集水区整体治理模式及泥砂生产推估量测之研究-集水区治理规划整合

1、逢甲大學營建及防災研究中心 貳、集水區整體治理規劃內容與標準建置 貳、集水區整體治理規劃內容與標準建置2.1 規劃內容及標準建置原則2.1.1 規劃內容建置原則現階段山坡地集水區整體治理規劃工作在保土蓄水及環境保育的指導原則下，實施防災與保育並重、治理(工程措施)與管理(非工程措施)互補的整體治理對策，消除自然環境中諸多的不利因素和致災因子，促進山坡地土地的合理利用和永續經營，以達到治山防災、生態保育、休閒遊憩三合一功能目標之效果。為此，本計畫在建置集水區整體治理規劃內容時，係依據以下原則進行研擬，即：1.以水土保持技術規範第一百四十四條河川集水區整體治理計畫內容作為基本架構。2.集水區整體治

2、理規劃內容之擬定，係依據土石流災害防治、一般土砂災害、工程維護、生態工法及環境景觀綠美化等五種整治目的進行篩選和分類。3.在治山防災與生態保育並重的階段目標下，集水區整體治理規劃內容宜包括集水區概況、水文環境分析、集水區問題分析、治理對策研擬及預期效益評估等五項課題。4.在集水區概況方面，除了集水區名稱、編號、地理位置、面積、範圍、人文、交通、地形、地質土壤、斷層帶分布、氣象水文、土地利用、溪流分布及現況、以往災害及處理情形等基本資料外，尤應重視生態環境及生態工法石材等調查工作。5.在水文環境分析方面，除了傳統的水文和水理分析演算外，對於橋涵斷面檢算、土砂生產量推估、溪床特大粒徑處理等問題亦應

3、提出具體之建議。6.在治理對策方面，除了傳統工程方法外，應逐步提高生態工法及非工程措施的比例。7.效益評估之直接效益分析應擬具量化指標。2.1.2 規劃內容標準化建置原則依照治理規劃內容，本計畫據以研擬其標準化建置原則，茲臚列如下：1.為配合整體治理規劃成果之地理資訊系統建置，除文字敘述外，對於附圖、表格及影像等資料格式應提出一標準模式，以利地理資訊系統之建置。2.集水區概況蒐集與調查工作之標準化建置，應著重於各項工作的內容需求、製表格式、圖形比例尺等。此外，對於各基本資料項目中較不重要或應用性較低者，劃歸為參考項目，以利作業。3.水文環境分析之標準化建置，應以分析方法為主，且製成適當表格以呈

4、現分析成果。4.集水區問題分析及治理對策研擬之標準化建置，應以集水區可能發生之問題進行一般性的描述，而水土保持需要性則應提出具體評估項目分析需要性之高低。5.集水區整體治理規劃內容資訊化建置工作，內容應具簡易性、完整性、普及性及可行性等四大特點，使治理規劃成果查詢、統計、管理及輸出得以順暢。表2.1為水土保持技術規範第一百四十四條河川集水區整體治理計畫內容及本計畫所研提內容之比較。表中，除了依照水土保持技術規範研擬規劃項目及內容外，符號為本計畫建議新增項目。2.2 集水區概況(參考圖2.1)集水區實施整體治理規劃時必須先行蒐集整理相關基本資料，以提供問題研析及對策研擬之用，故資料蒐集和調查內容

5、應包括集水區地文、水文氣象、生態、現況、以往災害原因及處理情形等。表2.1水土保持技術規範與本計畫研提項目及內容比較表技術規範項目及內容本計畫建議項目及內容緣由緣由集水區概況集水區名稱編號位置範圍面積地形地質、土壤氣象水文人文交通土地權屬植被與土地利用現況溪流分布及現況特殊生態環境河床質調查以往災害及處理情形集水區概況集水區名稱編號位置範圍面積地形地勢地質、土壤、斷層帶分布氣象水文人文交通土地權屬植被與土地利用現況河溪分布(含土石流潛勢溪流)與現況生態調查(含溪流物理棲地調查)河床質調查以往災害及處理情形l 崩塌地l 道路現況調查l 河溪石材調查表2.1水土保持技術規範與本計畫研提項目及內容比

6、較表(續)技術規範項目及內容本計畫建議項目及內容水文環境分析演算l 水文分析l 水理分析l 橋涵斷面檢算l 溪床特大礫石處理分析l 泥砂生產量分析及推估集水區問題分析坡面沖蝕崩塌河道沖淤道路排水土石流潛勢溪流集水區問題分析洪水災害坡面沖蝕崩塌地河道沖淤道路排水土石流潛勢溪流水土保持需要性分析水土保持需要性分析治理內容治理目標及對策研擬l 治理目標l 防災區位研擬l 治理優先順序l 治理對策及內容治理與管理及其他配合措施事項治理與管理及其他配合措施事項分期分區治理順序分期分區治理順序工作項目、地點、內容、完成期限治理計畫工作項目、地點、內容、完成期限經費及來源治理經費需求治理規劃使用民地調查集水

7、區整體治理規劃配置圖集水區整體治理規劃配置圖效益評估l 直接效益l 間接效益2.2.1 人文與地文相關項目及內容本項工作係以蒐集治理規劃時所需之基本資料作為主，故除了以文字方式表現其內容外，亦需製作簡圖或表格來補充說明其內容。本項工作內容包括規劃集水區名稱、編號、地理位置、範圍、地形地勢、人文、交通、土壤地質及斷層帶分布等，如表2.2為各項目名稱、內容、除文字外加強說明方式及其建議規格。圖2.1 集水區整體治理規劃之集水區概況2.2.2 水文相關項目及內容水文相關項目包括氣象及水文等兩種類型，其中氣象資料包含有氣溫、相對濕度、蒸發量等，而水文資料則以年平均雨量、一日、二日最大降雨量及最大時雨量

8、等為主，如表2.3所示。表2.2 地文相關資料內容一覽表項目名稱內 容加強說明方式圖形建議規格集水區相關資料集水區名稱集水區編號地理位置圖形1/25,000、1/50,000集水區範圍圖形1/5,000、1/10,000人文行政區域圖形1/5,000或更大人口分布圖形、表格附表1產業產業型態表格附表2交 通道路系統圖形1/5,000、1/10,000、1/25,000地形地勢地文因子表格附表3高程分布圖形1/5,000、1/10,000、DTM分析圖坡度分布圖形1/5,000、1/10,000、DTM分析圖坡向分布圖形1/5,000、1/10,000、DTM分析圖土壤地質土壤圖形1/25,00

9、0地質圖形1/25,000斷層帶分布斷層帶分布圖形1/25,000註1：地文因子係包括集水區面積、集水區周長、集水區長度、平均高程、起伏量、平均坡度、起伏比、集水區寬度、形狀因子、密集度、圓比值、細長比等。2.2.3 生態相關項目及內容生態資料蒐集或調查包括水域及陸域動植物調查、溪流物理棲地調查等工作。資料來源基本上可以參考蒐集水利署、農委會、縣市政府及其他相關公民營研究單位等最新資料，或依規劃需求而自行調查，而調查方法可參考本年度完成之水土保持手冊生態工法篇集水區生態資源調查或水土保持局委辦之野溪生態調查及棲地改善模式之建置計畫(第二年)。惟因不同地區的區域環境生態條件可能有很大的差異，其調

10、查方法及頻度可能略有不同，故本計畫僅列出基本調查方法，以供參採。表2.3水文相關資料內容一覽表項目名稱內 容內容補強方式備註氣象資料月平均氣溫圖形或表格至少十年，且應標示水文站。附表4月平均相對濕度月平均蒸發量水文資料一日最大降雨量表格至少十年，且應標示水文站。附表5二日最大降雨量月平均降雨量最大時雨量2.2.3.1 水域及陸域動植物調查1.植物：蒐集相關資料就植種調查所得確定稀特有種之狀況及歸納稀有等級。並進一步調查族群大小、分布狀況及生存壓力及復育可行性，如表2.4所示。2.動物(參考表2.5)：(1)鳥類：鳥類主要是以沿線調查法為主，調查路線主要區分成溪流兩側與鄰近地區。調查時段將區分成

11、白天及夜間等兩時段。(2)哺乳類：哺乳類主要調查方式有二種，分別為沿線調查法與誘捕法。沿線調查是配合鳥類調查時段，以每小時1.5公里的步行速度配合830雙筒望遠鏡進行調查。誘捕法是以薛氏捕鼠器及台灣製老鼠籠進行捕捉。(3)爬蟲類：爬蟲類是以沿線調查法為主，在溪床、草生地、道路週邊、聚落建築與山區林道等環境中，直接蒐集爬蟲類的活體、蛻皮及路死個體。調查時段將區分成白天及夜間等兩時段。(4)兩生類：兩生類是綜合沿線調查法及繁殖地調查法，在溪床兩側、道路週邊的排水溝與山區林道直接蒐集。(5)魚類：於各測站施放蝦籠，以混合魚餌、炒熟狗食等進行誘引，於置放隔夜後收集籠中獲物，經鑑定後原地釋回。除蝦籠外，

12、並以手抄網及直接目擊等方式調查較深或水勢較急的水域。(6)蝦、蟹等底棲生物：蝦蟹類主要是利用蝦籠進行誘捕，以混合魚料、炒熱狗食及秋刀魚等當誘餌。(7)底棲生物：以改良的Surber samplers (面積5050 cm2；網目250m)，在上述採樣站設置50m的河段，進行水棲昆蟲之採集；採集位置為在急流河段，每次隨機採集3個樣本，每一季在每一站採集一次。在野外將樣本保存於95%的酒精中，攜回研究室進行鑑定與分析。在實驗室內將樣本倒入250m的標準分析篩中，以自來水沖洗，再將樣本倒入透明圓盤中，挑起樣本中的無脊椎動物，並置於75%的樣本瓶中，接著置於解剖顯微鏡下鑑定。2-63 集水區整體治理規

13、劃作業研究及土砂生產量推估模式之建立表2.4 棲地植生特性調查表調查日期： / / 地點： GPS座標 起 X Y 迄 X Y 座標系統：TM67 TM97【陸域】河畔林有無寬闊河畔林寬度大於30m寬河畔林寬度介於1530m中河畔林寬度介於515m狹窄河畔林寬度小於5m【陸域】河畔草原有無寬闊河畔林寬度大於30m寬河畔林寬度介於1530m中河畔林寬度介於515m狹窄河畔林寬度小於5m【水際域】植生歧異度豐富普通稀少缺乏森林、矮灌木林或草原等豐富的植生，為原生天然的植生，成熟的森林及植被呈現缺少一些層次的植生、如森林，但並不影響佈滿植生的廣大區域僅有少數種類植物，係人為栽種的植被這個區域沒有太多

14、的天然植生，且表層缺乏或無植生覆蓋【水際域】植生狀況寬闊寬中狹窄濱河區域寬度大於18m，人類活動不影響到此區域濱河區域寬度在12m18m，人類活動影響到此區域非常小濱河區域寬度在6m12m，人類活動有影響到此區域濱河區域寬度小於6m，由於人類活動濱河區域，植生為沒有或極少【水際域】植生覆蓋率高中低缺乏植生面積/受檢面積超過90%的表面覆蓋。植生面積/受檢面積介於60%90%的表面覆蓋。植生面積/受檢面積介於30%60%表面為植被覆蓋。植生面積/受檢面積少於30%表面為植被覆蓋。表2.5 水域及陸域動物調查表資料蒐集出處： 資料出處時間： 調查日期： / / 地點： GPS座標 起 X Y 迄

15、X Y 座標系統：TM67 TM97 棲地動物物種物種種類特有物種或保育動物動 物陸 棲哺乳類無 有；種類 無 有；物種名稱 鳥類無 有；種類 無 有；物種名稱 陸棲昆蟲無 有；種類 無 有；物種名稱 爬蟲類無 有；種類 無 有；物種名稱 水 棲魚類無 有；種類 無 有；物種名稱 兩棲類無 有；種類 無 有；物種名稱 水棲昆蟲無 有；種類 無 有；物種名稱 螺、貝類無 有；種類 無 有；物種名稱 2.2.3.2 溪流物理棲地調查河溪物理棲地依水流型態分類可分為水潭(pool)、緩流(slow run)、湍流或淺瀨(riffles)、急流(rapids)、岸邊緩流(slack)、迴流(backw

16、ater)等六種流況，而各種流況受河床質與坡度之影響，自然形成不同型態之河溪物理棲地。本項工作調查作業應於每500公尺選取河溪寬度約5倍或50公尺之河段，實施河溪水流型態、河溪寬度均一性、水面寬度與河溪寬度比、河溪寬深比、流況歧異度、河溪蜿蜒度、巨石遮蔽情形及水體水質狀況等調查，如表2.6為棲地環境調查表。表2.6 河溪物理棲地環境調查表(參考項目)調查日期： / / 地點： GPS座標 起 X Y 迄 X Y 座標系統：TM67 TM97河溪水流型態常流溪間歇溪暫時溪終年有水之河溪久旱後才枯竭之河溪降雨後才有水流之河溪河溪寬度均一性低中高河段寬度變化大，且無均一性受檢河段寬度僅有少部分變化受

17、檢河段寬度均為相同，可能為渠道水面寬度與河溪寬度比高中低水面寬/河溪寬度比等於1水面寬/河溪寬度比在0.51水面寬/河溪寬度比小於0.5河溪寬深比高中低b/h 大於30b/h 在1530b/h 小於15流況歧異度豐富普通缺乏在50公尺調查區域內具有4種以上流況型態在50公尺調查區域內僅有23種以上流況型態在50公尺調查區域內只有一種流況型態河溪蜿蜒度高中低無河溪蜿蜒大且河道彎曲多(3個以上)河溪蜿蜒大但河道彎曲不多(2個)河溪蜿蜒小且河道彎曲少(1個)平直的河道，可能為溝渠塊石遮蔽情形高中低無河溪內有許多的塊石(超過30cm)、以及少部分之卵石(530cm)提供魚類、兩棲類及昆蟲藏匿場所河溪內

18、礫石分布大多為1030cm之礫石，超過30cm之礫石數量較少河溪中僅有少量較大(510cm)的卵石、砂礫河溪內無巨石之遮蔽水體水質狀況優等良好普通劣水質非常清澈，且無臭味水質些微混濁且無臭味水質混濁些微變色，略有臭味水質混濁且嚴重變色，具有臭味2.2.4 河床質調查根據水土保持技術規範第37條規定，河床質調查依目的不同而可分為採樣孔粒徑調查及表面粒徑調查兩種方法，前者可提供推求河川輸砂率，或以計算方式推估曼寧粗糙係數時亦可參考採用，而後者則以作為土石流衝擊力設計粒徑為主，惟亦可將調查結果或河道表面粒徑分布狀況，採用周文德氏(V.T.CHOW)以河道照片比對方式決定曼寧粗糙係數。茲分述如下：(一

19、)採樣孔粒徑調查分析方法：1.河床質採樣：採樣孔位置選定在沖淤嚴重河段，過去曾受洪水影響之河床面，每一公里調查一處以上。採樣孔至少為一平方公尺之正方形，深度至少60公分(如遇岩盤左右移動量測)，同時進行野外粗顆粒篩分析，細粒徑以四分法採取樣品攜回室內分析；並記錄採樣孔尺寸，推算採樣體積，記錄最大石徑之尺寸。2.河床質粒徑分析：(1)野外粗顆粒分析：凡大於標準篩3/8吋以上之礫石，分用1吋、1/2吋、3/4吋及3/8吋之方孔篩，於挖掘現場做篩分析，將各篩上停留之礫石分別秤重記錄，大於3吋以上之礫石，則直接使用鋼卷尺量其粒徑並秤重，同時記錄各樣孔之最大石徑。(2)細粒徑分析：通過3/8吋之顆粒，秤

20、總重以四分法檢取約二公斤重之樣品，烘乾秤重，再於室內以標準篩#4、#8、#16、#20、#30、#50、#100、#200號分別做篩分析，將各篩上停留之砂秤重記量，依樣品重與採樣總重之比例，換算各粒徑別之停留重量，再與野外粗顆粒分析結果合併，依各粒徑分別算出其停留百分率及通過百分率。(3)粒徑分析：以顆粒分析結果之粒徑別百分率，繪出各採樣孔之顆粒分布累積曲線，以下列計算式求平均粒徑： (2.1)式中，=平均粒徑，單位；=兩相鄰篩號孔徑之幾何平均值，單位；=篩號停留百分率。表2.7為採樣孔平均粒徑及代表粒徑成果分析表。(二)表面粒徑調查分析方法：1.每五百公尺至少取一處為調查之主斷面，再於主斷面

21、上、下游每間距十公尺，另取二個副斷面，合計共五個斷面，如圖2.2所示。2.每一個斷面以等間隔(或整數距離)之測點，量測在該測點上之泥砂粒徑，每一個斷面以不少於五個測點，測點之間隔不得超過五公尺。3.每一測點量測十公分以上之粒徑，依統計資料繪製粒徑分布曲線圖。4.表2.8為表面粒徑調查結果一覽表。圖2.2 表面粒徑調查斷面選取示意圖(三)河溪石材調查河溪石材調查為因應溪流整治工程以生態工法處理時，所需石材而實施的調查工作，而石材來源係以河床材料為主。採用河床質石材作為生態工法必須著重於石材的粒徑及質地，前者為以河床粒徑表面調查法(參考2.2.4節)統計分析10公分以上可資運用之石材數量，後者則隨

22、機選取石材進行硬度測試包括岩石抗壓強度試驗CNS5367(參見附錄一)、粗粒料磨損試驗CNS3408(參見附錄二)，以瞭解石材質地，惟為配合粗粒料磨損試驗粒徑介於19公厘38公厘之限制規定，故宜採用同材質且粒徑符合規定之粒徑進行試驗。試驗室中磨損率應在25以下為可用石材，抗壓強度應在100；表2.9為石材粒徑和數量調查估算及其材質分析表。一般以採用比重大、硬度高之硬岩及準硬岩石材為之，如安山岩、花崗岩、砂岩，惟為配合景觀、植生等視覺變化亦可配合使用軟岩，如凝灰岩，以收與自然環境融合之功效。石材依工程地區之自然環境而定，原則上以現地產出之石材為主，採集時河床中所採集石材之總量應不超過總需求量之百

23、分之二十，在石材選擇上，應以塊石或楔形石為主，較易堆疊，穩定性也較佳；尚需注意石材之外觀、形態、均勻度、穩定度及色調是否與環境調合等因素。一般而言，溪流整治在排洪安全要求原則下應保持溪流樸素粗獷之形態，減少不必要之人工雕琢，儘量使用與原有自然環境相容之石材，以保留天然溪流之美。2.2.5 計畫區現況調查計畫區域現況資料調查包括土地權屬、植被與土地利用現況、崩塌地、土石流潛勢溪流、道路水土保持現況、溪流分布及現況等項目，如表2.10為上述各項資料內容及其補強方式。2.2.6 以往災害及處理成果蒐集集水區以往災害及其處理成果主要是，為從歷史中取得和累積經驗，以提供可行的治理對策。因此，本項工作除了

24、以文字方式說明以往歷次災害發生時間、發生原因、災損區位及規模、處理情形等外，亦須採用表格、圖形及影像方式予以補強說明工程構造物種類、數量、構築時間、施工單位、經費、位置分布等相關資料，如表2.11以往災害及處理成果一覽表。表2.7 各斷面河床質平均粒徑及代表粒徑成果分析表試坑編號斷面編號平均粒徑(mm)各代表粒徑(mm)最大粒徑(mm)粒徑4.76mm以下砂質含量()D10D20D30D35D40D50D65D75D90表2.8 表面粒徑調查成果一覽表斷面編號主斷面(mm)副斷面(mm)註：1.每一斷面至少需有五個測點，每一測點間距不得超過五公尺。2.本項調查應包含一個主斷面及四個副斷面。表2

25、.9 石材數量及質地分析表斷面編號推估石材數量岩石抗壓強度試驗法粗粒料磨損試驗法試樣最大荷重(kgf)試驗截面面積(cm2)抗壓強度(kgf/cm2)試驗前試樣質量(g)試驗後試樣質量(g)磨損率()平均粒徑10cm30cm30cm60cm60cm100cm1m2m2m以上岩石分類及名稱火成岩深成岩：花崗岩 閃長岩 輝長岩 其他 火山岩：流紋岩 安山岩 玄武岩 集塊岩 凝灰岩 其他 沈積岩碎屑岩：礫岩 砂岩 粉砂岩 頁岩 泥岩其他 非碎屑岩：石灰岩 其他 變質岩葉理岩：片麻岩 片岩 板岩 千枚岩 其他 非葉理岩：大理石 石英岩 蛇紋岩 其他 表2.10 計畫區域現況調查內容一覽表資料名稱資料內

26、容內容補強方式資料來源土地權屬土地權屬分布圖形農委會土地權屬統計表格(附表6)農委會植被與土地利用現況土地利用情形圖形、影像及表格(附表7)農委會、現勘土地利用演變圖形農委會、現勘崩塌地編號、座標、圖號、面積、平均坡度、高程、地層、危險度、土地類別及現況治理情形等圖形、影像及表格(附表8)農委會、現勘土石流潛勢溪流編號、所屬行政區、座標、主流長度、地層、保全對象、溢流點位置、危險等級圖形、影像及表格(附表9)農委會、現勘道路水土保持現況道路名稱、寬度、長度及水土保持處理與維護等資料，其中水土保持處理與維護情形應包括路基、路面、排水設施及坡面等之調查。圖形、影像及表格(附表10)農委會、現勘河溪

27、現況溪流沖淤及河岸侵蝕情形、水工構造物種類及其分布圖形、影像及表格(附表11及12)現勘表2.11 計畫區域以往災害及處理成果一覽表資料名稱資料內容內容補強方式以往災害災害發生時間、原因、災損區位、規模及災損統計等表格(附表13)、影像以往治理成果種類、數量、構築時間、施工單位、經費、位置分布等圖形、影像及表格(附表14)2.3 集水區水文環境分析演算集水區水文環境分析包括水文、水理及土砂生產量推估等項目，其內容如圖2.3所示。由於水文環境分析著重於演算成果之呈現，故本項工作除了以文字方式表達外，製作適當表格歸納演算成果，為其標準建置的主要工作。茲分述如下：圖2.3 集水區水文環境分析演算2.

28、3.1 水文分析集水區水文分析主要是推算其洪峰流量。根據水土保持技術規範第17條規定得知，當集水區有實測資料時，洪峰流量估算得採用單位歷線分析；面積超過1,000公頃者，且無實測資料時，建議採用單位歷線法分析；惟面積在1,000公頃以內者，且無實測資料時，得採用合理化公式(Rational Formula)計算。因此，集水區水文分析可依據集水區面積分別選用合理化公式或其他單位歷線法進行演算，茲分述如下：(一)合理化公式： (2.2)式中，=洪峰流量()；=逕流係數(參考水土保持技術規範第18條)；=重現期距五十年之設計降雨強度(參考水土保持技術規範第16條)；=集水區面積()。表2.12為依合

29、理化公式進行水文分析後之成果呈現。表2.12 合理化公式水文分析成果表座標XY集水區面積()流入時間()流下時間()集流時間()逕流係數重現期距五十年之設計降雨強度()洪峰流量()(二)單位歷線法：1.三角形單位歷線依一般式： (2.3)式中，：單位超滲雨量；：開始漲水至尖峰流量發生之時間()；：超滲雨量單位時間()；：尖峰流量()；：集流時間()；：流量歷線基期()；：集水區主流強度()；：集水區最高點至控制點高差()；：洪水傳遞速度()；：集水區面積()。依上式採用1小時，超滲雨量採用10公厘可求得三角形單位歷線。2.修正三角形單位歷線 (2.4)修正三角型單位歷線法係參酌三角型單位歷線法

30、之理論，雨型採用物部公式分析，集流時間採用值與三角型單位歷線法相同。依集流時間()之大小，決定有效降雨延時()，(1)6hr，1hr；(2)3hr6 hr，0.8hr；(3)1hr3 hr，0.4hr；(4)1hr，0.15hr。因雨型單位刻度雨有效降雨延時一致，單位歷線不須再經轉換。3.瞬時單位歷線 (2.5)依一般式 (2.6)式中，：集水區最遠沿主流至控制點距離()；：集水區重心沿主流至控制點距離()；函數因子及水庫儲存常數，係根據吳建民氏研究台灣各主要河川所得到的結果，及求得後在求及，等，然後以t為變數分別求得各對應之，再應用S曲線將轉換成。4.無因次單位歷線法 (2.7)式中，：稽延

31、時間()；：控制點以上主流坡度。由上式各控制點之流域物理特性計算各流域之稽延時間，再根據各控制點所得之稽延時間，採用單位降雨延時為1小時，單位超滲降雨為10公厘，帶入無因次單位歷線，求得計劃區各控制點之單位流量歷線。表2.13 單位歷線法水文分析成果表重現期距(年)2510202550100洪峰流量()比流量()2.3.2 水理分析河溪水理分析係分別針對一般山地洪流、土石流及橋涵斷面等進行演算，並檢討其通洪能力。(一)一般洪水流水理演算：1.曼寧阻力公式曼寧阻力公式普遍運用於水土保持坡地排水及河溪整治工程中，可表為： (2.8)式中，：通水斷面積；：水力半徑(=；：潤周長)；：底床坡度；：曼寧

32、粗糙係數，其計算方法如表2.14所示。運用曼寧阻力公式計算河溪各斷面之通洪能力時，約每500公尺應選取一斷面，如遇有斷面突變或彎曲時，應增設演算斷面，表2.15為應用曼寧阻力公式計算河溪各斷面之通洪流速和水深之成果表。表2.14 曼寧粗糙係數值計算成果表試坑編號曼寧粗糙係數計算式平均值梅-彼-穆式0.01216Lane-carlson式0.0156San Line River式0.0142Einstein式0.0132Strickler式0.0152.HEC-RAS模式本模式係因應洪水平原管理之需要而發展出來的，用以計算在自然河川情況下某一特定流量的各個不同地點斷面之水位、流速及能量損失，可以

33、模擬橋樑、涵洞、攔河堰及洪水平原上結構物對水流之影響，亦可應用於洪水平原之管理及河川堤線佈置之分析。同時，可作亞臨界流及超臨界流之水面剖線演算，演算步驟係採用標準步推法求解一維能量方程式，摩擦之能量損失以曼寧公式計算。惟由於本模式在發展過程中未進行陡坡河道水理演算成果之驗證，故目前只適用於河床坡度不大於10之自然或人工河道中之定量緩變流。表2.15 河溪各斷面通洪能力演算成果表(曼寧阻力公式)座標XY斷面樁號集水區面積()洪峰流量()溪床坡度()曼寧粗糙係數河溪寬度()流速()水深()現況河岸高度()左岸右岸河岸高度是否足夠左岸右岸河岸高度係指足以範束水流之岸坡高度。HEC-RAS主要是應用於

34、一維定量緩變速流中，其控制方程式為一維能量方程式，即 (2.9)式中，=底床高程；水深；=斷面之能量修正係數；=水流流速；=能量損失水頭；下標1及2分別表上、下游斷面。在求解式(2.9)時，HEC-RAS係採用標準步推法(standard step method)進行演算，演算結果整理如表2.16所示。標準步推法首先需要選擇適當的控制斷面，正確求得該處水深，作為分段法的起始斷面，如果起始斷面選擇不當，或者斷面上的水深不夠準確，勢必影響整個水面曲線的計算。標準步推法計算時需將整個非均勻流分成若干流段。一般跌水曲線水面變化較大，分段宜短；亞臨界流壅水曲線，水面變化較小，分段可長些。每段的斷面形狀、

35、糙率和底坡應盡可能一致，在斷面、糙率和底坡等突變處應作為分段的位置。表2.16 河溪各斷面通洪能力演算成果表(HEC-RAS模式)座標斷面樁號河心距()現況岸高()洪峰流量()現況河岸高度是否足夠XY單距累距左岸右岸洪水位()福祿數通水面積()平均流速()水面寬()能量坡降臨界水位()左岸右岸(二)土石流水理演算(參見表2.17)：土石流水理演算主要包括泥砂體積濃度、流量、流速、流深及設計粒徑等，如表2.17所示。表2.17 土石流水理演算成果表位 置起始斷面終止斷面斷面樁號清水流流量()泥砂體積濃度()堆積土體泥砂體積濃度()溪床坡度()溪床平均寬度()土石流流量()土石流流深()土石流流速

36、()土石流設計粒徑()山地洪流起動粒徑()現況河岸高度()左岸右岸河岸高度是否足夠左岸右岸1.土石流平衡泥砂體積濃度()：流動中土石流泥砂體積濃度可以下式計算，即 (2.10)式中，=泥砂內摩擦角，與泥砂特性及其緊密程度相關，其值介於之間；=溪床坡度；=土粒單位重量；=清水單位重量。根據(2.10)式，繪出不同溪床坡度下所對應之土石流泥砂體積濃度，如圖2.4所示，茲討論如下：(1)由圖得知，當溪床坡度時，因土石流泥砂體積濃度呈現不合理的變動趨勢，故必須加以限制。為此，依照上式計算土石流泥砂體積濃度時，必須引用一限制條件，即溪床坡度或土石流泥砂體積濃度最大值(=溪床上土石堆積物之體積濃度)。圖2

37、.4 土石流先端部泥砂體積濃度與溪床坡度之比較圖(2)依目前比較普遍採用的土石流最小泥砂體積濃度常以0.3為基準，惟從91年版水土保持技術規範第247條之計畫洪水量得知 (2.11)式中，=考慮水流含砂時之洪峰流量；=清水流量()；=水流中泥砂混合率，一般採用以流量之5%10%為原則，最大值為50%。因此，取=50%時，可得最大計畫洪水量為 (2.12)由於最大計畫洪水量意指含砂量達最大時之一般挾砂洪流，而較之為大者，除了土石流流況外，似乎無其他水流流況可及，故假設最大計畫洪水量等於土石流最小流量時，且由91年版水土保持技術規範第73條第2及3款得知，土石流流量公式為 (2.13)式中，=土石

38、流流量()。這樣，比較式(2.12)及(2.13)，則土石流最小泥砂體積濃度。(3)綜合以上討論，土石流泥砂體積濃度之合理範圍為。(4)由於一般山地河溪沿程溪床坡度變化急驟，使在應用式(2.10)時，土石流泥砂體積濃度經常是隨著溪床坡度而變化。但是，式(2.10)係基於平衡條件下的土石流流況所建構，而平衡態土石流流況的存在條件是河溪長度必須大於其發展長度，在驟變的溪床坡度下是很難出現的。因此，式(2.10)中溪床坡度應指在土石流流動段約510倍河寬之溪流長度所對應之平均坡度，而此區段的溪床坡度常介於。必須注意的是它並非是土石流發生段的溪床坡度(常大於)。2.土石流流量()：根據91年版水土保持

39、技術規範第73條第2及3款，土石流流量可由清水流流量及泥砂體積濃度推估即式(2.13)。雖然本流量公式相當簡易，惟當時，土石流流量可達到清水流量的十倍，這為河溪工程設計帶來一定困惑。由土石流流量公式得知，土石流流量變化主要是受泥砂體積濃度之影響，倘若泥砂體積濃度係按式(2.10)計算，不僅可能致使土石流流量達清水流量的10倍，而且隨著溪床坡度的驟變，土石流流量亦隨之變化，這似乎是有違常理。事實上，問題的關鍵在於採用溪床坡度是以局部區段的溪床平均坡度為主，而非採用較大區段(例如流動段)的溪床平均坡度，而這與2.3.2節土石流泥砂體積濃度所面臨的問題是一致的。因此，於式(2.10)改採溪床平均坡度

40、計算土石流泥砂體積濃度，以避免對土石流流量的偏估。3.土石流流深()：當土石流流量已知時，將溪流概化為矩形斷面，則其流深()可利用曼寧阻力公式予以計算，即 (2.14)式中，=溪床坡度，當壩上游未淤積土砂時，取，惟若壩上游呈部分淤積或淤滿時，則(=計畫淤砂傾角)；=糙率，其大小與溪流條件相關，一般土石流先端部0.06，後續流0.03，具有襯砌流路工；=溪床寬度。按上式計算出的土石流流深，應與土石流流出之設計粒徑()進行比較，並取較大值作為土石流流深。4.土石流流速()：土石流平均流速可依曼寧經驗公式計算，即 (2.15)式中，=土石流深度；=泥砂密度；=水密度；=動摩擦角；=線性濃度；=糙率。

41、5.土石流設計粒徑()：各式防砂壩壩體應力分析時，必須按土石流可能攜出之最大粒徑()進行撞擊力計算。惟因土石流可能攜出之最大粒徑，可能是來自溪床表面堆積物(最單純狀況)，或被淤埋於溪床底部無法測得，或來自兩岸崩塌的產物，具有高度的不確定性，很難透過理論或實測方式予以獲得，即使決定了土石流最大粒徑，亦無法事前加以驗證。目前比較常用的方法，有以溪床表面粒徑調查法(參考2.2.4節)，或採用以下公式計算，即 (2.16)且 (2.17)式中，=設計粒徑；=修正係數，與土石流形成方式相關，其值初步建議如表2.18所示：表2.18 土石流設計粒徑修正係數建議值表流況條件建議值泥流型土石流、無大規模崩塌=

42、1.0，且不大於1.0公尺。泥流型土石流、具有大規模崩塌=1.0，且不小於0.5公尺。礫石型土石流、無大規模崩塌與現場溪床質粒徑分布相關，以不小於1.0公尺為原則。礫石型土石流、具有大規模崩塌=1.2，且不小於1.5公尺。此外，土石流治理經常採用透過性防砂壩作為攔阻其攜出土砂量，故為達到最大的治理效率，透過性防砂壩在尋常時期應保持空庫狀態，以蓄積土石流所攜出的大量土砂礫石；換言之，壩體開口寬度不能阻礙一般山地洪流泥砂顆粒的正常輸移。從輸砂力學得知，山地洪流泥砂輸移有懸移質及推移質之分，前者是懸浮在水中且與水流同速運動的較細小泥砂顆粒，後者則是沿著河溪底床行進的較大泥砂顆粒，而在山區陡峻的河溪，

43、推移質粒徑達數十公分以上者經常可見，惟它仍遠小於土石流所攜出之最大粒徑。由泥砂起動觀念，山地洪流最大粒徑等同於一定水流條件下之泥砂起動粒徑，可由謝爾得公式(Shields formula)求得，即 (2.18) (2.19)式中，=山地洪流水深；=係數(0.05)。根據蘆田和男與高橋 保(昭55)研究指出，立體格子壩(grid type open dam)的開口寬度必須滿足下列限制條件，即 (2.20)式中，=開口寬度。(三)橋涵斷面檢算：橋涵斷面受到兩側橋台的限制，使其斷面寬度及淨高經常小於河溪的其他斷面而成為河溪排洪輸砂的瓶頸斷面，倘若橋涵斷面不足時，勢將影響山地洪流及土石流的正常洩流，而

44、有淤塞漫淹之危險，故必須特別針對河溪橋涵斷面利用曼寧阻力公式或HEC-RAS加以檢算其通洪能力，表2.19為橋涵斷面檢算結果一覽表。位於土石流潛勢溪流上之橋涵，則應檢算其土石流過流能力，如表2.20所示。表2.19 山地洪流橋涵斷面過流能力檢算結果一覽表橋涵名稱座標XY溪床坡度()溪床寬度()淨空高度()曼寧粗糙係數含砂流流量()流速()水深()橋涵是否足以通洪註：檢算結果係以橋樑淨空高度與水深進行比較，當橋樑淨空高度大於1.2水深時，則通過檢算。表2.20 土石洪流橋涵斷面過流能力檢算結果一覽表橋涵名稱座標XY溪床坡度()溪床寬度()淨空高度()曼寧粗糙係數土石流流量()泥砂體積濃度()流速

45、()水深()檢算結果2.3.3 溪床特大礫石處理分析在生態工法概念下，經常是採用河川自然石材來營造多自然的河川型態，例如乾砌石護岸或其他採用塊石疊砌工法，均以河床上堆積的粗大粒徑為材料，來塑造河川及兩岸的自然生態環境。但是，從河川水力學觀點，河床堆積泥砂顆粒粒徑與其穩定是息息相關的，不同粒徑的泥砂顆粒都起著保護不同河床條件的穩定效果，不可任意將之自河床移除或置於兩岸，否則底床泥砂將無法抵抗水流之沖刷而持續下切，進而危及兩岸之安定。因此，在土石流溪流治理和生態工法溪流治理兩種既矛盾又相互依存的溪流治理概念中，底床粒徑問題是其中關鍵的課題。圖2.5為將溪床粒徑以土石流設計粒徑和洪水流起動粒徑區分為

46、三個區間的示意圖。對於以土石流為治理對象的溪流而言，較設計粒徑粗大的底床泥砂顆粒，可以在溪床上在底床形成一抗沖覆蓋層(pavement)，具有保護溪床並維持穩定之功能，不可隨意移動。但是，這部分的泥砂在土石流溪流環境中卻又顯得不甚穩定，隨時都可能被土石流強大的拖曳力攜出，雖然數量比例不是很高，惟若遇有特大豪雨激發，其致災能力亦不可等閒視之。因此治理時，建議以不移動搬遷為原則，如因阻礙流路走向須進行調整時，特別是大於設計粒徑的1.5倍以上的石礫，建議可以使之部分沉埋於底床(約沉埋2/3)、或加以固結、或部分移至岸坡基腳等方式進行改善，以維持其安定，使在土石流發生時不會成為其內部結構粒徑。至於小於

47、土石流設計粒徑的溪床粒徑，則可以適量地將之移至岸坡基腳或疊砌。若以一般洪水流為治理對象之溪流，可以直接將超過土石流設計粒徑的泥砂顆粒移除、或移至岸坡基腳、或採結構性疊砌，介於起動粒徑和設計粒徑間的溪床泥砂，因具有保護河床效果(粗粒化層)，除非是阻礙流路或形成險灘可以稍作調整和部分移除外，否則建議是以不搬動遷移為原則。表2.21為溪床特大礫石的處理方式。圖2.5 溪床特大泥砂顆粒粒徑處理示意圖表2.21 溪流特大礫石處理方式建議表粒徑範圍一般溪流治理土石流溪流治理可以移除、或移至岸坡基腳、或採結構性疊砌可以部分沉埋於底床(約沉埋2/3)、或加以固結、或部分移至岸坡基腳等。具有保護河床效果(粗粒化層)，除非是阻礙流路或形成險灘可以稍作調整和部分移除外，否則建議是以不搬動遷移為原則可以部分移至岸坡基腳或疊砌。可以作為治理資材2.3.4 土砂生