應用規則網格演算於土石遷移模擬之研究─以溪頭為例

• Main Authors: 張芳銘, Chang, Fang-Ming
• Other Authors: 林銘郎, 臺灣大學：土木工程學研究所
• Format: Thesis
• Language: Chinese; English
• Published: 2005
• Subjects: 規則網格; 土石遷移; regular grid; migration; Journal of Glaciology
• Online Access: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/50058; http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50058/1/ntu-94-R92521105-1.pdf

土石流起因於上游崩塌，瞭解豪雨事件土石遷移之過程為當前極為重要的課題。近幾年在模擬複雜災害之現象已漸漸走向簡化、快速與自動化，而GIS網格式的資料結構正提供非常合適的平台，因此本研究嘗試以較簡化之理論模式結合自行撰寫之Fortran程式，使網格自動依規則進行相互運算。而本研究方法係根據前人反算出之安全係數分佈，藉由不穩定力平衡機制推估驅動之土石，並配合現地地形條件，提出一套參數較少、適用於廣域分析之土石驅動-移動-流動模式，期望對於崩塌區位、量體至土石流動範圍等做合理之模擬。 研究內容先針對本研究建立的各種模式(包括網格最小安全係數平衡─驅動模式、土石移動模式與土石流動模式)進行原理說明及驗證，之後將此模式應用於溪頭三號坑與鹿寮坑，並利用現地災況進行參數率定。研究結果顯示此模式對於土石之遷移現象有不錯的模擬效果，其最大的優勢為反算參數較少，對於災前預測或災後分析上均有所助益。利用Fortran程式輔助使網格間具有相互關係，並自動根據給定之規則進行運算，除可改善GIS軟體空間分析之能力，另具有自行調整分析方式與擷取資料之便利性，對於未來進階研究極具有參考價值。 摘要………………………………………………………………………Ⅰ 目錄………………………………………………………………………Ⅱ 圖目錄……………………………………………………………………Ⅴ 表目錄……………………………………………………………………XI 第一章 緒論…………………………………………………………1 1.1 前言………………………………………………………………1 1.2 研究動機與目的…………………………………………………1 1.3 研究內容概述……………………………………………………3 1.4 研究區域概述……………………………………………………4 第二章 文獻回顧……………………………………………………6 2.1 豪雨引致之山崩…………………………………………………6 2.2 以GIS網格運算評估邊坡之穩定性…………………………….7 2.3 邊坡不穩定力平衡相關研究……………………………………10 2.4 數值模擬土石流動相關研究……………………………………11 2.4.1 以流變模式為基礎…………………………………………11 2.4.2 以規則網格相互運算為基礎………………………………12 2.4.3 以動量方程式為基礎………………………………………13 第三章 研究方法……………………………………………………19 3.1 研究方法簡介……………………………………………………19 3.1.1 極限平衡法之無限邊坡理論………………………………19 3.1.2 規則網格演算法……………………………………………20 3.1.3 數值地形資料之輔助………………………………………21 3.2 研究工具簡介……………………………………………………21 3.2.1 地理資訊系統………………………………………………21 3.2.1.1 地理資訊系統基本架構………………………………22 3.2.1.2 地理資訊系統軟體……………………………………22 3.2.1.3 網格資料庫建立………………………………………23 3.2.2 Fortran程式語言………………………………………….23 第四章 土石遷移模式建立…………………………………………27 4.1 模式簡介…………………………………………………………27 4.1.1 網格最小安全係數平衡模式(石秉根，2004)……………28 4.1.2 想法與討論…………………………………………………28 4.2 網格最小安全係數平衡─驅動模式……………………………29 4.2.1 網格驅動判斷原則…………………………………………29 4.2.2 模式試算……………………………………………………30 4.2.3 程式驗證……………………………………………………31 4.3 土石移動模式……………………………………………………32 4.3.1 網格與土石量體之關係……………………………………32 4.3.2 土石移動方向決定方式……………………………………32 4.3.3 土石停止判斷原則…………………………………………34 4.3.4 模式試算……………………………………………………35 4.3.5 程式驗證……………………………………………………36 4.4 土石流動模式……………………………………………………37 4.4.1 入流點之決定………………………………………………37 4.4.2 模式介紹……………………………………………………37 4.4.3 各參數決定方式……………………………………………39 4.4.4 堆積深度、寬度決定方式…………………………………41 第五章 案例分析與結果討論………………………………………67 5.1 研究區域崩塌特性、模式比較與驅動門檻選定………………67 5.1.1 桃芝風災崩塌特性…………………………………………67 5.1.2 模式比較……………………………………………………68 5.1.3 驅動門檻之選定……………………………………………69 5.2 土石遷移模式應用於溪頭三號坑………………………………70 5.2.1 網格最小安全係數平衡─驅動模式應用…………………70 5.2.2 土石移動模式參數率定與應用……………………………72 5.2.3 土石流動模式參數率定與應用……………………………73 5.3 土石遷移模式應用於溪頭鹿寮坑………………………………75 5.3.1 網格最小安全係數平衡─驅動模式應用…………………75 5.3.2 土石移動模式參數率定與應用……………………………76 5.3.3 土石流動模式參數率定與應用……………………………77 5.4 綜合討論…………………………………………………………78 5.4.1 岩層之臨界崩塌雨量………………………………………78 5.4.2 土石流量歷時曲線概估方式………………………………79 第六章 結論與建議……………………………………………….120 6.1 結論…………………………………………………………….120 6.2 建議與未來改善……………………………………………….121 參考文獻………………………………………………………………122 附錄A 研究區域概述…………………………………………………A-1 附錄B 網格最小安全係數平衡─驅動程式原始碼…………………B-1 附錄C 土石移動程式原始碼…………………………………………C-1 附錄D 土石流動程式原始碼…………………………………………D-1 附錄E ArcGIS-Fortran 資料轉換程式原始碼(1)…………………E-1 附錄F ArcGIS-Fortran 資料轉換程式原始碼(2)…………………F-1 附錄G ArcGIS-Fortran 資料轉換程式原始碼(3)…………………G-1 附錄H ArcGIS屬性資料匯入與匯出…………………………………H-1