Recent Advances in the Dynamics of Steep Channels 近代陡峭型河渠的力學發展

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1 Recent Advances in the Dynamics of Steep Channels 近代陡峭型河渠的力學發展
Francesco Comiti and Luca Mao 授課教授：謝平城 教授 指導教授：陳樹群 教授 報告人：李津甫

2 大綱 一、陡峭型渠道的定義 二、河道形態 三、陡峭型渠道的流體阻力及力學 四、翻滾水流 五、泥沙運移 六、結論

3 一、陡峭型渠道的定義 目前對於陡峭型渠道的定義非常混亂，像是：渠道的範圍多長、渠道的組成單元，皆沒有明確的定義。
屬於山區河流的一部分，縱向坡度>4-5%，河床上存在有卵石、大石塊、有積岩裸露的現象發生，且具有相對較大的渠寬。Montgomery and Buffington (1997) and Wohl (2000) 河渠的範圍為10²-10³ W，河渠的組成單元大小為10⁰ -10¹ W，次要單元則為10⁻¹ - 10⁰ W。 Grant et al.(1990) 具有多個坡度>0.2%且(渠道寬度/表面粒徑)比<10的小渠道。 Church (1992)

4 義大利阿爾卑斯山

5 二、河道形態 山區河川擁有坡陡特性，當河川上游來砂量不足、泥砂級配不均勻、河床處於半沖刷狀態及具有難以沖動的巨石等，則於河道中形成階梯-深潭(step-pool)之底床型態。 水流於階梯-深潭流動過程，產生跌落、翻滾及水躍等水力特性，此三種連續流動過程構成溢濺阻力(spill resistance)，而消散更多水流能量。

6 Step-pool：階梯式深潭 階梯-深潭是山區河流常見之地貌，因為山區河流泥砂級配不均勻，通常階梯由巨石所構成。
巨石構成的階梯將會增加形狀阻力也能進而達到消耗水流能量之效果。

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10 三、陡峭型渠道的流體阻力及力學 陡峭型渠道的力學型態非常複雜會因其河床的卵礫石型態而有所不同。 主要與當地的地形、水文及地貌特徵有關係。
陡峭型渠道的相對淹沒度(relative submergence)也較低 相對淹沒度：h/D h：水深 D：顆粒大小

11 四、翻滾水流 翻滾流(tumbling flow)：陡峭型渠道所具有的獨特消能機制。Peterson and Mohanty (1960)

12 Comiti et al. (2009)做了一連串坡度在8-14%的水槽試驗，發現當流量超過一定閥值後，水流阻力會急遽減少，水流狀態會由舌流(nappl flow)轉變為過度流(transitional flow)或滑移流(skimming flow)，其值大約是產在hc/z= 的時候 hc=臨界水深 z=2個河階之間的高差

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14 (a) skimming flow (b) transition flow  (c) nappe flow (Chanson 2002)

15 五、泥沙運移 要計算礫石河床泥沙運移量是非常困難的，要計算陡峭渠道上的泥沙運移量則更為困難。 最常用的泥沙啟動公式為：
=Shields stress =ρghS (臨界剪應力) h =水深 S =水面坡度 ρ =液體密度 =泥砂密度 g =重力加速度 D =顆粒粒徑

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17 BV=推移質體積(m³) ER=有效徑流量(10 ⁻ ³m³) S=坡度 H=河階高 L=河階長

18 六、結論 1.巨石床渠道的力學是非常複雜的，試圖發展確定性預測模式可能會失敗，以機率模式會比較容易描述該地的力學狀態。
2.我們近年來較10年前取得了很大的發展，但是仍然有一些數據是我們不知道的，尤其是大洪水時期的水、砂狀況，而這些往往是造成河床巨變的關鍵因素。 3.室內水槽實驗應該專注在渠道寬度及河岸粗糙度對於河床穩定性的影響。 4.科學界應努力發展新的技術來監測一定範圍內的水、砂流通量，尤其是在陡峭型渠道這種時間尺度較短的區域，如此一來才能更精確地去推估河床的侵蝕及堆積量，以利於解決洪水災害及生態管理問題。