行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
從近岸海床表面及邊界層中沉積物粒徑的變化來探討在浪
流交互作用的環境中粒徑對沉積物運輸的影響(3/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2611-M-110-002- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學海洋地質及化學研究所 計畫主持人： 劉祖乾 計畫參與人員： 陳信宏, 王兆璋, 許敦睿, 黃雅雯, 李佳娜, 江金源 報告類型： 完整報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
從近岸海床表面及邊界層中沉積物粒徑的變化來探討在浪流交互作
用的環境中粒徑對沉積物運輸的影響(3/3)
計畫類別：■個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 93－2611－M－110－002－
執行期間：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：劉祖乾
國立中山大學海洋地質及化學研究所
計畫參與人員：陳信宏
國立中山大學海下技術研究所
王兆璋
國立中山大學海下技術研究所
許敦睿
國立中山大學海洋地質及化學研究所
黃雅雯
國立中山大學海洋地質及化學研究所
李佳娜
國立中山大學海洋地質及化學研究所
江金源
國立中山大學海下技術研究所
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列
管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立中山大學海洋地質及化學研究所
中 華 民 國 94 年 10 月 30 日
一、研究計畫中英文摘要：請就本計畫要點作一概述，並依本計畫性質自訂關鍵詞。 （一）計畫中文摘要。 （二）計畫英文摘要。 （一）計畫中文摘要 沈積物動力學研究的最高境界（終極挑戰）就是能模擬海床表面沈積物粒徑的分布形態。 這是一個難度非常高問題，因為牽涉到的不只是和物理有關的顆粒揚起，搬運，和沈積的問 題，更牽涉到更大時空尺度的外來（陸源或海源）沈積物的輸入，和海床上原有（殘餘）之 沈積物的特性。根據本人過去十年來對各種不同海岸沈積環境中海床表面沈積物粒徑分布形 態的研究，粒徑的確可以作為長期沈積物來源、傳輸、和沈積的示蹤劑。可是要真正能夠解 釋粒徑分布形態進一步到能模擬，關鍵在於了解沈積物在海床表面以及海底邊界層間之互 動。在過去二十年間，國際上對海底邊界層特別是在浪流交互影響下的研究無論是在理論上 或觀測上均有重大之進展，但是對沉積物顆粒在水—海床界面上和在海底邊界層內水中之偶 合，特別是粒徑所扮演的角色，卻鮮有研究成果發表。 因此，本研究想要嘗試用一些突破和前瞻性的觀測方法，希望能對這個領域有所貢獻。 本研究和過去所有研究不同的是在觀念上（假設），我們認為海床表面沈積物之粒徑變化和 水中懸浮沈積物之粒徑變化有直接的因果關係，受到不同粒徑之起揚和沈降臨界條件之控 制。因此為了要驗證上述假設，我們要對水—海床界面以及海底邊界層中之沈積物動力環境 做同步 的觀測並量化。為了要達到此一目標，我們必須發展和建造一個適用於海岸帶（水深 小於十五公尺）之海底邊界層觀測系統（ISOBED-Integrated System for the Observation of Benthic Environment Dynamics）， 使我們能對海底邊界層之各種動力（浪、流）， 環境（溫、 鹽），沈積物（粒徑、濃度）參數，和底質參數（沈積物粒徑、沙漣、沙波之大小和移動速 度及方向）做同步觀測，特別重要的是這些參數和再懸浮（揚起）事件之間的關係。此一觀 測系統包含了：（一）一個獨立四腳架作為各種觀測儀器之載台（platform）。此一載台主要 是用以觀測水－海床介面以上之海底邊界層為主；（二）一個自動化底層採樣和儲存系統。 此一系統之最大特色，也是國際上首創的，就是包含一自動化之底泥採樣和儲存裝置，可以 依設定的時程做連續的底層採樣。 本計劃的時程為三年，第一年的主要工作分成兩部分，第一部份是平臺的製造，系統的 購置和組裝，和外海現場的測試。第二部分是自動化之底泥採樣和儲存裝置的設計，可行性 分析，零組件之購置和製造，以及水槽測試，然後才和系統之主要部分整合。 在第二年的前半年，我們打算在先浪流交互作用明顯的平坦濱面上（例如旗津外海）做 兩季的邊界層觀測。希望在觀測中不但能包括東北，西南季風，甚至颱風所引起的波浪場的 情況，也包括大潮、小潮不同的潮汐能量時段。後半年，我們將在現場實驗中加入底泥自動 採樣器，一方面收集資料，另一方面作系統整合和功能測試的工作，並學習發展出佈放回收 之最佳觀測和測試方式。在收集了足夠的浪、流交互作用環境下的資料，我們第三年繼續深 化前一年的工作，並對採泥器的原型做進一步的改良，並對整個系統進行細部改進。故將研 究重點放在開發一個能定時連續採樣的沈積物採樣裝置來進行海底表層沈積物及底泥的採集 工作，以作為我們對海底沈積物粒徑的分析與探討。這設計主要分為兩個階段來進行：第一 階段為單一上下行程採樣器的設計；第二階段為將單一行程採樣裝置延伸至多個採樣裝置的 設計。在第一階段單一上下行程採樣器的設計可分為三部分，第一部分為各式採泥夾頭的資
料收集及細部尺寸的設計，第二部分為採泥夾頭與齒條傳動間的機構結合及分離的設計，第 三部分為馬達的選用及馬達配合齒條與齒輪傳動機構的設計。採泥夾頭的設計主要目的是為 了能夠順利的夾取海底表層沉積物，同時不使樣品受到污染。第二部分結合及分離機構的設 計目的，主要為了使採泥夾頭機構和齒條傳動機構能夠穩固及精準的結合，使在採樣後採泥 夾頭機構和傳動機構能夠順利的完成分離的動作。第三部分傳動機構的設計，主要利用馬達 配合齒輪與齒條以達到上下作動與採泥夾頭機構結合的目的。當第一階段的設計製作完成 後，即進行測試，測試結果證實達成當初預期設計的效果。之後針對改良後的單一上下行程 採樣器的設計進行延伸設計，完成多個採樣裝置的設計，同時加上平台傳動的設計以定時變 換採樣夾頭，而達成定時連續採樣的目標。 本研究並未達到預期的成果，主要是因為發展自動採泥器是一個從無到有的過程，完全 由參與人員在摸索中不斷創新，並在失敗中不斷的學習，方能而完成如今的原型，實屬難能 可貴。本計畫雖已結案，但是研發還是會繼續進行下去。未來預期能將觀測之結果提供進一 步理論發展的空間，此對於近岸沈積物動力學的研究將是一大貢獻。此外，本研究之成果在 實際的應用上非常廣泛，除了可以使漂砂之估算更「科學化」以外，所研發出來的成熟的 ISOBED 觀測系統之原型理論上可以「深水化」，使其能夠適用於台灣海峽或東海、南海陸 棚水深較深的環境。此外，ISOBED 也可以加掛儀器或生地化感應器，用以研究海床次表層 孔隙水和邊界層海水中之物質交換。 總結來說，本研究是一前瞻性、開創性的基礎研究（有別於後續補充型的研究），我們 研發出來的 ISOBED 雖然還不成熟，但它不但是在台灣是首創，在國際上也是前沿性的研究。 關鍵詞：沉積物傳輸、近岸沈積物動力、齒輪、齒條、採泥裝置、連續採樣 （二）計畫英文摘要
The most noble goal (ultimate challenge) for the study of sediment dynamics is to be able to simulate the distribution of grain sizes on the surface of the sea floor. This is a complex and difficult problem since not only the physics of entrainment, transport, and settling of particles are involved, but are also the input and rate of supply of extraneous sediments, as well as the in situ reworking of the relict sediments, which are of much broader scale in space and time. In the past decade my studies of the distribution of grain sizes on the sea floor in various coastal environments have lead us to the conclusion that gain sizes can be used as tracers to reveal long-term sediment source, transport, and deposition. However, the key to further understanding or even to the simulation of these observed patterns lies in the quantitative understanding of the coupling between the sediment-water interface and the benthic boundary layer immediately above the interface. Within the past two decades, much progress has been made in the literature regarding the observations and theoretic development of the sediment dynamics in the benthic boundary layer. However, very little attention has been directed toward the coupling (interaction) between the sediment-water interface and the overlying benthic boundary layer, especially the influence of the grain-size factor.
Consequently, we conducted a visionary research using an innovative approach to address the grain-size problem from the stand point of the interaction between sediment-water interface
and the overlying benthic boundary layer. The unique conceptual framework for this study was based on the working hypothesis that the temporal grain-size changes on the sediment-water interface and in the water column bear causative relationship controlled by a set of conditions that govern entrainment (resuspension), settling, and deposition (retention). To test this hypothesis, we needed to make simultaneous observations of the interface and the water column. Therefore, we developed an innovative observational platform (system) called ISOBED (Integrated System for the Observation of Benthic Environment Dynamics) to facilitate the needed observations. The prototype of ISOBED was designed for coastal applications (for depth shallower than 15 m). The instrumentation of ISOBED was expected to make simultaneous observations of the various forcing parameters (wave and current), environmental parameters (temperature and salinity), and suspended sediment parameters (grain size, concentration, and settling velocity) of the water column, as well as the interface parameters (grain size, dimension and movement of bedforms, and the onset of resuspension events). Special emphasis was given to the link between resusupension (entrainment) events and the interface and boundary layer parameters. The most unique feature of ISOBED was a separate robotic device that would take samples of the substrate at pre-programmed schedule and store the samples for retrieval.
The time span for this proposed study was three years. The scope of work in the first year included the construction of a stainless steel frame as the platform to accommodate the instruments. The design, construction, testing, and outfitting the sampling device to the platform took up a lot of time in the first year because this was completely custom-made, no commercial comparable is available on the market. We had expected to fully test the new device in the lab and in the field before its first scientific application but this was not possible due to the progress of the manufacturing the new sampling device. In the second year, we started out the field experiment without the Automated Substrate SAmpling Device (ASSAD) on a plain shoreface where wave-current interaction dominated the nearshore dynamics. Due to the uniqueness of Taiwan's west coast, we carried out experiments that included the wave fields generated by the southwesterly, northeasterly seasonal winds, and perhaps typhoons. Also, our experiments included the different stages of spring and neap tides. The prototype of ASSAD was completed but not field tested. In the third year, the prototype of ASSAD was redesigned and field tested. For ASSAD, a large gap still remained between the prototype and a rugged, fully-fielded tested and workable model. At the time of this report, we more field tests have been planned in the future. Although the funding of this project is concluded, we still plan to carry out the task to fruition.
When ISOBED is finally fully integrated with ASSAD, we expect to enrich the field of sediment dynamics research by our unprecedented data sets, which may lead to the modification of existing theories and the development of new empirical formulations or theories regarding the grain-size influence on the entrainment and deposition on the sediment-water interface. We hope, the findings of our future research will help to make the estimate of the littoral drift more 'science' then 'art'. In addition, the potential use for ISOBED in other oceanographic research is also tremendous. The prototype can be modified for deep water applications for environments such as
Taiwan Strait, the shelves of the East and South China Seas. ISOBED can also be outfitted with biogeochemical instruments and sensors for the study of material transfer between the sub-surface interstitial water and the overlying water above the sediment-water interface.
To summarize, this was a visionary, innovative ongoing research. The ISOBED that we are developing will not only be the first device in Taiwan, it also will be a forerunner in the world.
Keywords: sediment transport, benthic dynamics, robotic sediment sampler 二、緣由與目的 海底表層沈積物粒徑分布的研究在海洋地質學的研究領域中可說是有一段相當長的時 間。在十九世紀中期就已經有科學家把粒徑的分布和沈積物的運動和傳輸關聯在一起。因為 有著這一百多年的研究結果，使得沈積物的粒徑分布形態可以反應出水動力作用（波浪和潮 汐等）的能量、主要的傳輸機制和沈積物的來源。也使得粒徑的形態是反應著某種程度的底 質和動力機制長期互動的結果，然而雖然有著前人研究的成果，但還是無法合理的模擬沈積 物分布的形態，這也就是現今對沈積物粒徑研究所遇到的瓶頸和挑戰，之所以有瓶頸主要是 缺乏對邊界層中水–底界面和水柱（Water column）做同步的粒徑變化的觀測及研究。但真正 缺乏的是海底表層粒徑分布的時間變化的數據，然而在世界上還沒有發明任何一種的採樣裝 置可以在海底對表層沈積物做自動連續採樣。因此本研究希望能設計一個可自動及程式化和 能長時間在海底對海床表面沉積物做序列的一個定時及連續的採樣裝置。 三、設計架構 本研究設計一組具備多個沈積物儲存盒的採樣器，以達到連續採樣的目標。在第一階 段之設計構想如圖一所示，包含夾頭採樣器、夾頭與傳動機構之離合、齒輪與齒條傳動機構、 定時裝置、水密箱與機架六部分，其作動程序如圖二所示。 圖一 單夾頭採樣器設計圖 圖二 採樣裝置作動程序
經過多次的改良，目前單一夾頭採泥器已完成設計製造與組裝測試（圖三）。為了瞭解 單一夾頭採泥器的性能，本研究分別進行陸上與水下之測試。在陸測部分，主要是測試馬達 水密箱之水密性能。本研究利用成功大學水工試驗所之深海壓力模擬試驗艙進行水密測試（圖 四），經測試後，證實馬達與電池水密箱皆可耐 100 公尺以上之水壓。在海測部分，主要是 測試採樣夾頭抓取沈積物的功能。測試地點選在高屏外海水深約 20 公尺之海域，經測試後， 證實採樣夾頭不僅能夠順利抓取海底表層沉積物，並且可避免樣品受到污染，達到預期的目 標（圖五）。 圖三 單一夾頭採樣器 圖四 深海壓力模擬試驗艙 1 2 3 4 圖五 採樣過程（1～5）及採樣結果 5 6 在單一上下行程採樣原型機測試成功後，接著便據此進行多具夾頭採泥器之設計。由 於多具夾頭採樣器之體積與採樣夾頭的大小有很大的關係，所以便著手進行採樣夾頭之縮尺 寸設計，目前縮小尺寸之採樣夾爪已加工完成（圖四）。此外，多具夾頭採樣器之概念設計 也已完成（圖五），共設計包含樣品儲存、上下傳動、滑動傳動、以及承載等四部分，其中 樣品儲存與上下傳動功能沿用單一上下行程採樣裝置之設計，所以僅考慮滑動傳動與承載功 能兩部分。滑動傳動機構的設計為使用可程式控制器（圖六）來控制馬達的轉速，使之帶動 滑動平台之滾輪在導槽裡滑動並精確的定位，以使上下傳動裝置能夠準確的結合採樣夾頭， 順利完成採樣的動作。而承載裝置則設計成可拆解式之機架，並且盡可能減輕其重量，目的 是為了方便搬運及使採泥器能夠平穩的進行定時連續採樣。
圖六 縮小尺寸之採樣夾頭 圖八 可程式控制器 圖七 多夾頭採樣器 多夾頭採樣器的作動原理與單夾頭採樣器大致相同，但因為要達到連續採樣的目的，故 多夾頭採樣器增加滑動裝置（圖九），此裝置是由滑動載台、滾輪座、滾輪、及導槽所構成， 以下就各別介紹其設計原理。 （一）滑動裝置 1.滑動載台 目的是為了要配置水密箱以及齒條固定架，除了能固定以完成上下傳動外，更可藉由 馬達的帶動而進行滑動，達到連續採樣的功能。 2.滾輪座 除了用來固定滾輪，更能避免滾輪在導槽內大面積的摩擦，導致滑動裝置產生卡死的 現象。 3.滾輪 滑動裝置藉以滑動的元件，在設計上應導槽有良好的配合度，以避免在滑動的過程中 產生震動。 4.導槽 用來維持滑動的方向，兩根導槽的加工精度必須加以要求，如此才能使滑動較為平順。 圖九 滑動裝置組合圖
設定好所欲採樣的時間間隔以及採樣夾頭下探底泥的深度，藉由編輯軟體寫成一程式， 再透過 RS232 的傳輸，將程式由電腦傳送至可程式控制器上。 採樣器被佈放至工作區後，可程式控制器於所設定的時間點啟動馬達，待完成一次採樣 後，便關閉馬達電源，直到下次採樣的時間點一到，便又啟動馬達，再次執行採樣的動作， 反覆的執行此程序，即可達到定時連續採樣的目的。 多夾頭採樣器使用兩顆馬達來作驅動，一顆負責上下行程的採樣動作，另一顆負責使滑 動裝置移動並準確的定位。由於滑動裝置上承載馬達水密箱及其他驅動裝置，故需要扭力較 大的馬達，因此選擇扭力為 800kg-mm 的馬達作為動力來源（圖十）。由於使用兩顆馬達， 故需要兩個水密箱來安置此兩顆馬達，又因為只使用一可程式控制器，所以便將可程式控制 器獨立出來與電池放置在一起。因此，重新製作的馬達水密箱就可以大幅縮小其尺寸（圖十 一），所以重量也就減輕許多，如此一來，用來配置水密箱用的滑動載台在設計上就不需太 高的機械強度，在材料厚度的選擇上就可以趨近輕薄，這樣不僅減輕整組裝置的重量，更因 為重量的減輕而使得馬達耗電量降低，增加採樣器工作的時間。 圖十 步進馬達及驅動器 圖十一 新馬達水密箱 當滑動裝置設計完成後，便著手設計承載用的機架（圖十一）。考慮到搬運及佈放採樣 器的便利性，故承載機架採用組合式的構造，平常不用時可拆解便於存放，待要進行採樣時 再進行組裝即可。承載機架在設計上除了可裝設滑動裝置外，更可依需要掛載多個採樣夾頭 （圖十二），由於使用多個採樣夾頭，所以就製作多個採樣夾頭接合裝置（圖十三），以供 使用。 圖十二 承載機架 圖十三 採樣夾頭組
圖十四 採樣夾頭接合裝置 五、結論 研究沈積物運動最重要也是最困難的部分，就是模擬海床表面沈積物粒徑的分佈型態， 所以必須藉由採樣器定時連續採集海底表層沈積物。然而以人工定時作業方式來採集沈積 物，會花費相當長的作業時間與相當大的作業成本，所以本研究所開發出之定時自動連續採 樣裝置，可以有效率地定時連續採集海底表層沈積物，有助於海洋地質之學術研究。此外， 本研究所開發出的海床沈積物定時連續採樣裝置設計具備了以下四個特點： 1. 本裝置可以達到「定時」、「自動」、「連續」採集海床沈積物的功能，是目前世界首創 的研發。 2. 本裝置僅利用一顆馬達便可完成「帶動採樣夾頭下降」、「採樣」、「封存樣品」、以及 「帶動採樣夾頭歸位」等四個連續動作。 3. 採樣夾頭的樣品封存設計不需藉由任何額外動力便可達成，而且可以妥善保存沈積物樣 品。 4. 本裝置採用磁力原理來達成採樣夾頭與上下傳動機構之間的離合動作，以避免使用額外動 力源，而且便於潛水人員簡易快速更換新的採樣夾頭。 相信此採樣裝置之開發成功，對於海洋地質學的研究必定有相當大的助益。
可供推廣之研發成果資料表
█ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期： 年 月 日國科會補助計畫
計畫名稱：從近岸海床表面及邊界層中沉積物粒徑的變化來探討在浪流 交互作用的環境中粒徑對沉積物運輸的影響(3/3) 計畫主持人：劉祖乾 計畫編號：NSC 93－2611－M－110－002－ 學門領域：技術/創作名稱
海床沈積物定時自動連續採樣裝置發明人/創作人
中文：為了分析海床邊界層沈積物粒徑分佈的變化，必須藉由採樣器定 時連續採集海底表層沈積物。然而目前市售的沈積物採樣器僅能 單次採樣，並無法進行長時間的連續自動採樣。由於採樣裝置必 須長時間佈放於海床上，所以除了必須達到連續自動採樣的功能 之外，也必須利用簡易的機構元件、可靠的機械傳動與電路來設 計定時連續採樣的裝置。所以本研究所開發的定時連續採樣裝 置，共包括採樣夾頭、夾頭固定座、夾頭升降裝置、馬達傳動控 制裝置、平台移位裝置、以及省電裝置等設計。在採樣作業前， 先以可程式邏輯控制器設定採樣時間的間隔以及採樣夾頭下探 底泥的深度，接著再將採樣器佈放至採樣區，並啟動電源開關， 可程式邏輯控制器便會於所設定的時間點啟動馬達進行採樣。每 完成一次採樣後，系統便自動關閉馬達電源以節省電量，直到下 次採樣時間點一到才重新啟動馬達，再次執行採樣的動作。連續 採樣的作動原理為利用馬達帶動夾頭升降裝置，使採樣夾頭下探 至海床抓取沈積物，再利用夾爪上之封存機構，將沈積物完整的 儲存於樣品儲存盒中以減少污染，接著馬達再帶動夾頭升降裝置 將採樣夾頭歸位，即完成單次採樣的工作，隨後採樣平台便移動 至下一個採樣夾頭上方，待設定的採樣時間一到，便依前述同樣 的程序執行採樣動作，以此達到定時連續採樣的目的。技術說明
英文：可利用之產業及
可開發之產品
海床沈積物定時自動連續採樣裝置技術特點
本裝置的創新設計特點有四： 1. 本裝置可以達到「定時」、「自動」、「連續」採集海床沈積物的 功能，是目前世界首創的研發。 2. 本裝置僅利用一顆馬達便可完成「帶動採樣夾頭下降」、「採樣」、 「封存樣品」、以及「帶動採樣夾頭歸位」等四個連續動作。 3. 採樣夾頭的樣品封存設計不需藉由任何額外動力便可達成，而且可 以妥善保存沈積物樣品。 4. 本裝置採用磁力原理來達成採樣夾頭與上下傳動機構之間的離合動作，以避免使用額外動力源，而且便於潛水人員簡易快速更換新 的採樣夾頭。
