1、河道坡降對河川型態演變之研究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研究動機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。前言1233/sQDSKB hQsQ dQS:沖積河川自我調整模式l Schumm（1969）：進一步
2、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。前言,mB h LQS:,msB LSQh r:沖積河川自我調整模式l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。前言辮狀型河川沙洲型態與長寬關係(河寬與沙洲型態關係圖)實驗編號模型坡降 模型河寬(m)模型流量(cms)加砂量(kg/hr)實驗時間(min)Case10.010.50.0001863.66共五小時 300Case20.02Case30.03Case40.0
3、4Case50.05Case60.06Case70.07實驗條件實驗條件上游進水口0.4m0.4m實驗段2.2m0.5mSEC1 SEC2 SEC3 SEC4 SEC5 SEC6 SEC7 SEC8 SEC9 SEC10SEC11 SEC120.25m0.25m 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。實驗設計有染劑無染劑300min145minCase1Case2實驗現象探討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
4、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。小坑洞成因實驗現象探討300min215minCase3實驗現象探討115min35minCase4Case5實驗現象探討300min215minCase4Case5實驗現象探討105min30minCase6Case7實驗現象探討300min205minCase6Case7實驗現象探討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
5、正相關之情形。實驗結果與分析實驗結果與分析在前70min，Case6的輸砂率明顯比Case7的輸砂率大。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。主深槽深度實驗結果與分析實驗結果與分析河道擺蕩寬度主深槽單次擺蕩定義實驗結果與分析實驗結果與分析擺盪開始擺盪開
6、始擺盪結束擺盪結束流路改變流路改變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。實驗結果與分析實驗結果與分析水流的衝擊力垂直水流的力平行水流的力 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
7、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。實驗結果與分析實驗結果與分析沙洲的定義實驗結果與分析實驗結果與分析C CA AB B河道中露出水面且長寬大於3 cm的區域沙洲面積與渠道坡降實驗結果與分析實驗結果與分析由圖中資料發現，無因次沙洲面積跟渠道坡降呈現正相關。沙洲面積河道擺蕩面積沙洲面積與渠道坡降實驗結果與分析實驗結果與分析下切跟橫向下切跟橫向擺蕩的能力大擺蕩的能力大輸砂量大輸砂量大河道坡降大流路分岔多變泥砂容易
8、落淤形成沙洲沙洲面積大1.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。2.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。3.在Case1Case7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。4.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。5.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。結論報告完畢Thanks For Your Attention!Cas
9、e6Case6的斷面圖的斷面圖實驗結果與分析實驗結果與分析(a)Sec2(20cm處)(b)Sec5(80cm處)(a)Sec2(20cm處)(b)Sec5(80cm處)(c)Sec8(140cm處)(d)Sec11(200cm處)實驗設計(長長3m、深深10cm)鋪平床面鋪平床面加水預濕加水預濕(寬寬25cm、高高5 5cm)在兩側鋪設邊灘在兩側鋪設邊灘(標定空間用標定空間用)邊界上插上竹籤邊界上插上竹籤並持續加砂並持續加砂開水計時開水計時一次出砂量一次出砂量每每5min紀錄紀錄拍照一次拍照一次每每5min一次河床斷面一次河床斷面每每30min量測量測關水關水計時至五小時計時至五小時實驗流程實驗流程
