書　　名：基本海岸水力學

ISBN：9789869688772

作　　者： 陳誠宗、李兆...

出 版 社：天空

出 版 日 期：2018/11/1

紙 本 書：NT$ 480 元

折扣：9折

優惠價：NT$ 432 元

電子/有聲書： 7折

本書期望以不同面貌呈現海岸工程，課程內容包括網路上相關海岸工程的影片動畫連結和說明。藉由動態方式呈現，相對於過去靜態圖片說明有很大的創意。同時，也利用網路衛星影像或者空照圖看到整個海岸變化，也相當有助於海岸整體現象的了解。本書內容包括波浪、流、地形變化、海岸線模式、以及港池振盪和潮汐分析，強調概念和清楚的表示現象，同時也藉由範例說明實際用來計算的結果。課程實際的了解和計算則建議利用Desmos來達到對數學表示式的了解和動態呈現，另一方面也建議使用MIT App Inventor 2將海岸工程使用到的公式建置成手機App計算。本書的學習內容基本上仍然為物理現象的概念，強調藉由流體力學的基礎，配合工程數學的方法求解分析。本書除了海岸基本水力學，也是很好的流體力學和工程數學的複習和應用。

編者序

本書編輯的起因來自於教「海岸工程」這門課，有這個機會才有這些內容的整理彙整。明確的說海岸工程應該可以漸漸算是「老」的課程了，過去原文書籍已經不少，很多加上國內學者也有自行編輯的，可以參考的資料已經很多，合理上應該沒有再來出版的需要。會有本書再來編輯，有以下一些原因。一為目前學習環境的改變，網路科技資訊的大量可得，已經有的資料似乎不需要重覆，需要的卻是關鍵的理論推導和說明。再者，網路上相關海岸工程的影片和動畫也是搜尋可得，藉由動態的顯現可以很明確的看到海岸工程實際的現象和演變，更有助於課程內容的學習。這在過去是不可能的，過去僅有有限的圖片或照片，在物理現象概念的呈現上是相當空洞的。另外，網路衛星影像或者空照圖的可得，可以看到整個海岸的影像和海岸過程，也相當有助於海岸整體現象的了解。這整個的關聯性都和網路有關。

使用網路的硬體方面，電腦、平板、手機中央處理器cpu越來越強，除了和網路銜接外，合理上應該應用到課程上面來。目前人工智慧的發展應該是很好的例子。海岸工程的內容中難免會有數學公式，要能夠即時看到或體會數學背後的現象，需要即時將數學式子利用圖形或動畫呈現。在這方面，目前的學生在電腦程式語言以及繪圖方面都較弱，因此也可以利用Desmos（https://www.desmos.com/）這個免費程式來達到目的。本書內容有部份結果也是以這樣的方式呈現。再者，手機應用軟體App的普遍使用，合理上也應該應用在課程內容上面。本書內容有關的海岸波浪週波數計算、波浪淺化、折射繞射都有建議發展手機App，參考使用到的為MIT App Inventor 2 （http://ai2.appinventor.mit.edu/）。能夠將海岸工程使用到的一些公式利用手機計算也算是相當好的手機利用。有了上述這些因素的衝擊，似乎符合現代不同面貌的海岸工程參考書應該是值得出版的！

本書內容的編輯參考外文書籍、國內出版書籍、以及網路上面搜尋可得的教學大綱內容，也特別參考美國工程師兵團（US Corps of Engineers）出的海岸工程手冊（Coastal Engineering Manual）裡面章節的內容。（http://www.a-jacks.com/coastal/generalinfo/cem/cem.aspx）

整體內容來看，就初學內容來說波浪水動力學幾乎是主體，後續的延伸才會是工程方面的應用。本書內容包括波浪、流、地形變化、海岸線模式、以及港池振盪和潮汐分析，重點主題沒有很大的改變，但是強調之處在概念和清楚的表示現象，同時也藉由範例說明實際用來計算的結果。

海岸工程的學習內容基本上仍然為物理現象的概念，本書內容要強調的也是這樣的概念：如何藉由流體力學的基礎，配合工程數學的方法加以求解分析，這個這課程也應該是一個很好的應用實踐機會。海岸工程的學習同時也會是流體力學和工程數學的一個複習和應用的機會。不過，本書流體力學則僅僅列出與波浪力學有關的部份。如前所述，本書希望在現今學習大環境，藉由專業領域知識的引導，蒐集網路上面相關的資料，作一個新的海岸工程內容的呈現。所提到的網路相關連結都是花時間蒐集來的。唯一較為可惜的是，受限於尊重版權，因此非常多的圖形照片無法呈現，僅僅以連結來說明。不過讀者可以依照每章末頁的連結或者關鍵字自行網蒐來參考。

本書的最後出版需要感謝一直以來的參與學生們，有大家的努力也是編者的動力來源。然而也因為逐年教學要求的重點不同而逐年修改，導致出版時間無法確定。最終出版了，還是感謝努力的諸位。

圖目錄

圖1-1　 台中港（狹長的港口）…………………………………   9

圖1-2　 台南安平港（雙開口）…………………………………   9

圖1-3　 台南安平養灘……………………………………………   10

圖1-4　 花蓮港（東岸狹長共振）………………………………   10

圖1-5　 高雄赤崁海岸（消波塊護岸）…………………………   12

圖1-6　 高雄茄萣海岸（離岸堤養灘）…………………………   13

圖1-7　 興達港（情人碼頭）……………………………………   14

圖1-8　 台東大武漁港……………………………………………   14

圖1-9　 彰化濱海工業區…………………………………………   16

圖1-10　台塑雲林麥寮離島工業區………………………………  16

圖1-11　高雄永安LNG港（液化天然氣）……………………     17

圖1-12　墾丁南灣核三廠（溫排水）……………………………  17

圖1-13　屏東竹坑箱網養殖………………………………………  18

圖1-14　台南雙春濱海遊憩區……………………………………  20

圖1-15　高雄旗津海岸……………………………………………  20

圖1-16　廢棄輪胎組成浮式防波堤試驗…………………………  22

圖2-1　 質量守恆示意圖…………………………………………   27

圖2-2　 作用力平衡示意圖………………………………………   28

圖2-3　 流場與積分範圍示意圖…………………………………   37

圖2-4　 理想流通過圓形斷面定義圖……………………………   38

圖2-5　 （ℓ, 0）和（a, θ）兩個位置示意圖……………………   39

圖2-6　 壓力分佈計算作用力示意圖……………………………   41

圖2-7　 圓形斷面表面之壓力分佈………………………………   41

圖2-8　 圓形斷面在理想流體中移動……………………………   44

圖3-1　 不規則波可以由規則成份波組成………………………   50

圖3-2　 海面規則波的情形………………………………………   51

圖3-3　 理論規則波之波形………………………………………   51

圖3-4　 進行波理論解析示意圖…………………………………   55

圖3-5　 分散方程式求解圖解法…………………………………   65

圖4-1　 進行波在不同水深條件下水粒子運動軌跡……………   72

圖4-2　 波浪場動壓力和靜壓力與波浪相對關係………………   74

圖4-3　 壓力積分得到流體作用力定義圖………………………   74

圖4-4　 波浪位能和動能計算定義圖……………………………   75

圖4-5　 波壓在波浪前進方向作功定義圖………………………   78

圖4-6　 兩個波高相同但頻率不同的波浪合成為群波…………   80

圖4-7　 群波特性…………………………………………………   81

圖5-1　 波浪前進的方向為波峰線的法線方向…………………   84

圖5-2　 週波數在座標軸的分量…………………………………   85

圖5-3　 一維週波數守恆示意圖…………………………………   88

圖5-4　 波浪進入平行海岸定義圖………………………………   90

圖5-5　 波浪進入不同水深折射示意圖…………………………   91

圖5-6　 折射圖……………………………………………………   92

圖5-7　 兩條波向線進入不同水深示意圖………………………   93

圖5-8　 不同水深之波向線距離幾何關係圖……………………   93

圖5-9　 平行海岸線波浪折射係數與淺化係數…………………   96

圖5-10　週波數在座標軸的分量…………………………………  98

圖6-1　 海底坡度定義……………………………………………   103

圖6-2　 碎波過程中波降和波揚示意圖…………………………   106

圖6-3　 底床平坦海岸地區，碎波過程中波降和波揚示意圖…   106

圖6-4　 波浪和沙洲在海岸線均勻分佈，沒有裂流產生條件…   107

圖6-5　 波浪在沙洲較高處碎波產生水流，在沙洲較低處產生裂流…    108

圖7-1　 駐波波形中節點和腹點位置……………………………   112

圖7-2　 駐波波浪場水粒子移動方向……………………………   112

圖7-3　 入射波和反射波合成波浪包絡線………………………   116

圖7-4　 波浪垂直入射半無限防波堤繞射示意圖………………   119

圖7-5　 ζ和ξ在各象限之正負號及繞射波各極限位置之表示式……     121

圖7-6　 波浪垂直入射半無限長防波堤繞射係數分佈…………   124

圖8-1　 (a) 規則波時序列圖、(b) 規則波空間序列圖、
        (c) 不規則波、(d) 隨機波波形示意圖…………………   130

圖8-2　 海面波浪水位時間變化（波浪水位時間序列）………   130

圖8-3　 個別波浪零上切決定法…………………………………   132

圖8-4　 個別波浪零下切決定法…………………………………   132

圖8-5　 零下切法決定個別波浪資料……………………………   133

圖8-6　 波高分佈柱狀圖…………………………………………   135

圖8-7　 無因次波高機率密度分佈圖……………………………   136

圖8-8　 機率值計算概念…………………………………………   137

圖8-9　 無因次示性波高位置圖…………………………………   138

圖8-10　利用線性波疊加形成不規則波之模擬…………………  141

圖8-11　不規則波之變異數圖……………………………………   142

圖8-12　不規則波之變異數密度譜（Δf＝0.01Hz）……………  143

圖8-13　不規則波之連續變異數密度譜…………………………  143

圖8-14　頻率間距定義圖…………………………………………  144

圖8-15　不規則波波譜示意圖……………………………………  147

圖9-1　 波高與吹風時間以及波高與吹風距離關係圖…………   153

圖9-2　 JONSWAP波譜…………………………………………    157

圖9-3　 P-M波譜和JONSWAP波譜比較………………………   157

圖9-4　 各種水深的TMA波譜…………………………………    158

圖9-5　 Lonquet-Higgins提出的方向分佈函數…………………  159

圖9-6　 典型方向波譜……………………………………………   160

圖9-7　 方向波譜圖形以及對應的頻譜和方向函數……………   160

圖9-8　 利用風速和吹風距離計算波浪完全發展所需要的時間   161

圖9-9　 風浪波譜高頻部份隨著風速增加成長情形……………   163

圖9-10　不同風速下P-M波譜之形狀……………………………  164

圖9-11　(a) 規則波水位歷線圖、(b) 圖規則波波譜……………  165

圖9-12　(a) 不規則波水位歷線圖、(b) 不規則波的波譜……… 166

圖9-13　P-M波譜隨風速增加的變化情形………………………   167

圖9-14　JONSWAP波譜隨風速增大而變化的情形………………        167

圖9-15　不同吹風距離的JONSWAP波譜………………………   168

圖9-16　颶風型態及參數示意圖…………………………………  169

圖9-17　颶風壓力分佈圖…………………………………………  170

圖9-18　緩慢移動颱風內示性波高等值分布圖…………………  171

圖10-1　近岸區域名詞定義圖……………………………………  178

圖10-2　海灘斷面用語示意圖……………………………………  179

圖10-3　平衡海灘斷面分類圖……………………………………  181

圖10-4　海灘斷面形狀分類………………………………………  182

圖10-5　平衡海灘斷面形狀………………………………………  186

圖10-6　海灘斷面形狀函數之比較………………………………  187

圖10-7　水流作用於底床沙粒作用力示意圖……………………  188

圖10-8　臨界徐爾茲數與雷諾數之關係…………………………  194

圖10-9　漂沙量與徐爾茲參數的關係……………………………  196

圖10-10　向離岸漂沙優勢方向與Ursell參數之關係…………… 197

圖10-11　桃園雙溪口至富林溪口間海岸2009年-2010年間的地形侵淤圖…        200

圖10-12　嘉義外傘頂洲地理位置………………………………… 201

圖10-13　嘉義外傘頂洲灘線2001-2011年變遷情形…………… 202

圖10-14　嘉義外傘頂洲灘線斷面歷年變遷情形………………… 202

圖10-15　波浪在碎波線能量傳遞與沿岸方向關係圖…………… 203

圖10-16　沿岸漂沙量與沿岸波浪能量通率的關係圖…………… 204

圖10-17　八個方位波浪方向角函蓋的範圍……………………… 209

圖10-18　新加坡南面海岸Island Resort…………………………  212

圖10-19　新加坡Sunset Bay……………………………………… 212

圖10-20　日本加太海灣…………………………………………… 213

圖10-21　螺旋海灣幾何形態定義圖……………………………… 214

圖10-22　螺旋灣幾何參數C₀, C₁, C₂圖…………………………   215

圖10-23　岬灣形狀計算圖形……………………………………… 216

圖10-24　海灘平衡斷面變化示意圖……………………………… 217

圖10-25　入射波向、海岸線角度與碎波角度之關係圖………… 219

圖10-26　矩形海岸補沙地形（t=0）………………………………       222

圖10-27　矩形海岸線隨時間變化之無因次圖…………………… 223

圖10-28　矩形填沙區內的沙量隨時間變化圖…………………… 224

圖10-29　三角形海岸示意圖……………………………………… 225

圖10-30　三角形海岸隨時間的演變圖…………………………… 226

圖10-31　波浪入射海岸突堤示意圖……………………………… 227

圖10-32　波浪入射突堤在堤前漂沙淤積隨時間變化圖………… 228

圖10-33　突堤上游淤積與下游侵蝕情形………………………… 229

圖10-34　漂沙開始越過突堤時，上游面漂沙淤積的型態……… 229

圖10-35　永安液化天然氣港海岸地形…………………………… 230

圖10-36　兩突堤間的養灘地形…………………………………… 230

圖10-37　兩突堤間養灘之地形隨時間演變……………………… 232

圖10-38　海岸線變化與漂沙守恆示意圖………………………… 233

圖10-39　單線模式數值計算中海岸線分段圖…………………… 235

圖10-40　海岸線方位角為正值，入射波向角、海岸線方位與碎波角度之關係圖……………………………………… 236

圖10-41　海岸線方位角為負值，入射波向角、海岸線方位角與
　　　　 碎波角度之關係圖……………………………………… 237

圖10-42　給定海岸線的初始形態………………………………… 237

圖10-43　當入射波角度θ₀小於海岸線方位角θ_s，兩者關係圖…        238

圖10-44　海岸線方位角為負值，入射波角度θ₀小於海岸線方位角θ_s關係圖…………………………………  239

圖10-45　給定起始海岸線計算一個時距後的變化圖…………… 240

圖10-46　起始水平海岸線10, 20, 30, 40, 50個時距的變化圖… 241

圖10-47　台東大武漁港上游淤砂情形…………………………… 243

圖10-48　波浪繞過離岸礁石到達礁石後方……………………… 244

圖10-49　波浪進入海岸區域的開口產生繞射情形……………… 244

圖10-50　(a) 茄萣海岸離岸堤群、(b) 放大圖……………………       245

圖10-51　日本箱作海水浴場……………………………………… 246

圖11-1　 結構物反應振幅共振曲線……………………………… 253

圖11-2　 波浪正向進入矩形港池示意圖………………………… 254

圖11-3　 波浪在矩形港池內共振示意圖………………………… 254

圖11-4　 港灣內波形圖（m=1）………………………………… 256

圖11-5　 港灣內波形圖（m=2）………………………………… 257

圖11-6　 港灣內波形圖（m=3）………………………………… 257

圖11-7　 兩端皆為岸壁港池的共振波形（m=1）……………… 258

圖11-8　 兩端皆為岸壁港池的共振波形（m=2）……………… 259

圖11-9　 兩端皆為岸壁港池的共振波形（m=3）……………… 259

圖11-10　矩形港池底端中間點波高放大因子圖………………… 260

圖11-11　台中港港域形狀圖……………………………………… 261

圖11-12　(a)-(e)港池水位振盪圖…………………………………  264

圖12-1　 台塑麥寮港港內2007/07/14一天水位變化……………        267

圖12-2　 台塑麥寮港港內07/14當天14:00~20:00水位變化……       268

圖12-3　 台塑麥寮港港內07/14下午4點~4點1分水位變化… 268

圖12-4　 潮汐水位由各成份分潮合成圖………………………… 271

圖12-5　 潮汐全日潮、半日潮、混合潮典型潮型……………… 272

圖12-6　 不同地理位置之潮型…………………………………… 274

圖12-7　 漲潮(a)和退潮(b)時台灣海峽潮流之流動………………       275

圖12-8　 1996年3月台灣各地潮位歷線圖………………………        276

圖12-9　 氣象局台灣環島潮汐分區預報分佈圖………………… 278

圖12-10　台灣全島潮位站分佈圖………………………………… 278

圖12-11　近海水文中心浮標觀測系統…………………………… 279

圖12-12　港灣技術研究中心海象資訊系統……………………… 280

圖12-13　全國海洋資料共通平台………………………………… 280

圖12-14　實際潮汐水位為各個分潮的合成……………………… 281

表目錄

表8-1　 依序排列個別波浪波高和相對應的週期………………   133

表10-1　漂沙移動臨界水深公式中係數a及n值………………   191

表10-2　沿岸漂沙量計算公式及相關使用波浪資料……………  205

表10-3　各方向波浪之波高統計機率（%）……………………   208

表10-4　各方向波浪所產生之沿岸漂沙量（×10³m³/year）……  210

表12-1　潮汐分潮、名稱、週期和相對振幅……………………  270

第一章　概　述

1.1  前　言

台灣四面環海，海岸地區的利用，如海港的建設、海岸結構物的設置、海岸地區的侵蝕淤積，海岸地區的利用和保育，事實上海岸工程相當重要。海岸工程主角之一的波浪，由外海往近岸傳遞，波浪現象的描述佔有相當基礎的地位。海岸現象的正確描述，關鍵在於對海洋波浪的完全了解。如何建立正確的概念作為專業領域的基礎，應該是水利海洋工程師重要的一環。

以海岸工程這個名稱而言，似乎強調的是工程，然而就入門的角度來看，需要先對波浪由理論或現象作了解，或者對於波浪在海岸地區產生的水動力現象作了解。因此，介紹這門科學的書籍大都著重在波浪水動力現象或理論。至於牽涉到工程這部份的敘述，包括工程設計和施工，則需要另書介紹。

本書在建構章節內容時曾經參考過現有的書籍的資料、網路上可以搜尋到的課程大綱（syllabus）、以及美國海岸保護手冊裡面的章節內容，參考裡面的內容可以了解海岸工程需要涵蓋的內容。若以這些內容來看，似乎海岸工程以海岸水動力學來取代比較恰當。

參考前述書籍、網路上有的課程大綱、以及美國海岸保護手冊上面的內容，本書海岸工程包含的主題和內容設定如下：

第一章    概述：說明本書內容的形成，海岸工程的概念，以及海洋工程的概念。

第二章    波浪的流體力學：說明海岸工程內容會使用到的流體力學概念。

第三章    由遠方傳來的波浪：在標題的設定上，特別強調遠方傳過來的方向以及波浪傳遞的特性。

第四章    進行波波浪特性：彙整進行波的波浪特性，藉以了解波浪傳遞的各種性質。

第五章    波浪折射與淺化：描述遠方波浪傳到靠近海岸地區，由於水深地形變化產生的波浪折射，以及由於水深變淺產生的波浪淺化現象。

第六章    碎波與水位變化：波浪進一步往海岸線傳遞產生波浪碎波，以及相對應的平均水位變化的情形。

第七章    波浪反射與繞射：波浪傳遞到海岸遇到海岸結構物，在結構物前方產生反射。離岸結構物後方產生繞射波浪。

第八章    不規則波：前述章節所談的波浪均為規則波，實際海面上的波浪則為不規則型態，本章說明如何利用規則波的概念，來說明海面上不規則波的情形。

第九章    季節風浪與颱風波浪：海面上波浪由於季節性氣候的影響，有所謂的季節風浪，在此說明台灣海面季節風浪的特性。另外，也說明颱風侵襲時海面波浪的特性。

第十章    海岸地形變化：說明海岸線受到波浪作用產生變化的情形。另外也說明海岸地區有結構物配置時，海岸線變化的特性。

第十一章   港池共振：波浪傳遞到港灣裡面時，由於港池形狀代表一個自然存在的週期，因此，入射波浪週期與港池的自然週期接近時，產生港池內水位的共振現象。本章說明港池共振的原理，以及港內水位變化的型態。

第十二章   潮汐調和分析：海面上的水位變化，除了波浪產生的水面波動外，還有另外的潮汐現象產生的水位變化。本章在說明如何對海面上的潮汐水位進行分析，藉以模擬潮汐水位變化。

至於海洋工程，最開始應該就是直接與海上鑽油平台石油的開發有關。學術單位所學到的海洋工程，仍然偏重在水動力學，直接聯想到的就是計算流體作用在結構物上的力，只是海洋結構物的環境在海洋中，因此，水動力學指的就是波浪力學，也就是波浪作用力。另方面，海洋波浪遇到結構物有可能產生波浪場的改變，因此，被改變的波浪場需要求解才能計算波浪作用力，或者說波浪場沒有改變則可以直接利用結構物面臨的波浪場來計算作用力。而連帶引起的概念則為結構物可能有運動或變形也可以同時計算。整個綜合起來看，海洋結構物面臨到的波浪場，可以說是含有結構物的波浪場。至於含有結構物的波浪場，最基本的概念就在於實驗室中造波機制產生的波浪，對應的學理則稱為造波理論（wave generation theory）。

由前述的說明，海洋工程相關的內容，在此則包括海洋結構物基本型態的介紹，含有結構物波浪場的概念，各種型態的造波機制，大結構物和小結構物概念，以及波力計算的方法。這部份內容的加入，基本上為海洋工程理論分析的概念，已經成熟的應用在海岸結構物上，也由於科學理論和電腦計算的快速發展，海洋工程概念的應用，可以更正確的進行海岸結構物受力計算和分析。

附錄1-1　海岸工程參考書籍、相關連結、及課程大綱：

1. 郭金棟，海岸工程（中國工程師手冊水利類第十篇），中國土木水利工程師學會，1995。

2. Dean, R.G. and Dalrymple, R.A. (1984) Water wave mechanicsfor engineers and scientists. Prentice-Hall Inc., New Jersey.( https://amzn.to/2PAw1wm)
3. 美國陸軍工程師兵團（US Army Corps of Engineers）, 海岸工程手冊（Coastal Engineering Manual）
4. 郭一羽主編，海岸工程學，2001.
5. Sorensen, R.M., Basic Coastal Engineering, 1978. 3^rd edition, 2006. (http://www.amazon.com/Basic-Coastal-Engineering-Robert-Sorensen/dp/0387233326)
6. McCormick, M.E., Ocean Engineering—Wave Mechanics, 1972. (http://books.google.com.tw/books/about/Ocean_engineering_wave_mechanics.html?id=YO7ZAAAAIAAJ&redir_esc=y)
7. Horikawa, Kiyoshi, Coastal Engineering—An Introduction to Ocean Engineering, 1978. (http://www.amazon.com/Coastal-Engineering-An-introduction-Ocean/dp/0470264497)
8. Sawaragi, T., Coastal Engineering—Waves, Beaches, Wave-Structure Interactions, Elsevier, 1995. (http://www.knovel.com/we-b/portal/browse/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=1907)

網路上有關的課程大綱：

1. CIEG471, Introduction to Coastal Engineering, U. of Delaware.
2. OCEN672, Coastal Engineering, Texas A&M University. (http://cep-rofs.civil.tamu.edu/jkaihatu/teaching/ocen672/index.html)

3. CEE 514, Coastal Engineering, University of Wisconsin-Madison. (http://www.cae.wisc.edu/~chinwu/CEE514_Coastal_Engineering/CEE514_UW_Madison.html)
4. CE596, Introduction to Coastal and Ocean Engineering, UNC. (http://www2.acs.ncsu.edu/reg_records/crs_cat/CE.html#CE 596)
5. CE499, Basic Coastal Engineering, (http://coastal.usc.edu/plynett) (University of Southern California)
6. Griffith University, 3110Eng, Introduction to Coastal Engineering
7. CE 414 Special Topics: Introduction to Coastal Engineering, (http://w-ww.ce.boun.edu.tr/otay/Teaching/CE414)
8. Civil3015, Coastal Engineering, UCL, UK.

附錄1-2　US Shore Protection Manual（part1, part2, part3）各章節主題

1. Introduction一開始第一章，定義海岸工程，介紹美國海岸環境，介紹各章內容。
2. Coastal hydrodynamics海岸水動力學

2-1 波浪描述和運動學（kinematics）：規則波，不規則波

2-2 氣象和波候（wave climate）：氣象，追報和預報，海岸之波候

2-3 近岸波浪之計算：規則波折射，淺化，不規則波，數值計算

2-4 碎波帶水動力學：碎波機制和波浪變形（setup，runup，近岸流）

2-5 水位和長波：潮汐，暴潮（颱風波浪），數值模擬

2-6 灣域入口水動力：潮流和波浪互相作用

2-7 海港（harbor）水動力：港口繞射，海洋結構物（波浪透過、反射、共振）

2-8 分析和設計：短期和長期統計，極值分析

3. Coastal sediment process海岸漂沙過程

3-1 海岸沉滓特性（sediment大小，沉降）

3-2 沿岸輸沙（過程，預測，模擬）

3-3 向離岸輸沙（海剖灘面，輸沙）

3-4 風吹沙：過程，沙丘

3-5 侵蝕和淤積

3-6 碎波帶以外之輸沙：海床邊界層流，流體和沙粒互相作用，底床質傳輸，懸浮質傳輸

附錄1-3　海洋工程參考書籍以及網路連結如下：

1. Dean, R.G. and R.A. Dalrymple.(1991) Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, World Scientific. (http://books.g-oogle.com.tw/books/about/Water_Wave_Mechanics_for_Engineers_and_S.html?id=9-M4U_sfin8C&redir_esc=y)
2. Sarpkaya, T. and M. Isaacson.(1981) Mechanics of wave forces on offshore structures, Van Nostrand Reinhold Co.. (http://books.google.com.tw/books/about/Mechanics_of_wave_forces_on_offshore_str.html?id=CVG6AAAAIAAJ&redir_esc=y)
3. Mei, C.C. (1989). The Applied Dynamics of Ocean Surface Waves, World Scientific. (goo.gl/zoa9ko)
4. Hudspeth, R.T.(2006). Waves and Wave Forces on Coastal and Ocean Structures, World Scientific Publishing Co Pte Ltd. (http://www.abebooks.co.uk/9789812386120/Waves-Wave-Forces-Coastal-Ocean-9812386122/plp)
5. Chakrabarti, S.K.(1987)  Hydrodynamics of Offshore Structures, WIT Press. (http://www.amazon.com/Hydrodynamics-Offshore-Structure-s-S-K-Chakrabarti/dp/090545166X)
6. McCormick, M.E.(2010) Ocean Engineering Mechanics with Applications, Cambridge University Press.

1.2  海岸工程

以概念來說，所謂海岸工程所涵蓋的內容，為站在海邊沙灘上所看到的景像，包括由外海往海岸方向傳遞的波浪變化、波浪傳上海岸沙灘、海岸線的變化、以及海岸上面的工程結構物。這整個範圍所涵蓋的所有物理現象和工程結構物特性，均為海岸工程的範疇。由本章節末頁連結1-1可看到外海波浪往海邊傳遞過來，可以看到波浪傳播的同時產生變形和碎波。當波浪傳到岸邊則可以看到波浪碎波後衝到沙灘上，而衝上沙灘的水體已經看不到波浪的型態，如連結1-2所示。連結1-3則顯示，波浪衝上後最後無力往上而退回海面，而在此同時後續的波浪接續的攻上沙灘。可以看到的，退回海面的水流和攻上的波浪產生相互的衝擊。連結1-1~連結1-3為美國北卡Kitty Hawk碼頭上看到的Irene颶風在海岸地區的情形。

海岸工程有關海岸結構物部份，可以由台灣海岸利用的情形，概略了解一般的概念。由Google maps看台灣，由基隆港逆時針方向繞台灣海岸到宜蘭蘇澳繞台灣一圈，可以了解台灣海岸的使用狀況。依序看到基隆港、台北港、桃園竹圍漁港、永安漁港、大潭工業區、新竹漁港、台中港、彰化濱海工業區、雲林麥寮離島工業區、台南安平港、安平養灘、興達港（情人碼頭）、高雄茄萣海岸、離岸堤養灘、永安LNG（液化天然氣）港、南寮漁港、赤崁海岸（消波塊護岸）、蚵子寮漁港、左營軍港、西子灣海水浴場、高雄港、高雄大林浦、屏東水利村海堤、塭豐海堤（林邊溪以南）、屏東竹坑箱網養殖、墾丁南灣核三廠、台東大武漁港、花蓮港、花蓮和平港（和平工業區）、宜蘭蘇澳港。以下則針對海岸的利用和保護，對於代表性的設施：（1）商港、（2）海岸保護、（3）漁港、（4）工業港、（5）海上養殖、（6）濱海遊憩分別作簡單說明。

1. 商港：台中港、台南安平港、花蓮港、台北港。

台中港如圖1-1所示，其型態為南北向的港池，為台灣代表性的港灣之一。台中港潮差大、東北季風強、風沙大。而由於持續性的風吹，造成水面有向風性的傾斜，風吹停了之後，則產生港池水面的週期性振盪，對於港內水位的安定性有相當的影響。台南安平港如圖1-2所示，原本北面的漁港沒有開口，港內水流和外海循環效果不佳。漁港開口之後，對於原本港內水質的影響值得後續追蹤。漁港和商港之間的海岸有進行人為的養灘計畫，如圖1-3，可以看出平衡海灘型態逐年的變化。圖1-4為花蓮港，為喇叭型的人工港，防波堤外側為較深的外海。花蓮港由於面對較深的外海，受到的也是較大的波浪。外海長週期的大浪進入花蓮港，產生港內水面的振盪現象，造成花蓮港港池共振的問題。

圖1-1　台中港（狹長的港口）

圖1-2　台南安平港（雙開口）

圖1-3　台南安平養灘

圖1-4　花蓮港（東岸狹長共振）

2. 海岸保護：高雄赤崁海岸（消波塊護岸）、高雄茄萣海岸離岸堤養灘。

台灣四面環海，長年受到季節性波浪以及颱風波浪作用，海岸保護為海岸工程師重要任務之一。自從有了人工消波塊的利用，大量的使用在保護海岸上，避免海岸的侵蝕，如圖1-5所示，高雄赤崁海岸消波塊使用的情形。人工消波塊的大量使用，近年來受到相當的評議，然而如何適當的運用應該是海岸工程師的任務之一。消波塊使用在離岸海中，所謂離岸堤，來達到保護海岸目的的，如圖1-6所示。高雄茄萣海岸離岸堤的使用相當成功，讓原本侵蝕的海岸在離岸堤後方產生沙灘，達到海岸保護的目的。然而上游面離岸堤後由於沙源充足，堤後沙灘形成沒問題，至於下游離岸堤則沙源逐漸減少，離岸堤功能則逐漸喪失。另方面，更下游的海岸線也由於沙源受到攔阻，海岸線侵蝕的現象形成常態。由此也可以了解到，海岸線的整治需要有全面性的概念才能一勞永逸。

圖1-5　高雄赤崁海岸（消波塊護岸）

圖1-6　高雄茄萣海岸（離岸堤養灘）

3. 漁港：興達港（情人碼頭）、台東大武漁港。

漁港朝向多元化發展的趨勢形成後，興達港也仿照淡水漁人碼頭興建情人碼頭，期望達到漁港多元使用和發展，如圖1-7所示。然而多元化的開發仍然需要有各方面的配合，才能達到有效的發展。台東大武漁港為有歷史的港，如圖1-8所示，由於漂沙嚴重需要另外興建防沙堤來保護。

圖1-7　興達港（情人碼頭）

圖1-8　台東大武漁港

4. 工業港：彰化濱海工業區、雲林麥寮離島工業區、永安LNG（液化天然氣）港、墾丁南灣核三廠。

台灣可使用腹地本來面積就不大，利用來作為工業開發使用更是相當不足。因此有在海岸地區填海造陸作為工業開發使用。如圖1-9為彰化濱海工業區，圖1-10則為台塑雲林麥寮離島工業區。海岸開發面積相當大，所要考慮到的便是海岸地形改變之後，對於整個海岸線的影響如何，甚至於需要考慮到對於環境生態的影響，衝擊可謂相當大。圖1-11為高雄永安天然氣接收站，也是在海岸建立超大型的海岸結構物。同樣的，除了海岸結構物對於整個海岸線上下游影響需要評估外，也需要考慮到工業產品可能對於環境和民生的影響。圖1-12則為墾丁南灣的第三核能發電廠，其對於海岸影響的爭議在於溫排水排放到海中對於珊瑚生態的影響。儘管海岸工業開發均經過慎密的規劃和評估，然而在環境生態方面專家學者的參與顯然也是相當重要。

圖1-9　彰化濱海工業區

圖1-10　台塑雲林麥寮離島工業區

圖1-11　高雄永安LNG港（液化天然氣）

圖1-12　墾丁南灣核三廠（溫排水）

5. 海上箱網養殖：

箱網養殖開始於河川、湖泊、或海岸地區水流條件適合養殖的地方，其後由於獲利豐碩遂引發海上箱網養殖的風潮。圖1-13為屏東竹坑箱網養殖水域。箱網養殖關聯到海上箱網的結構設計和安全，特別是台灣海域每年均有承受到颱風的侵襲，更是海域環境中需要考慮的因素。箱網養殖的規模大起來之後，其運作對於海域環境的影響也逐漸成為環保重要的議題。

圖1-13　屏東竹坑箱網養殖

6. 濱海遊憩：台南雙春濱海遊憩區、高雄旗津海岸。

海岸地區除了海岸保護之外，隨著環保意識的高漲，海岸保育與利用也形成一個研究方向。地方政府相關單位也逐漸重視所管轄海岸的可能利用情形。圖1-14為台南雙春濱海遊憩區的影像，海岸規劃為遊憩區，除了考慮遊憩方面的因素外，也需要配合海岸變化的特性，才不至於顧此失彼，因為海岸變化影響到遊憩區的運作，甚至於讓遊憩區停擺。圖1-15為高雄旗津海岸目前配置的情形。相對於台南雙春遊憩區，旗津海岸則在整治的時候把觀光遊憩的功能考慮進來，如此在海岸整治為前提下把遊憩納進來，這樣反而能確保海岸安全和遊憩兩方面的功能。旗津海岸在規劃時，把海岸結構物大部份設計為水下結構，主要的考慮也是希望能夠改善過去不良的海岸視覺景觀。由這個案例也可以了解到，海岸工程已經不僅僅是工程單一的領域，這方面已經包含到防災、環境保育、景觀、以及使用上的管理，也在台灣形成所謂的海岸管理。只是，在這部份的整合性管理，在概念上仍然需要行政、學校、和工程單位多方面的共識才能真正落實。

圖1-14　台南雙春濱海遊憩區

圖1-15　高雄旗津海岸
（http://www.ettoday.net/news/20130516/208527.htm）

1.3  海洋工程

對於海洋工程的了解，可以由典型海洋結構物型態略看出一二，如連結1-4所示，除了最右邊的結構物外，由左至右分別為由水深較淺到較深海的海洋結構物形式。較淺海位置海洋結構物為座落在海底底床，到水深較深時，結構物則傾向浮在水面上，然後藉由纜繩錨碇在底床。各種型態的結構物分別有其當初設計時的名稱，在此不分別說明。其中，半沉式（semi-submersible）結構物的示意則如連結1-5所示。由型態來看，此結構物已經相當成熟，整個海底探勘的基本架構，以及浮式結構物上面的工作平台，可以看出海洋結構物的規模。另方面，就波浪水動力的角度來看，波浪作用在浮體上產生變形，但是波浪通過繫纜則幾乎維持波形。不過，繫纜拉住浮體限制其運動，浮體受波浪作用產生運動也帶動繫纜，可以說波浪、浮體、繫纜三者形成互相作用（interaction）的系統。就波浪水動力的角度來看，重點則在於波浪場以及波浪作用力，然後附帶的結構物系統的分析。

連結1-4也明顯看出，海洋工程與海岸工程有很大的不同。海岸工程看到的是遠方波浪傳向海岸線，伴隨著波浪傳遞方向改變，波高變化和碎波，然後作用在海岸線。就整體來說，重點在於波浪在海岸地區整個區域的變化。至於海洋工程則著重在結構物上的波浪作用力。可以說海岸工程著重在整個海岸區域，但是海洋工程則重視局部的結構物受力。

近年來海岸工程界也有所謂「親水性」或「柔性」結構物的概念，以及浮動式結構物應用在海岸地區。圖1-15高雄旗津海岸的規劃就有親水的概念，在景觀上設計的配合，提供遊憩的遊客親近海岸的理由。圖1-16則為利用廢棄輪胎組成浮式結構物作為防波之應用。

圖1-16　廢棄輪胎組成浮式防波堤試驗
（俞克儉、俞怡君，2010）

目前由於綠色和節能概念的興起，波力發電（wave power）也是許多研究的方向（http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_power#cite_note-Reeds14Mar2012-90）。連結1-6為海上波能浮標試驗拖放的情形，浮標除了需要有在海面上運動發電外，也需要能夠在海面上能夠穩定浮沉。連結1-7則為另外一種型態的波能發電，同樣的，都是利用浮式結構物在海面上運動進而帶動發電。

在海岸保護工法中，也有利用水中植物來削減水流或波浪能量的想法。連結1-8為洪泛災害時可以見到的景象，然而也由於植物的存在，阻擋水流或削減水流的能量。在研究上，則有利用這樣的效用來設計防災的配置。同樣的，連結1-9則為海草（kelp）在海中受到水流作用運動的情形，可以理解到的，海草雖然隨波逐流，但是也可以提供某種程度的削減水流的能量。

綜合上述說明，海洋工程所涵蓋和應用的比較起海岸工程，在波浪力學上較重視緊鄰結構物上面的波浪作用力，甚至包括波浪和結構物互相作用的分析。如果用整個海岸地區的波浪變化來看，海岸工程所看到的較為全面性，而海洋工程所看到的則較為局部性。以目前在理論和數值模擬都相當進步的時代，實用上說起來應該是全面性的海岸工程和海洋工程的整合，事實上也是十分恰當。

【本章連結】

連結1-1 外海波浪往海岸方向傳遞（https://www.youtube.com/watch?-v=eyBGI-4aRXnA）

連結1-2 波浪攻上沙灘（https://www.youtube.com/watch?v=eyBGI4aR-XnA）

連結1-3 沙灘上水體退回海面（https://www.youtube.com/watch?v=ey-BGI4a-RXnA）

連結1-4 各種海洋結構物型式Various types of ocean structures（htt-p://kam-psenergy.blogspot.tw/2012/05/oil-platform.html）

連結1-5 半沉式（semi-submersible）海洋結構物（http://www.modec.c-om/fps/se-mi_sub/index.html）

連結1-6 OSU wave energy converter buoy（http://www.youtube.com/wa-tch?v=W-1DCujhoWkQ）

連結1-7 Pontoon type wave energy converter（http://www.youtube.co-m/watc-h?v=vS-s9QzPGDg）

連結1-8 植物對於水流之影響（http://www.youtube.com/watch?v=Qw-hKi-OGjHs）

連結1-9 海中水草植生運動情形（http://www.youtube.com/watch?v=G-cbU4-bfkDA4）

【參考文獻】

俞克儉、俞怡君（2010），浮式防波堤之設計研究，國立高雄海洋科大學報，24，第1-25頁。