導論

1-1 研究動機

政府有關機關興建之水土保持工程，包括防砂壩、野溪治理、道路護 坡、蝕溝控制、安全排水、堤防、護岸、崩塌地處理工程及環境保育等工 程，其工程構造物仍以施工快速、強度高之混凝土工法居多，此種工法雖 符合社會需求，卻讓植物無適當的生長空間，致使當地景觀及棲地生態遭 受到破壞。若能於工程週邊導入適地適生之植物材料，除可恢復植被覆 蓋，亦可達到美化景觀、改善氣候及提供野生動物棲地之效果。

目前台灣河川之河槽兩側高灘地種植植株，而這些植株在洪水來臨 時，不僅會減少通水面積及阻滯洪水流速，而且會影響水流之進行。對於 此情況多以密度(植被覆蓋率)來定義粗糙係數 n 值；但除此之外，對水流 阻力的影響亦包括植物之種類、高度、倒伏狀況及排列方式。

關於植生水理分析相關之研究，對於影響阻力之因素頗為複雜，致使 阻力之計算頗為困難。而傳統量測植被阻力係用於相關曼寧值(Manning n) 之參數，如水深及流速，而近期之研究亦使用無因次參數達西威斯巴哈摩 擦因子(Darcy-Weisbach friction factor)來評估植被阻力，因此本研究應用陳 氏自製阻力量測技術，直接量測出植被之整體阻力；而除陳氏自製阻力量 測技術，亦採用彩色質點影像測速法(CPIV)，應用於植生渠道全域流場變 化之觀測，此為非侵入式之量測技術，可以準確計算流場速度向量，進行 流場研究，亦可計算水流通過植被表面之相關阻力係數，並與陳氏自製阻 力量測值做一驗證。因此，本研究以分析植被之排列對於植被阻力之影 響，以提供阻力係數估算之參考。

1-2 研究目的

植被阻力之研究分為兩種，一為浸沒式植被，水流流經較矮小之植 被，如水草；二為非浸沒式植被，水流流經較高大之植被，如樹木。本研

究注重在植被為浸沒式植被時之情況，藉由 CPIV 法量測技術及自製阻力 測量技術(陳宥達，2008)於實驗室內進行水流通過植被阻力之試驗。本研 究採用之植被模型為圓柱狀，改變植植被橫向及縱向間距之差異性來進行 實驗，並探討不同流量對於內部流場所產被之阻力、流速變化、渦度分佈、

阻力係數(C_d)、達西威斯巴哈摩擦因子(f)、曼寧值(n)變化之影響。

1-3 文獻回顧

1-3-1 質點影像測速法

一、非入侵式流速量測技術發展

定量影像(quantitative image)測速法為一普遍之光學量測技術對於流 場之觀測更為容易，且為一非入侵式技術，而在近二十年快速發展，對於 流場不停地變化，流體為非穩定自由液面，定量影像測速法對於觀察流場 有很好的貢獻。定量影像測速法所要觀察的有流場速度、流場渦度、雷諾 應力、紊流消散。定量影像測速法類型主要分為三種，一種為流體中放入 不連續的質點；另一為放入連續質點(染料之類)；最後一種為未加入任何 物質，而第二種以及第三種為觀察流場密度或是溫度之變化，來分析整體 流場之速度。

定量影像測速法有四種基本操作方法，全像攝影、立體影像(多相機)、

單一相機之景深、光束通過流場。定量影像測速法也有許多方法，PSV (particle streak velocimetry)、LSV (laser speckle velocimetry)、PIV (particle image velocimetry)和 PTV (particle tracking velocimetry)。除了上述的方法，

尚有其他方法可以去觀察，因最近幾年電腦技術發展快速，過去影像攝影 技術和今日者已不可相比。

對於定量影像測速法中之PIV 法，通常對於實驗真實流場之整體流況 有較好的觀察性，PIV 在近二十年以來被注重。PIV 主要是依賴影像處理 (image processing, IP)和圖形辨識(pattern recognition, PR)兩項過程，而一般

QI 技術的實驗步驟先是在流場中灑入不連續的晶體(玻璃砂)，接著將二維 PIV 可判斷之影像圖，除了 MPEG 規格，另有 DVD(MPEG2)格式，可存 取更長時間、圖片及高解析度。 -tion algorithm)被廣泛地使用在 PIV 的計算方面，亦針對相關函數法之演 算加以修正，如Keane and Adrian (1990)、 Adrian (1991)、Willert and Gharib (1991)、 Heckmann et al. (1994)、 Westerweel et al. (1996)、Gui and Seiner (2002)，且利用時序性單一曝光之兩張影像，於同位置，利用相同的質問 灰白色之亮度值分佈；質問窗大小為M×N(pixels)；i及j 為兩張影像比對之

初始位置；m及n為i方向及j方向之位移量，而計算Φ

(

)

而在 CPIV 法分析上係藉由彩色質點影像之訊號區分為兩組不同顏色 之訊號，如藍、綠亮度分佈值之影像訊號，亦採用互相關函數法進行分析，

得到質問窗（interrogation windows）內質點之位移量（Willert and Gharib 1991），其方程式如下：

Petryk 及 Bosmajian (1975)分析水深小於或等於植被高時的曼寧 n 值，

應用曼寧公式與動量守恆條件導出下列公式:

上式中，n_b:床面既有之曼寧係數；C_d:阻力係數；A_i:單株植物之流線方向 面積(m²)；A:水流縱斷面面積(m²)；L:渠道長度(m)；R:水力半徑(m)。

Kouwen (1997) 進行曼寧值實驗研究，對於可彎曲植被之曼寧值為 0.06~0.24；而不可彎曲植被之曼寧值為 0.01~0.22。而可彎曲植被密度係因

無植被之摩擦係數會高於2~3 倍。

Stone (2002) 利用雷達波非接觸式流速量測計測量實驗中水流之流速 剖面，且將圓柱型植被交錯排列，研究成果理論值與實驗值相比與驗證 後，形狀阻力公式亦可應用於圓柱型植被，且定義流速為流經植被間之平 均流速，阻力係受水深、植被長度、植株直徑、植被排列之影響。

Wilson (2003)利用 ADV (acoustic doppler velocimetery，聲波都卜勒測 速計)研究不同植被中動能轉換帶來的影響。研究中發現有葉植被中的流速 不到無葉植被流速的一半，且無葉植被會發生較大量之紊流，當相對深度 (z/h)>1.9，z 為植物未彎曲高，h 為水深，水面上的紊流分布就不受到植被 類型之影響。相對深度(z/h)> =2.4，紊流應力曲線會收斂至類似的深度，

為60~70%之總水深深度，紊流結構亦不受到有葉植被影響。當浸沒面(水 面)上升，有葉植被之紊流流向相對於無葉植被，較不受到干擾。且葉子越 密，更可以降低內部紊流之混合，且將最大之紊流應力轉移到植被最上 層。考慮到莖節密度的影響，有葉植被相對於無葉其平均流速下降。對於 沖刷和侵蝕，大尺寸之有葉植被可給予更好的保護作用。

Armanini (2004)利用一自製阻力量測儀器，將水流流經植株所得到的 數值傳輸至電腦，再利用形狀阻力公式( ^{1 2}

2

d D

F = ρC AV )判斷形狀阻力係 數、平均流速及縱斷面積之關係。經過實驗結果分析，對於未完全浸沒於 水中之植物，阻力與平均流速之平方呈現近乎線性上升趨勢，此株植物固 定於水槽底床，如此較易於分析阻力係數 (C_D)，並假設阻力係數近乎一 常數，而由植被雷諾係數趨勢緩慢減少；而完全浸沒水中之植物，阻力與 平均流速呈現近乎線性上升趨勢，對於典型之植被而言，阻力面積與植被 彎曲後的變化有很大之關係。

黃于軒（2005）應用彩色質點影像測速法（CPIV 法）對植生渠道流場 進行量測，以圓柱狀之聚稀系樹脂為植生模型，改變不同植生排列密度、

上游入流量以探討植生密度對流速剖面與曼寧n 值之影響。其結果發現，

Carollo (2005)於筆直的實驗渠道中，利用卡衛法(Kouwen’s method)分 析可彎曲浸沒植被之阻力，並從實驗中校正了半對數流體阻力方程式中的

Jason (2005)利用禾類(bluegrass)、蜈蚣草(centipede)、結縷草(zoysia grass)等不同植被進行流場實驗，探討低流量之曼寧值(n)與雷諾參數(VR)

對於渠道的穩定有相當之幫助。

Musleh 和 Cruise (2006)利用不彎曲圓柱植被作為植被模型，在非浸沒 式植生流場研究流經植被後之水頭損失，其結果為水深及流速對水流阻力 有很大之影響，摩擦因子隨著水深只有微小非線性增加，但隨著增加速度 而呈現非線性之下降趨勢。

综合上述研究，可知以往對寬廣河道之阻力研究，多探討達西威斯巴 哈摩擦因子和曼寧值之相關糙數，因此本研究亦著重此兩糙度之分析，利 用非侵入式彩色質點影像測速法(CPIV 法)來進行渠道試驗，分析浸沒式植 被流場之流速和水位變化，進而探討其植被之阻力係數(C_d)、達西威斯巴 哈摩擦因子(f)與曼寧值(n)與植被排列之關係，而計算之阻力值應用 Musleh

& Cruise (2006)所推導之阻力公式，並與陳氏自製阻力量測技術(陳宥達，

2008)之實際量測值進行比較與驗證。

1-4 研究方法

在本研究中，研究方法主要分為兩個部分，第一部份為 CPIV 試驗及 影像分析部分，第二部分為自製阻力測量部分。

第一部分（CPIV 試驗）：雷射光源係由 Argon 之氦氖雷射為藍（488 nm）、綠（514 nm）混合光，雷射光路徑中加入二凸透鏡將光源聚光，使 雷射光源不致衰退，經聚光後，直射至多彩聲光調變器(polychromatic aco- usto-optic modulator，PCAOM)，藉由不同之電壓將藍綠混合光給於區分藍 光及綠光後，再射至旋轉八面鏡形成雷射光頁。流體影像擷取部分則由 DuncanTech MS300 型之 CCD 攝影機擷取通過雷射光頁下之質點，質點曝 光數可經由快門（1/5 至 1/4000 秒）所決定。在渠道佈置部分，於長 10 公 尺、高0.5 公尺及寬 0.4 公尺之試驗水槽後段 50 公分區域設置植被，並改 變不同入流量及植被排列，進行水流渠道植被阻力之研究。再利用影像轉 檔程式及影像分析與計算程式，將攝影機所擷取之影像進行演算分析並做

一完整之結果分析。

第二部分（自製阻力測量部分）：將移動平台置入水槽段後段，並與 水槽前段同高，移動平台連接拉壓力計，此拉壓力計將與電腦同步，並顯 示每秒之數值，將資料換成趨勢圖，並讀出穩定段之阻力值。在渠道佈置 部分，於長10 公尺及寬 0.4 公尺之試驗水槽後段設置植被移動平台(長 0.15 公尺、寬 0.37 公尺、厚度 0.005 公尺)，並改變不同入流量及植被排列，

進行水流渠道植被阻力之研究。

1-5 本文組織

本研究採用彩色質點影像測速法（CPIV 法）與陳氏自製阻力測量技 術(陳宥達，2008)，應用於渠道中植被密度對阻力之觀測。全文共分為五 章，茲簡述章節內容如下：

本研究採用彩色質點影像測速法（CPIV 法）與陳氏自製阻力測量技 術(陳宥達，2008)，應用於渠道中植被密度對阻力之觀測。全文共分為五 章，茲簡述章節內容如下：