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系統識別號 U0026-0812200912075218
論文名稱(中文) 洪水對河道沖淤及棲地影響之研究
論文名稱(英文) The Influence of Flood on the Bed Evolution and Habitat in Alluvial River
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 水利及海洋工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Hydraulics & Ocean Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生(中文) 陳金諾
研究生(英文) Ching-Nuo Chen
電子信箱 N8889107@ccmail.ncku.edu.tw
學號 N8889107
學位類別 博士
語文別 中文
論文頁數 327頁
口試委員 口試委員-吳嘉俊
口試委員-李鴻源
口試委員-詹錢登
指導教授-蔡長泰
指導教授-黃進坤
口試委員-陳樹群
中文關鍵字 河川復育  懸浮載濃度歷線  地文性土壤沖淤模式  河流棲地變遷模式  棲地模式  二維底床沖淤模式 
英文關鍵字 suspended sediment concentration hydrograph  stream restoration  habitat model  alluvial river-movable bed-two dimensional model  physiographic soil erosion-deposition model  river habitat transition model 
學科別分類
中文摘要 颱洪期間造成集水區大面積崩塌與大量土壤沖蝕,洪水挾帶大量泥砂向中下游河道匯集,洪水漲退水之過程高濃度含砂水流造成河道底床之沖淤演變,河道底床沖淤演變與河道懸浮載濃度亦將對河道之生態棲地造成嚴重之破壞。本研究旨在發展河流變遷模式,以演算洪水期間沖積河流底床沖淤變動及生物棲地之變遷,並探討河流底床沖淤演變所造成水流形態之改變對河流生態棲地之影響,進而作為河流棲地改善與生態復育之利用。
本研究發展之河流棲地變遷模式為地文性土壤沖淤模式、二維底床沖淤模式及棲地模式結合應用。以集水區地文性土壤沖淤模式結合應用地理資訊系統,模擬集水區之出流歷線、懸浮載濃度歷線,並作為二維動床沖淤模式之上游邊界條件。應用二維底床沖淤模式進行天然河道之底床沖淤演變模擬,最後配合棲地模式評估河川生態棲地之變遷。
集水區地文性土壤沖淤模式結合地理資訊系統,可有效處理集水區之水文及地文特性參數,無須簡化水文及地文條件,亦可迅速更新集水區之水文及地文資料,更符合集水區之現況。本文將集水區地文性土壤沖淤模式應用於單一集水區、多集水區之流域(濁水溪流域)及水庫集水區進行集水區之逕流歷線、懸浮載濃度歷線、輸砂量及土壤沖蝕量演算。經模式模擬演算之結果與集水區實測之水文資料比較驗證,模式可合理模擬逕流歷線、懸浮載濃度歷線、土壤沖蝕量及輸砂量。集水區之逕流歷線、懸浮載濃度歷線可作為下游河道之水理演算及底床變動演算之邊界條件,而沖蝕量及產砂量則可作為集水區經營管理之重要參考。
應用沖積河流動床二維沖淤演變模式模擬大里溪河道及集集攔河堰蓄水區在洪水過程中底床沖淤演變,由模擬結果可看出洪水挾帶之懸浮載可明顯影響底床沖淤,包括河道斷面之沖淤位置及沖淤後河道斷面形狀等。由考慮集水區上游來砂與否之模擬比較得知,考慮懸浮載輸運之蓄水區沖淤結果,與集集攔河堰蓄水區現況淤積情況較為符合。因此需結合地文性土壤沖淤模式以獲得豪雨洪水期間之集水區沉滓輸運歷線作為河道沖淤演變模式之上游邊界條件。
河道底床之沖淤變化會影響河道的水流形態,而水流形態的改變會造成河川生態棲地之變化,本文將二維底床沖淤模式與棲地模式結合應用,利用二維底床沖淤模式所演算之水理結果配合棲地指標物種之水深、流速及底質之適合度曲線,進行棲地適合度指數,權重可使用棲地面積及可使用棲地面積百分比之評估。進ㄧ步應用集水區地文性土壤沖淤模式、二維底床沖淤模式及棲地模式模擬各重現期距年洪水及實際發生之颱洪所造成之底床沖淤演變對河道生態棲地之影響。
因洪水時之懸浮載輸運影響河道底床之沖淤演變,而底床之沖淤演變造成水流型態之改變,進而影響棲地適合度指數值及分佈。因此進行河川復育或河川棲地改善,需能演算豪雨逕流在河道上游集水區之地表土壤沖蝕所形成之輸砂歷線,方能合理模擬河道底床之沖淤變動,進而合理推估棲地適合度指數值及分佈。本研究發展之河流棲地變遷模式,可有效演算豪雨洪水期間及洪水過後之河道棲地變遷及平時之河道棲地面積。




英文摘要 Most sediment was transported from upstream watershed that generated from large-scale collapse and soil erosion into the river and resulted the riverbed evolution during the process of flooding. The river habitat could be seriously destroyed by the riverbed evolution and high concentration of suspended sediment. The purpose of this study is to develop the river habitat transition model applicable for the simulation of bed evolution, habitat transition, and estimation the influence of bed evolution and flow condition on river habitat during the flood. The river habitat transition model can be used for stream restoration and river habitat improvement.
The river habitat transition model was developed combining the physiographic soil erosion-deposition model (PSED Model), alluvial river-movable bed-two dimensional model (ARMB-2D Model) with habitat model. GIS is applied to the physiographical soil erosion-deposition model to simulate the hydrographs of runoff and the concentration of suspended sediment. Finally, the distribution of river habitat can be estimated using the habitat model.
The physiographic soil erosion-deposition model utilizes GIS, in which, the hydrological and physiographical factors are processed instantaneously but not necessarily simplified. Any changes in these factors are incorporated on a timely basis. The runoff hydrograph, suspended sediment concentration hydrograph, soil erosion and deposition in watershed, and sediment yield could be simulated by PSED model for single small river basin, large-scale watershed with many sub-watersheds of tributaries (such as the Choshui river basin), or reservoir watershed. In order to verify the PSED model, the simulation results of discharge hydrograph, suspended sediment concentration hydrograph, and sediment yield were compared to the observed data at hydrological station. The upstream boundary conditions including runoff hydrograph and suspended sediment concentration hydrograph was first obtained and then used by the alluvial river-movable bed-two dimensional model for the unsteady flow and bed evolution calculations. The PSED model is applicable to estimate the soil erosion and sediment yield occurring in a river basin and is helpful for the watershed management.
The bed evolution of the Tali river and Chi-Chi weir of Choshui river basin were simulated by alluvial river-movable bed-two dimensional model. The result indicated that suspended load would be able to affect the riverbed evolution that included the location of silting and shape of river cross-section. The channel bed evolution simulated with the inclusion of suspended load from upstream watershed was better conformed to the present silting appearance in Chi-Chi weir of Choshui river basin. Therefore, the boundary condition of alluvial river-movable bed-two dimensional model with the consideration of suspended sediment concentration hydrograph obtained from physiographic soil erosion-deposition model was necessary during the period of flooding for the simulation purpose.
The influence of the riverbed evolution on flow condition can be transferred to the habitat in alluvial river. The alluvial river-movable bed-two dimensional model and habitat model can be combined to calculate the combined suitability factor, weighted usable area (WUA), and percent usable area (PUA) by habitat suitability curve of depth, velocity, and substrate for the target species. The influence of flood of different return periods and typhoon events on bed evolution and habitat could be estimated by PSED model, alluvial river-movable bed-two dimensional model and river habitat model.
The sediment concentration hydrograph from upstream river basin caused by precipitation can be simulated and then the riverbed evolution can be reasonably estimated. Finally, the value of combined suitability factor and distribution of the habitat during the processes of flood can be obtained which becomes helpful to stream restoration and river habitat improvement. The river habitat transition model developed in this study may be useful for estimating the river habitat during and after the processes of flood as well as ordinary flows.




論文目次 目 錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 IV
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XXIII
符號說明 XXV

第一章 緒論 1
1.1 研究緣起與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究內容 13
1.4 本文組織 14

第二章 集水區地文性土壤沖淤模式 16
2.1 前言 16
2.2集水區地文性土壤沖淤模式之建立 16
2.2.1水流演算 17
2.2.2土壤沖淤演算 19
2.3地理資訊系統與集水區地文性土壤沖淤之模式之應用 25
2.3.1河流集水區之描繪與坡地格區之劃分 27
2.3.2算格區之產生與屬性資料之給定 30
2.2.3演算流程 31


第三章 集水區地文性土壤沖淤模式之應用 32
3.1集水區沖蝕與產砂量之模擬演算 32
3.1.1單一集水區之沖蝕與產砂量推估應用 33
3.1.2流域多集水區之沖蝕與產砂量推估應用 48
3.2水庫集水區之沖蝕與水庫淤砂量之推估應用 68
3.2.1研究區域-曾文水庫集水區 69
3.2.2流量歷線及懸浮載濃度歷線之模擬 73
3.2.3水庫集水區年產砂量計算 79
3.3小結 87

第四章 河床沖淤演變模式 89
4.1水流基本控制方程式 89
4.2數值方法 93
4.3邊界條件與起始條件 100
4.4沉滓輸運率 104
4.4.1泥砂擴散係數 105
4.4.2底床沈降項 107
4.4.3沈降速度 108
4.4.4底床載輸運率 109
4.4.5底床變動 110
4.5底床沖淤模式 111
4.5.1懸浮載體積濃度C之計算 111
4.5.2底床高程Z之計算 113
4.5.3邊界條件 114
4.6乾點處理 114
4.7修正乾點處理 116



第五章 河床沖淤演變模式之應用 117
5.1集水區產砂對河床演變之模擬 117
5.1.1研究區域 117
5.1.2颱洪事件之模擬之模擬 119
5.1.3大里溪河床沖淤演變模擬與討論 122
5.2攔河堰蓄水區沖淤之模擬 149
5.2.1研究區域-集集攔河堰 149
5.2.2集水區產砂對欄河堰蓄水區沖淤影響之探討 151
5.2.3懸浮載輸運對欄河堰蓄水區沖淤影響之探討 165
5.2.4二維底床沖淤模式模擬欄河堰閘門排砂操作 168

第六章 洪水-棲地變遷模式及應用 176
6.1河流棲地變遷模式(River Habitat Transition Model) 176
6.2物理棲地模式(PHABSIM) 178
6.2.1水理模式 178
6.2.1棲地模式 180
6.3沖積河流動床二維模式與物理棲地模式(PHABSIM)之結合 182
6.4洪水對河道棲地之影響 186
6.4.1大里溪水域生物調查-魚類調查 186
6.4.2洪水-棲地變遷模式之應用 191
6.4.3洪水過程懸浮載輸運對河道棲地之影響 198
6.4.4洪水過程底床變動對河道棲地之影響 212
6.4.5有無洪水過程對河道魚類棲地變遷之影響 232
6.5 低流量之河道棲地模擬演算 241

第七章 結論與建議 247
7.1 結論 247
7.2 建議 249

參考文獻……………………………………………………………….250
附錄A………………………………………………………………. 260
附錄B………………………………………………………………. 295
附錄C………………………………………………………………. 311
作者簡歷……………………………………………………………….324
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