船运海洋深层水技术实例探讨

第十屆水下技術研討會暨國科會成果發表會 2008年4月25日．高雄市．國立中山大學

船運海洋深層水技術實例探討

溫正毅1 蘇達貞2 周承志

3

李惠蘭

4

林宗德

5

鄭啟佑6

摘要

近年來海洋深層水事業迅速發展，國內取得水源方式多以近岸端埋管取水法汲取海洋200公尺以下的深冷海水(又稱海洋深層水)，經處理後做為一般飲用水或研發用途。汲取作業大都採用國外(日本居多)汲水設備和技術除價格昂貴外，在維修保養上也是一大難題，目前並無實際檢驗維修的技術規範，加上台灣多颱風及東部地震頻繁，若有發生汲水管破裂情形，必須重新檢修或搭設。本研究是探討利用船運方式汲取海洋深層水，其特色在於設計原理和設計本體由國人自行研發，因船運的關係，可以汲取所需不同的經緯度，採樣過程由船隻衛星定位與鋼索佈放定深，可取任意深度之深冷海水，符合不同深度做為不同用途需求，在飲用水、檢驗上是很靠的取水技術，又可降低在天災因素下所造成的破壞及保養問題。未來的汲水深度計畫到達800公尺，由鋼索錨錠系統做為深度定位指標，佈放及回收動作也將建立標準化流程，在環境生態及品質控管上較優質化。

A Feasibility Study on the Design, Manufacture and Deployment

of a Deep Ocean Water Pipe for the East Coast of Taiwan

Wen, Cheng-I Tar-Zen Su Chen-Chin Chou Huei-Lan Lee Tsung-Te Lin Ci-You Jheng

ABSTRACT

In the recent year, the deep ocean water application, or the “DOWA”, becomes a booming industry in Taiwan. Most of the conventional methods to obtain deep ocean water is by laying a pipe from the shore area down to the ocean bottom about 200 meters or deeper. The technology as well as the equipment to deploy the pipe is mostly depending by foreign countries (especially depending on Japan). The engineering cost is very high, and by the operation experience in these recent years, there were difficulties to do maintenance and /or inspections after the deployment of the pipes. This is mainly caused by the heavy typhoons that frequently hit the coastal area of Taiwan that inevitably damaged the pipes.

In this research, a method to obtain deep ocean water by using a ship to deploy a perpendicular pipe from the ocean surface directly down to the ocean bottom is developed. The research team developed a technology that can pump deep ocean water at any specifically designed location and pump up deep ocean water at any desired ocean depth.

一、前言

近一年來海洋深層水事業發展迅速，國內取得水源方式多以埋管取水法，汲取海洋200公尺以下的深冷海水，利用海洋深層水的特性經處理過後可做為一般飲用水、或食品加工、農業產品、水產養殖、海藻養殖、發電廠冷卻系統、海洋溫差發電等多用途。我國進行海洋深層水汲取作業，目前皆採用埋管汲水法，而汲水設備和技術大多以國外為管道，日本居多，其價格昂貴、維修保養上又是一大問題，目前無實際檢驗維修的實例，本研究船運海洋深層水汲水技術探討則是以工程上標準化流程系統探討與埋管式汲水做一比較。

1. 國立台灣海洋大學海下技術中心研究助理 2. 國立台海大學輪機系副教授

3. 國立台灣海洋大學海下技術中心研究助理 1.1海洋垂直特性

水在4℃時密度最大，為1公克/立方公分，在攝氏0℃時結冰，而海水的密度約為1.03公克/立方公分，密度特性為溫度愈低，密度愈大，在攝氏-2℃時開始結冰，因此海水無對流現象，所以海洋表層水與海洋深層水產生了區隔，陽光在200公尺以下照射不到的地方溫度急速下降，根據溫度的不同在海洋中區分為200公尺的對流層、200公尺至800公尺的斜溫層與800公尺以下的恆溫層。對流層溫度以亞熱帶台灣為例約是攝氏25℃，斜溫層的溫度在200公尺25℃急速下降至800公尺恆溫層的4℃，恆溫層以下之海水溫度幾乎不在變化。(表1-1)

表1-1 海洋垂直性質分布

海水深度 分類名稱 海水特性

0-200m

對流層

海水溫度在夏季約為30 ℃，冬季約為 20 ℃受陽光、海風、海浪、海流影響，主要為海洋生物棲息地。

200-800m

斜溫層

海水溫度從急速下降至4℃，為無陽光之黑暗水域，除海嘯外，海水不受表層海浪影響，部分水域受潮汐與海流影響。

800m 以恆溫層

海水溫度保持在4 ℃下

以下，理論上應以無靠光合作用為維生基礎之生物鏈。

1.2海洋深層水之特性

海洋表層水因有陽光照射產生光合作用製作出眾多的有機生物體，這些生物體死亡後逐漸沉澱到達沒有光線的斜溫層逐漸分解成硝酸、磷酸與矽酸成分統稱為營養鹽元素，最後沉下累積聚集在恆溫層，根據日本海洋科學技術中心的整理，海洋深層水與表層水物理性質與用途相較可歸納如下。 A. 低溫安定性：

在海洋學的定義上，水深200公尺以下的水層稱為深海，由此開始的水層，陽光不易照射到，沒有大幅的溫度差變化，也無明顯的熱對流的產生，從海深300公尺以下的海層，在這水層終年都維持在12℃ ~8℃之間的穩定逐層變化。 B. 富營養性：

深層海水所含硝酸鹽與碳酸鹽成份高，可做為浮游藻類的培養或是浮游生物的養殖養分來源；海洋中無機鹽類，植物性浮游生物吸收了它們以後，在適當的溫、光照下，這些無機鹽類轉變成為有機物質，利用深層海水的高無機鹽成份可以提高生長速度，縮短培育期。

C. 清淨性：

因深層海水位於海洋較底層，無垂直性對流，海洋上層的污染物不易混合與深層海水之中，也無

浮游生物與浮游藻類的存在，在使用上，不需擔心海生物的汙染，又其低溫的特性又無陽光的照射，使海水的含菌量稀少，具有無汙染的特性。

二、研究目的

根據海水基本物理性質依其深度而產生溫度與壓力變化，利用兩種物理變化可以有效地判斷所採樣之海水深度。為求取得水源潔淨性，避免抽取到對流層0-200之間陸源污染物。在本研究中，以實際的船運取水測試，到花蓮外海之不同經緯度海域進行實地得去取水測試，用以瞭解船運式取水方式理念的實踐與技術的落實，實驗期長達一年以每個月最少實地測試一個航次。

2.1船運海洋深層水之概念

根據海洋工程協會第二十七屆臺灣東部海域海洋深層水管設計建造與佈放工程的可行性與風險評估(周承志 2005)中船運概念，是利用固定置放於海面下的錨定式漂浮冷水管汲取海洋深層水，再利用改裝貨艙儲存海洋深層水的中小型貨船來運送海洋深層水至海岸邊或臨近港口，供海洋深層水業者使用的構想。而使用鋪管設計的深層海水，其可提供的腹地範圍，僅限於海洋深層水基地的周邊範圍，但如使用船運海洋深層水之概念，可將其範圍擴大至東部地區，甚至於西半部，如此可大大提高海洋深層水的利用範圍，可有效的增加日後的經濟規模。（圖2-1）

圖2 -1海洋深層水載運船工程示意圖 分析船運海洋深層水理念如下幾點： A. 管體製造的可行性：

在過去文獻中船運取水管的口徑設計約略都在15公分以內，就需求而言，管材選擇種類廣泛，其強度可依實際環境需求，製造合適於海洋環境之上半部管體。對於製作需求的管材，以目前台灣管材的製造能力，製造合乎需求的取水管管體是沒問題。

B. 佈放的可行性：

以垂直管體的海上施放範圍只須設置該經緯度的海域，無須規劃佈管路線，只需要依照當日的海氣象條件，規劃最佳的航行路線，為固定單一定點垂直佈放，對於施工環境的海況要求度低，受海流影響有限，施工速度快，可短時間施工完成。垂直佈管無需路線規劃與佈管路線定位，施工中降低路線偏差可能，而無拖管作業避免因拖管造成損害之發生。

C. 貨船與漁船改造的可行性：

輸送為海洋深層水之原水，為保持其原水性質，其容器應可保持密閉與具有保冷，其容器材質也需具有抗菌與安定性佳的材料，具有隔離外在空氣與汙染的容器，在台灣製造相當容易，又因對於原水的需求程度不一，如養殖業其原水需求是其原水所含的豐富營養鹽與無菌性，在運輸上只須避免其營養鹽的流失與確保其原水在無菌下運送，因原水的需求程度不同，可依其需求設計合適的載具。 D. 港口岸接設計的可行性：

在接管的設計上，其目的是為達到無菌與絕熱的輸送環境，目前台灣已有相當經驗，在製造無菌接管上無太大問題，而港口都有其一定的腹地，對於設備的設置空間取得也相當容易，其絕熱的問題，需在管外部設絕熱棉，避免熱交換的產生，此部份台灣已發展相當成熟。

2.2規劃船運海洋深層水

根據前述的理論概念，船運海洋深層水是可行的，並由理論中可放在規劃此種取水方式，首要即是管材的選擇，應採用密度大於海水的材質為佳，而採用密度較大的管材，在佈放的過程中，也可順利沉降至海下，不會有因管體浮力過大而無法下沉的問題。再來是港口地點的選擇在本次的試驗規劃中共可分成兩種，其一是四個1頓桶深層海水汲取測試，其二是定點不同深度的試樣水汲取測試。對於大水量之深層海水是採用1噸的大型儲槽，需要大型吊車以利搬運，所以對於港口選擇上需要考量是否可提供25噸以上的吊車可進出的碼頭。對於船隻因考量來海上試驗是針對其船運海洋深層水的可行性與實際技術探討，其原則上採用港口當地的漁船隻，進行近似於理論中所規劃的一般船隻，而非專為取水設計的取水船。

三、船運汲取海洋深層水工程

規劃設計

3.1系統說明

船運汲取海洋深層水工程設計包含如下：（A）深層水管管體（B）控制索系統（C）錨定系統（D）

深度測量系統。（圖3 -1）

圖3-1船運汲取海洋深層水工程示意圖 A. 深層水管管體：

配合抽水馬達將海洋深層水抽取上來，分為取水管與出水管，取水管使用柔性管型為高張力之材質與管體強化鐵環組成，對於海流與波浪之水平作用力具有較高的承受度，彈性係數高可有較大的彈性變型範圍。 B. 控制索系統：

為能保持佈放時管體確實了解海中深度情形，控制索標有識別深度刻度，藉以控制管體確實深度，主要與錨定系統銜接保持垂直狀態，減少管體深度偏差。 C. 錨定系統：

為確保深層水管深度之位置。控制索銜接錨為垂直於海水之中，將管體下端繫於錨定系統。所採用錨有60KG 及20KG ，視當時海流及控制索仰角判斷是否垂直。 D. 深度測量系統：

為船運取得海洋深層水深度判別系統，運用控制索深度刻度，溫度計測量溫度及判斷控制索與船體角度計算做為測量判斷。

3.2海洋深層水實驗設計

A. 深層水管管體之製作：

利用軟質水管（直徑：3吋；長度：30m）每綑:60KG，計約30.3米(共計11綑，總長330m)，設計重點在管體與海水密度相等，可以使管體維持成中性浮體。（圖

3 -2）

圖3-2深層水管管體示意圖

B. 錨定系統：

兩塊錨以大的60kg，小的20kg 材質以鋁鎂合

金及不繡鋼，其中以U 型扣環做為控制索及管體銜接。

C. 控制索系統：

將鋼索用扣環銜接在錨上，並整理放置小船上，將控制索上每50、100公尺使用紅色及黃色標示，作為佈放時識別刻度。控制索總計80KG ，計478米長。(圖3-3)

圖3-3控制索與錨及取水口示意圖 D. 深度測量系統：

本實驗汲取深度由控制索判讀，根據海洋物理現象由溫度判斷控制索深度是否有誤。可觀察控制索與船體所成角度估算實際深度。

將出水口端管材上方鑽孔為5mm 孔徑，將其溫度計放置孔中，當海水流經出水口時則可推知該水深之相對水溫。(圖3-4)

圖3-4溫度測量系統示意圖

四、船運海洋深層水實驗步

驟

4.1測試目的

為了實際了解船運在海上作動情形，本研究與

配置有GPS 定位儀、空間施放汲取儀器設備的漁船「興滿號」，於2007年1月-12月台灣花蓮外海測定水深約600~800公尺之海域進行施放，依據本研究

所設計之作動原理來進行海水採樣，主要目的如下：

A. 了解實際海上作業時，佈放與汲取情形。 B. 進行樣水汲取，測試在指定深度採樣狀況。

4-2船運取水作業流程規劃

進行船運取水步驟採用以下的流程：(圖4-1)

圖4-1船運取水步驟標準化流程 A. 管路佈放：

1. 管路進水口端銜接上478米之控制索與一60公斤之重量後拋入海面。

2. 將控制索緩慢下放，並與水管同時佈放，管佈放速度及長度不可大於控制索實際長度，盡量保持10m-20m 之裕度空間。

3. 確認水管沉下海面後再將下一圈水管銜接。 4. 重複步驟2.3.直到管子沉下約一百米深。 5. 連接出水口與抽水馬達。

6. 重複步驟2.3.一直到管子沉下約三百米。 B. 取水作業及回收： 1. 啟動抽水馬達。 2. 檢視抽水作動是否正常。 3. 測量水溫並評估合理性。

4. 將控制索回收至船上，每五十米進行步驟4. 並紀錄採樣時間、經緯度、水溫、深度等資料。 5. 當取水口離開海面後，開始管體回收作業。

4.3實

驗結果

第十屆水下技術研討會暨國科會成果發表會 2008年4月25日．高雄市．國立中山大學

取水實驗次數平均經緯度、平均取水深

度、採樣瓶汲取深度及每次採樣溫度量測等資料如下表4-1、4-1。

表4-1取水實驗平均經緯度、深度資料 實平均經緯度

取水地點驗 深度平均1 N:23 56 41 E:121 40 09 675 2 N:23 56 45 E:121 40 74 755 3 N:235 97 45 E:121 38 270 730 4 N:24 01 50 E:121 41 49 680 5 N:24 00 197 E:121 41 712 700 6

N:24 04 157

E:121 38 257

800

表4-2 2007取水實驗中各深度平均水溫 實驗

日期 10/912/22

深度平均水溫℃

M

14.515.3315.9316.43

20.4

溫度與深度分析

35度

25溫155

1050100 [1**********]0

深度

圖4-2溫度與深度分析圖

4.5結果分析

根據2007年6月~12月的海上實地測試，其0~150M的採樣水的溫度在季節的溫度變化有明顯差異。如9月與7月的0~100M之水溫相對高於10~12月的水溫，也同時高於年平均水溫24.8℃(註

1)，但是150M 以下的深海水其水溫的年度變化就無0~100M之間水溫有明顯受到季節的影響，而有季節性的差異。在150M 下的水溫在所有取水航次其溫度表現都相當的穩定，約只有1度的誤差，推測可能受到抽取時，管內與管外的熱交換的熱損失。

五、結論建議

5.1結論

根據研究歸納出結論如下： A. 海洋水溫特性

在海平面200公尺以下溫度下降明顯而快，300公尺最低為14℃，在對流層範圍內溫度較多為18℃-26℃之間且溫升溫降比較推估應與表層海水有對流作用而受其影響，對於溫度決定確定性深度上只可評估在200公尺以下溫度約為20℃-5℃之間。根據表4-2實驗數據中可得知在200-300公尺之間水溫

變化較不因月份季節而改變太多。 B. 定深系統

控制鋼索與錨定系統可能因海浪、潮汐、洋流、黑潮等因素移動位置，推估未來

在運用控制索辨別深度取水時，紀錄在海中控制索與船舶佈放點角度紀錄，可藉此計算出錨與取水口理論位置，並加裝海流儀器在船隻上測得海流速數據，記錄可做為有利參考、取水管頭加裝壓力計，可知實際深度。 C. 優劣分析評估

船運取水在機動性較高，深度可應不同需求取得，作為與岸接式比較取水法優劣比較： 表5-1船運式與岸接式優劣比較 垂直船運式 海床岸接式 機動性 優 固定 取水量 視船載量定 量大 製管成本 低 高 佈管成本 不需 成本高 施工技術 無需照路線 難 自然環境影響少 多

腹地規模

輸送範圍不受限於園區

受限制

5.2建議

本研究採用的取水管是以農田進行抽水

用的青龍管(PVC管)，利用接頭以每30米進行連接，所有設備均採用市售商品，其強度

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仍可應付取水的需求。在過程中發現管體上端承受取水管所有重量(錨定系統重量是控制繩乘載)，造成上半部管體略有變形的發生，此部分在進行更實際的管體設計時應慎加注意。錨定系統建議可在底端控制索與錨銜接處增設壓力錶使用不銹鋼扣環扣緊，當完成汲水作業，回收完錨定系統得知取水實際深度，於下次使用時再度歸零，也可做為定深量測。

2008年4月25日．高雄市．國立中山大學

六、謝誌

蒙花蓮區漁會總幹事王鐙億、聯滿興號林賜倉船長提供寶貴意見，以及感謝海洋大學同學一起實驗與付出的辛勞；謹致感謝之意。

註解

1. 根據中央氣象局海象測報中心顯示，測站位置在花蓮縣新城鄉七星潭外海離岸1公里，水深約36公尺處。經度：121∘37’52”E緯度：24∘02’07”N，年平均溫度為24.8℃。

參考文獻

1. 周承志（2005）”臺灣東部海域海洋深層水管設計建造與佈放工程的可行性與風險評估” 2. 湯武麟（1996）“港灣及海域工程”，7頁-25頁。

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