期檢查，鞏固河道清理成果，從源頭減少人為河道垃圾的產(chǎn)生。此外，加大宣傳力度，提高群眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，讓保護(hù)河道環(huán)境的思想認(rèn)識(shí)深入人心，從源頭上切實(shí)減少和杜絕亂排濫倒河道垃圾的現(xiàn)象和行為。

（二）推進(jìn)智能化產(chǎn)品的研發(fā)

河道漂浮物復(fù)雜多變，會(huì)隨著區(qū)域、季節(jié)、水位而發(fā)生一系列變化，目前市面上河道漂浮物清理設(shè)備僅針對(duì)某一種或某幾種漂浮物，適用范圍有限。改進(jìn)小型河道漂浮物處理設(shè)備，加快智能化清理產(chǎn)品商業(yè)化，降低河道漂浮物處理成本。改進(jìn)水面無人駕駛技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主清理作業(yè)，操作人員通過計(jì)算機(jī)、智能手持終端和物聯(lián)網(wǎng)終端等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、漂浮物等信息的實(shí)時(shí)查看，時(shí)空物聯(lián)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，為河道漂浮物智能化處理帶來新思路。

（三）河道漂浮垃圾優(yōu)化處理

根據(jù)河道漂浮物的種類不同，可對(duì)河道漂浮垃圾進(jìn)行分類處理，這也是當(dāng)前垃圾處理經(jīng)驗(yàn)中最有效的處理方式，可通過河道漂浮物裝置的空間布局及組裝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“AI 識(shí)別+自動(dòng)分類”的功能。河道漂浮垃圾的優(yōu)化處理可以實(shí)減少垃圾數(shù)量，降低處理成本，實(shí)現(xiàn)資源再利用。