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系統識別號 U0002-1608201720272300
中文論文名稱 霧社水庫集水區土壤沖蝕預測模式研究
英文論文名稱 Study on Erosion Model to Predict Soil Loss for Wushoh Reservoir Watershed
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 楊凱翔
研究生英文姓名 Kai-Hsiang Yang
學號 604380138
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-07-06
論文頁數 140頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-洪勇善
委員-林伯勳
中文關鍵字 土壤沖蝕  敏感度分析  WEPP  特定年雨量分析  單場降雨事件分  土壤沖蝕渠槽試驗 
英文關鍵字 Soil Erosion  Sensitivity analysis  Single Storm  Rainfall Erosion  Erosion Flume test 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究參考林韋成(2014)及楊尚霖(2016)對石門以及曾文水庫集水區土壤沖蝕特性研究,探討霧社水庫集水區土壤沖蝕情形,以供後續應用參考。研究以WEPP(WaterEerosion Prediction Project)為分析工具,針對WEPP模式所需輸入參數逐一說明,並依輸入參數進行敏感度分析,瞭解何項土壤沖蝕參數對沖蝕量影響較鉅,同時建立WEPP二階段數值模擬分析,第一階段為特定年降雨量分析,依此模式可快速預測年沖蝕量,以預測長期沖蝕變遷趨勢。另以分析結果率定邊坡坡型、坡度分布範圍。第二階段為單場降雨事件分析,以單場降雨量及降雨延時為基礎,將監測時距各降雨事件進行雨場切割,建立降雨參數,逐一分析其沖蝕量,以探討各別雨場沖蝕狀況。主要成果如下:
1. 經敏感度分析可發現:降雨量、臨界剪切力、有效水力傳導度及坡度為影響沖蝕量的重要參數。
2. 以WEPP模擬霧社水庫集水區邊坡沖蝕行為,改變坡型、坡度及坡長之參數,依結果得知當坡長越長、坡度越陡,皆使沖蝕量增加,且坡型不同皆會影響沖蝕深度的大小,其沖蝕深度由大至小為凸坡>S坡≧平坡>凹坡。
3. 特定年雨量分析可模擬土壤沖蝕趨勢,但並不準確,因年降雨量包括所有降雨事件,而許多零星的降雨事件僅造成入滲而不造成逕流。單場降雨分析將零星降雨事件剔除,使分析結果較準確,惟缺點為步驟繁多,分析時間較冗長。
4. 以二階段分析模擬將各沖蝕點位分析結果累加與實際值比較。研究發現,坡度較陡之邊坡能準確預測土壤沖蝕深度,準確值達95%。惟需注意緩坡案例,故建議以WEPP分析時,坡度需大於25度以上,方可有效模擬沖蝕量。
本研究另嘗試規劃一套符合臺灣本土化土壤沖蝕渠槽試驗,以便於未來研究土壤沖蝕參數率定及沖蝕相關應用模擬。能有效地模擬試驗區域土壤沖蝕情形,節省大量時間,以探究土壤沖蝕力學特性、降雨逕流與土壤沖蝕互制行為及局部區域之土壤沖蝕力學機制等。
英文摘要 This study refers to the soil erosion characteristics of Shimen and Zengwen reservoir watershed studied by Lin W.C. (2014) and Yang S.L. (2016), and discusses the soil erosion situation in Wushoh reservoir watershed. This study adopts WEPP (Water Erosion Prediction Project) as analysis tool. By varying the WEPP input parameters, the sensitivity analysis was carried out accordingly to understand which the soil erosion parameters have great effects on the soil erosion. As the same time, establishing the WEPP two-stage numerical simulation analysis is conducted. In predicting the amount of soil erosion of the Wushoh reservoir watershed, the main results are concluded as follows:
1.The sensitivity analysis result suggested that rainfall, critical shear, effective hydraulic conductivity and slope are important parameters for soil erosion.
2.The WEPP is used to simulate slope erosion behaviors for Wushoh reservoir watershed. The results suggest that the steeper and the longer the slope is will increase the amount of erosion. The erosion depthfrom large to small is convex slope> S slope≧uniform slope>concave slope.
3.Two-stage numerical simulation analysis was made by continuous daily simulation analysis and single-storm analysis. Continuous daily simulation analysis can simulate soil erosion trends, but it is not accurate due to annual rainfall of many sporadic rainfall events where only infiltration occurred without causing runoff. Single-field rainfall analysis excludes sporadic rainfall events, so that the results are more accurate, but the shortcomings of having many steps let longer time of analysis.
4.The results are compared with the actual values by the two-stage analysis. It is found that the slopes with steep slope angle can accurately predict the depth of soil erosion, the accuracy is about 95%. But attention should pay to gentle slope case. In WEPP analysis, the slope angle should be least 25 degrees in order to simulate the amount of erosion effectively.
This study intends to plan a set of soil erosion flume test with Taiwan's reservoir watershed in order to facilitate the future study of soil erosion parameters and erosion-related applications simulation, which can effectively simulate the soil erosion by experiments and saving a lot of time to explore the soil erosion mechanics characteristics, rainfall runoff and soil erosion intercourse behavior.
論文目次 章節目錄
章節目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VI
第壹章 緒 論 1
§1-1 研究動機與目的 1
§1-2 研究流程 5
§1-3 內容章節安排 7
第貳章 文獻回顧 8
§2-1 土壤沖蝕影響因素 8
§2-2 土壤沖蝕推估 12
§2-2-1 土壤沖蝕經驗模式 12
§2-2-2 WEPP水蝕預報模式 24
§2-3 土壤沖蝕量測 32
§2-4 室內土壤沖蝕渠槽試驗 36
§2-4-1 國內土壤沖蝕試驗 36
§2-4-2 國外土壤沖蝕試驗 40
§2-4-3 土壤沖蝕尺寸規格綜整表 42
§2-5 土壤沖蝕剪切力 45
第參章 研究對象與資料蒐集 47
§3-1 研究區域 47
§3-2 地表沖蝕深度資料 62
第肆章 土壤沖蝕流失模式建立 69
§4-1土壤沖蝕物理模式流程 69
§4-2 WEPP參數說明 77
§4-3 WEPP參數敏感度分析 85
第伍章 案例驗證 92
§5-1 WEPP特定年雨量分析 93
§5-2 WEPP單場降雨事件分析 105
§5-3 小結 119
第陸章 土壤沖蝕渠槽試驗設計 123
§6-1 渠槽試驗雛型開發 123
§6-2 專家訪談 125
§6-3 土壤沖蝕渠槽試驗設計藍圖 127
第柒章 結論 131
§7-1 結論 131
§7-2 未來展望 133
參考文獻 134


圖目錄
圖1-1-1 臺灣與各國每人平均分配雨量比較圖 (摘自 水利署,2000) 1
圖1-1-2 世界水蝕分布圖 (摘自 USDA, 2012) 3
圖1-2-1 研究流程圖 6
圖2-1-1 土壤沖蝕過程示意圖 (摘自 李鎮洋等人,2015) 8
圖2-1-2 影響土壤沖蝕之水蝕因子關係圖 (摘自 Li Zhang et al., 1996) 9
圖2-1-3 土壤沖蝕類型 (摘自Broz et al., 2003) 11
圖2-2-1 經驗模式建立流程圖 (摘自 楊尚霖,2016) 20
圖2-2-2 坡面沖蝕示意圖 26
圖2-2-3 WEEP操作介面示意圖 27
圖2-2-4 WEEP操作模式 27
圖2-2-5 石門水庫抬耀2號在不同坡度下之土壤沖蝕深度 (摘自 林韋成,2014) 28
圖2-2-6 曾文水庫樂野3號野溪在不同坡度下之土壤沖蝕深度 (摘自 楊尚霖,2016) 28
圖2-3-1 沖蝕針配置示意圖 (摘自 水保局,2010) 32
圖2-3-2 沖蝕針布設標準作業流程 (摘自 許振崑等人,2009) 35
圖2-4-1 實驗儀器介紹 (摘自 林俐伶,2008) 36
圖2-4-2 實驗儀器介紹 (摘自吳明峰,2009) 37
圖2-4-3 實驗儀器配置圖 (摘自 蔡光榮,2009) 38
圖2-4-4 實驗介紹 (摘自 楊啟見、林俊全,2015) 39
圖2-4-5 實驗儀器介紹 (摘自 陳婷婷和翁主怡,2013) 39
圖2-4-6 邊坡模型試驗儀器配置 (摘自 Wang and Sassa, 2003) 40
圖2-4-7 降雨入滲試驗之儀器設置示意圖(修改自 Moriwaki et al., 2004) 41
圖2-4-8 凸型坡幾何與儀器配置示意圖 (摘自 Chen et al., 2012) 42
圖2-4-9 凹型坡幾何與儀器配置示意圖 (摘自 Chen et al., 2012) 42
圖2-5-1 邊坡沖蝕中土壤沖蝕機制與過程 (重繪自 George R. Foster et.al,2002) 45
圖3-1-1 霧社水庫大壩 (摘自 水利署官方網站) 47
圖3-1-2 霧社水庫集水區地形及地勢圖(摘自 水保局,2015) 48
圖3-1-3 霧社水庫集水區坡度及坡向圖 (摘自 水保局,2015) 49
圖3-1-4 霧社水庫全區及其上游集水區衛星空照圖 (摘自Google Earth) 49
圖3-1-5 霧社水庫集水區地層圖 (摘自 水保局,2015) 52
圖3-1-6 霧社水庫附近區域地質圖(摘自 臺灣電力公司,2013) 53
圖3-1-7 霧社水庫集水區土壤分布圖 (摘自 水保局,2015) 55
圖3-1-8 霧社水庫集水區土地利用分布圖 (摘自 水保局,2015) 55
圖3-1-9 霧社水庫集水區 (摘自 水保局,2015) 57
圖3-1-10 霧社水庫集水區近20年年平均降雨趨勢圖 (摘自 水保局,2015) 59
圖3-1-11 霧社水庫淤積現況 60
圖3-1-12 霧社水庫歷年淤積量與颱風事件變化趨勢圖 (摘自 水保局,2015) 61
圖3-2-1 沖蝕針點位分布圖 (摘自 水保局,2015) 62
圖3-2-2 霧社水庫集水區4處地表沖蝕設施調查處設施照片說明 63
圖3-2-3 霧社土壤取樣現況照片 64
圖3-2-4 霧社水庫集水區不同坡度調查處之累積沖蝕深度圖 (摘自 水保局,2015) 68
圖4-1-1 WEPP水蝕模式分析流程圖 69
圖4-2-2 CLIGEN氣候參數示意圖 (參數說明詳見表4-2-2) 78
圖4-2-3 WEPP氣候資料庫參數示意圖 (參數說明詳見表4-2-2) 78
圖4-2-4 WEPP土壤資料庫參數示意圖 (參數說明詳見表4-2-3) 80
圖4-2-5 WEPP土地利用資料庫參數示意圖 (參數說明詳見表4-2-4) 82
圖4-2-6 WEPP邊坡資料庫參數示意圖 (參數說明詳見表4-2-5) 84
圖4-3-1 假定邊坡案例相關參數示意圖 85
圖4-3-2 分析流程圖 86
圖4-3-3 氣候參數放大倍數相對於土壤流失量改變倍數關聯圖 87
圖4-3-4 氣候參數放大倍數相對於逕流量改變倍數關聯圖 87
圖4-3-5 土壤輸入放大倍數相對於土壤流失量改變倍數關聯圖 89
圖4-3-6 土壤輸入放大倍數相對於逕流量改變倍數關聯圖 89
圖4-3-7 坡面因子放大倍數相對於土壤流失量改變倍數關聯圖 91
圖4-3-8 坡面因子放大倍數相對於逕流量改變倍數關聯圖 91
圖5-1-1 特定年雨量分析流程圖 93
圖5-1-2 不同坡度於凹坡之土壤沖蝕深度預測值 95
圖5-1-3 不同坡度於S坡之土壤沖蝕深度預測值 95
圖5-1-4 不同坡度於平坡之土壤沖蝕深度預測值 95
圖5-1-5 不同坡度於凸坡之土壤沖蝕深度預測值 96
圖5-1-6 霧社水庫集水區EB01年沖蝕深度預測值 98
圖5-1-7 霧社水庫集水區EB02年沖蝕深度預測值 100
圖5-1-8 霧社水庫集水區EB03年沖蝕深度預測值 102
圖5-1-9 霧社水庫集水區EB04年沖蝕深度彙整圖 103
圖5-2-1 單場降雨事件分析流程圖 105
圖5-2-2 雨場切割法 (摘自 詹錢登,2002 ) 106
圖5-2-3 利用WEPP針對霧社水庫EB01沖蝕點位預測沖蝕深度分析結果 110
圖5-2-4 利用WEPP針對霧社水庫EB02沖蝕點位預測沖蝕深度分析結果 114
圖5-2-5 利用WEPP針對霧社水庫EB03蝕點位預測沖蝕深度分析結果 118
圖6-1-1 室內土壤沖蝕渠槽試驗設計流程圖 123
圖6-1-2 土壤沖蝕渠槽試驗設計草圖 (第一版) 124
圖6-1-3 土壤沖蝕渠槽試驗組件拆解設計草圖 124
圖6-2-1 土壤沖蝕渠槽試驗問卷設計圖 125
圖6-3-1 土壤沖蝕渠槽試驗設計藍圖 (第二版) 127

表目錄
表1-1-1 水庫快速淤積原因與要素一覽表 2
表2-1-1 土壤沖蝕程度之分級標準 (摘自 水土保持手冊,2005) 11
表2-2-1 具代表性土壤沖蝕經驗式彙整表 13
表2-2-2 USLE各項參數簡介說明表 (摘自 水土保持手冊) 15
表2-2-3 土壤參數對照表 (摘自 水土保持手冊,2005) 17
表2-2-4 C值對照表(摘自 水土保持手冊,2005) 19
表2-2-5 國內相關經驗公式之研究 21
表2-2-6 土壤沖蝕量分析方法彙整總表 (整理自Aksoy and Kavvas, 2005) 24
表2-2-8 石門水庫子集水區近年年平均土壤沖蝕深度彙整表 (整理自 林韋成,2014) 30
表2-2-9 曾文水庫子集水區近年年平均土壤沖蝕深度彙整表 (整理自 楊尚霖,2016) 31
表2-3-1 不同量測尺度的土壤沖蝕量測對象及量測儀器分類表 33
表2-4-1 國內外室內土壤沖蝕試驗尺寸規格綜整列表 43
表3-1-1 霧社水庫集水區坡度、坡向分布比例表 (摘自 水保局,2015) 49
表3-1-2 霧社水庫集水區地質構造表 (摘自 水保局,2015) 54
表3-1-3 霧社水庫集水區土壤組成百分比 (摘自 水保局,2015) 56
表3-1-4 霧社水庫集水區土地利用統計表 56
表3-1-5 霧社水庫集水區鄰近範圍之中央氣象局雨量站站況表 58
表3-1-6 日月潭站氣象站資料統計表 (摘自 中央氣象局) 59
表3-1-7 霧社水庫淤積資料彙整表 (摘自 水保局,2015) 61
表3-2-1 霧社水庫集水區地表沖蝕設施調查處點位相關資料表 64
表3-2-2 霧社水庫集水區土壤物性及強度材料參數彙整表 65
表3-2-3 坡度區間分級表 (整理自 水保局,2015) 65
表3-2-4 霧社水庫集水區沖蝕量調查時程相關資料表 (整理自 水保局,2015) 66
表3-2-5 霧社水庫集水區土壤沖蝕深度調查彙整表 (整理自 水保局,2015) 67
表4-2-1 WEPP氣候境況說明 77
表4-2-2 WEPP氣候參數輸入說明 79
表4-2-3 WEPP 土壤參數輸入說明 81
表4-2-4 WEPP土地利用參數輸入說明 83
表4-2-5 WEPP邊坡參數輸入說明 84
表5-1-1 EB01應用於不同坡長、坡型及坡度之特定年雨量分析 94
表5-1-2 霧社水庫集水區EB01現地量測資料 (摘自 水保局 2015) 97
表5-1-3 霧社水庫集水區EB01年沖蝕深度彙整表 97
表5-1-4 霧社水庫集水區EB02現地量測資料 (摘自 水保局 2015) 99
表5-1-5 霧社水庫集水區EB02年沖蝕深度彙整表 99
表5-1-6 霧社水庫集水區EB03現地量測資料 (摘自 水保局 2015) 101
表5-1-7 霧社水庫集水區EB03年沖蝕深度彙整表 101
表5-1-8 霧社水庫集水區EB04現地量測資料 (摘自 水保局 2015) 102
表5-1-9 霧社水庫集水區EB04年沖蝕深度彙整表 103
表5-1-10 霧社水庫各沖蝕點位建議之坡型、坡度及坡長 104
表5-2-1 沖蝕點位EB01單場暴雨分析結果 107
表5-2-2 沖蝕點位EB01單場暴雨分析結果 108
表5-2-3 沖蝕點位EB01單場暴雨分析結果 109
表5-2-4 沖蝕點位EB02單場降雨事件分析結果 111
表5-2-5 沖蝕點位EB02單場降雨事件分析結果 112
表5-2-6 沖蝕點位EB02單場降雨事件分析結果 113
表5-2-7 沖蝕點位EB03單場暴雨分析結果 115
表5-2-8 沖蝕點位EB03單場暴雨分析結果 116
表5-2-9 沖蝕點位EB03單場暴雨分析結果 117
表5-2-10 霧社水庫各沖蝕點位單場降雨事件模式分析結果比較表 118
表5-3-1 WEPP二階段分析說明彙整表 120
表5-3-2 北中南重要水庫集水區WEPP參數輸入表 121
表6-3-1 土壤沖蝕渠槽試驗主要元件及諸元介紹表 128
表6-3-2 土壤沖蝕渠槽試驗其他組件介紹 129

參考文獻 參考文獻
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