【水理分析是什麼】章河川洪水流之水理分析 |第伍章河川水理特性分析 |

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近年來受極端氣候影響,強降雨發生,造成大規模崩塌、堰塞湖潰堤、土石流及洪水複合型災害。

HEC-RAS模式能執行一維和二維河道水理計算,包含定量流(steady flow)計算、變量流(unsteady flow)計算和動牀輸砂計算(mobile bed sediment transport),以及亞臨界流、超臨界流及混合流之水面剖線演算模式。

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堰塞湖形成時因受到各種條件限制,第一時間發現,且存在時間無法確切掌握,潰堤,大量土砂伴隨洪水,周圍環境及下游地區造成危害。

目前有許多研究使用HEC-RAS模式於建置潰壩模擬及其所造成洪水演算,因為HEC-RAS可提供且計算模擬演算(Brunner 2014; Brunner 2016),並提供及結果(Boussekine and Djemili 2016; Butt et al. 2013; Ehsan et al. 2017; Jung and Kim 2017; Xiong 2011; Zhang et al. 2010; 吳振佑 et al. 2019; 林家興 et al. 2019)。
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HEC-RAS模式能執行一維和二維河道水理計算,包含定量流(steady flow)計算、變量流(unsteady flow)計算和動牀輸砂計算(mobile bed sediment transport),以及亞臨界流、超臨界流及混合流之水面剖線演算模式。

使用HEC-RAS模式模擬天然壩體潰決後下游地區影響,應用HEC-RAS二維水理分析,HEC-RAS二維變量流水理(unsteady flow hydraulic)控制方程式是藉由簡化納維-斯托克斯方程式(Navier – Stokers equations)而來,並假設流體不可壓縮(incompressible flow)、靜水壓力(hydrostatic pressure)以及密度(uniform density) (Brunner 2016)。

HEC-RAS二維模式,包含二維聖維南方程式(Saint Venant of the Shallow Water Equation)及二維擴散波方程式(Diffusion Wave Approximation)此兩種方程式(Brunner 2016),使用者可以選擇使用淺水波或擴散波方程式進行二維模擬計算,HEC-RAS二維之控制方程式水波方程式進行説,其及動量方程式如下:其中H=h+z水位,h水深,z底牀高程,t時間,u和vx和y其中g重力加速度,渦流滯係數,牀底摩擦係數,為科氏力參數。
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使用者能BigGIS頁面瀏覽水土保持局針案例執行HEC-RAS潰壩模擬結果,是模擬過程中時間序列圖檔疊加,動畫方式呈現。

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延伸閱讀…

第5 章河川洪水流之水理分析

HEC-RAS水理模式分析

使用HEC-RAS模式可潰壩情境進行模擬,如圖3和圖4所示,改變壩、潰壩延時,潰口堰流係數參數,模擬各種可能潰壩情形。

發現堰塞湖形成,潰壩情形下,使用HEC-RAS潰壩型態進行模擬,考慮壩體幾何參數、潰壩延時及堰流係數三者設定,使得HEC-RAS模式能時間內計算出潰決流量、下游淹水範圍、洪峯到達時間和流速模擬成果,於評估下游保全對象影響及擬定災害策略有幫助。
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使用者能BigGIS頁面瀏覽水土保持局針案例執行HEC-RAS潰壩模擬結果,是模擬過程中時間序列圖檔疊加,動畫方式呈現。

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第伍章河川水理特性分析

HEC-RAS水理模式2D模組介紹及應用

如圖5所示,BigGIS首頁上方模式分析中,點選HEC-RAS水理模擬模式,選擇案例,使用者可以修改動畫播放速度和取樣,如果速度輸入2,取樣輸入10,表示該案例模擬過程所有時間序列圖檔每10張取樣,然後每秒2張速度播放。

使用者可以將模擬成果進一步搭配BigGIS上現有圖資資訊(圖6)例如土石流潛勢溪流、土石流潛勢溪流集水區和影響範圍、大規模崩塌潛勢區、歷年災害資訊、歷年發生過堰塞湖區域以及各時期的衞星影像,此外BigGIS地圖輔助工具能圖層上呈現方位線、等距圈,其中扇形工具可用來估算崩塌面積(圖7)。

結合BigGIS圖層資訊以及地圖工具,預期可以HEC-RAS潰壩模擬成果做深入分析以及應用,於未來堰塞湖災害評估應變能達到效果。

1. Boussekine, M., and Djemili, L., (2016). “Modelling approach for gravity dam break analysis.” Journal of Water and Land Development, No. 30, 29-34.2. Brunner, G. W. (2014). “Using HEC-RAS for Dam Break Studies.” US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), TD-39, 74.3. Brunner, G. W., and CEIWR-HEC (2016a). “HEC-RAS, River Analysis System, 2D Modeling User’s Manual Version 5.0.” US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), CPD-68A, 171.