河道坡降對河川型態演變之研究Experiments on the Adjustments of River

at Channel Gradient Variations

作者：吳永勝 安軒霈 陳樹群 報告人：吳永勝

前言改變渠道坡降河川型態改變輸砂率曲線變化主深槽擺蕩週期沙洲發展特性

研究動機

• Gilbert（1914）：利用室內水槽試驗研究水流挾砂力的問題 ，其試驗結果發現河床坡降和斷面寬深比呈反比關係。

• Lane（1955）：他省略了上式中寬深比的影響 ，並把公式簡化為下式。

前言

1 2

3

3

/sQ DS K

B h Q

sQ d QS:

沖積河川自我調整模式

Schumm （ 1969 ）：進一步把河寬（ B）、水深（ h）、寬深比（ B/h）、河灣跨度（ Lm）、彎曲係數（ r）和河床坡降（ S）全部納入影響因子來一併考慮，將流量（來水）及輸砂量（來砂）各別提出作討論，作為預測河床型態調整之基礎。

前言

, , mB h LQ

S:

, ,,m

sB L S

Qh r

:

沖積河川自我調整模式

山本晃一（ 1989）：根據實驗提出河道的平面形狀和沙洲的分佈型態有密切關係。

前言辮狀型河川沙洲型態與長寬關係

(河寬與沙洲型態關係圖 )

實驗編號 模型坡降 模型河寬(m)

模型流量(cms)

加砂量(kg/hr)

實驗時間(min)

Case1 0.01

0.5 0.000186 3.66共五小時

300

Case2 0.02

Case3 0.03

Case4 0.04

Case5 0.05

Case6 0.06

Case7 0.07

實驗條件

上游進水口

0.4m 0.4m實驗段 2.2m

0.5m

SEC1 SEC2 SEC3 SEC4 SEC5 SEC6 SEC7 SEC8 SEC9 SEC10 SEC11 SEC12

0.25m

0.25m

• 為了清楚區分流路和沙洲，將實驗的水加入染劑，流路有了顏色方便觀察沙洲變化與面積，實驗中更發現，可以藉水流顏色深淺觀察出沖刷坑與主深槽位置。

實驗設計

有染劑 無染劑

300min145min

Case1

Case2

實驗現象探討

河道中小坑洞形成的原因是因為上游來水中挾砂量不足，水流會在渠道中帶起少量泥砂，形成小型的坑洞，坑洞形成後會使流場中產生局部的流速變化。在坑洞的上游處，流速減緩，底床質在坑洞上半部落淤；而坑洞的下半部，水流從坑洞中流出，底床抬升，通水斷面束縮，流速變快，故在坑洞下半部產生掏刷。坑洞上部淤積，下部掏刷的影響，使的坑洞會逐漸往下游移動，且面積保持固定。

小坑洞成因實驗現象探討

300min215min

Case3

實驗現象探討

115min35min

Case4

Case5

實驗現象探討

300min215min

Case4

Case5

實驗現象探討

105min30min

Case6

Case7

實驗現象探討

300min205min

Case6

Case7

實驗現象探討

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 50 100 150 200 250 300 350

( )時間 分

輸砂率(

公斤/分)

0.010.020.030.040.050.060.07

•輸砂量與輸砂率變化由圖中可以發現，輸砂率和總輸砂量大致上都隨著坡降大小而變化，兩者有一正相關之情形。

實驗結果與分析

在前 70min ， Case6 的輸砂率明顯比 Case7 的輸砂率大。總輸砂量與坡降關係圖

0

40

80

120

160

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

坡降

總輸砂量

(

公斤

)

•輸砂量與輸砂率變化探討 Case6前 70min輸砂率較大的原因，水中來砂量的主要來自底床掏刷 ( 縱向 ) 與邊灘沖蝕 ( 橫向 ) 兩部分，故即針對 Case6、 Case7前 60min的主深槽深度跟河道擺蕩寬度作探討。Case6的為 1.9cm，而 Case7的則為 2cm。中下游處 Case6的最大河寬為 75cm，而 Case7的僅只有 60.5cm。顯示：在縱向上的沖刷差異並不大，但在橫向上沖蝕有頗大的差異。

主深槽深度

實驗結果與分析

河道擺蕩寬度

•主深槽單次擺蕩定義實驗結果與分析

擺盪開始 擺盪結束流路改變

•主深槽擺蕩週期上游來砂量可以說是河道擺蕩的關鍵，而同流量下，渠道坡降大的組別可以對中下游供應更多砂量，造成中下游河道劇烈擺蕩，故主深槽的擺蕩週期會比較短，而坡降小的組別，主深槽的擺蕩週期會較大。由圖可知主深槽擺蕩週期大小與渠道坡降呈負相關。

實驗結果與分析

主深槽擺蕩週期

020406080

100120140

0.04 0.05 0.06 0.07

坡降

時間(

分)

• 主深槽擺蕩週期主深槽擺蕩的機制通常有兩種情形：(1)凹岸掏刷，凸岸堆積，使得河道的彎曲度變大，當河道彎到某一程度時，河流的衝擊力克服了邊攤的拘束力，在轉彎處形成了新的河道。

實驗結果與分析

水流的衝擊力

垂直水流的力 平行水流的力

• 主深槽擺蕩週期主深槽擺蕩的機制通常有兩種情形：(1)凹岸掏刷，凸岸堆積，使得河道的彎曲度變大，當河道彎到某一程度時，河流的衝擊力克服了邊攤的拘束力，在轉彎處形成了新的河道。(2)上游來砂量大時，會迫使河流的通水斷面減小，水進而漫過附近較低的地方，漫灘後水流常會在沙洲上形成新的流路。

實驗結果與分析

•沙洲的定義實驗結果與分析

C

A

B

河道中露出水面且長寬大於 3 cm 的區域

•沙洲面積與渠道坡降實驗結果與分析

由圖中資料發現，無因次沙洲面積跟渠道坡降呈現正相關。

沙洲面積河道擺蕩面積

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

坡降

/沙

洲面

積河

道面

積

•沙洲面積與渠道坡降實驗結果與分析

下切跟橫向擺蕩的能力大

輸砂量大

河道坡降大

流路分岔多變

泥砂容易落淤形成沙洲

沙洲面積大

1. 水流攜沙量不足，會先作縱向的沖刷，之後才會開始橫向擺蕩。2. Case1 和 Case2 實驗裡，河道中出現了許多小坑洞，其面積大致上維持固定，且坑洞會逐漸往下游移動。3. 在 Case1~Case7裡，河道坡降增加，下游的輸砂率隨之增加，且穩定的輸砂率也跟坡降成正比。輸砂歷線呈類似指數型遞減。4. 同流量下渠道坡降大的組別可以對中下游供應更多來砂量，中下游河道因而擺蕩劇烈，故主深槽的擺蕩週期會比較短，而坡降小的組別，主深槽的擺蕩週期會較大。5. 無因次沙洲面積會隨著河道的坡降改變，河道坡降越大，沙洲面積也隨之增大。

結論

報告完畢Thanks For Your Attention!

•Case6的斷面圖實驗結果與分析

-40-30-20-10

010203040

0 10 20 30 40 50 60 70 80

X(mm)

Y(m

m)

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80

X(mm)

Y(m

m)

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100

X(mm)

Y(m

m)

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100

X(mm)

Y(m

m)

(a)Sec2(20cm 處 ) (b)Sec5(80cm 處 )

(a)Sec2(20cm處 )

(b)Sec5(80cm 處 )

(c)Sec8(140cm處 )

(d)Sec11(200cm 處 )

-20

0

20

40

0 20 40 60 80 100 120

30min 60min 90min 120min 150min

180min 210min 240min 270min 300min

實驗設計

(

長 3m

、深 10cm

)

鋪平床面加水預濕

(

寬 25cm

、高 5

cm)

在兩側鋪設邊灘(

標定空間用)

邊界上插上竹籤

並持續加砂開水計時

一次出砂量

每 5min

紀錄

拍照一次每 5m

in

一次河床斷面

每 30min

量測

關水計時至五小時

實驗流程