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研究生:翁士民
研究生(外文):Shi-Min Weng
論文名稱:雲林縣地下水流況受高鐵開發之影響研究
論文名稱(外文):Flow Circumstances Influenced by the Development of Taiwan High Speed Rail - A Case Study of Yunlin County
指導教授:溫志超溫志超引用關係
指導教授(外文):Jet Chau Wen
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:環境與安全工程系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:176
中文關鍵詞:雲林縣台灣高鐵三維地下水流模型
外文關鍵詞:Yun LinMODFLOWTaiwan High Speed Rail
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高鐵沿線在雲林縣境內的總長度為30.2公里,地表上高鐵橋墩的數量為882根,每兩根高鐵橋墩的平均間距為33.95公尺,且每一根高鐵橋墩的下方都有四根基樁。因為在雲林縣境內高鐵沿線的基樁數量很多,且高鐵橋墩之間距很短,可能影響雲林縣境內的地下水流場,使地下水水流遇到基樁而產生流線轉折,亦會造成基樁附近地下水流場之上游及下游水位產生高度不同的現象。本研究將利用美國地質學會 ( USGS ) 開發的MODFLOW數值模擬程式,建立高鐵沿線橋墩之基樁附近地下水流場,並評估高鐵沿線基樁對附近地下水位變化及流場的影響。
首先進行數值模擬範圍的設定。當模擬範圍設定完成後,才能正確地蒐集雲林地區的背景資料與水文地質資料及高鐵基樁的座標與基本資料。接著,蒐集與整理濁水溪沖積扇地下水流場模型的輸入參數及研究數值模擬程式的輸出資料格式,並利用濁水溪沖積扇之雲林地區的地下水位監測井網資料,進行濁水溪沖積扇地下水流場模型的驗證,並利用以上大尺度的地下水流場模型來建構小尺度之高鐵基樁附近地下水流場模型。觀察設置不同高鐵基樁數目對基樁附近地下水流場之影響。
本研究所建構的濁水溪沖積扇模型在雲林地區各個地下水位觀測井的模擬值與觀測值之平均誤差範圍在0.842 m ~ 25.906 m之間,而整體觀測井平均誤差為5.88 公尺,可知本研究所建構的濁水溪沖積扇模型尚未完成完整的率定程序,所以不管是各個觀測井平均誤差及整體平均誤差值都是很大的。在討論每一根基樁上下游的水位變化時,發現不管在雲林地區北部、中部及南部的1號基樁位置的上游水位在開始設置高鐵基樁後,皆會發生地下水位高程增加的情況,最大增加的地下水位差可達0.04378公尺,同時,1號基樁位置的最大的下降下游水位在開始設置高鐵基樁後,皆會發生地下水位高程下降的情況,最大下降的地下水位差可達-0.04424公尺。在探討不同的基樁數目對雲林地區北部、中部及南部1號基樁位置的影響,高鐵基樁數目由1根增加到5根,發現在1號基樁位置上游的地下水位差有逐漸增加的情況,相對地,在1號基樁位置下游地下水位差有逐漸下降的情況。討論雲林地區北部、中部及南部的高鐵橋墩附近的地下水流場在不同基樁數目的流況。本研究發現在雲林地區北部、中部及南部的高鐵橋墩附近於第1含水層( 自由含水層 )的地下水流場中,當增加高鐵基樁數目時,高鐵基樁上下游的地下水位差會愈小。但是,在高鐵橋墩附近於第2含水層( 受壓含水層 )的地下水流場中,當增加高鐵基樁數目時,高鐵基樁上下游的地下水位差會跟著增加。
The whole length of railroad of Taiwan High Speed Rail along the area of Yunlin County measured 30.2 kilometers. The numbers of piles on the ground of Taiwan High Speed Rail are counted 882. The average interval between two piles on the ground measured 33.95 meters. Moreover, there are four piles under each pile on the ground. Due to numerous piles and short interval between two piles, the ground water flow could be influenced and resulted in different water levels between upper section and lower section of the river.
This study is aimed to construct the simulated model of ground water level near the piles of Taiwan High Speed Rail and also evaluate the changes of water level by applying MODFLOW program designed by USGS.
In current study, the average errors of value percentages of simulated values and observed values are between 0.045~ 22.058 (%) according to this alluvial fan of Zhuoshui river constructed model of ground water level in Yunlin County. In fact, the general average error of observed value of wells is 4.546 (%). Therefore, the alluvial fan of Zhuoshui river constructed model in this study has finished the complete calibration process.
目錄
中文摘要………………………………………………………………… I
英文摘要………………………………………………………………. III
誌謝……………………………………………………………………. IV
目錄…………………………………………………………………….. V
表目錄……………………………………………………………...…VIII
圖目錄………………………………………………………………... IX
第一章 前言………………………………………………………….… 1
1.1 前言………………………………………………………………… 1
1.2 研究動機…………………………………………………………… 3
1.3 研究目的…………………………………………………………… 3
1.4 研究方法介紹……………………………………………………… 4第二章 文獻回顧…………………………………………………….… 6
2.1 MODFLOW的發展歷史…………………………………………... 6
2.2 MODFLOW數值程式與其他數值模擬方法之比較……………... 9
2.3 國內外應用MODFLOW在雲林地區地下水模擬之實際案例探討
…………………………………………………………………………. 14
第三章 研究方法與流程……………………………………………... 26
3.1 MODFLOW數值程式的歷史演進及簡介………………………. 26
3.2 在MODFLOW數值程式的理論介紹…………………………... 29
3.2.1 空間的離散化( Space Discretization )…………………………. 29
3.2.2 地下水流方程式( Ground – Water Flow Equation )…………… 37
3.3 MODFLOW數值程式的設計概念( Design Concepts )…………. 56
3.3.1 之前存在的設計概念-工具包、程序及模組( Previously Existing Design Concept-Packages, Procedures, and Modules )………. 56
3.3.2 增加的設計概念-處理程序( Added Design Concept-Processes )……………………………………………………… 58
3.3.3 全部的結構( Overall Structure )……………………………….. 61
3.3.4 地下水流處理程序( Ground-Water Flow Process )……………. 68
3.3.5 參數及變數( Parameter and Variable )…………………………. 68
3.3.6 列出的輸出資料( Listing Output )……………………………...69
3.4 常用的工具包…………………………………………………….. 71
3.4.1 基本工具包( Basic Package )…………………………………... 71
第四章 研究範圍概述……………………………………….……….. 77
4.1 地理環境………………………………………………………….. 77
4.2 地質架構………………………………………………………….. 82
4.3 高鐵橋墩基樁資料之介紹……………………………………….. 95
第五章 高鐵沿線地下水流場的建構與驗證…………………….….. 99
5.1 高鐵沿線地下水流場的建構…………………………………….. 99
5.2 高鐵沿線地下水流場的驗證…………………………………… 107
第六章 結果與討論………………………………………………... 114
6.1 每一根基樁上下游的水位變化………………………………… 118
6.1.1 雲林地區北部基樁上下游水位變化…………………………. 119
6.2 在不同基樁數目基樁上下游的水位變化……………………… 124
6.3 在不同基樁數目之基樁附近地下水流場的情況……………… 130
6.3.1 雲林地區北部在不同基樁數目之基莊附近地下水流場的情況
………………………………………………………………………... 130
6.3.2 雲林地區中部在不同基樁數目之基莊附近地下水流場的情況
………………………………………………………………………... 140
6.3.3 雲林地區南部在不同基樁數目之基莊附近地下水流場的情況
………………………………………………………………………... 150
第七章 結論與建議…………………………………………………. 162
7.1 結論……………………………………………………………… 162
7.2 建議……………………………………………………………… 164
參考文獻……………………………………………………………... 165

表目錄
表1 濁水溪沖積扇地下水流模型之模擬條件及參數設定表…….. 102
表2 雲林地區各個觀測井平均誤差值及整體觀測井平均誤差值比較表………………………………………………………………. 113

圖目錄
圖1 本研究流程圖…………………………………………………… 5
圖2 離散化後的含水層系統示意圖……………………………… 31
圖3 Block-Centered型及Point-Centered型網格之間差異示意圖….32
圖4 垂直方向空間離散化的示意圖…………………………………34
圖5 兩個高水力傳導係數的地質單元被一個低水力傳導係數的地質單元分隔的含水層剖面中,地下水流動的流線及等勢能線示意圖………………………………………………………………… 35
圖6 利用六層模型土層來表示低水力傳導係數的地質單元( 黏土單元 )之示意圖……………………………………………………. 36
圖7 利用模型土層之間的流通性來表示低水力傳導係數的地質單元之垂直剖面示意圖……………………………………………… 36
圖8 在第i ,j ,k網格及其六個鄰近的網格示意圖…………………… 40
圖9 從第i, j-1, k網格流入第i, j, k網格之示意圖………………….. 40
圖10 從河床滲流含水層網格的概念式意圖………………………… 46
圖11第i, j, k網格在時間tm的壓力水頭對時間微分之示意圖…….. 51
圖12 壓力水頭分佈的迭代計算示意圖……………………………… 52
圖13 含水層之邊界及網格設定示意圖……………………………… 55
圖14 MODFLOW – 96的整體程式架構圖…………………………… 66
圖15 MODFLOW-2000數值模式結合Global ( GLO )、Ground-Water Flow ( GWF )、Observation、Sensitivity ( OBS )及Parameter – Estimation ( PES )處理程序之程式流程圖…………………….. 67
圖16 單一含水層邊界矩陣( IBOUND )示意圖……………………… 73
圖17 在數值模擬期間,計算水頭分佈的流程圖…………………… 74
圖18 模擬時間被劃分成運作期間及時間階段示意圖……………… 76
圖18.1 雲林縣主要之地層分佈……………………………………… 79
圖18.2 濁水溪、北港溪及朴子溪集水區範圍及地質略圖…………. 81
圖18.3 濁水溪沖積扇地質鑽探井位及水文地質剖面位置圖………. 87
圖19 濁水溪沖積扇水文地質剖面五………………………………… 88
圖20 濁水溪沖積扇水文地質剖面六………………………………… 89
圖21 濁水溪沖積扇水文地質剖面七………………………………… 90
圖22 濁水溪沖積扇水文地質剖面九………………………………… 91
圖23 高鐵在雲林縣境內經過的鄉鎮示意圖………………………… 96
圖24 台灣高鐵橋墩基礎平面圖……………………………………… 97
圖25 樁帽頂部高程及基礎底部高程示意圖………………………… 97
圖26 台灣高鐵橋墩基礎側視圖……………………………………… 97
圖27濁水溪沖積扇地下水流模型第1至第4含水層之邊界條件示意圖……………………………………………………………….. 101
圖28 芳草(1)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(obs)及模擬地下水位(sim)比較圖………………. 104
圖29 九隆(1)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 105
圖30 九隆(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 105
圖31 海園(1)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(obs)及模擬地下水位(sim)比較圖………………. 106
圖32 海園(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………... 108
圖33 六合(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 108
圖34 莿桐(1)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 109
圖35 莿桐(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 109
圖36 烏塗(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 110
圖37 豐榮(1)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 110
圖38 豐榮(2)地下水位監測站於1995年1月1日至1998年12月31日監測水位(OBS)及模擬地下水位(SIM)比較圖……………. 111
圖40 高鐵橋墩之間地下水流場模型第1及第2含水層示意圖… 115
圖41 雲林地區北部、中部及南部的高鐵橋墩附近的地下水流場位置示意圖………………………………………………………... 116
圖42 雲林地區北部一號基樁位置上游的水位差變化圖………… 120
圖43 雲林地區北部一號基樁位置下游的水位差變化圖………… 121
圖44 雲林地區中部一號基樁位置上游的水位差變化圖………… 121
圖45 雲林地區北部一號基樁位置下游的水位差變化圖………… 122
圖46雲林地區南部一號基樁位置上游的水位差變化圖…………. 122
圖47 雲林地區南部一號基樁位置下游的水位差變化圖………… 123
圖48 雲林地區北部一號位置上游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 125
圖49 雲林地區北部一號位置下游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 125
圖50 雲林地區中部一號位置上游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 127
圖51 雲林地區中部一號位置下游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 127
圖52 雲林地區中部一號位置上游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 129
圖53 雲林地區中部一號位置下游在不同高鐵基樁數目的水位差變化圖……………………………………………………………... 129
圖54 雲林地區北部第一含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 130
圖55 雲林地區北部第二含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 131
圖56 雲林地區北部第一含水層在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 132
圖57雲林地區北部第二含水層在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 133
圖58 雲林地區北部第一含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 134
圖59 雲林地區北部第二含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 135
圖60 雲林地區北部第一含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 136
圖61 雲林地區北部第二含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 137
圖62 雲林地區北部第一含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 138
圖63 雲林地區北部第二含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 139
圖64 雲林地區中部第一含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 140
圖65 雲林地區中部第二含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 141
圖66 雲林地區中部第一含水層在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 142
圖67 雲林地區中部第二含水層在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 143
圖68 雲林地區中部第一含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 144
圖69 雲林地區中部第二含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 145
圖70 雲林地區中部第一含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 146
圖71 雲林地區中部第二含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 147
圖72 雲林地區中部第一含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 148
圖73 雲林地區中部第二含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 149
圖74 雲林地區南部第一含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 150
圖75 雲林地區南部第二含水層在設置一根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 151
圖76 雲林地區南部第一含水層在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 152
圖77 雲林地區南部在設置二根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖第二含水層………………………………………………... 153
圖78 雲林地區南部第一含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 154
圖79 雲林地區南部第二含水層在設置三根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 155
圖80 雲林地區南部第一含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 156
圖81 雲林地區南部第二含水層在設置四根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 157
圖82 雲林地區南部第一含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 158
圖83 雲林地區南部第二含水層在設置五根高鐵基樁高鐵基樁以後的水位差變化圖………………………………………………... 159
參考文獻

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