泥沙運行學

序言

Chapter 1　緒論

Chapter 2　泥沙及渾水的性質
2.1 泥沙的顆粒特性
2.1.1 粒徑大小的重要性
2.1.2 粒徑的量測
2.1.3 泥沙的分類
2.1.4 泥沙的形狀
2.1.5 泥沙的礦物組成
2.1.6 泥沙的沉降速度
2.2 泥沙的群體特性
2.2.1 粒徑分布
2.2.2 代表粒徑
2.2.3 粒徑分布參數
2.2.4 常態分布
2.2.5 對數常態分布
2.2.6 泥沙孔隙率與單位重
2.2.7 泥沙滲透率
2.2.8 泥沙的安息角
2.3 泥沙粒徑調查
2.3.1 採樣孔粒徑調查分析方法
2.3.2 表面粒徑調查分析方法
2.4 渾水的性質
2.4.1 含沙濃度的表達方式
2.4.2 體積濃度與重量濃度之關係
2.4.3 渾水的流變特性
習題
名人介紹：沈學汶
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 3　泥沙的沉降速度
3.1 球體的沉降速度
3.1.1 等速沉降速度關係式
3.1.2 雷諾數與黏滯度
3.1.3 流體阻力係數
3.1.4 低雷諾數時之沉降速度
3.1.5 高雷諾數時之沉降速度
3.1.6 中雷諾數時之沉降速度
3.2 沉降速度之經驗公式
3.2.1 半理論經驗公式
3.2.2 Rubey經驗公式
3.2.3 竇國仁經驗公式
3.2.4 沙玉清的經驗公式
3.2.5 程年生的經驗公式
3.2.6 郭俊克的經驗公式
3.3 影響顆粒沉降速度的因素
3.3.1 顆粒形狀對沉降速度的影響
3.3.2 亂流對沉降速度的影響
3.3.3 邊界對沉降速度的影響
3.3.4 含沙濃度對沉降速度的影響
3.4 圖解法求沉降速度
3.4.1 有阻力係數與雷諾數之關係曲線時
3.4.2 有阻力係數與雷諾數之關係方程式時
3.5 球體沿傾斜渠床運動之阻力係數
3.6 瞬時沉降速度
3.6.1 瞬時沉降關係式
3.6.2 細顆粒瞬時沉降速度
3.6.3 粗顆粒瞬時沉降速度
3.7 由因次分析推求沉降速度
3.8 沉降速度的迴歸公式
習題
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 4　河道水流基本方程式
4.1 流態分類
4.2 流體運動基本方程式
4.2.1 連續方程式
4.2.2 運動方程式
4.2.3 二維淺水流方程式
4.2.4 一維淺水流方程式
4.3 單向均勻流
4.3.1 層流
4.3.2 紊流
4.3.3 對數流速分布公式
4.3.4 對數分布積分常數
4.4 一維單向渠流
4.4.1 水力半徑
4.4.2 平均流速公式
4.4.3 達西阻力係數
4.4.4 曼寧係數
4.4.5 平均渦流黏滯係數
習題
名人介紹：楊志達
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 5　泥沙運動的基本概念
5.1 床面泥沙顆粒受力情況
5.2 泥沙運動形式
5.2.1 泥沙運動形式分類
5.2.2 推移質及懸移質的相對重要性
5.3 推移質和懸移質的差異
5.4 床沙質和沖瀉質
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 6　沙波運動
6.1 沙波形態分類
6.2 沙床形態與水流阻力
6.3 沙洲（Bars）
6.4 影響河床形態之主要參數
6.5 沙波特性與水流及泥沙條件之關係
6.5.1 沙紋階段
6.5.2 沙丘階段
6.5.3 沙波尺寸與輸沙率
6.6 沙床形態發展之古典理論分析
6.6.1 固定流量及均勻渠寬
6.6.2 固定流量但渠寬有變化
習題
名人介紹：錢寧
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 7　河道水流阻力
7.1 水流能量的轉換過程
7.2 水流阻力類別
7.3 水流阻力關係式
7.4 河岸與河床阻力
7.5 河道水流阻力分析
7.6 玻璃水槽阻力分析
7.7 沙粒與沙波阻力
7.7.1 平整河床表面阻力
7.7.2 沙波阻力
7.7.3 Einstein-Barbarossa方法
7.7.4 Vanoni-Brooks方法
習題
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 8　泥沙起動臨界條件
8.1 泥沙起動的隨機性
8.2 泥沙起動定量分析
8.3 泥沙起動臨界剪應力
8.4 泥沙起動臨界水流速度
習題
名人介紹：甘迺迪
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 9　推移載分析
9.1 DuBoys 輸沙公式
9.2 Shields 推移載輸沙公式
9.3 Meyer-Peter 推移載輸沙公式
9.3.1 1934 年推移載公式
9.3.2 1948 年推移載公式
9.4 Schoklitsch 推移載輸沙公式
9.5 Bagnold 推移載輸沙公式
9.6 愛因斯坦推移載輸沙公式
9.6.1 愛因斯坦的泥沙運動基本理論
9.6.2 推移載輸沙公式推導概要
9.7 愛因斯坦公式與 Meyer-Peter 公式之比較
習題
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 10　懸移載分析
10.1 泥沙擴散方程式
10.2 垂直一維渾水含沙濃度分布
10.3 勞斯泥沙濃度分布公式
10.4 懸浮載輸沙公式
10.5 懸浮載平均濃度
10.6 細泥沙懸浮載輸沙公式
10.7 愛因斯坦積分函數推估
10.7.1 級數解法
10.7.2 多項式迴歸公式法
10.7.3 使用Mathematica計算軟體求解
習題
名人介紹：愛因斯坦
參考文獻及延伸閱讀

Chapter 11　總輸沙量分析
11.1 均勻泥沙總輸沙量計算
11.1.1 愛因斯坦輸沙公式
11.1.2 貝格諾德輸沙公式
11.1.3 沈學汶輸沙公式
11.1.4 楊志達輸沙公式
11.2 非均勻泥沙遮蔽效應
11.3 非均勻泥沙總輸沙量計算
11.3.1 愛因斯坦輸沙公式
11.3.2 愛因斯坦河床質總輸沙量的分析步驟
11.3.3 愛因斯坦在泥沙學上的主要貢獻
11.4 吳偉明輸沙公式
11.5 結語
習題
參考文獻及延伸閱讀
 

序

　　泥沙運行學是研究泥沙在流體中沖刷搬運和沉積的規律。和泥沙運移相關的問題非常廣泛，包括集水區泥沙沖蝕與生產、河道沖刷與淤積、水庫淤積與排沙、河口與海灘沖淤變遷、海岸漂沙等等。泥沙運動具有高度的複雜性，在觀測上也非常困難，在基本觀念上仍然存有許多不同的看法，因此泥沙運行學是一門非常重要但不容易學習的知識。

　　筆者於 1982 年在臺灣大學土木研究所就讀時，承蒙恩師盧衍祺及林銘崇教授的指導，開始學習河道輸沙及海岸漂沙的相關知識，進行水槽實驗探討波浪作用下沙波之特性，於 1984 年完成碩士論文。服完兩年兵役後，回到臺大土木系擔任助理，在林銘崇及楊德良兩位教授指導下進行濁水溪河口淤沙問題之研究，期間也曾經向當時剛從美國愛荷華大學畢業回國任教的李鴻源教授學習泥沙運行學。1988 年幸運獲得教育部公費補助到美國加州大學柏克萊校區攻讀博士學位，在美國工程院士沈學汶教授（Prof. Shen, Hsieh-Wen）的指導下學習河道輸沙專業知識；就讀期間協助沈教授執行美國地調所（USGS）之委託計畫，因而有機會向美國地調所陳振隆博士（Dr. Chen, Cheng-lung）學習土石流知識。1992 年完成博士學位後，回國到成功大學水利系服務，繼續從事河道輸沙與土石流的教學與研究工作；服務期間經常受惠於系上同事蔡長泰及謝正倫教授的指導，讓筆者有更多機會了解河道輸沙與土石流方面的問題。

　　有鑒於泥沙運動的複雜性，泥沙運動存在許多不同的看法，同一個問題也有許多不同的理論及經驗公式，不利於初學者的學習。因此，筆者想以河道泥沙為對象，將多年來在研究所的教學講義及研究成果彙編撰寫成冊，希望以簡單易懂的方式介紹河道泥沙的基本性質、泥沙在水裡的沉降速度、水流的基本特性、泥沙起動規律、沙波運動、水流阻力、推移質及懸移質運動等等與泥沙輸沙相關的知識。本書在編寫過程中力求深入淺出、簡單易懂，相關公式的推導盡量詳細清楚些，以利於大學以上具有理工背景的學生學習，甚至也可以自修學習。書中的內容當然也可提供給實務工程師作為泥沙問題分析之參考。此外，書中有許多的示意圖是筆者研究室助理鄧鈺潔小姐及其他學生協助完成的，特此誌謝。由於作者知識有限，書中不足或缺漏之處在所難免，敬請惠予指正。