4-1 渠道水流穩定測試
本章研究重點在於水流剖面速度受到底床邊界層效應之影響及 取像位置之區域是否為完全發展段。因此，進行水流通過試驗渠道之 穩定測試，以瞭解水流進至觀測渠段為完全發展之渠段。
4-1-1 實驗結果分析
此階段主要量測水流通過試驗渠道時，由於邊界層與自由液面之 影響所造成之速度剖面變化，因此，實驗時將以固定流量穩定地進入 試驗觀察渠段，並固定其水深變化，其相關設定：上游水深為6cm、
入流量為 60L/min，渠槽坡降為 0.001，擷取影像位置為距離渠道入 口60cm 處，藉由 CCD 擷取影像，如圖 4-1 所示，並進行影像分析，
其所得結果如圖4-2~4-4 所示。分別為原始影像、速度向量分佈、速 度剖面：
1.由圖 4-3、4-4 速度向量分佈圖、ln(y)與 V/V*關係圖所示，可看出近 壁區中平均速度分佈符合對數定律（Log-law）。
2.根據以上結果分析，當水深 6cm、流量 60L/min 時，近壁區中平均 速度分佈符合對數定律（Log-law），因此，可以假設此區域為完全 發展段。而本研究主要實驗之控制條件於水深為5 及 6cm，流量為
4-2 光滑底床與植生底床渠道流場試驗 個流場流況，因此，本研究進行時均化（time average）平均 30 約張 影像而計算出平均流速分佈及渦流分佈，此外，為了解植生流場中渦 5 cm，入流量分別為 60、80、100L/min，取像大小為 5.97cm×4.48cm；
實驗案例4~6 為光滑底床渠道，上游水深為 6 cm，入流量分別為 60、
80、100L/min，取像大小為 7.44cm×5.58cm；實驗案例 7~9 為植生底 床渠道，植生高度約為1.5 cm，上游水深為 5 cm，入流量分別為 60、
80、100L/min，取像大小為 4.69cm×3.52cm；實驗案例 10~12 為植生 底床渠道，植生高度約為1.5 cm，上游水深為 6 cm，入流量分別為 60、80、100L/min，取像大小為 6.19cm×4.64cm；經由影像分析及時 均化計算結果，其結果如圖 4-5 至圖 4-52 所示，分別為不同水深、
流量及底床渠道下之流場原始圖、流場分佈向量圖、流場流線圖及渦 度場圖。以下將此結果分別進行比較。
1.案例 1 及案例 7（水深 5cm，流量 60L/min）
如圖 4-5 及圖 4-29 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原 圖，比較兩不同底床明顯看出於植生底床渠道因受到植生影響，植生 處之流場較為紊亂，顯影質點運動方向隨著植生擺動而改變其流動方 向，而於光滑底床中之顯影質點移動方向平行於底床流動。如圖 4-7 及圖 4-31 所示，為流場流線圖，比較兩不同底床明顯可看出植生底 床因受到植生擾動，顯影質點穿越植生間空隙處，質點運動方向從植 生處位置裡向上流動，流線呈上揚現象。
2.案例 2 及案例 8（水深 5cm，流量 80L/min）
如圖4-9 及 4-33 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原圖，
比較兩不同底床明顯看出於隨著流量增加，植生底床渠道亦受到植生
影響，植生處之流場較為紊亂。如圖4-11 及 4-35 所示，為流場流線 圖，比較兩不同底床明顯可看出植生底床因底部受到植生擾動，流線 往植生處位置向上流動。
3.案例 3 及案例 9（水深 5cm，流量 100L/min）
如圖 4-13 及 4-37 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原 圖，比較兩不同底床明顯看出於流量增加時，植生底床渠道亦受到植 生影響，植生處之流場較為紊亂，而於光滑底床之流場較為穩定，顯 影質點移動方向平行於底床流動。如圖4-15 及 4-39 所示，為流場流 線圖，比較兩不同底床明顯可看出流量增加時，植生底床亦底床受到 植生擾動，顯影質點之運動方向，於植生內向上流動，流線呈上揚現 象。
4.案例 4 及案例 10（水深 6cm，流量 60L/min）
如圖 4-17 及 4-41 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原 圖，比較兩不同底床明顯看出植生底床渠道亦受到植生影響，植生處 之流場較為紊亂，顯影質點移動方向隨著植生擺動而改變其流動方 向，而於光滑底床中之顯影質點移動方向平行於底床流動。如圖4-19 及 4-43 所示，為流場流線圖，比較兩不同底床明顯可看出植生底床 因受到植生擾動，顯影質點之運動方向，於植生內向上流動，流線呈 上揚現象。
5.案例 5 及案例 11（水深 6 cm，流量 80L/min）
如圖 4-21 及 4-45 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原 圖，比較兩不同底床明顯看出於流量增加時，植生底床渠道亦受到植 生影響，植生處之流場較為紊亂，顯影質點移動方向隨著植生擺動而 改變其流動方向，而於光滑底床中之顯影質點移動方向平行於底床流 動。如圖4-23 及 4-47 所示，為流場流線圖，比較兩不同底床明顯可 看出植生底床因底部受到植生擾動，顯影質點穿越植生，質點運動方 向從植生處內往上流動，流線呈上揚現象。
6.案例 6 及案例 12（水深 6 cm，流量 100L/min）
如圖 4-25 及 4-49 所示，分別為光滑底床及植生底床之流場原 圖，比較兩不同底床明顯看出於流量增加時，植生底床渠道亦受到植 生影響，植生處之流場較為紊亂，顯影質點移動方向隨著植生擺動而 改變其流動方向，而於光滑底床中之顯影質點移動方向平行於底床流 動。如圖4-27 及 4-51 所示，為流場流線圖，比較兩不同底床明顯可 看出植生底床因受到底部植生擾動，質點運動方向往植生處內位置向 上流動，流線呈上揚現象。
根據以上結果，明顯看出流場受植生底床擾動的影響，底床部分 流場較為紊亂，然而植生上方之流況趨於穩定狀態，流線震盪幅度不 大。
二、不同底床下流速分佈之比較 1.光滑平板渠道
由圖4-53 所示，為水深 6 cm 之光滑平板渠道於不同流量下之流 速剖面情形，可看出水流流經光滑平板渠道，雖然增加流量，流速也 亦增加，但流速剖面線趨勢極為相似。而水深越大時，流速增加幅度 卻並不大，斷面流速趨於一穩定狀態。其各案例結果彙整記錄於表 4-3 中，流量為 60、80、100L/min 之斷面平均流速分別為 5.74、10.80、
16.34cm/s。
2.植生底床渠道
由圖5-54 所示，為水深 6 cm 之植生渠道於不同流量下之流速剖 面情形，明顯看出不同流量下，植生以下之流速緩慢，流速大約維持 在1~5cm/s。當流量增加時，位於植生以上的區域，因渠道受植生阻 礙影響，通水斷面束縮，而流速增大。其各案例結果彙整記錄於表 4-4 中，植生上方處之流速於流量為 60、80、100L/min 下分別為 4.0、
4.9、7.7cm/s。
3.比較光滑平板底床與植生底床之差異
由圖 4-55 所示，比較光滑底床與植生底床的流速剖面圖，可看 出植生底床下植生區域的流速較為光滑底床流速緩慢，但水流經植生 上方區域後，因通水斷面束縮，開始比光滑底床的斷面流速快。
根據以上結果，水流經植生底床渠道，因受到植生阻力的影響，
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成能量損失。因此，以下就能量方程式（energy equation）來探討不 同底床下之能量損失，如圖4-59 所示：損失。
如表4-6、圖 4-60 所示經上述計算分析後之結果，比較水流流經 光滑平板渠道與植生渠道之能量損失，明顯看出植生渠道因受植生阻 力影響，而能量損失變大，尤其當流量增加或者水深增加時，能量損 失也隨之變大，其底床平板渠道之能量損失平均為9.81%，植生渠道 之能量損失平均為11.81﹪。另外，由圖 4-60 中可發現光滑平板底床 與植生底床於水深5 cm 時能量損失幅度大於水深 6 cm。