行政院國家科學委員會專題研究計畫 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(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2611-M-110-017- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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： 劉祖乾, 王兆璋, 陳信宏, 許敦睿, 洪福全 報告類型： 精簡報告 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 92 年 6 月 2 日
中 文 摘 要
本計劃為時程三年的研究計畫，今年為第一年，主要工作分成兩部分，第一 部份是 ISOBED（Integrated System for the Observation of Benthic Environment Dynamics）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 ASSAD (Automated Substrate SAmpling Device)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。 ISOBED 部分的工作大致順利執行完畢，平台已建造完成，儀器也皆採購並 完畢，除了水下攝影機外，觀測系統已於 4 月 17-18 日在高雄港二港南邊近岸海 域實際下水測試，測試結果令人滿意，大部分的儀器都可以正常工作，只有 XR-420 的壓力感應器需要進一步的校正。水下攝影機的部分受到美國出口管制 的影響，使得採購時間略為延後，目前儀器已經收到，正在學習攝影機的操作方 法，等熟悉後就可以下水測試。 ASSAD 主要的設計分為三個部分來進行: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。接下來再設計一個方形四角機架，將前三 部份機構準確的固定在此機架上，最後檢查並確認所設計完成的機構圖無誤，將 機構圖送給工廠進行加工，然後進行實驗的測試以測試是否能夠達成當初預期設 計的效果，再進行修改，來年再依此單一行程採樣裝置延伸至多個採樣裝置的設 計。 Abstract
The time span for this proposed study is three years. The scope of work in the first year includes 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 is expected to take up a lot of time in the first year because this is completely custom-made, no commercial comparable is available on the market. We expect to fully test the new device in the lab and in the field before its first scientific application.
The new ADCP and tripod had been well test in April 17-18. All instruments worked as we expect in this deployment. The pressure sensor of XR-420 needs to further calibrate because of the systematic off-set. The under-water camera will be tested later due to the delay of waiting the permission of Department of Defense of US.
The detail design of the ASSAD was complete. The ASSAD has many sediment catchers. The catcher can be detached from the ASSAD after catching the sediment sample. The prototype of sediment catcher was processed by the manufactory in order to improve the precision of the catching paw. We are going to
assemble one catch paw with ASSAD and test whether catching paw can perfectly grab sediments without any disturbance in June. And then we will extend the ASSAD from single catching paw to multi catching paws.
關鍵字
（一）、前言
應用目前最新的現場沉積物與水動力作用觀測技術，來設計一個適用於海岸帶之 海底邊界層觀測平台和儀器系統，使之可以同步觀測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）。此平台除了引用現今最先進的 1. 底碇式都普勒流剖儀 （bottom-mount downward-looking ADCP）—測量海底邊界層的流速和波浪 orbital velocity 的剖面，2. 浪、流、潮以及濁度季（SeaPac 2100-SP2100）－用以測量離海床 1 m 的流速 U100，波浪的週期、有義波高、潮位及現場的濁度，3. 現場雷射粒徑分析 儀（Laser In-Situ Scattering and Transmissiometry,LISST-100）—直接在現場量測懸浮沉 積物的粒徑組成，4. CTD—測量水文參數，以及 5. 水下攝影機—觀測海床表面粗糙度 與沙漣的移動和捕捉海床表面沉積物之再懸浮事件之外，最特別也是國際上首次的創 舉，就是包含一自動化之底泥採樣和儲存裝置，可一依設定的時程做連續的採樣。 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。今年本研究的設計進度，主要先 由設計單一採樣裝置開始著手，以測試是否能達成夾取海底表層沈積物粒徑的動作， 再進一步修正及改進使能夠達成進行連續採樣設計。 我們最終的目的室要建立海床表面沈積物和海底邊界層中懸浮沈積物之間的粒 徑耦合（coupling）關係，以探討海底邊界層環境中，沈積物的動力作用。 （二）、研究目的
本年度的主要工作分成兩部分，第一部份是 ISOBED（Integrated System for the Observation of Benthic Environment Dynamics）平台的製造，系統的購置和組裝，和海 上現場的測試。第二部分是 ASSAD (Automated Substrate SAmpling Device)的設計，可 行性分析，零組件之購置和製造，以及用儀器平台的水槽測試，然後才和系統之主要 部分整合。 （三）、文獻探討 研究海底底床邊界層的水動力與沈積物動力作用的時間序列觀測平台，需兼具穩 固與避免擾動，通常設計成腳架的樣式，有三隻腳的腳架（如：美國 USGS 的 GEOPROBE、本實驗室過去所使用的三腳架、加拿大 CGS 的舊三腳架–RALPH… 等），也有四隻腳的腳架（如：加拿大 GSC 新的 RALPH 四腳架）。三腳架的體積可以
較小並且對水體的擾動也最小，適合由小船搭載佈放，但是所能乘載的儀器有限；而 四腳架則可安裝較多的儀器上去，不過為了避免干擾邊界層的水體運動，架體必須較 大，減少感應器附近的水流受到擾動，所以不適合使用小船佈放。
近岸地區，海底邊界層的測量主要的項目有：邊界層的流速剖面、沈積物濃度剖 面、以及波浪的週期、波高、wave orbital velocity、潮位、潮流、溫、鹽。早期的流速 儀為機械式，以車葉轉動快慢來代表流速，缺點容易改變附近流場，而且對流速改變 的反應較慢，不適用於邊界層小尺度且變化迅速流場的測量。後來發展出電磁式流速 計，體積小對流場的干擾少，可用來測量邊界層的流速剖面，如：GEOPROBE（Sternberg et al., 1986; Cacchione and Drake, 1979）、RALPH（Li et al. 1997; Li and Amos, 1999a）… 等。目前最新發展出來的 ADCP，利用聲波的都普勒效應量測海水分層流速，對海流 幾無干擾，解析度高，適合應用在底床測量流速剖面（Chen et al., 1999）。目前測量懸 浮沈積物濃度（SSC）最常用的儀器是 OBS（Optical Back-Scattering sensor），觀測時， 可在邊界層裡串連 OBS sensor 來測量 SSC 的剖面，GEOPROBE（Sternberg et al., 1986; Cacchione and Drake, 1979）與 RALPH（Li and Amos, 1999a, b）三腳架都是應用這種 測量方式。近年來，現場的雷射粒徑分析儀（LISST）的發明，可以即時得到現場的 懸浮沈積物顆粒粒徑分佈，理論上和實驗室裡與標準品比對證實其可行性（Traykovski et al., 1999），現場也有不少實驗證實其可行（Agrawal and Pottsmith, 2000; Tsai, 1996）。 至於波浪、潮汐、溫、鹽的觀測技術已經非常成熟，可以用壓力式的潮位、波高計， 加上 CTD 即可量測到我們想要的水文參數。
（四）、研究方法
現場儀器測試，以新建造好的觀測腳架安裝上(1)新購置的 Aquadopp Profiler （bottom-mount downward-looking ADCP）來測量流速剖面，和波浪 orbital velocity； (2) XR-420 (CTD) 來測量溫度、鹽度、與水深變化；(3)「現場雷射粒徑分析儀」 （Laser In-Situ Scattering and Transmissiometry --- LISST-25）來測量懸浮沉積物濃度以及平均 粒徑的時間序列。 佈放時間為 2003 年 4 月 16 日上午 11:47 將觀測系統放入水中，佈放的位置於高 雄港二港口南邊，南星計畫區外，近岸水深 15 m 的海域，經緯度為：22˚30’48” (N), 120˚19’10” (E)。 儀器搭載平台腳架之構造 由於觀測系統必須能夠承受海水的侵 蝕以及波浪、海流的外力作用，並且考慮 可能會租用體積較小的漁船，將此系統佈 放在水淺的河口與近岸地區，搭載儀器平 台的設計必須兼具堅固耐用與施放方便， 所以將平台設計成一個具有四支腳的半金 字塔形的支架，使之可以平穩座立於海 底，結構盡量簡單且均衡，使受到波浪水 圖二、腳架側面及儀器配置概念圖
流作用的影響能最小，避免發生翻倒與移動的危險。 觀測腳架的材料是直徑 0.45 cm 的不鏽鋼鋼管，厚度為 5 cm，整體四角塔形結構， 頂部為一 130 cm 的正方形、底部則為 265 cm，高度 200 cm，距離 100 cm 高的位置加 上四支橫桿（長度 195 cm）一方面 增加結構的強度，另一方面亦可以 安裝測量儀器。另外設計組合不鏽 鋼箍，可以一邊箍在腳架的鋼管上 另一邊箍上儀器，用螺絲鎖上即可 固定，既有彈性又安全穩固，與儀 器接觸的不繡鋼箍部分黏上高強度 的橡皮護墊，一方面可以絕緣又可 以束緊儀器不使滑落（圖一）。 2. 儀器之配置 如下圖二所示，Aqudopp Profiler 架設在腳架的最上層，聲波感應器的頭部位置離 底 2 m，以測量離底床 10 cm – 190 cm 間的水平流速剖面。第二層的部分，離底 1 m， 分別安裝 XR-420 及 LISST-25 於腳架第二層的橫桿上（圖二）。 3. 觀測腳架上儀器之設定 觀測的儀器與各儀器的設定，分別條列如下：
1. Aquadopp Profiler（bottom-mounted downward-looking ADCP）— Current profile:
Profile interval: 10 min, number of cells: 11, cell size: 10 cm Wave burst:
Sampling interval: 20 min, cell size: 50 cm, number of samples: 2048, sampling rate: 2 Hz
2. XR-420 (CTD)—
Sampling interval: 10 min
3. LISST-25（Laser In-Situ Scattering and Transmissiometry）— Burst interval: 1 hr
Samples/Burst: 20 Sampling rate: 3 sec 4. 採泥器設計架構 採泥器的設計主要分為採泥夾爪設計、傳動機構與夾爪裝置的結合及分離設計 和齒條傳動機構設計三部分。 (一) 採泥夾爪設計 首先參考國外的各種型式的採泥夾頭來進行評估，以便找出適合本研究所需要的 夾頭來進形改良，但為了要考慮到當採集樣品後避免樣品受到交叉污染，因此最後決 定參考圖三此種型式的採泥夾頭來進行本研究的採泥夾頭機構設計。其設計步驟如下： 圖一、腳架立體概念圖與儀器箍
1. 一開始先確定夾爪所要採集樣品需多大的量，再進一部設計整個夾爪的體積，依此 需求將樣品儲槽設計成 80mm(L) 80mm(W) 100(H)底部中空的方形盒形式的儲存 盒，如圖四中的元件 1 所示。 2. 為了使夾爪能緊密的閉合而不致使採集樣品受到交叉污染，因此將圖五中? 夾爪的 設計改良成單一扇形夾爪，如圖四中元件 2 所示。在改良設計此夾爪的過程中必須 特別考慮到採樣後的密閉效果，因此在設計過程中須精確的計算此夾爪機構的圓弧 半徑的尺寸。此外，設計上還必須考慮如何將夾爪固定在儲存槽上以達到夾爪關及 開的功能。夾爪的開及關的固定旋轉軸設計，須先在儲存槽的兩側設置兩個固定的 螺絲機構，以方便夾爪的固定並在儲存槽的兩側設置兩個扭力彈簧固定的裝置，如 圖四中的元件 3 所示，再裝上圖四中元件 4 的扭力彈簧，最後在螺絲機構上鎖上螺 帽(圖四元件 5)，靠著這兩側的扭力彈簧的力量來完成閉合的動作，但為了不使夾爪 閉合時的行程過長，則必須在樣品儲槽外側加上一個阻擋機制(圖四元件 6)。 3. 接著設計夾爪釋放機構，首先在樣品儲存槽的上方設計一個固定的機座(圖四元件 7)，並在機座上加工四個大孔及一個小孔，並依這五個孔設計一塊四方形的薄鈑(圖 四元件 8)，接著設計一能拆卸及能裝上壓縮彈簧的四角圓形機架(圖四元件 9)，再於 此圓形機架裝上四個壓縮彈簧(圖四元件 10)，但在壓縮彈簧的選用上必須考慮其所 能壓縮的最大壓縮量，最後在圓形機架的中心上加工一個孔，以便有利於傳動接合 時的排水。 4. 最後設計一個繩索釋放機構如圖四中元件 11 和元件 12 所示。 圖三、夾爪式採泥器 圖四、新設計之採泥器閉合圖
圖五、新設計之採泥器開啟圖 (二) 傳動與夾爪機構結合及分離設計 傳動機構與夾爪機構結合及分離的設 計如圖六所示，設計上主要分成以下三步 驟進行： 1. 首先先在採泥夾頭上方鎖上一片薄鐵 片(圖六元件 A)，此薄鐵片的幾何尺寸 如圖七所示。此鐵片必須做防鏽處理， 薄鐵片的功用在於讓磁鐵有一個可吸 磁的物件，之後再於薄鐵片的上方設計 一個可相互接合的一個中空圓形塑膠 柱，如圖八之剖面圖所示，但為了考慮 到在傳動時磁鐵通過此中空圓柱時能 順利排水，必須在圓形柱中加工四個排 水孔，如圖八中的 B-B 剖面圖所示； 接著再於塑膠上方再鎖一片 1 公分厚 的中空圓形鐵片，其尺寸如圖九剖面圖 所示。 2. 設計一個可以固定在整體基架上的圓 形中空固定架，如圖十剖面圖所示。其 中空固定架的側面上必須挖四個內螺 紋孔以固定一個中空磁鐵(圖十一)。 3. 設計一小型實心磁鐵(圖十二)，將此磁 鐵固定在齒條之接合座上，接合座之功 能在於固定磁鐵及齒條，使磁鐵及齒條 能順利進入中空圓形塑膠柱中，如圖十 三所示。 圖六、傳動與夾爪機構結合及分離設計 圖七、薄鐵片幾何尺寸 圖八、中空圓形塑膠柱幾何尺寸 固定架 排水孔
圖九、中空圓形鐵片幾何尺寸 圖十、圓形中空固定架幾何尺寸 圖十一、中空磁鐵幾何尺寸 圖十二、實心磁鐵 磁鐵及齒條結合座 圖十三、傳動與夾爪機構結合及分離作動 (三) 馬達的選取及齒條傳動機構設計 在傳動部份，齒條的選擇須考慮整個 採樣器的採樣行程，因此選擇購買模數 3 總長為 1000mm 的齒條及模數 3 直徑為 42mm 齒數 12 齒的齒輪。齒條的固定主要 在齒條無鋸齒的三邊銑削三條直線溝槽如 圖十四所示，並配合如圖十五滾子機座及 圖十六滾輪機座以便於能將齒條固定於基 架上(圖十七)，使齒條上下能平順的上下 傳動，整體的傳動組合圖如圖(十六)所 示。這部分的傳動動作主要以馬達帶動齒 螺絲孔
條及齒輪作上下移動。馬達的選取必須考 慮輸出扭力的大小，由於磁鐵的最大吸力 為 3.9kg，小齒輪半徑為 21mm，所以馬達 要克服磁鐵吸力將採泥夾爪往下帶，馬達 至少必須要提供 82kg-mm 的扭力。 圖十四、齒條的加工尺寸 圖十五、滾子機座 圖十六、滾輪機座 圖十七、齒條固定架 圖十八、齒條傳動圖 （五）、結果與討論 觀測腳架建造完成後，重量約近 200 公斤重，為了避免沉陷最下一層用不 繡鋼材質的角鋼做為橫槓，並在四個角落焊上 35X35 cm 的正方形不繡鋼鋼板， 用來支撐腳架與儀器的重量。每個儀器用兩個半圓形的圓箍拴住，圓箍內側黏上 黑色的橡膠墊片，用來防繡與束緊儀器（圖十九）。
圖十九、觀測腳架建造完成之照片 經過一天左右的連續觀測，XR-420 上的四個感應器，分別可以得到導電度、 溫度、壓力、及濁度，從導電度與溫度的變化看來，兩者的相關性很高，而導電 度可以換算成鹽度，顯然鹽度與溫度的變化具有高相關性，而溫度與導電度的一 天之間的變化並不大，大約只有 0.5 ˚C 與 0.4 單位導電度的最大差異（圖二時 a, b）。圖二十 c 為 LISST-25 的之平均資料，每個資料點為一分鐘 20 筆之平均值， 可發現其體積濃度與平均粒徑的時間變化趨勢相當一致，當濃度增加時粒徑也跟 著變大，這是個有趣的現象，值得日後探討。 圖二十、XR-420 所收集的(a)導電度、溫度、(b)壓力及濁度的時間序列數據； LISST-25 測得的(c) volume concentration, optical transmission, mean diameter
由於每個儀器有些測量的項目重複，可以利用這個機會比對不同儀器間的 差異，圖二十一 a 為 XR-420 與 ADCP 所量得的壓力變化，可發現兩者變化趨勢
(a)
(b)
幾乎一致，差異在於 XR-420 顯示的壓力大出很多，這個地區的水深大約 15 m， 顯然 ADCP 的壓力較準確，將來 XR-420 必須在每次出海前先做好校正的工作。 溫度的部分（圖二十一 b）大致相同，比較起來 Aquadopp 有系統的偏低，這可 以經由事前校正來改善，不過在剛下水的前半個小時，Aquadopp 的溫度有異常 偏高的現象，目前還不知道原因。圖二十一 c 拿 XR-420 的濁度與 LISST-25 的體 積濃度比較，趨勢也大致相同，其中有大約五個小時的時間顯現 LISST-25 相對 於 XR-420 有較大的變化，不過起伏趨勢還是類似。 圖二十一、各儀器中相同或類似感應器之資料比對。Aquadopp 對 XR-420 之(a) 壓力比較、(b)溫度比較、(c)XR-420 對 LISST-25 隻濁度與體積濃度比較 採泥器的設計主要分為採泥夾爪設計、傳動機構與夾爪 裝置的結合及分離設計和齒條傳動機構設計三部分。 圖二十二為結合前三部份設計而成的採泥器組合圖， 整個作動方式首先必須先將扇形夾爪固定於插銷上，當馬達 正轉帶動齒輪與齒條，使齒條靠著滾子機座及滾輪機座穩定 的向下移動，經過中空圓形塑膠柱再下降至採樣裝置上方的 鐵片，此時實心磁鐵將會吸住採樣裝置上方的鐵片，使採樣 夾頭往下移動，當夾爪接觸到海底時會產生一反作用力，當 反作用力達到設計值時，插銷便會鬆脫使得扇形夾爪往下閉 合，而達到採樣的功能。當齒輪反轉時，齒條則會往上移動 進而把採樣裝置往上帶，當齒條通過中空圓形塑膠柱上方的 固定架時，中空磁鐵會把採樣夾頭吸住使得採樣夾頭與齒條上的實心磁鐵分離， 最後齒條回復到固定位置。 （六）、結論與建議 本計畫第一部分，已完成腳架的建造、ADCP 的購置、以及出海經過一天 的測試，腳架確認施放以及結構沒有問題，所有的儀器都能夠正常運作，只有少 數儀器的感應器還需要進一步校正。水下攝影機由於受到美國出口限制的問題， (a) (b) (c) 圖二十二、整體組合圖
需要申請許可，現在也大致採購完畢，目前還在熟悉儀器的操作與設定，能夠完 全掌控儀器的操控技巧後，再下水測試。 第二部分，已設計完成採泥夾爪 設計、傳動機構與夾爪裝置的結合及分 離設計和齒條傳動機構設計及整體組 合四角機架設計等四部分，這四部分將 可組成一個可上下傳動之採泥夾爪裝 置。夾爪及傳動裝置已分別交由兩家廠 商進行加工，為了達到精密及配合的要 求，初步加工之成品未如預期之要求， 已請廠商進一步修改，預計在六月底可 以加工完成，此時將進行整個採泥夾爪 裝置的組裝並進行下水測試。未來將依 此單一夾爪裝置來延續多個夾爪裝置之設計以達成當初預期能連續採樣的機構 設計。 本計畫今年已設計完成採泥夾爪設計、傳動機構與夾爪裝置的結合及分離 設計和齒條傳動機構設計及整體組合四角機架設計等四部分，這四部分將可組成 一個可上下傳動之採泥夾爪裝置。夾爪及傳動裝置已分別交由兩家廠商進行加 工，為了達到精密及配合的要求，初步加工之成品未如預期之要求(如圖二十 三)，已請廠商進一步修改，預計在六月底可以加工完成，此時將進行整個採泥 夾爪裝置的組裝並進行下水測試。未來將依此單一夾爪裝置來延續多個夾爪裝置 之設計以達成當初預期能連續採樣的機構設計。 （七）、參考文獻
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（八）、計畫成果自評 ISOBED 觀測系統經過測試過後，證實觀測腳架可以確實繫緊儀器，不會 發生侵蝕的現象，儀器與腳架之間也都確實絕緣，這與過去使用發泡泡棉來絕 緣，佈放時間過長造成泡棉硬化變扁，使得腳架與儀器碰觸而繡蝕，已經的到實 際的改善。所有的儀器都正常的運作，並且合乎我們的需求。水下攝影機的部分 的問題也解決，再經過一次的水下測試即可開始運作。 ASSAD 的部分，已經完成抓泥爪的設計，並交由廠商加工，由於初步加工 的精密度不夠，已要求廠商修正，待精密度達到要求後，將可下水實際測試，預 計六月可以開始測試。待整各系統完成後，屆時全世界第一部水下時間序列自動 採泥器將可開始運作。
