地下堰體對集水廊道取水影響之研究

Influence of Underground Weir on Water Withdrawal of Infiltration Gallery

朱哲廷(Che-Ting Chu)

指導教授 ： 徐年盛

國立臺灣大學/工學院/土木工程學研究所/碩士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201602889

摘要

集水廊道為設置於河床下礫石層汲取地下水的水工結構物，優點為水質清澈且全年可穩定取水。若於集水廊道下游建立一地下堰體，除了可避免河床過度淘刷導致集水廊道基腳遭沖毀並延長集水廊道的壽命外，亦可抬升集水廊道附近之地下水位，進而增加集水廊道出水量。本研究旨在探討建立地下堰體對集水廊道取水量以及附近地下水位之影響，以隘寮溪隘寮堰研究區域觀察建立地下堰體與集水廊道前後之水位變化，並藉由存在集水廊道的林邊溪二峰圳研究區域，配合數值模式率定、成本經濟分析以進行地下堰體與集水廊道之最佳埋深優選。
本研究首先利用一虛擬設計案例分別將集水廊道與地下堰體概念化，以確認利用FEMWATER模式進行數值模擬時之邊界條件設定方式，並分別探討各種地下堰體與集水廊道配置情況下，集水廊道附近地下水位變化情況之合理性。接著蒐集隘寮堰附近實測資料，建立現地的FEMWATER地下水流數值模式，然後利用所建立之模式進行三項數值試驗，包括：(1)隘寮堰建立前，(2)隘寮堰建立後以及(3)隘寮堰及集水廊道同時建立，以上述三組試驗觀察集水廊道與地下堰體附近之地下水位變化情形，同時探討於已有地下堰體之條件下，集水廊道配置方向與出水量的關係。確認建立地下堰體可抬升上游地下水位後，蒐集林邊溪二峰圳相關資料進行集水廊道數值模式之建立與率定；接著進行二峰圳集水廊道與地下堰體之成本效益分析，並將地下堰體加入模式模擬，最後分別以地下堰體與集水廊道之埋深為決策變數、最大營運淨效益為目標函數，進行下列兩組案例之分析：(1)已有二峰圳，增設地下堰體，以及(2)現地未有工程構造物，同時建立地下堰體與集水廊道。
研究結果顯示：(1)由虛擬案例結果得知本研究結合FEMWATER模式、地下堰體以及集水廊道所設定之邊界條件可合理模擬地下水位之變化情況；(2)由FEMWATER模式建立隘寮堰附近地下水模式之數值試驗結果可知建立隘寮堰後可有效提升堰體上游之地下水位，同時可知集水廊道與地下堰體之擺設方式可影響集水量之大小，其中集水廊道設置與地下堰體平行之集水量為36,147(噸/日)較與地下堰體垂直之集水廊道多；(3)當二峰圳已存在時，增設地下堰體且底部埋深至地下17.3公尺時為最佳設計，營運20年之淨效益年值為302.2百萬元；另外假設現地無任何構造物，同時建立地下堰體與集水廊道時，集水廊道埋深18.6公尺、地下堰體埋深21.5公尺為最佳設計，營運20年之淨效益年值約為513.0百萬元。

關鍵字

集水廊道 ； 地下堰體 ； FEMWATER ； 優選模式 ； 二峰圳 ； 隘寮堰

並列摘要

Infiltration gallery is an artificial structure installed below the riverbed including perforated in gravel to collect subsurface runoff in riverbed. The main advantage of the infiltration gallery is stably supplying clean water. If we build an underground weir downstream of infiltration gallery, in addition to avoiding riverbed erosion and extend the life of the infiltration gallery, it can also raise groundwater level around the infiltration gallery and increase water-intake from infiltration gallery.
The aim of the research is investigating the influence of underground weir on infiltration gallery, and focused on groundwater level and water-intake. First, this study design a simple case and conceptualize infiltration gallery and underground weir to confirm that the usability of boundary conditions set in FEMWATER numerical model, and then discusses the rationality of the variation of groundwater level around infiltration gallery by setting different configuration of infiltration gallery and underground weir. Second, this study collected observations about Ai-Liao weir to establish a numerical model of groundwater flow, and then use the established model to conduct three numerical tests, including: (1) Before Ai-Liao weir built, (2) After built Ai-Liao weir and then (3) Built Ai-Liao weir and infiltration gallery. After the groundwater level risen by underground weir has been confirmed, this study collected observations about Er-Feng infiltration gallery to establish and calibrate a numerical model of groundwater flow. Finally, this study use the model has been calibrated to establish an optimization model. The objective of the optimization model is the maximum annual value of net benefit. The decision variables including the depth of infiltration gallery and underground weir.
The results shows: (1) By a virtual case study results that this study combined FEMWATER mode, underground weir and infiltration gallery boundary conditions setting can be reasonably simulated groundwater level changes; (2) The test results from the FEMWATER numerical model of groundwater in Ai-Liao weir shows that groundwater level upstream of the Ai-Liao weir has risen after built Ai-Liao weir and the location of infiltration gallery has effect on water intake from infiltration gallery; (3) When Er-Feng infiltration gallery has built, the annual value of net benefit is 302.2 million and the optimal depth of weir is 17.3m. If there is no structure in the wild, the annual value of net benefit is 513.0 million, the optimal depth of infiltration gallery and underground is 18.6m and 21.5m.

並列關鍵字

Infiltration gallery ； Underground weir ； FEMWATER ； Optimization ； Er-Feng irrigation system ； Ai-Liao weir

參考文獻

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