均匀降雨时坡地之水流动力分析课件.ppt

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1、,國立中興大學水土保持學系碩士班Hydraulic analysis of flow down a slope under a uniform rainfall,均勻降雨時坡地之水理分析,指導教授：謝平城 教授學 生：楊佳錫日 期：20100507,2,簡報大綱,3,前言,前人研究,材料與方法,結果與討論,結論與建議,緣起,動機,目的,台灣地區可利用之土地有限，隨著人口逐漸增加往坡地尋求土地資源的利用實屬無可避免的現象。因為地理位置的關係，常有豪雨發生，大量降雨易造成地表破壞，或帶動不穩定之土體大規模向下移動，不僅造成水土流失，更可能危害人民生命財產的安全，因此對於坡地開發應更謹慎的面對。如何

2、降低逕流水深、減低逕流流速，增加地表入滲以成為必須探討的課題。,4,前言,前人研究,材料與方法,結果與討論,結論與建議,開發往往會伴隨著地表的破壞，而本研究主要將重點放在坡面排水上，因此將針對地表逕流加以深入探討。台灣年雨量豐沛，如果無法有效排除地面積水，將會形成大量地表逕流，造成土壤表面的沖蝕或帶動鬆動之土壤岩塊向下崩落，進而造成嚴重的土石災害。對於山坡地排水問題，必須先找出影響形成漫地流的因子，推測水深的變化情形，針對因子，做出相對應的防護措施。,緣起,動機,目的,5,前言,前人研究,材料與方法,結果與討論,結論與建議,一般研究漫地流之流速方面，常以經驗公式、現地調查資料或實驗來進行回歸分

3、析，對於影響水流流況的因子，缺乏考慮。因此將以水力學的觀點，對土層之水流流動情形進行討論。在明渠水力學中，地表通常被視為不透水層，然而地表下水流亦為必須探討的一環，在此使用孔隙介質流理論，解決土層水流之流況，同時結合地表流況來進行流速、流況之剖析，以期待能在坡地道路的開發中，提供參考依據。,目的,緣起,動機,6,黏性流體,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,7,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,8,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,9,黏性流體,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,10,黏性流體,材料與方法,結果與討論,結論與

4、建議,前言,前人研究,11,黏性流體,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,12,黏性流體,材料與方法,結果與討論,結論與建議,前言,前人研究,13,前人研究,結論與建議,前言,材料與方法,結果與討論,i,i,研究問題示意圖,14,材料與方法,研究示意圖,i,i,15,材料與方法,控制方程式,水層,：重力加速度：流體動力黏滯係數：水層中方向之流體速度：水層中流體的壓力：水體密度：坡地傾角,16,材料與方法,控制方程式,土層,：土層中方向之流體速度：土層中流體的壓力：土層中之孔隙率：土層中之比滲透係數,17,材料與方法,坡地邊界條件,自由水面處 切線(x)方向流體應力連續法線(y)

5、方向流體應力連續水層與土層之交接面切線(x)方向流體速度連續切線(x)方向流體應力連續法線(y)方向流體應力連續,18,土層無限厚之不透水底床切線(x)方向流體速度為零法線(y)方向流體速度為零土層有限厚之不透水底床切線(x)方向流體速度為零法線(y)方向流體速度為零,材料與方法,坡地邊界條件,19,材料與方法,坡地邊界條件,源頭沒有入流無窮遠處水深會接近正常水深，或者。,20,材料與方法,解析解,在得知控制方程式、邊界條件後，便可對流速進行聯立求解。得到結果如下：,一般土壤道路坡面：水層流速：土層流速：,21,材料與方法,解析解,在得知控制方程式、邊界條件後，便可對流速進行聯立求解。得到結果

6、如下：,土層有限厚之坡面：水層流速：透水層流速：,22,材料與方法,解析解,將水層的流速對水深做積分，土層的流速對土體的厚度做積分，可得到單位寬流量。得到結果如下：,無限厚之坡地：水層單寬流量：土層單寬流量：總流量：,23,材料與方法,解析解,將水層的流速對水深做積分，透水層的流速對鋪面的厚度做積分，可得到單位寬流量。得到結果如下：,土層有限厚之坡地：水層單寬流量：透水層單寬流量：總流量：,24,連續方程式：總流量：土層無限厚之水深對距離的微分關係式：,材料與方法,解析解,將降雨i強度視為一側入流，在流況為穩態，初始位置x=0時，u1和u2為零的情況下，可將總流量式代入促入流之連續方程式化簡整

7、理成水深對距離的微分關係式如下:,25,材料與方法,求解水層之水深,由於無法以解析解直接求得水深，因此以阮奇-庫特法求得水深之解：,Runge-Kutta Method:各位置之水深關係可表示如下：,26,結果與討論,坡度因子,27,結果與討論,坡度因子,28,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,坡度因子,不同坡度之水面線：,29,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降

8、雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,降雨因子,不同降雨強度之水面線：,30,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,土壤之滲透因子,基本參數之選用：,31,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,土壤之滲透因子,不同土壤滲透性之水面線：,32,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依

9、照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,土壤之滲透因子,不同土壤滲透性之水面線：,33,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,土壤之滲透因子,不同土壤滲透性之水面線：,34,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,土壤之滲透因子,地表上之流速分佈：,35,結果與討論,用Pi定理分析無因次因子的形式，將

10、參數合併整理，找出能代表影響水深之無因次因子，依照不同的設計可改變的參數有坡度因子、降雨強度因子1=土壤之滲透性因子2=。,流速分佈,地表下之流速分佈：,36,結果與討論,土層流量與總流量之關係圖,不同坡度：,37,結果與討論,土層流量與總流量之關係圖,不同降雨強度：,38,結果與討論,土層流量與總流量之關係圖,不同種類土壤：,39,不透水鋪面水深相當接近。,結論,本研究主要在探討以水力學的觀點，考慮土層的滲透性，運用半解析解方式來分析水流於坡面上的流動情形，並且觀察改變參數後，對水流流速和水面線的影響。,固定降雨和土壤種類時，坡度越陡，水面線的改變量越小。固定土壤種類，改變降雨和坡度時，坡度

11、越陡者，降雨強度改變，水面線彼此差異越小，坡度越緩者，降雨強度改變，水面線彼此差異越大。坡度因子越大，在不同滲透性因子的土壤，尤其土壤為粗砂時，其水深變化有較明顯的差異，但土壤為砏土、黏土與不透水鋪面水深相當接近。,40,不透水鋪面水深相當接近。,結論,前人之研究一般考慮地表為不透水，因此地表之流速為零，而本研究除了可以描述地表流速與水深外，同時也考慮地下土層之滲透性質，詮釋透水土壤之水流流速，其值雖小，但接近地表時流速不為零。坡度越陡，土層單寬流量所佔的比率越大，當坡度接近水平時，其土層流量遠小水層之流量。同一坡度時，降雨強度因子越大，土層流量比率也越大，降雨強度越小，則土層流量比率越小。當不同種類土壤時，在固定的坡度和降雨強度下，粗砂之透水性較好，因此土層之所佔之流量比率也較大，黏土和不透坡面則因透水性低，水層之流量遠大於土層之流量。,Thank You!,