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在蓋離岸風電之前,先讓海洋地質探勘船「大地能源號」來幫海床把個脈

在蓋房子之前,得先幫建地來個地質身家調查:土質鬆軟還是結實、有沒有土壤液化的可能……等。那當我們要在海上蓋離岸風力發電的「大風車」,為了不要讓它們轉一轉反而隨風倒下,了解海底下的地質狀況也是興建之前首要的任務。

讓我們隨著大地能源號出航吧! 圖/環球測繪公司提供

這次要接下這個任務出航的勇士,是台灣第一艘自有的海洋地質探勘船「大地能源號」(Geo Energy)。它最主要的任務就是到風機預定架設的位置,沒有偏差、非常精準地鑽探到海底,取得這個區域的土壤樣本。專業人員靠著它取回的樣本以及當地的海床資料,來分析這架風機該如何架設,才能安全又穩固。

要做到這一點,絕對不只有把船開過去、鑽頭放下去這麼簡單。

絕對不能挖錯洞!動態定位系統 On

先說說定位吧!為了要精準的在風機預定架設的位置鑽探,船的定位相當關鍵,透過 GPS 衛星定位將船開到預定地點只是第一關,第二關則是得讓船在鑽探的這幾天中都不能動。你總不希望在鑽探取樣的時候,你的船還跟著盧廣仲的魚仔游來游去、搖來搖去吧!

在風、海浪、洋流的各種「騷擾」下,船要能固定在同一個位置,一般是依靠錨來固定,而且大多不只一個。不過在大地能源號上,並不是用錨來固定船隻,而是用動態定位系統(Dynamic Positioning System),讓整艘船在鑽探過程中不受到風浪因素而偏移。這個動態定位系統可以根據儀器所測到的風速和風向,即時修正船隻位置,讓船保持固定。

大地能源號的動態定位系統(DP 系統)操作台,真正作業的時候這個位子屬於 DP 手,讓船可以抵抗海流不偏移。 圖/Emilee Hsieh

動態定位系統有如此的能力,在於它掌控了四個引擎。大地能源號的主人家、環球測繪公司地工技術總監黃宗宸解釋,這個系統會分析海流的流向、流速,並去預測下一秒的海流狀況,讓引擎朝反方向產生推力,使得探勘船能固定在原處。「這四顆引擎是 24 小時不間斷在燒油,一天就要燒掉 15 噸的油。」黃宗宸說。(我相信老闆心裡在淌血……)

雖然燒油花錢,不過好處是省下拋錨的時間。你會問拋錨需要多久?拋四個錨固定探勘船就要花六個小時,而動態定位系統只需要 10 分鐘。更別說錨的定位精準度完全比不上動態定位系統啊!

大地能源號的主要鑽台井架,也是負責鑽探的主要結構。 圖/Emilee Hsieh

大地能源號鳥瞰照。 圖/環球測繪公司提供

在定位沒有問題之後,船上的鑽探作業小組才會將海床框架與鑽探導板下放到海床,啟動鑽頭來切割海床地層。一般在雲林與彰濱外海以沉積層為主之地盤,離岸風力發電廠址的鑽探調查,會依據設計之需要鑽 80 到 100 公尺,並取得樣本供海床地質分析。

而鑽一個孔要多久呢?從事鑽探工作超過 35 年的環球測繪公司董事長黃新志說,鑽一個孔的作業時間取決於海床的地質,一般的砂土層只要兩天半到三天,然而台灣竹南以北的海床礫石較多,一個孔可能就要鑽八天!如果臨時遇到天候不好,船員們也只能收回鑽管、包袱款款回陸地避難,這一個孔就得下次回來重新再鑽一次。

在大地能源號來到台灣之前……

既然直到今年(2017)才有了這艘鑽探船,那以前需要鑽探的任務都怎麼辦呢?黃新志說,以往的探勘船來自國外,不過將船從國外調到台灣使用,需要多支付動員費,這筆費用相當高。從陸上鑽探工做起家的他,非常不服氣,決定自己來做。

環球測繪董事長黃新志剛出社會即踏入陸上鑽探工作,直到中年轉跨入海上鑽探領域。他所擁有的油壓式平台和探勘船,將成為離岸風電風場探勘的重要工具。 圖/Emilee Hsieh攝影

他從添購小型的油壓固定式工作平台開始,從陸地跨入海洋鑽探的工作。這種油壓平台得依靠拖船,將平台放到要鑽探的位置才能使用。平台的四隻腳會插入海底固定,再開始進行鑽探工作。有別於鑽探船,平台不需要像船一樣一直消耗油料,需要的人員也較少。不過缺點就是只能在較淺的區域使用,因為水越深,支撐的四隻腳就要加長,當腳長過長時,會因細長比過大,在受到較大之洋流與測向之風力作用時,對平台之穩定性會有相當大之影響。而且在遭遇天候變化時,平台較無法快速撤離。

油壓固定式工作平台適用於水深較淺的區域。 圖/環球測繪公司提供

近年來由於離岸風力發電開發的需求大增,也讓黃新志與合作夥伴們下定決心要自己買探勘船。風機預定設置點的地質探勘,不同於其他例如石油探勘等,需要精準的定位。「大地能源號」是我國目前的第一艘,接下來幾年也預定再投入其他艘船,來因應需求。目前這艘船已執行過彰濱工業區、雲林、桃園外海等風場的探勘任務。

鑽探起來的土壤樣本要做什麼?

不管是探勘船或平台取得的土壤樣本,都得經過專業人員的分析,才能決定這個位置適不適合蓋風機,或是適合蓋什麼類型的風機。黃宗宸說,這些樣本取出後,會先在船上判斷土壤的種類、初步了解它的物理特性,例如單位重、含水量等基本資訊,以作為安排後續試驗之依據。其他的樣本會封存在取樣管中,這個管內的樣品是不擾動的樣本,盡量保持該地地質原始的樣貌,然後送往專業的認證實驗室進行進一步的試驗與分析。

地質取樣管(圖左下方)。 圖/Emilee Hsieh攝影

在實驗室中,除了像是健康檢查一樣,要測試土壤的物理特性(如單位重、材料組成、含水量等),再由它的力學特性來提供風機基礎設計之參考依據。此外,靜的看完,動的也不能放過。風機設置之後,風機本身和土壤緊密貼合會相互影響,台灣處於環太平洋地震帶上,時常發生大大小小的地震,反覆的震動會讓土壤的顆粒相互推擠,有可能造成土壤液化的現象,使土壤瞬間失去支撐基礎的能力,就會讓風機傾倒。在了解各深度土層的動態特性後,若知道有相關的風險,就得考慮是否改變基樁形式或針對地盤狀況進行處理。

探勘船不只能鑽探,還可以找炸彈

這麼看起來,似乎這艘船只能在風機建設之前能發揮作用?

大地能源號因為具備動態定位系統,讓它能跨足不同的工作。在離岸風機建造的過程中,可以協助在打基樁時進行氣泡帷幕工法,減低工程噪音;也能在風機運作期間執行維護作業。非得用上這種有動態定位系統的船,原因無它,就是避免在作業過程中船不小心撞上很貴的風機,那可就得不償失了。

除了離岸風機相關的工程,搭配上磁力儀,還也可以成為海上行動金屬探測器,能夠協助尋找海底的未爆彈,或是墜海的飛機。

大地能源號內部。圖/環球測繪公司提供

有了船,還需要能操作的人

現在大地能源號上船員仍多半是外籍人士,目前正在申請將此船更改為台灣籍,在這之後船上將至少有三分之二為台灣的船員。國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權說,探勘船比起商船需要更精準地操作,定位上有差異。

但他期望有興趣的學生可以挑戰,並擁有海洋測量或海事工程的能力,就能勝任探勘船的工作。

國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權,本身就曾是一名船員,後來投入海洋地球物理領域。 圖/Emilee Hsieh攝影

對於一艘擁有動態定位系統的探勘船而言,船上的重要人物除了船長之外,就是操作動態定位系統的 DP 手。「我已經教了十年書,但我們台灣還沒有自己的 DP 手(船隻動力定位系統操作員,Dynamic Positioning Operater)。」國立高雄海洋科技大學航海系副教授許華智說。他提到 DP 手的訓練困難在於它的師徒制,必須有一個具有證照的 DP 手帶領,才有資格取得證照。「現在的困難是,我們一個都沒有。」許華智也期許,大地能源號能夠幫助國內訓練相關人才。

「(希望)我們的學生可以做的不是只是跑船而已,還能有更好的出路。」許華智說。

關於作者

趙軒翎

自由科學記者、創作者|在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:joanna3422[at]gmail.com