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1<br />
丁壩三維流場數值模擬<br />
楊 翰 宗 助理教授<br />
樹德科技大學 休閒事業管理系<br />
報告日期:2006/11/03<br />
考量生態保育,水工結構物除考慮安全因<br />
素外,亦須融入生態因子,以減低對棲地<br />
環境與物種生存動線的衝擊。<br />
水工結構物設計時,需考量河川棲地環境<br />
之物種特性,營造較接近生物生存的棲地<br />
環境,以增進生物多樣化與豐富度。<br />
前言<br />
研究方法<br />
利用Femlab計算流體力學軟體以三維的數<br />
值模擬方式模擬丁壩工之流場特性。<br />
分別討論高流量及常流量的丁壩工定床水<br />
流特性。<br />
期望藉由三維流場數值模擬找出生態系<br />
中,水生生物適合之棲地與流場特性。<br />
研究流程<br />
水理參數<br />
水文、地文因子<br />
三維模式(Femlab)<br />
丁壩工配置<br />
結果與討論<br />
結果分析<br />
流場、流況分佈<br />
N.G<br />
O.K<br />
二維數值模式<br />
Bovee(1996)提出二維數值模式優於一維數值模<br />
式,它可以精準、明確地結合棲地動植物的特徵<br />
與棲地流況尺度的變化條件,即二維數值模式可<br />
提供更細小的地形特徵。<br />
高偉騰(1996)應用有限差分的方法,發展二維底<br />
床沖淤的數值模式,利用前人水工試驗的結果與<br />
模式驗證,以確定模式的可行性。接著模擬實際<br />
天然河川,在變量流的情況下進行底床的沖淤模<br />
擬並討論。<br />
二維數值模擬<br />
胡通哲等(2003)利用二維有限元素水理模式模擬多望溪<br />
河道中放置丁壩工,對魚類棲息地的影響,經模擬結果<br />
發現,在假設的七場暴雨情形下,河道中魚類棲息地面<br />
積均有增加(平均增加155%),顯見丁壩工對生態棲息地<br />
的正面影響。<br />
陳正昌(2003)「丁壩工對魚類棲地面積之影響-以蘭陽溪<br />
為應用案例」:(1)在丁壩影響區域內,設置丁壩後可增<br />
加多達5倍之WUA(魚類可用棲地面積)。(2)對於鯉科魚<br />
類,丁壩之最佳長寬比為3~3.4;對於平鰭鰍科魚類而<br />
言,愈大之長寬比可獲得愈有利之WUA,但若長寬比大<br />
於10,則會有不良之影響。(3)就長期而言,丁壩工可能<br />
不利魚類棲息,故應建立丁壩緩流區清淤計畫。
2<br />
棲地型態分類<br />
>0.6m/s<br />
急流(Fast Riffle)<br />
Femlab模擬分析步驟流程<br />
幾何繪圖(Draw mode)<br />
邊界條件設定(Boundary mode)<br />
PDE係數項設定、材料屬性設定(Subdomain mode)<br />
模式驗證條件對照表<br />
Q(cms)<br />
0.0362<br />
Q(cms)<br />
0.0362<br />
模式驗證結果<br />
產生網格(Mesh mode)<br />
求解(Solve mode)<br />
解的具像化、動畫、輸出(Post mode)<br />
S(%)<br />
S(%)<br />
1/250<br />
模式驗證<br />
渠槽試驗條件<br />
渠道尺寸<br />
(cm)<br />
1/250 1200×40×60<br />
模式試驗條件<br />
渠道尺寸<br />
(cm)<br />
1200×40×60<br />
石塊直<br />
徑(cm)<br />
10<br />
石塊直<br />
徑(cm)<br />
10<br />
實驗水<br />
深(cm)<br />
24<br />
水位高<br />
(cm)<br />
24<br />
(陳麒升,灌溉渠道生態工法水理研究,2004)<br />
參數之設定<br />
藉由某些參數的調整使模式所模擬之結果能符合實際流<br />
況,所以這些參數之適當與否也就影響了模擬結果的準<br />
確性,其中本模式所應用的的參數如下:<br />
參數<br />
(Paramter)<br />
ρ<br />
η<br />
F<br />
變數<br />
(Variable)<br />
rho<br />
eta<br />
F<br />
意義(Description)<br />
密度(Density)<br />
動黏滯度<br />
(Dynamic viscosity)<br />
壓力(Volume force)<br />
本研究根據Robert L.Mott的建議數值並經由模式之驗證結<br />
果,選定溫度20℃時,密度ρ為998 (kg/m 3 ) ,黏滯度η為<br />
1.02×10 -3 (N.s/m 2 ) 。<br />
6m<br />
6.75m<br />
7.5m<br />
9m<br />
堆石段<br />
水流方向<br />
斷面0<br />
斷面1<br />
斷面2<br />
斷面3<br />
斷面4<br />
實驗渠槽配置圖 模擬渠槽配置圖<br />
斷面一、斷面二之試驗與模式流速變化比較圖 斷面三、斷面四之試驗與模式流速變化比較圖<br />
3
4<br />
試驗與模式模擬之誤差比較圖<br />
在距離左岸0.15m及0.2m處四個斷面之誤差率均達5%內,而<br />
誤差率達最大值達13.4%是在距左岸0.05m處,模式模擬之值<br />
與試驗值平均誤差率在8%之內,故本研究以此模式模擬丁壩<br />
之周圍流場分佈情形。<br />
0.00102<br />
0.00102<br />
黏滯係數<br />
20<br />
20<br />
河溪寬(b)<br />
0.6<br />
0.6 (註2)<br />
丁壩高(a h )<br />
1.6<br />
0.35<br />
水位高(m)<br />
1.25<br />
0.197<br />
流速V(m/s)<br />
40<br />
1.38 (註1)<br />
流量Q(cms)<br />
高流量<br />
基流量<br />
註:1.基流量Q=1.38是根據生態工法技術參考手冊中之生態<br />
基流量之推估所推估出來的。2.設計丁壩高則是根據水土保<br />
持手冊內之丁壩設計準則所假設的。3.河道上游入流量水流<br />
為平均流速。4.丁壩的擺設間距,則以無因次化a d /b表示之。<br />
模式模擬之基本假設<br />
模<br />
式<br />
丁<br />
壩<br />
配<br />
置<br />
組<br />
合<br />
圖<br />
模式模擬結果分析<br />
5m<br />
5m 5m<br />
5m<br />
4m<br />
4m<br />
45m<br />
45m<br />
1.6m<br />
A-A:丁壩前5m處<br />
B-B:丁壩上2m處<br />
C-C:丁壩間5m處<br />
D-D:丁壩後5m處<br />
A<br />
A<br />
B<br />
B<br />
C<br />
C<br />
D<br />
D<br />
不<br />
同<br />
丁<br />
壩<br />
條<br />
件<br />
下<br />
高<br />
流<br />
量<br />
與<br />
基<br />
流<br />
量<br />
最<br />
大<br />
流<br />
速<br />
之<br />
比<br />
較<br />
(一)<br />
間<br />
距<br />
不<br />
同<br />
間<br />
距<br />
不<br />
同<br />
(A)<br />
Vmax=2.612<br />
Vmax=2.74<br />
Vmax=2.773<br />
S=10m<br />
S=15m<br />
S=20m<br />
Vmax=1.026<br />
Vmax=1.093<br />
Vmax=1.186<br />
S=20m<br />
S=15m<br />
S=10m<br />
尺<br />
寸<br />
不<br />
同<br />
尺<br />
寸<br />
不<br />
同<br />
(B)<br />
Vmax=2.307<br />
Vmax=2.574<br />
Vmax=2.74<br />
Vmax=0.699<br />
Vmax=0.859<br />
Vmax=1.093<br />
Size:3m*7.5m<br />
Size:3m*7.5m<br />
Size:4m*10m Size:4m*10m<br />
Size:2m*5m<br />
Size:2m*5m
不<br />
透<br />
水<br />
丁<br />
壩<br />
Vmax=2.744<br />
Vmax=2.656<br />
Vmax=2.478<br />
Vmax=2.307<br />
Vmax=2.574<br />
Vmax=2.74<br />
不透水丁壩<br />
角度:75°<br />
角度:60°<br />
角度:45°<br />
Size:2m*5m<br />
Size:3m*7.5m<br />
Size:4m*10m<br />
(高流量Q=40cms,H1-1)<br />
Vmax=1.027<br />
Vmax=0.957<br />
Vmax=0.892<br />
Vmax=2.174<br />
Vmax=2.266<br />
Vmax=2.352<br />
角度:75°<br />
角度:60°<br />
角度:45°<br />
Size:2m*5m<br />
Size:3m*7.5m<br />
Size:4m*10m<br />
(C) 角<br />
度<br />
不<br />
同<br />
(B) 尺<br />
寸<br />
不<br />
同<br />
透<br />
水<br />
丁<br />
壩<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
丁壩前5m之流速斷面圖<br />
丁壩正上方2m之流速斷面圖<br />
丁壩間5m處之流速斷面圖<br />
丁壩後5m之流速斷面圖<br />
(二) 不 透<br />
同 水<br />
條 性<br />
件 丁<br />
下 壩<br />
最 與<br />
大 不<br />
流 透<br />
速 水<br />
之 丁<br />
比 壩<br />
較 在<br />
不<br />
透<br />
水<br />
丁<br />
壩<br />
Vmax=2.612<br />
Vmax=2.74<br />
Vmax=2.773<br />
S=10m S=10m<br />
S=15m<br />
Vmax=2.322<br />
Vmax=2.331<br />
Vmax=2.352<br />
S=15m<br />
S=20m S=20m<br />
(三)相同流量不同位置剖面線之流速比較<br />
不透水丁壩<br />
(基流量Q=1.38cms,L1-1)<br />
透水丁壩<br />
(高流量Q=40cms,H4-1)<br />
(A) 間<br />
距<br />
不<br />
同<br />
透<br />
水<br />
丁<br />
壩<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
丁壩前5m之流速斷面圖<br />
丁壩正上方2m之流速斷面圖<br />
丁壩間5m處之流速斷面圖<br />
丁壩後5m之流速斷面圖<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
丁壩前5m之流速斷面圖<br />
丁壩正上方2m之流速斷面圖<br />
丁壩間5m處之流速斷面圖<br />
丁壩後5m之流速斷面圖<br />
5
(四)不同丁壩尺寸-相同流量與位置剖面線之流速比較<br />
(未淹沒Q=1.38cms,L2-1~L2-3)<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
2m*5m<br />
3m*7.5m<br />
4m*10m<br />
(五)透水性與不透水性丁壩相同位置剖面線之流速比較<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
透 水<br />
不透水<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
(丁壩之前5m處,H1-1、H4-1) (丁壩上方2m處,H1-1、H4-1)<br />
(六) 模擬結果與魚類最大持續泳速及最適流速之探討<br />
參照「水庫集水區生態水工結構物設計參<br />
數之建立(2/3)」可知台灣鏟頷魚的最大持續<br />
泳速最快(平均將近0.4m/s),羅漢魚次之,溪<br />
哥再次之,高體鰟鲏最慢。<br />
由文獻中我們可以發現野外現地觀察到的魚<br />
類所在的流速在0.02m/s~0.4m/s不等,但是其<br />
最適合的流速還是在0.3m/s左右。<br />
綜合上述所說的,我們可以知道魚類的最大<br />
持續泳速與魚類最最適合的流速都在0.4m/s之<br />
內。<br />
(淹沒Q=40cms,H2-1~H2-3)<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
透 水<br />
不透水<br />
流 透<br />
量 水<br />
與 與<br />
位 不<br />
置 透<br />
之 水<br />
流 丁<br />
速 壩<br />
比 在<br />
較 相<br />
圖 同<br />
2m*5m<br />
3m*7.5m<br />
4m*10m<br />
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20<br />
(丁壩之間5m處,H1-1、H4-1) (丁壩之後5m處,H1-1、H4-1)<br />
利用Case H1-1及L1-1所模擬出之丁壩前、丁壩上、<br />
丁壩之間及丁壩後之斷面流速圖並搭配文獻中之數<br />
據,整理出當基流量(Q=1.38cms)時適合魚類棲息之<br />
區域及高流量(Q=40cms)時適合魚類避難之區域。<br />
魚類棲息區域之合適與否:不適合(>0.47m/s)、適<br />
合(0.3 m/s ~0.47m/s)、非常適合(0.47m/s)及適合(
距左岸距離<br />
(m)<br />
斷面位置<br />
丁壩前5m流速(m/s)<br />
適合魚類棲息區域<br />
丁壩間5m流速(m/s)<br />
適合魚類棲息區域<br />
丁壩後5m流速(m/s)<br />
適合魚類棲息區域<br />
inflow<br />
基流量時適合魚類棲息區域表(未淹沒Q=1.38cms)<br />
inflow<br />
1m~5m<br />
0.25~0.43<br />
適合<br />
0.4~0.63<br />
不適合<br />
0.3~0.45<br />
適合<br />
6m~10m<br />
0.2~0.4<br />
適合<br />
0.35~0.6<br />
不適合<br />
0.28~0.44<br />
適合<br />
5m 5m 5m 5m 5m 5m<br />
不適合棲息區域 適合棲息區域<br />
11m~15m<br />
0.15~0.3<br />
非常適合<br />
0.1~0.3<br />
非常適合<br />
0.15~0.34<br />
非常適合<br />
高流量時適合魚類避難區域表H=0.3m(淹沒Q=40cms)<br />
5m 5m 5m 5m 5m 5m<br />
不適合避難區域 適合避難區域<br />
敬請指教<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
16m~20m<br />
0.1~0.25<br />
非常適合<br />
0~0.1<br />
非常適合<br />
0.1~0.23<br />
非常適合<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
高流量時適合魚類避難區域表H=1.6、1.0、0.6m(淹沒Q=40cms)<br />
inflow<br />
inflow<br />
5m 5m 5m 5m 5m 5m<br />
不適合避難區域 適合避難區域<br />
高流量時適合魚類避難區域表H=0.1m(淹沒Q=40cms)<br />
5m 5m 5m 5m 5m 5m<br />
不適合避難區域 適合避難區域<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
5m<br />
7
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