沙丘性質調查 沙丘性質調查 沙丘性質調查

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中 華 華 華 華 大 大 大 大 學 學 學 學

碩 碩

碩 碩 士 士 士 士 論 論 論 論 文 文 文 文

沙丘性質調查 沙丘性質調查 沙丘性質調查

沙丘性質調查- -- -新竹南港海岸 新竹南港海岸 新竹南港海岸 新竹南港海岸

系 系 系 系 所 所 所 所 別 別 別 別： ： ：土木與工程資訊學系碩士班 ： 土木與工程資訊學系碩士班 土木與工程資訊學系碩士班 土木與工程資訊學系碩士班

學號姓名 學號姓名 學號姓名 學號姓名： ： ：M09304026 ： 許逸泓 許逸泓 許逸泓 許逸泓

指導教授 指導教授 指導教授 指導教授： ： ：楊 ： 楊 楊 楊 朝 朝 朝 朝 平 平 平 平 博 博 博 博 士 士 士 士

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中 華 華 華 華 民 民 民 民 國 國 國 國 九十六 九十六 九十六 九十六 年 年 年 年 一 一 一 一 月 月 月 月

摘要 摘要 摘要 摘要

台灣海岸線綿長，若受侵蝕會影響社經活動，而沙丘為保護海岸

之重要地物，其存在及保育極為重要。本研究以新竹南港海岸為研究 區位，調查沙丘之物理性質、形成特性及其定沙效果。

研究區內分為泥灘、草澤及人工沙丘三區，根據粒徑分析調查結 果，發現研究區內沙粒徑之特性為(1)溫式之分級只屬於「沙」一種、

(2)粒徑尺寸與平面位置之間相關性小、(3)淘選不良、(4)多為細粒。

泥灘區、草澤區主要營力為沿岸流，人工沙丘區主要營力為風力。距 地表 10cm 之上含水量最大值為 0.88%，易受風力影響而形成飛沙；

距地表 30cm 以下，含水量維持在 4%之上。

研究區內沙籬之走向為 N30^oW，各沙籬隔區間所出現之沙脊約 垂直於沙籬。沙丘剖面測量之三處沙籬隔區分別標示為 Zone I、

Zone II、Zone III，自 2005 年 7 月至 2006 年 6 月進行沙丘剖面現地 量測；Zone I 受颱風、季風影響，10 月份、12 月份沙丘體積分別上 升至 231(m

³

/m)、209(m

³

/m)；而 Zone II、Zone III 則受到波浪與季風 影響導致 4 月份~5 月份間沙丘體積分別驟降為 164(m

³

/m)、

158(m

³

/m)。

關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞

關鍵詞：：：：海岸沙丘海岸沙丘海岸沙丘海岸沙丘、、、、沙籬定沙沙籬定沙沙籬定沙沙籬定沙、、、、沙性質沙性質沙性質、沙性質、、沙丘剖面、沙丘剖面沙丘剖面 沙丘剖面

Abstract

The coast line is long in Taiwan. It will influence the social and economic action when it was erosion. And sand dunes are important surface feature which can be protect the coast. So it is important to protect sand dunes. In this study, the investigate area is at Nangang coast in Hsinchu. It includes that investigate the physical properties of sand dunes, character of sand dunes take shape and result of sand fixation.

In this area, it differentiate three section, mudbank, grassy marsh and artificial generated sand dune. According to the result of sieve analysis. It show that the character of sand in the investigate area, (1)The grading of the Wentworth^，s type is only one kind of sand, (2)the relationship

between sand particle size and level position is small, (3)wash and select is bad, (4)the majority are particulate. The major motive force in

mudbank section and grassy marsh section is flow along the coast. The major motive force in artificial generated sand dune is wind-force. Above ground surface 10 centimeter, the maximum of water content is 0.88 percent. It becomes flying sand easily by wind-force. Below ground surface 30 centimeter, the water content maintain above 4 percent.

In the area, the sand hedges have northern 30° western trend. The sand spines of every sand hedge are almost vertical to the sand hedge.

The sand hedge separating areas label as Zone I, Zone II and Zone III. It measured from July 2005 to June 2006. Typhoon and monsoon influence in Zone I. The volume of sand dunes increased to 231(m

³

/m) and

209(m

³

/m) in September and December respectively. And Zone II and Zone III influenced by wave and monsoon. It cause that the volume of sand dunes decreased to 164(m

³

/m) and 158(m

³

/m) in April and May.

Key words: Coast sand dunes, sand hedges for sand fixation, sand

properties, section of sand dunes

誌 誌 誌 誌謝 謝 謝 謝

本論文得以順利完成，感賴恩師 楊朝平教授，日以繼夜督促教 誨，悉心匡正，並於論文撰寫期間費心逐字斧正，師恩浩瀚，永銘腑 內，由衷恩謝；求學期間，承蒙 吳淵洵教授、李煜舲、呂志宗教授 等諸位師長，在學識上之傳授與教導，在此一併致上最高謝意。

論文口試期間，幸蒙元培科技大學 吳南明教授及本校 吳淵洵教 授，對本論文剴切指正及提供寶貴意見，使本文錯誤與疏漏得以扶 正，更臻完善，在此致上最誠摯之謝意。

於論文研究期間，感謝同窗好友姿蛋、胤傑、彥佃、凱文、怡伶、

克泰、柏領、禎瑩在課業上相互支持及生活瑣事之解惑；也感謝學弟 妹文成、玟玲、英達、偉彥在研究期間一年多來的協助，以及樺姿、

振宏的鼓勵與幫助；特別感謝胤傑與姿蛋，在撰寫論文時的幫忙與鼓 勵，及提供寶貴意見，在此由衷感謝你們，我會銘記在心。

最後僅以本論文獻給我最愛的奶奶及親愛的家人，感謝你們賜與 無限關愛與包容，讓我能無後顧之憂的圓滿完成求學夢想，謝謝身邊 所有曾經給予我幫助及鼓勵的朋友，在此致上最深之謝意。

逸泓 謹誌 中華民國九十六年于新竹

目錄 目錄 目錄 目錄

中文摘要...I 英文摘要...II 誌謝...III 目錄…...IV 圖目錄...VII 表目錄...X

第一章 緒論...1

1.1 研究背景與動機...1

1.2 研究目的...1

1.3 研究方法...2

1.4 論文內容...3

第二章 文獻回顧...5

2.1 波浪理論...5

2.2 漂沙理論...7

2.3 沙丘性質...9

2.3.1 沙粒運動理論...9

2.3.2 沙丘之形成條件...10

2.3.3 沙丘型態...12

2.3.4 沙丘之侵蝕...15

2.3.5 沙丘粒徑...15

2.4 沙丘種類……...16

2.5 海岸之防風定沙...17

第三章 研究區位之環境...22

3.1 研究區位………...22

3.2 研究區位之環境………...22

第四章 研究方法...32

4.1 沙丘沙粒徑分布試驗法...32

4.2 沙丘沙粒徑特性分析...38

4.3 沙丘沙含水量試驗... 43

4.4 沙丘沙單位重試驗... 45

4.5 沙丘沙氯離子含量檢測... 46

4.6 沙籬配置測量……... 46

4.7 沙籬隔間區之沙丘高程量測... 48

4.8 沙籬隔間區之沙丘體積計算... 49

第五章 沙丘沙物理性質………...50

5.1 沙丘沙粒徑及其特性………...….50

5.1.1 泥灘、草澤、人工沙丘區七月份調查結果....50

5.1.2 人工沙丘區各月份調查結果………....52

5.1.3 小結...53

5.2 沙丘沙含水量……….54

5.3 沙丘沙單位重……….55

5.4 沙丘沙氯離子含量……….56

第六章 沙丘剖面量測結果...68

6.1 沙籬配置量測...68

6.2 沙籬隔區之沙丘高程量測...69

6.2.1 沙籬隔區 I 高程之季節性變化...69

6.2.2 沙籬隔區 II 高程之季節性變化...71

6.2.3 沙籬隔區 III 高程之季節性變化...73

6.2.4 綜合觀察...75

6.3 沙籬隔區沙丘單位寬度之體積...76

第七章 結論與建議...78

7.1 結論……….78

7.2 建議……….79

參考文獻...80

附錄 粒徑分佈曲線...83

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1.1 研究項目與流程...4

圖 2.1 近岸流示意………...6

圖 2.2 離岸流之質量輸速度剖面………...7

圖 2.3 漂沙之平衡關係示意………...7

圖 2.4 沙丘類型………...14

圖 3.1 研究區域之地理位置……….25

圖 3.2 研究區域之航照圖……….26

圖 3.3 泥灘區現況……….26

圖 3.4 草澤區現況……….27

圖 3.5 人工沙丘區現況……….27

圖 3.6 新竹外海風力統計圖(2002 年)...28

圖 3.7 新竹氣象站風花圖...28

圖 3.8 台灣海域潮流分布情形………...29

圖 3.9 新竹外海波浪統計圖(2002 年)...29

圖 3.10 新竹市海岸 100 年的變遷疊圖...30

圖 3.11 南港海岸變遷成果圖...31

圖 4.1 篩分析法之儀器...34

圖 4.2 泥灘區及草澤區之沙樣採取點...34

圖 4.3 泥灘區之現況...35

圖 4.4 草澤區之現況...36

圖 4.5 人工沙丘區之沙樣採取點...36

圖 4.6 人工沙丘區之現況...37

圖 4.7 三處沙籬隔區之位置...44

圖 4.8 將試體取出之過程...45

圖 4.9 試體取樣完整………...46

圖 4.10 沙籬隔區Ⅰ現況（2005,07,14）...47

圖 4.11 沙籬隔區Ⅱ現況（2005,07,14）...47

圖 4.12 沙籬隔區Ⅲ現況（2005,07,14）...48

圖 4.13 以人孔蓋為控制點之量測...49

圖 4.14 樣線距離及方向固定…...49

圖 5.1 泥灘區、草澤區粒徑分佈曲線圖(2005.07.14)………62

圖 5.2 人工沙丘區粒徑分佈曲線圖(2005.07.14)………63

圖 5.3 SU-section 粒徑分佈曲線圖………..64

圖 5.4 SM-section 粒徑分佈曲線圖………..65

圖 5.5 SD-section 粒徑分佈曲線圖………..66

圖 5.6 沙丘隔區 I 之單位重試驗結果……….67

圖 5.7 沙丘隔區 II 之單位重試驗結果………67

圖 5.8 沙丘隔區 III 之單位重試驗結果………67

圖 6.1 沙丘隔區 I 之剖面(2005.07.14)……….70

圖 6.2 沙丘隔區 I 之剖面(2005.10.06)……….70

圖 6.3 沙丘隔區 I 之剖面(2005.12.08)……….70

圖 6.4 沙丘隔區 I 之剖面(2006.01.12)……….70

圖 6.5 沙丘隔區 I 之剖面(2006.02.21)……….70

圖 6.6 沙丘隔區 I 之剖面(2006.03.30)……….70

圖 6.7 沙丘隔區 I 之剖面(2006.04.25)……….71

圖 6.8 沙丘隔區 I 之剖面(2006.05.27)……….71

圖 6.9 沙丘隔區 II 之剖面(2005.07.14)………72

圖 6.10 沙丘隔區 II 之剖面(2005.10.06)………..72

圖 6.11 沙丘隔區 II 之剖面(2005.12.08)………..72

圖 6.12 沙丘隔區 II 之剖面(2006.01.12)………..72

圖 6.13 沙丘隔區 II 之剖面(2006.02.21)………..72

圖 6.14 沙丘隔區 II 之剖面(2006.03.30)………..72

圖 6.15 沙丘隔區 II 之剖面(2006.04.25)………..73

圖 6.16 沙丘隔區 II 之剖面(2006.05.27)……….73

圖 6.17 沙丘隔區 III 之剖面(2005.07.14)…………...……….74

圖 6.18 沙丘隔區 III 之剖面(2005.10.06)………74

圖 6.19 沙丘隔區 III 之剖面(2005.12.08)………74

圖 6.20 沙丘隔區 III 之剖面(2006.01.12)………74

圖 6.21 沙丘隔區 III 之剖面(2006.02.21)………74

圖 6.22 沙丘隔區 III 之剖面(2006.03.30)………74

圖 6.23 沙丘隔區 III 之剖面(2006.04.25)………75

圖 6.24 沙丘隔區 III 之剖面(2006.05.27)………75

圖 6.25 沙籬隔區 I 沙丘單位寬度體積之變化……….………..……77

圖 6.26 沙籬隔區 II、沙籬隔區 III 沙丘單位寬度體積之變化………77

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 3.1 新竹市水文資料...25

表 4.1 溫氏（Wentworth）之沙粒徑分級...33

表 4.2 阿氏（Atterberg）之沙粒徑分級...33

表 4.3 各土壤分類之

φ

值與粒徑(

mm

)對照表...39

表 4.4 峰度分級ㄧ覽...41

表 4.5 淘選良否之分級...42

表 4.6 歪度分級ㄧ覽...43

表 5.1 沙粒徑統計參數ㄧ覽 2005.07.14（泥灘區、草澤區）...57

表 5.2 沙粒徑統計參數ㄧ覽 2005.07.14（人工沙丘區）...58

表 5.3 沙粒徑統計參數ㄧ覽 2005.10.06（人工沙丘區）...59

表 5.4 沙粒徑統計參數ㄧ覽 2006.01.12（人工沙丘區）...60

表 5.5 沙粒徑統計參數ㄧ覽 2006.02.21（人工沙丘區）...61

表 6.1 單位寬度體積之調查總結果彙整……….77

第一章 第一章 第一章

第一章 緒論 緒論 緒論 緒論

於本章敘述研究背景、動機與研究目的，並敘述研究方法，且繪 製研究項目及流程圖；最後對本論文進行簡略之敘述。

1.1 研究背景與動機 研究背景與動機 研究背景與動機 研究背景與動機

台灣四周環海，海濱線長達一萬五千餘公里，在高溫多雨、季風 盛行、輸沙顯著的自然條件下，海岸沙丘逐漸形成，分部於本島四周 的沙岸地區。沙丘除有防禦風、海浪侵蝕及保護內陸功能外，尚有儲 存淡水、調整洪水、阻止海水滲透及防劣化土質等功能(李素方，

2002)。沙丘若在安定的情形之下，對海岸有保護作用，否則常造成 災害、淹沒良田房舍，損失不貲。近些年來，台灣地區社會發展迅速，

土地需求相當殷切，因內陸地區利用飽和，於是發展逐向海岸線延 伸，致沙丘有被開發利用甚或破壞的現象。不適當的利用或破壞沙丘 行為，如當成垃圾場、開發為工業區、興建養殖區，甚至砍伐防風林 為建地、旱地等，會引起沿海地區生態環境改變，造成飛沙、鹽霧、

地盤下陷等自然災害。於是各地方政府普遍種植防風林及定沙工程，

以期安定海岸沙丘(戴昌鳳，2003)。

1.2 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的

近年來，台灣地區人口成長迅速，土地需求相當殷切。內陸地 區早已利用飽和，於是向所謂「邊際土地」的山坡地和海岸地區發展。

沙丘有被開發利用，甚或破壞現象。本文章乃以台灣北部新竹南港海

岸地區之沙丘進行研究，其目的有三。

1.實地調查此地區海岸沙丘的生成環境，包括附近的地形、風 向、風力、海象、供沙及植被等。

2.探討沙丘的物理性質，分析沙丘沙的粒度特性，並比較其之間 的差異。

3.經由野外實地量測了解人工沙丘區沙籬配置情形、沙丘高程與 沙丘體積因季節產生之變化。

1.3 研究方法 研究方法 研究方法 研究方法

本研究目的在探討海岸沙丘物理性質、粒度特性、高程變化，

其研究方法包括：

1.蒐集基本資料：蒐集研究區有關之地圖、航照圖及研究區的 自然環境，以做為概念的基礎及立論之依據。

2.野外實地調查：包含沙丘沙粒徑分布試驗、沙丘沙粒徑特性分 析、沙丘沙氯離子含量

、 、 、 、

沙丘沙含水量試驗、沙丘沙單位重試驗、

沙籬配置量測、沙籬隔間區之沙丘高程量測。

3.室內作業：將所量測之高程數據利用 Excel 繪製成曲線圖，再 將曲線圖利用 AutoCAD 求得剖面之面積，進而得到沙籬隔間區 單位寬度之沙丘體積。

依研究動機與目的的確定後建立研究流程圖，如圖 1.1 所示。

1.4 論文內容 論文內容 論文內容 論文內容

本論文包含摘要，第一章緒論說明研究背景、動機與目的；第二 章文獻回顧包含波浪理論、漂沙理論、沙丘性質、沙丘種類與海岸之 防風定沙；第三章研究區域之環境，乃就研究區域之風力、沿岸流、

波浪、地形、河川、漂沙進行調查；第四章研究方法，包含沙丘沙粒 徑分布試驗、沙丘沙粒徑特性分析、沙丘沙含水量試驗、沙丘沙單位 重試驗、沙籬配置量測、沙籬隔間區之沙丘高程量測、沙籬隔間區之 沙丘體積計算；第五章沙丘物理性質，根據沙丘粒徑調查結果，了解 沙丘之粒度特性；並包括氯離子含量試驗、含水量試驗及單位重試驗 之結果；第六章沙丘剖面量測結果，包含沙籬配置量測及沙籬隔間區 之沙丘高程量測結果；第七章結論與建議。

圖 1.1 研究項目及流程

研究動機與目的

界定研究區域

蒐集基本資料 水 文

氣 候 地 形

野外實查

沙丘沙粒徑分布試驗

沙丘沙含水量試驗

資料分析

結 論 搜尋相關文獻

沙丘沙單位重試驗

沙籬隔間區之沙丘高 程量測 沙籬隔間區之沙丘體

積計算 沙籬配置量測

撰寫論文

沙丘沙氯離子試驗

第二章 第二章

第二章 第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

本章對於波浪、漂沙、沙丘型態與種類及沙籬配置進行相關之 文獻探討。

2.1 波浪理論 波浪理論 波浪理論 波浪理論

水受某種外力之作用，使水分子發生擾亂，水面發生高低之運動 並向他處傳播，當外力去後仍因重力及表面張力之作用繼續保持波 動，此種以水為媒介將其形狀傳播之現象稱水波(water wave)。波浪 理論不僅為流體力學研究之ㄧ部分，亦為海岸工程研究主要對象之 ㄧ；凡海岸構造物、漂沙及海流等，莫不以波浪理論為討論之依據。

實際之海面波雖甚複雜，亦可認為其是由不同週期、波高及位相之波 浪重疊組成，Stokes 波浪理論較與自然現象吻合(郭ㄧ羽, 2003)。

海水流況之代表為海流與潮流，但沿岸水域因為波浪作用會有顯 著之流況發生，其混合著因風之剪應力所產生之吹送流、海面坡降所 產生之潮流、流體間之密度差所產生之密度流及波浪產生之波浪流。

於沿岸，因為波浪作用，海底之沙由開始移動之場所至波浪溯昇所到 達場所之中間，由於波浪之折射會發生碎波而產生輻射應力(radiation stress)，因而發生近岸流(nearshore current)。近岸流之動量通率

(momentum flux)使沙移動（漂沙），終而導致海灘地形變化；動量通 率為因波浪之運動伴隨產生過剩之動量流(momentum flow)

p v

+

⋅ ²

ρ

，

ρ

水之密度、

v

水之流速、

p

水壓(Longuet-Higgins, 1970)。

圖 2.1 為近岸流示意，可大分成波浪流、沿岸流(longshore)與離 岸流(rip current)三種。

圖 2.1 近岸流示意 (水村和正，1999)

（1）波浪流

係由波浪產生之水流會向岸邊輸送質量，依 Stoke’s 波理論之質 量輸送定義為「水粒子在ㄧ週期之後部會回至原來位置卻有變為發 生」；因此靠近岸邊海水、沉積物經常會被輸送。

（2）沿岸流

為沿海岸線大致平行之海流；波浪到達淺海域時，因有折射現象 導致坡峰線平行靠近海岸線而發生碎波，碎波能量消失的平行海岸線 之成分將形成沿岸流。沿岸流呈三角形分佈，距碎波點之近岸邊處流 速最大，海流之推動力係由「與海岸線平行方向之動量通率」所產生 (Sunamura and Horikawa, 1974)。

（3）離岸流

於海岸線某間隔上，由海岸往外流之海流；離岸流發生之原因為 長週期重力波存在之關係。由圖 2.2 知曉，離岸流之質量輸送，於水 面及海底附近同波浪進行方向，於水深中央附近為波浪進行之逆方向 (Bowen and Inman, 1969)。

圖 2.2 離岸流之質量輸速度剖面 (水村和正，1999)

圖 2.3 漂沙之平衡關係示意 (郭金棟,1988)

2.2 漂沙 漂沙 漂沙理論 漂沙 理論 理論 理論

海灘漂沙(sand drift)之主要來源為河川輸沙、海岸侵蝕、來自外 海及飛沙等。河川之輸沙量與流量呈正比，雖然河川可攜帶大量砂 石，但僅有少數百分比之沙停留於沙灘；海岸侵蝕亦為下游海岸之漂 沙來源，其量遠較河川輸沙少；需有向海岸之海流方有來自外海之漂 沙源；如強風時間有限飛沙量不如海浪輸沙。參閱圖 2.3，漂沙之平 衡關係如(2.1)式(郭金棟,1988)。

=0

−

−

− +

+ _{E li lo A o}

R

Q Q Q Q Q

Q

(2.1)

Q

R：河川輸沙量

Q

E：當地海岸侵蝕沙量

Q

li：沿岸方向輸入沙量

Q

lo：沿岸方向輸出沙量

Q

A：當地海岸堆沙量

Q

o：向外海方向的輸出沙量

漂沙為導致海灘地形變化之原因，在漂沙流動終了之處會有堆沙 現象發生，若無河川供沙海岸會有侵蝕現象發生；其分縱向漂沙 ( vertical drift) 與橫向漂沙（或稱沿岸漂沙 Along- shore drift）兩種 (Komar, 1976)。

（1）縱向漂沙

沿海岸垂直方向重複移動漂沙稱之，屬短期變化，若無異常自然 現象發生（颱風）其長期之海灘變化不會伴隨發生。

（2）橫向漂沙

為沿海岸水平方向之漂沙；於波浪與海岸斜交入射處最為顯著；

若橫向漂沙顯著海灘會發生侵蝕或堆沙現象，會造成海灘變化而難再 復原。其發生於灘線處者稱海灘漂沙(beach drift)，為波浪往沙濱溯昇 時伴隨發生之鋸齒形曲折移動之沙；另有發生於破碎點與破碎帶內受 沿岸流輸送之漂沙。

台灣的地形陡峻，氣候溼熱，風化層很厚，加上地震、暴雨、洪 水之肆虐，河流含沙量特別高。台灣地區土石沖蝕之嚴重，所導致的 大量輸沙、漂沙則成為重要的沙丘沙源，加上盛行風向陸吹送，海岸 沙丘特別發達，尤其西海岸為最為顯著。

2.3 沙丘性質 沙丘性質 沙丘性質 沙丘性質

風力造成的沙質堆積小丘稱為沙丘，通常都由鬆散的沙粒所構 成，其型態、大小與沙源、灘面地形、盛行風、降水、植被等各項條 件均有密切關係。沙丘的生成環境，包括附近的地質、地形、風向、

風力、海象、供沙及植被等。

沙丘一般位於海灘後方，高於高潮位線的區域，是保護海岸的最 佳天然屏障。暴潮期間沙丘防止海水淹沒陸地，有防潮堤的功能，又 可制止鹽沫、沙粒入侵內陸，具涵養地下淡水水源功能，提供植物生 長、動物棲息。颱風暴浪期間，沙丘吸收了波浪能量造成侵蝕而沙子 移向海域，使海灘變緩。於平時長期的季風風浪又會慢慢的將沙子推 向岸邊堆積，恢復沙丘，沙子的移動也可以消耗波浪能量避免陸地受 侵蝕。因此沙丘對海岸地形環境的變化，具有調適與緩衝的功能(林 宗儀，2002)。

2.3.1 沙粒運動

沙粒運動沙粒運動沙粒運動理論理論理論 理論

沙丘之主要沙源為飛沙(sand storm)，其乃因風作用而運搬之沙，

來自當地上風處之陸地及海灘。風速分佈為決定表面剪應力

τ

之因 素，而飛沙之始動條件及飛沙量端視剪應力大小決定之。使沙粒開始 移動之流速分佈

u

(z)可依式(2.2)、式(2.3)及式(2.4)估算之(郭金棟, 1988)。

z

o

z k z u

u

( )= ^* ⋅ln (2.2)

a

u ρ

=

τ

* (2.3)

13 . log 0 081 .

0 ₁₀

D

z

_o = ⋅ (2.4)

u

*：摩擦速度(cm/sec)

k

：Karman 摩擦常數(

k

=0.4)

z

：距沙表面之高度

z

o：沙表面粗糙長度

ρ

a：空氣密度(1.275*10

^-3

g/cm

³

)

D

：沙粒徑

飛沙量約與風速之三次方呈正比關係，可依據依動量不滅定律導出 (2.5)式之飛沙量估算式 (郭金棟,1988)。

3

25 *

.

0

u

g c D

q

= ⋅ ×

ρ

^a ⋅

(2.5)

g：重力加速度(981cm/sec

²

)。

2.3.2 沙丘

沙丘沙丘沙丘之形成條件之形成條件之形成條件之形成條件

海岸沙丘被認為乃碎波帶附近形成的沙洲隆起後向內陸伸展 者，會造成海岸線向內移和活動沙丘帶的擴大，其為一動態體系。沙 丘的存在與規模，基本上與沙源的供應有相當大的關係，其形成的三 項基本條件為(1)淘選良好而且充分供應的濱沙，(2)向陸風營力足以

使沙粒移動，（3）合適的空間以容納積沙。

沙丘沙的主要來源是沿岸的漂沙和積沙。河流的挾帶搬運及海浪 侵蝕搬運而來的沙粒，盛行季風或颱風帶動波浪，由海底或海面搬運 沙粒向海岸移動，其和海岸接觸後產生沈積形成海濱沙灘。沙灘陰風 吹日曬而乾燥，再經風力吹送而向內陸移動，當風力減弱或遇阻礙則 堆積成沙丘。因此，海岸沙丘大多分布於有寬廣積沙空間的河流出口 附近及平緩彎曲的海岸，通常位處迎風的平緩海岸 (張智原, 2000)。

飛沙量受風力摩擦速度

u

_*影響最大，風的作用是造就沙丘的最主 要營力，其對沙粒的搬運與沈積作用可分為三種方式：

（1）懸浮(suspension)

空氣擾動而生渦流，產生上舉力，使灰塵細沙浮懸於空中，隨風 前進；當風力轉弱，無法將懸浮沙塵繼續向前搬運時，沙塵即降落地 表，造成堆積。

（2）跳躍(saltation)

風力無法使較大沙粒一質懸浮在空中，強風使沙粒時起時伏，撞 擊地面而跳躍前進，到達較低窪地或遇較大的障礙物才堆積下來。

（3）地面蠕動(suface creep)

更大的沙粒受風的壓力而再地面緩慢移動，遇到障礙物便受阻而 堆積下來。風力在地表吹送，其能量一部分消耗於摩擦作用，一部分 產生沙粒的跳躍與懸浮，一部分對更大粒徑的沙粒只能使之蠕移 (creep)運動，沙灘地區常見的沙漣(ripples)就是沙粒在地表蠕動的現 象。

2.3.3 沙丘型態

沙丘型態沙丘型態沙丘型態

成瀨敏郎(1989)依堆積先後，將沙丘分為原生沙丘(Primary dune) 及次生沙丘(Secondary dune)二類；前者在細分為濱堤沙丘、橫沙丘、

新月丘及小沙丘四種型態；後者細分為縱沙丘、拋物線沙丘、斜行沙 丘、圓頂沙丘及吹上沙丘五種。沙丘面積大小及分佈與季風交角成正 比，風向會影響沙丘的堆積方向(摘自楊美萍, 2004)。

海岸沙丘被認為乃碎波帶附近形成的沙洲隆起後向內陸伸者，會 造成海岸線向內移和活動沙丘帶的擴大，其為一動態體系。沙丘的存 在與規模，基本上與沙源的供應有相當大的關係，其形成的三項基本 條件為（1）淘選良好而且充分供應的濱沙，（2）向陸風營力足以使 沙粒移動，（3）合適的空間以容納積沙。

沙丘的沙主要來源是沿岸的漂沙和積沙。河流的挾帶搬運及海浪 侵蝕搬運而來的沙粒，盛行季風或颱風帶動波浪，由海底或海面搬運 沙粒向海岸移動，其和海岸接觸後產生沈積形成海濱沙灘。沙灘陰風 吹日曬而乾燥，再經風力吹送而向內陸移動，當風力減弱或遇阻礙則 堆積成沙丘。因此，海岸沙丘大多分布於有寬廣積沙空間的河流出口 附近及平緩彎曲的海岸，通常位處迎風的平緩海岸(張智原，2000)。

柳榗(1975)研究中表示在海岸沙丘發育過程中因受植物之影響 程度可分為兩相，主要為風成相( eolian phase )，次為洗出相(eluvial phase)；在風成相時受風影響大，受植物影響小。若沙源充足及風的 營力良好，堆積率大於植物生長速度則沙丘增大，形成迎風面為緩 坡，而背風面為陡坡之型態(摘自楊美萍, 2004)。

鄭瑞壬(1991)依據沙丘的分布與型態將其分類之：

(1)假性沙丘

外表看似沙丘，內部為礫丘(如圖 2.4.a)。

(2)錐狀丘

在已被破壞的海岸林區，飛沙盛行而遇到零落殘存的幹莖，風速 在下風側驟減，導致飛沙易在殘莖前後堆積成尖頂形狀之錐狀丘(如 圖 2.4.b)。

(3)臺狀丘

飛沙遇到如馬鞍藤、濱刺麥、海埔姜等匍匐性植物群落，待風力 減弱時，沙粒隨即沉積在植被上方，植被雖受沙埋，但仍能繼續往上 生長，且沙粒持續堆積，形成與植被面積相等範圍之臺狀丘(如圖 2.5.c)。

(4)球狀丘

因匍匐性定沙植物生長範圍小，或臺狀丘強風吹蝕而分割，而形 成規模較小之球狀丘(如圖 2.4.d)。

(5)條狀丘

高度起伏不定，脊線錯綜斷續的濱海沙丘在人工沿海岸線設置堆 沙籬定沙後，零散沙丘連結成連續性，且丘脊線與海岸平行排列之條 狀丘(如圖 2.4.e)。

(6)櫛齒狀沙丘

部分條狀沙丘，受強勁東北季風吹拂後，於背風側形成順風向內 陸伸展的小沙丘脊列(如圖 2.4.f)。

(7)並列丘

兩個以上之條狀丘並排，其間中隔窪地，但沙丘尚未相連者，稱 為並列丘(如圖 2.4.g)。

(8)複合丘

活動而尚未固化的外列沙丘，因風營力而內移時，逐漸造成新舊 沙丘列之相連重疊，當其坡面相連而丘脊仍然明顯分列者，稱為複合 丘(如圖 2.4.h)。

(9)重疊丘

外列沙丘完全疊覆在內列沙丘上，且以形成單列沙脊者，稱為 重疊丘(如圖 2.4.i)。

（a） （e） （i）

（b） （f）

（c） （g）

（d） （h）

圖 2.4 沙丘類型 (鄭瑞壬，1991)

2.3.4 沙丘

沙丘沙丘沙丘之侵蝕之侵蝕之侵蝕之侵蝕

陳穂德等（1995）以數值模式的方法模擬波浪對斜坡面上沙丘的 存在產生向離岸的輸沙變化，藉以了解沙丘對斜坡面的影響及其地形 變化的情況。模擬結果指出不同波浪條件作用下，波高大小和沙丘初 始位置的變化影響較大，週期的影響次之；而波浪尖銳度越大，沙丘 的破壞也越大，剖面的沖刷量相對也增加(摘自楊美萍, 2004)。

林振旭、林意楨（1996）對沙質海灘上沿岸沙丘進行侵蝕率的數 值模擬與實驗研究中指出，沙丘位置愈靠近外海，前灘區產生沙洲或 平台等地貌之現象愈明顯。而沙丘之侵蝕率與波浪尖銳度、波高大小 成正比，後退速度在開始造波後變化最大，隨著沙丘前綠地貌與坡度 的變化，後退速度將愈來愈緩。

2.3.5 沙丘粒徑

沙丘粒徑沙丘粒徑沙丘粒徑

沙丘粒徑特性表示營力的來源、大小的不同，藉由粒徑分析可以 判別海岸變遷的作用機制、營力的大小與方向及影響範圍的評估；因 此了解粒徑的大小分布狀況，有助於驗証海岸變遷的重要實據考証。

海岸沙丘及由不同營力所造成，因此無法用就同一種粒徑數值來分析 其性質，所以很多學者利用粒徑分析中不同的參數（中位數、淘選度、

歪度、峰度）來區分營力的來源(Maurice, 1988; Medina, et al., 1994)。

沙丘粒徑較灘沙為細，此因沙丘位居後濱，風營力由濱線向內陸 搬運，故粒徑漸小。粒徑於順風向由丘前向丘頂增大，至丘後又再減 小。沙粒徑之分布於迎風面林綠處之粗沙及中沙（0.25mm~1mm）含 量較多，愈向內陸（林地內）則愈少(張瑞津，1980)。鄭瑞壬(1911) 研究桃園臺地海岸沙丘，發現沙丘沙粒受風力的影響，沙丘由東北向 西南擴展，沙粒沿著海岸由北向南且向內陸漸細。石再添(1981)曾對 嘉南洲潟海岸沙丘進行粒徑分析，發現平均中數略較濱線為細，此因 沙丘位居後濱，風營力由濱線向陸搬運，故粒徑向陸逐漸減小。

2.4 沙丘 沙丘 沙丘種類 沙丘 種類 種類 種類

沙丘分為複合星月沙丘（3.08ψ）、圓形沙丘（3.21ψ）、線形沙 丘（2.63ψ-3.41ψ）、星狀沙丘（2.81ψ）；

φ

值表示粒徑組距，即將 粒徑分佈曲線之橫座標取為二進位對數之

φ

值（

φ

=-

log

₂

D

，

D

：粒 徑）。沙丘的形成與因風力而堆積之沈澱物關係十分密切。當風力較 小且沙源充足等因素形成，沙丘出現的頻率就會增加(Wang, et al., 2003)。沙丘會因植被影響而移動或固定，而植被則受到風力和降雨 量的影響，由於沙顆粒間缺少凝聚力，所以風為侵蝕植被的主要因素 (Tsoar, 2005)。為保持海岸沙丘，植生比其他人為加工的建設還好（例 如：沙丘圍籬），次要的環境影響包括由海岸向內陸之降雨量(Rust and Illenberger, 1996)。

此外中國科學研究院在 1957 年提出稻桿交錯固定法來固定沙

丘，在研究中顯示最合適的稻桿高度為 10c

m

-20c

m

，最合適的範圍為 1

m

×1

m

，在這範圍內對沙丘影響最為顯著且較符合經濟效應。稻桿 能增加沙丘表面粗糙程度，減少沙粒因潮汐變遷而流失，進而使沙丘

固定。稻桿交錯固定法施工所耗費約 3 年-5 年，此方法一方面能減少 風對沙丘表面的侵蝕，一方面能使沙粒較易堆積，所以在世界上被廣 泛的應用(Guo, et al., 2004)。

2.5 海岸之防風定沙 海岸之防風定沙 海岸之防風定沙 海岸之防風定沙

飛沙和飄鹽均由強風而起，故能有效抑制氣流運動，即可達到防 風定沙的功效。因此，防風定沙原理如下。

(1) 減低風速

從海上吹來的強勁風速，若能以障礙物阻滯，除可因摩擦增 加，使風速降低外，更可藉障礙物吸收氣流的運動量，使之轉變為 熱能，而使風速大大減小。

(2) 改變風向

強風直接作用於地面或作物上，將導致土沙飛揚，造成作物生 理障礙，並引起機械傷害。若能以防風構造物迫使風向轉變，不致 對地面或作物造成直接作用，可收保護之效。

(3) 增加蔽風範圍

防風構造物在改變風向迫使氣流向上方流動以後，會在背風區 形成較大蔽風區，而此蔽風區的土地即可以充分利用，作為農地或 其他用途。

根據上述原理，防風定沙設施的施行可依各地風速、風向、地形 和沙粒的特性，作各種不同的設計，以適合當地環境需要。

台灣海岸地區風沙災害的範圍廣闊，為有效防治此等災害，必須 配合台灣地區特殊的地理、地形與氣象條件，進行有關設施。海岸防

風定沙的主要設施有堆沙籬、防風籬、海岸防風林及耕地防風林等數 種。

(1)堆沙籬 (a)目的

在海岸沙源豐富、飛沙盛行地區，為阻截飛沙入侵平坦內陸，常 建立一高大有似屏風的前沙丘，以提供丘後有較佳氣候環境，促使林 木快速生長。

(b)適用地區

本省桃園縣西北角海岸與中港溪、後龍溪、台中港、濁水溪、蘭 陽溪和台東溪等溪流出口附近海岸，因上游帶下泥沙特多，成為海岸 飛沙主要沙源，而且河口附近地形為平坦沙面，林帶不易成活，因此 前沙丘之建立實屬必要。大面積構築堆沙籬，可以阻截飛沙，堆成前 沙丘。

(c)籬的材料

桂竹枝梢編成的堆沙籬，因具有不規則孔隙，使通過籬後的氣流 不易形成固定流線，相對地氣流因流線互相干擾，亂流程度增大，使 大量能量損耗掉，可促使飛沙迅速安定而堆積成丘。尼龍網亦可發揮 堆沙功效，但甚柔軟，易受風吹而向後傾斜，致堆沙長度及高度較短，

堆沙效果較差。由竹片或木板所編成之籬，在籬後易形成固定流線，

堆沙效果不佳，但該籬頂部卻排列較整齊，因此堆成之沙丘頂部亦較 平順，不似竹削籬會造成不整齊之沙丘面。

(d)籬的方向

堆沙籬排列方向應與主風向垂直，若風向在主風向左右 15°範圍 內變化，不致影響堆沙效果。若籬的方向與主風向呈 30°之交角時，

可誘導飛沙沿籬的方向移動，此稱為導沙籬，此種導沙作用只在籬密 度高達 90％以上才會發生。

(e)籬的高度

堆沙籬高度以 1

m

為原則。雖然高籬能發揮更大堆沙效果，但容 易將沙阻截而局限在一小範圍堆積，且堆成的沙丘呈高聳形態，容易 導致崩坍。太低則不符施工經濟原則。根據觀測結果顯示，1

m

高堆 沙籬可使飛沙在較廣闊海岸沙灘上，堆積成前沙丘。且每年冬季季風 帶來的飛沙，也大致可採此一高度之籬堆平。

(f)籬的密度

堆沙籬密度以 50～70％為佳。密度 50％堆沙籬所堆之飛沙量及 堆積速率與密度 75％之堆沙籬並無顯著差異。但密度 50％之籬所堆 成的沙丘形狀較低而長；而密度 70％所堆成的沙丘形狀則較高而短。

因此沙源豐富且海岸線長的地區，需將飛沙安定在較寬廣地區，使前 沙丘能沿海岸線堆成，故以密度 50％之堆沙籬較適合。而沙源較少 地區，可採密度 75％之籬，以發揮快速堆沙功效，並形成範圍較小 之前沙丘。

(2)防風籬 (a)目的

在海岸前沙丘堆積完成，或無飛沙但風力十分強勁的地區，利用 植生和林木以抑制飛沙和減殺風速。因海岸地區環境極惡劣，植生、

林木欲直接入侵此等惡劣環境，實不可能。但為確保植生、林木能儘 速成長，發揮其功能，故有必要設置防風構造物。此等構造物種類雖 然繁多，但功效則大致相同。一般以竹梢籬或網籬較為簡便而且實用。

(b)籬的方向

與堆沙籬相同。

(c)籬的高度

視需保護對象而定。若為保護定沙之沙草等植生，籬的高度約 1

m

即可。但若是為保護保安林帶的林木生長，則防風籬高度以 3

m

～ 5

m

為宜，以促使林木能生長至此等高度，方能發揮保安林之綜合效 用。

(d)籬的密度

防風籬主要目的在於減殺風速，適度壓迫氣流上升。因此太疏氣 流不易被迫上升，改變風向的效果不佳，且減風功效亦低；太密雖可 擠壓氣流上升，但易在籬後造成強勁渦流，反而對植生產生負影響。

密度為 70％之籬，籬後風速可減弱至原風速之 50％左右，且在籬後 可產生大範圍、強度較弱的渦流區域，因此可發揮最大防風效果。

(e)籬的間隔

防風籬因要保護籬後植生或林木，使其能均衡生長，為避免籬後 某段距離之後再受風速回升影響，使植生、林木生長受阻，故在第一 道籬後間隔 5H 處重新築設第二道籬，使籬與籬之間形成一靜風區，

可促進植生、林木快速生長。

(3) 海岸防風林 (a)目的

前述之堆沙籬和防風籬雖具有防止飛沙、減殺風速、改變風向等 功用，但終究屬臨時性構造物，而森林的經營則可使海岸地區永遠擁

有一具備防風、定沙、過濾飄鹽及阻滯潮水入侵的功能，造成適宜的 氣候。為達成此目標，於是有必要設置海岸保安林。

(b)樹高

海岸地區由於氣候環境惡劣、林木生長不易，尤以海岸第一線必 須藉防風籬之保護方能使林木成活，進而逐年成長。若防風構造物高 度太低，林木生長當然無法長高，而失去林木防風、防鹽及改善氣候 之功效。為使海岸保安林達到上述目的，理論上樹高乃愈高愈佳。而 通常防風構造物之高度最高約在 5

m

～6

m

左右，因此第一線林帶林木 成長高度之極限亦在 5

m

～6

m

左右，此一標準似可作為海岸保安林經 營的參考。

(c)林帶寬度

海岸林帶寬度原則上愈寬效果愈佳，但由於土地取得不易，而且 土地需經濟利用，故林帶亦不宜太寬。原則上林帶寬度至少應在 80

m

～160

m

為宜。若考慮林帶的更新問題，則林帶寬度可適度增加。(游 繁結, 1989)。

第三章 第三章

第三章 第三章 研究區位之環境 研究區位之環境 研究區位之環境 研究區位之環境

本章節於研究區位之地理位置及研究區位之環境(包含風力、沿

岸流、波浪、地形、河川及漂沙)，做相關性之說明。

3.1 研究區位 研究區位 研究區位 研究區位

本論文研究區域為台灣北部北起鹽港溪河口南迄新竹市、苗栗縣

界之海岸(圖 3.1、圖 3.2 為此區之地理位置)；因受地形及堤防整治之 影響可分成三大區塊，由北而南為北端泥灘區、中間草澤區及南端人 工沙丘區(圖 3.3~圖 3.5 為三區之現況圖)。

3.2 研究區位之環境 研究區位之環境 研究區位之環境 研究區位之環境

此區域受到之營力影響如下：

（1）風力

風對於土地及其他物體之破壞力，取決於風速之大小，尤其在乾 燥多風且又缺乏植物覆蓋之地區，風之吹揚沙土、移動情形，皆與風 速大小有關，即風速愈強沙粒愈容易被帶動。本區面對台灣海峽，背 倚雪山山脈。由於雪山山脈為東北、西南走向，與東北季風及西南季 風等盛行風向平行，對於季風的地形摩擦阻滯效應小，以致新竹沿海 地帶風力強勁。見圖 3.6、圖 3.7，根據中央氣象局 2002 年於新竹香 山外海 1.5km 實測資料顯示，該區冬季平均風速約在 6.4m/sec～

6.9m/sec，主要風向為北北東到東北方之間，夏季風速為 4.2 m/sec～

6.1m/sec，主要風向為南南西到西南方之間。最大風速多可達 14.6m/sec 以上，最大陣風紀錄為 2 月份的 20.0m/sec，最多的風向為東北東。

（2）沿岸流

見圖 3.8，源自赤道的恆流（黑潮）延菲律賓向台灣的方向移動 在恆春分為兩條分流系統，海水溫暖夏季配合西南氣流緩面的橡東北 方移動，造成之潮流速約在 7 ㎝/s 至 10 ㎝/s。大陸的沿岸流由東北方 向西南移動受到黑潮恒流的影響，對台灣而言當冬季東北季風的加強 沿岸流受到強大的東北季風的吹送，加速對台灣西部沿岸的影響力，

使潮流增強至 17 ㎝/s 至 28 ㎝/s 間。

（3）波浪

見圖 3.9，根據中央氣象局 2002 年於新竹香山外海 1.5km 所作觀 測顯示，期間所觀測之最大波高(H

1/3

)為 2.47m，所對應週期(T

1/3

)為 8.6s，最大平均波高(H

1/3

)為 0.946m，所對應之週期(T

1/3

)為 5.5s。依 據各月 H

1/3

與 T

1/3

之機率分布與波高超值累積曲線，顯示冬季之 H

1/3

集中於 2.35m 左右，T

1/3

集中於 5.20s 左右。夏季除颱風影響外，一 般 H

1/3

皆小於 1m，T

1/3

則在 4.5s 左右。

（4）地形

根據 89 年監察院國土保全總體檢之調查報告，民國 59 年頭前溪 口南岸經興建新竹漁港後，由於防波堤伸長達 1.6km(含港區)阻擋沿 岸漂沙，以致新竹垃圾掩埋場附近之海堤日漸侵蝕，需以消波塊保護 堤腳；其南濱海水浴場前方之沙灘亦逐漸後退，唯香山一帶海岸尚稱 穩定。欲瞭解海岸地形變遷的原因，首應瞭解其演變方式及影響因 子；演變方式需套疊不同年代之地形圖觀察之；而影響因子大致歸類 為地質構造、地殼升降或海準變動、沉積物的供應、海床坡度、風化 作用、波浪作用、崩壞作用、海岸的曲折度、海灘的寬窄與物質組成

及人為因素等(楊美萍，2004)。依據 3 個年代分別為 1925 年、2000 年及 2004 年的疊圖比對如圖 3.10，發現南港海灘的海岸線呈現增長 的變化。另外如圖 3.11 所示，對照 100 年來新竹市海岸線的變化資 料，亦顯示由於河川的輸沙量豐富造成海岸線逐年向外擴張情形。

（5）河川

新竹市境內主要的河川大致呈東南向西北之水流方向，最後注入 台灣海峽。見表 3.1，其主要的河川有頭前溪及客雅溪，次要的河川 有三姓公溪、鹽港溪。一般而言，此區域河川因受地形影響，多為流 短坡峻，因此具有雨季時河水流量大，枯水時期流量少之特點。流經 南港區域主要的河川為鹽港溪，其發源於新竹縣寶山鄉茄冬湖、社子 崎，向西南流經新城、虎頭山，於石秀橋附近進入新竹市境內。此後 並穿越南隘、中隘、內湖等村，於內湖南側入台灣海峽。鹽港溪全長 約 12.0km，其在新竹市境內河段長約 7.3km，其中有 2.85km 的河道 流經新竹市和苗栗縣之邊界。此外，鹽港溪流域面積約 40.5km

²

，流 域平均年雨量 1,520.0mm，年平均逕流體積約為 49,248,000m

³

。

（6）漂沙

新竹市海岸地區之漂沙來源最主要為鳳山溪、頭前溪及鹽港溪，

每年於夏季洪水期從上游挾帶而下的大量土石，由於下游河道比降緩 且河道彎曲，流速降低，因此粒徑較大者則在下游出海口附近沉積，

較細粒的的土沙則隨水流向海。受到潮流以及冬季東北季風之作用 下，則部分的漂沙則由北往南移動；其漂沙源尚稱多而穩定。

表 3.1 新竹市水文資料

總長度 新 竹 市

境 長 度全長比降 市境比降

鳳山溪 250.1 45.45 0 34 --- 竹北魚寮 572.5 6.96 ---

頭前溪 565.97 63.03 12.6 25.24 2.78 南 寮 111.08 2.56 5570 客雅溪 48.41 26.2 12.4 3.57 2.82 罟 寮

西 南 側 73.89 0.19 720 三姓公溪 10.64 9.05 9.05 7.73 7.73 浸 水 庄

西 側 --- 0.43 128

鹽港溪 40.5 13.43 7.3 5.66 1.37 灰 寮

西 南 側 49.25 0.13 246 註："---"表資料不足 資料來源：經濟部水資源局，2003

出海口

年逕流 量(百萬

立方公 尺)

年輸砂量 (百萬公

噸)

洪水流 量(CMS)

名稱 流域面

積(km)

河流長度 河床平均比降(m/km)

圖 3.1 研究區域之地理位置

圖 3.2 研究區域之航照圖

圖 3.3 泥灘區現況

圖 3.4 草澤區現況

圖 3.5 人工沙丘區現況

圖 3.6 新竹外海風力統計圖(2002 年)

圖 3.7 新竹氣象站風花圖

夏季20米深恒流 冬季20米深恒流

圖 3.8 台灣海域潮流分布情形(國家海洋科學研究中心)

圖 3.9 新竹外海波浪統計圖(2002 年)

圖 3.10 新竹市海岸 100 年的變遷疊圖(中央研究院計算中心，2005)

圖 3.11 南港海岸變遷成果圖

第四章 第四章

第四章 第四章 研究方法 研究方法 研究方法 研究方法

本研究調查包含泥灘區、草澤區及人工沙丘區之沙丘物理性質，

由於泥攤、草澤區皆位於高潮線之下，因此無沙丘形成，所以高程量 測僅測量以設置沙籬之人工沙丘區；所施行之工作內容含(1)沙丘沙 粒徑分布試驗、(2)沙丘沙粒徑特性分析、(3)沙丘沙氯離子含量試驗。

於人工沙丘區進行(4)沙丘沙含水量試驗、(5)沙丘沙單位重試驗、(6) 沙籬配置量測、(7)沙籬隔間區之沙丘高程量測、(8)沙籬隔間區之沙 丘體積計算，於本章對其施作方法說明之。

4.1 沙丘沙粒徑分布試驗法 沙丘沙粒徑分布試驗法 沙丘沙粒徑分布試驗法 沙丘沙粒徑分布試驗法

通常以粒徑對沙的粗細做分級，藉此推知搬運營力及堆積環。堆 積物之粗細、淘選情形可反應出搬運營力之種類、搬運的能量、搬運 的方向及堆積環境。在美國一般使用表 4.1 之溫氏（Wentworth）分 級，在歐洲則普遍使用表 4.2 之阿氏（Atterberg）分級，唯兩者差別 不大。基本上有四種方法：實地測定法、折尺或捲尺測量、沈降法或 顯微鏡測定，視堆積物組成顆粒的大小不同，所採用的粒徑分析方法 則不同。適用於本研究區之粒徑分析法採用篩分析法，圖 4.1 為試驗 照片；篩分析法適用於 0.075

mm

<D<60

mm

之物（礫石、沙），將沙 樣烘乾後以篩網組震動篩分之，ASTM D452 為其試驗規範。求停留 於各篩網之重量百分比，並據以畫粒徑分佈曲線。

表 4.1 溫氏（Wentworth）之沙粒徑分級

粒徑

(

㎜

)

分級名稱

>256

巨礫

(Boulder)

256~64

大礫

(Cobble)

64~4

小礫

(Pebble)

4~2

細礫

(Granule)

2~0.06

沙

(Sand)

0.06~0.004

粉土

(Silt)

<0.004

黏土

(Clay)

表 4.2 阿氏（Atterberg）之沙粒徑分級

粒徑

(

㎜

)

分級名稱

>60

大礫

(Cobble)

60~20

粗礫

(Coarse pebble)

20~6

中礫

(Median pebble)

6~2

細礫

(Fine pebble)

2~0.2

粗沙

(Coarse sand)

0.2~0.06

中沙

(Median sand)

0.06~0.02

細沙

(Fine sand)

0.02~0.002

粉土

(Silt)

<0.002

黏土

(Clay)

圖 4.1 篩分析法之儀器

本研究區位北起鹽港溪河口南迄新竹市、苗栗縣界之海岸；因受 地形及堤防整治之影響可分成三大區塊，由北而南為北端泥灘區、中 間草澤區及南端人工沙丘區。

（1）泥灘區

於此區之鹽港溪河口及海防哨堤防缺口兩斷面（WU-section、

WM-section），施行六處沙採樣調查，採樣點編號如下所述（見圖 4.2）；圖 4.3 為此區之現況。

圖 4.2 泥灘區及草澤區之沙樣採取點

Wetland WMR

WMM

WML

WDM WDL

WDR

Grassy marsh area

Mudbank area

WUL

Dyke

N

WUM Sea WUR

圖 4.3 泥灘區之現況 WU-section

WUR：鹽港溪河口斷面近海側 WUM：鹽港溪河口斷面中央 WUL：鹽港溪河口斷面近陸側

WM-section

WMR：堤防缺口斷面近海側 WMM：堤防缺口斷面中央 WML：堤防缺口斷面近陸側

（2）草澤區

於此區施行一斷面三處沙採樣調查（WD-section），採樣點編號 如下所述（見圖 4.2）；圖 4.4 為此區之現況。

圖 4.4 草澤區之現況

WDR：草澤區近海側 WDM：草澤區中央 WDL：草澤區近陸側

（3）人工沙丘區

於此區之北端、南端及其中間三斷面（SU-section、SM-section、

SD-section），施行九處沙採樣調查，採樣點編號如下所述（見圖 4.5）； 圖 4.6 為此區之現況。

圖 4.5 人工沙丘區之沙樣採取點

SUR SUM

SUL SMR

SMM SML

SDR SDM

SDL Sea

Sand dune

Windbreak

Field N

圖 4.6 人工沙丘區之現況

SU-section

SUR：北端斷面近海側 SUM：北端斷面中央 SUL：北端斷面近陸側

SM-section

SMR：中間斷面近海側 SMM：中間斷面中央 SML：中間斷面近陸側

SD-section

SDR：南端斷面近海側 SDM：南端斷面中央 SDL：南端斷面近陸側

4.2 沙丘沙粒徑特性分析 沙丘沙粒徑特性分析 沙丘沙粒徑特性分析 沙丘沙粒徑特性分析

據以分析沙丘沉積物性質之相關統計參數為中值粒徑、淘選度、

歪度及峰度等，為求此等參數需藉

φ

尺法(Phi scale method)描繪粒徑 分佈曲線，即將曲線之橫座標取為二進位對數之

φ

值（

φ

=-log₂

D

，

D

： 粒徑），

φ

值即表示粒徑組距；粒徑單位

mm

與

φ

之關係示於表

4.3(Maurice, 1988)。此表示法之缺點為

φ

涵蓋正、負值，即

φ

於大粒 徑時呈負值、小粒徑時呈正值。然而，

φ

=0 為一界限（

φ

<0 礫，

φ

>0 沙）及各沙分級之

φ

皆為整數等，在點描粒徑分佈曲線及統計觀察上 甚為方便。

續由二進位對數之粒徑分佈曲線，找出下列數值。

φ

95：累積通過 95%所對應之

φ

值

φ

84：累積通過 84%所對應之

φ

值

φ

75：累積通過 75%所對應之

φ

值

φ

50：累積通過 50%所對應之

φ

值

φ

25：累積通過 25%所對應之

φ

值

φ

16：累積通過 16%所對應之

φ

值

φ

5：累積通過 5%所對應之

φ

值

表 4.3 各土壤分類之

φ

值與粒徑(

mm

)對照表 分類 粒徑

(

mm

)

φ

值 分類 粒徑(

mm

)

φ

值

8.0 -3.0 0.250 2.00 4.0 -2.0 0.210 2.25 3.360 -1.75 0.177 2.50 中礫石

2.380 -1.25

細沙

0.149 2.75 2.000 -1.00 0.125 3.00 1.680 -0.75 0.105 3.25 1.410 -0.50 0.088 3.50 細礫石

1.190 -0.20

極細沙

0.074 3.75 1.000 0.00 0.0625 4.00 0.840 0.25 0.053 4.25 0.710 0.50 0.044 4.50 粗沙

0.590 0.75

淤泥

0.500 1.00 0.420 1.25 0.350 1.50 中沙

0.299 1.75

備註：依據美國土壤局分級法分類之。

以下，就粒徑相關參數之定義說明之。

（1）中值粒徑(Median diameter)

M

_dφ

見式(4.1)，

M

_dφ為累積通過 50%所對應的

φ

值，乃表示沙丘沉積 物粒徑（沙粒徑）分佈的中值粒徑，藉以顯示沙粒徑的平均狀況，值 越大表示平均顆粒越細；反之則越粗。一般而言離沙源區越近之沉積 物顆粒越粗，粒徑平均

φ

值越低。

Md

_φ

= φ 50

(4.1)

（2）平均粒徑(Mean diameter)

M

_φ

式(4.2)為

M

_φ之定義，其可表示粒徑之幾何平均值，通常

M

_φ與

M

_dφ

甚接近，兩者間差異愈大時表曲線愈歪向一邊，歪度

α

_φ之絕對值愈 大；如分佈偏重於大

φ

值（細徑）則

M

_φ>

M

_dφ、

α

_φ<0。

2

16

84

φ

φ

φ

= +

M

(4.2)

（3）峰度(peakness)

β

_φ

β

φ乃顯示沙粒徑大小分佈在中央與兩端的程度，依式(4.3)計算 之。常態的

β

_φ值為 1，當中央的淘選比兩端好時

β

_φ值趨大；

β

_φ值>1，

其沙粒徑柱狀圖分佈漸呈突出峰，表其粒徑分佈集中；

β

_φ值<1，其 沙粒徑柱狀圖分佈漸呈平坦峰，表其粒徑分佈廣，峰度之分級見表 4.4。

( )

φ φ

φ

σ

σ φ φ

β

^





 − −

=

5

2 95

1

(4.3)

表 4.4 峰度分級ㄧ覽

峰度分級

β

φ

極扁平(Very platykurtic) <0.67 扁平(Platykurtic) 0.67~0.90 稍扁平(Meso kurtic) 0.90~1.50 甚突出(Very leptokurtic) 1.50~3.00 極突出(Extremely leptokurtic) >3.00

（4）標準偏差(Standard deviation)

σ

_φ

σ

_φ表示天然篩分性或粒徑分散範圍，依式(4.4)計算之；

σ

_φ大表 粒徑分散範圍廣。

2

16

84

φ

σ

_φ =

φ

⁻ (4.4)

（5）淘選度(Sorting coefficient)

S

_φ

S

φ為表示淘選良否之程度，數值越大，表示粒徑大小參差不齊，

淘選度差；數值越小，表示粒徑大小集中，淘選度佳。依式(4.5)計算 之，其物理性質同

σ

_φ；見表 4.5，淘選良否可分七級。

25 75

φ φ

φ =

S

(4.5)

表 4.5 淘選良否之分級

淘選度分級

S

φ

淘選甚好(Very well sorted) <0.35 淘選良好(Well sorted) 0.35~0.50 淘選稍好(Moderately well

sorted)

0.50~0.70

淘選普通(Moderately sorted) 0.70~1.00 淘選不良(Poorly sorted) 1.00~2.00 淘選甚不良(very poorly sorted) 2.00~4.00 淘選極不良(Extremely poorly

sorted)

>4.00

（6）歪度(Skewness)

α

_φ

α

φ又稱偏態係數，顯示沙粒徑分佈偏離常態對稱分佈之程度，依 式(4.6)計算之；

α

_φ若為正值，表沙粒徑偏向粗粒，粗粒的沉積物源是 由添加或侵蝕作用所造成；

α

_φ若為負值，表沙粒徑偏向細粒，細粒的 沉積物源是由沉積作用所造成，表 4.6 為歪度之分級。

Friedman(1961)認為細粒的沈積物由沈積作用而成，而粗粒的沈 積物是由添加或侵蝕作用所造成。「正值」的粒徑分布曲線向右偏，

「負值」的粒徑分布曲線向左偏(摘自楊美萍, 2004)。

φ φ φ

φ

σ

α

=

^M

⁻

^M

^d (4.6)

表 4.6 歪度分級ㄧ覽

歪度分級

^α

⁽

^φ

⁾ 極偏細(Strongly fine skewed) -1.0~-0.3 偏細(Fine skewed) -0.3~-0.1 近對稱(Near symmetrical

skewed)

-0.1~0.1

偏粗(Coarse skewed) 0.1~0.3 極偏粗(Strongly coarse skewed) 0.3~1.0

4.3 沙丘沙含水量試驗 沙丘沙含水量試驗 沙丘沙含水量試驗 沙丘沙含水量試驗

在沙籬隔間區取三處的沙籬隔區為沙丘含水量試驗之樣區，三處 沙籬隔區之位置示於圖 4.7，沙丘土壤濕度受植被與降雨影響極為顯 著，而 0

cm

～100

cm

土壤含水量的分佈規律呈垂直分佈，且從沙丘表 層到深層含水層呈遞增狀態。

林信輝、江永哲(1979)以理論計算沙粒間水體之結合力，是假設 沙粒間之水分均集中於沙體顆粒間而成環狀水體。事實上；風乾沙之 表面均含有一薄水膜，此水分與沙粒結為一體，而不集中於顆粒之 間，亦對飛沙之產生沒有抑止作用。

以理論計算沙粒間水體之結合力，僅能以水份均集中於沙粒間而 成環狀水體（Menisci）為限，若水體超出此範圍而成自由水

（Free-water）或互相融合為一體，則其抑止飛沙之阻力將大為增加。

沙體間水融合發生於飛沙量急遽降低之時，即含水率介於 1.2%至 2.1%之間。

不同大氣濕度下之乾沙含水率介於 0.35%~0.5%之間；此範圍內 飛沙量近似相同。故可說明；因大氣濕度造成之沙體含水率變化，不 影響飛沙量。

為瞭解沙丘樣區之含水量狀態，遂於人工沙丘區定點採樣，在地 面下採取不同深度沙土做含水量試驗(ASTM D2216-80)。

試驗步驟如下：利用鐵剷挖取不同深度的沙土，其深度分別為 10

cm

、20

cm

、30

cm

、40

cm

、50

cm

，分別秤其重量後，為濕土重

W

_m。 將不同深度的沙土分別放入蒸發皿後秤其重量為

W

_m＋

W

_c，置入烘箱 中以 110°± 5℃烘乾 24hr，取出蒸發皿冷卻至室溫，秤蒸發皿與乾土 重為

W

_c＋

W

_s。並以下式計算含水量

ω

（％）（

W

_c為蒸發皿編號秤重）。

ω

（％）＝

Ws

Ww

× 100 ％

＝

s W

W

_{m c}

烘乾土重W 烘乾土重

濕土重 −

× 100 ％

＝

c s c

s c m c

W W W

W W W W

− +

+

− +

) (

) (

)

( × 100 ％

圖 4.7 三處沙籬隔區之位置

Zone I

Zone III

Field Windbreak

Zone II Sea

N

4.4 沙丘沙單位重試驗 沙丘沙單位重試驗 沙丘沙單位重試驗 沙丘沙單位重試驗

在沙籬隔間區取三處的沙籬隔區為沙丘剖面測量之樣區，三處沙 籬隔區之位置示於圖 4.7，將沙籬隔區分為 9 個部份，依序採樣，便 可以得知斷面之單位種。試驗步驟如下，先將採樣圓筒秤重得知圓筒 重

W

₁，將圓筒插入採樣點，圓桶底部用毛玻璃固定將試體取出，用刮 刀刮平圓筒口，用毛刷清理圓筒附近多餘的沙，將試體取出並秤重得

W

2，由下式求得其現地沙之單位重。圖 4.8、圖 4.9 為試驗現況。

Unit weight（kN/m

³

）=

ν

1 2- W

W

ν

：採樣圓筒之體積（m

³

）

圖 4.8 將試體取出之過程

圖 4.9 試體取樣完整

4.5 沙 沙 沙 沙丘沙氯離子含量檢 丘沙氯離子含量檢 丘沙氯離子含量檢測 丘沙氯離子含量檢 測 測 測

本檢測方法依據 CNS 13407 辦理之，即取約 1,000

g

之烘乾重沙 試樣，由試樣之水溶液滴定消耗量(

ml

)及空白滴定消耗量(

ml

)，算出 試樣氯離子含量(%)。

4.6 沙籬配置測量 沙籬配置測量 沙籬配置測量 沙籬配置測量

取三處的沙籬隔區為沙丘含水量測量之樣區，三處沙籬隔區之位 置示於圖 4.7。沙籬隔區Ⅰ位置於北端，寬 13.2

m

，圖 4.10 為其現況；

沙籬隔區Ⅱ位置於中間，寬 12.1

m

，圖 4.11 為其現況；沙籬隔區Ⅲ位 置於南端，寬 12.0

m

，圖 4.12 為其現況。

因於人工沙丘區與防風林間有車行道路，而於道路上有三個人孔 蓋，其約略位置於沙丘之北、中、南端，故取北端之人孔蓋（高程 332

cm

）為沙籬隔區Ⅰ、中間之人孔蓋（高程 482

cm

）為沙籬隔區Ⅱ、

南端之人孔蓋（高程 443

cm

）為沙籬隔區Ⅲ之測量控制點。

由於人工沙丘區已設置攔沙籬，本節以經緯儀量測沙籬之方向，

實驗步驟如下，先架設好經緯儀，並確定其水平氣泡位置，再以指南 針定出正北方位置，轉動經緯儀對準沙籬，即可得知沙籬之方向。

圖 4.10 沙籬隔區 I 現況（2005,07,14）

圖 4.11 沙籬隔區 II 現況（2005,07,14）

Zone II

Zone I