許銘熙臺灣大學：生物環境系統工程學研究所曾耀彬Tseng, Yao-PinYao-PinTseng2007-11-272018-06-292007-11-272018-06-292004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/56097台灣地區四面環海，河川大多坡陡流急，多數最終都注入到海洋中，河川下游河口區及感潮河段為河川與海洋間之水與物質傳輸交換必經之通道，因此也衍生出了許多污染的問題，造成該地區之水質與生態遭受到嚴重的污染與危害。對於此一現象，必須先瞭解該河段之水理狀況，並模擬污染物質在水體中之傳輸與交換過程，以對河口生態環境作最妥善之規劃與安排。本文主要針對河口地區之重要水理現象，並充分瞭解其水理特性，此必須藉助適當之水動力數值模式進行模擬研究；在以往關於河口地區之數值模式中，都僅適用於單一河道、單一出海口的情形，亦或模擬主支流匯流與分流之狀況，此對於實際天然河系之狀況尚有些許落差，因此本研究主要針對此缺失加以改良擴充，並以一具有模擬匯流與分流能力之垂直二維數值模式為基礎，改良成為可模擬多個出海口之狀況，使模式成為複雜河系通用之多功能水動力數值模式。 模式擴建完成後，本文設計了幾種測試方案，驗證擴充前與擴充後模式整體之合理性與正確性，並且進一步分析新增之出海口河道之流況是否與理論相符；其模擬分析出之所有結果皆相當合理。 本研究將模式應用於淡水河系，並假設此處具有多重出海口之特性，藉以探討新增之出海口河道後對於河系整體流況之影響。Taiwan is an island surrounded by the ocean. The rivers mostly run down steep slopes with high speed. Most of them flow into the ocean finally. The downstream estuaries or tidal-affected parts of rivers have become an essential passageway for the transmission and interchange of water and substances between rivers and oceans. Thus, multiple pollution problems derived, which have caused serious harm and pollution to the local water quality and ecology. Regarding this phenomenon, it is necessary to understand the hydrodynamic condition in this section of the river and to simulate the transmission and interchange process of polluted substances in the water so that the most appropriate plan and arrangement for estuarine ecological environment can be made. This study mainly aims at the important hydrodynamic phenomena of estuarine areas and to fully understand their hydrodynamic characteristics. The simulation research must be achieved with the aid of a proper hydrodynamic numerical model. Most of the existing numerical models applying estuarine areas are only suitable in situations like single channels, single estuaries, or in simulating the converging and diverging situations of main streams and tributaries. However, they still have slight differences from the natural river network. Therefore, this study chiefly focuses on the expansion and improvement of such deficiencies based on a vertical two-dimensional numerical model to include the capability of simulating diversion as well as confluence. It will be modified to enable simulating multiple estuarine conditions; and this model will become a multi-functional hydrodynamic numerical model for complex river networks. After the expansion of this model, this study has designed a few testing programs to verify the overall rationality and accuracy of the model before and after expansion. It has also further analyzed the flow situation of multi-estuarine river courses to see if it corresponds to the theory. All results of simulation are perfectly reasonable. This research will apply the model to the TanShui River estuarine system and hypothesize its characteristic of multiple estuaries to investigate the influence on the overall flowing situation of river networks after increasing multi-estuarine river courses.目 錄 頁次 謝誌 中文摘要 …………………………………………………………… I Abstract …………………………………………………………… III 目錄 ……………………………………………………………… IV 表目錄 ……………………………………………………………… VII 圖目錄 …………………………………………………………… VIII 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 相關研究 2 1-3 本模式演進歷程 4 1-4 研究動機 5 1-5 研究目的 6 第二章 水動力數值模式 7 2-1 模式簡介 7 2-2 基本控制方程式 7 2-3 邊界條件 10 2-4 數值方法 13 2-5 分流與匯流處之數值處理 13 2-5-1 分流與匯流處表層之連續方程式 14 2-5-2 分流與匯流處垂直分層之連續方程式 15 2-5-3 分流與匯流處鹽分之質量守衡方程式 16 2-5-4 分流與匯流處之動量平衡方程式 17 2-6 模式擴充之功能 17 2-6-1 河道之安排 17 2-6-2 功能上之擴充 18 第三章 模式之測試 20 3-1 測試案例之介紹 20 3-2 功能之測試 21 3-2-1測試A (單一河道) 22 3-2-2測試B (一主流及一支流) 23 3-2-3測試C (一主流及一迴圈) 24 3-2-4測試D (一主流及一支流外新增之出海口河道) 25 3-2-4.1 水位之分析 25 3-2-4.2 水平流速之分析 25 3-2-4.3 鹽分濃度之分析 26 3-2-4.4 綜合分析 27 第四章 模式應用 28 4-1 模擬區域概述 28 4-2 幾何形狀與上下游邊界條件 30 4-3 新增另一出海口河道後之影響 32 4-3-1 隨空間之變化分析 32 4-3-2 隨時間序列之變化分析 33 4-3-3 綜合分析 33 第五章 結論與建議 35 5-1 結論 35 5-2 建議 36 參考文獻 38 附錄A 41 表目錄 頁次 表 3-1 模式應用於淡水河系之曼寧係數值 51 表 4-1 模式應用於淡水河系之曼寧係數值 52 表 4-1 模式應用於淡水河系之曼寧係數值(續) 53 圖目錄 頁次 圖 1-1 新興區完工前之示意圖 54 圖 1-2 新興區完工後之示意圖 54圖 2-1 模式可應用之斷面邊界示意圖 55 圖 2-2 格網系統變數位置示意圖 55 圖 2-3 典型河川斷面圖 56 圖 2-4 分流處第 層控制體積示意圖 56 圖 2-5 主、支流分流處表層平面圖 57 圖 2-6 主支流分流處x-z方向示意圖 58 圖 3-1 測試A之斷面編號示意圖 59 圖 3-2 測試B之斷面編號示意圖 59 圖 3-3 測試C之斷面編號示意圖 60 圖 3-4 測試D之斷面編號示意圖 60 圖 3-5 測試A之瞬時水位比較圖 61 圖 3-6 測試A之表層瞬時縱向流速比較圖 61 圖 3-7 測試A之瞬時表層鹽分濃度比較圖 62 圖 3-8 測試A之潮平均水位比較圖 62 圖 3-9 測試A之潮平均鹽分濃度比較圖 63 圖 3-10 測試A之斷面25之水位與水平流速隨時間變化比較圖 63 圖 3-11 測試A之斷面25鹽分濃度隨時間變化之比較圖 64 圖 3-12 測試B之匯流點處水位隨時間變化之比較圖 64 圖 3-13 測試B之匯流點處水平流速隨時間變化之比較圖 65 圖 3-14 測試B之匯流點處鹽分濃度隨時間變化之比較圖 65 圖 3-15 測試C之分流點處水位隨時間變化之比較圖 66 圖 3-16 測試C之匯流點處水平流速隨時間變化之比較圖 66 圖 3-17 測試C之匯流點處鹽分濃度隨時間變化之比較圖 67 圖 3-18 測試D之斷面15 與斷面55水位隨時間變化之比較圖 67 圖 3-19 測試D之斷面16 與 斷面56水位隨時間變化之比較圖 68 圖 3-20 測試D之斷面25 與 斷面65水位隨時間變化之比較圖 68 圖 3-21 測試D之斷面34 與 斷面74水位隨時間變化之比較圖 69 圖 3-22 測試D之斷面15 與 斷面55水平流速隨時間變化之比較圖69 圖 3-23 測試D之斷面16 與斷面56水平流速隨時間變化之比較圖 70 圖 3-24 測試D之斷面25與斷面65水平流速隨時間變化之比較圖 70 圖 3-25 測試D之斷面34 與斷面74水平流速隨時間變化之比較圖 71 圖 3-26 測試D之斷面15與斷面55鹽分濃度隨時間變化之比較圖 71 圖 3-27 測試D之斷面16 與 斷面56鹽分濃度隨時間變化之比較圖72 圖 3-28 測試D之斷面25 與 斷面65鹽分濃度隨時間變化之比較圖72 圖 3-29 測試D之斷面34 與 斷面74鹽分濃度隨時間變化之比較圖73 圖 3-30 測試D之瞬時水位比較圖 73 圖 3-31 測試D之潮平均水位比較圖 74 圖 3-32 測試D之瞬時表層水平流速比較圖 74 圖 3-33 測試D之潮平均表層流速比較圖 75 圖 3-34 測試D之瞬時表層鹽分濃度比較圖 75 圖 3-35 測試D之潮平均鹽分濃度比較圖 76 圖 4-1 研究區域 76 圖 4-2 淡水河-大漢溪規則化後之縱剖面圖 77 圖 4-3 新店溪規則化後之縱剖面圖 78 圖 4-4 基隆河規則化後之縱剖面圖 78 圖 4-5 模式應用之斷面示意圖(ΔX = 1 km) 79 圖 4-6 主流(大漢溪至淡水河)潮平均水位比較圖 79 圖 4-7 新店溪潮平均水位比較圖 80 圖 4-8 基隆河潮平均水位比較圖 80 圖 4-9 二重疏洪道潮平均水位比較圖 81 圖 4-10 大漢溪至淡水河潮平均鹽分濃度比較圖 81 圖 4-11 新店溪潮平均鹽分濃度比較圖 82 圖 4-12 基隆河潮平均鹽分濃度比較圖 82 圖 4-13 二重疏洪道潮平均鹽分濃度比較圖 83 圖 4-14 淡水河斷面20水位隨時間變化之比較圖 83 圖 4-15 淡水河斷面20水平流速隨時間變化之比較圖 84 圖 4-16 淡水河斷面20鹽分濃度隨時間變化之比較圖 84 圖 4-17 新店溪斷面44水位隨時間變化之比較圖 85 圖 4-18 新店溪斷面44水平流速隨時間變化之比較圖 85 圖 4-19 新店溪斷面44鹽分濃度隨時間變化之比較圖 86 圖 4-20 基隆河斷面85水位隨時間變化之比較圖 86 圖 4-21 基隆河斷面85水平流速隨時間變化之比較圖 87 圖 4-22 基隆河斷面85鹽分濃度隨時間變化之比較圖 87 圖 4-23 二重疏洪道斷面100水位隨時間變化之比較圖 88 圖 4-24 二重疏洪道斷面100水平流速隨時間變化之比較圖圖 88 圖 4-25 二重疏洪道斷面100鹽分濃度隨時間變化之比較圖 89 圖 5-1 模式測試流程圖 901045941 bytesapplication/pdfen-US新增之出海口河道河口生態環境垂直二維水動力數值模式淡水河系multi-estuarine river coursesTanShui River estuarine systemvertical two-dimensional hydrodynamic numerical modelestuarine ecological environmentthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/56097/1/ntu-93-R91622023-1.pdf