臺灣博碩士論文加值系統

摘要
水稻田具有生產性機能，生態性機能及生活性機能。水稻田於生長期間田面灌溉長時間保持湛水狀態，為涵養地下水之主要來源之一。影響水稻田入滲效應的因子眾多，本研究係針對水稻田不同翻耕狀態對地下水補注的影響探討分析。
為完成上述之目的，本研究將分為現地實驗、土壤特性分析及數值模擬三個主要方向進行。
現地實驗部分，以雲林莿桐孩沙里之休耕水稻田為研究區，乃將實驗田區分為四種不同休耕整田狀態，分別為(1)期初翻耕乙次(2)期中翻耕乙次(3)翻耕兩次(4)不翻耕，來進行地下水補注定量性的分析。試驗發現期初翻耕乙次之入滲率約為26.81~32.83 mm/day，期中翻耕乙次之入滲率約為18.05~30.78 mm/day，翻耕兩次之入滲率約為3.95~17.57 mm/day，而不翻耕之入滲率約為12.04~23.68 mm/day。結果顯示，水稻田不同翻耕狀態的確會影響其入滲率，其中翻耕乙次不論是期初或期中之試驗田，入滲率大致維持在一穩定之範圍內，而翻耕兩次會造成入滲率降低。
土壤特性分析部分，本研究針對各試驗田進行土壤取樣，其深度為120公分。進行各項土壤物性及模式所需參數之分析。
數值模擬乃採用FEMWATER三維數值模式，模擬期初翻耕乙次之田區其各土層含水量之變化。共進行三種不同狀況之模擬:(1)田區不同湛水深度，10、20、40公分三方案之模擬；(2)改變模式底層之邊界條件；(3)調整各層之起始壓力水頭。模擬結果顯示:(1)模擬累積入滲量與田區蓄水深的高低有正比關係；(2)底層為Cauchy或Dirichlet邊界，僅對初期入滲量造成影響；(3)當起始壓力水頭降低20%時，其模擬入滲量最大增加13%。

ABSTRACT
The paddy field exhibits productive, ecological and environmental multifunctions. The paddy field will be ponded with irrigated water during the growing season, it becomes one of the major sources of groundwater recharge. There are many factors could affect infiltration of paddy field. However, The research will focus on the influence of groundwater recharge of different puddled paddy field. To achieve above purposes, this study includes three main parts .(1)field experiment, (2) analysis of soil characteristics and (3)numerical simulation.
According to different puddled condition, there are four types of experiment are set up in the study area of Yun-Lin,Ci-Tong. Type 1: early stage puddled . Type 2:midterm stage puddled. Type 3:pudded twice. Type 4:no puddled . The results show that the infiltration rate of type 1 paddy field is about 26.81~ 32.83mm/day , type 2 paddy field is about 18.05~30.78 mm/day , type 3 paddy field is about 3.95~17.57 mm/day , type 4 paddy field is about 12.04~23.68 mm/day .
Comparing to the experimental record, the infiltration rate is effected by different puddled type. It has more constantly infiltration rate at both early stage puddled and midterm stage puddled field. It also shows that the paddy field puddled twice will cause the infiltration rate decreased.
The study takes soil samples from each experiment field. The depth of each sample is 120cm . A series of test are taken to analyze the physical characteristics of soil and parameters which are necessary for the numerical model.
The study uses three-dimensional model, FEMWATER, to simulate variation in water content of soil under the early stage puddled paddy field . Three different states are simulated:(1). to proceed three different ponding depth,10,20 ,40cm on paddy field; (2). to variate boundary conditions of the bottom layer; (3). to change initial conditions of pressure head . The result of numerical model demonstrates: (1) accumulative infiltration volume is in proportion to the ponding depth ; (2) the bottom layer of Cauchy or Dirichlet boundary conditions, has effect only to early stage infiltration ; (3) the initial conditions of pressure head decreases 20% which results in the infiltration volume 13% increase at most.

中文摘要………………………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………………….II
誌謝…………………………………………………………………………III
目錄………………………………………………………………………….IV
表目錄…………………………………………………………………….VIII
圖目錄…………………………………………………………………………X
第一章 前言…………………………………………………………………1
1-1研究背景……………………………………………………………….1
1-2研究動機與目的……………………………………………………….2
1-3 文獻回顧………………………………………………………………3
第二章 研究項目及方法…………………………………………………...7
2-1水收支平衡…………………………………………………………….7
2-2田間試驗……………………………………………………………….8
2-2-1試驗田區之佈置…………………………………………………..8
2-2-2操作方式之描述…………………………………………………..9
2-2-3試驗項目及方法………………………………………………….10
一、田區減水深量測……………………………………………..10
二、雙環入滲率之測定…………………………………………..13
三、觀測井水位量測……………………………………………..14
四、基本氣象資料讀取…………………………………………..14
五、灌溉水量量測………………………………………………..14
六、土壤飽和度量測……………………………………………..15
2-3土壤特性分析………………………………………………………..15
2-3-1試驗項目及步驟………………………………………………….16
一、土壤樣本採取………………………………………………..16
二、土壤粒徑分析及分類………………………………………..16
三、土壤比重試驗及孔隙率分析………………………………..17
四、水力傳導係數之測定………………………………………..17
五、壓力鍋試驗…………………………………………………..18
2-3-2土壤水分性質之描述…………………………………………….19
一、 壓力水頭與水分含量之關係……………………………...20
二、 非飽和水力傳導係數……………………………………...20
2-4 數值模擬方法與步驟……………………………………………….21
2-4-1 GMS使用介面………………………………………………….. 21
2-4-2 FEMWATER模式………………………………………………....23
一、模式之水流控制方程式……………………………………..23
二、數值模式解法………………………………………………..25
三、模式操作步驟………………………………………………..25
第三章 觀測資料分析及模式參數之推求………………………………..27
3-1不同翻耕狀態對入滲之影響………………………………………..27
3-1-1平均入滲率分析………………………………………………….27
一、減水深量測分析………………………………………………27
二、湛水深與入滲率之關係………………………………………33
三、試驗期間平均入滲率變化……………………………………35
3-1-2雙環入滲分析…………………………………………………….35
3-1-3淺層地下水位之分析…………………………………………….41
3-1-4現地土壤飽和度分析…………………………………………….41
3-2土壤特性分析結果探討……………………………………………..43
3-2-1土壤分類………………………………………………………….43
3-2-2土壤顆粒比重及孔隙率………………………………………….44
3-2-3飽和水力傳導係數……………………………………………….44
3-2-4土壤水分特性曲線……………………………………………….49
3-3模式輸入參數推求…………………………………………………..52
3-3-1不同土壤水分吸力下之飽和度………………………………….52
3-3-2相對水力傳導係數……………………………………………….52
3-3-3非飽和水力傳導係數…………………………………………….54
第四章 數值模式建構及結果分析…………………………………………57
4-1數值模式之建構……………………………………………………..57
4-2 FEMWATER模式設定………………………………………………...62
4-3 FEMWATER模式模擬結果…………………………………………...69
4-3-1模式之驗證……………………………………………………….69
4-3-2模擬之應用……………………………………………………….72
第五章 研究結論與議………………………………………………………87
5-1研究結論……………………………………………………………..87
一、現地實驗部份…………………………………………………..87
二、數值模擬部份…………………………………………………..88
5-2建議…………………………………………………………………..90
一、現地實驗部份……………………………………………………90
二、數值模擬部份……………………………………………………90
參考文獻…………………………………………………………………….92
附錄照片…………………………………………………………………….97
作者簡介……………………………………………………………………105

中文參考文獻
1、丁澈士、廖秋榮、林龍海，「農業灌溉用水對地下水補注影響之調查
評估(I)」，財團法人曹公農業水利研究發展基金會，1997年12月。
2、丁澈士、柯亭帆、王裕民、鄒椲、廖秋榮、吳峰誼，「地下水及地盤
下陷調查-農業灌溉對屏東平原地下水補注之調查評估(I)」，行政院
農委會，1995年6月。
3、王瑞源，「水稻田土壤水份移動之現地試驗與數值模擬」國立屏東科
技大學土木工程技術研究所碩士論文，1998年。
4、沈茂松，「實用土壤力學試驗」，文笙書局，1988年3月，pp.137-
263。
5、周曉雯，「雲林地區水稻田入滲量之評估」，國立台灣大學農業工程
研究所碩士論文，1997年。
6、施嘉昌、何信賢，「旱作地下灌溉之數理分析」，國立台灣大學農業
工程研究所碩士論文，1989年。
7、高華聲、曹以松、劉振宇，「地下水邊界流量模式之建立及應用」，
台灣水利，第41卷，第1期，1993年3月，pp.30-38。
8、曹以松、陳京台，「雲林地區地下水數學模式之模擬與應用」，台灣
水利，第30卷，第1期，1982年3月，pp.25-38。
9、曹以松、游玉池，「水田灌溉水流之數學模擬」，台灣水利，第30
卷，第1期，1982年3月，pp.7-23。
10、陳志忠，「彰化地區淺層土壤入滲行為之研究」，國立成功大學資源
工程研究所碩士論文，1997年。
11、許耀誌，「水文平衡法與非飽和水流模式串聯應用於地下水補注估計
之研究」，國立台灣大學土木工程研究所碩士論文，1992年12月。
12、黃誌川、徐美玲，「多參數土壤水分傳導度之推估」，八十七年度農
業工程研討會論文集，1998年12月，pp.767-772。
13、許瑞昌、陳主惠、劉振宇，「未飽和層土壤水分垂直入滲之數值模
擬」，八十七年度農業工程研討會論文集，1998年12月，pp.121-
132。
14、郭魁士，「土壤學」，中國書局，1992年9月，pp.409-696。
15、溫理仁，「水田、地下水與地盤下陷」，台灣水利，第43卷，第2
期，1995年6月，pp.1-23。
16、游進裕，「旱田土壤水份移動之研究」，國立台灣大學農業工程研究
所碩士論文，1988年。
17、萬鑫森譯，「基礎土壤物理學」，國立編譯館，1987年2月，pp.205-
252。
18、張良正、林明杰，「GMS於屏東平原地下水數值模擬之應用」，地下
水軟體GMS計算觀摩研討會論文集，1998年4月，pp.20-42。
19、鄒禕、葉一隆、王振勇等，「水田超量灌溉蓄水之基本水文資料觀測
與建檔」，行政院農委會，1998年6月。
20、鄒禕、葉一隆、黃兆煌，「水稻田休耕操作方式對地下水補注評估-
期中報告」，行政院農委會，1998年12月。
21、鄒禕、王裕民、葉一隆、王正勇、王瑞源，「水稻田生態功能提高試
驗及措施研擬」，1997年中日農業水利生態研討會論文集，1997年5
月，pp.315-337。
22、蔡明華，「水稻田生態環境保護對策之研究」，農田水利，41卷9
期，1995年，pp.10-23。
23、蔡攀鱉，「土壤力學實驗」，三民書局，1991年3月，pp.9-102。
24、劉振宇、蘇明道、王裕明、葉一隆等，「水稻田生態環境保護規劃及
示範-水稻田對地下水補注功能評估分級」，行政院農委會，1997年5
月，pp.2-1-2-25。
25、劉振宇等，「增加水田地下涵養補注方法之評估及非灌溉區地下水補
注功能分級之初探期末報告」，台灣大學農業工程學系，1998年6月。
26、劉振宇、陳世楷、周曉雯，「雲林地區水田入滲量之評估」，農業工
程學報 第45卷第1期，1999年3月，pp.38-54。
27、謝葶、陳健安、溫志超，「未飽和土壤中水分含量現地量測研究」，
八十七年度農業工程研討會論文集，1998年12月，pp.781-788。
28、蕭偉松，「未飽和層滲入模擬問題之研究」，國立台灣大學土木工程
研究所碩士論文，1996年6月。
英文參考文獻
29、Aral, M. M., “Ground Water Modeling in Multilayer Aquifer
unsteady Flow”, 1990, Lewis Publishers, Inc, pp.5-37.
30、Bouwer Herman, “Groundwater Hydrology”, 1978 by McGraw-
Hill, Inc.
31、Freeze R. A. and Cherry J. A., “ Ground Water ” , 1979 ,
Prentice -Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.
32、Kampen, J,; Levine, G., “Water Losses and Water Balance
Studies, Philippine, Lowland Rice”, Philipp Agric. Vol.
54, No 5/6, 1970, pp. 283-301.
33、Sanchez, P. A., “Puddling tropical rice soils 2 Effects of
water losses”, Soil Sci., 1973, pp. 303-308.
34、Swain, Eric D., “Simulation of Groundwater Level
Fluctuations Using Recharge Estimated by Field
Infiltrometer Measurement”, Joural of Hydraulic
Engineering, Vol. 123, No10, Oct, 1997, pp.2-10.
35、Srivastava R.and Yeh T. C. “Analytical Solutions for One-
Dimensional,Transient Infiltration Toward the Water Table
in Homogeneous and Layered Soils”, WATER RESOURCES
RESEARCH ,VOL.27,NO.5,May 1991,pp.753-762。
36、Tuong, T. P., Wopereis, M. C. S., Marquex, J. A., and
Kropff, M. J. “Mechanisms and Control of Percolation
Losses in Irrigated Puddled Rice Fields”, SOIL SCI. SOC.
AM. J, VOL. 58, NOVEMBER DECEMBER 1994, pp. 1794-1803.
37、Ting Cheh-Shyh,”Development of a Preliminary Ground Water
Flow Model for Water Resources Management in the Pingtung-
Plain, Taiwan”, Vol.35, No.6, GROUND WATER, January-
February 1998 , pp.20-36.
38、Wang, Herbert F. and Anderson, Mary P. “Introduction to
Groundwater Modeling Finite Difference and Finite Element
Method”, 1982 by Freeman, W. H. And Company, pp. 113-198.
39、Wilson, Neal “Soil Water and Ground Water sampling”, 1995
, CRC Press, Inc. pp.1-29.
40、Yeh, G. T. “A Three-Dimensional Finite Element Model of
WATER Folw through Saturated-Unsaturated Media”,
Enviromental Sciences Division Publication No. 2904, June
1987, pp.77-155.