雲林海域底床變化機制與沙丘運動形態之探討

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

雲林海域底床變化機制與沙丘運動形態之探討

On the Mechanism of Bottom Var iation and Dune Motion in Yun-Lin Coastal Ar ea

計畫編號：

NSC89-2611-E-006-079

執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主 持 人：許榮庭 成功大學研究總中心

共同主持人：宋長虹 成功大學水工試驗所

一、中文摘要 本文利用雲林縣離島式基礎工業區開 發期間，於雲林海域所進行的海域地形水 深、底質粒徑以及海流實測數據，進行雲 林海域底床形態與地形變化機制相關性分 析。於底床沙丘高度與幾何形態之分布 上，本文分析結果顯示雲林海域水深超過 25m 海域區域是沙丘主要活動範圍，沙丘 高度分布介於 2m 至 9m 之間，沙丘間距約 為 10.5 倍平均水深，移動方向為由北往 南，年平均移動速率則介於 5m 至 20m 之 間，相當於 50m2_{年平均底質輸砂率。由沙} 丘幾何形態分析結果，本文進一步得到了 包含沙丘形態在內的底床糙度分布，此數 值介於 0.2m 至 2m 之間。此外，本文利用 平均底床剪力速度與無因次剪力因子探討 地形變化機制，並證明了沙丘活動區域輸 砂率相對較低，而水深介於 10m 至 20m 海 域輸砂率反而較大。 關鍵詞：底床形態、輸砂、地形變化 Abstract

This research uses the field investigations, including topographic survey, sediments distribution and currents during the reclamation of Yun-Lin industrial park, to analyze the relations between bed forms and topographic variations in Yun-Lin coastal water. The results of bed forms grometry analysis show that the significant sand dunes mainly distribute over the area of mean water depth greater than 25m. The heights of significant sand dunes are found between 2m and 9m, and the spacial intervals are

examined to be 10.5 times of mean water depth. The predominant moveing direction of sand dunes is from north to south, and the moving distance is estimated between 5m to 20m per year. The amount of bedload transport rate is also calucated about 50m2 per year within the distribution of sand dune. According to analyses of bed forms geometry, this paper advancedly calculates the equivalent roughness by combined the grain and bed form effects and the equivalent roughness varies from 0.2m to 2m. Furthermore, this paper takes advantages both of bottom shear velocity and dimessionless transport stage parameter to discuss the mechanism of topographic variation, and it identifies the sediment transport rate is lower over the distribution of sand dune than the flat bed of water depth varing from 10m to 20m.

Keywords: Bed-forms, Sediment Transport,

具有強烈關係。由於雲林海域沙丘規模變 化很大，因此本文將雲林海域底床沙丘幾 何形態分析結果依據水深與沙丘高度篩選 數據後，得到沙丘間距與平均水深之間有 下列結果： λ/d=10.76±3.68，當δ >2.5m 時， λ/d=10.48±3.72，當 d > 25m 時， 上式中δ 代表沙丘高度，上列分析結果 說明了，沙丘間距約為 10.5 倍平均水深。 海域底床形態之變化分成兩個部份， 其一是沙丘的成長與消滅，其次是沙丘的 移動，往昔研究中認為沙丘的成長係水流 作用於底床時，底床產生阻抗而形成，因 此沙丘的成長與水流大小有著密切關係。 為了分析沙丘移動速率，本文採取更嚴謹 方式進行數據篩選，即選取不同期間均於 相同位置出現明顯沙丘地形之數據進行分 析。圖 4 即是雲林海域沙丘移動速率分析 結果，此結果顯示沙丘高度小於 2m 時，其 每年移動速率變化介於-50m/年至+50m/年 之間，亦即說沙丘高度小於 2m 的底床形 態，其移動方向並無特定規則。對於沙丘 高度大於 2m 之區域，其沙丘每年移動速率 大部份介於-15m 至-5m 之間。另外，測線 line9 位置的沙丘往北移動之機率較測深線 line7 與 line8 多，此結果顯示平均水深介於 25m 至 30m 的沙丘呈現往南移動趨勢，而 水深超過 30m 之沙丘則南北向移動機率較 為均等。假設沙丘平均高度為 5m，每年平 均移動距離為-10m(負號表示往南移動)，則 推估沙丘分布區域底床年平均輸砂率約為 -50m2/年，相當於每年每公里寬度海域輸砂 量為 5 萬立方公尺。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 移動速度(m/年) 砂 丘 高 度 (m)

line6 line7 line8 line9

由於底床剪力速度代表底床對水流的阻 力，亦是輸砂公式中重要因子，因此本文 亦利用流場模式計算雲林海域平均底床剪 力速度分布，其結果如圖 6 所示。比較圖 5 與圖 6 可以看出底床糙度較大時，平均底 床剪力速度亦較大，於水深 10m 與水深 30m 位置之底床糙度相差達 10 倍，而平均 底床剪力速度卻只有兩倍差距。 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -10 -10 -20 -25 -30 -25 -20 -10 0 0 -25 3 3 3 4 4 4 4 4 4 3 3 2 1 2 ₁ 3 2 3 圖 6 雲林海域平均底床剪力流速分布(細線：地 形，單位 m；粗線：剪力流速，單位 cm/s) 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -10 -10 -20 -25 -30 -25 -20 -10 0 0 -25 0.5 0.5 0.5 0.5 1.5 1 1 0.5 1 1 2 圖 7 雲林海域平均無因次剪力因子分布 (細線：地 形，單位 m；粗線：無因次剪力因子) 底床變化一般取決於超額剪應力。當 水流作用於底床質之剪應力超過始動剪應 力時，底床質才開始移動，此即超額剪應 力。Klaassen(1979)於進行輸砂率與底床形 態關係之研究時，定義了水流作用於底床 質之無因次剪力因子

(

)

2 * 2 * 2 * * u uD uD T = ′ − ，該 式中，u_*′=u g C′代表對應於底質粒徑之 剪力速度，C′=18log

(

12h 3D₉₀

)

是對應於底床 粒徑之 Chezy 係數，u*D是底床質始動剪力 流速。van Rijn(1984)利用底質粒徑與無因 次剪力因子，將底床形態分為三段不同特 性的區域，即低流速段、轉變段與高流速 段。當T*<15 時，即是低流速段此時容易生 成小型沙漣與沙丘，而T*>25 時即是高流速 段，此條件容易生成逆沙丘或形成平坦底 床。往昔對於底床形態之研究結果均是於 沖積河床條件下所獲得，為了探討海域底 床形態與沖積河床之差異，本文利用圖 5 之底床糙度與流場模式分析雲林海域平均 無因次剪力因子T*之分布，其結果如圖 7 所示。圖 7 之分析結果顯示水深超過 20m 區域，因為受到沙丘地形之影響，其平均 無因次剪力因子T*小於 0.5。於麥寮區南側 水深 10m 至 20m 海域，無因次剪力因子T* 反而大於 1。由本文分析結果說明了雲林海 域超過 25m 水深區域，其地形侵淤變化量 主要由於沙丘活動而引起，然而水深介於 10m 至 20m 的平坦海域，其地形變化主控 因子中，海流佔有重要比例。 五、結論 本文利用雲林海域實測地形水深分析 底床沙丘高度與幾何形態之分布，其結果 顯示雲林海域沙丘主要活動範圍為水深超 過 25m 海域，沙丘高度介於 2m 至 9m 之 間，沙丘間距約為 10.5 倍平均水深。 比較 1994 年、1996 年與 1999 年三次 地形水深量測數據，本文分析雲林海域沙 丘移動現象，發現 25m 至 30m 之間沙丘優 勢移動方向為由北往南，每年平均移動距 離介於 5m 至 20m 之間，沙丘分布範圍之 底床質年平均輸砂率約為 50m2 /年。 利用沙丘幾何形態分析結果，本文得 到雲林海域包含沙丘形態在內的底床糙度 值介於 0.2m 至 2m 之間。此外，本文亦分 析了平均底床剪力速度與無因次剪力因 子，此一分析結果證明了沙丘活動區域輸 砂率相對較低，而水深介於 10m 至 20m 海 域，輸砂率反而較大。 六、參考文獻

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