黃良雄臺灣大學：土木工程學研究所曹之獻2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50162感潮區域，往往是人口密集之處，故其排洪能力、水質控制、生態保育、景觀與遊憩功能等等，均受到相當大的重視。由此可見，感潮區域，特別是最複雜的感潮河口，其水流、質量傳輸，都是與民生息息相關，廣受國內外矚目的重要課題。 感潮河口水流與質量傳輸於台灣，一來由於河口寬，水平方向變化需作考慮，再之由於重力作用，垂直方向變化自然產生。因此，此問題之三維特質總是存在。國內在水平二維及垂直二維的研究已曾被探討，但三維問題則因計算複雜而罕見可作大尺度實際應用的研究。 本研究繼續吳仁友(1997) 利用Lardner and Cekirge (1988)的垂直/水平分離演算步驟，簡稱VHS（vertical /horizontal splitting algorithm），將三維的海岸水動力計算問題分成水平二維及垂向一維計算的方式所發展的擬似三維水動力模式，增加原始控制方程式中忽略的密度變化項，使能改善以往計算時將密度視為常數的限制，進而得以考慮密度梯度對整個水理特性的影響。此外在垂直一維水理模式方面也加入一紊流應力模式，使得在模擬淺水流時可以更貼近實際流場的情形。 為了計算前述之密度變化項，本研究亦引入水平二維及垂直一維的質量傳輸模式，於是可以得到濃度傳輸的三維資訊，進而求得整個流場的密度分佈情形。 本研究之擬似三維模式因為水平二維與垂直一維分開計算的方式，可以大大降低計算時間與容量需求，而水理模式加入質量傳輸模式共同計算的結果，可以得到整體流場的流域水位、流速與濃度傳輸等三維空間分佈之資訊，而具備了完整模擬感潮河段的能力。 本研究已成功地在淡水河口作實際的應用，此外，依據相同原理，此擬似三維模式將來也可沿用於DO(溶氧量)、BOD(生物需氧量)等等化學物質的傳輸計算，進一步也可考慮溫度傳輸的影響，進而模擬更完整的流場與水質變化情形。誌謝 I 中文摘要 III ABSTRACT V 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 前人研究及文獻回顧 2 1-3 研究背景與目的 5 1-4 章節介紹 7 第二章 理論分析 9 2-1 三維控制方程式 9 2-1.1 水理模式三維控制方程式 9 2-1.2 質量傳輸模式三維控制方程式 11 2-2 水理模式 11 2-2.1 水平二維水理模式之深度平均方程式 11 2-2.2 垂直一維水理模式之控制方程式 15 2-3 質量傳輸模式 16 2-3.1 質量傳輸之水平二維深度平均方程式 16 2-3.2 質量傳輸之垂直一維模式控制方程式 18 2-4 密度與含鹽百分比之關係式 19 2-5 邊界與起始條件 20 第三章 數值方法 23 3-1 水平二維水理模式之修正與建立 23 3-1.1 計算格網 23 3-1.2 數值方法 23 3-1.3 穩定條件 26 3-2 垂直一維水理模式之修正與建立 28 3-2.1 數值方法 28 3-2.2 加入紊流效應影響之修正 30 3-2.3 垂向一維流速之進一步修正 32 3-3 質量傳輸之水平二維模式之建立 34 3-4 質量傳輸之垂直一維模式之建立 35 3-5 模式起始條件與邊界條件 36 3-6 擬似三維模式之流程 38 第四章 模式驗証 39 4-1 兩層流體之平行剪力流問題(線性解) 39 4-1.1 垂直一維水理模式之驗證(線性解) 41 4-1.2 水平二維水理模式之驗證(線性解) 42 4-2 兩層流體之自由剪力層問題(非線性解) 43 4-2.1 垂直一維水理模式之驗證(非線性解) 45 4-2.2 水平二維水理模式之驗證(非線性解) 46 4-3 水平二維質量傳輸模式之驗證 47 4-4 垂直一維質量傳輸模式所需積分式之驗證 50 第五章 淡水河口現場應用 53 5-1 模擬基地概述 53 5-1.1 模擬範圍之基本資料 54 5-2 水理與質量傳輸邊界條件之處理 55 5-3 計算時距之說明 56 5-4 模擬結果 58 5-4.1 水平二維水理之結果 58 5-4.2 流速剖面 58 5-4.3 水體含鹽百分比剖面 59 第六章 結論與建議 61 6-1 結論 61 6-2 建議 63 參考文獻 64 附錄A 感潮河川概述 133 A-1 感潮河川特性 133 A-1.1 潮汐與潮流 133 A-1.2 河口水流 135 A-2 感潮河段河水與海水混合之現象 137 附錄B 水平二維水理模式之深度平均方程式推導 140 附錄C 垂直一維水理模式之控制方程式推導 149 附錄D TAYLOR理論及二維紊流流場之應用 153 附錄E 水平二維水理模式之顯性蛙躍式有限差分法 157 附錄F 垂直一維水理模式之數值方法 175 附錄G 剪應力修改之推導 182 附錄H 垂直一維速度修正式之推導 186 附錄I 有限解析法之概述 1894774473 bytesapplication/pdfen-US感潮河口質量傳輸擬似三維模式tidal estuarymass transportquasi three-dimensional modelthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50162/1/ntu-94-R92521308-1.pdf