河道漂浮物处理技术的研究及展望

2021-12-05廖竞文周温雅鲁浩栋黄霄宇

魅力中国 2021年51期

廖竞文周温雅鲁浩栋黄霄宇

（浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231）

引言

河道是水资源的载体，与人类的生产生活息息相关。近些年，随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对河道水环境和景观功能要求越来越高。宜居的水环境是幸福河外在的直观指标，但目前仍有部分河道存在较多河道漂浮垃圾。河道漂浮物处理技术能有效保护与改善自然河流湖泊的水环境质量，提高城乡居民亲水指数，为人们提供了更多、更美的亲水空间。

一、河道漂浮物的种类

当前河道漂浮物的种类主要分为自然漂浮物、人工漂浮物以及水生植物漂浮物（如图1 所示）。自然漂浮物是在自然作用力下，植物的根茎叶等聚集在水面；人工漂浮物是人类生产活动时，产生的垃圾肆意排放进入河流；水生植物漂浮物是由于水体富营养化，造成水葫芦、绿萍和其他水生植物等肆意生长[1]。

二、河道漂浮物的危害

（一）阻碍船只航行

航运是河道所承载的重要功能。河道漂浮物会阻碍船只航行，降低运输效率。河道漂浮物的存在会增加其缠绕船只螺旋桨的可能性，造成船只损坏，增加船只维修费用，提高运行成本，影响航行安全。

（二）破坏河道生态景观

人工漂浮物的来源包括生活过程中产生的生活垃圾、粪便及油污，生产过程中产生的固体垃圾及污状漂浮物等[2]。河道漂浮物产生的不良视觉和嗅觉效果必然会引发人们的感官污染，使河流美感大打折扣。

（三）影响河道水质健康

除了感官污染外，河道漂浮物的长期存在会污染水体，降低水质，威胁用水安全。工厂排放的废弃物会将重金属及其他污染物带入河流；生活垃圾的排放会导致河道中大肠杆菌超标；水面油污和水体富营养化会导致水中溶解氧降低，造成其他水生生物死亡。

河道漂浮物的存在降低了水体的使用价值和使用功能，其组成复杂性、地域分布性和季节更替性使得河道漂浮物处理技术的研发意义重大。近年来，随着“幸福河”建设的不断推进，全面提升与人民生活休戚相关的河道环境质量是政府工作重点之一，这也使河道漂浮物处理技术的发展得以保障。

三、河道漂浮物处理技术

当前常见的河道漂浮物处理技术包括人工打捞、大型机械船打捞以及水面垃圾清理机器人。

（一）人工打捞

人工打捞的形式一般为“两人一船”或“一人一船”，打捞时将河道漂浮物暂存船上，在作业完成后统一进行处理，但是小型打捞船的行驶速度较慢，船舱存储容积小，劳动作业强度大，工作周期长，河道漂浮物处理效率低。在打捞过程中由于河面的不稳定性，导致河面、湖面发生细小颠簸使得船只发生巨大晃动，存在一定的安全隐患。人工打捞受环境影响较大，若遇到恶劣的气候条件，如风、雨、雾或水流湍急等情况无法进行打捞作业。

（二）大型机械船

相比于人工打捞方式，大型机械船能处理多种河道漂浮物且工作效率高。大型机械船一般在前端配备有收集舱，在船员操控行驶的过程中将漂浮物暂时存放在收集舱之内，在船靠岸之后处理舱内漂浮物。大型机械船的体积较大，不适用于狭长的河道水域，也不利于运输，灵活性较差。此外，现阶段的打捞船多采用柴油或汽油作为主要燃料，在运行的过程中容易发生燃料泄漏造成二次污染，增加河道清理难度。大型机械船工作时产生的噪声污染和固体废弃物污染也使得景观水环境和靠近密集居民区的河道无法使用此类方法。

（三）水面垃圾清理机器人

目前市面上的水面垃圾清理机器人基本由驱动模块、垃圾收集模块、控制系统组成[3-5]。此类型的设备能利用地图定位、垃圾收集、太阳能充电等机电一体化技术，实现对河道漂浮物的实时清理，不间断作业。但水面垃圾清理机器人能收集并处理的河道漂浮物尺寸受限，例如无法收集较长的树枝；部分能实现自动清理的设备价格昂贵，技术尚未成熟，维修成本较高，还需配备相应的操作人员，使得河道清理成本大幅提升。

四、河道漂浮物搜集设备

随着大数据、物联网、人工智能等新技术的不断发展，数字化、无人化、智慧化的水面垃圾清理设备已成为了未来发展趋势。为此，本文提出并研制的河道漂浮物处理设备能实现河道漂浮物自动收集的装置（如图2 所示）。该设备集物联网、边缘计算、深度学习等技术，以“智能感知+AI 决策+无人控制”为核心，致力于解决传统打捞方式效率低下、人力成本高的问题。设备通过在河道内航行，河道漂浮物由不断张开或闭合的搜集门推向搜集板，当搜集板上堆积的垃圾触发配备的起升传感器时，搜集板沿着升降导向杆的方向，并在抬升同步带的带动下上升或下降；当搜集板上升触发最高位置配备的限位传感器时，搜集刮板在丝杆传动机构的带动下，沿着横移导向杆的方向进行横向水平移动，从而将河道漂浮物刮入搜集箱内。

相较于人工打捞处理方式，本设备不需要人工干预，从河道漂浮物识别到收集河道漂浮物，整个过程仪器设备可自主完成，这就弥补了传统人工打捞方式效率低，劳动强度大，人员成本高昂，受环境影响大，只能清理固体垃圾等缺点；更重要的是在很大程度上保证了打捞工人的人身安全，减少了打捞过程中意外的发生。相较于大型机械打捞的弊端，本设备小巧玲珑，可以在城市内河和乡村河道自由行驶；采用电力驱动的方式，在打捞清理垃圾的过程中不会对河面产生二次污染。相较于当前市场上的水电垃圾清理机器人，本设备可基于全景摄像头无死角地观测河道漂浮垃圾的密集程度，优先进行密度较高区域的垃圾搜集；河道漂浮物视觉模块（PyAI-K210）的搭载能使装置识别出河面漂浮物的类型，将漂浮物所在坐标信息传输回单片机，自动规划航行路线，以实现河道漂浮垃圾智能自动搜集的功能。

五、意见及建议

（一）从源头上减少河道漂浮物的产生

生活垃圾和工业垃圾是河道漂浮物中的重要组成部分，对此要加大监管力度，建立河道长效监管和巡查机制，对河道漂浮物聚集较多区域进行不定期检查，巩固河道清理成果，从源头减少人为河道垃圾的产生。此外，加大宣传力度，提高群众的环境保护意识，让保护河道环境的思想认识深入人心，从源头上切实减少和杜绝乱排滥倒河道垃圾的现象和行为。

（二）推进智能化产品的研发

河道漂浮物复杂多变，会随着区域、季节、水位而发生一系列变化，目前市面上河道漂浮物清理设备仅针对某一种或某几种漂浮物，适用范围有限。改进小型河道漂浮物处理设备，加快智能化清理产品商业化，降低河道漂浮物处理成本。改进水面无人驾驶技术，实现自主清理作业，操作人员通过计算机、智能手持终端和物联网终端等设备，实现水质、漂浮物等信息的实时查看，时空物联的远程精准控制，为河道漂浮物智能化处理带来新思路。