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研究生:陳昇佑
論文名稱:沉滓交換機制之模擬與應用
論文名稱(外文):Simulation and Application of Sediment Exchange Mechanism
指導教授:葉克家葉克家引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:交換機制
外文關鍵詞:Sediment Exchange Mechanism
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河道沉滓之運移機制相當複雜,本研究在一維有限解析法動床模式架構下,參考許氏(2002)之成果,將懸浮載與河床載分開計算,利用van Rijn(1984)公式計算河床載與懸浮載之垂直平衡濃度剖面,並考慮水體實際懸浮載濃度剖面,此二濃度剖面間之差異即為懸浮載與河床載間之沉滓交換速率,並據以模擬渠道底床沖刷或淤積量。
模式之率定部份係採Suryanarayana(1969)均勻與非均勻沉滓動床實驗資料,針對渠道沖刷與淤積案例進行模擬。結果顯示適度的考慮前述沉滓交換機制,將有助於動床沖淤精確之模擬。最後,為顯示本模式之實用性,將模式應用於模擬阿公店水庫空庫防淤策略對下游河道沖淤之影響,模擬水庫不同排砂濃度對下游河道沖淤之短期及長期影響,所得之結果可提供水庫更新改善計畫之參考。
Sediment transport mechanism in rivers is quite complicated. This study is under the framework of the 1-D finite analytic mobile-bed model, and refers Hsu’s (2002) results. In the model, the sediment transport rate is divided into suspended load and bed load. The bed load and the equilibrium vertical concentration profile of the suspended load are calculated by van Rijn’s (1984) formulas. In addition, the actual concentration of suspended load is concerned. The difference between the two concentration profiles determines the exchange rate between the suspended load and the bed load, and also the quantity of channel scour or deposition.
Suryanarayana’s (1969) experimental data for the scour and deposition cases of uniform and non-uniform bed material are adopted for the calibration of the proposed model. Results show that consideration of abovementioned exchange mechanism can accurately simulate the experimental data. Finally, to demonstrate the practicability of the model, the impact of the flushing from Ah-Kong-Diann Reservoir on its downstream channel is simulated. The shortterm and longterm impacts on downstream scour and deposition of Ah-Kong-Diann Creek due to various sediment concentrations released from the Reservoir are evaluated. The results provide some useful information for the reservoir flushing operation in future.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究內容 4
第二章 理論基礎 6
2.1 模式概述 6
2.2 水流控制方程式 6
2.3 輸砂控制方程式 7
2.4 無黏性沉滓輸砂輔助關係式 8
2.4.1 河床載通量 8
2.4.2 作用層厚度 9
2.4.3 作用層源 10
2.4.4 沉滓交換速率-懸浮載源 10
2.4.5 積分法 12
2.4.5.1 平衡濃度剖面 13
2.4.5.2 水體承載濃度剖面 14
2.4.5.3 沉滓交換速率( )-積分法 15
2.5 黏性沉滓輸砂輔助關係式 16
第三章 數值方法 18
3.1 求解水流方程式之數值方法 18
3.1.1 有限解析法簡介 19
3.2 求解輸砂方程式之數值方法 20
3.3 輸砂數值解析法(Newton-Raphson法) 22
第四章 模式檢定與驗證 25
4.1 清水沖刷形成之濃度剖面發展過程 26
4.2 動床模式率定 27
4.3 模式演算參數設定 27
4.3.1 初始河道幾何資料 27
4.3.2 初始河床質資料 28
4.3.3 粗糙係數 28
4.3.4 上游入砂濃度 28
4.3.5 孔隙率 29
4.3.6 參考高程 (reference level) 29
4.3.7 各案例流量及下游水位資料 29
4.4 率定案例模擬 29
4.4.1 均質淤積案例 (Run21) 29
4.4.2 均質沖刷案例 (Run22) 30
4.5 應用案例模擬 31
4.5.1 均質淤積案例 (Run25) 31
4.5.2 均質沖刷案例 (Run24、Run26) 32
4.5.3 非均質沖刷案例 (Run14) 33
4.6 分析與討論 33
第五章 模式之應用研究 34
5.1 阿公店水庫下游河道動床模擬 34
5.2 模式演算輸出入參數 35
5.2.1 初始河道幾何資料 35
5.2.2 初始河床質資料 36
5.2.3 粗糙係數 37
5.2.4 支流模擬長度與匯流位置 37
5.2.5 河口潮位歷線 37
5.2.6 入流含砂濃度 38
5.2.7 模式輸出參數 40
5.3 阿公店水庫下游河道實例模擬 40
5.3.1 案例一 40
5.3.2 案例二 42
5.4 分析與討論 44
第六章 結論與建議 45
6.1 結論 45
6.2 建議 47
參考文獻 48
表目錄
表 4.1 各案例上游入流量與下游水位條件 54
表 5.1 阿公店溪各計畫斷面相關資料表 55
表 5.2 阿公店溪各斷面代表粒徑組成百分比 57
表 5.3 各年之底床高程變化量(案例二) 59
表 5.4 各年之平均底床高程變化量(案例二) 62
圖目錄
圖 2.1 沈滓傳輸型態示意圖 63
圖 2.2 相同水理條件不同沈滓粒徑之水深平均平衡濃度
變化圖 63
圖 2.3 相同水理條件不同沈滓粒徑之平衡參考濃度變化
圖 64
圖 2.4 定義沈滓交換速率之作用高度示意圖 64
圖 3.1 懸浮沈滓之移流特性軌跡圖 65
圖 4.1 清水沖刷形成之濃度剖面發展過程示意圖 66
圖 4.2 數值模擬之清水沖刷濃度剖面發展與van Rijn試驗結果比較圖 67
圖 4.3 模型裝置圖(Suryanarayana 1969) 68
圖 4.4 非均勻質粒徑分佈曲線圖(Suryanarayana 1969) 69
圖 4.5 Run21濃度剖面示意圖(斷面6) 70
圖 4.6 Run21濃度剖面示意圖(斷面16) 71
圖 4.7 Run21濃度剖面示意圖(斷面26) 72
圖 4.8 Run21濃度剖面示意圖(斷面36) 73
圖 4.9 Run21濃度剖面示意圖(斷面46) 74
圖 4.10 Run21濃度剖面示意圖(斷面55) 75
圖 4.11 Run21 Aggradation(1小時後) 76
圖 4.12 Run21 Aggradation(2.5小時後) 77
圖 4.13 Run21 Aggradation(4.5小時後) 78
圖 4.14 Run21 Aggradation(7小時後) 79
圖 4.15 Run21 Aggradation(10小時後) 80
圖 4.16 Run22濃度剖面示意圖(斷面6) 81
圖 4.17 Run22濃度剖面示意圖(斷面16) 82
圖 4.18 Run22濃度剖面示意圖(斷面26) 83
圖 4.19 Run22濃度剖面示意圖(斷面36) 84
圖 4.20 Run22濃度剖面示意圖(斷面46) 85
圖 4.21 Run22濃度剖面示意圖(斷面55) 86
圖 4.22 Run22 Degradation(1.5小時後) 87
圖 4.23 Run22 Degradation(4小時後) 88
圖 4.24 Run22 Degradation(9小時後) 89
圖 4.25 Run25 Aggradation(1.5小時後) 90
圖 4.26 Run25 Aggradation(3小時後) 91
圖 4.27 Run25 Aggradation(5小時後) 92
圖 4.28 Run25 Aggradation(7小時後) 93
圖 4.29 Run25 Aggradation(9小時後) 94
圖 4.30 Run24 Degradation(1小時後) 95
圖 4.31 Run24 Degradation(2.5小時後) 96
圖 4.32 Run24 Degradation(4.5小時後) 97
圖 4.33 Run24 Degradation(7小時後) 98
圖 4.34 Run24 Degradation(10小時後) 99
圖 4.35 Run26 Degradation(1.25小時後) 100
圖 4.36 Run26 Degradation(3.25小時後) 101
圖 4.37 Run26 Degradation(6小時後) 102
圖 4.38 Run26 Degradation(10小時後) 103
圖 4.39 Run14 Degradation(1.9小時後) 104
圖 4.40 Run14 Degradation(6.67小時後) 105
圖 4.41 Run14 Degradation(12.67小時後) 106
圖 5.1 阿公店溪流域位置圖 107
圖 5.2 阿公店溪斷面位置示意圖 108
圖 5.3 阿公店溪(中、下游段)計畫河道標準橫斷面圖 109
圖 5.4 各紀錄斷面水位歷線圖(案例一) 112
圖 5.5 底床高程變化圖(案例一) 112
圖 5.6 懸浮質濃度沿程變化圖(案例一) 112
圖 5.7 懸浮載源沿程變化圖(案例一) 113
圖 5.8 粒徑組成百分比剖面圖(案例一) 114
圖 5.9 第11年底床高程變化圖(案例二) 116
圖 5.10 第11年懸浮載濃度剖面圖(案例二) 116
圖 5.11 第11年懸浮載源剖面圖(案例二) 117
圖 5.12 第11年河床質粒徑組成及中值粒徑變化情形(案例二) 118
參 考 文 獻
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