水草收割机在湖北省水污染治理中的应用潜力

湖北工业大学 郭翠英 冯天玉 王小平 张涛

1 水资源概况

湖北是千湖之省，境内江河纵横，湖泊水库池塘星罗棋布。湖泊在我省国民经济的发展中发挥着重要作用，具有调节河川径流、发展灌溉、提供工业和饮用的水源、繁衍水生生物、沟通航运、改善区域生态环境等多种功能。丰富的水资源为我省水产业发展提供了得天独厚的资源优势。全省水域总面积2 500万亩（1hm2＝15亩），宜养水面1 360万亩，居全国第一。

随着社会经济的不断发展和城市人口的不断增长，湖泊的富营养化情况也呈逐年增长趋势。水体的污染治理一直都是各级政府领导高度重视的问题。并积极探索有效措施进行治理。目前我省长江、汉江水质相对尚好，但湖泊生态环境堪忧，金属污染、泥沙淤积、湖面退缩、盐化、富营养化等等，以及由此引起的生态环境恶化和资源退缩。特别是在人口稠密地区，湖泊所受的污染越来越严重。

2 水体生态修复

湖泊富营养化已成为当今世界面临的重大环境问题，水污染治理，是个全球性课题。目前水体净化通常情况有以下3种方式：生态治理，化学治理，物理治理。就具体的技术发展趋势来看，生态／生物方法是修复水生态系统中最为推崇的举措之一。这种技术实际上是对水体自净能力的强化，是人们遵循生态系统自身规律的尝试。而在具体的实施时，更趋向于多种技术的集成。

水体富营养化问题已经对社会经济发展造成了影响，如何除去污水中的氨氮，成为给水体“减肥”的技术瓶颈。水草种植是解决水体富养的有效措施，但如果水草不能适时收割打捞，种植的水草将对水体产生二次污染。

水草种植是治理湖泊、沟渠污染的主要措施之一。水草既是河蟹栖息、避敌、蜕壳的场所，更是增加水中溶氧、降解水中有害物质、吸附水中重金属，净化水质，同时也是河蟹喜食的好饵料。但是，在实践应用中发现，当水生植物进入衰亡期，植物残体分解释放的营养物质，易造成水体的二次污染导致河蟹死亡等。所以水草适时收割，对湖泊、沟渠的环境治理具有十分重要的意义。

水草不仅具有生态价值，水草可净化水质，供应氧气；还具有养殖价值和景观价值。养殖价值，某些水草可以给一些草食性鱼类提供饲料，同时水草可作为鱼类产卵的附着物——鱼巢；景观价值，水草能给人一种清新、舒畅的感觉，可以让人们观叶、品姿、赏花。

正是因为水草有如此多的作用，吸引了人们去种植。由于种植量大，同时缺乏相应的管理措施，导致人工种植的水草一度发展到疯狂的状态。为了恢复水体的良性循环，维护人类的健康，还人类一个美好的生活环境，必须采取一定的措施来治理水草。我省现有沟渠池塘中已出现水草的疯狂蔓延造成水域生态环境恶化现象。为抑制疯长的水草，打草船应运而生。目前已有部分企业生产打草船。打草船是在普通船体前加装一套碎草装置，将水面疯长的水葫芦等杂草打碎。抑制水草生长。但碎草再次污染水体，目前推广应用不多。水草实时收割是解决水草二次污染的有效措施。

3 水草收割机国内外研究现状

国外关于水草收割机的研究比较早，荷兰等国早在20世纪50年代就开始使用专门的水利机械进行河道除草作业，比较有影响的水草收割机研究国家有美国、荷兰、英国等国。澳大利亚、日本、俄罗斯、德国也有类似的产品。但机器比较大，价格高，不适宜我国的小型湖泊使用。

国内也有一些相关的企业和研究机构进入该领域，对水草收割机进行了一定研究，并取得了一定的成果。当前市场上所有水草收割机都是大型机械，满足大型湖泊水草的收割和修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。我省虽然水域面积大、湖泊数量多，但大多数湖泊属于小型水域范畴。为了有效维护水域生态平衡，水草收割机是不可缺少的，且需求量将会越来越大。小型轻便、美观环保的水草收割机将是一个重要的发展方向。目前水草收割机的操作都由人工来完成，在大型的水草收割机上一般有3人以上进行操作。但随着水草收割机的小型化，它的收割和集草都要在同一条船上进行，由于空间有限，最多只能有一人操控，若都是手动操作的话，会不太方便，所以应该提高水草收割机的自动化程度，特别是遥控式的水草收割机不仅能进一步减少船体的尺寸，增大储草空间，而且使用安全。

目前市场上水草收割机结构形式：水草收割机一般有动力装置、切割器割台、动力推进器、送草装置、集草仓、船体组成。结构特点：（1）液压控制。切割器和输送装置的升降都是采用液压控制系统来实现。（2）往复式切割。（3）前置式工作。

工作原理：前置往复式切割器将水草切割，随着船体向前推进将割断的水草收集到水草输送装置，有输送装置送到集草仓。

4 小水面水草收割机的研究要求

4．1 小型化

当前市场上水草收割机都是大型机械，满足大型湖泊水草收割，不适应小型河道和湖泊等水面水域的水草收割，尤其是城市内湖公园等微型水域的水草收割。从我省水资源调查资料显示，城市内湖等人口稠密地区水资源富养化程度更为严重，水资源治理既是水域生态环境要求，也是水域生态景观要求。治理的有效方法是种植水草。由于水域面积小，分散、不规则，要求水草收割机必须小巧、轻便安全可靠。

4．2 智能化

由于水草收割机小型化，收割机有效空间有限，要保证水草收集的有效空间，必须减少水草收割机操作人员的工作空间。同时提高水草收割机的安全性，智能化无人驾驶将是水草收割机小型化发展重要标志。

采用基于机器视觉的无线遥控技术使水草收割机在工作过程中达到无人驾驶的目的；采用液压升降机构对水草收获的切割部分进行调节，控制水草收获的切割深度。

5 小型智能化水草收割机研究重点及其关键技术

5．1 研究重点

（1）基于机器视觉的无线遥控行驶系统：主要研究设计针对船体在水面行驶过程中进行遥控系统，达到无人驾驶的要求。

（2）基于机器视觉的无线遥控割台升降系统：主要研究水草收割机割台在不同水面，对水草切割深度的不同要求，达到遥控升降的目的。

（3）水草收获的水底切割与收集装置：主要研究适宜水底收割水草的切割与收割装置。

（4）适宜水草收割机的船体：水草收割机对船体的要求与一般船体不同，它涉及到水草切割与收集装置，船体的重心布置等，它对船体有着特殊的要求，所以要研究适宜水草收割机的船体。

5．2 关键技术内容

（1）基于机器视觉的无线遥控行驶系统。

（2）基于机器视觉的无线遥控割台升降系统。

（3）水底的切割与收集装置。

（4）适宜收割水草的船体。

6 水草收割机应用潜力

6．1．水草种植是治理湖泊、沟渠污染的主要措施之一

水草既是河蟹栖息、避敌、蜕壳的场所，更是增加水中溶氧、降解水中有害物质、吸附水中重金属，净化水质，同时也是河蟹喜食的好饵料。但水草只种不管就会前功尽弃，不但不能正常发挥作用，而且大面积死草时，会污染水质，造成河蟹死亡等。所以水草收割机的应用，对湖泊、沟渠的环境治理具有十分重要的意义。

6．2．水草收割机整个作业过程完全自动化，环卫工人只需要在驾驶室内或岸边按按钮就能轻松完成工作，此产品的工作效率是人工打捞的几十倍

6．3 水草收割机不仅是湖泊、沟渠环境治理的重要工具，而且生产企业为政府带来一定利税，自身也能创造可观经济效益

7 结论

湖泊富营养化已成为当今世界面临的重大环境问题，水生植物在改善水环境质量，以及水生态修复应用中具有重要的意义。水生植物作为整个湖泊生态系统的初级生产者，其所产生的环境效应是进行水环境治理的重要依据。水生植物在生长过程中，不仅可以吸收氮、磷等营养元素，而且对有机物、重金属亦有较强的去除和富集作用。目前，利用水生植被进行的水生态修复方法，已成为富营养化水体治理的重要途径。但是，在实践应用中发现，当水生植物进入衰亡期，植物残体分解释放的营养物质，易造成水体的二次污染现象。对水草实时收割是解决水草二次污染的有效措施。发展小型智能化水草收割机是解决我省众多小水面湖泊、沟渠以及城市公园等景观水域水草收割的有效措施，经济社会效益显著，具有十分广阔的市场前景。