美國國家水科中心河道三維動床數值模式之引進及應用研究(1/3)
一、計畫緣起與目的
台灣西部河川之河道沖刷與穩定工法為近年有關單位持續關注之重要議題，特別是堰壩下游劇烈沖刷行為導致岩盤裸露，危及相關水工及防洪構造物安全。台灣目前常見之動床模式，多以一維或二維為主。對於複雜三維流場與局部沖刷問題，如橋墩、丁壩、固床工等，多採用一維或二維模式計算，因其對於水深方向之平均假設，成果常有其限制或不確定性，須藉由更精進之三維模式以獲得更客觀之評估成果。由於三維模式之開發與應用較具有技術門檻，且國內切入該領域時間較短，現有模式大多仍在研發階段，有鑑於目前亟需解決之河工治理問題頻仍，考量模式應用之迫切性與現地模擬之可靠度，仍須藉助於國外先進三維動床模式。
CCHE3D模式為美國國家計算水科學及工程中心(National Center for Computational Hydroscience and Engineering, NCCHE)所研發，為一套基於有效元素法之三維動床模式，適用於複雜自然環境下之自由液面紊流、泥砂傳輸、河床變遷等問題之探討。本計畫預定分三年進行，目的為引進CCHE3D三維動床數值模式，以強化台灣對河道三維複雜流況及局部沖淤分析之能力，提升未來本土化三維模式研發與應用之技術能力。
二、國內外三維動床模式之回顧與評估
本研究回顧國內外相關已開發或開發中之三維水理、動床模式，包括CCHE3D、ANSYS CFX、ANSYS FLUENT、FLOW-3D、RESED3D與U2RANS模式，比較評估彼此之差異、優缺點與限制性，並蒐集相關可供模式驗證之代表案例與資料，以供後續研究參考。
由比較評估結果可知，各模式皆可處理明渠自由液面、紊流及非穩態流場，但採用之格網基礎、數值方法、物理機制與技巧略有不同，計算效率及精度有其差異，而泛用型三維模式則另具有多相流模組功能。在底床變化與輸砂功能方面，CCHE3D模式相對其他常見商用模式具有優勢，因具有傳統輸砂力學理論基礎，包括處理非平衡輸砂、非均勻泥砂、懸浮載與推移載傳輸、沖淤變化等，對於河道動床模擬之功能較為完善，較適合一般水利工程計算使用。
三、水工結構物與河道穩定機制探討評估
探討水工結構物如橋墩、丁壩、固床工等之沖刷機制，利用CCHE3D模式模擬測試不同水工結構物於河道之沖刷行為，同時收集國內外針對相關河道沖刷防治與穩定改善之工法、研究計畫等，作為後續研究之參考。
在橋墩沖刷實驗案例中，模擬與實測沖刷坑變化相近，且模式可反映定量流與變量流情況下，橋墩周圍之沖淤過程，而此沖刷行為目前尚無相關商用三維動床模式可進行模擬。丁壩案例中，模擬沖刷坑之形狀與實測大致有相同趨勢，但於背水段略有差異。固床工案例中，下游沖刷坑床面形成一環流狀態，使得靠近底床之流速降低，其推移載量瞬間減少，但固床工下游之跌水、水舌流場較為複雜，既有沖刷模式採用之剪力速度修正法應用於本案例仍有待修正。
四、CCHE3D動床數值模式測試
考慮台灣河川不同河性，針對不同案例進行模擬測試，現場案例中，包括濁水溪集集堰下游河道案例、濁水溪集集堰穩定河床工法布置案例、濁水溪濁水堤防案例、頭前溪中正大橋案例、高屏溪高屏堰案例。
在濁水溪集集堰河段之案例中，引用軟岩流功門檻沖蝕機制公式，該理論簡易且具有效率，模擬與實測變化趨勢相近，可呈現堰址下游軟岩河道局部槽溝之溯源沖刷趨勢。在集集堰下游河道穩定方案中，模擬莫拉克颱風後之底床沖刷情形，該方案之布置係原先左岸深槽回填約6 m，右岸高灘地拓寬，整體河道之水深分布較為均勻，堰址下游為相對高流速區域，至下游拓寬深槽逐漸減緩，洪水過後主深槽有逐漸偏向右岸之趨勢。整體來說河道穩定方案之布置仍有沖刷產生，模擬之最大沖刷深度約為2.9 m，相對於現況無布置方案之6.9 m，已有明顯減緩趨勢。
在濁水溪濁水堤防河段之模擬案例中，可預測莫拉克颱風後名竹大橋上游右岸深槽擺盪至右岸之變化趨勢。在頭前溪中正大橋案例之測試模擬中，莫拉克颱風事件之變量流歷線可測試CCHE3D模式對於具有橋墩、固床工等布置之複雜河道處理能力。模擬與實測水位之比較結果良好，且模擬結果可呈現水流通過橋墩與固床工後，自深槽右岸繞流於左岸之變化趨勢。在高屏溪攔河堰河段之模擬案例中，模擬結果說明模式可反映該複雜水工結構物布置下之流場，活動堰1號壩上層區域在增設導流工前有明顯渦流效應，模擬結果可作為相關工程規劃布置之參考。
五、CCHE3D動床數值模式評價
本研究針對相關河道沖刷案例瞭解CCHE3D模式之功能性與適用性，藉由模擬結果與使用過程，提出模式評價。本年度測試之三組實驗案例、四組現場案例，模擬結果均有其趨勢性與適用性，包括橋墩沖刷、軟岩河道沖刷、河道側向變遷、颱洪事件之變量流、複雜工程布置之河道等，雖部分結果仍有改善空間，於後續年度之模式功能擴充將逐步改善以適用於台灣河川。
CCHE3D模式之格網系統係以模擬範圍之平面進行產生與地形內插，再建立一組基於地表高程與水深維度之三維格網，模擬過程中，水面與底床受到變量流與底床沖刷過程而改變，相對其他商用三維模式，該格網系統具有建置便利且適用於明渠流之優點，其模擬格網亦可與CCHE2D模式共用，對於一般工程師之使用，可依需求與計算時間，選擇二維或三維進行模擬，學習與使用過程相對其他三維模式迅速。
比較評估二維與三維模式之底床沖淤結果，以集集堰案例來說，其堰址下游之Y型槽溝可藉由三維模式模擬呈現，而二維模式模擬則僅於下游深槽呈現沖刷趨勢，此為三維動床模式之使用價值。
六、CCHE3D動床數值模式擴充評估
經由CCHE3D模式測試與評價，評估分析後續應用於台灣河川案例研究所需之額外模式功能，包括與本研究應用相關之輸砂模組修正、水工結構物之局部沖刷機制、溢洪道下游跌水沖刷機制、底床泥砂交換機制、CCHE3D模式之軟岩沖刷機制、河岸拓寬機制、CCHE2D與CCHE3D模式於使用者介面之自動整合模擬等。相關建議已提供美國國家計算水科學及工程中心進行模式擴充參考，以便進行後續年度現場案例之模擬與評估。