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(2/3)
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，台灣本土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、河道沖刷河段檢定驗證
本計畫根據河川特性，以不同沖刷類型之河段為案例場址，包括一般沖積層沖刷、軟岩沖刷與側向沖刷特性，探討三維流場下之河道沖淤行為。本年度挑選三組現場河道案例，進行模式之檢定驗證工作，分別為濁水溪之集集堰下游河段、名竹大橋至二水鐵路橋右岸河段、大安溪峽谷河段。
不同案例河段之檢定驗證結果，在濁水溪集集堰下游河段中，延續第一年度計畫成果，模式利用流功門檻軟岩沖蝕機制，可模擬集集堰下游軟岩之劇烈沖刷情形，驗證成果良好。在濁水溪名竹大橋至二水鐵路橋河段中，模擬與實測沖淤結果趨勢相近，模擬靠近右岸區域之沖刷有低估情形，但丁壩前之沖刷坑與沖刷樁調查結果相近。在大安溪峽谷河段中，模式可根據河床不同岩性分布進行抗沖蝕指數Kh值之設定，以反映現況河床之沖刷行為，惟本年度雖已建置軟岩河岸拓寬機制，但軟岩模組尚無法完全整合輸砂機制，以致大安溪下游段之河床淤積趨勢模擬結果誤差較大，後續模擬將以泥砂磨蝕機制整合輸砂模組進行之。
三、水工建造物流場與局部沖刷模擬
針對固床工、丁壩工等水工建造物，進行三維流場與局部沖刷模擬，選擇交大輸砂實驗室之溢洪道流場模型試驗、丁壩沖刷模型試驗進行相關模擬分析，同時探討濁水溪名竹大橋下游右岸河段丁壩群之局部沖刷行為進行模擬探討。
在溢洪道流場模型試驗案例中，溢洪道表面有明顯低流速區域，進入頂部後水深減少、流速加快。由誤差分析可知，模擬與實測數據點大致落於對角線上，僅堰頂位置之水面與底床面有較大誤差，評估應為水深較小，PIV拍攝視窗周圍具有光源消散之限制，出現缺測區塊以致誤差較大。整體來說，不同剖面位置之模擬流速，平均絕對誤差百分比約為13.2 ~ 15.5 %、皮爾森相關係數約在0.9以上，模擬結果趨勢良好。
在丁壩沖刷模型試驗案例中，1號丁壩之迎水面因受到水流直接沖擊，其向下流場對底床產生明顯沖刷，2號丁壩之沖刷相對減緩許多。三維模擬結果於丁壩迎水面、壩頭之沖刷分布與實測分布相近。
在濁水溪名竹大橋下游右岸河段丁壩群之模擬中，模式採用局部計算域模組，可模擬現場河川布置水工建造物之三維流場與沖淤行為，丁壩之阻流、水面與水底之環流流場等皆可呈現。
四、軟岩沖刷與河岸拓寬模組建置
本年度針對CCHE3D模式，完成流功門檻軟岩沖蝕機制及軟岩河岸拓寬模組之建置。軟岩河岸拓寬模組，延續流功門檻沖蝕率公式，提出河岸校正坡度之概念，修正軟岩模組之沖蝕率公式，以反映軟岩河岸區域之沖刷速率。本研究提出之河岸坡度校正法，對於模擬軟岩河岸之拓寬行為，具有一定之效果，可適當利用軟岩沖蝕機制公式，因應河岸坡度與河床平均坡度之關係，校正河岸區域之沖蝕速率。
為了讓模式增加模擬現場案例之使用效率，本年度針對三維模式邊界條件銜接之需求，開發局部計算域模擬銜接模組，讓使用者可在二維模擬範圍中，針對局部計算域進行格網加密，記錄並內插模擬過程中內部邊界位置之相關數據，再自動給定於模式模擬，無須另外輸出模擬結果以人為方式進行邊界條件之銜接。
五、沖刷防治與消能工法模擬
以濁水溪集集堰下游河段為例，進行沖刷防治工法布置之三維模擬分析，包括四河局過去研擬之五組方案、深槽拓寬、疏濬、不同固床工數量與高程布置、縮短固床工寬度(可視為丁壩)、深槽回填塊石等，以瞭解其三維流場下之沖淤、相關工法對河床整體沖刷之改善情形等，以做為後續年度研擬穩定工法之參考。
固床工組合方案中，模擬近期較具代表性之莫拉克颱風事件。單座固床工方案其固床工上游由於水位抬升可較為安定，但其他河段均有嚴重之沖刷產生，顯示單一座固床工對集集堰下游河段之改善與沖刷控制效果有限。雙座與三座固床工方案中，固床工上游處各別形成一迴水範圍，水流經此迴水範圍使得流速降低，進而減緩河床之沖刷。固床工上游、固床工間之最大沖刷量，隨著固床工高程增加而減少，但仍無法完全抑制沖刷發生。
考慮於固床工間填補塊石之情境，莫拉克颱風洪峰發生前固床工上游有些許淤積情形，約自0.1 ~ 1.73 m，洪峰過後深槽流速相當大，回填塊石有明顯沖刷情形，說明即使布置穩定工配合深槽回填塊石，洪水時泥砂停留與淤積不易，僅較低流量時可有淤積效益，模擬終了回填區域之沖刷深度最大可達4 m。
六、相關研究人員來台學術交流
本計畫之學術交流，以提升台灣水利相關從業人員動床數模技術能力為目標。本年度於期初辦理一場學術交流活動，邀請美國紐約克拉克森大學土木與環境工程學系吳偉明教授，針對非平衡輸砂模式及河川海岸系統水砂運移數值模擬進行專題演講。期中辦理之種子學員模式教育訓練，針對水規所內部之種子學員 (約10 ~ 15人)進行CCHE3D模式教學。期末學術交流與教育訓練，邀請美國NCCHE賈亞非副主任來台，進行三維模式應用及局部輸砂等議題之專題演講，同時與交大團隊針對水利署相關單位 (約30 ~ 40人)，進行CCHE3D模式教育訓練與上機操作示範教學，成果頗為豐碩。