天然河道常為主深水槽及其相鄰之洪水平原所構成之複式河槽，水流之流況 相當複雜，尤其本省河川之中下游河道多屬複式斷面，平時中低水時期僅於主深 水槽中有水流動，但是在洪水時期，兩側高灘地亦遭淹沒。Knight 等(1983、1987)、
Wormleaton 及 Merrett(1990)指出當洪水平原之水深較低時，主深水槽及洪水平原 兩者間極大之流速差異將使得主深水槽與洪水平原之交界面產生較強之剪力層 以及明顯之動量交換。洪水平原除可提供水流蓄藏之空間外，亦可作為其流動之 通道。洪水波在往下游傳遞的過程中，其峰值將逐漸消散，此現象可由其水位流 量關係圖看出(NERC 1975; Tingsanchali 1976, 1988; Cunge et al. 1980; Yen 1987)。而當主深水槽之流速更快時，亦可能引起洪水平原環流之形成。關於此 複雜流場之問題，已有為數不少之文獻加以探討 (Wormleaton et al. 1982; Knight 及 Hamed 1984; Prinos et al. 1985; Tominaga et al. 1989; Tominaga 及 Nezu 1991;
Shiono 及 Knight 1991) 。近幾年來，國內外對於含洪水平原之複式斷面渠道之 水理研究持續進行中，其方向不外紊流流場之分析(Naot et al., 1993; Pezzinga, 1994; Cokljat and Younis, 1995; Lambert and Sellin, 1996; Sofialidis and Prinos, 1998, 1999)、污染質傳輸(Nokes and Hughes, 1994; Lin and Shiono, 1995)、主深水 槽與洪水平原間流動與動量之交換(Shome and Steffler, 1998; Bousmar and Zech, 1999)、底床粗糙度對流場之影響(Fathi-Maghadam and Kouwen, 1997; Knight and Brown, 2001; Myers et al., 2001)、流量及水位之試驗與數模(Sturm and Sadig, 1996;
Myers and Lyness, 1997; Lai et al., 2000; Lambert and Sellin, 2000; Tucciarelli and Termini, 2000)等。
根據上述，複式斷面之水理乃屬三維之複雜流場，就簡化之二維數值演算而 言，洪水漲退過程中，水位將通過主深水槽與高灘地之交界，此牽涉乾濕點計算 之技巧與可能發生數值不穩定現象。如進一步考慮泥砂輸運及河床變遷行為，則 將使問題更形複雜。Anderson 等人(1996)曾對洪水平原過程研究之方向作一綜合 性之介紹，包括洪水平原變遷、水理、泥砂輸運、水質及永續經營等。有關複式 斷面泥砂之側向交換機制、河床沖淤變化之探討與模擬並不多見，可供參考者有 James(1985), Falconer and Chen(1996), Walling et al.(1996), Narinesingh et al.
(1996), Hardy et al. (2000) 等文獻。
早 期 一 維 動 床 模 式 曾 被 廣 泛 地 應 用 於 河 川 之 沖 淤 模 擬 ， 如 HEC-6 、 GSTARS、SEDICOUP(Holly and Rahuel,1990)、Bhallamudi and Chaudhry (1991) 之模式等。以Holly 及 Rahuel (1990)發展之 SEDICOUP 模式為例，引進晚近發 展之輸砂觀念，考量懸移載、河床載之運移及兩者間交換之機制、空間延遲效應 (spatial-delay effect)之不平衡推移載、非均勻河床質之篩分及護甲等。該模式雖 極完備，但只為一維模式，不能描述河道橫斷面方向之變化。由於實際之需要及 計算機之進步，二維動床模式漸受人注意與研發，所用之方法一般係採用淺水波 理論，配合深度平均之觀念，亦即所謂平面二維模式(plane view model)。本研究 欲探討主深水槽及洪水平原間流量及輸砂量交換機制，及其對床形與洪水位之影 響，因此須研發水平二維動床模式。
二維模式中，如Simons et al. (1979)發展之模式中並未考慮懸浮載之運移，
且在單一粒徑限制下，無法描述非均勻床質變化之行為；Usseglio-Polatera and
Cunge (1985)所發展之數值模式，只著重於懸浮載之運移，但對於河床載及河床 之發展則缺乏描述，而且模式亦只限於單一粒徑；Pavlovic et al. (1985)發展之模 式，雖考慮亂流作用下之流場模擬，然而懸浮載只利用經驗公式求解而忽略移流 及擴散特性，另河床質與懸浮質亦無交互作用，且無法描述非均勻床質之變化。
目前著名的TABS2 模式(Thomas and McAnally,1985)係利用有限元素法求解污染 傳輸及河床變動問題，但該模式只能處理單一粒徑均勻質輸砂問題，無法考慮非 均勻沈滓之差異沈淤特性。柏特爾太平洋西北實驗室(Battelle Pacific Northwest Laboratory；Onishi and Trest,1985)發展一套模擬河川與海岸環境之非均勻質輸砂 模擬，該模式將砂質細分成黏土、淤泥及細砂，其中並包括水力篩選(sorting)及 護甲(armoring)作用，但該模式只專為該實驗室所需而撰寫，亦僅侷限於模擬長 期性的放射性污染問題。尤其以往在研究洪水位變化時，常視底床為固定不變，
以定床之條件模擬之，忽略底床變動之現象，而在實際情形中洪水流經所伴隨底 床劇烈變化即無法合理考量。由王書益教授在美國密西西比大學研發之水平二維 水理及輸砂模式，稱之為CCHE2D 模式，目前已有頗多之應用成果出現(Jia and Wang, 1999)，係利用有限元素法數值解。另計畫主持人在交大研發之二維顯式 有限解析法模式，在定床水理方面已有頗成熟之成果(Hsu et al., 2000)，在動床方 面亦持續改良中(葉與沈，2000)。上述之二維數模並未對複式斷面河道在主深水 槽與高灘地交界處特殊之水理及輸砂行為有所考量，因此在實際應用上有其限 制。Falconer and Chen(1996)及 Hardy et al.(2000)之數值模式係針對複式斷面河道 而研發，其成果可供參考與比較。由此觀之，為正確合理地模擬實際河川中之流 況及沖淤趨勢，發展一具有模擬複式斷面河床能力之二維數值模式以為探討此問 題之工具亦屬必須。
然欲合理模擬此一複式斷面河道含砂水流之複雜問題，有必要將此問題切割 為若干子題進行探討，以利研究之進行。洪水對於砂質河床常有劇烈之沖淤作 用，特別是對主槽之沖刷常頗劇烈。水庫洩洪水流含砂量低，對於主槽之沖刷更 為明顯。因主槽與兩側高灘地流速差異大，主槽沖刷之泥砂易淤積於高灘地，因 而抬高洪水位，增加溢流氾濫的潛勢，在河道之出口也易堵塞排水系統。因此必 須演算洩洪水流可能增加的主槽沖刷及高灘地淤積的程度，以評估對洪水位的影 響。據此，本研究擬將此問題分為三部分進行考量，第一部份為探討洪水對單一
河槽砂質河床沖刷之機制，第二部份為探討洪水對複式河槽之間水流質量、動量 及輸砂通量之交換機制，第三部份則以曾文溪之曾文水庫洩洪為例，進行其下游 河道沖淤及定床之數模，進而有效掌握複式斷面劇烈淤積對洪水位壅高之影響。
曾文水庫自完工運轉後，曾文溪河道砂源減少，除破壞河道之原有平衡外，
亦使河口之砂源不足，導致海岸有退縮之現象。為維持曾文溪河道之穩定性及提 供河口之砂源，將水庫淤泥迴歸曾文溪不失為經濟可行之方案，一方面可減少輸 砂及沈砂池之工程費與用地費，同時亦可補充曾文溪之砂源。惟這 些 清 除 之 淤 泥 於 迴 歸 於 水 庫 下 游 河 道 之 際，洪 水 通 過 時 淤 泥 之 運 移、洪 水 位 之 變 化 及 河 床 變 動 情 形，為 必 須 探 討 之 重 要 課 題。而 這 些 所 排 放 出 含 高 濃 度 淤泥勢必增加下 游 河 道 水流之濁度，可能對水域環境造成衝擊，此類影響則
必須加以評估。經濟部水利處南區水資源局於民國88 年之委辦計畫，曾以「一
維流水面剖線演算模式」(CWSE)針對此一問題進行水理演算，並對其相應之輸 砂量進行推估。該研究指出依曾文水庫水之洩洪輸砂能力評估，並不致對於下游 造成淤積現象，且由於泥砂迴歸所增加之水流含砂濃度，將可減少洪水期間由河 床補充之輸砂量，進而降低河道之沖刷量，對於曾文溪下游河床逐年下降情形有 所助益。由於該模擬工具僅為一維水理模式，無法適切表示出複式斷面及動床變 化等較複雜之水理輸砂變動情形以及對洪水位抬高之影響，若藉由本研究發展之 二維數值模式模擬之，將可獲致更為精確之結果供相關單位規劃時參酌。