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第 32 屆海洋工程研討會論文集 國立臺灣海洋大學 2010 年 11 月 Proceeding of the 32nd Ocean Engineering Conference in Taiwan National Taiwan Ocean University, November 2010

單錨式藻類箱網養殖研究 蘇健寧

1 黃材成

2

1 國立中山大學海洋環境及工程學系研究生 2 國立中山大學海洋環境及工程學系教授

摘要 有鑒於國外海上養殖有逐漸多元化，甚至有箱網養殖結合藻類養殖之趨勢，因此本研究選

擇抗浪性較佳的可浮沉圓形浮框為主要結構，規劃設置一組單錨式藻類養殖設施於屏東縣小琉

球外海來探討藻類箱網養殖之可行性。建立藻類箱網數值模式，模擬一口單錨式藻類箱網在海

中運動情形，分析其受力及運動特性。數值模式張力預測值與現場纜繩張力計量測值加以比

較，發現預測值偏低，顯示數值模式仍有改善之空間。

關鍵詞：藻類、箱網養殖、數值模式、纜繩張力

Study on a single-point-mooring cage system for algae culture

Chien-Ning Su* Chai-Cheng Huang *Graduate student, Department of Marine Environment and Engineering, National Sun Yat-sen University

ABSTRACT

In view of the foreign mariculture is gradually diversified, and even has a trend that the fish cage aquaculture combines with algal culture at the same facility. A submersible single point mooring (SPM) cage system was adopted and installed in-situ to investigate the feasibility of raising algae in a cage system. A numercial model was established to simulate the cage dynamic motion as well as the mooring line tension. Comparisons of line tension between numerical simulations and physical data were shown in this paper. It reveals that the values of numerical simulations were relatively lower than that of tension meter, which means that an improvement on the numerical model is still needed before applying to the large scale cases.

Keywords: algae; cage culture; numerical model; line tension

一、前言 過去十年間台灣的海上箱網養殖工程技術已發

展成熟，兼以沿海藻類養殖為長久以來台灣的傳統

技術，加上國外(德國及日本等)的養殖經驗顯示，

外海 (offshore) 養殖的成長速度高於沿海 (near

shore)，因此海上養殖確實有發展的潛力。有鑑於沿

海陸地取得不易，而外海的箱網工程技術已臻成熟

可供海上藻類養殖參考，因此往外海方向發展養

殖、增加生產面積是未來趨勢。國外較為成功案例

為德國之圓盤式大型藻類養殖設施，適合內灣風浪

較平靜之海域。而台灣本島四面環海易受風浪影

響，故本研究將進行改良成適合我國海域之藻類養

殖設施如圖 1。

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圖 1、藻類養殖設施示意圖

往昔 Huang et al. (2006a, 2006b, 2007, 2008,

2009)在箱網養殖工程的結構動力分析上包括水工

模型試驗、現場量測以及數值模式已有相當完整的

研究，而本研究的藻類養殖結構型式主要源自於箱

網結構，因此 Huang 等人的研究非常適合用來探討

藻類養殖結構的受力分析。本研究實驗地點選在小

琉球海域，該地點水質清澈優良，地理環境宜人，

風浪條件亦不嚴苛，除須渡輪外交通尚稱便捷。依

往昔研究成果，採用質量集結點 (Lumped mass

method)另行發展數值模式，輔以都普勒海流儀

(ADCP)量測現場波浪及海流等海象變化資料，並設

置張力計量測纜繩張力，來探討單錨式箱網現場的

動力行為與纜繩張力變化，以便徹底了瞭解藻類養

殖箱網動力行為，以作為未來在外海進行大規模藻

類箱網養殖規劃之依據。

二、研究方法

2.1 數值模式 應用質量集結點法將箱網結構簡化為質點

（nodes）和構件（elements），建立數值模式，再

經由 4 階的 Runge-Kutta 法求解箱網運動方程式。

其中質點為構件的質量集結點，構件為箱網相關組

成材料（如纜繩或沉框）的細分段。因構件具有體

積，可以用來計算各種外力如慣性力、流阻力、張

力、浮力及重力。使用上將質點與構件依序編號，

並列出質點與構件間的相關性，便可利用構件對應

質點之關係，將各構件所受的總和外力平分到相關

質點上，即可利用牛頓第二定律建立 element 相鄰

node 的運動方程式如下

1 1( ) ( )

j

N N

j j m i D I B W T jj j

m Kρ= =

+ ∀ = + + + +∑ ∑R F F F F F (1)

其中，下標 i 代表 node，下標 j 代表 node 相關之elements， , ,B W TF F F 分別代表浮力、重力及張力。

2.1.1 波流場基本假設 由於 small body 的假設為忽略結構物對流場的

影響，因此 Morison equation 內的速度場及局部加

速度場，可直接應用勢能理論下的波流場。在三度

空間下，假設海底為等深底床，波與流同時存在，

波為規則正弦波，流為均勻穩定流，且滿足 Laplace

equation，則整個波流場的自由液面波形、流速勢、

分散關係式、速度場以及局加速度場可分別表示如

下：

( )1

sinM

i xi yi i ii

A k x k y tη ω ε=

= + − +∑ (2) ( ) ( ) ( ) ( )

1

cosh, , , cos

cosh

Mii

x y xi yi i ii ei i

k h zA gx y z t U x U y k x k y tk h

φ ω εω=

+= − + + + − +∑ (3)

2 tanhei i igk k hω = (4) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

1

1

1

coshsin

coshcosh

sincosh

sinhcos

cosh

Mi xi i

x xi yi i ii ei i

Mi yi i

y xi yi i ii ei i

Mi i i

xi yi i ii ei i

A gk k h zu U k x k y t

k hA gk k h z

v U k x k y tk h

A gk k h zw k x k y t

k h

ω εω

ω εω

ω εω

=

=

=

+= + + − +

+ = + + − + + = − + − +

∑

∑

∑

(5)

( ) ( )( ) ( )( ) ( )

1

1

1

coshcos

coshcosh

coscosh

sinhsin

cosh

Mi i xi i

xi yi i ii ei i

Mi i yi i

xi yi i ii ei i

Mi i i i

xi yi i ii ei i

A gk k h zu k x k y tt k h

A gk k h zv k x k y tt k h

A gk k h zw k x k y tt k h

ωω ε

ωω

ω εω

ωω ε

ω

=

=

=

+∂= − + − + ∂

+∂ = − + − +∂ +∂ = − + − +∂

∑

∑

∑

(6)

其中， ( , )x yU U 和 ( , )xi yik k 分別為均勻流速以及波數在 ( , )x y 方 向 的 分 量 ， 2 2i xi yik k k= + ，

( )ei i xi x yi yk U k Uω ω= − + 為波流的交會週波率，, , ,Ai h i tω 分別為波高、水深、週波率及時間。

2.1.2 剛體運動方程式 為確保浮框和沉框上的 node 及 element 之的運

動方式為整體運動(不會各自運動)，本文假設浮框

和沉框屬於剛體運動。依據 D´Souza and Garg(1984)對剛體運動的定義，當(1)在整體座標系統下，物體

座標系統之原點與物體質心重合。(2)剛體旋轉之座

標系統為其本身之座標系統時，則剛體旋轉的角速

度等於座標系統之旋轉角速度。(3)座標軸為主軸

（principal axes）的情況下，此 3 個條件同時成立

時，剛體運動力平衡方程式可以簡化成 Euler

Equations，包含平移運動方程式以及旋轉運動方程

式，如公式(7)及公式(8)：

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3 21

1 31

2 11

1

1

1

i

i

i

N

G G G xiGN

G G G yiGN

G G G ziG

x y z Fm

y z x Fm

z x y Fm

ω ω

ω ω

ω ω

=

=

=

= − +

= − +

= − +

∑

∑

∑

(7)

( )

( )

( )

1 3 2 2 3 111 1

2 1 3 1 3 212 2

3 2 1 1 2 313 3

1 1

1 1

1 1

N

ii

N

ii

N

ii

I I MI I

I I MI I

I I MI I

ω ω ω

ω ωω

ω ωω

=

=

=

= − − +

= − − +

= − − +

∑

∑

∑

(8)

其中，下標 ( )1,2,3 代表物體座標系統，下標( ), ,x y z 代表整體座標系統，( ), ,G G Gx y z 為浮框的重心加速度， ( ), ,G G Gx y z 為浮框的重心速度，( )1 2 3, ,ω ω ω 為角速度， Gm 為浮框質量，( ), ,i i ix y zF F F為浮框上各 node 的外力分量，i 為節點的編號，N為浮框上節點的總數。 ( )1 2 3, ,i i iM M M 為浮框上node 對 ( )1,2,3 主軸的力矩（moment along the principal axes）， ( )1 2 3, ,I I I 為浮框質心對 ( )1,2,3 主軸的慣性矩（principal moments of inertias）。

上述構件的運動方程式以及剛體運動方程式，

皆與時間相關的常微分方程式，因此可藉由

Runge-Kutta 4th order method (RK4) 進行積分，以

預測下一時刻各 node 的位置及速度。如此一直反覆

計算到數值模式完成模擬之期限為止。

2.2 現場試驗 本研究實驗地點選在小琉球海域，該地點水質

清澈優良，地理環境宜人，風浪條件亦不嚴苛，交

通尚稱便捷，以都普勒海流儀(ADCP)量測現場波浪

及海流等海象變化資料，並設置張力計量測纜繩張

力，來探討單錨式箱網現場的動力行為與纜繩張力

變化，以便徹底了瞭解藻類養殖箱網動力行為，以

作為未來在外海進行大規模藻類箱網養殖規劃之依

據。 小琉球現場設置箱網大小尺寸及如下表 1。

表 1、箱網尺寸 錨碇纜繩 直徑（m） 0.028

PP 材質密度 910

（kg/m3） TWIST ROPE 破斷強度（kg） 11388 支繫纜繩 直徑（m） 0.018

NYLON TWIST ROPE

材質密度

（kg/m3） 910

破壞強度（kg） 5716 中間浮子 直徑（m） 0.8

重量（kg） 40 浮力（kg） 300

扶手浮框 圓周長（m） 24 HDPE 厚度（m） 0.01

管徑（m） 0.11 網袋 網目（m） 0.05

NYLON NET 線徑（m） 0.0021 網袋網深（m） 1

基座沈框 圓周長（m） 24 HDPE 厚度（m） 0.0166

管徑（m） 0.225

2.2.1 實驗儀器 (1)都普勒潮波儀

ADCP 潮 波 儀 （ Acoustic Doppler Current

Profiler）如圖 2，利用都普勒效應原理，由音鼓往

海面發射聲脈衝波，藉由水體中不均勻分佈的懸浮

顆粒如泥沙或浮游生物反散射回來，由接收器

(receiver)接收後儲存於記錄器，再由軟體換算出海

水流速與波浪振幅。

(2)現場防水型張力計 最大反應張力可測至 1000kg，為防水型張力計

如圖 3，可在水中測量張力值。

圖 2、ADCP 潮波儀

圖 3、防水型張力計

2.2.2 現場施工及儀器佈置 單錨藻類沉式箱網實驗場址，位於屏東縣小琉

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球海域。海上施工主要將箱網由船拖至外海預定

點，先請潛水員至水下將鐵鏈及緩衝浮球繫於錨碇

塊上再將主纜繩拉至水面由小浮球固定，接著將張

力計連接在主纜繩再連接至箱網底部的支繫纜繩，

連結點以鐵環與卸釦方式連結，最後將排水閥打開

使海水進入箱網框體內，達到下沉的效果，ADCP設置在鐵架上，並置於箱網錨碇塊旁，以測量錨碇

點垂直方向海水各層的流速與海浪波高週期等，張

力計裝置於錨碇纜繩上距離鐵鍊 46m 處，整體箱網

與儀器佈置示意圖如圖 4 所示。

Anchor (Concrete block)

Main rope

Buoy

Algae net

Bridle

2m

46m

5.5m

ADCP

Tension meter

圖 4、箱網與儀器佈置示意圖

水下儀器包括 ADCP 潮波儀及張力計。張力計

以卸扣方式前後兩端固定在主纜繩上，如照片 1 所

示，接著將排氣孔打開及排水孔打開，使海水可以

充分進入到箱網浮框內，達到沉入水面下的效果，

即達到預期設計目標，如照片 2 所示。

照片 1 張力計與主纜繩連接

照片 2 箱網浮框進水達到沉入水面效果

另一水下儀器是 ADCP 潮波儀，將其固定於海

底以方便量測箱網附近的海流強度、海流方向、海

水潮位、波高及波浪入射角，而 ADCP 在水下是固

定在鐵架上，避免海流擾動及底床變化而造成位移

及避免地床沉陷導致儀器遭到掩埋。ADCP 在海底

狀況如照片 3、4 所示

照片 3、4 ADCP 在海底狀況

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三、結果與討論

3.1 現場量測資料 本研究所使用的儀器佈放時間為民國 99 年 1

月 20 日至民國 99 年 3 月 19 日；單錨沉式藻類箱網

在停流時，由於海面平穩，海流停滯，箱網纜繩呈

現鬆弛狀態，只有在漲退潮期間有較大的海流使箱

網纜繩受力，故本文針對海流發生與波浪交會時所

產生的受力來研究箱網之動力行為。

ADCP 所量測得之海象資料分兩類，一為海面

波浪之波高及週期等海浪資料，另一為海水剖面分

層流速及流向的海流資料。張力計所量測的資料為

錨碇纜繩與箱網之間的拉力，所得的到資料將作為

數值模擬比對之用。

海浪資料取樣間隔為每 2 小時取前 20 分鐘，取

樣頻率為 2Hz，以此 20 分鐘所得平均資料為這兩小

時之波浪海象條件。 海流資料取樣間隔為每 5 分鐘 1 筆，取海流資

料作為數值模擬之依據。由於箱網沉降深度為水下

1m 至水下 5m(箱網主要受力區間)，故海流資料將

以此水深區間的平均值(0.3~0.5 m/s)做為海流流速

數值模式計算的依據，其他如水深、海流入射角等，

亦引入數值模式程式計算箱網主纜繩張力與張力計

量測之張力做綜合比較。 量測期間時期現場水深在 31～30m 左右，潮差

約 1m，平均水深為 30.46m，水位並沒有受大陸冷

氣團影響而有特別的變化。以民國 99 年 1 月 29 日

16:20~16:40 為例，海流平均流速為 0.4m/s，流速剖

面如圖 5 所示。

圖 5、1/29/2010 16:20~16:40 海流流速剖面圖

而流向為 90 度左右由南向北流為漲潮時刻，流向頗

面如圖 6 所示。

圖 5、1/29/2010 16:20~16:40 海流流向剖面圖

3.2 數值計算結果 數值模式將引入 ADCP 所記錄的海象資料，模

擬當時海象條件下箱網所產生的受力及運動情形，

而選用條件以民國 99 年 1 月 29 日 16:00 當時的海

象條件為主。首先將 ADCP 原始資料輸入程式進行

FFT 分析所得到的頻譜(field spectrum)與數值模式

計 算 後 所 記 錄 的 頻 譜 (Numerical Simulation

spectrum)做比較，如圖 7 所示。發現數值模式造波

後的頻譜及現場量測頻譜有相當的一致性，代表數

值模式造波是非常穩定的。

圖 7、現場量測值與數值模式頻譜比較圖

接著將有義波高 0.85m、有義週期 0.61s、海流

流速 0.4m/s、水深 30m 等條件輸入數值模式以 100波週期為限進行模擬計算，可以得到造波時序列如

圖 8 所示。

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圖 8、造波時序列圖

最後可以得到主纜繩受力的數值計算結果，與

造波時序列圖做對照可以發現波高越大狀況下，箱

網受力也跟著變大，顯示數值受力計算為合理，再

藉由現場張力計所量測到的張力結果做對照，發現

數值受力計算結果無法分布在紅色最大值與黃色最

小值之間，結果如圖 9 所示。顯示其數值受力計算

有著細部上的問題，未來將進行這方面的改善及研

究，相信在不久的將來可以將數值模擬計算與現場

試驗量測值作一個完整的整合。

圖 9、數值張力計算值與張力計量測值比較圖

四、結論 1. 小琉球現場冬季實驗期間之有義波高小於 2m，

海流速度介於 0.3～0.5m/s，現場潮差變化也約

1m 左右，在冬季東北季風期間。

2. 現場波浪入射方向大多為 290°～320°之間，由

外海向海岸線前進，而漲潮時海流角度以 65°~

90°為主而退潮時則反之，屬小琉球沿岸流，波

流夾角大小主要因波浪入射方向而變，波流同

向時纜繩張力較波流反向為大。

3. 數值模式張力預測值與現場纜繩張力計量測值

加以比較結果，發現預測值偏低，顯示數值模

式仍有改善之空間。數值模式改善後，對於我

國推動海上養殖產業會有重大的助益。

謝誌 本文係國科會研究計畫「海洋能源開發-藻類農

場建置」(編號 NSC98-3114-P-110-001 )之研究成

果，承蒙國科會經費之補助使本研究得以順利完

成，謹致謝忱。

參考文獻 1. D’Souza, A.F., Garg, V.K., (1984). Advanced

Dynamics Modeling and Analysis. Prentice-Hall,

Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, pp. 78–114,

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Dynamical analysis of net cage structures for

marine aquaculture: Numerical simulation and

model testing. Aquacultural Engineering 35,

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3. Huang, C.C., Tang, H.J., Wang, B.S., Yang, R.Y.,

Kuo, L.A., Jan, S.J., (2006b). Numerical

simulation and field study of a

single-point-mooring marine cage, Proceedings of

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4. Huang, C.C., Tang, H.J., Liu, J.Y., (2007).

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cages with distributed bottom weights or a rigid

tube-sinker. Aquacultural Engineering 37,

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open sea. Aquacultural Engineering 38, 105-116.

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Numerical modeling of an SPM cage with a

frontal rigid frame. IEEE Journal of Oceanic

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