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規劃工具與知識

經濟部水利署

水利規劃試驗所

Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs
水利規劃試驗所
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  2. 規劃工具與知識
  3. 河川類
  4. 規劃工具

規劃工具

  1. 常用模式簡介具

    1. 台灣地區主要河川流域水文與水理設計分析系統平台

      本所前於民國89年至93年間完成台灣地區包含中央管河川在內共26條重要河川之「流域整體規劃河川集水區數值地形資訊系統」,並於民國94年繼續將原本架構於ArcView 3.0作業平台升級至ArcView 8.3作業平台,且增加集水區雨量分析與重現期流量推估等相關計算功能,改版後的系統稱為「台灣地區主要河川流域整體規劃地文與水文資訊查詢系統」,惟其數值高程資料,係以農林航空測量所於民國76年至78年間量測之40m×40m數值高程資料進行建置且僅能提供地文與水文分析功能,尚無法針對不同流域進行河道水理演算。

      以先前的系統為基礎,民國100年~102年本所開始以開放原始碼地理資訊系統(open source GIS)技術及資料庫管理系統,增加網路即時更新功能,搭配最新量測之5m×5m數值高程資料,重新建置新系統「台灣地區重要河川流域水文與水理設計分析系統平台」的架構與演算流程。該系統採用開放原始碼地理資訊系統(open source GIS)架構,整合資料庫系統與水文水理計算程式,以圖形化之使用者介面,除了提供既有水文水理分析模組、客製化之報表輸出,以及空間圖資套疊匯出功能之外,另建立「建槽流量推估」模組與「低水河道演算」模組,提供河道穩定斷面型態設計之必要資訊,並持續擴充系統計算功能,以使平台更可符合水利規劃單位之所需。為確保系統運行之穩定與正確性,且符合近年來河川治理規劃之趨勢,本平台已將Quantum GIS升級為2.8最新版本。本計畫所建立之系統平台相關水文功能如下圖所示,各項功能均可提供水利工程規劃設計者詳細地文、水文與河道水理分析資訊,以作為進行後續防洪保護措施、河川穩定分析,以及河川治理規劃方案之參考依據。

      系統「台灣地區重要河川流域水文與水理設計
    2. HEC-HMS模式

      HEC (Hydrologic Engineering Center) 模式乃美國陸軍工程師團水文工程中心(The Hydrologic Engineering Center-US Army Corps of Engineers)所發展之一系列的水文、水理計算模式。其中HEC-HMS可模擬洪水降雨-逕流歷線,利用各種簡單之數學關係式來描述地形、水文以及水理現象,其演算程序,係將輸入雨量分為超滲(有效)降雨及入滲並將超滲降雨轉換成逕流歷線,然後加上基流量及河川演算。其中,降雨損失可選用初值與定值法、HEC指數法、SCS法及Horton法。

      地表逕流模擬係將超滲降雨套入單位歷線或運動波轉換以推算逕流歷線。單位歷線若為已知可直接輸入,或由Clark法、Snyder法或SCS法推演,時間雨量-面積曲線法可配合Clark法或Snyder法使用。在該模式中,Snyder法僅用以推出尖峰流量,故需以Clark法配合才能求得整個單位歷線。運動波轉換法主要是為模擬市區逕流而設計,此法之逕流與降雨量關係為非線性。

  2. 常用模式比較表

    模式 台灣地區主要河川流域水文與水理設計分析系統平台 HEC-HMS模式
    背景 整合資料庫系統與水文水理計算程式以及圖形化之使用者介面,提供水文水理分析模組、客製化報表輸出,以及空間圖資套疊匯出功能之外,另建立「建槽流量推估」模組與「低水河道演算」模組,提供河道穩定斷面型態設計之必要資訊。 HEC-HMS模式將集水區視為水文均勻。依實際地形分成之不同小區組成流網,各以漫地流、運動波及Muskingum等方法演算逕流。
    特性 參考水利署「河川治理及環境營造規劃參考手冊」以及水利規劃過程所需之重要分析步驟,建置地文計算功能、水文計算功能以及河道水理計算功能。 集水區內假設為水文、地文條件均一亦即將子集水區視為一均質區域。若集水區內之各項水文地文參數無法代表該子集水區之特性則應再細分集水區。
    適用範圍 主要應用於水利署24條中央管河川與2條跨省市河川。 地形變化不大且無人工結構物之小集水區。
    限制
    1. 河道演算仍需將設計流量輸入HEC-RAS進行計算。
    2. 運動波–平面漫地流模式較不適用於平坦地形區域。
    1. 同一子集水區內假設為水文、地文條件均一,亦即將集水區視為一均質區域,若與事實不符或所求取之各項水文、地文參數無法代表該子集水區之特性,則應再細分子集水區。
    2. HEC-HMS只能模擬單峰流量,對於連續降雨事件則模擬不佳。
    程式取得 http://lj123.wrap.gov.tw/wagis/river/down-load.html http://www.hec.us-ace.army.mil/soft-ware/hec-hms/

常用水理模式

  1. 常用模式簡介

    1. HEC-RAS

      HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System)模式係美國陸軍工兵團水文工程中心(Hydrologic Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers)所發展之一維水理演算模式,為一整合型軟體系統,此系統包括圖形使用者介面(Graphical User Interface,GUI)、水理分析子程式(定量流及變量流子程式)、數據儲存與管理、圖表製作與資料彙整等功能。HEC-RAS 為一維水面線演算模式,適用於河床坡度小於10%之定量緩變流,可處理亞臨界流、超臨界流及混合流之水面剖線演算,亦具有模擬變量流的功能。本模式可模擬橋樑、涵洞、堰、排洪道等水工結構物對水流之影響,其中模式對水流流經橋樑之模擬依其型態,可分為低水流況、壓力流及堰流。在幾何資料處理上,HEC-RAS 模式可與地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)及電腦輔助繪圖工具(Computer-Aided Design and Drafting,CADD)結合,可簡化資料處理的繁雜度。本模式對於模擬結果有圖形輸出的功能,包括:渠道斷面、水面線、率定曲線及渠道三維透視圖等。

    2. CCHE—1D、2D、3D

      位於美國密西西比大學內之國家計算水科學及工程中心(National Center for Computational Hydroscience and Engineering,NCCHE)先後發展出一維、二維、及三維模式,分別以CCHE1D、CCHE2D、CCHE3D稱之,所發展之數模可探討集水區及河道網路模擬、河川治理及復育、潰壩及其風險分析、水工建造物附近流場、橋墩局部沖刷、岸壁沖刷、泥砂及污染物傳輸等水利工程常見問題,經嚴謹之檢定與驗證後,應用至美國及其他國家甚多的河川海岸問題上,成效顯著。水利署水利規劃試驗所透過技術移轉,先後將之引進,以強化國內對河道軟岩沖淤及三維複雜流況分析能力,作為河川治理規劃及河道穩定工法分析之工具。

    3. SRH—1D、2D

      美國墾務局輸砂及河川水利研究群(Sedimentation and River Hydraulics Group, U.S. Bureau of Reclamation)主要為掌理美國西部河川水情、生態復育、輸砂管理及水資源等相關業務,對於理論研發及實務應用已有累積豐富經驗。水利署與美國墾務局進行水利技術合作,引進墾務局所發展之SRH數值模式,其中,SRH-1D模式係利用流管概念進行模擬,具備輸出河道之橫斷面模擬床底高程資料的功能,能概略描述河川整體流況,但對於側向的動量交換並無法確實模擬,以及河道沖淤造成底床變動現象之模擬能力則略顯不足。SRH-2D模式可模擬複雜天然環境之自由液面流、輸砂等機制,同時可應用於實驗室或天然河川之定量流、變量流、紊流流場等分析,並可模擬穩態及非穩態明渠流、亞臨界、超臨界、混合流,能夠適切的反應水流之物理現象,惟對於局部之複雜三維流場雖無法有效模擬,但其模擬能力仍具備一定程度之準確性。並將模式內建之不同模組應用於台灣重要河川,期能透過不同案例進行檢定驗證,加以修正模式之適用性,有效模擬各種災害問題。

    4. NETSTARS

      NETSTARS(Network of Stream Tube Model for Alluvial River Simulation)為一求解網路型河川沖淤問題之分離演算(uncoupled)模式,其架構以GSTARS模式為主,為李鴻源等人(1996)發展。模式可用於長短期洪水演算及底床沖淤模擬,分成水理演算與輸砂演算兩步驟來完成底床沖淤模擬,對網路型河川模擬類似二維沖淤模式,凡主支流、側流、複雜河系、陡坡、緩坡、水躍、定量流及變量流之水理及相對應底床沖淤特性均可模擬。水理演算方面,可計算定量流、變量流及迴水演算;輸砂計算可選擇推移載(Bed Load)與懸浮載(Suspended Load)分開計算,並採取擬似二維的流管概念,首先以等流量分配方式將河道劃分成指定的流管數目,在於各流管中分別進行輸砂演算,以表現出斷面的橫向沖淤變化。由於該模式為擬似二維模式,因此對河川蜿蜓橫斷面上因二次流作用造成之泥砂偏向分佈的情況不適用,亦無法模擬河川垂直向之二次流。

    5. FLO-2D

      FLO-2D為O’Brien et al(1988)所發展之二維洪水災害模式,為美國聯邦急難管理署(Federal Emergency Management Agency)認可之二維模式。FLO-2D係以非牛頓流體及中央差分(central finite difference)法,同步計算一維變量流及二維漫地流之流況,並且於堤防溢流時,計算堤內及堤外水流互動的流況,可以適用於矩型、梯型或是天然河道斷面,並可模擬水流流經橋墩及涵洞等水工結構物,主要應用於都市淹水模擬、洪水平原管理、工程風險設計及土石流模擬等。由於FLO-2D無法模擬震波(shock wave)與水躍(hydraulic jumps)現象,故會使突發現象之流深分佈平滑化。此外FLO-2D為定床模式,因此無法模擬河床沖刷、淤積現象。

    6. FLOW-3D

      FLOW-3D是一由Hirt 於1980 年創辦的 FlowScience Inc. 所開發之的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟體,主要特色為網格處理、障礙物處理及 處理流體界面和自由液面技術。FLOW-3D使用有限差分法(finite difference method)及交錯網格之配置,並可針對特定區域,進行網格局部加密或增加網格數,透過多區塊結構性網格(multi-block grids)之計算方式,可以把龐大而多餘的網格數縮減以提高計算效率。FLOW-3D 處理障礙方法稱為體積分率法(Fractional Area/Volume Obstacle Representation,FAVOR)運用控制體積(control volume)的觀念,使網格和幾何形狀獨立,能夠精確的描述外型非常複雜的模型。此外,FLOW-3D的流體體積法(Volume of Fluid, VOF)經由固定網格追蹤流體界面,能準確地處理界面,可應用於自由表面或雙層流體界面。FLOW-3D適用於水動力、泥沙及波浪等具水力特性的許多工程設計,目前已廣泛應用於航太工業、 鑄造、噴墨、船舶、微機電工程、水利與環境工程等不同領域。

    7. RESED-3D

      Resed3D為交通大學楊錦釧教授團隊所發展之擬似三維水理動床模式,係基於水深平均二維模式,應用垂直水平分離演算的概念,加入垂向流速變異量,以動量方程式求解水深方向的流速分布。Resed3D可進行非穩流水理、懸浮載及底床載運移動床模擬,具結構物設置、側出入流、岩床及岸壁穩定分析功能,整合河道沖淤與岸壁崩塌模式,其中垂向沖淤可反映砂質、礫石及岩床等不同河床質組成,側向沖刷反映因二次流效應造成泥砂運移角度之變化,岸壁崩塌分析河岸崩塌行為,可探討二次流效應或側入流匯流段等複雜流場下之沖淤行為對於岸壁穩定性及河床變動之影響。由於Resed3D屬擬似三維水理模式,係以靜水壓假設忽略垂向動量方程式,所採用零方程紊流模式同樣假設渠寬遠大於水深、垂向流速分布符合對數分布的情況,此外受限於計算格網不能重疊、交錯,因此對於岸壁側向變化量而言,靠近岸壁底部之沖刷量會有低估情況。

    8. SOBEK

      SOBEK 是由荷蘭 WL|Delft Hydraulics 所發展,為一套整合了河川、都市排水系統與流域管理的套裝程式。SOBEK 依應用區域區分 為三套模式,分別為 SOBEK Rural,SOBEK Urban及SOBEK River,三套模式共包含了降雨逕流、河道演算、水質模式、輸砂計算、鹽分入侵及即時控制等九套模組,在應用上可包含河川、都市下水道系統 的水理計算及都市淹水區域的模擬,對於水利及水資源管理者在進行管理、決策與分析時提供了相當大的助益。

      在 SOBEK 系統軟體系列中,SOBEK Rural 提供了一維河道演算 (Channel Flow,簡稱 CF module)與二維漫地流演算(Overland Flow, 簡稱 OF module)模組,其中 GIS 圖形介面可讓使用者快速建置結合 實際地形、斷面及水工結構物如堰、抽水站…等之河川網絡,使用者 只需將觀測資料匯入便可計算。SOBEK 河川模組可計算一維河川網 路中,河川或渠道中水深隨時間變化的情形。此外,並可針對各項水工結構物,或是潰壩現象的效應進行處理。

  2. 常用模式比較表

    表1 常用一維水理模式
    模式 HEC-RAS CCHE-1D SRH-1D NETSTARS SOBEK
    數值方法 標準步推法
    (standard step
    method)
    Preissmann
    隱式有限差分法
    (implicit Preissmann
    4 point method)
    有限差分法
    (finite difference
    method)
    Preissmann
    隱式有限差分法
    (implicit Preissmann
    4 point method)
    有限體積法
    (finite volume
    method)

    亞臨界流
    超臨界流
    定量流
    變量流
    迴水演算
    主支合流

    懸浮載/推移載
    床質級配
    護甲作用
    非均勻沉滓
    凝聚性沉滓
    岸壁沖刷
    程式取得 免費下載 免費下載 免費下載 非商業軟體 付費軟體
    表2 常用二維水理模式
    模式 CCHE-2D SRH-2D FLO-2D
    數值方法 有效元素法
    (efficient
    element method)
    有限體積法
    (finite
    volume method)
    中央有限差分法
    (central finite
    difference scheme)
    水理 超、亞、混合流
    定量流、變量流
    乾濕點處理
    紊流模式 1、parabolic eddy viscosity model
    2、mixing length model
    3、k-ε model
    1、parabolic eddy viscosity model
    2、k-ε model
    k-ε model
    輸砂 懸浮載、推移載分離
    床質級配
    護甲作用
    非均勻沉滓
    非平衡輸砂
    凝聚性沉滓
    軟岩沖刷
    軟岩沖刷機制 1、泥砂磨蝕
    2、流功門檻
    1、泥砂磨蝕
    2、流功門檻
    3、剪力門檻
    岸壁沖刷
    幾何 主支合流
    格網挖空與河中島
    變形格網
    程式取得 免費下載 免費下載 http://www.flo-2d.com/
    表3 常用三維水理模式
    模式 CCHE-3D FLOW-3D RESED-3D
    數值方法 有效元素法
    (efficient
    element method)
    有限差分法
    (finite difference
    method)
    有限差分法
    (finite difference
    method)
    格網形式 結構性 結構性 結構性
    水理 水理流場 完全三維 完全三維 擬似三維
    明渠自由液面處理
    多相流
    穩態流與非穩態流
    紊流模式
    輸砂 懸浮載傳輸
    非平衡輸砂
    推移載傳輸
    非均勻泥砂
    底床沖淤
    軟岩沖刷機制 開發中
    軟岩河岸拓寬機制 開發中
    GUI介面 開發中
    程式取得 https://www.nc-che.olemi-ss.edu/cch-e3d https://www.flow-3d.com/hom-e/product-s/flow-3d 非商業軟體

最後更新時間:2017-10-27