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主題研究報導:粗顆粒底床上波狀水流引起之伏流交換

2020-09-25 研究亮點 返回上一頁

本所特約研究員吳富春教授近期發表研究成果「粗顆粒底床上波狀水流引起之伏流交換」(Hyporheic exchange under undular flows over a coarse granular bed)於Geophysical Research Letters期刊,該研究採用折射率匹配(Refractive-index-matched, RIM)之液體與粗顆粒底床,進行波狀流水槽實驗,使用雷射同步掃描床面上、下流場,利用高速攝影與粒子追蹤測速技術求得流場之流速分布,並利用空間積分求得流場之動壓分布。

淺瀨為常見之礫石溪流地貌,提供優質棲地環境,其水理特色為波狀流(即明渠流疊加駐波)。該研究針對粗顆粒底床上波狀流所引起之伏流交換,進行機制探討與定量分析。研究結果顯示,波狀流所引起之駐波泵送流對於增進伏流交換與活化淺瀨棲地具有重要實質效益。研究成果介紹詳見圖1至圖3、影片1說明,全文已收錄於Geophysical Research Letters, 47, e2020GL089114. https://doi.org/10.1029/2020GL089114

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淺瀨為常見之礫石溪流地貌(圖A),提供優質棲地環境,其水理特色為波狀流(即明渠流疊加駐波)。本研究針對粗顆粒底床上波狀流所引起之伏流交換,進行機制探討與定量分析。

本研究採用折射率匹配(Refractive-index-matched, RIM)之液體與粗顆粒底床,進行波狀流水槽實驗(圖B),使用雷射同步掃描床面上、下流場,利用高速攝影與粒子追蹤測速技術求得流場之流速分布,並利用空間積分求得流場之動壓分布。

 

 

影片1

床面上、下速度場之側向掃描動畫。側向掃描分為32個切片(每片厚度為1 mm),影片呈現各切片之時間平均速度場。

 

 

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床面上、下流場之時空雙平均結果(圖A)。時空雙平均為側向32個切片時間平均流場之空間平均,黑色實線為穿越床面之伏流流線。

床面上自由液面流之雙平均動壓場(圖B),圖中顯示正、負動壓區係跟隨駐波交替出現。

 

3

駐波區自由液面流之垂直流速變化與動壓垂直梯度呈現顯著關聯性(圖A),床面之垂直流速方向變化代表伏流進出底床、進行伏流交換。

床面伏流速度之水平梯度與動壓垂直梯度呈現最高相關性(圖B),其餘各項因素(對流加速度、黏滯應力、紊流應力、形貌應力)僅扮演次要角色。

使用低通濾波器可將床面動壓垂直梯度分解為駐波尺度(圖C)與底床顆粒尺度(圖D)兩個主要成分,其中底床顆粒尺度之動壓梯度係起因於相鄰顆粒間分離流與再附著流所造成之近床動壓變化(圖E)。駐波尺度與底床顆粒尺度之動壓梯度分別為引起駐波泵送流(圖F)與顆粒泵送流(圖G)之驅動力。駐波泵送流平均約占自由液面流之4%,顆粒泵送流約占駐波泵送流之10%,駐波泵送流所占比例隨自由液面流之流量增大而益形增加。研究結果顯示,波狀流所引起之駐波泵送流對於增進伏流交換與活化淺瀨棲地具有重要實質效益。