坡面沖蝕系統動力模型建立之研究.

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1 坡面沖蝕系統動力模型建立之研究

2 目錄 研究目的 文獻回顧 材料與方法 結果與討論

3 研究目的

4 研究目的 (1)得到坡度和降雨強度與土壤沖蝕量之間的關係。 (2)取得土壤沖蝕體積和土壤沖蝕重量之間的轉換關係式。
(3)建置可以準確計算岀某一坡面之土壤沖蝕量的系統動力學模型。

5 文獻回顧

6 文獻回顧 本研究以土壤沖蝕與紋溝發展為主要之實驗規畫，並試圖以實驗所得到之數據配合 前人研究之土壤沖蝕模型，以建構一個適用於本地之系統動力學模型為目標，所以 文獻主要以土壤沖蝕實驗、紋溝發展和沖蝕模型這三個面向為重點。

7 文獻回顧 人工降雨模擬機可以按照形成雨滴的方式劃分成4種類型，即噴頭式、噴灑式、懸 線式、和針頭式(代肖, 张海涛, 周大迈, & 张爱军, 2012) Aksoy et al. (2012)主要討論有關於降雨模擬機的建構與率定，說明實驗室內建置 一台人工降雨模擬機，可以方便的研究關於自然降雨所造成的入滲及土壤流失等相 關領域，提供各項特性與自然降雨相符且具有重現性~

8 文獻回顧 Nciizah and Wakindiki (2014)此文獻中的目的為探討降雨模式(Rainfall pattern) 對於結殼強度(crust strength)、穩態時之入滲率(Steady state infiltration rate, SSIR)、與土壤沖蝕間之關係。 降雨模擬機使用型號為LUW, Eijkelkamp Equipment, 6987 ZG Giesbeck, Netherlands

9 文獻回顧 Shen et al. (2015) 的研究的目的為研究降雨強度對紋溝侵蝕和形態的影響，利用 形態指標呈現紋溝網絡的時間和空間變化，分析紋溝侵蝕與形態指標之間的相關性， 並提出最優指標。 紋溝密度、紋溝切割程度(Degree of rill dissection)為總紋溝面積除以總集水區面 積以及紋溝彎曲複雜性(Rill tortuosity complexity) 寬度是最佳的基本形態指標，而紋溝切割程度則為最佳的形態衍生指標。

10 文獻回顧 楊啟見, 林俊全, and 鄭遠昌 (2016)這篇文獻主要在模擬泥岩風化層的水力侵蝕過 程，利用樣區所採集土樣，模擬地表逕流侵蝕，配合地面三維雷射儀繪製出隨時間 變化之沖蝕過程與量測沖蝕量。 片狀侵蝕前期的體積流失並不是由逕流造成，而是泥岩吸水崩解所致，泥裂在侵蝕 前期即是薄膜流匯集和水分下滲的通道，並逐漸形成紋溝。

11 研究方法

12 研究方法 本研究選定阿公店水庫之底泥作為實驗室降雨模擬器之沖蝕實驗用土，且使用雷射 進行紋溝地形變化的記錄，以搭配系統動力學模型之建置所需的參數率定驗證。

13 研究方法

14 研究方法 本研究選定臺灣南部的阿公店水庫為實驗之試區，阿公店水庫集水區位於高雄市境 內，本實驗之樣本取自阿公店水庫清淤之底層土壤，採樣後帶回研究室進行處理後， 進行實驗。

15 研究方法

16 研究方法-實驗步驟 本研究所選擇的控制變因為坡度，實驗總共選定6種坡度(5°、10° 、15°、20°、25°、 30°)，2重複，一共12次實驗。 單場降雨延時為30分鐘。

17 研究方法-實驗步驟 現地挖回的土樣，進行風乾後，挑出雜物(植物和石塊等等)，將大顆粒的土塊敲碎， 過2mm的篩網。
每5公分分層填入。分層填土時，在每一層均勻選擇8個點進行含水量測試，共三層 24，總填土之範圍為長0.75m、寬0.25m和深0.15m。

18 研究方法-實驗步驟 將土填好之後，先進行土槽座標的率定，然後在第一次雷射掃描取得初始地形，接 著才進行降雨實驗，5分鐘為一間隔中斷降雨，將坡度調整回水平後，重複進行雷 射掃描，可以得到隨著降雨時間增加改變之地形。 關於數據收集的部分則分為直接收集和雷射掃描，其中直接收集的部分為在土槽末 端和土槽的正下方放置收集的塑膠箱，分別收集出流量和入滲量。

19 研究方法-系統動力學 系統動力學(System dynamics)，是美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)教授Jay W. Forrester首先提出其概念和應用。 系統動力學對問題是採取系統的觀點，強調問題的整體性，問題是由許多的相關因 素與彼此間互動關係所購成。

20 研究方法-系統動力學 Stella為圖形介面導向之系統動力學模型軟體。
1. Stock(存量):用來表示某一變數在特定時刻的狀態，其值為上一時刻值加上從上 一時刻到目前為止流經此存量之流量的值。 2. Flow(流量):用來表示存量的變化快慢。 3. Converter(輔助變數):在模型中使用到的各項參數。 4. Connector(連結:用來連接輔助變數和流量方程式。

21 研究方法-系統動力學建構 本研究探討降雨和相關土壤因子與相應之土壤沖蝕量，以系統思考的方式搭配上前 人的文獻資料與本研究之實驗資料，確立各因子間的關係。

22 研究方法-系統動力學建構 GUEST Mode
本模式是由Hairsine, P.B.和Rose, C.W.於1991和1992年所發表之論文(Hairsine & Rose, 1991, 1992)中所提出的，故也可稱為Hairsine and Rose Mode 其主要觀念為降雨和逕流所產生之相關侵蝕沉積是同時作用，並且可以將土壤根據 粒徑分布畫分成數個不同階層i，不同的顆粒大小有不同的沉降速度。

23

24 徑流 降雨 沉積

25 結果與討論 平均粒徑分布圖

26 結果與討論

27 結果與討論 收集土壤流失量 = -0.23(時間)+0.020(坡度)+0.009(時間*坡度) R-squared =

28 End

29 問題 本研究主要參考的模式為何? (A) USLE (B) WEPP (C) GUEST
本實驗之沖蝕動力來源為何? (A) 風 (B) 逕流 (C) 降雨