臺灣博碩士論文加值系統

本研究係透過一維數值模式對河道之天然隘口的水理及土砂調節功能進行系列之數值實驗，藉以瞭解並掌握隘口在大規模土砂流出時之囚砂功能及其在初始之排砂功能。為了改善原模式對於河寬突縮、突擴的模擬準確度，本研究參考Cunge, J. A.等人在1980年對於一維動量方程式(de saint venant eq.)進行推導，並加入河寬改變時所產生的壓力變化項。目的在於模擬天然隘口的水理變化及土砂調節功能。
本模式之數值方法是以顯式有限差分法(Explicit Finite Difference Method)，將模式採用之基本方程式離散化處理，並配合分離演算法(Uncoupled Method)以計算水、砂之運動過程。再針對模式本身進行穩定性分析、水流守恆性分析及土砂守恆性分析等三種基本數值測試，且通過測試。並以水工實驗作為模式驗證的案例，對於模擬河道之天然隘口的水理及土砂堆積變化，模式計算成果與實驗結果具有相同之趨勢。
最後針對隘口之土砂調節效益進行分析，結果顯示，當土砂事件發生時，隘口具有將排砂歷線尖峰降低之效益與隘口上游堆積之土砂延遲排出之功能，及快速囚砂與慢速排砂之特性，且隨著束縮比(R)愈高，上述之特性愈強烈，而囚砂率也會隨之升高。工程應用方面，模擬結果顯示，在隘口最窄處施作一全封閉壩，將有助於隘口囚砂率的提升，使之有更好的土砂調節能力。

The research applied one-dimension numerical model to understand the change of hydraulic and sediment control function when large scale sediment event occurred. In order to improve accuracy of numerical model for simulating river narrow-section effect, the model revised the pressure force term of momentum equation due to the river width variation.

Numerical Scheme used explicit finite difference method to discrete governing equation and applied uncoupled method to calculate the change of hydraulic and sediment transport. The numerical model was tested the stability, water and sediment volume conservation analysis. Take lab experiment cases as numerical model verification to simulate hydraulics and sediment deposition variation. The simulation results were comparable to lab experiments.

This research used numerical experiment to analyze sediment control function of river narrow-section effect. The result of numerical experiments show that river narrow-section can (1) lower the peakflow of sediment outflow discharge, (2) prolong the sediment drainage out duration, and (3) trap sediment quickly and drain sediment to downstream slowly, when sediment event happened. As the contraction ratio (channel width divided by minimum width) increase, the characteristics of the foregoing description are significant. In the aspect of engineering application, simulation point out closed-type check dam placed on the narrow-section can raise the trapping efficiency and make sediment control function better.

摘要 I
誌謝 XII
目錄 XIII
表目錄 XV
圖目錄 XVII
符號說明 XXI
第一章、緒論 1
1-1、研究背景與動機 1
1-2、研究目的與方法 1
1-3、前人研究 2
1-3-1、束縮渠道之水理現象 3
1-3-2、河道地形局部變化對上游泥砂運動之影響 5
1-3-3、水理模式比較 8
1-3-4、輸砂理論比較 9
1-4、研究架構 13
第二章、基本理論與模式建立 15
2-1、基本方程式 15
2-1-1、水流基本方程式與修正 15
2-1-2、河床輸砂基本方程式 22
2-1-3、河床變動基本方程式 26
2-2、模式架構 27
2-2-1、水流差分方程式 28
2-2-2、輸砂差分方程式 31
2-2-3、河床變動差分方程式 32
2-3、起始條件與邊界條件 33
2-4、模式計算流程 34
第三章、模式測試 35
3-1、測試條件設定 35
3-2、穩定性分析 38
3-3、水流守恆性分析 42
3-4、土砂守恆性分析 50
第四章、參數率定與模式驗證 58
4-1、參數率定 58
4-2、模式驗證 65
4-2-1、水理模擬結果與比較 65
4-2-2、土砂模擬結果與比較 82
第五章、數值實驗與工程應用 114
5-1、數值實驗-不同束縮比之效益測試 114
5-1-1、排砂折減效益與無因次延遲時間 114
5-1-2、囚砂體積速率與排砂體積速率 119
5-1-3、隘口之囚砂率分析 122
5-1-4、亞臨界流之隘口對土砂調節情形 124
5-2、數值實驗-無因次臨界輸砂濃度 131
5-3、工程應用 140
第六章、結論與建議 143
6-1、結論 143
6-2、建議 145
參考文獻 146

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