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1、1877 非浸沒非浸沒植生群植生群密度對密度對周圍周圍底床沖淤影響底床沖淤影響之試驗研究之試驗研究詹勳全詹勳全1 黃胤慈黃胤慈2 彭志雄彭志雄3 摘摘 要要天然河道常存在河濱植生，植生若生長茂密將阻礙水流致使通水面積減小，進而造成底床型態產生變化，底床之沖刷與淤積改變會影響河道的穩定性，因此河濱植生之密度對河床沖淤之影響為水力學中重要之議題。本研究以室內渠槽試驗探討高莖植物在高灘地存在對附近河床沖淤的影響，比較不同密度模型植生之底床沖淤影響差異。考量河濱植物通常生長於河岸，試驗過程將植生佈置於試驗渠槽之單側邊壁，試驗入口流速趨近試驗泥砂之啟動流速，以雷射測距儀量測平衡型態之底床沖淤變化。 試驗
2、植生密度設計為 0.03 、0.04、 0.05、0.07 、0.09、 0.12、0.15、0.22 及 0.3，另進行剛性不透水試驗組做為參考比較對象。分析結果顯示密度 0.03 到0.12 時，無因次化的沖刷坑特徵長度 D 變化範圍介於 1.30-1.50 間，無因次化的沖刷坑特徵長度 A 變化範圍介於 0.94-1.27 間，無因次化的沖刷坑特徵長度 B 變化範圍介於 1.11-1.48 間，無因次化的沖刷坑特徵長度 C 變化範圍介於 1.05-1.42 間，無因次化的堆積丘的寬度 E 變化範圍介於 1.18-1.67 間 ， 無因次化的堆積丘特徵長度 F 變化範圍介於 0.49-1.
3、81 間 ， 特徵長度 A、B、C、D 及 E 具有高度線性相關；密度 0.15 到 0.3 沖刷和堆積型態類似於不透水模型墩柱，沖刷坑由墩柱正前方向渠道中心側沖刷，受邊壁影響呈現半馬蹄形沖刷坑，堆積都是從沖刷坑要結束處開始形成。 (關鍵詞關鍵詞：實驗、水流、植生、沖刷) Experimental Study on Flows Induced Scour around Emergent Vegetation Zone with Different Densities Chan, Hsun-Chuan(1) Huang, Yin-Tzu(2) Jhih -Syong Peng(3) Associ
4、ate Professor1, Master Student2, Ph.D3,Department of Soil and Water Conservation, National Chung Hsing University, Taichung 402, Taiwan and Deputy Director, Central Region Water Resources Office, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs. 1副教授，國立中興大學水土保持學系（通訊作者 Email: hcchannchu.edu.tw）2碩
5、士生，中興大學水土保持研究所 3博士生，國立中興大學水土保持學系；副局長，經濟部水利署中區水資源局水土保持學報 48 (4): 18771894 (2016) Journal of Soil and Water Conservation, 48 (4): 18771894(2016) 1878 ABSTRACT In the natural rivers, woody vegetation commonly grows along the riverbank. When flows run through the vegetation zones, the stream processes a
6、re markedly affected. This study experimentally investigated the flows induced scour around the vegetation zone with different densities. Since vegetation grows along the nature bank, the model vegetation was arranged along one side of the experimental flume. The experiments were expected to simulat
7、e the near bank scour in the jointed effects of vegetation and flow. Model vegetation was simulated by the steel columns in the emergent flow conditions. The experimental flow was steady and flow velocity and was adopted to close to the initiation of sediment motion. The bed morphology of equilibriu
8、m scour condition was measured by a Laser Distance Meter in the cases of vegetation density equal to 0.03, 0.04, 0.05, 0.07, 0.09, 0.12, 0.15, 0.22, and 0.3. The results showed, while the vegetation density ranging from 0.03 to 0.12, the dimensionless characteristic length D ranges between 1.301.50;
9、 the dimensionless characteristic length A ranges between 0.941.27; the dimensionless characteristic length B ranges between 1.111.48; the dimensionless characteristic length C ranges between 1.051.42; the dimensionless characteristic length E ranges between 1.181.67 and; the dimensionless character
10、istic length F ranges between 0.491.81. It was also showed the dimensionless characteristic lengths A, B C, D, and E are high-positive correlation to the vegetation density respectively. Moreover, the flows induced scour around the vegetation zone extended to the main channel while the vegetation de
11、nsity ranging from 0.15 to 0.3. (Keywords: Experiments; Flows; Vegetation; Scour)前言前言 高灘地乃河道低水河槽岸頂至堤前坡間之河床，天然河道之高灘地常有植生生長，常水量時無水流通過，但當洪水來臨時，河道水流會漫過主河道，溢流至高灘地，因此植生生長茂密將阻礙洪水流致使通水面積減小，進而造成底床型態產生變化，底床之沖刷與淤積改變會影響河道的穩定性。台灣因地狹人稠，河道治理以疏通水流為主要考量，現行河川高灘地種植規範之內容主要針對種植作物進行規範，因此較為嚴謹，若以生態景觀綠美化為考量的時候，其規範之植生密度相對較低，
12、很難做到景觀和遮蔽效果，較難達到近自然之河濱植生型態。河濱植生可有效增加動物的棲息地，作為動物由陸域移動至水域之移動通道，更是許多魚類的避難場，有鑑於人民生活水準提高，詹勳全、黃胤慈、彭志雄： 非浸沒植生群密度對周圍底床沖淤影響之試驗研究1879 減災同時還要重視環境生態以及生活環境品質，本研究以水槽試驗之方式嘗試了解河濱之高莖植物對與底床沖淤的影響，寄望研究成果可以做為未來規劃設計河濱公園綠帶、人造護岸加入植生綠美化時，河濱植生群落營造對河道水力特性影響之參考。 河濱植生可概分為浸沒與非浸沒兩種型態，水流經過低莖植物之浸沒植生時，因為植生莖葉之柔性，而產生倒伏現象，植生莖葉於水流中貼近河床；
13、而當水流經過高莖之非浸沒植生時，植生無倒伏現象產生，其莖部附近之水流型態有如通過剛性圓柱群一般。洪水水流漫到高灘地時，天然高灘地漫生低莖與高莖植物，低莖植物於浸沒過程易被水流沖倒或沖走，應較無阻礙水流之疑慮，然高莖植物可承受部分的水流阻力，挺立於水流中，故有阻礙水流之疑義。雖然植生對生態、水質改善和環境綠美化都有很大的成效，但植生存在降低通水斷面、阻擋水流流速，易造成水流局部紊動引起底床沖刷等現象，然對河道岸壁而言，岸壁附近的水流剪力卻因而降低，有減緩岸壁沖刷之功效，有此河岸植生之存在對底床沖刷與河壁穩定之影響並非絕對，所以有必要在之間取得其平衡。 本研究以試驗方式觀測水流通過植生群，底床沖淤
14、型態受到植生群影響的改變，探討底床沖淤變化與植生密度之間的關係，透過雷射測距儀量測實驗平衡後沖淤地形，分析沖刷坑和堆積丘特徵尺寸隨著植生密度變化之情形。 前人研究前人研究 河川植生導入除可改善水質、增加環境美化外，有環境維護功效，如：調節氣溫、淨化空氣、防噪音及防風等；此外，植物之透水性可使河川內物種保有棲息地，對河川生態環境之營造有其正面效。然而，植生存在會減少通水斷面，並衍生之洪水氾與河道沖刷，欲評估其淨影響因素頗為複雜，但以河川生態棲地營造為目標，植生導入確實有其必要性(Brookes and Shields, 1996)，以往對於河岸植生之研究頗多，散佈於景觀、生態、水文與水理等相關領
15、域，本研究以試驗方式探討底床沖淤型態受到植生群之影響，以下乃針對植生水理試驗相關之前人研究加以分析與討論。 1.1.植生模型之試驗材質植生模型之試驗材質以往用於水理試驗之植生模型材質種類繁多，研究者多考慮試驗條件及模擬之現場狀況決定所採用的模型材質類型，其中可蓋分為剛性、柔性、以及真實植生進行水理試驗。Wu等人(1999)提出非柔性植物較柔性植物產生較大水阻，且柔韌性植物阻係隨植物硬低而減小。楊等人(2005)之研究則以塑膠管、鴨毛和假草模擬喬木、灌木等大型多年水土保持學報 48 (4): 18771894 (2016) Journal of Soil and Water Conservati
16、on, 48 (4): 18771894 (2016) 1880 生木本植物與低矮草本植物，同時生長情況下高灘地水流紊動之特性，並使用聲波都普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry, ADV)量測三維瞬時流速，透過分析流速分布及紊動強度等資料，比較有無植生存在之水理特性差異。Nepf (1999)於室內試驗以剛性圓柱模型來模擬植生，用三維 ADV 和二維 ADV 量測分析剛性植物在渠道中的阻力及紊流擴散特性，試驗求得阻力係數與植物密度的試驗變化曲線，探討植物區紊動能的特性，其分析結果得知渠道植生區中紊流強度受植生形狀影響，由於渦流強度的減小造成紊動擴散減少，但紊流強度卻可能增加。 由前述研究結果分析可發現，以剛性材料模擬植生時，前人研究使用木棒或鋼棒直立在水中，忽略莖葉之影響；柔性材料多以塑膠片來模擬植生，水流通過形成擺盪，造成的水流型態與剛性植生有很大的差異；以真實植生進行渠道試驗時，由於試驗比例尺縮尺問題難以達成，所以較少出現於前人之研究中。 2.2.
