鲸盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集设备

NEARSHORE GARBAGE——近岸垃圾

15，000～30，000 WAVES/DAY——1.5～3万个浪/天

FOUR-LEVEL INTERCEPTION COLLECTION——四级拦截收集

全球一半以上人口生活在沿海附近，近岸活动产生了大量垃圾。海岸线作为大陆与海洋的交界线，是阻止垃圾入海和外来垃圾上岸的一道重要防线。清华大学美术学院工业设计系硕士研究生严泽腾在导师刘新教授的指导完成了其毕业设计——鲸盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集设备，该设备旨在对近岸垃圾起到收集和防御的作用，并以海浪作为动力实现垃圾收集。

据2010年统计数据，每年向海洋投放的垃圾多达约800万吨。在空间尺度上，海洋垃圾是全球性的环境污染问题;在时间维度上，则是跨时代的;在危害范围上，又是跨物种的。垃圾存量大（历史遗留）、增量大。塑料占海洋垃圾的80%，在海洋环境中难以被降解，易分解成小碎块和微塑料，这也使其数量有增无减。天气和自然灾害也会导致原本不是垃圾的物品“被”成为垃圾，或将原本可控的垃圾变得不可控。

全球一半以上人口生活在沿海附近，近岸活动会产生大量垃圾。近岸漂浮垃圾的流动性强，靠岸搁浅的几率大，容易反复徘徊。如果我们能在沿海建设垃圾收集和防御系统，其作用就好比给海岸线戴一层“口罩”，既能防止垃圾入海，也能阻止外来垃圾上岸。如此也能减少垃圾的留存时间，缩短危害周期，并能减少扩散，缩小危害范围，减少与海洋生物接触的机会和物理作用下产生的次生微塑料。

设计思路

近岸的特点是浪多。海浪作为可持续的自然能源，几乎能够24小时源源不断地供应。以中国为例，平均常年浪高约1米，大部分海域的海浪周期基本在3～5.5s之间，即一天可产生约1.5～3万个浪。即使考虑到涨潮和退潮的限制，减去过高和过低的浪，收集设备依旧能接收到可观的海浪数。

近岸的另一特点是垃圾容易被海浪推到高潮线的位置并形成一条垃圾带。假设在这个位置开槽挖坑，垃圾便能够被打入坑中。当然，如此简单的方式会影响游客，所以我们可以将这个基本结构往前移到近岸水域，使设备提前接收到浪，再通过合理的结构设计，增强浪的能量，并作为助推力将垃圾推入设备中。

四级拦截收集

一级为拦截带，若垃圾没有漂至设备主体附近，则被海浪和风推往拦截带处的垃圾会先被截获;

二级为迎浪坡上的台阶和凸棱，当海浪没有足够的动力将垃圾推至垃圾收集口时，台阶和凸棱会将部分垃圾挂住，防止退回的海水将垃圾拖回水中，并等待较大的浪;

三级为低浪收集口，当浪较低仍无法将垃圾推入高浪收集口时，在聚浪侧板、中间V形分流板和绕射弧的导流和绕射下，海浪会将垃圾推入中间的低浪收集口;

四级则为开口最大的高浪收集口，在理想情况下，大多数爬上坡的垃圾会被推入这一收集口，并最终存储在垃圾仓中。

方案优势

1.低能源依赖：利用海浪作为动力来收集近岸漂浮垃圾，无需依赖外接电力或其他不可再生能源，收集垃圾的过程中无需人工操作。

2.结构简单：利用低技术的物理手段实现垃圾收集，设备造价低，易维护，可实现性高。

3.利用率高：设备一直放置在近岸水域，海浪可提供源源不断的动力，可24小时持续运行。

4.干预得早：可起到防御作用，即垃圾产生不久后便被拦截捕获。做到本地垃圾就地解决，不影响周边水域，同时降低外来垃圾上岸的可能。

5.近岸水域建设垃圾收集与防御机制：减少陆源垃圾入海和外来垃圾上岸，减少海滩度假旅游景区的垃圾，进而增加人流、带动周边经济、促进旅游业发展。设备有一定离岸距离，因此对近岸游客影响较小。

设备前后两端各有绳索拖拽固定，拦截带的最前端连接着固定锚，设备后方的绳索固定至陆地端。这样连接一来可使设备处于相对固定的位置，提高收集效率（晃动过大效率低，且影响水中游客）;二来可有双保险，无论绳索哪端断裂都不会使设备漂远，减少丢失概率，设备也设有GPS便于找回，防止自身成为垃圾。

此外，在布局时还需根据不同海域的平均常年浪高来选择不同型号的设备，并根据海滩坡度和涨潮退潮情况来确定设备的离岸距离，以及视具体的海滩管理能力和污染情况来确定布局范围和密度。

设备放置地点为少礁石的近岸带，可结合防鲨网以节省材料和成本，同时还需兼顾设备对游泳者的影响，并考虑溺水的情况。在设备后方靠近水面高度处设有半圈扶手，可供游泳者休息。如遇溺水情况，可在抓取拦截带或绳索后，移至设备处按下求助按钮。

设备前端两侧和后端顶部各有一灯带，起到示廓作用，提示往来船只，防止误撞。同时也可为夜间发生溺水的游客提示设备所在位置，可沿绳索移至设备扶手处倚靠并按下紧急求救按钮，且求救按钮处在夜间也有灯光照明。

不足与展望

在1：4的样机实验中，由于时间关系以及样机的材料强度和耐久性不足，因此只验证了方案的结构合理性和有效性，并没有验证长期运行的收集情况。

垃圾收集口有一定高度，预测打入鱼类的可能性较低，但由于条件有限没有做1：1的样机长期跟踪测试，这一方面在本研究中难以验证。

中国作为快速发展的大国，面对海洋垃圾治理这一全球问题，有着不可推卸的责任，然而我国的海洋事业起步晚，投入少，相关组织少，监测研究数据不够充分。相较于英语语言国家，我国的汉字具有高識别度，因此更应该重视对本土垃圾的管控，减少外流。

清除海洋垃圾是一场持久战，需要各个沿海国家和社会多方共同努力才能逐渐被消减。也希望能有更多学者关注这一问题，加强跨学科合作，提出更多高效、简单、低成本的解决方案。

我们需要时刻反思人类的行为对自然环境和其他物种的影响，不要让《寂静的春天》里所描述的悲剧再次上演，没有人希望丰富多彩的海洋成为“寂静的海洋”。

导师的话

严泽腾同学的研究聚焦在海洋垃圾问题上，这是一个庞大的课题，充满挑战，但意义重大。该设计从海洋垃圾类型、移动和变化特点，以及海浪、地形和垃圾三者关系的研究入手，在调研分析了大量设计案例的基础上，提出利用海浪作为动力，收集近岸垃圾的可行性，并通过多次结构设计、模型实验和方案迭代，最终设计出独具特色的针对近岸漂浮垃圾的收集设备。

严泽腾同学有公益心和社会责任感，敏锐、细腻、务实，动手能力极强。在研究过程中，能够主动寻求跨学科专家的支持，并通过大量实验，来验证设计的可行性与工作效率，具有优秀设计师的潜质。

——工业设计系教授 刘新

特别致谢

设计研究中多处数据来自仁渡海洋，国内针对这一领域的研究和监测工作起步较晚，相关研究机构和组织也极少，感谢这一组织多年以来的坚持和努力。同时为我联系了海岸环境工程专业的曹忆婕。曹学姐为我解答了与物理海洋学和近岸动力学相关的疑惑，以及为我的设计方案提供了许多专业性的建议，特此感谢。