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第 37 屆海洋工程研討會論文集 國立交通大學 2015 年 11 月 Proceedings of the 37th Ocean Engineering Conference in Taiwan National Chiao Tung University, December 2014

河口地區懸浮顆粒物質絮凝機制研究 陳沛宏

1 于嘉順

2

1 國立中山大學海洋環境及工程學系博士班 2 國立中山大學海洋環境及工程學系助理教授

摘要

懸浮顆粒物質是一包含物理-化學性質的無機及有機顆粒的複雜組成。由於懸浮顆粒物質的

多樣性，使其絮凝機制易與周遭環境進行交互作用，懸浮顆粒濃度、粒徑也會影響傳輸動力。

河口地區是陸地與海洋交界帶，當膠羽與有機性污染物、鹽度及無機物結合成大型沉積物，再

受波浪潮汐作用，逐漸沉積在河口地區，勢必影響近岸生態系統。

本研究以絮凝模式模擬自然環境下的絮凝動力過程，並以現場資料進行驗證比對，以了解

膠羽受到水動力與生物影響的發展過程。過去學者僅探討沉積物傳輸外部動力行為，直至近年

其與環境間的關係才逐漸受到重視。本研究的絮凝模式考慮無機與有機的互制反應，依據模式

中有機、無機含量比例來分析膠羽粒徑與環境間的關係。

關鍵詞：絮凝作用、膠羽、懸浮顆粒濃度、剪應力、生物量

A Study of Suspended Particulate Matter Flocculation: in the Esturay Area

Pei-Hung Chen* Jason C-S Yu

* PhD student, Department of Marine Engineering, National Sun Yat-sen University

ABSTRACT

Estuaries are the interfaces between land and seas. Pollutions from lands have to pass through estuarine waters before getting into the seas. Organic pollutants are often bond with fine sediments flushed from the upstream of rivers due to fresh water interact with the salinity which carried into estuaries by tides. These larger sediment flocs are accumulated in estuaries and mainly caused by tidal motion. These highly polluted waters can be flushed away into the coastal seas by floods during typhoon season. The coastal water is thus polluted due to these processes. Estuaries and harbors in Taiwan zones had build on unsuitable conditions of natural environments or marine-meteorology. Therefore, most of them have serious silts problems.

The study is focus on the model simulation of the supended particulate matter flocculation affected by physical and biological processes. Field data will collect to parameterize the model and improve mathematical formula and numerical method. The mechanisms interact among hydrodynamics, nutrient dynamics and bio-dynamics in nutrient-rich estuaries to be more specific through this proposed research works.

Keywords: Flocculation; Floc; Suspended particle matter; Shear stress; Biomass

一、前言 河口海岸地區的沉積物絮凝作用是一非常複雜

的生物化過程，其被各種環境條件的交互作用所控

制 ， 如 水 動 力 作 用 、 懸 浮 顆 粒 物 質 (suspended

particulate matters, SPM)的組成與濃度等。膠羽粒徑

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受紊流能量、沉積物濃度與有機物含量的影響變化

相當地大。在適當條件下，懸浮層中的細沉積物顆

粒受碰撞與絮凝作用可聚集成鬆散的巨型膠羽

(macroflocs)，亦會因強烈的紊流作用而破碎成較小

的膠羽。

膠羽是由有機與無機顆粒所組成，其大小隨著

環境的物理-化學-生物特性而改變。在過去研究

中，大都僅探討絮凝行為的物理過程，如布朗運動

(Brownian motion)、差異沉降(differential settling)與

紊流運動(turbulent motion)。根據 O’Melia (1980)、

McCave (1984a)及 Van Leussen (1994)等前人研

究，膠羽的形成與破碎機制主要受水動力作用所控

制，布朗運動與差異沉降對絮凝作用的影響可忽略

不計。當代所發展的的絮凝模式大部分也僅考慮紊

流對教與尺寸的影響(Winterwerp 1998, 2002, 2006;

McAnally and Mehta 2001; Maggi et al. 2007; Son

and Hsu 2008, 2009; Xu et al. 2008; Verney et al.

2010)。然而，膠羽與鄰近之生態系統(有機環境)間

的交互作用也是影響絮凝動力的重要因素。

為更深入掌握高營養河口地區受生物影響的絮

凝行為，本研究將探討絮凝模式的理論公式、參數

特性及數值方法來探討模式能力，並利用三個不同

現場觀測資料進行驗證與比對。

二、研究場址 本研究場址位於北海南方的比利時海岸，該地

水深在平均最低低大潮位(Mean Lowest Low Water

Spring， MLLWS) 0-20 米之下。潮型為半日潮，在

Zeebrugge 地區(如圖 1 所示)大潮與小潮的潮差分別

為 4.3m 與 2.8m。比利時海岸的海水是相當混濁的，

海岸地區的懸浮濃度約 20–70 mg l−1，近底床則可達

到 100 mg l−1 甚至 3,000 mg l−1，最小值(小於 10 mg

l−1)發生在外海(Fettweis et al. 2010)。Blankberge

(BLA)觀測場址在 Zeebrugge 海港西南方 5 公里處，

位於陸棚沙脊東邊且在岸邊濁度最大區(turbidity

maximum zone，TMZ)的中心，濁度最大區剛好在

Oostende 與 Westerschelde 之間。顆粒主要由細沙所

組成 (D50 為 150 µm) 且偶爾被流動泥漿層所覆

蓋，水深為 6 m MLLWS。優勢風向為西南風，最

大浪高發生在東北風時(Fettweis et al. 2010)。

本 研 究 收 集 2008 年 二 月 至 四 月 間 在

Blankberge(BLA)地區收集的 Tripod 系統長期資

料，觀測時間為 2008 年四月。Triipode 錨定系統包

括一組 SonTek 3 MHz ADP、一組 SonTek 5 MHz

ADV Ocean 系統與一組 Sea-Bird SBE37 CT 系統、

兩支濁度計(Optical Backscatter Sensor, OBS)、一組

雷 射 粒 徑 分 析 儀 (Laser In Situ Scattering and

Transmissiometery, LISST 100X) 及 兩 組 SonTek

Hydra 系統用來做為資料儲存與電池之用。一支濁

度計固定於底床上 0.2 米處(0.2 m above bed， 0.2

mab)，另外一支濁度計與 LISST 系統放置於約 2

mab

圖 1 研究場址(比利時海岸)範圍

三、研究方法

3.1 絮凝模式之選用 有關黏滯性沉積物傳輸機制研究，過去學者僅

探討外部動力行為，直到近年來，才開始注重其與

環境之間(如生物、物理過程等)的影響關係。本研

採用的絮凝模式考慮絮凝作用中無機(礦物)與有機

(生物)的互制反應；依據模式中有機、無機含量體

積比例之時變率(dVB/dt 及 dVM/dt)求得膠羽粒徑

(Dp)。

模式中假設膠羽固體體積 V 為無機體積(VM)

與有機體積(VB)的總和。膠羽體積的變化 V(t)是受

到無機體積與有機體積改變所導致，描述為 dV/dt=

dVM/dt+ dVB/dt。由於無機與有機部分皆為凝滯性

沉機物的特性之一，故無機體積的時變率(dVM/dt)

與有機體積的時變率(dVB/dt)皆包含聚集與破碎的

過程。膠羽體積的增加是由懸浮無機與有機顆粒的

聚集主導，膠羽體積的減少是因為懸浮無機與有機

顆粒的破碎過程所致。而微生物的成長與死亡也會

影響膠羽體積的發展，此影響包含在模式中的有機

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體積的時變率(dVB/dt)中。

(1)

(2)

眾值粒徑是由無機與有機體積時變率 (dVM/dt 與

dVB/dt) 所獲得。

(3)

水動力作用是主導海岸河口地區絮凝作用的其中一

個重要因子。不同天氣型態對於膠羽粒徑演變有著

不同的影響，當波浪的軌跡速度遠大於流速時(暴潮

期間)，膠羽粒徑的變化是受到波浪所主，故在波浪

主導的環境中必須考慮波浪引致的紊流的影響。

Wright 等人 (2001) 提出在陸棚地區的沉積物傳輸

動力包括潮汐、波浪與重力，表示如下

(4)

其中，Uc 為海流速度、Uw 為波浪軌跡速度、Ug 有

底床坡度有關的重力速度。本研究所探討的比利時

海岸地區的大陸棚為平坦區域(Ug 可省略)，故在波

浪影響的暴潮期間，沉積物傳輸的速度可簡化為

(5)

方程式中模式參數之定義如下所示:

表 1 模式參數之定義

符號 單位 定義 符號 單位 定義

V [mm3] 膠羽體積 G [s-1] 紊流剪應力

VM [mm3] 膠羽無機體

積

ρ [kg

m-3]

膠羽比重

VB [mm3] 膠羽有機體

積

Ka’ [—] 無尺度聚集校

驗參數

C [g l-1] 懸浮顆粒物

質濃度

Kb’ [—] 無尺度破碎校

驗參數

CM [g l-1] 懸浮顆粒無

機濃度

Km [M] 半飽和濃度

CB [g l-1] 懸浮顆粒有

機濃度

K [mm3] 膠羽承載力

D [m] 膠羽粒徑 [s-1] 比成長率

Dp [m] 主要膠羽粒

徑

max [s-1] 最大比成長率

nf [—] 碎形維度 Fy [N] 膠羽強度

[—] 膠羽有機含

量

N [mol

l-1]

營養鹽濃度

[—] 懸浮物質有

機含量

[—] : 無尺度因子

3.2 模式參數敏感度分析 絮凝機制必須考慮現場狀況(site specifics)，不

同地區的絮凝行為的影響參數亦不相同。為瞭解模

式模擬特性，本研究採用 DOE (Design and Analysis

of Experiment，實驗設計與分析)進行參數敏感度分

析 ， 是 一 種 研 究 和 處 理 多 因 素 (factors) 與 響 應

(response)變量關係的科學方法，依據合理的挑選試

驗條件來安排試驗，並透過試驗數據的分析，找到

總體最佳的改進方案。其分析過程可分成兩個步

驟，步驟一是同時改變選定的參數(因子)的範圍(非

一次改變一個因子)，用以測試每個參數對模式的敏

感 度 及 其 與 其 他 因 子 的 交 互 影 響 ； 本 研 究 以

Maggi(2009)設定的參數視為原始值，標準偏差設定

為原始值的 20%(σ)，測試範圍為三倍的 σ(±3σ)。第

二步驟利用變異數分析(analysis of variance anova,

ANOVA)決定對模式最敏感的五個參數。

3.3 統計分析指標 為更了解模式行為，本研究將以均方根誤差

(RMSE)評估模擬結果。亦設計判斷模式效能的三個

指標其定義如表 2 所示。

表 2 模式效能的指標定義

評估指標 定義

高估 Overestimated Field data − model data 10 μm

最佳 Optimal |Field data − model data| ≦ 10 μm

低估 Underestimated Field data − model data> 10 μm

四、研究成果 本研究探討平靜與暴潮期間的絮凝機制過程，

因此在資料選用上採用冬季(2008 年 2-3 月)暴潮期

間資料來分析風浪對膠羽發展的影響，，包括二月

1-2、5-7、三月 10-13、16-19、19-21 及 21-25 日等

共六個案例。其中二月 1-2、5-7 及三月 10-13、19-21

日為吹西南風的暴潮，簡稱西南暴潮；三月 16-19

及 19-21 日為吹東北風的暴潮，簡稱東北暴潮。另

一方面，本研究進行平靜氣候的模擬作為與暴潮期

間資料的對照組。本文選用春夏藻華期間(2008 年

四月 26-30 日)的資料來探討生物活動力對膠羽聚集

過程的重要性。本文所採用的案例環境特性如表 3

所示。

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表 3 模式選用之分析案例特性說明

案例 天氣 潮型 波高

(m)

平均粒徑

(μm)

2/1-2 西南暴潮 小潮 2.8 45.6

2/5-7 西南暴潮 大潮 1.5 67.4

3/10-13 西南暴潮 大潮 2.5 56.2

3/16-19 東北暴潮 小轉大 2.0 48.0

3/19-21 西南暴潮 大潮 2.8 32.6

3/21-25 東北暴潮 大潮 3.0 26.4

4/26-30 平靜 大轉小 0.4 98.3

表 4 模式參數設定值

符號 單位 值 符號 單位 值

Dp [m] 2.0 Ka’ [—] 0.189

nf [—] 2 Kb’ [—] 11.41

[—] 0.04 Km [M] 1.159

N [mol l-1] max [s-1] 6.585

ρM [kg m-3] 2650 Fy [N] 3.0

ρB [kg m-3] 1025 [—] 0.02

由於本文所選取的場址(BLA)與位於比利時海

岸出海口之 MOW1 測站，故模式敏感度分析結果

顯示，本研究採用的模式參數值與 Maggi(2009)一

致。本文所使用的重要模式參數列於表 4 中。

本文分析平靜氣候的藻華現象，從結果顯示模

式對平靜氣候的資料效不錯(圖 2)，其均方根誤差

(RMSE)也相當低(表 5)。

表 5 模擬結果之效能評估表

案例

RMSE (μm) 模式效能 (%)

潮汐 潮汐+

波浪 高估 最佳 低估

2/1-2 67 13 28 60 12

2/5-7 61 23 25 31 44

3/10-13 45 22 24 38 38

3/16-19 75 40 88 6 6

3/19-21 76 45 91 8 1

3/21-25 86 86 98.6 1.2 0.2

4/26-30 23 -- -- -- --

--:平靜氣候不考慮波浪影響,故無分析結果。

圖 2 藻華期間平靜氣候的模擬時序列圖

為了解波浪對暴潮引致絮凝機制的影響，本研

究將速度(U)分為僅紹潮汐影響的情況與波浪與潮

汐流速耦合的情況來進行測試，模擬結果如圖 2 所

示。當僅考慮潮汐影響時，模式結果大於實測資料

(圖 3，虛線)。不論在大潮期間或小潮期間，潮汐的

流速無法使得膠羽顆粒至更小尺寸的顆粒。模擬結

果的 RMSE 皆超過 45μm (表 5)。顯示潮汐引致的紊

流強度不足以破壞暴潮期間的絮凝破碎機制。

當考慮波浪影響時，模式結果較符合實測值(圖

3，實線)。波浪軌跡速度的增強也促使懸浮顆粒波

歲機率增加。其中模擬結果表現最好者為 2 月 1-2

日的結果(RMSE=13.36μm)，其模式效能最佳高達

60%。其次為 2 月 5-7 日、3 月 10-13 日，其 RMSE

約為 23μm。此三個案例皆為西南暴潮資料。然而

東北暴潮結果在考慮波浪影響下雖有改善，但模擬

結果仍與實測有差距；且大部分結果顯示高估現象

(表 5)，而效能最佳者的比例相當低(小於 10%)。

由於北海南部的沉積物分布深受到天氣狀態與

風向的影響，在夏天時，生物活動力旺盛，尤其是

藻華發生時，大量的粘性有機物質(EPS 與 TPE)釋

放於水體中，這些黏性物質可膠羽顆粒聚集的強度

更加堅固。而在冬天時，黏性有機物質隨著生物減

少而降低，造成膠羽強度減弱；若再加上風暴潮所

造成的強大流場剪應力，更使得膠羽破碎。

另一方面，在吹西南風時，沉積物的來源主要

來自英吉利海峽之較粗顆粒的單峰分布土壤；而當

東北風盛行時，風向會將較北邊港口航道的黏性細

顆粒(雙峰分布顆粒)往南傳送。因為風向而導致的

顆粒分布的不同，在暴潮期間更加明顯。因此，從

實測結果來看(圖 2，圓形點)，在西南暴潮的絮凝顆

粒平均值約在 50μm，而東北暴潮期間的實測平均

值幾乎小於 50μm。另一方面，就採用的模式是建

立在平均特徵顆粒的基礎上，故以模擬西南暴潮之

單峰分布顆粒結果表現最佳，而東北暴潮之雙峰顆

粒較差。

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圖 3 BLA 測站之驗證模擬時序列圖，由上至下分別

為(a)二月 1-2 日,(b)二月 5-7 日, (c)三月 10-13 日, (d)四月 16-19 日, (e)五月 19-21 日

五、結論 在一般天氣狀態下，絮凝作用的主要動力是以

潮汐為主導，膠羽顆粒大小隨著潮汐起伏而變動，

本研究的模擬結果亦符合這樣的趨勢。在模式修正

中，本研究發現初始設定條件下的無機體積聚集過

程對膠羽的發展過度放大，導致模式結果不佳。在

新的修正模式中，引入波浪軌跡速度的影響，進而

使得模擬平均誤差下降，修正的絮凝模式確時大幅

提升模擬效能。

在一般平靜天氣下，潮汐是驅動絮凝機制的基

本動力，膠羽隨著流速快慢而破碎或聚集。本文的

模擬結果亦符合此一現況。另一方面，自然的河口

海岸地區的膠羽顆粒是具有季節性變化的。在北海

夏天時，生物活動力旺盛，大量的粘性有機物質釋

放於水體中，促使膠羽顆粒的聚集。而在冬天時，

黏性有機物質隨著生物減少而降低，且風暴潮盛

行，造成膠羽強度減弱而易破碎。本模式的測試確

實可以驗證此自然界現象。

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