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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡旻霖
研究生(外文):Min-Lin Tsai
論文名稱:FLO-2D數值模式應用於土石流之分析-以南投縣頭坑溪為例
論文名稱(外文):Application of FLO-2D Numerical Simulation Model in Debris-flow Analysis for Toukeng Creek, Nantou County
指導教授:林基源林基源引用關係
指導教授(外文):Ji-Yuan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:150
中文關鍵詞:影響強度匯入FLO-2D土石流發生機率
外文關鍵詞:Debris-FlowFLO-2DDebris DamInfluential IntensityOccurrence Probability
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本研究利用FLO-2D二維數值模式,配合雨量資料及數值地形資料來模擬土石流流動狀態,包括流動深度、流動速度及堆積範圍,另分析頭坑溪土石流匯入和社溪主流短暫形成堰塞湖後,其主流流路變化及水位抬升之反應,亦探討堰塞湖流潰對兩岸與下游河道危害影響情形;同時藉由已蒐集之現地調查結果,驗證數值模擬之正確性。

本研究主要分為二部份,第一部份利用FLO-2D二維數值模式,進行莫拉克颱風實際降雨量於頭坑溪之土石流境況模擬,並藉由土石流災後航照圖,進行模擬結果及數據比對之判勢,結果大致符合。為了解FLO-2D模式應用於現地案例時數值參數對模擬結果之影響程度,改變模式演算方法。分別以不同降伏應力、黏滯係數、體積濃度與比重等參數進行模擬,以瞭解參數值對模式之影響性,作為後續模擬分析時優先修正之參數及調整量大小之判斷原則。

第二部分利用FLO-2D二維數值模式進行頭坑溪之土石流匯入主流和社溪,使主流流路改向及水位抬升之反應及其對兩岸與下游河道進行分析,再利用瑞士災害程度分類之方法,進行土石流危險區域危險度之等級分類,主要由影響強度與發生機率兩種參數構成,劃分為三種等級,並將災害模擬之結果繪製成危險區域分佈圖,以作為土砂防治工程之參考依據。


關鍵詞:土石流、FLO-2D、匯入、影響強度、發生機率。
A two-dimensional numerical model FLO-2D was used to simulate debris flow for Toukeng creek in this study. Input the DTM (digital terrain model) data, hydraulic data and the rainfall data for Typhoon Morakot, the simulation results of debris flow including flow depth, flow velocity and deposition area were obtained. Besides, Toukeng creek debris-flow event in Tyohoon Morakot forms debris dam in Heshe River for a short time. The main-flow and water level changes in Heshe River were also simulated. The debris flow and debris dam caused the damages along Toukeng creek and downstream river hazards in Heshe River were discussed and compared with the field investigations. These results verify the accuracy of the numerical simulations.

This study comprises two main parts. The first part focused on the FLO-2D model, through inputting rainfall data during Typhoon Morakot to simulate debris-flow event in Toukeng Creek. Then, comparing the simulation results with aerial photograph taken after Typhoon Morakot, and it generally has a good match. Sensitivity of parameters was also proceeded to understand the impact of parameters on the FLO-2D simulation results. Five important parameters were chosen to discuss the sensitivity including, yield stress, viscosity, concentration of volume, and sediment specific gravity.

The second part focused on the effect of debris dam in Heshe River, caused during Typhoon Morakot for debris-flow event in Toukeng Creek. Toukeng Creek is a branch of the Heshe River that when the debris flow deposit in Toukeng Creek will affect the conditions of the main flows. These situations and water level changes in Heshe River were also simulated and discussed. This study also used the method of the Swiss to classify the hazard degree of debris flow in risk assessment, mainly by considering the influential intensity and occurrence probability. Finally, the analysis results were divided into three levels, and plotted the results of disaster simulations of the regional distribution of risk map, as a sediment control works of reference.

Key Words: Debris-Flow, FLO-2D, Debris Dam, Influential Intensity, Occurrence Probability.
摘要 I
Abstract I
誌謝 IV
目 錄 V
表 目 錄 IX
圖 目 錄 XII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3研究內容 3
第二章 文獻回顧 5
2.1土石流定義 5
2.2土石流地形分區 6
2.3 土石流之分類 8
2.4土石流之流動特性 11
2.5土石流流量及流速和堆積特性 15
2.5.1 土石流流速 15
2.5.2土石流流量 18
2.5.3堆積特性 19
2.6土石流材料參數 20
2.7土石流危害方式 24
2.8土石流匯入主流 26
2.9土石流數值模擬 32
第三章 FLO-2D程式理論 42
3.1 FLO-2D程式理論簡介 42
3.2 控制方程式 43
3.2.1連續方程式 43
3.2.2運動方程式 44
3.3 流變方程式 44
第四章 研究區域概況 49
4.1地理概況 49
4.2地形分析 50
4.3集水區概況 58
4.3.1地文因子分析 58
4.3.2頭坑溪歷史災害資料 59
第五章 研究分析參數決定 66
5.1地形資料 66
5.2雨量資料 67
5.3土石流流量歷線與模擬時間 69
5.4體積濃度 69
5.5降伏應力及黏滯係數 70
5.6土石流體中土石比重(Gs) 71
5.7層流阻滯係數(K) 71
5.8曼寧粗糙係數(n) 72
第六章 研究成果與討論 73
6.1資料前處理 73
6.2頭坑溪模擬結果 75
6.3模擬成果與實際情境模擬準確度 77
6.4敏感度分析 81
6.4.1降伏應力之影響 81
6.4.2黏滯係數之影響 86
6.4.3體積濃度之影響 91
6.4.4比重之影響 96
6.4.5敏感度分析討論 100
6.5風險地圖之建置 103
6.5.1頭坑溪一日暴雨頻率分析 104
6.5.2密合度檢定法及機率分布選用準則 109
6.5.3位序法設計雨型之重現期模擬 113
6.5.4各重現期模擬之風險地圖之建置 118
6.6頭坑溪土石流擠壓主河道境況模擬 124
6.6.1和社溪主流流量歷線 124
6.6.2支流土石流匯入主流數值模擬成果 125
第七章 結論與建議 129
7.1結論 129
7.2建議 130
附錄 138




表 目 錄
表2-1 土石流分類及相關性質(池谷浩,1980) 10
表2-2 土石流分類表(土石流防災資訊網,2011) 11
表2-3 三種流動型式的土石流相貌表現(Davis, 1998) 15
表2-4 土石流曼寧粗糙值(周必凡,1991) 16
表2-5 土石流參數整理(吳政貞,2003) 22
表2-6 土石流發生危害型態 24
表2-7 土石流支流入匯主流堆積形式(匡尚富,1995) 26
表2-8 郭志學(2000)提出土石流堵河之主要因子 28
表2-9 朱平一(2000)提出土石流堵河之主要因子 30
表2-10 土石流匯入的主河河型分類表(梁志勇,2001) 32
表2-11 Hubl and Steinwendtner(2001)使用參數 34
表2-12 Garcia等(2003)之參數列表 35
表2-13 Aleotti and Polloni(2003)之參數列表 37
表2-14 和社地區模擬之參數列表(林美聆,2000) 37
表3-1 降伏應力、動力黏滯係數與體積濃度關係表(FLO-2D使用手冊,2009) 47
表4-1 頭坑溪集水區高程分部統計表 50
表4-2 頭坑溪集水區坡度分佈表 52
表4-3 頭坑溪集水區坡向分佈統計表 54
表4-4 頭坑溪集水區地質分佈統計表 56
表4-4 頭坑溪集水區地文因子分析表 58
表4-4 頭坑溪現地勘查照片 63
表5-1 本研究所取得之地形資料 66
表5-2 雨場分割六種方法 67
表5-3 頭坑溪內雨量站以徐昇多邊形網分析所測之最大雨量 69
表5-4 層流阻滯係數參考表(FLO-2D使用手冊,2009) 71
表5-5 曼寧粗糙係數估計表(FLO-2D使用手冊,2009) 72
表6-1 本研究FLO-2D模式各參數設定整理 74
表6-2 頭坑溪土石流模擬結果之分析 75
表6-3 準確度因子統計表 79
表6-5 各降伏應力模擬深度和速度比較表 82
表6-6 敏感度分析-不同黏滯係數參數表 86
表6-7 各黏滯係數模擬深度和速度比較表 87
表6-8 各體積濃度模擬深度和速度比較表 92
表6-9 各比重模擬深度和速度比較表 96
表6-10 各參數對模擬結果總整理表 100
表6-11 最大堆積深度變化量 101
表6-12 最大速度變化量 101
表6-13 平均深度變化量 101
表6-14 網格數變化量 102
表6-15 整體變化量與各參數之敏感度分析結果 102
表6-16 K-S檢定臨界值資料表 111
表6-17 東埔雨量站一日暴雨分析表 112
表6-18 500年重現期位序法設計雨 114
表6-19 頭坑溪各重現期土石流模擬分析表 115
表6-20 危險區的定義或災害程度(García等,2004) 118
表6-21 洪水泛濫之影響強度 119
表6-22 泥流與土石流之影響強度 119
表6-23 頭坑溪各重現期風險分析表 121
表6-24 和社溪內雨量站以徐昇多邊形網分析所測之最大雨量 124












圖 目 錄
圖1-1 研究流程圖 4
圖2-1 土石流發生之基本概念及其運動特性 (詹錢登,2000) 5
圖2-2 土石流的地形分區(潘國樑,2006) 7
圖2-3 河谷型土石流及山坡型土石流(改繪潘國樑,2007) 9
圖2-4 土石流流動性狀示意圖(水保手冊,2005) 13
圖2-5 土石流流動類型圖示分類法示意圖 14
圖2-6 土石流在流槽彎曲處的堆積情形 (Johnson & Rodine, 1984) 17
圖2-7 土石流堆積輸沙過程三種類型之發生區域(匡尚富) 26
圖2-8 土石流評估流動距離流程圖(林基源等,2004) 27
圖2-9 土石流與主河交匯形式 29
圖2-10 土石流與主流水流交匯模式示意圖(陳德明,2000) 30
圖2-11 土石流入匯主流之型式(陳德明,2000) 31
圖2-12 土石流最大深度及速度分佈 33
圖2-13 土石流體積濃度改變之堆積深度分佈 34
(Hubl and Steinwendtner, 2001) 34
圖2-14 10年重現期洪峰流量及體積濃度和堆積深度圖(Garcia等,2003) 35
圖2-15 100年重現期洪峰流量及體積濃度和堆積深度圖(Garcia等,2003) 35
圖2-16 500年重現期洪峰流量及體積濃度和堆積深度圖(Garcia等,2003) 36
圖2-17 Tanaguarena危險度分佈圖(Garcia等,2003) 36
圖2-18 花蓮大興村模擬最大深度結果(蘇立明,2002) 38
圖2-19 白雞山莊模擬流深分布結果(邱禎龍,2002) 39
圖2-20 無建築物無水工結構物之境況模擬 40
圖2-21 有建築物無水工結構物之境況模擬 40
圖2-22 實際堆積範圍及模擬之淹沒範圍套疊圖 41
圖3-1 座標系統圖 43
圖3-2 剪應力與剪切率之關係圖(FLO-2D使用手冊,2009) 46
圖3-3 降伏應力與體積濃度相對圖(FLO-2D使用手冊) 48
圖3-4 動力黏滯係數與體積濃度相對圖(FLO-2D使用手冊) 48
圖4-1 信義鄉同富村頭坑溪集水區地理位置圖 49
圖4-2 頭坑溪集水區高程分佈統計圖 50
圖4-3 頭坑溪集水區高程分佈圖 51
圖4-4 頭坑溪集水區坡度分佈統計圖 52
圖4-5 頭坑溪集水區坡度分佈圖 53
圖4-6 頭坑溪集水區坡向分佈統計圖 54
圖4-7 頭坑溪集水區坡向分佈圖 55
圖4-8 頭坑溪集水區地質分佈統計圖 56
圖4-10 台21線117.5K 土石流(摘自林銘郎,1996) 59
圖4-11 頭坑溪土石流災點圖(修改自林美聆,1999) 59
圖4-12 頭坑溪(DF202)土石流整體構造圖(修改自林基源,2009) 61
圖4-13 頭坑溪於2009/8/9之降雨量與災害事件時間流程圖 62
圖4-14 頭坑溪(DF202)上游崩塌情形 (摘自林務局南投林區管處,2010) 65
圖5-1 莫拉克颱風路徑(中央氣象局) 68
圖5-2 頭坑溪落於2009/8/6-/10之降雨組體與累積雨量圖 68
圖6-1 頭坑溪模擬之最大堆積深度圖 76
圖6-2 頭坑溪模擬之最大流動速度圖 76
圖6-3 準確度因子參數示意圖 77
圖6-4 實際堆積範圍及境況模擬之淹沒範圍套疊圖 80
圖6-5 98年航照圖暨模擬之淹沒範圍套疊圖 80
圖6-6 各降伏應力模擬最大深度和最大速度比較圖 82
圖6-7 不同降伏應力模擬最大深度和最大速度之分佈圖 83
圖6-8 不同降伏應力模擬最大深度和最大速度之分佈圖 84
圖6-9 不同降伏應力模擬最大深度和最大速度之分佈圖 85
圖6-10 各黏滯係數模擬最大深度和最大速度比較圖 87
圖6-11 不同黏滯係數模擬最大深度和最大速度之分佈圖 88
圖6-12 不同黏滯係數模擬最大深度和最大速度之分佈圖 89
圖6-13 不同黏滯係數模擬最大深度和最大速度之分佈圖 90
圖6-14 各體積濃度模擬最大深度和最大速度比較圖 92
圖6-15 不同體積濃度模擬最大深度和最大速度之分佈圖 93
圖6-16 不同體積濃度模擬最大深度和最大速度之分佈圖 94
圖6-17 不同體積濃度模擬最大深度和最大速度之分佈圖 95
圖6-18 各比重模擬最大深度和最大速度比較圖 97
圖6-19 不同比重模擬最大深度和最大速度之分佈圖 98
圖6-20 不同比重模擬最大深度和最大速度之分佈圖 99
圖6-21 風險地圖之建置流程圖 103
圖6-21 東埔雨量趨勢線 113
圖6-22 降雨延時24小時總降雨量500年重現期之位序法設計雨型
……………………………………………………………………….115
圖6-23 重現期10年之沖積扇堆積深度圖 116
圖6-24 重現期100年之沖積扇堆積深度圖 116
圖6-25 重現期500年之沖積扇堆積深度圖 117
圖6-26 發生強度與發生機率的危險區分類(García等,2004) 120
圖6-27重現期距10年之影響強度分佈圖 121
圖6-28重現期距100年之影響強度分佈圖 122
圖6-29重現期距500年之影響強度分佈圖 122
圖6-30頭坑溪各重現期土石流影響範圍比較圖 123
圖6-31頭坑溪莫拉克颱風影響強度分佈圖 123
圖6-32 和社溪落於2009/8/6-/10之降雨組體與累積雨量圖 125
圖6-33 匯流最大深度之分佈圖 126
圖6-34 匯流最大深度之等高線圖 126
圖6-35 修正DEM匯流流動方向之分佈圖 127
圖6-36 未修正DEM匯流最大深度之分佈圖 128
圖6-37 未修正DEM匯流最大深度之等高線圖 128
圖6-38 修正DEM匯流最大深度之分佈圖 128
圖6-39 修正DEM匯流最大深度之等高線圖 128
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