湖北工業(yè)大學(xué) 郭翠英 馮天玉 王小平 張濤

1 水資源概況

湖北是千湖之省，境內(nèi)江河縱橫，湖泊水庫(kù)池塘星羅棋布。湖泊在我省國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，具有調(diào)節(jié)河川徑流、發(fā)展灌溉、提供工業(yè)和飲用的水源、繁衍水生生物、溝通航運(yùn)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等多種功能。豐富的水資源為我省水產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。全省水域總面積2 500萬(wàn)畝（1hm2＝15畝），宜養(yǎng)水面1 360萬(wàn)畝，居全國(guó)第一。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市人口的不斷增長(zhǎng)，湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化情況也呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。水體的污染治理一直都是各級(jí)政府領(lǐng)導(dǎo)高度重視的問(wèn)題。并積極探索有效措施進(jìn)行治理。目前我省長(zhǎng)江、漢江水質(zhì)相對(duì)尚好，但湖泊生態(tài)環(huán)境堪憂，金屬污染、泥沙淤積、湖面退縮、鹽化、富營(yíng)養(yǎng)化等等，以及由此引起的生態(tài)環(huán)境惡化和資源退縮。特別是在人口稠密地區(qū)，湖泊所受的污染越來(lái)越嚴(yán)重。

2 水體生態(tài)修復(fù)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問(wèn)題，水污染治理，是個(gè)全球性課題。目前水體凈化通常情況有以下3種方式：生態(tài)治理，化學(xué)治理，物理治理。就具體的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，生態(tài)／生物方法是修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)中最為推崇的舉措之一。這種技術(shù)實(shí)際上是對(duì)水體自凈能力的強(qiáng)化，是人們遵循生態(tài)系統(tǒng)自身規(guī)律的嘗試。而在具體的實(shí)施時(shí)，更趨向于多種技術(shù)的集成。

水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已經(jīng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了影響，如何除去污水中的氨氮，成為給水體“減肥”的技術(shù)瓶頸。水草種植是解決水體富養(yǎng)的有效措施，但如果水草不能適時(shí)收割打撈，種植的水草將對(duì)水體產(chǎn)生二次污染。

水草種植是治理湖泊、溝渠污染的主要措施之一。水草既是河蟹棲息、避敵、蛻殼的場(chǎng)所，更是增加水中溶氧、降解水中有害物質(zhì)、吸附水中重金屬，凈化水質(zhì)，同時(shí)也是河蟹喜食的好餌料。但是，在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水生植物進(jìn)入衰亡期，植物殘?bào)w分解釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易造成水體的二次污染導(dǎo)致河蟹死亡等。所以水草適時(shí)收割，對(duì)湖泊、溝渠的環(huán)境治理具有十分重要的意義。

水草不僅具有生態(tài)價(jià)值，水草可凈化水質(zhì)，供應(yīng)氧氣；還具有養(yǎng)殖價(jià)值和景觀價(jià)值。養(yǎng)殖價(jià)值，某些水草可以給一些草食性魚(yú)類提供飼料，同時(shí)水草可作為魚(yú)類產(chǎn)卵的附著物——魚(yú)巢；景觀價(jià)值，水草能給人一種清新、舒暢的感覺(jué)，可以讓人們觀葉、品姿、賞花。

正是因?yàn)樗萦腥绱硕嗟淖饔?，吸引了人們?nèi)シN植。由于種植量大，同時(shí)缺乏相應(yīng)的管理措施，導(dǎo)致人工種植的水草一度發(fā)展到瘋狂的狀態(tài)。為了恢復(fù)水體的良性循環(huán)，維護(hù)人類的健康，還人類一個(gè)美好的生活環(huán)境，必須采取一定的措施來(lái)治理水草。我省現(xiàn)有溝渠池塘中已出現(xiàn)水草的瘋狂蔓延造成水域生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象。為抑制瘋長(zhǎng)的水草，打草船應(yīng)運(yùn)而生。目前已有部分企業(yè)生產(chǎn)打草船。打草船是在普通船體前加裝一套碎草裝置，將水面瘋長(zhǎng)的水葫蘆等雜草打碎。抑制水草生長(zhǎng)。但碎草再次污染水體，目前推廣應(yīng)用不多。水草實(shí)時(shí)收割是解決水草二次污染的有效措施。

3 水草收割機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于水草收割機(jī)的研究比較早，荷蘭等國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始使用專門(mén)的水利機(jī)械進(jìn)行河道除草作業(yè)，比較有影響的水草收割機(jī)研究國(guó)家有美國(guó)、荷蘭、英國(guó)等國(guó)。澳大利亞、日本、俄羅斯、德國(guó)也有類似的產(chǎn)品。但機(jī)器比較大，價(jià)格高，不適宜我國(guó)的小型湖泊使用。

國(guó)內(nèi)也有一些相關(guān)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)入該領(lǐng)域，對(duì)水草收割機(jī)進(jìn)行了一定研究，并取得了一定的成果。當(dāng)前市場(chǎng)上所有水草收割機(jī)都是大型機(jī)械，滿足大型湖泊水草的收割和修理，但不適合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。我省雖然水域面積大、湖泊數(shù)量多，但大多數(shù)湖泊屬于小型水域范疇。為了有效維護(hù)水域生態(tài)平衡，水草收割機(jī)是不可缺少的，且需求量將會(huì)越來(lái)越大。小型輕便、美觀環(huán)保的水草收割機(jī)將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前水草收割機(jī)的操作都由人工來(lái)完成，在大型的水草收割機(jī)上一般有3人以上進(jìn)行操作。但隨著水草收割機(jī)的小型化，它的收割和集草都要在同一條船上進(jìn)行，由于空間有限，最多只能有一人操控，若都是手動(dòng)操作的話，會(huì)不太方便，所以應(yīng)該提高水草收割機(jī)的自動(dòng)化程度，特別是遙控式的水草收割機(jī)不僅能進(jìn)一步減少船體的尺寸，增大儲(chǔ)草空間，而且使用安全。

目前市場(chǎng)上水草收割機(jī)結(jié)構(gòu)形式：水草收割機(jī)一般有動(dòng)力裝置、切割器割臺(tái)、動(dòng)力推進(jìn)器、送草裝置、集草倉(cāng)、船體組成。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）液壓控制。切割器和輸送裝置的升降都是采用液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）往復(fù)式切割。（3）前置式工作。

工作原理：前置往復(fù)式切割器將水草切割，隨著船體向前推進(jìn)將割斷的水草收集到水草輸送裝置，有輸送裝置送到集草倉(cāng)。

4 小水面水草收割機(jī)的研究要求

4．1 小型化

當(dāng)前市場(chǎng)上水草收割機(jī)都是大型機(jī)械，滿足大型湖泊水草收割，不適應(yīng)小型河道和湖泊等水面水域的水草收割，尤其是城市內(nèi)湖公園等微型水域的水草收割。從我省水資源調(diào)查資料顯示，城市內(nèi)湖等人口稠密地區(qū)水資源富養(yǎng)化程度更為嚴(yán)重，水資源治理既是水域生態(tài)環(huán)境要求，也是水域生態(tài)景觀要求。治理的有效方法是種植水草。由于水域面積小，分散、不規(guī)則，要求水草收割機(jī)必須小巧、輕便安全可靠。

4．2 智能化

由于水草收割機(jī)小型化，收割機(jī)有效空間有限，要保證水草收集的有效空間，必須減少水草收割機(jī)操作人員的工作空間。同時(shí)提高水草收割機(jī)的安全性，智能化無(wú)人駕駛將是水草收割機(jī)小型化發(fā)展重要標(biāo)志。

采用基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)線遙控技術(shù)使水草收割機(jī)在工作過(guò)程中達(dá)到無(wú)人駕駛的目的；采用液壓升降機(jī)構(gòu)對(duì)水草收獲的切割部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制水草收獲的切割深度。

5 小型智能化水草收割機(jī)研究重點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)

5．1 研究重點(diǎn)

（1）基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)線遙控行駛系統(tǒng)：主要研究設(shè)計(jì)針對(duì)船體在水面行駛過(guò)程中進(jìn)行遙控系統(tǒng)，達(dá)到無(wú)人駕駛的要求。

（2）基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)線遙控割臺(tái)升降系統(tǒng)：主要研究水草收割機(jī)割臺(tái)在不同水面，對(duì)水草切割深度的不同要求，達(dá)到遙控升降的目的。

（3）水草收獲的水底切割與收集裝置：主要研究適宜水底收割水草的切割與收割裝置。

（4）適宜水草收割機(jī)的船體：水草收割機(jī)對(duì)船體的要求與一般船體不同，它涉及到水草切割與收集裝置，船體的重心布置等，它對(duì)船體有著特殊的要求，所以要研究適宜水草收割機(jī)的船體。

5．2 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

（1）基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)線遙控行駛系統(tǒng)。

（2）基于機(jī)器視覺(jué)的無(wú)線遙控割臺(tái)升降系統(tǒng)。

（3）水底的切割與收集裝置。

（4）適宜收割水草的船體。

6 水草收割機(jī)應(yīng)用潛力

6．1．水草種植是治理湖泊、溝渠污染的主要措施之一

水草既是河蟹棲息、避敵、蛻殼的場(chǎng)所，更是增加水中溶氧、降解水中有害物質(zhì)、吸附水中重金屬，凈化水質(zhì)，同時(shí)也是河蟹喜食的好餌料。但水草只種不管就會(huì)前功盡棄，不但不能正常發(fā)揮作用，而且大面積死草時(shí)，會(huì)污染水質(zhì)，造成河蟹死亡等。所以水草收割機(jī)的應(yīng)用，對(duì)湖泊、溝渠的環(huán)境治理具有十分重要的意義。

6．2．水草收割機(jī)整個(gè)作業(yè)過(guò)程完全自動(dòng)化，環(huán)衛(wèi)工人只需要在駕駛室內(nèi)或岸邊按按鈕就能輕松完成工作，此產(chǎn)品的工作效率是人工打撈的幾十倍

6．3 水草收割機(jī)不僅是湖泊、溝渠環(huán)境治理的重要工具，而且生產(chǎn)企業(yè)為政府帶來(lái)一定利稅，自身也能創(chuàng)造可觀經(jīng)濟(jì)效益

7 結(jié)論

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問(wèn)題，水生植物在改善水環(huán)境質(zhì)量，以及水生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中具有重要的意義。水生植物作為整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)是進(jìn)行水環(huán)境治理的重要依據(jù)。水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，不僅可以吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，而且對(duì)有機(jī)物、重金屬亦有較強(qiáng)的去除和富集作用。目前，利用水生植被進(jìn)行的水生態(tài)修復(fù)方法，已成為富營(yíng)養(yǎng)化水體治理的重要途徑。但是，在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水生植物進(jìn)入衰亡期，植物殘?bào)w分解釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易造成水體的二次污染現(xiàn)象。對(duì)水草實(shí)時(shí)收割是解決水草二次污染的有效措施。發(fā)展小型智能化水草收割機(jī)是解決我省眾多小水面湖泊、溝渠以及城市公園等景觀水域水草收割的有效措施，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。