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河道坡降對河川型態演變之研究 Experiments on the Adjustments of River at Channel Gradient Variations

河道坡降對河川型態演變之研究 Experiments on the Adjustments of River at Channel Gradient Variations. 作者：吳永勝 安軒霈 陳樹群 報告人：吳永勝. 前言. 研究動機. 改變渠道坡降. 河川型態改變 輸砂率曲線變化 主深槽擺蕩週期 沙洲發展特性. 前言. 沖積河川自我調整模式. Gilbert （ 1914 ） ： 利用室內水槽試驗研究水流挾砂力的問題 ，其試驗結果發現 河床坡降 和斷面 寬深比 呈反比關係。

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河道坡降對河川型態演變之研究 Experiments on the Adjustments of River at Channel Gradient Variations

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Presentation Transcript

  1. 河道坡降對河川型態演變之研究Experiments on the Adjustments of River at Channel Gradient Variations 作者：吳永勝 安軒霈 陳樹群 報告人：吳永勝

  2. 前言 研究動機 改變渠道坡降 • 河川型態改變 • 輸砂率曲線變化 • 主深槽擺蕩週期 • 沙洲發展特性

  3. 前言 沖積河川自我調整模式 • Gilbert（1914）：利用室內水槽試驗研究水流挾砂力的問題 ，其試驗結果發現河床坡降和斷面寬深比呈反比關係。 • Lane（1955）：他省略了上式中寬深比的影響 ，並把公式簡化為下式。

  4. 前言 沖積河川自我調整模式 • Schumm（1969）：進一步把河寬（B）、水深（h）、寬深比（B/h）、河灣跨度（Lm）、彎曲係數（r）和河床坡降（S）全部納入影響因子來一併考慮，將流量（來水）及輸砂量（來砂）各別提出作討論，作為預測河床型態調整之基礎。

  5. 前言 辮狀型河川沙洲型態與長寬關係 • 山本晃一（1989）：根據實驗提出河道的平面形狀和沙洲的分佈型態有密切關係。 (河寬與沙洲型態關係圖 )

  6. 實驗條件 0.4m 實驗段2.2m 0.4m 0.25m 上游進水口 0.5m 0.25m SEC1 SEC2 SEC3 SEC4 SEC5 SEC6 SEC7 SEC8 SEC9 SEC10 SEC11 SEC12

  7. 實驗設計 • 為了清楚區分流路和沙洲，將實驗的水加入染劑，流路有了顏色方便觀察沙洲變化與面積，實驗中更發現，可以藉水流顏色深淺觀察出沖刷坑與主深槽位置。 有染劑 無染劑

  8. 實驗現象探討 Case1 300min 145min Case2

  9. 實驗現象探討 小坑洞成因 河道中小坑洞形成的原因是因為上游來水中挾砂量不足，水流會在渠道中帶起少量泥砂，形成小型的坑洞，坑洞形成後會使流場中產生局部的流速變化。在坑洞的上游處，流速減緩，底床質在坑洞上半部落淤；而坑洞的下半部，水流從坑洞中流出，底床抬升，通水斷面束縮，流速變快，故在坑洞下半部產生掏刷。坑洞上部淤積，下部掏刷的影響，使的坑洞會逐漸往下游移動，且面積保持固定。

  10. 實驗現象探討 Case3 215min 300min

  11. 實驗現象探討 Case4 35min 115min Case5

  12. 實驗現象探討 Case4 215min 300min Case5

  13. 實驗現象探討 Case6 30min 105min Case7

  14. 實驗現象探討 Case6 300min 205min Case7

  15. 實驗結果與分析 • 輸砂量與輸砂率變化 由圖中可以發現，輸砂率和總輸砂量大致上都隨著坡降大小而變化，兩者有一正相關之情形。 在前70min，Case6的輸砂率明顯比Case7的輸砂率大。

  16. 輸砂量與輸砂率變化 探討Case6前70min輸砂率較大的原因，水中來砂量的主要來自底床掏刷(縱向)與邊灘沖蝕(橫向)兩部分，故即針對Case6、Case7前60min的主深槽深度跟河道擺蕩寬度作探討。 Case6的為1.9cm，而Case7的則為2cm。 中下游處Case6的最大河寬為75cm，而Case7的僅只有60.5cm。 顯示：在縱向上的沖刷差異並不大，但在橫向上沖蝕有頗大的差異。 實驗結果與分析 主深槽深度 河道擺蕩寬度

  17. 實驗結果與分析 • 主深槽單次擺蕩定義 擺盪結束 擺盪開始 流路改變

  18. 主深槽擺蕩週期 上游來砂量可以說是河道擺蕩的關鍵，而同流量下，渠道坡降大的組別可以對中下游供應更多砂量，造成中下游河道劇烈擺蕩，故主深槽的擺蕩週期會比較短，而坡降小的組別，主深槽的擺蕩週期會較大。由圖可知主深槽擺蕩週期大小與渠道坡降呈負相關。 實驗結果與分析

  19. 實驗結果與分析 • 主深槽擺蕩週期 主深槽擺蕩的機制通常有兩種情形： (1)凹岸掏刷，凸岸堆積，使得河道的彎曲度變大，當河道彎到某一程度時，河流的衝擊力克服了邊攤的拘束力，在轉彎處形成了新的河道。 垂直水流的力 平行水流的力 水流的衝擊力

  20. 主深槽擺蕩週期 主深槽擺蕩的機制通常有兩種情形： (1)凹岸掏刷，凸岸堆積，使得河道的彎曲度變大，當河道彎到某一程度時，河流的衝擊力克服了邊攤的拘束力，在轉彎處形成了新的河道。 (2)上游來砂量大時，會迫使河流的通水斷面減小，水進而漫過附近較低的地方，漫灘後水流常會在沙洲上形成新的流路。 實驗結果與分析

  21. 實驗結果與分析 • 沙洲的定義 河道中露出水面且長寬大於3 cm的區域 C B A

  22. 實驗結果與分析 • 沙洲面積與渠道坡降 沙洲面積 河道擺蕩面積 由圖中資料發現，無因次沙洲面積跟渠道坡降呈現正相關。

  23. 實驗結果與分析 • 沙洲面積與渠道坡降 沙洲面積大 下切跟橫向 擺蕩的能力大 流路分岔多變 河道坡降大 泥砂容易落淤形成沙洲 輸砂量大

  24. 結論 • 水流攜沙量不足，會先作縱向的沖刷，之後才會開始橫向擺蕩。 • Case1和Case2實驗裡，河道中出現了許多小坑洞，其面積大致上維持固定，且坑洞會逐漸往下游移動。 • 在Case1~Case7裡，河道坡降增加，下游的輸砂率隨之增加，且穩定的輸砂率也跟坡降成正比。輸砂歷線呈類似指數型遞減。 • 同流量下渠道坡降大的組別可以對中下游供應更多來砂量，中下游河道因而擺蕩劇烈，故主深槽的擺蕩週期會比較短，而坡降小的組別，主深槽的擺蕩週期會較大。 • 無因次沙洲面積會隨著河道的坡降改變，河道坡降越大，沙洲面積也隨之增大。

  25. 報告完畢 Thanks For Your Attention!

  26. Case6的斷面圖 實驗結果與分析 (a)Sec2(20cm處) (b)Sec5(80cm處) (a)Sec2(20cm處) (b)Sec5(80cm處) (c)Sec8(140cm處) (d)Sec11(200cm處)

  27. 實驗設計 一次河床斷面 每30min量測 實驗流程 關水 計時至五小時 (長3m、深10cm) 鋪平床面 加水預濕 (寬25cm、高5cm) 在兩側鋪設邊灘 (標定空間用) 邊界上插上竹籤 並持續加砂 開水計時 一次出砂量 每5min紀錄 拍照一次 每5min

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