第三章 模式檢定驗證與應用
3.2 現場案例
3.2.1.3 模擬所需參數
1. 初始河道幾何資料
在河系洪水演算過程中，河道斷面的形狀亦為影響模擬結果之主 要因素之一，本研究採用前台灣省第二河川局於民國82 年 8 月至 84 年 6 月年間(以下以 83 年簡稱)辦理的頭前溪本流之測量資料作為模 式起算條件，而此模擬範圍之斷面樁號整理如表3-3 所示。
2. 初始底床粒徑資料
為求能更符合實際狀況，並提高模擬精準度，對於河床粒徑選 取，應採用與斷面量測資料時間接近之河床採樣資料，但由於民國 83 年並無實測河床粒徑之資料，因此本研究根據第二河川局 94 年「頭 前溪中正橋段跨河及河防構造物對整體河性影響之研究」中所述，以 假定頭前溪主流區段之河床質變化不致影響模擬結果，以民國 73 年
「頭前溪治理規劃報告」中之河床質採樣資料作為模式模擬資料，各 斷面相關粒徑組成及砂質含量資料整理如表3-4 所示。根據此表，本 模 式 採 用 六 組 代 表 粒 徑 ， 分 別 以 D1~D6 稱 之 ， D1=0.2mm 、 D2=0.4mm、D3=0.86mm、D4=1.48mm、D5=8.18mm、D6=25mm。
3. 底床糙度係數
對於底床糙度係數之選取，本研究參考台灣省水利局民國 73 年
「頭前溪治理規劃報告」所建議的河床糙度進行水理輸砂演算，各斷 面所採用之底床糙度資料整理如表3-3 所示。
4. 上游邊界條件
頭前溪本流流域目前有兩處水位流量站，分別為經國大橋站及竹 林大橋站。本研究以經國大橋站作為上游邊界，經比較以 200CMS 為基準來挑選具代表性之上游入流量；又部分實測資料明顯錯誤或不 足，故另外選取較上游之竹林大橋站之流量資料，以比面積法推估不
足之上游入流歷線，綜合上述之流量資料，合計350 小時進行模式之 模擬。
5. 下游邊界條件
關於下游邊界條件部分，由於下游斷面附近無潮位量測站，因此 本研究使用Koji et al. (2000)所開發之海潮模式推估下游潮位歷線，此 模式可根據輸入經緯度及上游洪水發生時間推估出本案例所需之下 游邊界潮位歷線。
6. 上游泥砂輸入條件
蒐集上游邊界經國橋測站歷年之實測泥砂濃度資料，加以迴歸出
流量-濃度之率定曲線 ，由於此入砂濃
度為包含沖洗載之濃度，經檢定後扣除 80%之沖洗載濃度，並以最細 之D1 粒徑代表懸浮載粒徑，上游濃度歷線整理如圖 3-24 所示。
( ) 52.97 *( (
3/ ) ^ 0.26) C PPM
v= Q m s
7. 孔隙率
現場案例不似實驗室案例可透過估算淤積鋒面來推求孔隙率，筆 者考量到現場粒徑為非均勻沈滓，彼此代表粒徑間顆粒大小又頗具差 異，故本案例設定孔隙率為0.3。
8. 參考高度
如同實驗室案例，由於上游邊界並無進行河床載通量之量測記 錄，故無法以直接的方式檢定出此參數。此案例之水深大致在 2-5 公 尺左右，是以根據檢定結果顯示，若當此值採用0.05m 時，本模式即 可具有較佳之模擬結果。
9. 作用層厚度
根據數值經驗，設定此值介於0.05~0.1 倍水深間，以反應真實之 粒徑改變量。
3.2.2 模擬結果與分析
3.2.2.1 檢定案例
本案例所採用之洪水事件時間介於民國83 年至 88 年間，此範圍 中包含道格(民國 83 年 8 月 7 號至 8 月 10 號)、弗雷特(民國 83 年 8 月 20 號至 8 月 22 號)、葛拉絲(民國 83 年 9 月 1 號至 9 月 2 號)、席 斯(民國 83 年 10 月 9 號至 10 月 11 號)、狄安那(民國 84 年 6 月 8 號 至6 月 12 號)等代表性颱洪。本研究於此檢定案例中之總模擬時間為 240 小時，圖 3-25 及圖 3-26 分別為演算時所輸入之上下游邊界條件，
上游入流洪峰流量約 2,000CMS。圖 3-27 為民國 83 年頭前溪底床經 模式模擬後與實測值(民國 88 年)之水位及底床高程沿程變化示意 圖，由各斷面最低點連線繪製而成，左下方為河口位置，圖 3-28 為
模擬值與實測值之底床高程差比較圖，由於民國 88 年之斷面資料不 足，上游端(18 號斷面至 22 號斷面)無法比對結果，但可以透過比較 中下游端最低點來檢定模式之結果，從上兩圖中可發現，模式模擬值 整體上於頭前溪中下游段呈現有淤有刷之現象，而對於實測底床高程 顯著變化區域如舊港橋前後斷面或頭前溪橋前後斷面之模擬趨勢亦 能正確模擬。
3.2.2.2 驗證案例
本案例延伸檢定案例之模擬時間，將上述檢定案例之洪水事件再 加入民國89 年至 92 年間之洪水事件，以作為模式於現場案例中之驗 證，但頭前溪於此發生時間內有近兩年為枯水期，故此加入之模擬時 距較短，約為 110 小時，此範圍中包含巴比倫(民國 89 年 8 月 27 號 至8 月 30 號)、象神(民國 89 年 10 月 31 號至 11 月 3 號)、桃芝(民國 90 年 7 月 29 號至 7 月 31 號)等代表性颱洪，圖 3-29 及圖 3-30 分別 為 驗 證 案 例 演 算 時 所 輸 入 之 上 下 游 邊 界 條 件 ， 其 洪 峰 流 量 約 1200CMS。圖 3-31 為民國 83 年頭前溪底床經模式模擬後與實測值(民 國 92 年)之水位及底床高程沿程變化示意圖，圖 3-32 則為模擬值與 實測值之底床高程差比較圖。由上述兩圖可發現，模式模擬值於河道 中呈現上游沖刷及下游淤積的現象，與實測值趨勢比較，並無明顯之 差異，但於下游頭前溪5 號斷面底床高程模擬值為-3.62m，實測高程
為-1.83m，模擬值有明顯高估之現象，此誤差可能之原因在於下游邊 界之歷線為推估值所致，當此推估歷線與實際歷線有誤差存在時，便 會影響到模式模擬之結果，而其他可能造成此結果的因素尚有所使用 之輸砂公式不適合於此模擬環境中等問題，對於不同輸砂公式適用性 與準確性之比較，將在第四章討論，於此不多作說明。
3.2.3 小結
綜合上述之結果，模式對於模擬現場不規則河道、變量流、非均 勻河床質分佈等水理、輸砂行為，皆能完整的模擬；但由於各物理量 間具有高度之相關性，本研究之部分模擬條件是透過估算所得：如部 分上游入流流量是透過竹林大橋水位站經比面積法推得；而下游邊界 亦為一估計之歷線；此外，底床床質粒徑之採樣時間與斷面量測時間 不同等，與河道中實際物理量可能有其誤差的存在，皆會影響到模擬 結果之準確度。
3
表 3-1 各案例上游入流量與下游水位條件
案例 上游入流量(cms/m) 下游水位(m)
Run21 0.0236 0.2565 Run22 0.0236 0.251 Run25 0.0194 0.26 Run26 0.0194 0.265 Run14 0.0683 0.299
表 3-2 頭前溪主流實測資料彙整
年份 實測範圍 資料來源
民國82~84 年 斷面 1~48 民國87 年 橋樑與水工結構物 民國88 年 斷面 1~17(部分有缺) 民國92 年 斷面 1~22(部分有缺) 民國95 年 斷面17~48
二河局
表 3-3 模擬範圍之斷面樁號與曼寧 n 值
樁號 河心距(m) 採用曼寧n 值
頭1 0 0.03
頭2 485 0.03
頭3 845 0.03
頭4 1192 0.03
頭5 1530 0.035
頭6 1966 0.035
頭7 2436 0.035
頭8 2909 0.035
頭9 3412 0.035
頭10 3883 0.035
頭11 4369 0.035
頭12 4853 0.035
頭13 5239 0.035
頭14 5722 0.035
頭15 6199 0.035
頭16 6672 0.035
頭17 7310 0.035
頭18 8010 0.035
頭19 8615 0.035
頭20 9172 0.035
頭21 9564 0.035
頭22 10074 0.035
表 3-4 頭前溪各斷面河床質粒徑分組重量累計百分比(民國 73 年) 河床質粒徑(mm)
0.2~0.4 0.4~0.86 0.86~1.48 1.48~8.18 8.18~25.0 25.0~500.0 1-2 46 92 94 96 98 100 3-4 46 90 92.5 95 97.5 100 5-6 5 12 15 19 25 100 7-8 10 30 45 48 60 100 9-10 7 11 13 15 24 100
11-12 4 10 12 14 23 100
13-14 9 18 28 31 43 100
15-16 4 8 12 15 24 100
17-18 2 4 6 8 10 100
19-20 1 2 10 14 24 100
21-22 1 2 8 12 16 100
累計百分比 斷面
圖 3-1 模型佈置圖(摘錄自 Suryanarayana 1969)
圖 3-2 非均質粒徑分布曲線圖(摘錄自 Suryanarayana 1969)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000
渠道延程距(m)
圖 3-23 模擬範圍之流域示意圖(摘錄自頭前溪與鳳山溪匯流河口 段變遷研究,2007)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 350
時間(hr)
濃度(PPM)
圖 3-24 頭前溪案例之上游入砂濃度歷線
0 500 1000 1500 2000 2500
0 50 100 150 200 250
流量(cms)
時間(hr)
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
0 50 100 150 200 250
時間(hr)
水位(m)
圖 3-25 現場檢定案例上游流量歷線(經國大橋站)
圖 3-26 現場檢定案例下游水位歷線(河口)
-5 0 5 10 15 20 25 30
0 2000 4000 6000 8000 10000
河心距(m)
高程(m)
初始底床高程(83年實測值) 底床高程(88年實測值) 水面線(模式模擬值) 底床高程(模式模擬值)
河口
舊港橋
頭前溪橋
圖 3-27 現場檢定案例水位及底床高程之延程變化(Van Rijn 公式)
-3 -2 -1 0 1 2 3
0 2000 4000 6000 8000 10000
河心距(m)
高程差(m)
88-83實測 模擬終了
河口
舊港橋
頭前溪橋
圖 3-28 現場檢定案例實測值與模擬值之底床高程差比較 (Van Rijn 公式)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 20 40 60 80 100 120
流量(cms)
時間(hr)
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
0 20 40 60 80
時間(hr)
水位(m)
100 120
圖 3-30 現場驗證案例下游水位歷線(河口) 圖 3-29 現場驗證案例上游流量歷線(經國大橋站)
-5 0 5 10 15 20 25 30
0 2000 4000 6000 8000 10000
河心距(m)
高程(m)
初始底床高程(83年實測值) 底床高程(92年實測值) 水面線(模式模擬值) 底床高程(模式模擬值)
河口
舊港橋
頭前溪橋
圖 3-31 現場驗證案例水位及底床高程之延程變化 (Van Rijn 公式)
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 2000 4000 6000 8000 10000
河心距(m)
高程差(m)
92-83實測 模擬終了
河口
舊港橋
頭前溪橋
圖 3-32 現場驗證案例實測值與模擬值之底床高程差比較 (Van Rijn 公式)