鯨盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集設備

NEARSHORE GARBAGE——近岸垃圾

15，000～30，000 WAVES/DAY——1.5～3萬個浪/天

FOUR-LEVEL INTERCEPTION COLLECTION——四級攔截收集

全球一半以上人口生活在沿海附近，近岸活動產生了大量垃圾。海岸線作為大陸與海洋的交界線，是阻止垃圾入海和外來垃圾上岸的一道重要防線。清華大學美術學院工業設計系碩士研究生嚴澤騰在導師劉新教授的指導完成了其畢業設計——鯨盾SHIELD-海浪助力式近岸垃圾收集設備，該設備旨在對近岸垃圾起到收集和防御的作用，并以海浪作為動力實現垃圾收集。

據2010年統計數據，每年向海洋投放的垃圾多達約800萬噸。在空間尺度上，海洋垃圾是全球性的環境污染問題;在時間維度上，則是跨時代的;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%，在海洋環境中難以被降解，易分解成小碎塊和微塑料，這也使其數量有增無減。天氣和自然災害也會導致原本不是垃圾的物品“被”成為垃圾，或將原本可控的垃圾變得不可控。

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

設計思路

近岸的特點是浪多。海浪作為可持續的自然能源，幾乎能夠24小時源源不斷地供應。以中國為例，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，即一天可產生約1.5～3萬個浪。即使考慮到漲潮和退潮的限制，減去過高和過低的浪，收集設備依舊能接收到可觀的海浪數。

近岸的另一特點是垃圾容易被海浪推到高潮線的位置并形成一條垃圾帶。假設在這個位置開槽挖坑，垃圾便能夠被打入坑中。當然，如此簡單的方式會影響游客，所以我們可以將這個基本結構往前移到近岸水域，使設備提前接收到浪，再通過合理的結構設計，增強浪的能量，并作為助推力將垃圾推入設備中。

四級攔截收集

一級為攔截帶，若垃圾沒有漂至設備主體附近，則被海浪和風推往攔截帶處的垃圾會先被截獲;

二級為迎浪坡上的臺階和凸棱，當海浪沒有足夠的動力將垃圾推至垃圾收集口時，臺階和凸棱會將部分垃圾掛住，防止退回的海水將垃圾拖回水中，并等待較大的浪;

三級為低浪收集口，當浪較低仍無法將垃圾推入高浪收集口時，在聚浪側板、中間V形分流板和繞射弧的導流和繞射下，海浪會將垃圾推入中間的低浪收集口;

四級則為開口最大的高浪收集口，在理想情況下，大多數爬上坡的垃圾會被推入這一收集口，并最終存儲在垃圾倉中。

方案優勢

1.低能源依賴：利用海浪作為動力來收集近岸漂浮垃圾，無需依賴外接電力或其他不可再生能源，收集垃圾的過程中無需人工操作。

2.結構簡單：利用低技術的物理手段實現垃圾收集，設備造價低，易維護，可實現性高。

3.利用率高：設備一直放置在近岸水域，海浪可提供源源不斷的動力，可24小時持續運行。

4.干預得早：可起到防御作用，即垃圾產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，同時降低外來垃圾上岸的可能。

5.近岸水域建設垃圾收集與防御機制：減少陸源垃圾入海和外來垃圾上岸，減少海灘度假旅游景區的垃圾，進而增加人流、帶動周邊經濟、促進旅游業發展。設備有一定離岸距離，因此對近岸游客影響較小。

設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，設備后方的繩索固定至陸地端。這樣連接一來可使設備處于相對固定的位置，提高收集效率（晃動過大效率低，且影響水中游客）;二來可有雙保險，無論繩索哪端斷裂都不會使設備漂遠，減少丟失概率，設備也設有GPS便于找回，防止自身成為垃圾。

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

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

設備前端兩側和后端頂部各有一燈帶，起到示廓作用，提示往來船只，防止誤撞。同時也可為夜間發生溺水的游客提示設備所在位置，可沿繩索移至設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的樣機實驗中，由于時間關系以及樣機的材料強度和耐久性不足，因此只驗證了方案的結構合理性和有效性，并沒有驗證長期運行的收集情況。

垃圾收集口有一定高度，預測打入魚類的可能性較低，但由于條件有限沒有做1：1的樣機長期跟蹤測試，這一方面在本研究中難以驗證。

中國作為快速發展的大國，面對海洋垃圾治理這一全球問題，有著不可推卸的責任，然而我國的海洋事業起步晚，投入少，相關組織少，監測研究數據不夠充分。相較于英語語言國家，我國的漢字具有高識別度，因此更應該重視對本土垃圾的管控，減少外流。

清除海洋垃圾是一場持久戰，需要各個沿海國家和社會多方共同努力才能逐漸被消減。也希望能有更多學者關注這一問題，加強跨學科合作，提出更多高效、簡單、低成本的解決方案。

我們需要時刻反思人類的行為對自然環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，沒有人希望豐富多彩的海洋成為“寂靜的海洋”。

導師的話

嚴澤騰同學的研究聚焦在海洋垃圾問題上，這是一個龐大的課題，充滿挑戰，但意義重大。該設計從海洋垃圾類型、移動和變化特點，以及海浪、地形和垃圾三者關系的研究入手，在調研分析了大量設計案例的基礎上，提出利用海浪作為動力，收集近岸垃圾的可行性，并通過多次結構設計、模型實驗和方案迭代，最終設計出獨具特色的針對近岸漂浮垃圾的收集設備。

嚴澤騰同學有公益心和社會責任感，敏銳、細膩、務實，動手能力極強。在研究過程中，能夠主動尋求跨學科專家的支持，并通過大量實驗，來驗證設計的可行性與工作效率，具有優秀設計師的潛質。

——工業設計系教授 劉新

特別致謝

設計研究中多處數據來自仁渡海洋，國內針對這一領域的研究和監測工作起步較晚，相關研究機構和組織也極少，感謝這一組織多年以來的堅持和努力。同時為我聯系了海岸環境工程專業的曹憶婕。曹學姐為我解答了與物理海洋學和近岸動力學相關的疑惑，以及為我的設計方案提供了許多專業性的建議，特此感謝。