河川型态调查应用於栖地环境复育之研究-国立中兴大学水土保持学系课件

河道水流輸砂之相關數值模式授課教授：林俐玲鄭皆達 陳鴻烈林德貴報告學生：安軒霈89442003國立中興大學水土保持學系博土班研究生專題報告河道水流輸砂之相關數值模式授課教授：林俐玲鄭皆達國立中興1前言從水流流動之控制方程來看，其現象為非線性、極度複雜之物理現象。以不同觀測方式觀察物理現象，會得到不同之呈現結果。本研究擬就顆粒流之數值模式來探討水流與輸砂之現象，在進行研究之前，需搜集國內外相關研究。本文以不同物現現象觀測方式來對水流輸砂數值模式分類、搜集相關文獻並探討。前言從水流流動之控制方程來看，其現象為非線性、極度複雜之物理2物理觀測法EulerianMethodLagrangianmethod觀測每個質點性質隨時間之變化率。觀測一個空間中性質隨時間之變化率與進出率。物理觀測法EulerianMethodLagrangia3Navier-Stokes’EquationC.E.M.E.特性：非線性方程式。二階偏微分方程式。聯立方程式。解法：簡化成勢流解。以相似解簡化。數值解。Navier-Stokes’EquationC.E.M.E4Navier-Stokes’EquationNumericalmethodsforStVenantequationApproximateMethodStorageRoutingMethodMuskingumMethodDiffusionAnalogyKinematicWaveMethodCompleteNumericalMethodDirectMethodMOCFEMIECharacteristicsNodesRectangularGridIEIEI:ImplicitmethodE:ExplicitmethodMOC:MethodofCharacteristicsFEM:FiniteElementMethodNavier-Stokes’EquationNumeric5EulerianMethodStVenantEquationEulerianMethodStVenantEquat6EulerianMethodXDirectMethod,ImplicitMethodEulerianMethodXDirectMethod,7EulerianMethodOnedimensionalmodelforreservoirsedimentationmanagement,Ch.Bertier,(2002)水庫淤砂是減少運轉年限之主因。以降低水位來做水力清淤是清除淤砂的方法之一。大量水庫淤泥排出庫區，將會造成下游河道生態、水質影響，並會填塞底床孔隙，破壞生態棲地。利用1-DCOURLIS模式提供水庫水力清淤時之運轉參考。EulerianMethodOnedimensional8EulerianMethodOnedimensionalmodelforreservoirsedimentationmanagement,Ch.Bertier,(2002)COURLIS特色：底床可因水力沖淤而變動。泥砂來源可分細顆粒黏土與無粘滯之之細砂。可計算河床之二維變動，河床橫斷面可擴展。可計算邊坡破壞，並將其視為細顆粒泥砂來源。EulerianMethodOnedimensional9EulerianMethodOnedimensionalmodelforreservoirsedimentationmanagement,Ch.Bertier,(2002)1D-transportequationformudformudforsandforsandforbottomevolutionEulerianMethodOnedimensional10GenisslatdamEulerianMethodOnedimensionalmodelforreservoirsedimentationmanagement,Ch.Bertier,(2002)GenisslatdamEulerianMethodO11GenisslatdamEulerianMethodOnedimensionalmodelforreservoirsedimentationmanagement,Ch.Bertier,(2002)GenisslatdamEulerianMethodO12Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)當土石流旅行一段長距離後，其可將其視為一縱向剖面為固定水滴形的穩定狀態。StVenat’sEquation非穩定流況定床淺水渠道為平均流速為底床坡度角

為動量修正因子

為底床剪應力

縱向之流體推擠壓力梯度

為流體密度LagrangianMethodDebrisflow13Iverson(1997)Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)其中LagrangianIverson(1997)LagrangianMeth14河川型态调查应用於栖地环境复育之研究-国立中兴大学水土保持学系课件15日本Kamikamihori土石流研究站，Okuda底床坡度6.1°表面寬13m土石流平均比重20kN/m3Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)日本Kamikamihori土石流研究站，OkudaLagr16表面流速近似速於4.5m/s流量在30~120cms/m間變動Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)LagrangianMethodDebrisflow17實測資料。由流量除以流寛與平均速度而來。模擬出來之剖面在觀資料之尖峰處（x）重疊。深度放大與實測資料相符。觀測剖面深度減少的程度較預測模式來的小，為要模擬此現象，需要引進粘滯性線性減小之觀念。正常深度0.615m礫石頭部長（L）13.5m底床坡度6.1°查圖所得之深度放大比為5流動時動力粘滯係數為0.09kPasLagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)實測資料。模擬出來之剖面在觀資料之尖峰處（x）重疊。觀測剖面181.17kPas0.012kPas/m泥沙濃度對粘滯性之關係Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)實測資料。由流量除以流寛與平均速度而來。模擬出來之剖面在觀資料之尖峰處（x）重疊。深度放大與實測資料相符。觀測剖面深度減少的程度較預測模式來的小，為要模擬此現象，需要引進粘滯性線性減小之觀念。正常深度0.615m礫石頭部長（L）13.5m底床坡度6.1°查圖所得之深度放大比為5流動時動力粘滯係數為0.09kPas1.17kPas0.012kPas/m泥沙濃度對191.17kPas0.012kPas/m實測資料。線性粘滯性模式以數值方法解得Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)1.17kPas0.012kPas/m線性粘滯性20實測資料。線性粘滯性模式以數值方法解得造成偏離原因為粘滯性在此停止線性變化。Lagrangian

MethodDebrisflowsurgesusingthetheoryofuniformlyprogressiveflow,HUNGR,(2000)線性粘滯性模式造成偏離原因為粘滯性在此停止線性變化。Lagr21PIC

MethodParticleinCellMethod由Harlow(1957)所發展，為Eulerain與Lagrangian之有限差分法。orC.E.M.E.:Entropy,:ThermalenergyPICMethodParticleinCellMe22PIC

MethodPICMethod將顆粒之性質以最接近網格中心點之方式內插入網格中，網格之性質用Eulerain法計算出下一時間之性質，再以內插法將網格性質內插回顆粒，顆粒取得該性質後，以Lagrangian法計算顆粒之移動量。j:particlejλ:Gridn:TimestepPICMethodPICMethod將顆粒之性