王如意臺灣大學：生物環境系統工程學研究所宋文元Sung, Wen-yuanWen-yuanSung2007-11-272018-06-292007-11-272018-06-292005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/56063本研究目的乃將大自然之河川網路型態、河川長度、河川集水區面積及河川坡度等特性，利用碎形理論中自相似性及尺度不變性之概念加以建構，並將碎形生成以隨機化之機制來進行繁衍。由於隨機性之加入將使擬生成之碎形圖形具變異性，因此研究中以一套嶄新之編碼方式，將圖形中各分段予以數碼化，並藉由碎形之特性於編碼中有效地找出河網型態及河川特性，進一步將求得之參數代入以運動波概念為主軸之地貌型瞬時單位歷線架構中。 研究中藉由不同河網生成之基本型態，以模擬土地特徵及利用之改變，並分析此變化造成降雨—逕流歷程之影響。最後選用基隆河流域五堵集水區作為模式應用區域，探討以隨機碎形河網所得之河網型態與河川特性於水文模擬之適用性。 研究結果顯示，若改變河川基本型態或地貌參數如：主流變短、集水區面積減小、坡度越陡、河網密度增大、曼寧係數縮小等情形，皆會造成瞬時單位歷線之峰值增加及洪峰到達時間前移之效應，其中又以漫地流曼寧係數、河川坡度及河川長度等因素影響較大，集水區面積與河渠流曼寧係數等因素影響較小。而於五堵集水區之套配中可看出，本模式僅需概略假設集水區之河川特性，蒐集少許地文資料，即可有效地模擬該區域之水文狀況。本研究所採用之方法對資料不足之集水區，亦可提供一種有效且可快速地推估集水區河川特性及水文歷程模擬之方法。The purpose of this study is to utilize fractal theory includes characterized by self affinity and invariance to scale constructing shapes and features of river networks. By using random generation of fractal, the pattern, length, watershed’s area, slope of river network can be created easily. Random generate process will cause the results of fractal pictures be highly varied, for this reason a brand-new coding method is applied. This mode will derive shapes and features of river networks effectively. To analyze the impacts of land use changes on rainfall-runoff process, different fractal basic patterns are applied to simulate omnigenous terrain features or developments. Finally, Wu-tu watershed is selected to verify suitability of this model. The results suggest when change occurs in fractal basic patterns or terrain’s parameters like: shorten main stream length, diminish watershed’s area, increase slope, enlarge probability of fractal generation, and decrease Mannning’s coefficient will all advance the time of concentration and grow in quantity of flood peak. In contrast to the above-mentioned factors, Mannning’s coefficient of overland, slope and main stream length have more effect than watershed’s area and Mannning’s coefficient of channel. Appling the model in Wu-tu watershed reveals this model only need to determine the fractal basic pattern of watershed and collect some informations of terrain features, then it can simulate the rainfall-runoff process effectively and quickly. This model is of great use to a project watershed with insufficient data.目 錄 謝誌 I 摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 圖錄 VII 表錄 X 第一章 緒論 1 一、研究動機與目的 1 二、研究方法 2 三、文獻回顧 3 第二章 分區式隨機碎形河網編碼理論 7 一、碎形概念 7 二、碎形河網 8 三、碎形圖形編碼架構 9 四、自相似圖形之遺傳性 12 五、碎形型態編碼之數學運算 13 第三章 應用編碼求取分區式隨機碎形河網之河川地貌特性 16 一、河溪定律 16 二、河川級序之推導 18 三、河川長度之推導 23 四、河川面積之推導 25 五、河川坡度之推導 28 第四章 地貌型瞬時單位歷線理論 31 一、地貌型水文模式之推衍 31 二、地貌型瞬時單位歷線理論 33 三、運動波地貌型瞬時單位歷線之推衍與套用 36 第五章 土地特徵改變對水文效應之影響 41 一、利用碎形基本型態模擬不同土地利用狀況 41 二、生成機率之影響效應 .42 第六章 研析流域及應用實例 44 一、研究流域簡介 44 二、颱洪資料蒐集與整理 45 三、碎形基本型態之決定與 運動波—地貌型瞬時單位歷線模式參數之推求 45 四、逕流模擬之適合度判斷 46 第七章 結果與討論 48 一、三維分區式隨機碎形河網之適用性 48 二、以不同基本型態模擬各種土地利用情形之模擬結果 50 三、生成機率之影響 52 四、應用實例之模擬結果 53 第八章 結論與建議 54 一、結論 54 二、建議 55 參考文獻 57 附 圖 60 附 表 91 圖 錄 圖1-1 河網寬度函數示意圖 60 圖2-1 Koch曲線 61 圖2-2 自相似結構 61 圖2-3 Mandelbrot-Vicsek河網繁衍圖 61 圖2-4 Peano河網繁衍圖 62 圖2-5 RSN河網生成示意圖 62 圖2-6 碎形網路基本型態範例圖 63 圖2-7 範例型態三次自相似生成結果 63 圖2-8 範例型態二次自相似生成可能產生之結果 64 圖2-9 範例型態三次自相似生成產生結果之一 64 圖2-10 雪花圖之隨機碎形生成結果之一 65 圖2-11 編碼基本方法 65 圖2-12 範例型態中線段生成及編碼方式 65 圖2-13 編碼基本原理示意圖 66 圖3-1 Strahler河川級序分級示意圖 67 圖3-2 1級序河川示意圖 67 圖3-3 完全生成之河川級序判斷過程示意圖 68 圖3-4 非完全生成之河川級序判斷過程示意圖 69 圖3-5 以碎形概念模擬完全生成之河川長度比值圖 70 圖3-6 非完全生成之河川長度(面積)比值圖 71 圖3-7 虛無段去除後之河川長度(面積)比值圖 71 圖3-8 以碎形概念模擬完全生成之河川集水區面積比值圖 72 圖3-9 坡度變動比例推求示意圖 73 圖3-10 以碎形概念模擬完全生成之河川坡度圖 73 圖4-1 考慮河川網路之V型漫地流模型 74 圖5-1 以不同長度比值之基本型態來模擬不同地貌特徵之集水區 75 圖5-2 以不同集水區面積比值之基本型態來模擬不同地貌特徵之集水區 76 圖5-3 以不同坡度變動比值之基本型態來模擬不同地貌特徵之集水區 77 圖6-1 基隆河流域圖 78 圖6-2 五堵集水區不透水面積變化圖 78 圖6-3 五堵集水區河網之碎形基本型態 79 圖7-1 河網形狀生成之碎形基本型態 80 圖7-2 不同生成機率下產生之河網分岔比 80 圖7-3 河網長度之碎形基本型態 81 圖7-4 不同生成機率下產生之河網長度比 81 圖7-5 河網集水區面積之碎形基本型態 82 圖7-6 不同生成機率下產生之河網面積比 82 圖7-7 河網坡度之碎形基本型態 83 圖7-8 不同生成機率下產生之河網坡度比 83 圖7-9 基本型態之長度比改變對瞬時單位歷線之影響 84 圖7-10 基本型態之集水區面積比改變對瞬時單位歷線之影響 84 圖7-11 基本型態之坡度比改變對瞬時單位歷線之影響 85 圖7-12 漫地流曼寧係數改變對瞬時單位歷線之影響 85 圖7-13 渠流曼寧係數改變對瞬時單位歷線之影響 86 圖7-14 生成機率改變對瞬時單位歷線之影響-1 87 圖7-15 生成機率改變對瞬時單位歷線之影響-2 87 圖7-16 五堵集水區解拉颱洪之降雨—逕流模擬圖 88 圖7-17 五堵集水區艾妮絲颱洪之降雨—逕流模擬圖 88 圖7-18 五堵集水區尼爾森颱洪之降雨—逕流模擬圖 89 圖7-19 五堵集水區席斯颱洪之降雨—逕流模擬圖 89 圖7-20 五堵集水區薩恩颱洪之降雨—逕流模擬圖 90 圖7-21 五堵集水區安珀颱洪之降雨—逕流模擬圖 90 表 錄 表2-1 非完全生成之河網型態編碼表 91 表3-1 完全生成之河川級序編碼過程表 91 表3-2 完全生成之河川級序個數編碼過程表 91 表3-3 非完全生成之河川級序編碼過程表 91 表3-4 非完全生成之河川級序個數編碼過程表 91 表3-5 完全生成之河川長度比值與面積比值編碼過程表 92 表3-6 長度比值與級序編碼對照表 92 表3-7 集水區面積比值與級序編碼對照表 92 表3-8 集水區坡度值與級序編碼對照表 92 表6-1 五堵水文站選取之降雨事件基本資料表 93 表6-2 五堵集水區河川特性之碎形基本型態設定表 93 表7-1 以不同基本型態模擬各種土地利用情形 93 表7-2 漫地流糙度係數(HEC,1985,1999,2000) 94 表7-3 河渠流糙度係數(Chow, 1959) 94 表7-4 五堵集水區颱洪事件之模擬結果 942308071 bytesapplication/pdfen-US隨機碎形生成編碼河川特性土地利用改變random generation of fractalcodingfeatures of river networksland use change[SDGs]SDG15thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/56063/1/ntu-94-R92622008-1.pdf