FEMWATER 程式模擬

現地試驗結果使用 FEMWATER 程式進行模擬，因現地土層試驗狀況為

未飽和，FEMWATER 計算過程除了需要提供各方向之土壤滲透係數 k，另 外還需要三組曲線以表示土壤特性，分別為相對滲透係數與張力之關係、

體積含水比對張力之關係（土壤之保持曲線）與保水容量對張力之關係。

依據 van Genuchten 所提出 k 值與壓力頭 h 間之關係式（2.22），其中之α 與 n，即為 FEMATER 產生上述三組曲線之參數 van Genuchten alpha 和 van Genuchten beta。

( ) ( ) ( ) ( )

FEMWATER 所需輸入之土壤參數 van Genuchten alpha and beta，透過美 國環境保護協會（EPA）提供之 RETC（Retention Curve Computer Code）軟 體計算，利用室內試驗所得之土壤保持曲線，求取 FEMWATER 所需參數。

RETC 用以計算不飽和狀況土層之土壤保持曲線與土壤滲透係數關 係，程式同樣根據 van Genuchten 所建立的參數模型，利用最小平方法，迴 歸計算求取未知參數。

630 公處。寶山三峰土層設定，第一層三峰黃色粉土深度 800 cm，利用 RETC 計算得到之参數輸入，地下水位於 600 cm 處，第二層為灰黑色砂岩，厚度 200 cm，採 FEMWATER 內建參數設定。基本上 FEMWATER 網格之設定以 接近試驗中心處之網格較細，越往外側，網格越大。

模擬計算之前，上邊界土壤之初始條件設定為土壤之田間含水量，田 間含水量之值以保持曲線中當壓力為 0.3 bar 時所對應之土壤含水量

（Jamison & Kroth, 1958）計算。當設地表面高程為 0，則上邊界以-300 cm 水頭設定之，以此邊界條件模擬計算，可得一不飽和土層之壓力水頭分佈 圖，以此壓力水頭作為模擬試驗狀況之初始值。

以下為 FEMWATER 建立完整模式概略之與流程方法：

1. 依現地試驗之儀器大小建立平面 2D 之扇形網格，半徑視實驗調整，

約 600～800 cm，主要以模擬過程水平向之距離不會影響滲流過程為 主。

2. 建立完整 3D 網格，照現地試驗之鑽孔大小、深度，依據現地鑽探資 料設定土層厚度與地下水位，原則上以內密外疏之方式切割網格，如 圖 3.7 為交大簡易試驗中心處之 3D 網格。

3. 設定土層與各項參數，包含保持特性、重力加速度、密度與試驗土壤 之滲透係數，最後給定模擬現地滲透試驗之時間與間隔，以利最後計 算單位時間之滲流量；於 FEMWATER 之所有數值單位必須統一，在 此設定所有長度單位為 cm、時間單位為 sec、重量單位為 kg。

4. 最後則是設定模擬現地試驗之各項水壓力邊界值與初始值，網格之設 定即完成。所有之設定都是透過 GMS 此軟體輸入，再利用 GMS 輸 出成 FEMWATER 讀取的檔案格式。

圖 3.7 交大簡易試驗中心部份之 3D 網格

研究主要利用 FEMWATER 模擬計算，分成下列四部份討論：

1. 在 FEMWATER 輸入室內三軸滲透試驗所得之飽和土壤滲透係數，模 擬現地土壤狀況，由輸出之流速計算單位時間之流量，分別比較各組 試驗單位時間之流量與實際試驗流量之差異。

2. 改變 FEMWATER 中輸入的土壤滲透係數，同 1 計算單位時間流量，

利用試誤法找出流量與現地狀況相同時之滲透係數，並比較各組不同 試驗之關係。

3. 改變 FEMWATER 中垂直向與水平向土壤滲透係數之比值，分別計算 當

v h

k

k =1、2、5、10 之狀況，同樣依照 2 的計算方式，找出單位時間 流量與現地狀況相同時之土壤滲透係數，觀察垂直與水平之比值與滲 透係數間之關係，模擬計算之流程如圖 3.8。模擬土層不均質的性質，

比較不均質土層對各組試驗之影響。

4. 依據 3 所得滲透係數關係，延長 FEMWATER 模擬試驗之時間，比較 當時間延長至 5 天後所得之狀況，觀察試驗之變化。

圖 3.8 FEMWATER 模擬計算流程圖