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系統識別號 U0002-2708201918355200
中文論文名稱 應用於土壤渠槽試驗之人工降雨試驗模擬
英文論文名稱 A Study on Artificial Rainfall Simulation Applied to the Soil Erosion Flume
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 顏祥明
研究生英文姓名 Hsiang-Ming Yen
學號 607380127
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2019-07-26
論文頁數 206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 人工降雨模擬  降雨強度率定  土壤渠槽試驗  假定案例試驗  土壤沖蝕 
英文關鍵字 Soil Erosion  Artificial rainfall simulation  Soil flume test  Rainfall intensity determination 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究接續前期研究楊凱翔(2017)所開發之土壤沖蝕渠槽試驗,將其規劃繪製草圖進行實體化,並與製作廠商討論儀器各細部內容,且周延儀器各項目之規劃,其包含:裝置設施功能確定、設施材料確定、設施尺寸確定、費用成本估算、場地區位規劃等,後續規劃其標準作業程序,包含:試驗裝置架設及組裝作業程序、人工降雨率定作業程序,並進行人工降雨率定作業,利用壓克力組合板於單位時間內接收水量,推算其降雨強度與降雨均勻係數,其改變參數有三項:1.加壓馬達強度、2.降雨高度、3.降雨噴頭開關配置,本次率定試驗進行3種不同降雨落高(1.2m、1.8m、2.4m),調整6種不同加壓馬達強度(15kg/cm2、25 kg/cm2、35kg/ cm2、45kg/ cm2、55kg/ cm2、65kg/ cm2),且進行降雨噴頭全開與半開配置(噴頭間距分別為14cm及28cm),每次試驗重複進行3次共計108組試驗,率定出本試驗裝置可進行試驗之降雨強度為:25mm/hr~140mm/hr,其降雨均勻係數率定結果為1.8m之試驗最佳,可達80%以上,且後續進行假定試驗,初步模擬砂洲侵蝕且探討降雨強度與土壤流失量之關係,其外在營力設計參考率定結果,分別進行55mm/hr與80mm/hr兩次試驗,固定其試驗坡度30度及試驗時間為50分鐘,使用試體為淡江大學土壤力學試驗室#191標準砂土,其ASTM土壤分類為SP砂土,試驗模型:坡長60cm、坡高:15cm、坡寬:50cm,填砂時計算其相對密度約為43%,兩次試驗結果顯示:設計降雨強度與土壤流失量為一正比關係,驗證本研究所開發外在營力為可行性之試驗。
英文摘要 This study is based on a previous study of the soil erosion flume test developed by Yang K. (2017). Design drawings as suggested by Yang K. (2017) are applied in this current research. The details of the equipment design are passed on and discussed with the manufacturer, including such details as, part selection, functionality, dimensions, cost, location planning and so on. Subsequently, standard operating procedures including, test device assembly and accommodation for artificial rainfall are also discussed. With regards to the artificial rainfall, an acrylic sheet setup is utilized and water volume per unit time is determined; the rainfall intensity and rainfall uniformity coefficient are then calculated.
Three parameters studied: 1. Variation of intensity of the pressurized motor, 2. Rainfall height, 3. Rain nozzle outflow configuration. The test was carried out for three different rainfall drop heights (1.2m, 1.8m, 2.4m), six different pressure intensities (15kg/cm2, 25kg/cm2, 35kg/cm2, 45kg/cm2, 55kg/cm2, 65kg/cm2), and a rain nozzle configuration of fully opened and half-opened for which the nozzle spacing is 14cm and 28cm respectively. Each test is repeated three times resulting in a total of 108 groups of tests.
It was found that the proposed model is suitable for rainfall intensities in the range of 25mm/hr. - 140mm/hr., and that the uniformity coefficient is best at a rainfall height of 1.8m, reaching up to 80% and above. A subsequent hypothetical test is carried out to simulate sand erosion. The relationship between rainfall intensity and soil loss is discussed. The external force design reference was determined by two tests of 55mm/hr. and 80mm/hr. respectively. For the hypothetical case study, the test model was given a slope fixed at an angle of 30 degrees; the test duration was 50 minutes. The soil sample used was the #191 standard sand obtained from the Soil Mechanics Laboratory of Tamkang University; its ASTM soil classification is SP sand. Test model dimensions: slope length 60cm, slope height 15cm, slope width 50cm. Relative density of the sand is estimated at about 43% during placement of the soil sample. The results of the two tests show that the design rainfall intensity is directly proportional to the soil loss, thereby verifying the feasibility of this test.
論文目次 目錄
目錄…………………….……………….I
圖目錄…………………….……………….III
表目錄…………………….……………….V
附錄目錄…………………….………………. VI
第壹章 緒論…………………….……………….1
§1-1 研究動機與目的…………………….……………….1
§1-2 研究流程…………………….……………….3
§ 1-3 章節安排…………………….……………….5
第貳章 文獻回顧…………………….……………….6
§2-1 人工降雨模擬試驗…………………….……………….6
§2-1.1 人工降雨模擬裝置用途…………………….……………….6
§2-1.2 人工降雨模擬裝置的分類…………………….……………….7
§2-1.3 人工降雨模擬裝置的率定…………………….……………….9
§2-2 國內外人工降雨器及渠槽實驗配置…………………….……………….10
§2-3 土壤沖蝕影響因素與推估及量測方法…………………….……………….20
第参章 人工渠槽降雨沖蝕試驗介紹…………………….……………….35
§3-1 試驗裝置設施草圖及改良…………………….……………….35
§3-2 試驗裝置設施功能介紹…………………….……………….38
§3-3 試驗裝置設施場地佈置、裝置元件介紹…………………….……………….42
第肆章 試驗標準化作業程序…………………….……………….49
§4-1 試驗裝置架設及組裝作業程序…………………….……………….49
§4-2 試驗裝置人工降雨率定作業程序…………………….……………….62
第伍章 人工降雨率定分析及探討…………………….……………….72
§5-1 人工降雨模擬率定分析…………………….……………….72
§5-1.1 降雨落距…………………….……………….72
§5-1.2加壓馬達強度…………………….……………….72
§5-1.3降雨噴頭配置…………………….……………….74
§5-1.4試驗項目…………………….……………….75
§5-2人工降雨模擬率定結果…………………….……………….77
§5-3假定試驗案例探討…………………….……………….83
§5-3.1 土壤基本性質…………………….……………….84
§5-3.2 試驗方式…………………….……………….85
§5-3.3 三角檔板及沖蝕針擺放…………………….……………….86
§5-3.4 砂土放置方式…………………….……………….87
§5-3.5 蒐集砂土與量測方法…………………….……………….87
§5-3.6 試驗結果與結論…………………….……………….89
第陸章 結論及建議…………………….……………….92
§6-1 結論…………………….……………….92
§6-2 建議…………………….……………….93
參考文獻…………………….……………….94
附錄…………………….……………….99
降雨高度1.2公尺全開配置試驗記錄…………………….……………….99
降雨高度1.2公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….117
降雨高度1.8公尺全開配置試驗記錄…………………….……………….135
降雨高度1.8公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….153
降雨高度2.4公尺全開配置試驗記錄…………………….……………….171
降雨高度2.4公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….189



圖目錄
圖1-1.1水循環示意圖(摘自 John Evans,2013)…………………….……………….1
圖1-2.1研究流程圖…………………….……………….4
圖2-1.1人工降雨形式示意圖…………………….……………….8
圖2-2.1 Veejet80100與FulljetHH50WSQ示意圖…………………….……………….11
圖2-2.2試驗儀器介紹圖(摘自1996,林俊全)…………………….……………….12
圖2-2.3試驗儀器介紹(摘自 林俐伶,2008)…………………….……………….13
圖2-2.4試驗儀器介紹(摘自 吳明峰,2009)…………………….……………….14
圖2-2.5試驗介紹(摘自 楊啟見、林俊全,2015)…………………….……………….15
圖2-2.6試驗配置示意圖(摘自 王咏潔,2019)…………………….……………….16
圖2-2.7試驗配置示意圖(摘自 Chen et al.,2012)…………………….……………….17
圖2-3.2土壤沖蝕過程示意圖 (摘自 李鎮洋等人,2015)…………………….……………….20
圖2-3.3影響土壤沖蝕之水蝕因子關係圖 (摘自 Li Zhang et al.,1996)…………………….……………….21
圖2-3.4土壤沖蝕類型 (摘自Broz et al.,2003)…………………….……………….23
圖2-3.5 WEEP操作介面示意圖…………………….……………….30
圖2-3.6 WEEP操作模式…………………….……………….30
圖2-3.7沖蝕針配置示意圖 (摘自 水保局,2010)…………………….……………….31
圖2-3.8沖蝕針佈設標準作業流程 (摘自 許振崑等人,2009)…………………….……………….34
圖3-1.1室內人工降雨土壤渠槽試驗草圖(摘自 楊凱翔,2017)…………………….……………….35
圖3-2.1儀器主體構架配置圖…………………….……………….38
圖3-2.2人工降雨系統配置圖…………………….……………….40
圖3-3.1淡江大學土壤力學實驗室原先放置位置圖…………………….……………….43
圖3-3.2淡江大學土壤力學實驗室原先放置平面圖…………………….……………….44
圖3-3.3淡江大學工程材料實驗室坡面沖蝕試驗儀器放置位置圖…………………….……………….45
圖3-3.4淡江大學工程材料實驗室平面圖…………………….……………….46
圖3-3.5淡江大學工程材料實驗室坡面沖蝕試驗儀器進行位置圖…………………….……………….47
圖4-1.1儀器架設組裝工作區域…………………….……………….50
圖4-1.2試驗裝置架設及組裝作業程序…………………….……………….51
圖4-2.1本研究壓克力板放置於渠槽內示意圖(4*8格)(12.5cm*12.5cm) …………………….……………….64
圖4-2. 2降雨強度與均勻性測試圖(摘自簡瑋男,2010)(3*13格、10cm*10cm)…………………….……………….64
圖4-2.3試驗裝置人工降雨率定流程圖…………………….……………….65
圖5-1.1降雨落高示意圖…………………….……………….73
圖5-1.2加壓馬達壓力錶及壓力環示意圖…………………….……………….74
圖5-1.3半開降雨配置示意圖…………………….……………….75
圖5-2.1試驗高度1.2m 降雨強度及均勻係數配置結果…………………….……………….77
圖5-2.2試驗高度1.8m 降雨強度及均勻係數配置結果…………………….……………….78
圖5-2.3試驗高度2.4m 降雨強度及均勻係數配置結果…………………….……………….79
圖5-2.4全開與高度不同比對圖…………………….……………….80
圖5-2.5半開與高度不同對比圖…………………….……………….81
圖5-3.1 試驗情境模擬圖…………………….……………….83
圖5-3.2 砂洲侵蝕示意圖…………………….……………….84
圖5-3.3 粒徑分佈曲線圖…………………….……………….85
圖5-3.4 三角檔板放置尺寸示意圖…………………….……………….86
圖5-3.5 沖蝕針擺放示意圖…………………….……………….86
圖5-3.6 鋪平乾砂後示意圖…………………….……………….87
圖5-3.7蒐集流失之砂示意圖…………………….……………….88
圖5-3.8 排除多餘水分砂示意圖…………………….……………….88
圖5-3.9 試驗結果對比圖…………………….……………….89
圖5-3. 10 設計降雨強度55mm/hr示意圖…………………….……………….90
圖5-3. 11 設計降雨強度80mm/hr 示意圖…………………….……………….91

表目錄
表2-2.1評估後人工降雨機重要特性表(摘自范正成,1991)…………………….……………….10
表2-2.2國內外室內土壤沖蝕試驗尺寸規格綜整列表(摘自 楊凱翔,2017)…………………….……………….18
表2-3.1土壤沖蝕程度之分級標準 (摘自水土保持手冊,2005)…………………….……………….23
表2-3.2 USLE各項參數簡介…………………….……………….24
表2-3.3 土壤參數對照表 (摘自 水土保持手冊,2005)…………………….……………….26
表2-3.4 C值對照表(摘自 水土保持手冊,2005)…………………….……………….27
表2-3.5不同量測尺度的土壤沖蝕量測對象及量測儀器分類表…………………….……………….32
表3-1.1室內人工降雨土壤渠槽元件表(摘自 楊凱翔,2017)…………………….……………….36
表3-1.2原設計草圖新增或修改對照表…………………….……………….36
表3-2.1儀器主體構架配置表…………………….……………….38
表3-2.2人工降雨系統配置表…………………….……………….40
表4-1.1試驗裝置架設及組裝作業程序表…………………….……………….51
表4-2.1試驗裝置人工降雨率定作業程序…………………….……………….65
表5-1.1試驗項目配置表…………………….……………….75
附錄目錄
降雨高度1.2公尺全開配置試驗記錄…………………….………………..99
降雨高度1.2公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….117
降雨高度1.8公尺全開配置試驗記錄…………………….……………….135
降雨高度1.8公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….153
降雨高度2.4公尺全開配置試驗記錄…………………….……………….171
降雨高度2.4公尺半開配置試驗記錄…………………….……………….189


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