李鴻源臺灣大學：土木工程學研究所蔡宗賢2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50430摘要 台灣水庫淤積問題嚴重，而颱風時期常帶來大雨，造成土石崩塌或是造成冲蝕，2004年8月艾莉颱風造成石門水庫嚴重淤積，使得原水混濁，而探究原因崩塌地為主要上游產砂來源，因此本研究針對艾莉颱風所造成的崩塌地進行體積推估，以了解颱風時期泥砂產量。 本研究利用POWER LAW法則進行此次艾莉颱風期間崩塌地體積推估，利用衛星影像分析此次颱風共造成217處崩塌地，根據計算結果，總崩塌地體積為兩千七百萬立方公尺，本研究利用模式計算出泥沙運移至最近河道之運移率為76.71%，考慮泥沙於河道中，泥沙粒徑小於2mm之顆粒最終將進入水庫中，因此本研究實地採集崩塌土砂進行比重分析以及土壤顆粒粒徑分析，得到崩塌地土壤比重為2.32tons/m3，小於2mm之泥沙重量百分比為40.22%，將崩塌體積乘上泥沙運移率再乘上小於2mm之泥沙重量百分比可得進入到下游水庫之崩塌泥沙總量為兩千萬噸。為了解水庫泥沙中崩塌地與土壤冲蝕之比例，本研究利用由美國環保署所發展之BASINS模式進行短期暴雨事件之水位站流量以及輸砂量之模擬，藉由十場颱風事件做模式之檢定與驗證所得到之參數，模擬此次艾莉颱風期間各子集水區之輸砂量，可知其崩塌量在這次艾莉颱風中佔泥沙來源之70%，土壤冲蝕量佔泥沙來源之30%，顯示崩塌地是此次水庫嚴重淤積之主要原因。 此次艾莉颱風重創北台灣，造成石門水庫嚴重淤積，而在南台灣曾文水庫，敏督莉颱風以及艾莉颱風亦對曾文水庫造成嚴重影響，因此本研究將整個方法論運用在這兩次颱風所發生之崩塌泥沙推估上，進一步了解水庫集水區崩塌情形。目錄 謝誌.....................................................一 摘要.....................................................二 目錄.....................................................三 表目錄.................................................一零 圖目錄.................................................一三 第一章 緒論...............................................1 1.1 前言................................................1 1.2 研究目的............................................1 1.3 研究流程與章節架構..................................3 第二章 文獻回顧...........................................4 2.1水庫集水區輸砂模式文獻...............................4 2.2崩塌地文獻回顧.......................................8 2.2.1崩塌之定義與分類..................................8 2.2.2崩塌特性研究......................................9 第三章 BASINS模式介紹 ...................................11 3.1 模式功能介紹 ......................................11 3.1.1 WinHSPF介紹 ...................................11 3.2 HSPF模式發展歷史...................................12 3.3 模式架構與使用流程 ................................13 3.4模式模擬原理與方法..................................16 3.5模式參數說明........................................16 3.6HSPF模式應用理論....................................17 3.6.1透水區降雨逕流模組-PWATER....................... 17 3.6.2土壤沖蝕、運移模組-SEDMNT.........................24 3.6.3河道水理演算模組-HYDR............................27 3.6.4 河道泥沙運移演算模組-SEDTRN .................. 28 3.7 BASINS與HSPF模式應用實例.......................... 30 第四章 水庫集水區暴雨時期崩塌地產砂量推估-以石門水庫艾莉颱風為例 ..........................................32 4.1水庫集水區特性介紹................................. 32 4.1.1地形地系........................................ 32 4.1.2 水系............................................33 4.1.3地質與土壤.......................................33 4.1.4 氣象與水文 .....................................34 4.2暴雨事件對石門水庫之影響-以艾莉颱風為例.............35 4.2.1艾莉颱風事件介紹................................35 4.2.2 崩塌地規模分析.................................36 4.2.3 崩塌地發生位置.................................36 4.3 崩塌地土方量推估研究...............................37 4.3.1大規模崩塌地土方量推估...........................37 4.3.2短期暴雨崩塌地土方量推估.........................38 4.3.3崩塌地體積推估-POWER LAW公式.....................39 4.3.4崩塌地土方量方法比較 ........................... 42 4.4石門水庫上游集水區崩塌土方體積估算-以艾莉颱風為例.. 43 4.4.1以POWER LAW公式估計集水區崩塌土砂產量............43 4.4.2 Power Law公式參數κ與β之估算...................43 4.4.3 Power Law公式參數ε估算.........................44 4.4.4崩塌土方量估算結果...............................45 4.5崩塌土砂運移能力之探討..............................46 4.5.1 崩塌土砂運移能力相關研究 ....................... 46 4.5.2 崩塌土砂運移距離推估模式 ....................... 47 4.5.3 石門水庫崩塌土砂運移距離之推估 ................. 48 4.5.4 崩塌地泥沙粒徑分析 ............................. 51 第五章 水庫集水區暴雨時期土砂之推估-以石門水庫為例.......53 5.1 BASINS模式在石門水庫之應用-以艾莉颱風為例..........53 5.2 BASINS集水區模式之建置.............................54 5.2.1 氣象來源資料 ...................................55 5.2.2 河川幾何資料 ...................................55 5.2.3模式參數檢定與驗證 ..............................55 5.3 BASINS水理與輸砂模擬...............................56 5.3.1 參數敏感度分析 .................................56 5.3.2 降雨逕流模擬參數檢定準則 .......................57 5.3.3土壤沖蝕、運移模擬參數檢定準則...................58 5.3.4河道演算模組參數檢定準則 ........................59 5.4模擬過程............................................60 5.4.1檢定與驗證指標 .................................. 61 5.4.2 檢定與驗證結果 ................................ 63 5.4.3 艾莉颱風期間流量、輸砂量模擬結果................ 64 5.5 模擬結果討論.........................................65 第六章 水庫集水區暴雨時期崩塌地產砂推估-以曾文水庫上游集水區為例..............................................67 6.1水庫集水區特性介紹 ...................................67 6.1.1 地理位置 ....................................... 67 6.1.2水文與氣象....................................... 68 6.2 水庫上游集水區崩塌產沙量推估-以敏督莉及艾莉颱風為例 ..................................................68 6.2.1 前言............................................68 6.2.2 崩塌量推估方法應用..............................68 6.2.3 BASINS模式建置 ...............................69 6.3 結果輸出 ............................................70 6.3.1 崩塌體積推估 ...................................70 6.3.2 崩塌泥沙運移率推估 .............................71 6.4 BASINS模式在曾文水庫之應用-以艾莉颱風為例 ...........72 第七章 結果討論與建議....................................73 7.1 結論...............................................73 7.1.1暴雨時期石門水庫集水區崩塌土砂生產量 ............73 7.1.2 HSPF模式降雨逕流與輸砂模擬 .....................74 7.2 建議...............................................75 參考文獻.................................................78 表目錄 表2-1 Varnes崩塌分類表.................................81 表2-2 渡正亮崩塌分類表...................................82 表3-1 降雨－逕流重要參數表...............................83 表3-2 泥砂－沖蝕重要參數表...............................83 表4-1 崩塌地與主河道距離分級表...........................84 表4-2 歷次崩塌地斜面積調查...............................84 表4-3艾莉颱風期間崩塌地累積個數與對應面積表.............84 表4-4 艾莉颱風期間崩塌規模分析表.........................85 表4-5 趙倬群(2004)所整理之崩塌深度參數ε值...............85 表4-6 power law推估石門水庫集水區各參數值................85 表4-7模式計算崩塌土砂堆積長度分級表.....................85 表4-8 崩塌土沙採樣地點...................................86 表4-9 崩塌土沙採樣點粒徑小於2(mm)重量百分比.............86 表5-1 HSPF模擬之短期暴雨事件.............................86 表5-2 BASINS模式河道資料表...............................87 表5-3 各模組所需氣象資料表 ..............................88 表5-4 石門水庫集水區遙報雨量站簡介表.....................88 表5-5 石門水庫各子集水區佔雨量站權重表...................89 表5-6 BASINS氣象資料單位表...............................89 表5-7(a)各水位站流量檢定表(1992年8月颱風) ..............90 表5-7(b)各水位站流量檢定表(1994年8月颱風) ..............91 表5-7(c)各水位站流量檢定表(2001年7、8、9月颱風) ..........91 表5-8 HSPF模式降雨逕流模組(PWATER)參數表.................92 表5-9 HSPF模式土壤沖蝕運移模組(SEDMNT)參數表.............92 表5-10 艾莉颱風石門各子集水區HSPF流量模擬結果...........93 表5-11 艾莉颱風石門各子集水區HSPF輸砂量模擬結果.........93 表6-1 曾文水庫集水區歷次航拍調查崩塌地POWER LAW參數表....93 表6-2 模式計算曾文上游集水區崩塌土砂推積長度分級表.......93 表6-3 敏督莉颱風曾文崩塌地至河道最近距離分級.............94 表6-4 艾莉颱風曾文崩塌地至河道最近距離分級...............94 表6-5 曾文水庫集水區隻控制雨量站及其控制面積權重.........94 表6-6 HSPF模式曾文降雨逕流模組(PWATER)參數表.............95 表6-7 HSPF模式曾文土壤沖蝕運移模組(SEDMNT)參數表.........95 圖目錄 圖3.1 BASINS模式系統介紹圖(BASINS手冊) .................96 圖3.2 WinHSPF模式視窗介面圖.............................96 圖3.3 HSPF模式模組示意圖(HSPF手冊) .....................97 圖3.4 沖蝕過程示意圖(HSPF手冊) ..........................97 圖3.5 FRAC與UZRAT函數關係圖(HSPF手冊) ................98 圖4.1 石門水庫集水區水系圖...............................99 圖4.2 石門水庫集水區地質圖..............................100 圖4.3 石門水庫集水區土壤分佈圖..........................101 圖4.4 艾莉颱風期間崩塌地圖..............................102 圖4.5 歷期石門水庫崩塌地調查斜面積......................103 圖4.6 艾莉颱風期間崩塌個數與崩塌地離河道最短距離關係圖..103 圖4.7 打荻式新增崩塌面積率與雨量關係圖 ................. 104 圖4.8 崩塌地面積與崩塌軸長之關係........................104 圖4.9崩塌面積以及累積個數雙對數圖表.................... 105 圖4.10 艾莉颱風期間崩塌規模分析圖(單位：公頃) ...........105 圖4.11 歷期崩塌地土方量.................................106 圖4.12 艾莉颱風期間崩塌地泥沙運移率分級.................106 圖5.1 石門水庫子集水區位置圖............................107 圖5.2 集水區水位站與徐昇氏網圖..........................108 圖5.3a 1992年8月秀巒站流量模擬.........................109 圖5.3a-1 秀巒水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............109 圖5.3b 1992年8月玉峰站流量模擬.........................110 圖5.3b-1 玉峰水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............110 圖5.3c 1992年8月稜角站流量模擬.........................111 圖5.3c-1 稜角水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............111 圖5.3d 1992年8月高義站流量模擬.........................112 圖5.3d-1 高義水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............112 圖5.3e 1992年8月霞雲站流量模擬.........................113 圖5.3e-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............113 圖5.4a 1994年8月秀巒站流量模擬.........................114 圖5.4a-1 秀巒水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............114 圖5.4b 1994年8月玉峰站流量模擬.........................115 圖5.4b-1 玉峰水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............115 圖5.4c 1994年8月稜角站流量模擬.........................116 圖5.4c-1 稜角水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............116 圖5.4d 1994年8月高義站流量模擬.........................117 圖5.4d-1 高義水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............117 圖5.4e 1994年8月霞雲站流量模擬.........................118 圖5.4e-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖............ 118 圖5.5a 2001年7、8、9月高義站流量模擬.....................119 圖5.5a-1 高義水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............119 圖5.5b 2001年7、8、9月霞雲站流量模擬.....................120 圖5.5b-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............120 圖5.6a 1992年8月份颱風秀巒站輸砂模擬...................121 圖5.6a-1 秀巒水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............121 圖5.6b 1992年8月份颱風玉峰站輸砂模擬...................122 圖5.6b-1 玉峰水位觀測值與模擬值相關係數圖...............122 圖5.6c 1992年8月份颱風高義站輸砂模擬...................123 圖5.6c-1 高義水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............123 圖5.6d 1992年8月份颱風稜角站輸砂模擬...................124 圖5.6d-1 稜角水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............124 圖5.6e 1992年8月份颱風霞雲站輸砂模擬...................125 圖5.6e-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............125 圖5.7a 1994年8月份颱風秀巒站輸砂模擬...................126 圖5.7a-1 秀巒水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............126 圖5.7b 1994年8月份颱風玉峰站輸砂模擬...................127 圖5.7b-1 玉峰水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............127 圖5.7c 1994年8月份颱風高義站輸砂模擬...................128 圖5.7c-1 高義水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............128 圖5.7d 1994年8月份颱風霞雲站輸砂模擬...................129 圖5.7d-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............129 圖5.8a艾莉颱風霞雲站流量模擬........................... 130 圖5.8a-1 霞雲水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............130 圖5.8b 艾莉颱風石門站流量模擬 ..........................131 圖5.8b-1 石門水位站觀測值與模擬值相關係數圖.............131 圖5.9a 艾莉颱風霞雲水位站輸砂量模擬.....................132 圖5.9b艾莉颱風石門水位站輸砂量模擬..................... 132 圖6.1 敏督莉颱風路徑圖................................. 133 圖6.2 艾莉颱風路徑圖....................................133 圖6.3 曾文水庫集水區上游研究區域........................134 圖6.4 曾文上游集水區衛星影像崩塌地圖....................134 圖6.5 敏督莉颱風新増之崩塌地圖..........................135 圖6.6 艾莉颱風新増之崩塌地圖............................135 圖6.7 打荻氏公式運用在曾文水庫上游集水區圖..............136 圖6.8 曾文崩塌面積以及累積個數雙對數圖表................136 圖6.9 曾文歷次航拍調查崩塌累積個數與面積雙對數圖........137 圖6.10 模式計算曾文水庫崩塌土砂推積長度.................138 圖6.11 敏度莉與艾莉颱風崩塌地至河道最近距離分級圖 ......138 圖6.12 敏督莉颱風崩塌地至河道最近之距離分級.............139 圖6.13 艾莉颱風崩塌地至河道最近之距離分級...............139 圖6.14 曾文BASINS模式建置圖............................140 圖6.15 曾文集水區雨量站與徐昇氏網圖.....................140 圖6.16 WinHSPF模式視窗介面圖(曾文) .....................141 圖6.17 艾莉颱風流量模擬結果(大埔防砂壩) ................142 圖6.18 艾莉颱風輸砂量模擬結果(大埔防砂壩) ..............1422477043 bytesapplication/pdfen-US集水區崩塌地颱風WatershedLandslideTyphoonthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50430/1/ntu-94-R92521304-1.pdf