太平洋垃圾带的形成与治理

太平洋垃圾带的形成与治理
07108123 曾新
09008304 刘晶洁
21408127 望灿
摘要
近年来，由于海洋塑料垃圾的堆积，美国西海岸附近形成了一个以塑料为主的“太平洋大垃圾带”，随着其面积的逐年增大，其带来的危害也越发令人担忧。

本文对其来源、形成原因、对生态系统的危害，以及改善措施这几个方面进行了深入的分析讨论，并给出相应的两个模型，给科学探险家们提供了有价值的方案。

针对塑料垃圾来源，本文进行了深入分析，对环太平洋国家的塑料产业情况做了调查，得出中国排放出的塑料垃圾所占比例最大，应着重控制其排放量。

对于漩涡的形成原因，我们给出了太平洋环流的分布，并分析了垃圾的移动过程。

针对塑料垃圾带来的风险，我们主要考虑了对生态系统的危害。

我们把塑料颗粒看作外来侵入物种，建立了微塑料颗粒威胁模型，给出了塑料颗粒的丰度与浮游生物生存之间的关系。

以便科学家定量地评估该海域的微塑料颗粒的污染程度。

为了降低塑料垃圾对太平洋生态的破坏，本文参考了荷兰 WHIM 公司提出的“再生岛”计划，在原垃圾带水域，利用废旧塑料的浮力，就地建立一个悬浮的再生岛。

我们建立模型论证了建造再生岛的厚度与出水高度的关系，再生岛和太平洋垃圾的消化能力。

并分析了本计划的成本与收益。

本文通过地理学科、生物学科、物理学科，以及经济学科，对“太平洋垃圾带”问题做了全面的分析，提出了就地建立再生岛的模型，给科学家提供了解决海洋垃圾问题的一个参考方案.
关键词：太平洋垃圾带再生岛塑料颗粒
一．问题重述
最近的一项深入太平洋涡旋（垃圾碎片不断累积的汇流地带）进行的科学探险，揭露出大量与处理这些垃圾碎片相关的科技问题。

倾倒废弃物流入海洋不是新鲜事，但是科学界却首次发现这些垃圾碎片（尤其是塑料制品）在太平洋**领域中密集出现。

科学界同时也发现这些垃圾碎片对海洋生态，对人类的福祉都带来了许多潜在威胁。

研究者把这些塑料垃圾描述成塑料汤或是塑料彩屑。

今年 ICM 的问题是利用跨学科建模，来解决由于海洋中垃圾存在与累积所带来的各种复杂问题，借此帮助研究者，最终帮助政府政策制定者来了解该问题的程度、范围和对全球潜在的影响。

作为科学探险的建模顾问，你的任务是要关注垃圾问题中的某一个因素，建立模型并分析它的性质，确定其对影响海洋生态、政府政策的潜在影响，以及改善它的负面影响的具体措施。

一定要考虑未来科研的需求和这一问题的经济因素，然后给科学探险的领队写一份报告，总结你的研究发现，提出解决建议、需要制定的政策和采取的措施。

选择的问题如下：
问题四：这些塑料从何处来？可以采取什么步骤来控制或减少与这一情况相关的各种风险？经济成本如何？控制或结束这种状态会带来什么经济效益？如何比较成本与效益？有多少塑料被生产，丢弃与回收？有多少有可能被排入海洋？进入海洋的又有多少可能会到处漂浮？
为了明确你的任务，重点应该集中在问题的某个重要方面，对重要的问题和现象的表现进行建模分析，对你选择进行建模和分析的那个方面当中对当前和未来影响最显著的因素进行定量分析。

你的 ICM 报告应以如下形式提交：它将是篇幅为 10 页的小组报告，提交给一位调查负责人，目的在于帮助她找出所探讨问题或现象的相关表现，主要分析这些问题或者现象的后果，并针对在问题进一步恶化之前政府能够采取哪些措施来遏制该问题向她提出可行性建议。

二．模型假设
1．垃圾来源仅为太平洋沿海国家，不考虑内陆国家排污情况。

2．垃圾带水域的塑料颗粒不分种类，形状质量均看作一致。

3．垃圾带被污染水域各处的浮游生物数量密度、塑料颗粒数量密度均视为一致。

4．再生岛所处的位置是平稳的，材料均匀且所处海域海水密度一致；。

三．模型分析与建立
3.1垃圾的来源
根据联合国的统计，每年世界会产出超过2.6亿吨的塑料垃圾，它们当中大多数是一次性的，其中90%~95%都没有得到回收，大部分都被人类随意丢弃了——
有的被掩埋在土地里，有的散布在郊外的垃圾场，有的挂在铁路沿线的树梢枝头，有的被直接倾倒入海……它们散布在地球的每个角落，但是最后它们会被雨水或大风吹刷，然后悄无声息地流走——“最后的终点，是海洋”。

经调查，塑料垃圾在所有海洋垃圾中占据相当大的比例。

这些塑料垃圾10％来自渔民捕鱼过程中的渔网，10％是海上航行的货船丢弃的，其余80％的塑料垃圾则来自陆地的人类活动及飓风等冲刷陆地带来垃圾。

以下三个因素则为垃圾带的主要来源。

人类活动带来的塑料垃圾
资料显示，每年，仅塑料，全世界大约就会制造出近亿吨，其中仅有一小部分能够得到循环再利用。

自从塑料产品问世以来，世界范围内生产的塑料制品大约有5％已进入海洋，其数量超过1亿吨。

不仅如此，在人类与海洋直接接触的同时，也会产生垃圾。

比如，人们在海边旅游的过程中，有意无意地把已使用过的物品弃置于在海里和海岸，或是人类在捕鱼时丢弃的废旧渔具。

这些都是塑料垃圾漩涡的来源。

太平洋大垃圾带中，有80%是塑料垃圾，而这些垃圾又有80%来自人类活动，来自大陆塑料排污。

因此，这里查询环太平洋各国塑料生产量、回收量，以及排入海洋量各是多少。

根据资料显示，全球塑料消费量如下图。

由图1可以看出，全球塑料的消费总量逐年递增，也就意味着废旧塑料的数目逐年增多，排入海洋的塑料数目同样也会逐渐增大。

根据2009年资料统计[2~9]，可得如下统计表1:
国家年产量（万吨）回收率抛弃率被抛向海洋的比率
美国4700 40.0% 47.0% 12.7%
中国4479 22.0% 65.0% 31.8%
日本1425 69.7% 21.5% 11.4%
韩国1200 23.5% 48.8% 13.4%
加拿大810 36.0% 42.0% 16.9%
我们可以看出，中国向海中排放废旧塑料是最多的，因此，在源头减少塑料排污量方面上，中国更应加大回收废旧塑料的力度，同时，其他各国也要尽量控制
其排污量，并努力提高回收率。

●自然灾害带来的垃圾
环北太平洋地区的海滩垃圾，街边见到的某个塑料瓶、工厂排放出来的工业废物⋯⋯这些都可能是海洋垃圾的间接来源。

每当下雨，尤其是在暴雨冲刷后，各种各样的垃圾从四处进入雨水排水道或者内陆河流中，最终抵达海洋。

●行驶船只排污
据统计，每天有大约800 万件垃圾进入海洋，其中大约400 多万件来自于过往船只，重达560多万吨。

而“国际海运联合会”曾经公布说，每年都有数千只集装箱掉到海里，里面的物品会散落出来成为海上“流浪者”。

垃圾进入海洋后，大约有70%沉降至海底，15%漂浮在海面，15%驻留于海滩。

3.2 垃圾漩涡的形成
北太平洋环流系统( 英语：North Pacific Gyre )
The Great Pacific Garbage Patch, also described as the Pacific Trash Vortex, is a gyre of marine litter in the central North Pacific Ocean located roughly between 135° to 155°W and 35° to 42°N. The patch extends over a very wide area, with estimates ranging 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，北太平洋环流系统是相对静止的区域，此区主要为副热带高压带，水流旋转的方向将周围的废物带进来，导致漂浮物和其破碎物的累积，这些像是漂浮的“云状”废物被称为太平洋垃圾带（块），东方垃圾块或是太平洋垃圾旋涡。

这片垃圾带的位置恰恰是被北太平洋中一个巨大的环流——北太平洋环流环
绕在中央。

这个环流是一个由北赤道暖流、黑潮、北太平洋暖流、加利福尼亚寒流构成的顺时针环形系统。

当整个太平洋的洋流以顺时针方向运转时，垃圾途经这里并被卷入这块平静区域，便不再继续随洋流漂移，并在此聚集。

根据这个环流的走向，我们可以复原这些漂浮着的塑料垃圾是如何来到这里的——比如，一支在旧金山海岸被废弃的牙刷，一开始它会随着加利福尼亚寒流一路向南，到了墨西哥一带再借着北赤道暖流流向亚洲，一直到达日本海域，然后它会遇上黑潮，转而向东汇入北太平洋暖流，经过夏威夷最终到达“垃圾大陆”，整个旅程大概需要耗时几年。

当然，如果它是在亚洲沿海一带被丢弃的话，那么旅程的时间将会大大缩短，抵达“新大陆”的时间只用1年就够了。

3.3 垃圾对生态系统的影响（微塑料颗粒威胁模型）
太平洋垃圾带的垃圾总量估计已经超过700万吨，每平方公里的海面上有330万件大大小小的塑料片。

最严重的地方，海底堆积的垃圾厚度已经达到30米。

这些垃圾给海洋生物，甚至人类带来了巨大的危害：
(1)动物误食塑料垃圾,可能会导致动物食管刺穿，摄食的塑料垃圾在胃内不被消化导致动物营养缺乏；被塑料(特别是鱼网、塑料袋)缠绕而受到伤害，甚至致死。

(2)漂浮在海洋中的塑料微粒还可能成为有毒物质进入生物体内的媒介。

它们
可能聚集在一起，并吸附来自其他源头的有毒化学物质，再通过较大的鱼、鸟类和海洋哺乳动物向食物链的上层移动，同时，其毒性会不断被浓缩，最终很可能危及到人类健康。

(3) 塑料碎片的数量是浮游生物的6倍，塑料层挡住了太阳光，使得浅水层中需要太阳光的海洋生物的生存环境被限制和破坏。

在这里，本文对该问题做了进一步的建模和分析。

●相关概念
本模型中我们首先引入了一些相关生物学概念：现存量(Standing crops)是指单位面积或体积中所存在生物体的数量或重量，现存量若以个体数表示则可称为
丰度(abundance)或（数量）密度（Density），本文记之为p，单位为ind/L；若
以重量表示则可称为生物量（Biomass），单位为mg/L。

在大自然中，每个生物种群都有其最适宜的生存空间。

一旦该生存空间遭破坏，被缩小或毁灭，必定使该种生物数量减少甚至消失。

本题中，塑料颗粒作为太平洋海域的外来入侵物体，挤占原来水域浮游生物的生存空间，破坏其原来保持的平衡，导致该水域浮游生物数量和种类的减少。

为描述这一过程，本文定义如下几个概念：
浮游生物生存空间：浮游生物均匀分布的水中，平均每个浮游生物个体所占有的生存空间体积，记为v f。

浮游生物最小生存空间：一个浮游生物个体正常生存所需的最小空间容量，记为v f0。

塑料颗粒活动空间：塑料颗粒均匀分布的水中，平均每个塑料颗粒个体所占有的空间体积，记为v p。

浮游生物丰度（数量密度）：单位体积的水中浮游生物的数量，记为p f。

塑料颗粒丰度（数量密度）：单位体积的水中塑料颗粒的数量，记为p p。

塑料颗粒的活动势必影响着浮游生物的生存空间，可以将塑料颗粒视为与浮游生物竞争的元素，前者的增加必将引起后者的减少，从而使得以浮游生物为食的其他生物也在减少，整个塑料漩涡范围内的生态系统由此而遭到破坏。

我们希望解决两个问题：
1、塑料颗粒丰度达到什么值的时候会威胁浮游生物的生存？
2、塑料颗粒丰度与浮游生物丰度有什么具体关系？
●具体模型
当垃圾塑料颗粒分解达到与浮游生物竞争生存空间的程度时，本文建立“塑料
的水中，浮游生物的丰度p f与塑料颗粒的丰颗粒威胁模型”。

在单位体积为v
度p p之间满足如下关系：
该关系式表明了浮游生物与塑料颗粒之间的关系，其中v f、v p是本文定义的浮游生物生存空间和塑料颗粒活动空间。

正常的生态系统下，浮游生物的丰度p f是一个常值p f0，而一个浮游生物个体正常生存所需也存在一个最小生存空间v f0。

因此，该水域对塑料颗粒有一个临界容量：
当塑料颗粒丰度未达到临界值p p0时，浮游生物的生存尚未受到威胁，该水域生态系统对外来入侵的塑料颗粒仍可容纳。

由于塑料颗粒是可以不断增多的，因此其很有可能超越该临界值。

一旦超过这个临界值，浮游生物就会受到排挤。

浮游生物必然是以减少自身数量，为余下的浮游生物换取足够的生存空间，关系式如下：
该关系式表明了塑料颗粒与浮游生物之间的竞争关系，面对不具生命特征的塑料颗粒，浮游生物是没有竞争力的。

随着该水域污染的加剧，即塑料颗粒的丰度p p的增大，相应地，浮游生物的丰度p f就会减少，两者的关系图大致如下图6：
由此可见，微塑料颗粒单纯从物理意义上讲就对该水域的浮游生物造成严重威胁，一旦微塑料在海水中的丰度值达到一定程度，该水域的浮游生物将全部灭亡。

应用：海域污染监控
本模型给出了水域中浮游生物丰度与微塑料颗粒丰度之间的关系，在实践活动中，可以知道塑料颗粒丰度的临界值p p0，以及浮游生物生存空间和塑料颗粒活动空间v f、v p。

环卫人员在提取样本得到相关数据（浮游生物的丰度p f与微塑料颗粒的丰度p p）之后，可以定量地评估该海域的微塑料颗粒的污染程度。

3.4垃圾处理
控制、减少太平洋垃圾带所带来的风险，可以从两方面着手：从塑料的源头减少塑料污染；就地处理垃圾。

3.4.1 陆上处理
目前，全球已采取了很多措施减少塑料污染，一方面多数国家有效地提高了塑料垃圾的回收率，另一方面，很多国家对塑料制品（塑料袋）进行了限制或收税，取得了较好的效果。

因此本文不再讨论如何减少源头的污染。

3.4.2 海上处理（再生岛模型）
对于已经在海上的塑料垃圾，彻底清除是很困难的，因此主要研究方向变成了对垃圾的转化。

目前一个令人瞩目的项目正在进行：环保组织的“海星计
划”(Project Kaisei)，希望能把垃圾转化能源。

“海星计划”计划在18个月处理40万吨塑料垃圾，耗资200万美元。

我们还可以从另一角度处理这些垃圾，将其“变废为宝” ，便是就地建造一个适宜人类居住的小岛，其原料不是泥土，而是这些塑料垃圾。

我们参考了荷兰WHIM 公司提出的“再生岛”计划，并根据该计划建立相关模型分析建设该项目涉及到的物理性质。

假如再生岛计划付诸实施，将有力聚集太平洋漩涡的塑料垃圾，使之为人类重新利用，再生岛效果图如图。

再生岛的厚度标准
我们在其原有概念构想的基础上，分析再生岛的面积、出水高度、承载物体质量与厚度 之间的关系。

为了方便建筑方根据所给的出水高度标准而确定所建再生岛的厚度，本文根据浮力 知识分析如下：
建筑方得到的出水高度标准为0l （即所建的再生岛要高出海平面0l ），所建再生岛要承载的物体质量为m ，以及已测得所在海域的海水密度为w ρ，则由阿基米德原理有关系式如下：
g S l l g S l m w ***)(***g *000ρρ-=+
于是有
)
(**00ρρρρρ-+-=w w w S m l l 这便是从建设再生岛的标准中得到所需建造再生岛的厚度。

在实际建造中，所有的标准是一个范围，故也可以根据本模型求出厚度的范围。

● 再生岛的扩建速率
再生岛应以多大的扩建速率，才能保持太平洋塑料污染范围不再扩大？
我们根据荷兰WHIM 公司提出的“再生岛”计划，搜集相关数据资料，。

计划建造的再生岛面积约为10000km 2，使用的塑料垃圾约为4400万吨。

另外根据资料：截至2000年3月太平洋的垃圾量约5000万吨；而截至2010 年3月太平洋的垃圾量约1亿吨，于是由
10x 1*510=+）（
可计算得太平洋塑料垃圾量近十年的年增长率x 近似为0.0718。

设原来的塑料垃圾质量为M 0，每年的塑料垃圾增加率为k p ，再生岛每平方公里
所消化的塑料垃圾量为m 0，再生岛原有的面积为S 0，再生岛每年最低增加面积为
S A ,再生岛每年的最低扩建速率为k 0。

我们知道，欲保持太平洋塑料污染范围不再扩大，最基本的要求就是太平洋每年增加的塑料垃圾都能转换为再生岛，假如再生岛的扩建速率赶不上塑料垃圾的增加速率，则污染范围将继续扩大；另一方面，假如扩建速率超过该值，则太平洋的污染范围有望减小。

我们知道
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧==0000k *S S k m M S A
p A 联立得
0000**S m k M k p =
由前面资料得：M0=108T ，0718.0k p = ， 20/4400km T m =， 2010000km S =，于是可以最低扩充速率163.00≈k 0 k ，即再生岛计划得以实施后， 每年还应增建再生岛面积为1630 平方公里。

● 建造“再生岛”的成本与效益的对比
成本：
该计划将消耗大量的人力和物力。

前面已经说明，资料显示 “海星计划”计划在18个月处理40万吨塑料垃圾，耗资200万美元。

且不计入每年持续进入太平洋垃圾带的塑料垃圾数量，现已有约1亿吨，估计需时约16年，仅打捞处理将耗资3500万美元。

而再生岛计划的成本明显会比海星计划更高。

效益：
1.就地处理了太平洋垃圾带，将其变废为宝，充分利用了废旧资源。

2.建成的悬浮小岛既可以作为居住岛屿，扩大了可居住地面积，从而减缓大路
上的人口压力；同时也可开发旅游业，带来长期的经济效益。

目前荷兰公司初步计划在再生岛上开垦农田。

3.该岛屿也可作为军事基地，处于良好的地理位置，给国家带来的军事效益也是无穷的。

再生岛计划所消耗的成本是庞大的，但是我们要看到后期的经济效益和环境效益是不可估量的。