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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:羅維清
研究生(外文):Wei-Qing Luo
論文名稱:不同土壤表土蒸發量之現地試驗
論文名稱(外文):The Evaporation of Different Soil Surface in Situ Experiment
指導教授:張德鑫張德鑫引用關係
指導教授(外文):Te-Hsing Chang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:145
中文關鍵詞:土壤蒸發土壤含水量土水蒸發比
外文關鍵詞:the ratio of soil to watersoil evaporationsoil moisture
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摘要
水文循環過程中蒸發量扮演相當重要角色,尤其在水收支平衡計算上
更不可或缺。臺灣受到地理及氣候影響,降雨於時間與空間上分布不均,
加上地形變化起伏、河川短促,不易將降雨攔蓄利用,使得大部份雨水都
直接奔流入海,使得台灣可利用的水資源更加有限。
影響土壤蒸發量的因子很多,特別是土壤種類與其含水量多寡直接影
響到蒸發量。因此本文選擇紅土、細砂、砂質壤土與級配砂等4 種土樣,
進行全程蒸發過程之現地試驗,其研究結果將有助於探討不同土壤含水量
與蒸發量關係式之建立。本研究於中原大學校園進行現地試驗,每日以秤
重法量測土壤與自由水面蒸發量,再依照土壤含水量與土水蒸發比的相互
關係,利用OriginPro 8.5 軟體繪製含水量與蒸發比之關係圖,則可得知不
同土壤之蒸發推估式。
研究結果顯示,土壤含水量與土水蒸發比迴歸關係式,其迴歸判定係
數均大於0.8。另將實驗量測之自由水面蒸發量與氣象站蒸發皿資料比較,
得到春季修正係數為0.54,夏季修正係數為0.67,將兩修正係數平均得其
值為0.605,此值對模式之建立具有参考價值。研究最後以模式計算結果與
試驗結果比較,其值大致符合,因此本研究所建立之不同土壤蒸發量與含
水量關係式,可實際用於長期土壤蒸發總量之估算。

Abstract
In the process of the hydrological circulation, Evapotranspiration plays a very important
role. Specifically in hydraulic engineering, it is important items in water balance computation.
In Taiwan Affected by the geography and climate, rainfall is uneven distribution of time and
space,and terrain changes and fluctuations is very giant、river is short and rapid,because
rainfall intercepts and stores is not easy to use, so rain flows into the sea directly, Available
water resource is more limited in Taiwan. There is many influence factors in soiltranspiration
rate, includes meteorological variables, the moisture amount and type of soil will also directly
affect soil evaporation.Therefore, in this paper, four kinds of soil evaporation process will be
researched and analysised, The outcome of the study will contribute to the model setting up of
different soil moisture and evaporation.
The experiment was performed at the Chung Yuan Christian University, using weighing
method for measured soil evaporation and the free water surface evaporation every
day ,according to the between the change of the water content of the soil and the ratio of soil
to water,using OriginPro 8.5 draw the diagram of dimensionless of water content and
evaporation rate, will know the soil full of evaporation results.
The result shows, the interrelationship between the change of the water content of the
soil and the ratio of soil to water, after the regression analysis by OriginPro 8.5, the R-square
values are all greater than 0.8. In addition to Compare the experimental measurements of free
surface evaporation and the weather station of Pan Data, Spring correction factor of 0.54,
Summer correction factor of 0.67, average the value of 0.605.There is a great help for
Hydro-meteorological model established and very valuable reference. Finally, the model and
experimental results are broadly in line with, therefore, verify the mode can use to calculate
the soil evaporation.

目錄
摘要 ........................................................................................................................ I
Abstract ................................................................................................................ II
致謝 ..................................................................................................................... III
目錄 ..................................................................................................................... IV
表目錄 ................................................................................................................. VI
圖目錄 .............................................................................................................. VIII
第一章 緒論 ...................................................................................................... 1
1-1 前言 ......................................................................................................... 1
1-2 研究動機與目的 ..................................................................................... 1
1-3 研究流程 ................................................................................................. 2
第二章 文獻回顧 .............................................................................................. 4
2-1 土壤水分相關常數 ................................................................................. 4
2-1-1 水力傳導係數 .............................................................................. 4
2-1-2 毛管斷裂濕度 .............................................................................. 4
2-1-3 凋萎點 .......................................................................................... 5
2-1-4 孔隙率 .......................................................................................... 5
2-1-5 含水量 .......................................................................................... 6
2-2 土壤水分保持曲線 ................................................................................. 6
2-2-1 土壤水分保持曲線之量測方法 .................................................. 6
2-2-2 土壤水分保持曲線之相關研究 .................................................. 7
2-3 土壤含水量 ............................................................................................. 8
2-4 土壤含水量與蒸發散量關係................................................................. 8
2-5 衛星遙測與蒸發散量之相關文獻 ...................................................... 10
2-6 類神經模糊系統與蒸發散量之相關文獻 .......................................... 11
2-7 土壤蒸發之相關文獻 ........................................................................... 11
2-8 其餘蒸發散量之相關文獻 ................................................................... 13
第三章 理論背景 ............................................................................................ 18
3-1 水分在土壤中之狀態 ........................................................................... 18
3-2 土壤含水量與蒸發量及降雨量之關係 .............................................. 19
3-3 水面蒸發基本理論 ............................................................................... 19
3-4 土壤蒸發基本理論 ............................................................................... 20
3-5 蒸發量之推估 ....................................................................................... 21
3-5-1 水面蒸發量推估 ........................................................................ 21
3-5-2 土壤蒸發量推估 ........................................................................ 23
V
3-5-3 遙測蒸發散 ................................................................................ 23
3-5-4 以類神經網路推估蒸發量 ........................................................ 24
3-6 土壤蒸發三階段 ................................................................................... 27
3-7 台灣地區蒸發皿係數 ........................................................................... 28
第四章 實驗設備與方法 ................................................................................ 29
4-1 土壤基本性質分析 ................................................................................ 29
4-1-1 土壤比重試驗 ............................................................................. 29
4-1-2 土壤粒徑分析試驗 ..................................................................... 30
4-2 蒸發實驗之基本假設 ........................................................................... 31
4-3 實驗方法 ............................................................................................... 32
4-3-1 土樣採集與儀器規格 ................................................................. 32
4-3-2 土壤含水量測定 ......................................................................... 32
4-4 土壤蒸發實驗設計 ............................................................................... 34
4-5 皿蒸發實驗設計 ................................................................................... 34
第五章 結果分析 ............................................................................................ 35
5-1 土樣物理性質分析 ............................................................................... 35
5-1-1 紅土土樣之物理性質分析 ........................................................ 35
5-1-2 細砂土樣之物理性質分析 ........................................................ 39
5-1-3 砂質壤土土樣之物理性質分析 ................................................ 41
5-1-4 級配砂土樣之物理性質分析 .................................................... 43
5-2 全期蒸發結果 ....................................................................................... 45
5-3 曲線擬合 ............................................................................................... 49
5-4 曲線擬合結果分析 ............................................................................... 54
5-4-1 四種土樣全期蒸發比較 ............................................................ 55
5-4-2 春、夏兩季中四種土樣蒸發比較 ............................................ 57
5-4-3 土壤擬合曲線轉折點 .............................................................. 60
5-5 自由水面蒸發量與氣象站資料之比較 .............................................. 65
5-6 模式與實驗結果比較 ........................................................................... 67
第六章 結論與建議 ....................................................................................... 84
6-1 結論 ....................................................................................................... 84
6-2 建議 ....................................................................................................... 85
參考文獻 ............................................................................................................. 86
附錄 ..................................................................................................................... 90

表目錄
表2-1 文獻整理............................................................................................... 14
表5-1 紅土比重試驗.......................................................................................35
表5-2 紅土比重計試驗................................................................................... 36
表5-3 紅土篩分析試驗................................................................................... 38
表5-4 細砂比重試驗....................................................................................... 39
表5-5 細砂篩分析試驗................................................................................... 40
表5-6 砂質壤土比重試驗 .............................................................................. 41
表5-7 砂質壤土篩分析試驗 .......................................................................... 42
表5-8 級配砂比重試驗................................................................................... 43
表5-9 級配砂篩分析試驗 .............................................................................. 44
表5-10 紅土數學模型之參數 .......................................................................... 54
表5-11 細砂數學模型之參數 ........................................................................... 54
表5-12 砂質壤土數學模型之參數 .................................................................. 55
表5-13 級配砂數學模型之參數 ...................................................................... 55
表5-14 四種土樣春夏季曲線轉折點 .............................................................. 60
表5-15 自由水面修正係數(100/4/14~100/5/16) ............................................. 65
表5-16 自由水面修正係數(100/7/19~100/8/25) ............................................. 66
表A-1 春季紅土含水量與蒸發比.................................................................... 90
表A-2 春季細砂含水量與蒸發比.................................................................... 91
表A-3 春季砂質壤土含水量與蒸發比 ........................................................... 92
表A-4 春季級配砂含水量與蒸發比 ............................................................... 93
表A-5 夏季紅土含水量與蒸發比.................................................................... 94
表A-6 夏季細砂含水量與蒸發比.................................................................... 95
表A-7 夏季砂質壤土含水量與蒸發比 ........................................................... 96
表A-8 夏季級配砂含水量與蒸發比 ............................................................... 97
表A-9 氣象資料4/14~5/16(1)(來源:農工中心) ........................................... 98
表A-10 氣象資料4/14~5/16(2)(來源:農工中心) ......................................... 99
表A-11 氣象資料7/19~8/25(1)(來源:農工中心) ....................................... 100
表A-12 氣象資料7/19~8/25(3)(來源:農工中心) ....................................... 101
表A-13 紅土(A1)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 102
表A-14 紅土(A2)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 103
表A-15 紅土(A3)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 104
表A-16 紅土(A4)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 105
表A-17 細砂(B1)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 106
表A-18 細砂(B2)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 107
表A-19 細砂(B3)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 108
VII
表A-20 細砂(B4)模式計算蒸發量(春) ......................................................... 109
表A-21 砂質壤土(C1)模式計算蒸發量(春) ................................................. 110
表A-22 砂質壤土(C2)模式計算蒸發量(春) ................................................. 111
表A-23 砂質壤土(C3)模式計算蒸發量(春) ................................................. 112
表A-24 砂質壤土(C4)模式計算蒸發量(春) ................................................. 113
表A-25 級配砂(D1)模式計算蒸發量(春) ..................................................... 114
表A-26 級配砂(D2)模式計算蒸發量(春) ..................................................... 115
表A-27 級配砂(D3)模式計算蒸發量(春) ..................................................... 116
表A-28 級配砂(D4)模式計算蒸發量(春) ..................................................... 117
表A-29 紅土(A1)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 118
表A-30 紅土(A2)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 119
表A-31 紅土(A3)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 120
表A-32 紅土(A4)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 121
表A-33 細砂(B1)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 122
表A-34 細砂(B2)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 123
表A-35 細砂(B3)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 124
表A-36 細砂(B4)模式計算蒸發量(夏) ......................................................... 125
表A-37 砂質壤土(C1)模式計算蒸發量(夏) ................................................. 126
表A-38 砂質壤土(C2)模式計算蒸發量(夏) ................................................. 127
表A-39 砂質壤土(C3)模式計算蒸發量(夏) ................................................. 128
表A-40 砂質壤土(C4)模式計算蒸發量(夏) ................................................. 129
表A-41 級配砂(D1)模式計算蒸發量(夏) ..................................................... 130
表A-42 級配砂(D2)模式計算蒸發量(夏) ..................................................... 131
表A-43 級配砂(D3)模式計算蒸發量(夏) ..................................................... 132
表A-44 級配砂(D4)模式計算蒸發量(夏) ..................................................... 133

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 ............................................................................................... 3
圖3-1 台灣常年蒸發皿係數(Kp)等值圖(1990-2004) ..................................... 28
圖5-1 紅土粒徑分佈曲線圖(過#200 篩) ......................................................... 37
圖5-2 紅土粒徑分佈曲線圖 ............................................................................ 37
圖5-3 細砂粒徑分佈曲線圖 ............................................................................ 40
圖5-4 砂質壤土粒徑分佈曲線圖 .................................................................... 42
圖5-5 級配砂粒徑分佈曲線圖 ........................................................................ 44
圖5-6 紅土含水量與蒸發比之關係圖(春) ...................................................... 45
圖5-7 細砂含水量與蒸發比之關係圖(春) ...................................................... 46
圖5-8 砂質壤土含水量與蒸發比之關係圖(春) .............................................. 46
圖5-9 級配砂含水量與蒸發比之關係圖(春) .................................................. 47
圖5-10 紅土含水量與蒸發比之關係圖(夏) .................................................... 47
圖5-11 細砂含水量與蒸發比之關係圖(夏) .................................................... 48
圖5-12 砂質壤土含水量與蒸發比之關係圖(夏) ............................................ 48
圖5-13 級配砂含水量與蒸發比之關係圖(夏) ................................................ 49
圖5-14 紅土含水量與平均蒸發比之關係圖(春) ............................................ 50
圖5-15 細砂含水量與平均蒸發比之關係圖(春) ............................................ 50
圖5-16 砂質壤土含水量與平均蒸發比之關係圖(春) .................................... 51
圖5-17 級配砂含水量與平均蒸發比之關係圖(春) ........................................ 51
圖5-18 紅土含水量與平均蒸發比之關係圖(夏) ............................................ 52
圖5-19 細砂含水量與平均蒸發比之關係圖(夏) ............................................ 52
圖5-20 砂質壤土含水量與平均蒸發比之關係圖(夏) .................................... 53
圖5-21 級配砂含水量與平均蒸發比之關係圖(夏) ........................................ 53
圖5-22 四種土樣全期蒸發擬合圖比較(春) .................................................... 56
圖5-23 四種土樣全期蒸發擬合圖比較(夏) .................................................... 56
圖5-24 紅土春天與夏天之擬合曲線比較 ...................................................... 57
圖5-25 細砂春天與夏天之擬合曲線比較 ...................................................... 58
圖5-26 砂質壤土春天與夏天之擬合曲線比較 .............................................. 58
圖5-27 級配砂春天與夏天之擬合曲線比較 .................................................. 59
圖5-28 紅土春季曲線轉折圖 .......................................................................... 61
圖5-29 細砂春季曲線轉折圖 .......................................................................... 61
圖5-30 砂質壤土春季曲線轉折圖 .................................................................. 62
圖5-31 級配砂春季曲線轉折圖 ...................................................................... 62
圖5-32 紅土夏季曲線轉折圖 .......................................................................... 63
IX
圖5-33 細砂夏季曲線轉折圖 .......................................................................... 63
圖5-34 砂質壤土夏季曲線轉折圖 .................................................................. 64
圖5-35 級配砂夏季曲線轉折圖 ...................................................................... 64
圖5-36 紅土(A1)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 68
圖5-37 紅土(A2)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 68
圖5-38 紅土(A3)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 69
圖5-39 紅土(A4)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 69
圖5-40 細砂(B1)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 70
圖5-41 細砂(B2)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 70
圖5-42 細砂(B3)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 71
圖5-43 細砂(B4)模式與實驗比較圖(春) ........................................................ 71
圖5-44 砂質壤土(C1)模式與實驗比較圖(春) ................................................ 72
圖5-45 砂質壤土(C2)模式與實驗比較圖(春) ................................................ 72
圖5-46 砂質壤土(C3)模式與實驗比較圖(春) ................................................ 73
圖5-47 砂質壤土(C4)模式與實驗比較圖(春) ................................................ 73
圖5-48 級配砂(D1)模式與實驗比較圖(春) .................................................... 74
圖5-49 級配砂(D2)模式與實驗比較圖(春) .................................................... 74
圖5-50 級配砂(D3)模式與實驗比較圖(春) .................................................... 75
圖5-51 級配砂(D4)模式與實驗比較圖(春) .................................................... 75
圖5-52 紅土(A1)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 76
圖5-53 紅土(A2)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 76
圖5-54 紅土(A3)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 77
圖5-55 紅土(A4)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 77
圖5-56 細砂(B1)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 78
圖5-57 細砂(B2)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 78
圖5-58 細砂(B3)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 79
圖5-59 細砂(B4)模式與實驗比較圖(夏) ........................................................ 79
圖5-60 砂質壤土(C1)模式與實驗比較圖(夏) ................................................ 80
圖5-61 砂質壤土(C2)模式與實驗比較圖(夏) ................................................ 80
圖5-62 砂質壤土(C3)模式與實驗比較圖(夏) ................................................ 81
圖5-63 砂質壤土(C4)模式與實驗比較圖(夏) ................................................ 81
圖5-64 級配砂(D1)模式與實驗比較圖(夏) .................................................... 82
圖5-65 級配砂(D2)模式與實驗比較圖(夏) .................................................... 82
圖5-66 級配砂(D3)模式與實驗比較圖(夏) .................................................... 83
圖5-67 級配砂(D1)模式與實驗比較圖(夏) .................................................... 83
圖A-1 實驗裝置示意圖 .................................................................................. 134
圖A-2 紅土土樣 .............................................................................................. 134
圖A-3 砂質壤土土樣 ...................................................................................... 134
圖A-4 細砂土樣 .............................................................................................. 134
X
圖A-5 級配砂土樣 .......................................................................................... 134
圖A-6 蒸發皿與蒸發儀儀器 .......................................................................... 135
圖A-7 土樣夯入蒸發儀 .................................................................................. 135
圖A-8 農工中心氣象站 .................................................................................. 135
圖A-9 農工中心氣象站蒸發皿 ...................................................................... 135
圖A-10 電子秤 ................................................................................................ 135
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