3.苍别迟蝉迟补谤蝉稳定度及参数敏感度分析20200921.辫辫迟狈贰罢厂罢础搁厂痴4.5
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本文探讨了网星 V4.5 的稳定性和参数灵敏度分析，涉及不同流动参数对水位和悬浮物浓度的影响。通过稳定性分析和敏感度测试，分析了不同时间步长、粗糙度和输砂公式对水流行为的影响，验证了数值模型的稳定性。研究结果为流域管理及水文模型优化提供了理论依据和指导。
3.苍别迟蝉迟补谤蝉稳定度及参数敏感度分析20200921.辫辫迟狈贰罢厂罢础搁厂痴4.5
- 1. 1 NETSTARS V4.5 研習 ( 三 ) 穩定度與參數敏感度分析 1. 穩定度分析 2. 參數敏感度分析
- 2. 2 穩定度分析 1 1.變量流演算法：早期 Fread (1974) 將兩非 線性方程式簡化為線性，做 Von Neumann 穩 定度分析（ Stability analysis ），得 0.5≦ θ≦ 1.0 ，並由經驗得知在某些流況模擬 時需增加 θ 使求解更穩定。 2.定量流之整體求解法及迴水演算法：基本上 定量流演算求解流量及水位修正量所用的雙 掃法與牛頓 - 瑞福森法（ Newton-Raphon Method ）類似，兩者主要的不同在於矩陣 之儲存方法，雙掃法以減少儲存空間的遞迴 關係求解，而牛頓法則需利用全矩陣求解， 至於收斂性則兩者相同。
- 3. 3 穩定度分析 2 1.輸砂：輸砂連續方程式可直接以簡單的差分方法 求得底床變化量，沒有數值穩定度問題。 2.對流效應：根據 Von Neumann 分析法， Holly 和 Preissmann(1977) 證實其方法在可蘭數≦ 1 時距穩 定性。 Verway and Daubert (1978) 更提出此法在可 蘭數＞ 1 時亦具穩定性，所以數值解為無條件穩 定。 3.縱向與橫向擴散效應： Tee Scheme 差分縱向擴散 方程式，經穩定度分析，本研究證實其數值解為 無條件穩定，本研究在割捨節點擴散效應 C 及 CX 傳遞的精確度下，採用此方法以確保執行之穩定 度。 4.反應效應：反應項差分可直接求得，且與 Δx 或 Δz 無關，不需作穩定度分析。
- 4. 4 不同 ΔT 對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同 ΔT 之 水位變化 0 1000 2000 3000 4000 Distance(m ) - 4 0 4 8 E levation ( m ) W ater Stage(dt=1sec) Bed E le.(dt= 1sec) W ater Stage(dt=10sec) Bed E le.(dt= 10sec) W ater Stage(dt=100sec) Bed E le.(dt= 100sec) Initial Bed Ele. W A TER -STA G E A N D BED ELEV A TIO N CO M PA R ISO N FO R D T V A R IATIO N 4000M ,2000C M S,N =0.02 YA N G 'S,STA EA D Y S=0.0005,T=1000SEC
- 5. 5 不同 ΔT 對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同 ΔT 懸 浮質濃度 之變化 0 1000 2000 3000 4000 Distance(m) 0E+0 4E-4 8E-4 1E-3 C oncentration (m **3/ m **3) Initial con.(0min) Exact sol.(10m in) Dt=1sec (10min) Dt=10sec (10min) Dt=100sec (10min) CO N C EN TR A TIO N CO M PA R E FO R D T V A R .
- 6. 6 不同糙度係數對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同糙度 係數之水 位變化 0 1000 2000 3000 4000 Distance(m) - 4 0 4 8 1 2 E levatio n ( m ) W ater Stage(n=0.02) Bed Ele.(n=0.02) W ater Stage(n=0.03) Bed Ele.(n=0.03) W ater Stage(n=0.04) Bed Ele.(n=0.04) Initial Bed ele. W A T ER -STA G E A N D BE D E LE V A TIO N C O M P A R ISO N F O R n value V A R . 4000M ,2000C M S Y A N G 'S,STEA D Y S =0.0005,T =1000SE C
- 7. 7 不同糙度係數對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同糙度 係數懸浮 質濃度之 變化 0 2000 4000 Distance(m ) 0E+0 8E-4 2E-3 C on centration (m **3/ m **3) initial con.(0min) exact sol.(10min,n=0.02,no sediment) n=0.02 (10min,with sediment) n=0.03 (10min,with sediment) n=0.04 (10min,with sediment)
- 8. 8 不同 ΔX 對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同 ΔX 之 水位變化 0 1000 2000 3000 4000 Distance(m ) - 4 0 4 8 E levation ( m ) W ater Stage(dx=100m ) Bed ele.(dx=100m ) W ater Stage(dx=200m ) Bed Ele.(dx=200m ) W ater Stage(dx=400m ) Bed Ele.(dx=400m ) Initial Bed Ele. W A T E R -S T A G E A N D B E D E L E V A T IO N C O M P A R IS O N F O R D X V A R IA T IO N 400 0 M ,200 0 C M S ,N = 0.02 Y A N G 'S ,S T A E A D Y S = 0.0 005 T = 1 00 0S E C
- 9. 9 不同 ΔX 對水位及懸浮質濃度 敏感度分析 不同 ΔX 懸 浮質濃度 之變化 0 1000 2000 3000 4000 Distance(m ) 0E+0 4E-4 8E-4 1E-3 C oncentration (m **3/m **3) Initial Con.(0min) Exact Sol.(10min) Dx=100m (10min) Dx=200m (10min) Dx=400m (10min)
- 10. 10 不同輸砂公式對縱長底床變化之 敏感度分析 基隆河不同輸砂公 式縱長河床變化 -12.00 -8.00 -4.00 0.00 L ongitu d inal B ed E le.(m ) 0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 Distance away from Outlet (m) 1989 LONGITUDINAL BED ELE. UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(YANG'S) UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(ACKERS & WHITE) UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(ENGELUND-HANSEN) 1990 LONGITUDINAL BED ELE. Total Load M ethod Com parison -4.00 0.00 4.00 D ifference(m )
- 11. 11 不同可沖刷厚度對縱長河床變化之 敏感度分析 清水沖刷河 床刷深比較 0 2000 4000 Distance(m ) - 4 0 4 8 1 2 E levatio n ( m ) W ater Stage(ALT=1) Bed Ele.(ALT=1) W ater Stage(ALT=5) Bed Ele.(ALT=5) W ater Stage(ALT=10) Bed Ele.(ALT=10) Initial Bed Ele. W A TE R-STA G E A N D B ED ELEV A TIO N CO M PA R E FO R A LT value V A R . (4000M ,2000CM S,YA N G 'S,ST EA D Y ,S=0.0005,24 H R S,D T=1 H R )
- 12. 12 不同流管數對縱長河床變化之 敏感度分析 基隆河不同 流管數縱長 斷面變化 -12.00 -8.00 -4.00 0.00 L ongitud inal B ed E le.(m ) 0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 Distance from Outlet(m) 1989 LONGITUDINAL BED ELE. UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION M ETHOD(YANG'S),TUBE=5 UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION M ETHOD(YANG'S),TUBE=3 UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION M ETHOD(YANG'S),TUBE=1 1990 LONGITUDINAL BED ELE. -4.00 0.00 4.00 D ifferen ce(m ) Stream Tube Comparison
- 13. 13 不同流管數對橫斷面變化之 敏感度分析 基隆河不同 流管數縱長 斷面變化 0.00 100.00 200.00 300.00 Cross-Sectional Distance (M) -8.00 -4.00 0.00 4.00 8.00 C ross-sec. B ed E le. (m ) 1989 LONGITUDINAL BED ELE. UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(YANG'S),TUBE=5 UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(YANG'S),TUBE=3 UNSTEADY, TOTAL LOAD EQUATION METHOD(YANG'S),TUBE=1 1990 LONGITUDINAL BED ELE. Stream Tube Comparison for Cross-sec.30
- 14. 14 變量流與多層核胞模式流量比較 20.0 40.0 60.0 80.0 TIM E(HRS) 0.00 5000.00 10000.00 15000.00 D ISC H A R G E (C M S ) DISCHARGE COM PARISON CELL MODEL(HSIN-HAI BRIDGR) UNSTEADY (HSIN-HAI BRIDGE) CELL MODEL(PA O-CHIAO) UNSTEADY(PAO-CHIAO) CELL MODEL(TAI-CHIH BRIDGE) UNSTEADY(TAI-CHIH BRIDGE) 72 H RS DURATION , 200 YEARS FLOOD 淡水河各 測站
- 15. 15 護甲及篩選作用床質粗化現象 Armoring 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 Distance From Outlet(M ) 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 E levation(M ) 0 20 40 Size D 50(m m ) Kao-Ping Creek W eir Obstructor 200 Year Flood ,Duration= 5.5 Hrs Initial Bed Thalweg Computed Bed Thalweg Initial Size D50 Computed Size D50 Fresh W ater Scouring At u/s Armoring And Sorting Show
- 16. 16 參數敏感度分析理想案例 模擬前後水位及底床 0 2000 4000 6000 DISTANCE FROM OUTLET(M ) 0.0 5.0 10.0 E L E V A T IO N (M ) IDEAL CASE FOR PARAM ETER SEN SITIVITY AN ALYSIS(DUR.=720 M IN.) IN ITIAL TH ALW EG FINA L THA LW EG IN ITIAL W .S. FINA L W .S.
- 17. 17 參數敏感度分析參數對水位、 底床及輸砂量變動關係 參數 變動量 水位變化 底床變化 輸砂量變化 ( % ) 百分比 - ( % ) 百分比 影響程度 ( % ) 百分比 - ( % ) 百分比 影響程度 ( % ) 百分比 - ( % ) 百分比 影響程度 底床坡度 -50％ 3.22 - 21.46 敏感 -11.41 - 14.90 敏感 -55.47 - -12.13 敏感 ( S=0. 001) +50％ -14.85 - -4.00 敏感 -11.72 - 12.48 敏感 17.94 - 89.59 敏感 n 曼寧 值 -50％ -38.43 - -2.41 敏感 -6.40 - 7.99 中等 -73.25 - 97.95 敏感 ( n=0. 03) +50％ 7.24 - 28.69 敏感 -7.24 - 4.86 中等 -23.33 - 57.66 敏感 上游入流流量 -50％ -34.80 - 0.28 敏感 -5.87 - 6.48 中等 -94.73 - -60.94 極敏感 ( Q =1000 CM S) +50％ 10.31 - 26.78 敏感 -10.31 - 2.93 中等 80.70 - 210.27 極敏感 上游入流輸砂量 -50％ 0.00 - 9.13 中等 -11.13 - 0.00 敏感 -29.98 - 0.00 中等 ( Q s=158078 Tons/D ay) +50％ -7.36 - 0.00 中等 0.00 - 10.04 敏感 0.00 - 35.07 中等 底床粒徑 -50％ -2.31 - 2.57 中等 -3.43 - 1.98 中等 4.95 - 26.28 中等 ( d=1. 0 m m ) +50％ -0.51 - 0.50 中等 -0.47 - 0.51 中等 -1.02 - 3.29 中等 可沖刷厚度 -50％ -0.11 - 0.05 輕微 -0.08 - 0.11 輕微 -0.28 - 0.44 輕微 ( ALT=10) +50％ 0.00 - 0.00 輕微 0.00 - 0.00 輕微 0.00 - 0.00 輕微 時間分割 -50％ -0.02 - 0.05 輕微 -0.03 - 0.02 輕微 -0.05 - 0.10 輕微 ( Δ t=4 m i n. ) +50％ -0.03 - 0.03 輕微 0.00 - 0.00 輕微 -0.11 - 0.09 輕微 斷面分割 -50％ -3.83 - 3.92 中等 -5.34 - 3.39 中等 -14.24 - 17.85 中等 ( Δ x=300 m ) +50％ -3.42 - 1.29 中等 -1.11 - 2.92 中等 -5.27 - 15.22 中等
- 18. 18 乾床處理 ? Cunge and Wegner (1964) 提出 Preissmann Slot 的觀念處 理管流滿管壓力所反應的水頭，而 Meselhe(1993) 等將 乾床深槽挖一個非常小的 Inverse Preissmann Slot 來解決 在乾床河段數值計算無法收斂的問題。 ? 網路中有部份河道可能因底床過高而無水流通，此時數 值計算水位及流量時，必然在此處產生發散，而無法進 行其他河道的水理求解，所以需要利用 Inverse Preissmann Slot 的概念在該段河道深槽處挖一個稍深的 小溝，使少許的水流可以通過此河道，程式計算也較容 易收斂。在邊界條件變化較大時，可能使某些感潮河川 或辮狀流路出現乾床的情況，此時即需先以 Inverse Preissmann Slot 法處理之，如此一來在演算過程中即可 降低數值發散的情形。
- 19. 19 潮汐之影響
- 20. 20 淡水河各站變量流模擬流量歷線 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 TIM E (HRS) -25000.0 -20000.0 -15000.0 -10000.0 -5000.0 0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 D ISC H A R G E (C M S) DIFFERENT STATION DISCHARGE COM PARISON HO-KOU TU-TI-KUNG-PI TAI-CHIH BRIDGE W U-TU STATION SHIH-TZU-TOU TAIPEI BRIDGE M AIN CHANNEL NEAR WEIR POINT CHUNG-CHENG BRIDGE HSIN-HAI BRIDGE 72 H R S D U R A TIO N , 200 Y EA R FLO O D W EIR POINT
- 21. 21 淡水河各站定量流模擬流量歷線 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 TIM E (HRS) -25000.0 -20000.0 -15000.0 -10000.0 -5000.0 0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 D ISC H A R G E (C M S) 72 H R S D U R A TIO N , 200 Y EA R FLO O D W EIR POINT HO-KOU TU-TI-KU NG-PI TAI-CHIH BRIDGE W U-TU STATION SHIH -TZU-TOU TAIPEI BRIDGE MAIN CHANNEL NEAR W EIR POINT CHUNG-CH ENG BRIDGE HSIN -H AI BRIDGE
- 22. 22 淡水河各站變量流模擬水位歷線 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 TIM E (HRS) -10.0 0.0 10.0 20.0 W A T E R ST A G E (M ) DIFFERENT STATION W ATER SATGE COM PARISON HO-KOU TU-TI-KUNG-PI TAI-CHIH BRIDGE W U-TU STATION SHIH-TZU-TOU TAIPEI BRIDGE MAIN CHANNEL NEAR W EIR POINT CHU NG-CHENG BRID GE HSIN-H AI BRIDGE 72 H R S D U R A TIO N ,200 Y EA R FLO O D W EIR POINT
- 23. 23 淡水河各站定量流模擬水位歷線 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 TIM E (HRS) -10.0 0.0 10.0 20.0 W A T E R ST A G E (M ) HO-KOU TU-TI-KUNG-PI TAI-CHIH BRIDGE W U-TU STATION SHIH-TZU-TOU TAIPEI BRIDGE M AIN CHANNEL NEAR WEIR POIN T CHUNG-CHENG BRIDGE HSIN-HAI BRIDGE 72 H R S D U R A TIO N ,200 Y EA R FLO O D W EIR POINT
- 24. 24 流量與水位模擬之合理性 ? 以民國 79 年 8 月 30 日至 9 月 1 日的韋伯颱 風事件作為測試變量流演算法、定量流之整 體求解法及迴水演算法等三種水理計算方法 精確度的參考。利用檢定之曼寧 n 值進行演 算，比較台北橋站水位模擬與實測值之差異。 ? 為瞭解三者在河川網路縱斷面水位、流量計 算的差異性，特選擇有縱斷面水位實測資料 之頭前溪、鳳山溪河口水工模型試驗來模擬
- 25. 25 台北橋不同水理計算方法 之水位歷線 Water Stage 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 TIM E (HRS) -2.0 0.0 2.0 4.0 W A Y E R ST A G E (M ) A BE-TY PH O O N (79.8.30-9.1) TA IPEI BR ID G E W ATER STAGE COMPARISON MEASURED DATA UNSTEADY COM PUTATION STEADY COM PUTATION BACKW ATER COM PUTATION DOW NSTREAM B.C.
- 26. 26 台北橋不同水理計算方法 之流量歷線 Discharge 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 TIM E(HRS) 0.0 4000.0 8000.0 D ISC H A R G E (C M S) ABE-TYPHOON(79.8.30-9.1) TAIPEI BRIDGE HYDROGRAPH UNSTEADY COM PUTATION STEADY COM PUTATION BACKW ATER COM PUTATION
- 27. 27 頭前溪鳳山溪水工模型試驗 不同水理計算方法水位及流量 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 DISTANCE FROM OUTLET(M ) -4.0 0.0 4.0 8.0 12.0 W A T E R ST A G E (M ) -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 D ISC H A R G E (C M S) W A TER STA G E A N D D IV ID ED D ISC H A R G E CO M PA RISO N BY D IFFER EN T H YD RA U LIC RO U TIN G M ETH O D TO-HO LOOPED CASE ----50 YEAR FLOOD---- 3680.1 9200 6800 3119.9 6800 MEASURE WATER STAGE COM PUTED W.S. (UNSTEADY FLOW ) COM PUTED W.S. (STEADY FLOW ) COM PUTED W.S. (BACKW ATER COM PUTATION) COM PUTED DISCHARGE(UNSTEADY FLOW ) COM PUTED DISCHARGE(STEADY FLOW ) COM PUTED DISCHARGE(BACKW ATER COM PUTATION ) BED TH A LW EG
- 28. 28 輸砂 --- 底床變化機制 ? 德基水庫例有 58 個斷面，取上游原始斷面 編號 S-44 及鄰近 S-43 兩斷面歷時之河床載 與懸浮質濃度作分析，當上游河床載及懸浮 質濃度高於下游時，下游輸砂能力較弱，於 是上游的來砂將淤積於下游斷面的底床上。
- 29. 29 相鄰兩斷面間懸浮載與河床載 對底床變化之影響 水庫淤積歷程 1382.0 1384.0 1386.0 B E D T H A LW EG (M ) 0.00 5.00 10.00 15.00 TIM E( HRS) 0 4000 8000 SED IM EN T D ISC H A R G E (TO N S/D A Y ) 0.0E+0 1.0E-2 2.0E-2 C O N C EN T R A TIO N (M **3/ M **3) BED TH ALW EG U/S BED LOAD(S-44) U/S CONCENTRATION (S-44) D/S BED LOAD(S-43) D/S CONCENTRATION (S-43) TE-C H I R ESER V O IR (TH E SE CO N D T REA TM EN T)
- 30. 30 懸浮質運動特性 ) .) 3600 ( 4 ) ( exp( .) 3600 ( 06 . 0 ) , ( 2 ? ? ? ? ? ? t k Ut x t t x C x 以一長 400 m ，寬 100 m ，坡度為 1/200 之矩形渠 道做為測試懸浮質濃度運動特性之依據，在上游控制 定流量 Q=4000cms 及下游控制定水位的情況 下， t=0 時，於河道上游 300m 處 ( 即距渠道入口 100m 處 ) 釋放具有高斯分佈的濃度，此高斯空間分 佈之濃度表示式為：
- 31. 31 單一河道濃度對流 Conversion 0 100 200 300 400 Distance (m) 0E+0 4E-4 8E-4 1E-3 C on cen tration (m **3/ m **3) Simulation (t= 0 sec) Exact sol. (t= 0 sec) Simulation (t=15 sec) Exact sol. (t=15 sec) Slope=0.005,Q=4000 cm s ,N=0.020,40 Section,Fx=0.1 m**2/sec C(x,t)=6.e-2/sqrt(t+3600.)*exp(-(x-u*t)**2./4./Fx/(t+3600.) Advection Step
- 32. 32 單一河道濃度縱長擴散 Longitudinal Dispersion 0 1000 2000 3000 4000 DISTANCE (M) 0E+0 4E-4 8E-4 1E-3 C O N C E N T R A T IO N (/ ) Simulation (Time= 0 min) Exact sol. (Time= 0 min) Simulation (Time=40 min) Exact sol. (Time=40 min) Simulation (Time=80 min) Exact sol. (Time=80 min) Slope=0.0005,U=0 m/s ,N=0.020,40 Section,Fx=40 M**2/Sec C(x,t)=6.E-2/Sqrt(T+3600.)*Exp(-(X-U*T)**2./4./Fx/(T+3600.) Pure Longitudinal Diffusion
- 33. 33 單一河道濃度傳輸驗證 0 1000 2000 3000 4000 DISTANCE (M ) 0.0E+0 4.0E-4 8.0E-4 1.2E-3 C O N C E N T R A TIO N (/ ) Sim ulation (Tim e= 0 min) Exact sol. (Tim e= 0 m in) Sim ulation (Tim e=40 m in) Exact sol. (Tim e=40 m in) Sim ulation (Tim e=80 m in) Exact sol. (Tim e=80 m in) Slope=0.0005,Q=500 CM S ,N=0.020,40 Section,Fx=40 M **2/Sec C(x,t)=6.E-2/Sqrt(T+3600.)*Exp(-(X-U*T)**2./4./Fx/(T+3600.) Longitudinal Advection-Diffusion Conversion+ Longitudinal Dispersion
- 34. 34 分合流濃度傳輸驗證 1 2 3 4 L=4000M Width=1/2B L=4000M Width=1/2B B 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Distance(M ) 0.0E+0 4.0E-4 8.0E-4 1.2E-3 C oncentration (/) Q =2000cm s,B=100m ,D=5m ,N=0.02 S=0.0005,Fx=10 M **2/Sec 4-Link,123-Sec.,12000M Analytical Solution: C=6.E-2/Sqrt(T+3600)*Exp(-(X-U*T)**2./4./Fx/(T+3600.) CON CEN TRA TION COM PARISON FO R LO OPED CH AN N EL SIM U LA TIO N (T =0 . S EC) A NA LY TICA L SO L .(T=0 . SEC ) SIM U LA TIO N (T=5 00. SE C) AN A LY TICA L SOL .(T=500. SEC ) SIM U LA TIO N (T =1500.SEC ) AN A LY TICA L SO L .(T =150 0.SEC ) Conversion+ Longitudinal Dispersion
- 35. 35 節點 (Node) 濃度傳輸測試 0 4000 8000 12000 DISTANCE(M ) 0.0E+0 4.0E-4 8.0E-4 1.2E-3 C oncentration (/) Simulation(Time= 0 sec) Simulation(Time= 500 sec) Simulation(Time=1500 sec) Simulation(Time=2500 sec) Simulation(Time=3500 sec) -4000 2000 8000 14000 Distance(M ) 0.0E+0 4.0E-4 8.0E-4 1.2E-3 C oncentration (/ ) Sim ulation(Time= 0 sec) Sim ulation(Time= 500 sec) Sim ulation(Time=1500 sec) Sim ulation(Time=2500 sec) Sim ulation(Time=3500 sec) 分合流河道懸浮質 在不同連結及節點 對流擴散現象比較 Conversion+ Longitudinal Dispersion
- 36. 36 距離出口 2800 公尺 處各流管濃度 隨時間變化 Concentration Fully- Mixed 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 STREAM TUBE NO. 0.0E+0 5.0E-5 1.0E-4 1.5E-4 C O N C E N T R A T IO N (M **3/ M **3) CON CENTRA TION COM PARISON AT CROSS-SECTION AL DIR. T=0 SEC T=50 SEC T=100 SEC T=200 SEC T=400 SEC T=600 SEC SEC .28 , D ISTA N C E= 2800.M Fx=Fz=1.4 M **2/SEC STREAM TUBE =7 0 400 800 TIM E(SEC) 0.0E+0 1.0E-4 2.0E-4 C O N C E N T R A T IO N (M **3/ M **3) S E C .2 8 , D IS T A N C E = 2 8 0 0.M F x = F z= 1 .4 M **2 /S E C STREAM TUBE =7 CONCENTRATION COMPARISON IN DIFFERENT STREAM TUBE TUBE NO. 1 TUBE NO. 2 TUBE NO. 3 TUBE NO. 4 TUBE NO. 5 TUBE NO. 6 TUBE NO. 7
- 37. 37 縱斷面不同流管 濃度變化 Transverse Dispersion 0 1000 2000 3000 4000 0.0E+0 5.0E-4 1.0E-3 C O N C E N TR A T IO N (M **3/M **3) T = 0 S E C , F x = F z= 1 .4 M **2 /S E C STREAM TUBE =7 TUBE NO. 1 TUBE NO. 2 TUBE NO. 3 TUBE NO. 4 TUBE NO. 5 TUBE NO. 6 TUBE NO. 7 A EX A C T SO L.(Fz=0) 0 1000 2000 3000 4000 0.0E+0 5.0E-4 1.0E-3 T = 5 0 S E C , 0 1000 2000 3000 4000 0.0E+0 5.0E-4 1.0E-3 T = 2 0 0 S E C 0 1000 2000 3000 4000 DISTANCE FROM OUTLET(M ) 0.0E+0 5.0E-4 1.0E-3 T = 6 0 0 S E C
- 38. 38 懸浮質反應效應濃度 之數值解與解析解 -2000.0 0.0 2000.0 4000.0 6000.0 DISTANCE AW AY FROM UPSTREAM (M ) 0.0 25.0 50.0 75.0 100.0 U N IT C O N C E N T R A T IO N C O N C EN TR A TIO N C O M PA R ISO N FO R R EA C TIO N (D IFFER EN T D T) exact sol. t=0,dt=0.1 simul. sol. t=0,dt=0.1 exact sol. t=24,dt=0.1 simul. sol. t=24,dt=0.1 exact sol.,t=48,dt=0.1 simul. sol.,t=48,dt=0.1 simul. sol.,t=24,dt=0.5 simul. sol.,t=48,dt=0.5 simul. sol. t=24,dt=2.0 simul. sol. t=48,dt=2.0 T=0. T=24. T=48. Reaction
- 39. 39 懸浮質反應效應濃度梯度 之數值解與解析解 -2000.0 0.0 2000.0 4000.0 6000.0 DISTANCE AW AY FROM UPSTREAM (M ) -0.25 0.00 0.25 U N IT C O N C E N T R A T IO N G R A D IE N T (C X ) C O N C E N TR A TIO N G R A D IEN T FO R R EA C TIO N (D IFFER EN T D T) exact sol. t=0,dt=0.1 sim ul. sol. t=0,dt=0.1 exact sol. t=24,dt=0.1 sim ul. sol. t=24,dt=0.1 exact sol.,t=48,dt=0.1 sim ul. sol.,t=48,dt=0.1 sim ul. sol.,t=24,dt=0.5 sim ul. sol.,t=48,dt=0.5 sim ul. sol. t=24,dt=2.0 sim ul. sol. t=48,dt=2.0 T=0. T=24. T=48. Reaction
- 40. 40 堰附近的沖淤行為 1. 堰：假設河道長 400m ，在初始底床上置二個高 度不相同的堰，堰頂及河道兩端均控制其沖刷深 度，未設堰處流況接近臨界流，堰後有臨界流況 產生。當上游為清水沖刷時 " 上游堰 " 之上、下 游均刷深到相當的深度， " 下游堰 " 之下游端則 出現水躍。若上游加砂使上游段略為淤積時，在 第 50 小時，上、下游堰之下游均出現水躍現象， 至第 100 小時流況仍因底床沖淤而持續改變。
- 41. 41 堰附近水理 及底床變化 Weir Scour 0.0 200.0 400.0 -10.00 0.00 10.00 E L E V A T IO N (M ) HYDRAULIC JUM P DEM O USING BACKW ATER COM PUTATION IN ITIAL BED ELE. COM PUTED W ATER STAGE COM PUTED BED ELE. T=50 H R S,N O A D D ED SA N D 0.0 200.0 400.0 -10.00 0.00 10.00 E L E V A T IO N (M ) T=50 H RS, A D D ED SA N D 0.0 200.0 400.0 DISTANCE FROM OUTLET(M ) -10.00 0.00 10.00 E L E V A T IO N (M ) T=100 H R S, A D D ED SA N D
- 42. 42 橋樑附近的沖淤行為 2. 橋樑：利用上述的案例，將高度不同的堰置換為 橋墩數不同的橋樑斷面進行模擬，在橋樑斷面位 置有明顯的沖刷，而 " 上游橋 " 之下游因受到 " 下游橋 " 迴水之影響有沖刷後再淤積的現象，淤 積範圍只達 " 下游橋 " 的上游不遠處， " 下游 橋 " 斷面則受到嚴重沖刷，其下游斷面也受了很 大的影響。
- 43. 43 橋樑斷面流況 及底床變化 Bridge Scour 0.0 200.0 400.0 -10.00 0.00 10.00 E L E V A T IO N (M ) BRIDGE EXIT USING BACKW ATER COM PUTATION IN ITIAL BED ELE. COM PUTED W ATER STAGE COM PUTED BED ELE. T=50 H R S, A D D E D SA N D SEC.10 SEC.35 0.0 50.0 100.0 CROSS-SECTIONAL DISTANCE(M ) -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 E L E V A T IO N (M ) BRIDGE SECTION IN ITIAL BED TH ALW EG COMPUTED BED THALW EG SEC.10 0.0 50.0 100.0 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 SEC.35
- 44. 44 複雜網路型河川之沖淤行為 ? 假設一個具有合、分流之複雜網路型河川，來顯 示 NETSTARS 此複雜網路之沖淤模擬功能。本案 例共有 11 個河段， 8 個節點， 89 個斷面 ( 均為 矩形 ) ，河道寬度 B= 100 m ，坡度為 1/2500 ， 在出口河段 L1 下游河寬突擴為 2B ，河段 L10 寬度也為 2B ，其餘河段河道寬度均為 B 。 ? 上游邊界藉著入砂量調整，使其斷面幾乎不沖不 淤，而下游邊界則採固定底床高程方式。模擬時 間為 720 mins ，流管數為 5 ， ALT=10 ，粒徑為 1.0mm ，採用 Yang's formula 計算輸砂量。利用 三種水理計算方法比較所模擬水理特性的差異。
- 46. 46 複雜河系水位流量測試 0 200 400 600 800 TIM E(M INS) 400 800 1200 D ISC H A R G E (C M S) 3.5 4.0 4.5 W A T E R ST A G E (M ) BOUNDARY CON DITION UPSTREAM DISCHARGE DOW NSTREAM W ATER LEVEL 邊界條件
- 47. 47 複雜河系水位、河床變化測試 水位、河床變化 0 5000 10000 15000 DISTANCE FROM OUTLET(M ) 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 E L E V A T IO N (M ) COM PARISON OF BED THALW EG AND W ATER STAGE INITIAL BED BED ELE.(UNSTEADY) BED ELE.(STEADY) BED ELE.(BACKW ATER) W .S.(UNSTEADY) W .S.(STEADY) W .S.(BACKW ATER) 1 2 4 5 6 7 8 L1 L3 L5 L9 L10 L11
- 48. 48 複雜河系流量變化測試 流量變化 0 4000 8000 12000 16000 DISTANCE(M ) 0.0 400.0 800.0 1200.0 D ISC H A R G E (C M S) COM PARISON OF DISCHARGE IN DIFFERENT HYDRAULIC COM PUTATION M ETHOD UNSTEADY ROUTING STEADY ROUTING BACKW ATER COM PUTATION L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 9 L 6 L 7 L 8 L 1 0 L 1 1