行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫暨子計畫:台灣海峽大陸棚波浪與潮流模式之開發及
應用(I)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC94-2625-Z-110-001- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 10 月 31 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： 許榮中 共同主持人： 莊文傑 計畫參與人員： 余孟娟(Melissa M-J. Yu,博士候選人) 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 31 日
西班牙整合型海岸模擬系統在台灣防災及規劃應用
之增訂及推廣
總計畫暨子計畫一:台灣海峽大陸棚波浪與潮流模式
之開發及應用(I)
計畫主持人姓名及職稱：許榮中 教授 (John R-C. Hsu) 執行系所(單位)：國立中山大學海洋環境及工程學系 計畫編號：NSC 94-2625-Z-110-001 補助經費：611,000 元 研究型別： 個別型計畫;整合型計畫 參與研究人員姓名：余孟娟(Melissa M-J. Yu,博士候選人)成果報告
1. 國際學術研討會論文
1. Hsu, J.R.C., J.C. Chu, S.R. Liaw, and C.Y. Lee, (2006). Methodology of shore protection in Taiwan at the crossroads. Paper 231, 30th International
Conference on Coastal Engineering, American Society of Civil Engineers.
(Presented in San Diego, USA on September 8, 2006)
2. Yu, M.J., and J.R.C. Hsu, (2006). Parabolic bay shape equation revisited for practical applications. Paper 530, 30th International Conference on
Coastal Engineering, American Society of Civil Engineers. (Presented in San Diego, USA on September 6, 2006)
2. 研究報告
本計畫為整合型計畫，總計畫之目標為引進西班牙海岸模擬系統 SMC (Coastal Modeling System)，藉由一套優良綜合海岸規劃及變遷軟體的標準化， 建立國內產官學研各界從事海岸變遷研究及規劃所需的數值模式，達成台灣海 岸保育及永續利用的願景。本總計畫包括三個子計畫，三個子計畫之間在第一 工作年獨立執行。第一年工作重點為自西班牙引進整合型海岸規劃與變遷軟 體，並由本計畫主持人之其他建教合作計畫經費，邀請 SMC 創始者之一的 Gonzalez 教授於 2005 年來台參加第 27 屆海岸工程研討會，並舉辦專題演講介 紹該海岸規劃與變遷軟體，同時由工作團隊研究為來年增訂相關的程式碼做準
本報告為總計畫暨第一子計畫，負責協調各子計畫，將第二及第三子計畫 之研究內容摘錄於下： 第二子計畫為「颱風巨浪引起之海岸線變遷模式之開發及應用」，第一工作 年為瞭解 SMC 軟體架構，比較 SMC 之功能，與實驗室資料進行初步驗證，並 進一步應用於台灣西南部－安平海岸附近人工養灘之設計，證實軟體能發揮波 潮流、海域地形變化和海岸線變遷的計算功能，同時配合 SMC 視窗化，展現 計算結果。 第三子計畫為「潛堤造成之海岸變遷模式開發及水工模型驗證」，利用數值 模擬的方式，先計算不透水離岸潛堤背後波場特性，探討波浪作用於不同潛沒 水深度與寬度之離岸潛堤對堤後方波高及碎波變化之影響，並模擬潛堤背後之 灘線變化特性，結果並與高出水面之離岸堤比較。未來將與西班牙整合型海岸 模擬系統(SMC)所模擬之離岸堤結果比較， 於 SMC 軟體中增訂模組，藉以開 發潛堤後方之長期海岸變遷模式。
中文摘要
國內的各種海岸規劃工作所需的波、流及結構物對海岸影響的數值模式， 多採用 DHI 的 MIKE21 套裝軟體。DHI 僅提供執行檔，使用者不能修正程式； 雖該軟體包含多種模組，其介面整合及原始資料檔的修正，不能由桌面直接作 業；因此 MIKE21 系統理應尚有改善空間。 西班牙 Cantabria 大學的海岸及海洋工程研究群，歷時八年（1995-2002） 所研發的整合性海岸模擬系統 SMC，適用於海岸與港灣相關的規劃設計、海岸 淹溢及其他防災事務的模擬計算；其功能可媲美 MIKE21。該整合型軟體，運 用預先儲存於資料庫的地形檔、海象及氣象資料，再藉由滑鼠直接在螢幕上圈 點各種濬深或養灘範圍等，該軟體即自動修正原始資料庫的地形資料，再進行 波、流及海岸變遷計算。上述之簡便操作、顯示器介面的整合及高階電腦影像 處理，即為 SMC 獨有之最大優點。本文將介紹 SMC 模式並且展示於屏東縣交 通部大鵬灣國家風景區灣岸規劃之應用成果。英文摘要
MIKE21 package produced by Danish Hydraulic Institute (DHI) has been the most well known numerical package used in Taiwan and elsewhere for the calculations of wave-current-shoreline changes related to various coastal applications. The DHI package provides only compiled code and does not allow automatic updating of the original bathymetric data file through interface by mouse-screen operation. This is one of the disadvantages, among other minor technical shortcomings, which may require improvement.
On the other hand, the Coastal Modelling System (SMC) developed by the Coastal and Oceanographic Engineering Group within the University of Cantabria in Spain is a wholly integrated modeling system. This system is equally suitable for planning and design related to coastal and harbor development, for risk of coastal flooding and other disaster prevention themes. This system allows automatic updating of the original bathymetric data file previously stored within the system through the operation of the mouse on the screen, for engineering applications, such as layout of coastal structures, planning of dredging and execution of artificial nourishment etc. The system then automatically performs subsequent calculations of wave, current and resulting shoreline changes. The merits of the SMC system include the most user-friendly environment, direct interface integration using mouse movement, and advanced graphic display on the original remote sensing imagery, among others. This report aims at introducing the SMC and demonstrating the results of its application at Dapeng Bay in the southern Taiwan where a beach restoration project is currently underway.
目錄
成果報告... I 中文摘要... II 英文摘要...III 目錄...IV 圖目錄...V 一、前言...1 二、文獻探討...2 2-1 拋物線型岬灣經驗式 ...2 2-2 應用軟體 MEPBAY 的開發 ...32-3 Gonzalez and Medina（2001, 2002）修正法 ...4
三、研究目的...5 四、研究方法...6 4-1 前處理模組 ...7 4-2 短期海岸變遷模組 ...8 4-3 中程及長期海岸變遷模組 ...10 4-4 現場模組 ...10 4-5 示範案例模組 ... 11 五、結果與討論...12 5-1 SMC 的應用－大鵬灣青洲海岸規劃案例選...12 5-2 SMC 模擬結果...15 六、結論與建議...20 參考文獻...21 計畫成果自評... 23
圖目錄
圖 2-1 靜態平衡岬灣公式示意圖 (Hsu 及 Evans，1989) ... 3
圖 2-2 MEPBAY 辨識結果之一的靜態平衡灣岸(Klein et al., 2003)... 4
圖 2-3 靜態平衡灣岸αmin示意圖(Gonzalez and Medina, 2001) ... 5
圖 4-1 西班牙 SMC 軟體中各模組相互關係示意圖... 7 圖 4-2 西班牙周圍海域水深地形資料庫 Baco 模組之示意圖 ... 8 圖 4-3 西班牙海域海氣象波浪資料庫 Odin 模組之示意圖 ... 9 圖 4-4 洪氾溢淹資料庫 Altas 模組之示意圖... 10 圖 4-5 SMC 現場模組示意圖...11 圖 5-1 以 MEPBAY 軟體規劃之大鵬灣靜態灣岸方案之一... 13 圖 5-2 以 SMC 軟體規劃之大鵬灣靜態平衡灣岸設計方案之一... 13 圖 5-3 以 SMC 軟體規劃之靜態灣岸等深線分佈圖（以大鵬灣為例）... 14 圖 5-4 規劃方案南向季風波浪波高分佈圖(H=0.86m, T=4.9sec)... 16 圖 5-5 規劃方案南向季風波浪流場分佈圖(H=0.86m, T=4.9sec)... 16 圖 5-6 規劃方案 WNW 向季風波浪波高分佈圖(H=1.02m, T=4.95sec) ... 17 圖 5-7 規劃方案 WNW 向季風波浪流場分佈圖(H=1.02m, T=4.95sec) ... 17 圖 5-8 規劃方案南向颱風波浪波高分佈圖(H=7.2m, T=12.6sec)... 18 圖 5-9 規劃方案南向颱風波浪流場分佈圖(H=7.2m, T=12.6sec)... 18 圖 5-10 規劃方案 WNW 向颱風波浪波高分佈圖(H=4.2m, T=8.5sec) ... 19 圖 5-11 規劃方案 WNW 向颱風波浪流場分佈圖(H=4.2m, T=8.5sec) ... 19
一、前言
隨著海岸永續經營理念的推行，國內外海岸工程的規劃案採用人工岬灣與養 灘的綜合工法做為海岸復育的對策，已蔚為風尚；然而結構物的規模與方位為何 及養灘量的估算，都需藉助於數值模式或水工模型試驗進行事前規劃，詳盡評估 養灘後的地形變化。尤以適宜的養灘灘料取得不易，未來沙源逐漸減少的情況下， 成本更可能大幅增加，為能準確估算養灘土方，養灘設計之首務在能配合靜態平 衡岬灣之安定灣線及縱向之海灘平衡剖面，以達到最佳的經濟效益。國內外海岸工程界所使用的套裝軟體(如丹麥 DHI 的 MIKE21 及美國 Veri-tec 的 CEDAS 等)，其數值計算功能的快速與便利性，早已成為學術界及工程顧問公 司進行規劃設計所必備之利器，但目前尚無灣岸設計之功能。
西班牙 SMC(Coastal Modeling System)軟體由該國 Cantabria 大學於 1995- 2002 年間為該國政府環境部所研發，可供綜合性波、流計算及海岸規劃。目前西 班牙政府環境部已透過 Cantabria 大學定期訓練全國及中南美洲西班牙語系國家 約 200 名公、私企業與教育研究人員使用該軟體；法國亦已引進該系統；美國正 接洽引進，台灣則由計畫主持人許榮中負責引進推廣。SMC 研發團隊領導人之一 Mauricio Gonzalez 博士於 2005 年曾應邀來台一週，擔任 2005 國際海岸規劃論壇 專題演講主講人及第 27 屆海洋工程研討會 keynote speaker，於會議中展示 SMC 模組並實際操作。 SMC 系統中，波流與海岸規劃各模組間介面整合性極為優異，地形資料修正 尤為便捷，可應用於規劃或擴建各種海岸結構物、人工養灘、海域濬深及灣岸設 計。其中，灣岸設計模組極具實用性，以養灘為例：在人工結構物位置佈設完成 後，可應用 Hsu & Evans(1989)岬灣經驗式所計算之靜態平衡灘線及 Dean(1977) 海灘平衡剖面，二者同時滿足之設計結果做為新海岸地形。SMC 不僅即時更新地 形檔，同時可計算出人工養灘所需鋪設之灘料體積；利用更新後之地形檔再進行 一系列之波流場計算，其獨創性更是其他數值模式無法比擬。
本研究以大鵬灣為例，展示 SMC 應用的成果，包括大鵬灣現況模擬及在親 水灣岸規劃方案下之波浪場(夏季與冬季季節風及颱風波浪)及流場空間分佈。
二、文獻探討
2-1 拋物線型岬灣經驗式
灘線經驗模式乃是以統計原理整理，相關的現場觀測或模型試驗資料所得的 數學式。大部分的經驗模式具有強烈的地域因子，但透過特定物理意義所彙整的 資料，可推導為通用的模式，則可不受地域的限制（如在無漂沙狀態下所推導的 靜態岬灣經驗式）。目前在海岸地理及工程界所見的灘線經驗式有三，即（1）Yasso(1965)的對數螺旋型模式、（2）Hsu and Evans (1989) 的拋物線型模式及（3）Moreno
and Kraus(1999)的雙曲線切線型模式。對數螺旋型及雙曲線型模式因沒有考慮上 游岬頭控制點，原點並非波浪繞射點，以及亦未考慮波浪入射方向對海岸線的關 係，雖可符合任何灣岸（靜態、動態或不安定）的平面形狀，僅為幾何形狀上的 偶合，並不具波浪傳遞的物理意義。在工程應用上，這兩個模式無法評估灣岸的 穩定性，也無法預測新建或擴建海岸結構物後對海岸線的影響。 相較於上述兩個模式，拋物線型經驗式選擇天然或人工岬頭之繞射點為極座 標之原點，符合物理觀點，以零漂沙條件下的安定岬灣為基本資料，因此無地域 因子的問題。此外，此經驗模式可應用於灣岸靜穩度的判斷、預測新建或擴建海 岸結構物後下游海岸線的可能變化，以及規劃設計安定的岬灣海岸以供遊憩親水 之用。因此目前被廣泛使用的僅有拋物線型岬灣經驗模式(Hsu and Evans,1989； 見 USACE, 2002 及 Gonzalez and Medina, 2001, 2002)。
Hsu and Evans(1989)提出的拋物線型經驗式是由混合 14 個現場與 13 組水工 模型灣岸的數據所迴歸的二階多項式。在選定上游波浪繞射點與下游海岸線的控 制點連線為控制線(control line)後，以波浪入射角與控制線構成的幾何關係，進一 步表示靜態平衡灣岸灘線的平面形狀（如圖 2.1），所推導的「靜態平衡」岬灣經 驗式如下： β θ β θ β θ β ≥ = + + = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ n n n n C C C for n R R ...; 2 , 1 ; ) ( ) ( 2 2 1 0 (1)
圖 2-1 靜態平衡岬灣公式示意圖 (Hsu 及 Evans，1989) 在上式中之基本量有二，即β與 Rβ；輔助量亦有二，即 Rn 與 θn ； β為入 射波峰線於上游控制點處(X0 , Y0 )與控制線(Rβ )之間的夾角，Rβ為控制線長度； Rn為靜態平衡岬灣灘線上任意點之極座標半徑距離，θn為該點之對應極座標角 度。 由拋物線型經驗式預測的灣線為「靜態平衡」灣岸的海岸線，代表在零漂沙 的海岸線的後退極限。在實際應用上，可在空照圖直接繪製波浪入射角與控制線 的幾何關係，評估該灣岸的穩定度、設置人工海岸結構物及規劃靜態灣岸之用。 該拋物線岬灣經驗式已為國內外海岸工程界所接受，目前並已收錄在 2002 年美
國陸軍工程師兵團所發行的「海岸工程手冊」：Coastal Engineering Manual（USACE,
2002），為分析海岸過程及規劃評估之用；以及西班牙海岸模擬系統 SMC(Gonzalez
and Medina, 2001, 2002, 2005)，模擬長期海岸變遷及規劃岬灣與人工養灘工法。
2-2 應用軟體 MEPBAY 的開發
近年來，巴西學者 Klein 等人與本計畫主持人（許榮中）合作，開發該岬灣 經驗式的應用軟體「MEPBAY」(Model for Equilibrium Planform of BAY beaches; 見 Klein et al., 2003)。由網站 http://siaiacd05.univali/~meppe 下載英語版軟體及建立 MEPBAY 應用檔之後，使用者即可開啟預儲的空照圖，在介面上依相關指令操 作而得到即時的計算結果及圖形化的輸出，使岬灣經驗式在工程應用上更為便 捷。利用 MEPBAY 使用介面及靜態平衡模擬結果如圖 2-2，因該海岸之灘線與靜
態平衡灣岸經驗式所預測者相吻合，表示圖中之海岸線為一靜態平衡灣岸，在常 年優勢湧浪的作用下，即使在零漂沙的供給下，仍可保持灣岸的安定（其他岬灣 安定性類別，如動態平衡及不安定等，亦可藉 MEPBAY 辨識之；詳見 Klein et al.,
2003）。：
圖 2-2 MEPBAY 辨識結果之一的靜態平衡灣岸(Klein et al., 2003)
2-3 Gonzalez and Medina（2001, 2002）修正法
為矯正岬灣經驗式下游控制點選定的瑕疵，以及在數值模擬時能夠經由量化 進一步計算灣岸位置，Gonzalez and Medina(2001, 2002)根據求最小沿岸流的解析
解，建議由αmin及 Y 修正岬灣經驗式下游控制點 Po的定點方法；在此αmin = f(Y/L)
之值可由數個西班牙現場灣岸，應用經驗模式的方法求得，其中 Y 為上游繞射點
到下游切線段的垂直距離（圖 2-3），L 為繞射點後方遮蔽區內的平均波高。依此，
Hsu and Evans(1989)岬灣經驗式中的β可修正為：
] ) 268 . 2 286 . 1 arctan[( 90 0.5 Y L L Y + − = β (4)
將修正的β值代入 Hsu and Evans (1989)的岬灣經驗式（式 1），即可由數值方
圖 2-3 靜態平衡灣岸αmin示意圖(Gonzalez and Medina, 2001)
三、研究目的
雖目前國內顧問公司與部分學校教師應用丹麥 DHI 所研發 MIKE21 系列之 海流水動力、波浪、輸沙、及海岸變遷等數值模組，研究成果尚算豐碩，惟其引 入及更新成本極高，原始模式程式碼限於商業考量並不提供，以致維護不易，加 以系列模組間之應用，對於專業性之要求甚高，各模組間相互之界面整合亦有待 加強(針對 MIKE_21 V_2.72 版本，據暸解，其近期研發之 MIKE_Zero 更新版本 已作強化及調整改善)。鑑此，本研究總計畫及各子計畫，於考量國內之應用需求、 台灣環島海域大陸棚波浪與潮流之構成及影響層面的特殊性及複雜度等因素下， 經充分評估後，決定引進西班牙 Cantabria 大學海岸研究群（GIOC）所研發之整 合型通用海岸模擬系統（SMC），並計畫未來三年內，以該 SMC 為基礎，透過國 際合作與經驗交流，培養系統研究、更新、與維護的自主強力，在落實波、流理 論及海岸防謢之相關應用，整合數值模擬計算科技，藉以促進海洋及海岸等相關 「藍色國土」環境的暸解，提升「本土化」海洋及海岸相關科技的研究層面，進 而建立國內海岸防災規劃之模擬系統，並在國內推廣應用。 在台灣地區從事海岸規劃及防災（波浪、潮流及溢淹災害等）模擬，所面臨的異常海氣象條件，以颱風及暴潮為主，而東部海岸面臨陡峭的太平洋深淵與西 部海岸接鄰大潮差的台灣海峽大陸棚，海岸環境極為獨特，必須在 SMC 的完全 整合的整體架構下，各組在第一工作年通力合作，一齊鑽研以西班牙文編寫的 SMC 手冊及操作說明，然後在第二、三工作年，在各組主持人既有的專業基礎上， 各自開發新的預定模組，以分工合作的方式，在該軟體的架構下，增訂及開發與 台灣海岸環境相關的新模組，在短期內達成總體目標，進而建立國內海岸防災規 劃模擬系統及推廣使用，為台灣海岸防災及規劃的模擬實務提供一個適用的公共 科技平台。
四、研究方法
西班牙綜合性海岸規劃與變遷軟體 SMC 的灣岸長期變遷計算模組採用 Hsu and Evans(1989)的「靜態平衡」岬灣經驗式及 Gonzalez and Medina(2001; 2002)對 下游控制點的修正。自 1980 年來代開始，西班牙的遊憩海灘設計與觀光蔚為風 潮，SMC 軟體之研發有助於爾後人工海灘搭配養灘的設計。由從事大型結構體對 海岸變遷影響的數值模擬，進一步施行細部規劃，可預防所謂「突堤效應」對其 下游海岸可能產生之負面效果。 SMC 模式之優點有二，（1）數值計算與輸出圖形之介面銜接順暢良好，可以 一氣呵成，不需個別另外繪製，（2）在規劃或擴建各種海岸結構物、人工養灘及 濬深時，可直接在螢幕上點選工程涵蓋的範圍，軟體即刻自動修正資料庫的地形 資料，再自動重新進行所有的波場、流場及海岸變遷等相關運算。 SMC 軟體的模組與應用可歸類如下（圖 4-1）： (1) 前處理模組（Pre-process Module）：預先建置儲存相關海岸地形、海象及氣象資料檔（包含計算洪氾溢淹的 Altas、波浪條件的 Odin 及地形資料的 Baco）。
(2)短期海岸變遷分析(Corto plazo, Short-term Module)：包括波場（Oluca）、流場
(3)中程及長期平衡海岸分析(Largo plazo, Mid and long-term Module)：包括由向離 岸漂沙計算平衡海灘剖面（Perfil de equilibrio）及由波浪水動力計算平衡海灘 線（Planta de equilibrio）的模式。 (4)工程現場應用(Field Module)：包括濬深、養灘、防波堤擴建及新建海岸結構物 等對海岸之影響。 (5) 示範案例模組 (Tic Module)：海岸工程應用公式及自我練習的部分 圖 4-1 西班牙 SMC 軟體中各模組相互關係示意圖
4-1 前處理模組
前處理模組包含已建立之西班牙全國海域完整的地形、海象及氣象資料庫， 可直接由此模組選取所需資料匯入其他波、流及地形變化模組進行計算，亦可自 行建立外部檔案由模式讀取建立，其中包含水深地形資料庫－Baco、海氣象波浪 資料庫－Odin 及洪氾溢淹資料庫－Altas。 水深地形資料庫 (Baco) 中儲存了西班牙全國海域的水深地形資料（如圖4-1），可直接在桌面上用滑鼠圈取欲計算之範圍，各個水深地形檔會自行套疊生 成所需之地形檔，使用時非常方便。本模組亦可讀取外部檔案，經 Baco 模組計 算後，以圖像化方式呈現於螢幕上。 海氣象波浪模組提供西班牙任一地區之波浪、沿岸流及沙灘特性等海象條 件。此模組以資料庫儲存波浪資料，且外海波浪資料 (波高與週期) 已經過西班 牙海象觀測網資料的率定與驗證。而模組提供之波浪條件可分為 (1) 波向玫瑰 圖；(2) 深海的波浪資料 (包括波高、週期、波向及水位)，即計算模組的輸入條 件；(3) 西班牙海象觀測網測得之波浪極值；(4) 時間序列的波浪資料，作為短期 海岸變遷模組輸入資料；及 (5) 深海波浪能量通量的方向，漂沙移動臨界水深 h*，為長期海岸變遷模組輸入資料。模組中各項資料，詳如圖 4-3。 圖 4-2 西班牙周圍海域水深地形資料庫 Baco 模組之示意圖 洪氾溢淹模組可用於定義水位高度及配合天文潮、氣象潮及波浪溯升 (wave run-up)，計算平均和最大洪氾溢淹水位，用以進行洪氾溢淹的風險分析。模組介 面如圖 4-4。
4-2 短期海岸變遷模組
部分，即計算(1)海岸平面變化 (Mopla) 及 (2) 海灘剖面變化 (Petra)。
海岸平面變化模組 (Mopla) 包含三個部分：波浪傳輸模組 (Oluca) 、水深平 均流場模組 (Copla) 及漂沙傳輸模組 (Eros)。本研究主要應用此模組模擬近岸波 流場及漂沙侵淤現象，瞭解近岸水動力之水理特性後，瞭解短期海岸漂沙特性。 若進而以應用模組，設計增建海岸結構物或人工養灘，可達到海岸保護的功效。
Modal beach state distribution
Mean monthly rate of alongshore sediment transport
Wave height regime (target point) Target coastal point
Location of the target point
圖 4-4 洪氾溢淹資料庫 Altas 模組之示意圖
4-3 中程及長期海岸變遷模組
模擬最終達靜態平衡之海岸地形，以預測數年後海岸是否仍保存其功能性， 此模組包括平衡海灘剖面（Perfil de equilibrio）及平面平衡灘線（Planta de equilibrio）的計算模式。此模組應用了使用者圖形化介面，可由螢幕上點選以檢 測海岸線之靜穩度或進行新的設計。此模組可套用不同灘線平衡及剖面平衡計算 公式進行設計，如剖面平衡公式包括 Dean 剖面(Dean, 1991)及雙拋物線剖面 (Medina et al., 2000)等；而平面灘線平衡模式則引用靜態平衡岬灣經驗式(Hsu and Evans, 1989)及其修正模式(González et al., 2001)等模式。4-4 現場模組
此模組主要應用於工作區水深地形之更新與調整，改變邊界情況，如海岸結 構物之設計(突堤與離岸堤等)或沙灘之濬深養灘。以養灘設計來說，利用長期海
模組則可應用新的結果自動計算，更新原始地形檔，且立即以圖形化方式呈現更 新過後的地形變化，並計算出養灘所需沙料之體積，非常簡便。同時，可在同一 工作區域內整合由不同數值模式來源之地形檔，亦可套疊供參考參考之海岸線或 空照圖等。此模組之自動更新地形檔功能為 SMC 之最大優點，也是 MIKE21 等 其他商業化數值模式所不及的地方。 圖 4-5 為應用靜態岬灣經驗公式設計灣岸示意圖，藍線為海域等深線，綠線 表示為結構物設計之地域部分，橘線為臨界水深 * h 位置，淺藍線為設計之平衡灘 線，於設計海岸結構物時，可直接於視窗內設計點選，軟體會隨著設計的結構物 尺寸大小自動調整修正水深地形檔，如增建海堤、突堤及離岸堤等海岸結構物。 亦可用於海床的濬深和人工養灘。 圖 4-5 SMC 現場模組示意圖
4-5 示範案例模組
此模組內收集許多海岸工程設計方法，包含四個部分：(1) 動態分析：包括 波浪預測、波浪理論、波浪統計方法、頻譜分析長波及海平面計算等；(2) 沿岸 漂沙：包括漂沙傳遞、沈積物特性、海灘線變化及剖面變化模式等；(3) 結構物 設計：波浪與結構物之互制，如波浪溯上、透水性與越波 (overtopping) 等；以及 (4) 海岸環境影響。五、結果與討論
5-1 SMC 的應用－大鵬灣青洲海岸規劃案例選
本研究應用 SMC 模式為設計岬灣海岸及配合人工養灘的規劃，選定屏東大 鵬灣海域做為現場實際案例模擬，規劃區域涵蓋大鵬灣南導流提以南約 1.5 公里 的平直海岸。基於大鵬灣海岸構造物安全之考量，擬定人工岬灣及養灘配置之規 劃原則為確保所形成之沙灘，其灘線距現有海堤最窄處應有 50m 之距離，做為海 岸緩衝帶，以達到觀光親水遊憩的目標。由於季風波浪之沿岸流漂沙界限水深為 3.156m，故初步研擬構築之海岸結構物之水深超過界線水深，以改變驅動漂沙之 波、流場，進而改變海岸線。規劃之流程如下：研擬各方案構想及以靜態岬灣經 驗式配合 MEPBAY 軟體，初步預測各方案養灘後穩定灘線，再利用西班牙 SMC 數值模式針對各建議方案進行灣岸設計及養灘，最後根據 SMC 灣岸設計模組中 更新之地形進行波、流場之相關數值模擬。 研究團隊曾曾協助研擬數個不同親水灣岸的方案，利用 MEPBAY 軟體繪製 靜態平衡灘線進行初步規劃。規劃方案之一，如圖 5-1，沿大鵬灣海岸由北而南(即 圖中由右而左)，佈置一座馬刺型突堤(100m)、T 型突堤(350m)及短離岸堤(150m) 為人工岬頭，養灘後可營造三個安定人工岬灣，各寬 700、500 及 350m(由右而左)； 其中南導流堤之南的岬灣最大，寬約 700m。藉由岬灣工法及人工養灘，增加海 灘寬度，將現有平直海岸轉為安定自保的灣岸。在分析長期海灘變遷時，SMC 模 式引入海灘平面線與海灘剖面同時平衡的觀念（Gonzalez and Medina, 2001;2002），而非岬灣經驗式的僅考慮灘線的平面平衡。圖 5-2及圖 5-3則各別為以 SMC
軟體規劃之大鵬灣靜態平衡灣岸設計方案之一及 SMC 軟體輸出的等深線分佈 圖。由觀察判斷可知，圖 5-1 與圖 5-2 兩者的岬灣灘線幾乎相同。
圖 5-1 以 MEPBAY 軟體規劃之大鵬灣靜態灣岸方案之一
13 00 1 4 00 1 5 0 0 1 6 0 0 17 00 1 8 00 1 9 0 0 2 0 0 0 21 00 C ro s s -s hor e di re c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) -20.00 -18.00 -16.00 -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 圖 5-3 以 SMC 軟體規劃之靜態灣岸等深線分佈圖（以大鵬灣為例） 以 SMC 模式規劃大鵬灣海岸所需之相關輸入參數如下： (1) 模擬範圍：沿岸方向 1,900 公尺，由最南端（現有離岸堤系統最北一座） 至大鵬灣北導流堤北方約 200 公尺處，向離岸方向則至水深 20 公尺處，計 2,130 公尺。 (2) 季風波浪條件之代表波高：夏季季風南向(S)波浪之波高 0.86m、週期 4.9 秒，冬季季風北向(WNW)波浪之波高 1.02m、週期 4.95 秒。 (3) 10 年迴歸期颱風波浪之代表波高：南向(S)颱風波浪波高 7.2m、週期 12.6 秒，北向(WNW)颱風波浪，波高 4.2m、週期 8.5 秒。 (4) 水位：季風波浪條件下採平均潮位(+0.26m)，颱風波浪條件下採平均高潮 位(+0.48m)。 (5) 計算網格(Δx、Δy)：季風波浪條件下為 10m，颱風波浪條件下為 17.5m。 (6) 時間步階(Δt)：季風波浪條件下為 1.0 秒，颱風波浪條件下為 2.0 秒。 (7) 底床中值粒徑 D50：設定為 0.3mm。 (8) 養灘剖面設計如下圖，前灘高度 1.5 公尺，前灘寬度 30 公尺。海灘剖面設 計水深 h*為 3.15 公尺。固定坡度為 1 比 50。
5-2 SMC 模擬結果
大鵬灣海岸線平直，呈西北－東南走向。夏季季風南向波浪，外海波高 0.86m，週期 4.9 秒，模擬結果顯示，到達近岸波高約 0.7m（圖 5-4）；此時 水深4 m 以上，流速甚弱，沿岸流向北，流速皆小於 1m/s；在南防潮堤之南 有一逆時針方向渦旋（圖 5-5），向北漂沙可能在南防潮堤之南淤積；又在南 北兩防潮堤之間，有一弱順時針方向渦旋，可能促進潮口淤積。 冬季季風WNW 向波浪，外海波高 1.02m，週期 4.95 秒，模擬結果顯示， 到達近岸波高，減衰小，仍約0.7～1.0m（圖 5-6）；此時沿岸流向南，流速部 分大於1m/s；在南防潮堤之南渦旋不明顯（圖5-7），南防潮堤之南漂沙向南； 又在南北兩防潮堤之間，有一強勢逆時針方向渦旋，並有離岸流向，可能促進 南潮口端內部淤積。 夏秋之際，颱風南向波浪，外海波高 7.2m，週期 12.6 秒；模擬結果顯示， 波浪在外海已近破碎，但到達近岸波高仍約 1～2m（圖 5-8）。此時在水深 3 ～5 m 以內，流速較弱，其餘海域，不論近岸或較深海域，則流速全面均佈達 約 1m/s；沿岸流向北，流速皆小於 1m/s；在南防潮堤之南有一微弱逆時針 方向渦旋（圖 5-9），向北漂沙可能在南防潮堤之南淤積；又在南北兩防潮堤 之間，有一強逆時針方向渦旋，可將潮口淤積物輸送到北防潮堤之北方。 若颱風產生 WNW 向波浪，外海波高 4.2m，週期 8.5 秒，模擬結果顯示，到 達近岸波高，仍約 1～2m（圖 5-10）。此時在沿岸及水深 5～6 m 以內，流速較強， 其餘海域，不論近岸或較深海域，則流速全面均弱；沿岸流向南，流速部分達 1m/s；在南防潮堤之南有數各微弱渦旋群（圖 5-11）；又在南北兩防潮堤之間，有 一強速流可帶沙進入潮口淤積。13 00 14 0 0 1 5 0 0 16 0 0 17 00 1 8 00 1 900 2 0 0 0 210 0 C ros s -s hor e di re c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 圖 5-4 規劃方案南向季風波浪波高分佈圖(H=0.86m, T=4.9sec) 13 00 14 0 0 1 5 00 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 19 00 20 00 21 00 C ros s -s h or e di re c tio n (m ) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 0 110 0 120 0 130 0 140 0 150 0 160 0 170 0 180 0 Long-shore direction (m) → 1 cm = 1.000 m/s 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 圖 5-5 規劃方案南向季風波浪流場分佈圖(H=0.86m, T=4.9sec)
1 300 1 4 0 0 150 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 80 0 1 90 0 2 0 0 0 2 1 0 0 C ros s -s h o re di re c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 圖 5-6 規劃方案 WNW 向季風波浪波高分佈圖(H=1.02m, T=4.95sec) 1 3 0 0 14 0 0 1 5 00 1 6 00 1 7 0 0 1 8 0 0 19 00 2 0 00 2 1 0 0 C ros s -s hor e di re c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) → 1 cm = 1.000 m/s 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 圖 5-7 規劃方案 WNW 向季風波浪流場分佈圖(H=1.02m, T=4.95sec)
13 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 16 00 17 00 1 800 1 9 0 0 200 0 2 1 0 0 Cr os s -s h or e di re c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 圖 5-8 規劃方案南向颱風波浪波高分佈圖(H=7.2m, T=12.6sec) 1 3 0 0 14 00 1 5 00 1 6 0 0 1 7 0 0 18 0 0 1 9 00 2 0 0 0 2 10 0 C ro s s -s h or e d ire c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) → 1 cm = 1.000 m/s 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 圖 5-9 規劃方案南向颱風波浪流場分佈圖(H=7.2m, T=12.6sec)
1 3 0 0 14 00 15 00 1 6 0 0 1 7 0 0 18 00 1 900 2 0 0 0 21 0 0 Cr os s -s h or e di re c tio n ( m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) 0.00 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.10 2.40 2.70 3.00 3.30 3.60 3.90 4.20 4.50 4.80 5.10 圖 5-10 規劃方案 WNW 向颱風波浪波高分佈圖(H=4.2m, T=8.5sec) 1 3 00 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 18 00 19 00 2 0 0 0 21 00 Cr o s s-sh o re d ire c tio n (m ) 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Long-shore direction (m) → 1 cm = 1.000 m/s 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 圖 5-11 規劃方案 WNW 向颱風波浪流場分佈圖(H=4.2m, T=8.5sec)
六、結論與建議
本計畫旨在引進西班牙整合型海岸模擬軟體 SMC，將來在其架構下增訂並研 發相關模組，以作為未來台灣海岸防災及工程規劃設計準則之重要工具。在第一 年度計畫中，主要就 SMC 軟體架構與相關理論基礎進行瞭解，並進一步應用於 大鵬灣現場海域進行實際規劃人工岬灣與養灘之設計，驗證軟體波潮流、海域地 形變化和海岸線變遷的計算功能。 本文應用西班牙 SMC 於大鵬灣的規劃案例，在模擬過程中，發現 SMC 的波 流場模組計算快速且模組間的整合性相當完整。其中，工程現場應用模組極具實 用性，結構物的規劃設計可直接在螢幕上點選完成，模組即刻根據佈設的結果， 自動調整更新水深地形，節省一般軟體修正地形檔的繁瑣步驟。此外，SMC 模式 中已預先儲存完整之西班牙全國海岸地形及海氣象資料，可直接套用作為後續波 流場計算之用，未來建議逐步建立全面台灣海域的資料。SMC 模式是一免費且整 合性良好之海岸設計規劃軟體，在目前使用的商業軟體之外，將是國內工程界及 學界一個最好的替代選擇。參考文獻
1. Dean, R.G. and Maumeyer, E.M. (1977). Predictability of characteristics of two
embayments. Proc. Coastal Sediments’77, ASCE, pp.848-866.
2. Dean, R. G. (1987). Coastal sediment processes: toward engineering solutions.
Proc. Coastal Sediments’87, ASCE, pp.1-24.
3. Gonzalez, M. and R. Medina, (2001). On the application of static equilibrium bay
formations to natural and man-made beaches. Coastal Engineering, 43 (3-4): 209-225.
4. Gonzalez, M. and R. Medina, (2002). A new methodology for the design of static
equilibrium beaches and the application in nourishment projects. Proc. 28th Inter.
Conf. Coastal Eng., American Society of Civil Engineers, v. 4, pp. 3753-3764.
5. Gonzalez, M. and R. Medina, (2005). Coastal modeling and planning experience
in Spain. Keynote speech, Proc. 27th Ocean Engineering Conference in Taiwan, pp.1-14.
6. Hsu, J.R.C. and C. Evans, (1989). Parabolic bay shapes and applications. Proc.
Instn. Civil Engrs., London, Part 2, 87: 557-570.
7. Klein, A.H.F., A. Vargas, A.L.A. Raabe, and J.R.C. Hsu, 2003b. Visual assessment
of bayed beach stability using computer software. Computers & Geosciences, 29: 1249-1257.
8. Medina, R., Bernabeu, A.M., Vidal, C., González, E.M., (2000). Relationships
between beach morphodynamics and equilibrium profiles. Proc. 27th Inter. Conf.
on Coastal Engineering, ASCE, pp. 2589-2601.
9. Moor, B. D. (1982). Beach profile evolution in response to changes in water level
10. Moreno, L.J. and N.C. Kraus, (1999). Equilibrium shape of headland-bay beaches for engineering design. Proc. Coastal Sediments’99, American Society of Civil Engineers, v. 1, pp. 860-875.
11. USACE, (2002). Coastal Engineering Manual Online. U.S. Army, Corps of Engineers, Coastal Engineering Research Center. Part III –2-54~56 and Part V-3-35~4.
