太平洋垃圾帶的形成與治理

1、太平洋垃圾帶的形成與治理07108123 曾新09008304劉晶潔21408127 望燦摘要近年來(lái)，由于海洋塑料垃圾的堆積，美國(guó)西海岸附近形成了一個(gè)以塑料為主的“太平洋大垃圾帶”，隨著其面積的逐年增大，其帶來(lái)的危害也越發(fā)令人擔(dān)憂。 本文對(duì)其來(lái)源、形成原因、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害，以及改善措施這幾個(gè)方面進(jìn)行了 深入的分析討論，并給出相應(yīng)的兩個(gè)模型，給科學(xué)探險(xiǎn)家們提供了有價(jià)值的方案。針對(duì)塑料垃圾來(lái)源，本文進(jìn)行了深入分析，對(duì)環(huán)太平洋國(guó)家的塑料產(chǎn)業(yè)情況做了 調(diào)查，得出中國(guó)排放出的塑料垃圾所占比例最大，應(yīng)著重控制其排放量。對(duì)于漩 渦的形成原因，我們給出了太平洋環(huán)流的分布，并分析了垃圾的移動(dòng)過(guò)程。針對(duì)塑料垃圾

2、帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，我們主要考慮了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害。我們把塑料顆粒 看作外來(lái)侵入物種，建立了微塑料顆粒威脅模型，給出了塑料顆粒的豐度與浮游生 物生存之間的關(guān)系。以便科學(xué)家定量地評(píng)估該海域的微塑料顆粒的污染程度。為了降低塑料垃圾對(duì)太平洋生態(tài)的破壞，本文參考了荷蘭WHIM公司提出的“再 生島”計(jì)劃，在原垃圾帶水域，利用廢舊塑料的浮力，就地建立一個(gè)懸浮的再生島。 我們建立模型論證了建造再生島的厚度與出水高度的關(guān)系，再生島和太平洋垃圾的 消化能力。并分析了本計(jì)劃的成本與收益。本文通過(guò)地理學(xué)科、生物學(xué)科、物理學(xué)科，以及經(jīng)濟(jì)學(xué)科，對(duì)“太平洋垃圾帶” 問(wèn)題做了全面的分析，提出了就地建立再生島的模型，給科學(xué)家提 供了

3、解決海洋 垃圾問(wèn)題的一個(gè)參考方案.關(guān)鍵詞：太平洋垃圾帶再生島塑料顆粒一. 問(wèn)題重述最近的一項(xiàng)深入太平洋渦旋（垃圾碎片不斷累積的匯流地帶）進(jìn)行的科學(xué)探險(xiǎn)，揭 露出大量與處理這些垃圾碎片相關(guān)的科技問(wèn)題。傾倒廢棄物流入海洋不是新鮮事， 但 是科學(xué)界卻首次發(fā)現(xiàn)這些垃圾碎片（尤其是塑料制品）在太平洋*領(lǐng)域中密集出 現(xiàn)?？茖W(xué)界同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這些垃圾碎片對(duì)海洋生態(tài)，對(duì)人類的福祉都帶來(lái)了許多潛在 威脅。研究者把這些塑料垃圾描述成塑料湯或是塑料彩屑。今年ICM的問(wèn)題是利用跨學(xué)科建模，來(lái)解決由于海洋中垃圾存在與累積所帶來(lái)的 各種復(fù)雜問(wèn)題，借此幫助研究者，最終幫助政府政策制定者來(lái)了解該問(wèn)題的程度、 范圍和 對(duì)全球潛在的

4、影響。作為科學(xué)探險(xiǎn)的建模顧問(wèn)，你的任務(wù)是要關(guān)注垃圾問(wèn)題中的某一個(gè)因素，建立模 型并分析它的性質(zhì)，確定其對(duì)影響海洋生態(tài)、政府政策的潛在影響，以及改善它的 負(fù)面影響的具體措施。一定要考慮未來(lái)科研的需求和這一問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)因素，然后給 科學(xué)探險(xiǎn)的領(lǐng)隊(duì)寫(xiě)一份報(bào)告，總結(jié)你的研究發(fā)現(xiàn)，提出解決建議、需要制定的政策 和米取的措施。選擇的問(wèn)題如下：?jiǎn)栴}四：這些塑料從何處來(lái)？可以采取什么步驟來(lái)控制或減少與這一情況相關(guān)的 各種風(fēng)險(xiǎn)？經(jīng)濟(jì)成本如何？控制或結(jié)束這種狀態(tài)會(huì)帶來(lái)什么經(jīng)濟(jì)效益？如何比較成 本與效益？有多少塑料被生產(chǎn)，丟棄與回收？有多少有可能被排入海洋？進(jìn)入海洋 的乂有多少可能會(huì)到處漂??？為了明確你的任務(wù)，重點(diǎn)應(yīng)

5、該集中在問(wèn)題的某個(gè)重要方面，對(duì)重要的問(wèn)題和現(xiàn)象 的表現(xiàn)進(jìn)行建模分析，對(duì)你選擇進(jìn)行建模和分析的那個(gè)方面當(dāng)中對(duì)當(dāng)前和未來(lái)影響 最顯著的因素進(jìn)行定量分析。你的ICM報(bào)告應(yīng)以如下形式提交：它將是篇幅為10 貞的小組報(bào)告，提交給一位調(diào)查負(fù)責(zé)人，目的在于幫助她找出所探討問(wèn)題或現(xiàn)象的 相關(guān)表現(xiàn)，主 要分析這些問(wèn)題或者現(xiàn)象的后果，并針對(duì)在問(wèn)題進(jìn)一步惡化之前政 府能夠采取哪些措施 來(lái)遏制該問(wèn)題向她提出可行性建議。二. 模型假設(shè)1. 垃圾來(lái)源僅為太平洋沿海國(guó)家，不考慮內(nèi)陸國(guó)家排污情況。2. 垃圾帶水域的塑料顆粒不分種類，形狀質(zhì)量均看作一致。3. 垃圾帶被污染水域各處的浮游生物數(shù)量密度、塑料顆粒數(shù)量密度均視為一致4

6、. 再生島所處的位置是平穩(wěn)的，材料均勻且所處海域海水密度一致；。三. 模型分析與建立3.1垃圾的來(lái)源根據(jù)聯(lián)合國(guó)的統(tǒng)計(jì)，每年世界會(huì)產(chǎn)出超過(guò) 2.6億噸的塑料垃圾，它們當(dāng)中大多 數(shù)是一次性的，其中90%95翔沒(méi)有得到回收，大部分都被人類隨意丟棄了一 有的被掩埋在土地里，有的散布在郊外的垃圾場(chǎng)，有的掛在鐵路沿線的樹(shù)梢枝頭， 有的被直接傾倒入海 它們散布在地球的每個(gè)角落，但是最后它們會(huì)被雨水或 大風(fēng)吹刷，然后悄無(wú)聲息地流走 一一最后的終點(diǎn)，是海洋”。經(jīng)調(diào)查，塑料垃圾在所有海洋垃圾中占據(jù)相當(dāng)大的比例。這些塑料垃圾10%來(lái)自漁民捕魚(yú)過(guò)程中的漁網(wǎng)，10%是海上航行的貨船丟棄的，其余80%的塑料垃圾 則來(lái)自陸

7、地的人類活動(dòng)及颶風(fēng)等沖刷陸地帶來(lái)垃圾。以下三個(gè)因素則為垃圾帶的主要來(lái)源。人類活動(dòng)帶來(lái)的塑料垃圾資料顯示，每年，僅塑料，全世界大約就會(huì)制造出近億噸，其中僅有一小部分 能夠得到循環(huán)再利用。自從塑料產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)，世界范圍內(nèi)生產(chǎn)的塑料制品大約 有5%已進(jìn)入海洋，其數(shù)量超過(guò)1億噸。不僅如此，在人類與海洋直接接觸的同時(shí)， 也會(huì)產(chǎn)生垃圾。比如，人們?cè)诤＿吢糜蔚倪^(guò)程中，有意無(wú)意地把已使用過(guò)的物品 棄置丁在海里和海岸，或是人類在捕魚(yú)時(shí)丟棄的廢舊漁具。這些都是塑料垃圾漩 渦的來(lái)源。太平洋大垃圾帶中，有80&塑料垃圾，而這些垃圾乂有80球自人類活動(dòng)，來(lái) 自大陸塑料排污。因此，這里查詢環(huán)太平洋各國(guó)塑料生產(chǎn)量、

8、回收量，以及排入 海洋量各是多少。根據(jù)資料顯示，全球塑料消費(fèi)量如下圖。-1995200C2COS20102Q1S年份圖1至城塑料消第總嘖由圖1可以看出，全球塑料的消費(fèi)總量逐年遞增，也就意味著廢舊塑料的數(shù)目 逐年增多，排入海洋的塑料數(shù)目同樣也會(huì)逐漸增大。根據(jù)2009年資料統(tǒng)計(jì)29,可得如下統(tǒng)計(jì)表1:環(huán)太平洋國(guó)家的塑料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)家年產(chǎn)量（萬(wàn)噸）回收率拋弁率被拋向海洋的比率美國(guó)470040.0%47.0%12.7%中國(guó)447922.0%65.0%31.8%日本142569.7%21.5%11.4%韓國(guó)120023.5%48.8%13.4%加拿大81036.0%42.0%16.9%我們可以看出，中國(guó)向

9、海中排放廢舊塑料是最多的，因此，在源頭減少塑料排 污量方面上，中國(guó)更應(yīng)加大回收廢舊塑料的力度，同時(shí)， 其他各國(guó)也要盡量控制其排污量，并努力提高回收率。自然災(zāi)害帶來(lái)的垃圾環(huán)北太平洋地區(qū)的海灘垃圾，街邊見(jiàn)到的某個(gè)塑料瓶、工廠排放出來(lái)的工業(yè)廢 物？?這些都可能是海洋垃圾的間接來(lái)源。 每當(dāng)下雨，尤其是在暴雨沖刷后，各種 各樣的垃圾從四處進(jìn)入雨水排水道或者內(nèi)陸河流中,最終抵達(dá)海洋。行駛船只排污據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天有大約800萬(wàn)件垃圾進(jìn)入海洋，其中大約400多萬(wàn)件來(lái)自丁過(guò)往 船只，重達(dá)560多萬(wàn)噸。而 國(guó)際海運(yùn)聯(lián)合會(huì)”曾經(jīng)公布說(shuō)，每年都有數(shù)千只集裝 箱掉到海里，里面的物品會(huì)散落出來(lái)成為海上 裁浪者”。垃圾進(jìn)入海洋

10、后，大約 有70知降至海底，15啷浮在海面，15%主留丁海灘。3.2垃圾漩渦的形成The Great Pacific Garbage Patch, also described as the Pacific TrashVortex, is a gyre of marine litter in the central North Pacific Oceanlocated roughly between 1350 to 155 0W and 35° to 42 N. The patch extendsover a very wide area, with estimates rangin

11、g from an area the size of the state of Texas to one larger than the continental United States;however, the exact size is unknown.在太平洋上，北太平洋環(huán)流系統(tǒng)是相對(duì)靜止的區(qū)域，此區(qū)主要為副熱帶高壓帶， 水流旋轉(zhuǎn)的方向?qū)⒅車(chē)膹U物帶進(jìn)來(lái)， 導(dǎo)致漂浮物和其破碎物的累積，這些像是 漂浮的“云狀”廢物被稱為太平洋垃圾帶（塊），東方垃圾塊或是太平洋垃圾旋 渦。這片垃圾帶的位置恰恰是被北太平洋中一個(gè)巨大的環(huán)流 一一北太平洋環(huán)流環(huán) 繞在中央。這個(gè)環(huán)流是一個(gè)由北赤道暖流、黑潮、北太

12、平洋暖流、加利福尼業(yè)寒 流構(gòu)成的順時(shí)針環(huán)形系統(tǒng)。當(dāng)整個(gè)太平洋的洋流以順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，垃圾途經(jīng) 這里并被卷入這塊平靜區(qū)域，便不再繼續(xù)隨洋流漂移，并在此聚集。根據(jù)這個(gè)環(huán)流的走向，我們可以復(fù)原這些漂浮著的塑料垃圾是如何來(lái)到這里的 比如，一支在舊金山海岸被廢棄的牙刷，一開(kāi)始它會(huì)隨著加利福尼業(yè)寒流一 路向南，到了墨西哥一帶再借著北赤道暖流流向業(yè)洲，一直到達(dá)日本海域，然后它會(huì)遇上黑潮，轉(zhuǎn)而向東匯入北太平洋暖流，經(jīng)過(guò)夏威夷最終到達(dá)垃圾大陸”，整個(gè)旅程大概需要耗時(shí)幾年。當(dāng)然,如果它是在業(yè)洲沿海一帶被丟棄的話，那么 旅程的時(shí)間將會(huì)大大縮短，抵達(dá) 新大陸”的時(shí)間只用1年就夠了。3.3垃圾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響（微塑料

13、顆粒威脅模型）太平洋垃圾帶的垃圾總量估計(jì)已經(jīng)超過(guò) 700萬(wàn)噸，每平方公里的海面上有330 萬(wàn)件大大小小的塑料片。最嚴(yán)重的地方，海底堆積的垃圾厚度已經(jīng)達(dá)到30米。這 些垃圾給海洋生物，甚至人類帶來(lái)了巨大的危害：（1）動(dòng)物誤食塑料垃圾，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物食管刺穿，攝食的塑料垃圾在胃內(nèi)不被 消化導(dǎo)致動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)缺乏；被塑料（特別是魚(yú)網(wǎng)、塑料袋）纏繞而受到傷害，甚至致 死。（2）漂浮在海洋中的塑料微粒還可能成為有蠹物質(zhì)進(jìn)入生物體內(nèi)的媒介。它們可能聚集在一起，并吸附來(lái)自其他源頭的有蠹化學(xué)物質(zhì)，再通過(guò)較大的魚(yú)、鳥(niǎo)類和海洋哺乳動(dòng)物向食物鏈的上層移動(dòng)，同時(shí)， 其蠹性會(huì)不斷被濃縮，最終很可能 危及到人類健康。（3）塑料

14、碎片的數(shù)量是浮游生物的6倍，塑料層擋住了太陽(yáng)光，使得淺水層中 需要太陽(yáng)光的海洋生物的生存環(huán)境被限制和破壞。在這里，本文對(duì)該問(wèn)題做了進(jìn)一步的建模和分析。相關(guān)概念本模型中我們首先引入了一些相關(guān)生物學(xué)概念：現(xiàn)存量 （Standing crops）是指 單位面積或體積中所存在生物體的數(shù)量或重量，現(xiàn)存量若以個(gè)體數(shù)表示則可稱為豐度（abundance）或（數(shù)量）密度（Density），本文記之為p ,單位為ind/L ；若以重量表示則可稱為生物量（Biomass），單位為mg/L。在大自然中，每個(gè)生物種群都有其最適宜的生存空間。一旦該生存空間遭破壞， 被縮小或毀滅，必定使該種生物數(shù)量減少甚至消失。本題中，

15、 塑料顆粒作為太平 洋海域的外來(lái)入侵物體，擠占原來(lái)水域浮游生物的生存空間， 破壞其原來(lái)保持的 平衡，導(dǎo)致該水域浮游生物數(shù)量和種類的減少。 為描述這一過(guò)程，本文定義如下 幾個(gè)概念：浮游生物生存空間：浮游生物均勻分布的水中，平均每個(gè)浮游生物個(gè)體所占有的 生存空間體積，記為 Vf。浮游生物最小生存空間：一個(gè)浮游生物個(gè)體正常生存所需的最小空間容量，記為Vf0 0塑料顆?；顒?dòng)空間：塑料顆粒均勻分布的水中，平均每個(gè)塑料顆粒個(gè)體所占有的 空間體積，記為Vp。浮游生物豐度（數(shù)量密度）：?jiǎn)挝惑w積的水中浮游生物的數(shù)量，記為 pfo 塑料顆粒豐度（數(shù)量密度）：?jiǎn)挝惑w積的水中塑料顆粒的數(shù)量，記為 pp。塑料顆粒的活動(dòng)

16、勢(shì)必影響著浮游生物的生存空間， 可以將塑料顆粒視為與浮游 生物克爭(zhēng)的兀素，前者的增加必將引起后者的減少，從而使得以浮游生物為食的 其他生物也在減少，整個(gè)塑料漩渦范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)由此而遭到破壞。我們希望解決兩個(gè)問(wèn)題：1、塑料顆粒豐度達(dá)到什么值的時(shí)候會(huì)威脅浮游生物的生存？2、塑料顆粒豐度與浮游生物豐度有什么具體關(guān)系？具體模型當(dāng)垃圾塑料顆粒分解達(dá)到與浮游生物競(jìng)爭(zhēng)生存空間的程度時(shí)， 本文建立“塑料 顆粒威脅模型”。 在單位體積為V。的水中，浮游生物的豐度pf與塑料顆粒的豐 度pp之間滿足如下關(guān)系：pfxvf+ppxvp = VQ該關(guān)系式表明了浮游生物與塑料顆粒之間的關(guān)系，其中Vf、Vp是本文定義的浮游

17、生物生存空間和塑料顆?；顒?dòng)空間。正常的生態(tài)系統(tǒng)下，浮游生物的豐度 pf是一個(gè)常值pf。，而一個(gè)浮游生物個(gè)體正常生存所需也存在一個(gè)最小生存空間 Vf0。因此，該水域?qū)λ芰项w粒有一個(gè)臨界容量：Pg =p當(dāng)塑料顆粒豐度未達(dá)到臨界值 Pp0時(shí)，浮游生物的生存尚未受到威脅，該水域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外來(lái)入侵的塑料顆粒仍可容納。由丁塑料顆粒是可以不斷增多的，因此其很有可能超越該臨界值。一旦超過(guò)這個(gè)臨界值，浮游生物就會(huì)受到排擠。浮游生物必然是以減少自身數(shù)量，為余下的浮游生物換取足夠的生存空間， 關(guān)系式 如下：該關(guān)系式表明了塑料顆粒與浮游生物之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，面對(duì)不具生命特征的塑 料顆粒，浮游生物是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的。隨著該水

18、域污染的加劇，即塑料顆粒的豐度 pp的增大，相應(yīng)地，浮游生物的豐度pf就會(huì)減少，兩者的關(guān)系圖大致如下圖6:Pf (ind I £)圖6塑料顆粒豐度與浮湖生物豐度的關(guān)系示意圖由此可見(jiàn)，微塑料顆粒單純從物理意義上講就對(duì)該水域的浮游生物造成嚴(yán)重威 脅，一旦微塑料在海水中的豐度值達(dá)到一定程度， 該水域的浮游生物將全部滅亡應(yīng)用：海域污染監(jiān)控本模型給出了水域中浮游生物豐度與微塑料顆粒豐度之間的關(guān)系，在實(shí)踐活動(dòng)中，可以知道塑料顆粒豐度的臨界值pp。，以及浮游生物生存空間和塑料顆?；?動(dòng)空間Vf、Vpo環(huán)衛(wèi)人員在提取樣本得到相關(guān)數(shù)據(jù) (浮游生物的豐度pf與微塑料顆 粒的豐度pp)之后，可以定量地評(píng)估

19、該海域的微塑料顆粒的污染程度。3.4垃圾處理控制、減少太平洋垃圾帶所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，可以從兩方面著手：從塑料的源頭減 少塑料污染；就地處理垃圾。3.4.1陸上處理目前，全球已采取了很多措施減少塑料污染， 一方面多數(shù)國(guó)家有效地提高了塑 料垃圾的回收率，另一方面，很多國(guó)家對(duì)塑料制品（塑料袋）進(jìn)行了限制或收稅， 取得了較好的效果。因此本文不再討論如何減少源頭的污染。3.4.2海上處理（再生島模型）對(duì)丁已經(jīng)在海上的塑料垃圾，徹底活除是很困難的，因此主要研究方向變成了 對(duì)垃圾的轉(zhuǎn)化。目前一個(gè)令人矚目的項(xiàng)目正在進(jìn)行：環(huán)保組織的 海星計(jì) 劃”（Project Kaisei），希望能把垃圾轉(zhuǎn)化能源。海星計(jì)劃”計(jì)劃

20、在18個(gè)月處理40萬(wàn)噸塑料垃圾，耗資200萬(wàn)美元。我們還可以從另一角度處理這些垃圾，將其 變 廢為寶”，便是就地建造一個(gè)適宜人類居住的小島，其原料不是泥土，而是這些 塑料垃圾。我們參考了荷蘭 WHIM公司提出的 苒生島”計(jì)劃，并根據(jù)該計(jì)劃建立相關(guān)模型 分析建設(shè)該項(xiàng)目涉及到的物理性質(zhì)。 假如再生島計(jì)劃付諸實(shí)施，將有力聚集太平 洋漩渦的塑料垃圾，使之為人類重新利用，再生島效果圖如圖。再生島的厚度標(biāo)準(zhǔn)我們?cè)谄湓懈拍顦?gòu)想的基礎(chǔ)上，分析再生島的面積、出水高度、承載物體質(zhì) 量與厚度之間的關(guān)系。為了方便建筑方根據(jù)所給的出水高度標(biāo)準(zhǔn)而確定所建再生島的厚度，本文根據(jù) 浮力知識(shí)分析如下：建筑方得到的出水高度標(biāo)準(zhǔn)

21、為l° （即所建的再生島要高出海平面l°）,所建再生島 要承載的物體質(zhì)量為m以及已測(cè)得所在海域的海水密度為Pw,則由阿基米德原理 有關(guān)系式如下：m*g l*S。*，：*g =（l -1o）*S。* 匕 * g于是有l(wèi) = '"+"¥"）這便是從建設(shè)再生島的標(biāo)準(zhǔn)中得到所需建造再生島的厚度。在實(shí)際建造中，所有 的標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)范圍，故也可以根據(jù)本模型求出厚度的范圍。再生島的擴(kuò)建速率再生島應(yīng)以多大的擴(kuò)建速率，才能保持太平洋塑料污染范圍不再擴(kuò)大？我們根據(jù)荷蘭WHIM公司提出的再生島”計(jì)劃，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，。計(jì)劃建造 的再生島面積約為10000km2,使用的塑料垃圾約為4400萬(wàn)噸。另外根據(jù)資料：截至 2000年3月太平洋的垃圾量約5000萬(wàn)噸；而截至2010年3月太平洋的垃圾量約1億噸, 于是由5* (1 +x)10 =10可計(jì)算得太平洋塑料垃圾量近十年的年增長(zhǎng)率 x近似為0.0718。設(shè)原來(lái)的塑料垃圾質(zhì)量為M,每年的塑料垃圾增加率