行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
新型含金屬纖維之海域箱網研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-110-011-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立中山大學海洋環境及工程學系(所) 計畫主持人： 李賢華 計畫參與人員： 李賢華 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 17 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
新型含金屬纖維之海域箱網研究
The new type of ocean fish-cage system with metal material
國科會計畫編號︰NSC 93-2611-E-110-011-CC3
執行期限︰93 年 4 月 1 日至 94 年 4 月 30 日
主持人︰李賢華 國立中山大學海洋環境及工程學系
一、中文摘要 本計畫主要研究的對象為，應用於 台灣附近海域之開放性箱網之網具性能 改善研究。其構想來自於目前箱網養殖業 所遭遇之幾個困境。 第一為箱網於海中風浪較大時容 易破壞：如瑞伯颱風於八十七年十月中 旬，過境台灣本島，在台灣箱網養殖較為 密集地區，如小琉球、枋寮、竹坑等海域， 造成養殖業者相當大的損失。據估計當時 浪高高達約五公尺以上，箱網在大海中隨 浪浮沈，或破裂、或斷纜、或變形，僥倖 未破壞者魚群亦嚴重受傷，各養殖區損害 規模嚴重者高達千萬元已上。第二為箱網 除了受到自然風浪之破壞之外，亦經常受 到人為的破壞，管理上非常的困難，如 91 年初小琉球海域之箱網，網繩遭人割 斷，每組上百萬元的網具幾乎流失，魚群 亦隨著海流流走，損失不輕。 第三為飼養量增加後，網體容積不足之瓶 頸，箱網養殖之魚種均屬於高單價之魚 種，主要以外銷市場為大宗，但由於受到 網具容積限制，魚體常有刮傷甚至造成細 菌感染而死亡的現象，高單價的魚苗變成 高單價的損失。因此本研究中針對以上所 提之問題，從改善網具材質之觀點來出 發，藉由使用較大強度、具較佳抗浪性及 較易維持網袋形狀之材料，使得網具的容 積能儘量增加（傳統材質之網具在浪流較 大時，其容積將降低至 40%以下，嚴重威脅 魚群的運動空間）。其次由於材料強度較 大，在風浪作用時不易被破壞，盜魚者也 較不容易得逞。 關鍵詞： 箱網養殖、箱網結構、動力分析、波浪外 力、繫纜式結構 AbstractThis project is a joint-venture research in order to improve the problems
encountered by the fisherman of sea-cage farming. The problems appeared all the time for the sea-cage rearing can be grouped into three. Firstly, the structural safety during the storm seasons is concerned. It was found that on October 15th and 16th, 1998 typhoon Reiber attacked Taiwan coastal area and caused very serious damages on the marine cage systems. Along the southwest shore such as Fang-Liao, Little Okinawa island and Chu-Kung most sea cages including the ones made overseas or made domestically, large size or small size, square shape or the round shape were destroyed. The loss and damages are enormous and may take a couple of years to recover. Secondly, except for the natural damages induced by storms many sea-cages were found with net broken, tethers cut-off and fishes escaping away. It is clear that these damages were done by either fish poachers or the envied neighbors, who could not stand the occupation of the fish reared in the sea. Thirdly, the problem of the shrinking capacity, which is either from material flaws or influenced by strong flows induced from rough waves, caused operational difficulties such as fish-loss with scratched body. Therefore, the alternative means will be to establish a more stable, countable and stronger net-cages combining new materials and new type of structural system that can sustain a stronger current and remain the almost same capacity of the cages.
The study will be focused on the development for a large-size multi-purpose sea-cage system that not only can resist for
the large-scale waves such as the typhoon and the seasonal wind induced waves but also could allow people to stay for a long duration of time. The interactions between the upper floating structure and the waves will also be taken into account in advance. Based on the general principle and design procedure for the fish-farming cage system that has been proposed, which include (a) the current design method, (b) design condition analysis, and (c) design method and flow chart, a more steady and safe cage structural system will be developed.
Keyword: Cage Fish Farming, TLCD, Net
Cage Structures, Dynamic Analysis, Wave Forces, Tension Leg Structures.
二、計畫緣由與目的 近幾年來，台灣海岸地區由於過度的 開發使用，造成許多的海岸問題。其中如 沿海地區地層下陷、土壤鹽化及地下水鹽 化等問題均甚為嚴重。一到雨季，積水不 退，甚至必須整村遷移。至於影響到堤防 修護、抽水設施等之維護花費更是龐大； 如以民國83年812水災為例，台灣西部沿海 各縣鄉鎮如口湖、東石、七股、林邊等多 有魚塭淹沒，海水倒灌的現象。其主要原 因之一，則為沿海養殖業超抽地下水，無 法及時補充所造成，而撈捕漁業則因長期 竭澤而漁，及其他相關原因如聖嬰現象造 成的全球氣候異常變化，形成漁源枯竭、 近海漁業萎縮的情形，因此一則為減少地 層下陷，改善土質、地下水鹽化現象；二 則為維持漁民生計，保持漁業發展，將養 殖漁業遷移至近岸海中，則為近幾年來政 府積極推動的政策。
其中最主要的方法，目前在北歐地區 以及日本均大力發展者，則為箱網養殖 (Fish Cage Farming)。台灣於澎湖、東港大 鵬彎及小琉球地區，亦有當地漁民從事嘗 試性的、小型箱網養殖，及部份企業投入 較大型的箱網養殖。但箱網處於大海中除 了風浪之外，復有海流潮汐等之作用，可 說具有相當大的風險性，如瑞伯颱風於民 國87年10月中旬，過境台灣本島，尤其於 10月15、16兩日在台灣箱網養殖較為密集 地區，如小琉球、枋寮、竹坑等海域，造 成養殖業者相當大的損失。據估計當時浪 高高達約5公尺以上，箱網在大海中隨浪浮 沈，或破裂、或斷纜、或變形，僥倖未破 壞者魚群亦嚴重受傷，各養殖區損害規模 嚴重者高達千萬元已上。而所破壞的箱網 中除了有本土製造者外，亦不乏外國進口 者如挪威製造，號稱能抗強風之箱網亦同 樣遭到破壞。其主要原因為台灣附近海域 夏天有颱風，冬天有季節風，波浪的影響 往往主控了箱網的安全性。 本計畫主要研究的對象為，應用於台 灣附近海域之開放性箱網之網具性能 改善研究。其構想來自於目前箱網養殖 業所遭遇之幾個困境。 第一為箱網於海中風浪較大時容易 破壞：如瑞伯颱風於八十七年十月中旬， 過境台灣本島，在台灣箱網養殖較為密集 地區，如小琉球、枋寮、竹坑等海域，造 成養殖業者相當大的損失。據估計當時浪 高高達約五公尺以上，箱網在大海中隨浪 浮沈，或破裂、或斷纜、或變形，僥倖未 破壞者魚群亦嚴重受傷，各養殖區損害規 模嚴重者高達千萬元已上。 第二為箱網除了受到自然風浪之破壞 之外，亦經常受到人為的破壞，管理上非 常的困難，如 91 年初小琉球海域之箱網， 網繩遭人割斷，每組上百萬元的網具幾乎 流失，魚群亦隨著海流流走，損失不輕。 第三為飼養量增加後，網體容積不足 之瓶頸，箱網養殖之魚種均屬於高單價之 魚種，主要以外銷市場為大宗，但由於受 到網具容積限制，魚體常有刮傷甚至造成 細菌感染而死亡的現象，高單價的魚苗變 成高單價的損失。 因此本研究中針對以上所提之問題， 從改善網具材質之觀點來出發，藉由使用 較大強度、具較佳抗浪性及較易維持網袋 形狀之材料，使得網具的容積能儘量增加 （傳統材質之網具在浪流較大時，其容積 將降低至40%以下，嚴重威脅魚群的運動空 間）。其次由於材料強度較大，在風浪作用 時不易被破壞，盜魚者也較不容易得逞。 因此、本計劃將承襲前階段相關計劃 之研究成果，針對繫纜式箱網結構(Tension Leg Fish Cage System) ，及其他非繫纜式 如自由垂掛式之箱網結構(Free-Suspended Fish Cage System)作進一步之動力改善分 析研究，尤其以目前台灣海域正使用中的 箱網為主要研究目標。 其研究重點除了在受力行為分析上進 一步深入探討之外，並考慮如何加強箱網 結構之材料強度、或降低箱網結構受力、 或減低受力反應以改善其動力行為。在過 去已執行的研究計畫中，其具體研究成果 包括箱網網具設計方法及原則之建立，如 (a) 現行設計方法及規範、(b) 設計條件分 析及(c) 設計方法及設計流程之建立等。針 對繫纜式箱網結構(Tension Leg Fish Cage) 於海洋環境中之受力行為分析，其具體成 果則包括了繫纜索在海洋環境中，受到波 浪及纜繩上部浮體結構之互制作用時，其 動力行為之描述，而對於掛在纜繩間網片 之動力行為研究，相關的分析結果亦已撰 寫文章發表於海洋工程研討會中。
三、研究結果與討論 本研究的進行包含理論的研究及實驗室的 試驗兩個部分，以下分別就此兩大部分依 序陳述之： (一) 理論研究分析 理論的研究中主要包括了網具型式的 建立、材料及結構組合分析、海中受 力行為的分析等。 1、 由於本計畫中使用的網具材料為 新的材料，材料性質與傳統尼龍 或 PE 材質之特性完全不同，組成 網具後，網具的基本元件型式也 將隨著改變，其中如網目的大小 及網繩直徑之變化等，均於本計 畫中進一步分析及探討。 2、 其次為網具形狀之改變分析，由 於所使用的網繩為具有某一程度 抗彎特性之金屬繩纜，雖然在分 析時不一定需考慮該微小之抗彎 性，但在組成網具的過程中，考 慮施工的方便性及未來更換網具 之必要性時，傳統圓統形狀之網 具型式必須做進一步之修正。 3、 由以上網具基礎型式及材料特性 之探討，不同大小以及網目組合 之網具，在海中受到波長及週期 不同波浪作用下，其受力行為亦 進行分析，尤其是整個箱網受外 力作用時，箱網容積之改變。 4、 以上所述各項理論分析過程中， 除了波浪力學之應用、材料力學 及結構動力學等理論之應用之 外，其使用的工具包括有限元素 法、有限差分法及相關之數值方 法配合理論推導來完成。 (二) 實驗室試驗分析 實驗室的試驗分析中將包括有三大部 分來進行；簡言之為材料基本性質試 驗分析，基本材料組合成基本的結構 元件及結合方式試驗分析，小型模型 網具試驗分析，以下就此三大試驗項 目分別說明之。 1. 材料基本性質試驗分析 本計畫中使用之基本材質為鈦合 金材料為 Ti-6a1-4V，合金之單一 條 絲 線 之 基 本 性 質 為 Young’s Modulus E = 11.9×103 kgf/mm2 、 抗強度為 F= 100 kgf/mm2，但編 織成粗細不同之繩線後材料行為 與單絲線之強度比較，其應變變 化較大。其次為不同編織方式亦 對材料性質造成影響。 2. 基本材料組合成基本的結構元件 及結合方式試驗分析 由金屬之線繩組成網片之後，網 片為一個面，受力之行為模式亦 將不同。線繩所承受基本上為拉 力而已，線繩所組成之網面所能 抵抗者主要亦為拉力，但一個二 維 的 受 張 力 面 （ 2-Dimensional membrane）在分析上卻有不同， 分析之結果更有待試驗之驗證。 除此之外、最重要的為組成網面 之許多參數，包括如：繩徑、網 目、網繩相交結點方式等均將對 網面受力行為，波流之作用等產 生影響。這些則有賴試驗進一步 加以證明。 3. 小型模型網具試驗分析 本研究之最終目的在於建立一個 或數個實體模型之網具，並能在 現地中加以應用，應用時並一併 做現場之同步調查以了解此新型 網具之實用性，以及了解與傳統 網具比較後之改善情況。但由於
實體模型之製作耗費太大，金額 必須以百萬元為計算單位，因此 在進入到實體模型製作之前，小 型模型之製作及試驗室試驗將非 常重要，目前限於經費及材料取 得不易，將於下一階段之計畫一 併進行模型箱網在斷面造波水槽 中之受力行為模擬，其主要之測 試重點將包括：網具容積改變測 試、繫纜方式之模擬及纜繩受力 試驗、各種不同浮力改變下之箱 網受力行為試驗等。 四、計劃成果自我評鑑 本研究計劃本諸於獲得國家研究經費 的補助，即是一種榮耀及責任，兢兢業業， 不敢稍有懈怠，因此而有堪可安慰之研究 成果。以下謹就研究內容與研究計劃相符 程度，達成預期目標情況，研究成果之學 術及應用價值，期刊發表之可能性及其他 有關價值等做一綜合性評估。 1、研究內容與研究計劃相符程度： 本研究之內容與研究計劃規劃之相符 程度可說相當完全，本階段的研究中對於 含新型金屬材料繫纜式箱網網體於海洋環 境中之受力行為，在理論上已能相當具體 描述出來。 2、達成預期目標情況： 本研究結果亦能相當程度達成預期目 標，其中如調查分析，利用理論方法，針 對含新型金屬材料繫纜式箱網結構於海洋 環境中之受力行為，加以描述出來等，在 數學理論上及實驗研究上應已達成本階段 研究之預期目標。 3、研究成果之學術及應用價值： 研究成果之學術價值，應可由學術研討 會，及學術期刊之發表上獲得客觀之評 估。本研究成果在應用價值上，對於台灣 產業之發展應有正面意義，如目前在國內 正如火如荼發展中的箱網養殖產業，各種 海洋牧場發展策略，相信在理論與實務之 相互配合下，有益於台灣產業之發展。 4、期刊發表之可能性及其他有關價值： 研究成果延續過去之相關研究成果中 之部分內容，除了部分涉及商場競爭之敏 感成果之外，部份則發表於國內及國際學 術會議中，進一步之成果若未涉及商場競 爭之敏感性者將投稿於國際知名期刊上發 表(近2、3年來國科會補助之成果發表狀態 如附件)。相信包括後續一系列之研究完成 後，亦將陸續有文章得以在國際學術期刊 上發表，對於產業技術之提升，更具促進 之功能。 五、參考文獻
1. Aarsnes, J.V., H, Rudi and G, Loland (1990) “Current Forces on Cage, Net Deflection,”
Proceedings of the Conference on
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137-152.
3. Fu,E.B.and etal.(1989)“Fluid Forceon Simplified Models of Aquaculture Net Cage,” Nippon Suisan Gakkaishi-Bulletin
of the Japanese Society of Scientific Fisheries,
Vol. 55, pp. 1211-1216.
4.Fujita,S.and etal.(1991)“Tension of the Mooring Ropes on the Net Cage Model of RaftTypein RegularWaves,” Nippon Suisan
Gakkaishi-Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries, Vol. 57, pp. 2229-2235.
5. Gao, H. and K. C. S. Kwok (1997) “Optimization of tuned liquid column dampers,” Engineering Structures, 19, pp. 476-486.
6. Lee, H. H. and R.-S.Lee,(1999)“Response Mitigation on the Offshore Floating Platform System with TLCDs” 1999 21st Ocean Engineering Conference, Taiwan. pp.327-334.
9. Sarpkaya, T. and M. Isaacson (1981)
Mechanics of wave forces on offshore
structures, Van Nostrand Reinhold, New
York.
10. Sun, K., H.F. Cheong and T. Balendra (1993) “Effect of liquid dampers on along-wind response of structures,” Proceedings of the
Asia-Pacific Vibration Conference ’93,
Kitakyushu, Nov. 1993, Symposium on FIVES, pp. 835-840.
11. Won, A. Y. J., J. A. Piers and M. A. Haroun (1996) “Stochastic seismic performance evaluation oftuned liquid column dampers,”
Earthquake Engineering and Structural
Dynamics, 25, pp. 1259-1274.
附錄：
近年來國科會補助相關研究計畫之成果
1. *Lee, H.H. and Wang, W.-S. 2004, The Dragged Surge Motion of Tension-Leg Type
Fish Cage System Subjected to
Multi-Interactions among Wave and
Structures, IEEE Journal of Oceanic
Engineering (SCI Journal, invited paper , to appear)
2. *Lee, H.H., Wong, S-H. and Lee, R-S. 2004,
Response Mitigation on the Offshore
Floating Platform System with TLCD,
Ocean Engineering -An Int. Journal, (SCI Journal, to appear)
3. Lee, H.H. and Chang, K.-I., 2004, The Dynamic Effect of Pore-Water Pressure Variation on the Man-Made Deposits, Paper
No. 1944, Proceedings, 13th World Conference of Earthquake Engineering, Aug. 1-6, 2004, Vancouver, Canada
4. Lee, H.H. and Sun H.-H. 2004, Numerical Study on the Stirring-up of Excess Pore Pressure in the Soil, pp.390 Abstract Volume
II, Paper No. 390, World Conference of
Computational Mechanics, Sept. 5~10, 2004, Beijing, China. Springer Publication.
5. Lee, H.H. and Chang, B.-Y. 2004, Vibration Mitigation on the Tension-leg Platform System, Pacific and Asian Ocean Science
and Technology Int. Conference May, 2004, Hawaii, USA
6. *Lee, H.H. and Wang, W.-S. 2003, On the Dragged Surge Vibration of a Twin TLP System with Multi-Interactions of Wave and Structures, Journal of Sound and Vibration ,
263(2003) pp743-774. (SCI Journal )
7. Lee, H.H. 2003, Suppression on Surge
Motion of Tension-Leg Platform Subject to Waves, Proceedings 13th Int. Offshore and
Polar Engineering Conf., Hawaii, USA 8. Lee, H.H. and Chan, K.-I. 2003, The Pore
Water Variation on the Foundation Response to Seismic Waves, 第二十五屆海洋工程研
