河道漂浮物處理技術的研究及展望

廖競文 周溫雅 魯浩棟 黃霄宇

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

引言

河道是水資源的載體，與人類的生產生活息息相關。近些年，隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對河道水環境和景觀功能要求越來越高。宜居的水環境是幸福河外在的直觀指標，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能有效保護與改善自然河流湖泊的水環境質量，提高城鄉居民親水指數，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活動時，產生的垃圾肆意排放進入河流；水生植物漂浮物是由于水體富營養化，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

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

（二）破壞河道生態景觀

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

（三）影響河道水質健康

除了感官污染外，河道漂浮物的長期存在會污染水體，降低水質，威脅用水安全。工廠排放的廢棄物會將重金屬及其他污染物帶入河流；生活垃圾的排放會導致河道中大腸桿菌超標；水面油污和水體富營養化會導致水中溶解氧降低，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值和使用功能，其組成復雜性、地域分布性和季節更替性使得河道漂浮物處理技術的研發意義重大。近年來，隨著“幸福河”建設的不斷推進，全面提升與人民生活休戚相關的河道環境質量是政府工作重點之一，這也使河道漂浮物處理技術的發展得以保障。

三、河道漂浮物處理技術

當前常見的河道漂浮物處理技術包括人工打撈、大型機械船打撈以及水面垃圾清理機器人。

（一）人工打撈

人工打撈的形式一般為“兩人一船”或“一人一船”，打撈時將河道漂浮物暫存船上，在作業完成后統一進行處理，但是小型打撈船的行駛速度較慢，船艙存儲容積小，勞動作業強度大，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定性，導致河面、湖面發生細小顛簸使得船只發生巨大晃動，存在一定的安全隱患。人工打撈受環境影響較大，若遇到惡劣的氣候條件，如風、雨、霧或水流湍急等情況無法進行打撈作業。

（二）大型機械船

相比于人工打撈方式，大型機械船能處理多種河道漂浮物且工作效率高。大型機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存放在收集艙之內，在船靠岸之后處理艙內漂浮物。大型機械船的體積較大，不適用于狹長的河道水域，也不利于運輸，靈活性較差。此外，現階段的打撈船多采用柴油或汽油作為主要燃料，在運行的過程中容易發生燃料泄漏造成二次污染，增加河道清理難度。大型機械船工作時產生的噪聲污染和固體廢棄物污染也使得景觀水環境和靠近密集居民區的河道無法使用此類方法。

（三）水面垃圾清理機器人

目前市面上的水面垃圾清理機器人基本由驅動模塊、垃圾收集模塊、控制系統組成[3-5]。此類型的設備能利用地圖定位、垃圾收集、太陽能充電等機電一體化技術，實現對河道漂浮物的實時清理，不間斷作業。但水面垃圾清理機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；部分能實現自動清理的設備價格昂貴，技術尚未成熟，維修成本較高，還需配備相應的操作人員，使得河道清理成本大幅提升。

四、河道漂浮物搜集設備

隨著大數據、物聯網、人工智能等新技術的不斷發展，數字化、無人化、智慧化的水面垃圾清理設備已成為了未來發展趨勢。為此，本文提出并研制的河道漂浮物處理設備能實現河道漂浮物自動收集的裝置（如圖2 所示）。該設備集物聯網、邊緣計算、深度學習等技術，以“智能感知+AI 決策+無人控制”為核心，致力于解決傳統打撈方式效率低下、人力成本高的問題。設備通過在河道內航行，河道漂浮物由不斷張開或閉合的搜集門推向搜集板，當搜集板上堆積的垃圾觸發配備的起升傳感器時，搜集板沿著升降導向桿的方向，并在抬升同步帶的帶動下上升或下降；當搜集板上升觸發最高位置配備的限位傳感器時，搜集刮板在絲桿傳動機構的帶動下，沿著橫移導向桿的方向進行橫向水平移動，從而將河道漂浮物刮入搜集箱內。

相較于人工打撈處理方式，本設備不需要人工干預，從河道漂浮物識別到收集河道漂浮物，整個過程儀器設備可自主完成，這就彌補了傳統人工打撈方式效率低，勞動強度大，人員成本高昂，受環境影響大，只能清理固體垃圾等缺點；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生。相較于大型機械打撈的弊端，本設備小巧玲瓏，可以在城市內河和鄉村河道自由行駛；采用電力驅動的方式，在打撈清理垃圾的過程中不會對河面產生二次污染。相較于當前市場上的水電垃圾清理機器人，本設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，優先進行密度較高區域的垃圾搜集；河道漂浮物視覺模塊（PyAI-K210）的搭載能使裝置識別出河面漂浮物的類型，將漂浮物所在坐標信息傳輸回單片機，自動規劃航行路線，以實現河道漂浮垃圾智能自動搜集的功能。

五、意見及建議

（一）從源頭上減少河道漂浮物的產生

生活垃圾和工業垃圾是河道漂浮物中的重要組成部分，對此要加大監管力度，建立河道長效監管和巡查機制，對河道漂浮物聚集較多區域進行不定期檢查，鞏固河道清理成果，從源頭減少人為河道垃圾的產生。此外，加大宣傳力度，提高群眾的環境保護意識，讓保護河道環境的思想認識深入人心，從源頭上切實減少和杜絕亂排濫倒河道垃圾的現象和行為。

（二）推進智能化產品的研發

河道漂浮物復雜多變，會隨著區域、季節、水位而發生一系列變化，目前市面上河道漂浮物清理設備僅針對某一種或某幾種漂浮物，適用范圍有限。改進小型河道漂浮物處理設備，加快智能化清理產品商業化，降低河道漂浮物處理成本。改進水面無人駕駛技術，實現自主清理作業，操作人員通過計算機、智能手持終端和物聯網終端等設備，實現水質、漂浮物等信息的實時查看，時空物聯的遠程精準控制，為河道漂浮物智能化處理帶來新思路。

（三）河道漂浮垃圾優化處理

根據河道漂浮物的種類不同，可對河道漂浮垃圾進行分類處理，這也是當前垃圾處理經驗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計實現“AI 識別+自動分類”的功能。河道漂浮垃圾的優化處理可以實減少垃圾數量，降低處理成本，實現資源再利用。