第一章 緒論
1.2 研究動機與目的
第一章 緒論
1.1 前言
台灣河川豐、枯水期流量差異甚大，枯水期時河川裸露之高灘地，常 有民眾植栽，於颱洪時期，洪水歷程急促，致河道侵蝕嚴重，河道深槽變 遷，垂直向侵蝕導致河槽刷深，側向岸壁沖蝕改變河道邊界，危及河防建 造物之安全及兩岸土地之安定。河道之變遷常造成可用土地之流失，並可 能間接污染水質。因此，不論就河川治理規劃方面，如水道治理計畫線之 劃設；或河川管理方面，如高灘地管理，均需對河川變遷之可能型態、形 成機制等進一步研究。
1.2 研究動機與目的
坡陡流急、富含大量砂石為台灣河川之特色，且蜿蜒曲折，造成河川 之流場更為複雜。由於彎道所造成之離心力與底床剪力無法平衡，而在徑 向(radial direction)形成二次流(secondary flow)。於凹岸處，接近水面之二次 流沖向凹岸，受阻後轉而向下沖擊底床，而後沿底床向凸岸流動。因此，
凹岸處之河床受到淘刷而崩塌退縮；而這些被淘刷之河床質則被二次流帶 向凸岸，導致凸岸之淤積成長。隨著凹凸岸沖淤之變化，除了垂向侵蝕導 致河床嚴重刷深外，亦有側向侵蝕造成岸壁崩坍。河岸退縮使河川蜿蜒幅 度可能逐漸加大並有往下游擺盪之趨勢，岸壁沖刷為探討河道變遷的重要
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因素之一。
蜿蜒型的沖積河道，大多由較深的主槽以及兩側的洪水平原構成。洪 水平原多有植被覆蓋，以及各種土地利用、經濟活動等人類社會行為。為 保障洪水期間，洪水平原上居民的生命財產安全，在洪水平原建造堤防以 限制洪水寬度，因而形成複式斷面河槽。然而台灣本島地形狹長，河川均 發源於高山，多源短坡陡，於枯水期時複式斷面的流量較小，水流多集中 於主深槽(main channel)，此時河川所呈現出的流況幾乎皆為簡單之蜿蜒單 槽緩變速流；然而每當夏秋之際颱風豪雨來臨，河川流量隨降雨暴增，當 洪 水 漫 淹 至 洪 水 平 原 時 ， 此 時 河 川 之 流 況 則 轉 變 為 蜿 蜒 複 式 斷 面 (meandering compound channel)之水流。複式斷面之水理原乃屬三維之複雜 流場，當洪水漫過高灘地時，此種流況之水流結構與單槽渠流相當不同，
不僅主深槽與洪水平原之流速及水深明顯不同，且深槽和洪水平原之間有 複雜的三維性混合過程。
一般河川之水深大多小於水面寬度，實際應用上仍是以二維模式演算 橫斷面的水理及沖淤變化為較經濟常用的方式。以往蜿蜒複式河槽的研究 主要針對固定的洪水平原探討水流結構，有關蜿蜒複式河槽主深槽變遷及 河床沖淤方面需要更詳細的分析。因此本研究將探討水位較低、流量僅在 深槽的單槽蜿蜒渠流，及洪水漫淹至洪水平原時之蜿蜒複式河槽溢岸流分 別進行動床模擬。
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蜿蜒河川可視為由數個不同曲率半徑及彎曲角度之彎道(bend)夾接只 有數倍河寬長之近似直線段所構成。本研究先收集 CCHE2D 模式模擬彎道 及蜿蜒河道相關之模擬案例，並選擇實驗室之 140°及 180°單一彎道試驗進 行動床模擬，以了解 CCHE2D 模式在彎道二次流機制的功能及特色。而在 單槽蜿蜒渠流方面，除了使用原有的二次流機制及動床輸砂模組，本研究 亦使用能考慮岸壁因水流沖刷造成岸壁基腳破壞、河岸退縮的岸壁沖刷模 組(bank erosion)，選擇正弦連續彎道岸壁破壞過程之實驗室案例，模擬連續 彎道渠流岸壁後退河道側向變形的過程。
在蜿蜒複式河槽中流量漸漸增加，水流漫淹至洪水平原時即成為溢岸 流(overbank flow)。圖 1.1 為 Wormleaton et al. (2004)實驗三種類型蜿蜒複式 河槽示意圖，圖中箭頭指示的粗線為決定洪水平原型態的河岸邊界，細線 為蜿蜒之主深槽。此三種類型可由粗線條的河岸邊界區分，(A)為邊界順直 型，(B)為邊界蜿蜒型，(C)為邊界平行於主深槽的狹窄型；本研究選擇常見 之邊界順直、洪水平原寬廣的類型(A)為研究對象。因 CCHE2D 模式為水深 平均之二維模式，並未考慮垂直方向的變化。在蜿蜒複式河槽溢岸流的研 究中，先分析定床水理模擬的結果，了解二維模式模擬的複式河槽的水理 特性，後針對三組不同流量及不同上游來砂條件進行動床模擬，探討不同 流況下底床的變動情形，並應用於曾文溪下游之複式斷面河道，進行現場 案例的模擬。