清华大学丨精准治污新利器：河流塑料质量通量监测技术与新型设备
清华大学丨精准治污新利器：河流塑料质量通量监测技术与新型设备
海洋塑料污染的80%以上源自陆源输入，其中河流是主要传输通道。然而，传统监测方法依赖模型估算，数据偏差显著。例如，全球河流每年向海洋输送的塑料碎片量估算范围达0.41×10⁶~4×10⁶吨，但受限于采样方法不统一和实测数据不足，模型精度难以保证。现有技术多聚焦微塑料（<5mm）人工采样，仅统计数量且覆盖点位单一，无法反映全断面塑料质量通量。此外，大尺寸塑料（如瓶罐、渔网）的监测长期被忽视，导致污染评估严重失真。
清华大学环境学院循环经济产业研究中心长期致力于塑料垃圾物质循环研究，为了充分了解塑料垃圾在河流中的迁移路径、实地监测河流向海洋输送塑料垃圾的量，自主研发了一种自动化监测河流全断面塑料质量通量新型设备和监测方法，项目得到国家重点研发计划“循环经济关键技术与装备”专项支持。
面对这一问题，亟需开发直接监测塑料通过河流流入海洋的质量通量的设备和方法，从而为精确治理和政策制定提供可靠的数据信息支持。
监测需求
目前，塑料污染监测大多依赖人工采样，采样过程繁琐，主要集中在微塑料的采集，点位设置单一，且通常只统计数量而忽略质量，因此无法满足对大型河流塑料质量通量的监测需求。虽然市面上已有一些采样设备，但在采样深度、采样量和采样尺寸等方面仍然存在局限，无法精准评估塑料垃圾的入海通量。
为了解决这一问题，清华大学环境学院团队研发了一种自动化、多尺寸、全断面的塑料质量通量采样监测方案。该方案具有快速响应、兼容多种尺寸塑料和较强的环境适应性等优势。通过无人船搭载自动采样系统，极大缩短了采样流程，配备大口径进水和多级网过滤，可以采集不同尺寸的塑料垃圾。同时，采用全断面样本采集，有效避免了塑料分布不均的误差，能够精准核算塑料质量通量，避免了丰度指标代表性差的问题。
这一方案不仅可以监测塑料质量、河流流速，计算塑料通量，还能提供塑料丰度、形态、颜色、材料、尺寸、用途等关键数据，为精准治理塑料污染提供科学的依据。
改进后的自动采样设备
为了解决人工采样流程繁琐、效率低的问题，研究团队研发了一套自动化河流塑料采样系统，包括智能船坞、智能采样无人船和塑料采样器，实现了高效、精准、全天候的采样监测：
- 智能船坞负责岸边部署，配备信号收发、控制、磁吸充电、水位传感等模块，确保无人船随时待命。
- 智能采样无人船搭载北斗/惯性导航、摄像头和流速仪，具备自主规划路径、实时避障功能，并通过悬吊系统精准投放采样器。
- 自动采样器集成伺服水泵自动吸水、腔体水压传感控制深度、卷轴机构自动换网，能够实现多层次、全断面的塑料采样，成功解决了水下换网的难题。整套系统具备常态化部署、自动规划采样、实时反馈控制、智能避障等特性，大幅提升了塑料污染监测的效率与精确性。
三大改进之处
1. 扩大采样尺寸
传统采样方法仅限于微塑料，无法全面监测河流中的塑料污染。研究团队创新设计了一款全尺寸塑料采样系统，扩展了采样范围至微塑料、中塑料、大塑料（25μm~50cm），实现了更全面的数据采集。
大口径吸水技术可以采集最大30cm的硬质塑料（如塑料瓶、一次性餐具）和最大50cm的软质塑料（如塑料袋、渔网）。同时，采用500目（25μm）过滤网实现对25μm以上微塑料的精准采集。
2. 全断面采样
传统的河流塑料采样方法通常为单点位采集（仅采集中洪水面），难以全面反映污染情况。部分研究通过铅鱼进行不同位置和深度的离散式多点采样，但依然无法完整监测塑料在水体中的分布。
为此，研究团队设计了全断面采样方法，能够采集整个断面的水样，且采样频率可达平/枯水期每周一次，洪峰期每天一次。
3. 塑料质量测定与河流质量通量核算
传统的塑料污染监测通常只统计数量，忽略了质量，难以准确评估其对环境的影响。为了解决这一问题，研究团队优化了塑料质量测定方法，并设计了河流质量通量核算体系。
通过直接称量、焦平面扫描和拉曼光谱分析，精确测定单个塑料样品的质量。结合河流流速数据，采用逐层积分计算河流断面塑料瞬时质量通量，并通过多次采样积分计算河流断面累积质量通量，全面还原塑料在河流中的真实流动情况。
应用实例
研究团队已在湖北梁子湖的五条支流开展了自动采样系统的原位测试。通过上游投加、下游采集的方式，验证了采样器对河流塑料污染物的监测回收率。
测试结果表明，采样器在小型河流断面的塑料质量通量回收率超过90%，明显高于人工采样方式，充分证明了其高效、精准的监测能力。
编者按：清华大学环境学院团队的河流塑料质量通量监测技术，为解决全球河流塑料污染问题提供了重要的技术支撑。其创新性在于全尺寸采样、全断面监测和质量通量精准核算，显著提升了数据的全面性和准确性。然而，设备成本、复杂环境适应性和数据标准化等问题仍需进一步解决。未来，通过智能化升级、多源数据融合和全球化应用，该技术有望在全球塑料污染治理中发挥更大作用，为保护海洋生态系统和人类健康作出重要贡献。
本文原文来自网易新闻