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1、飛砂揚塵特性之研究,指導老師：林俐玲 教授報告學生：范姜明威,2009年09月28日,大綱,前言文獻回顧研究方法預期成果,台灣西北部海岸經常遭受冬季強風、移動性飛砂、暴潮等多重危害，因而積極從事定砂造林工作。但隨著海岸林土地利用劇烈改變，海岸林地轉為工業區、道路、風車用地等，以及海岸混凝土塊、海堤等土木工事大幅興建，西海岸美麗的人工砂丘、防風林帶景觀逐漸消失殆盡。且由於中、上游地區設置過多土木構造物造成河口砂源大幅減少，西海岸幾乎全為侵蝕性海岸，再加上海岸移動性砂丘及飛砂不僅四處蔓延，而且揚塵量之污染極為嚴重。,前言,文獻回顧,研究方法,飛砂起動機制主要為風速風向、砂粒粒徑大小及砂體含水率特性
2、，據此定砂作業主要為減緩風速並固定、攔阻砂源，本研究依防風定砂工法進行相關機制之探討，除了從事現地採樣調查分析砂粒特性之外，並進行堆風洞實驗，將所得結果綜合評估，以作為濱海地區防風定砂施作之重要指標。,研究目的,結果與討論,統計分析、探討因子,前言,文獻回顧,研究方法,研究流程,不同含水率,不同粒徑,不同風速,砂粒含水率,砂粒粒徑,砂粒質地,砂粒密度,砂粒物理量分析,風洞實驗,實驗設計,選定試區、採集土砂,文獻回顧、前人研究,現地實驗,前言,文獻回顧,研究方法,有關砂粒移動之臨界條件，不論依剪力理論、衝力理論或揚力理論其門檻風速Ut可化簡為下式之關係：式中 Ut：門檻風速：砂粒密度：空氣密度：
3、重力加速度：砂粒粒徑 Ao：常數，根據Bagnold試驗，當雷諾數3.5時，Ao=0.1,一、Bagnold(1935),基於假設砂粒以跳躍方式運行，並由氣流中吸取能量，推演而成之飛砂量公式，簡單說明如下：式中 Q：總飛砂量 c：實驗常數，均勻粒徑c=1.5，砂丘上天然級配砂c=1.8，粒徑分佈很廣時c=2.8,前言,文獻回顧,研究方法,以後龍溪砂為材料，在風洞內進形不同含水率之發飛砂量試驗，發現含水率少於1.2%時，飛砂量將近相同。介於1.2%與2.1%之間時，飛砂量急遽減少，若含水率大於2.1%以上，則飛砂量甚少。,二、林信輝、江永哲(1979),三、田中貞雄(1954),砂體含水率增加時
4、，始動風速亦隨之增加。對相同含水率而言；始動風速隨粒徑之大小而變化，粒徑越大而始動風速愈大；反之則愈小。混合之砂體亦依其粒徑大小比例，有正相關之現象。,前言,文獻回顧,研究方法,四、砂粒之運動型態,懸浮（或飛揚）作用（sunspension）風力之浮力大於砂粒之動力，砂粒將懸浮在空中，任由風力之漂浮，而成砂塵暴或砂暴。游繁結（1989）於濁水溪河口飛砂實驗結果，得懸浮飛砂量大致為滾動與跳躍飛砂量之1/4。跳躍作用（saltation）砂粒跳躍因風力及砂粒彼此碰撞，使其彈至空中，此時若風力對砂粒作用，促使砂粒成角度向下風處落下，而在地上與任砂粒碰撞時，勢必將能量傳遞給另砂粒，形成另一跳躍發生。滾
5、動作用（rolling）當跳躍之砂粒撞擊砂粒或質量較大之砂粒，此砂粒可能無法跳躍，而以沿著地面滾動前進；或風速達到臨界摩擦風速，使砂粒於地面先以滾動方式前進，當滾動的砂粒與其他砂粒碰撞而彈起，促使跳躍作用發生。Bagnold（1941）認為滾動砂粒非直接從氣流中獲得能量，而是砂粒間彼此碰撞，實驗發現滾動砂量約為總砂量之1/4。,一、試區概況,後龍濱海地區,苑裡濱海地區,大甲溪河口,大安溪河口,6 m,0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,3 m,4.6 m,0.1 m,0.15 m,0.25 m,現地實驗,二、風速風向觀測,三、垂直式集砂器(BSNE),四、水平式集砂器,由Bagnold（1
6、954）之試驗顯示，躍動砂粒降落至地面呈1016之撞擊角度，因此本研究將水平及砂器長度取80cm，收集高度10cm以下之飛砂量，而10cm以上則由BSNE集砂器收集。,五、微氣候觀測,為探討飛砂量之影響因子，須掌握現地飛砂發生時之微氣候狀況，以利於飛砂量推估式因子之計算；故以Davis儀器觀測當時氣壓、氣溫、溼度等因子之改變，時間為一分鐘觀測一次，十分鐘紀錄一次，並由所得之資料換算當時之空氣密度。,六、粉塵計,本研究為了進一步瞭解揚塵移動的變化情形，再於大安溪、大甲溪河口勘選適宜路線，量測其揚塵量之變化，藉此探討揚塵的衰減情況。儀器採用直讀式粉塵計，其原理係將上方吸入孔吸入之粉塵，經由90雷射
7、光散射，再藉由粉塵對雷射光的反射角度判讀粒徑大小及數量，儀器量測範圍為0.001100 mg/m3，可量測PM10(10m)、PM2.5(2.5m)和PM1.0(1m)，並可透過旋風器來量測呼吸性粉塵。,七、揚塵(PM10)發生區位之探討(1/2),空氣品質監測站資料分析,綜合分析空氣污染品質監測站之資訊，劃定潛在揚塵危害重點區位，供揚塵抑制對策擬定之參考。搜集環保署空氣品質監測站之歷年資料，繪製近年之PM10等值線，探討揚塵發生區位變遷方向與季節風向、風速之相關性。另外分析各月份PM10等值線之變化可瞭解揚塵嚴重發生之時期。,潛在揚塵發生區位之劃定,利用豐、枯水期之衛星影像，進行土地利用(植
8、生覆蓋)之變遷分析，配合DEM及現勘資料。藉由植群、河床質以及水位變化分析，配合空氣品質監測站PM10之空間分布，可劃定各流域河口處之潛在揚塵發生區位。,七、揚塵發生區位之探討(2/2),現地與空品測站間風速及PM10之比較,河川現地之風速強度與空品測站之風速強度差異極大，且其差異亦隨各測站與河床之地理位置而有所差異，但為了能藉由空品測站之風速來粗估所觀測現地之揚塵概況，故進行河川現地與空品測站間之同步風速之測定，另同步監測PM10濃度，方便河川現地與空品測站間懸浮微粒之比較。,風洞為非循環的吹出式風洞，全長10 m，試驗段長4.8 m，內部高0.5 m、寬0.3 m；由5匹馬力之交流馬達帶動
9、風扇送風，進氣口並裝有控制閥，以控制風速大小。,一、不同粒徑與風速之飛砂量,由於未通過10篩網之粒徑太大，無法從事風洞試驗；而通過100篩網之砂粒量又十分稀少，無法再以140以下的篩網細分，因此風洞試驗粒徑分佈範圍主要為1020、2040、4060、60100及100以上。取篩分後之砂粒樣本鋪設於風洞試驗段內，其鋪設範圍為高3cm、寬30cm及長150cm，同時將H-2型水平集砂器置於砂體鋪設段下游1m處。,實驗風速分別為5m/s、7 m/s、9 m/s、11 m/s、13 m/s及15 m/s，吹風時間5分鐘，重複3次，每測回結束後，為避免因集砂器前方的砂體高度過低，易產生誤差，且影響集砂效
10、率，因而將集砂器前方的土砂重新鋪平，再行測試；將得到不同粒徑所測得之飛砂量。,一、不同粒徑與風速之飛砂量,二、不同含水率與風速之飛砂量,風洞試驗時，砂體表面的含水率並非保持不變，為深入瞭解試驗過程中含水率的變化情形，因此，對於試驗前、試驗後及所收集到的飛砂，皆量測其含水率。實驗風速分別為5m/s、7 m/s、9 m/s、11 m/s、13 m/s及15 m/s，吹風時間5分鐘。,三、不同風速飛砂量與揚塵量之觀測,將各試區所採集之砂粒，自然風乾數日，試驗時將其鋪設為長300cm、寬30cm及厚3cm，於砂體下游面225cm處放置H-2型水平集砂器，同時將粉塵採樣計架設於該位置高3cm處，以分別收
11、集飛砂量及揚塵量。實驗時風速分別為5m/s15 m/s等11種。,四、粉塵採樣點之測試,為確認粉塵採樣計最佳採樣位置，因而在風洞試驗段內，距離地氈1.5m，高度3cm處，沿砂體下游面每隔25cm，開始進行揚塵量之量測。在量測點下游面75cm處，揚塵量即已達到最大值，因此，在量測揚塵量時，粉塵採樣計應架設於量測點下游面75cm處。,五、不同高度揚塵變化量,為了探討瞭解揚塵量與高度間的關係，因此，將各試區所採集之砂粒，鋪設於風洞試驗段內，同樣於砂體下游面225cm處架設粉塵採樣計，量測高度分別為1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm、15cm、17cm及19cm等10個不同高度之揚塵量。,預期成果,利用現地進行風速風向及飛砂量與揚塵量觀測，建立東北季風期間之飛砂量與揚塵量推估式，作為往後防風定砂之參考資料。評估各測站在不同揚塵條件下，河床沙土對大氣懸浮微粒的貢獻量，探討PM10事件日或高PM10濃度之發生與河川揚塵現象之相關性。,
