第四章 坡地災害脆弱度分析
4.2 坡地災害脆弱度評估流程
國內評估坡地災害的評估方法，主要分為定值法與機率法兩大 類，定值法係利用極限平衡法計算該不穩定點之安全係數，對於豪雨 誘發山崩之分析，是在無限邊坡模式上，考量豪雨入滲及地下水位改 變對邊坡穩定之可能的影響(朱聖心，2001；李錫堤，2009）。機率法 是 利 用 多 變 量 迴 歸 (multivariate regression) 、 羅 吉 斯 迴 歸 (1ogistic regression)得到一組能區別山崩群組與非山崩群組的線性方程式，評 估崩塌與土石流潛感值（Mark and Ellen, 1995; Rupert et al., 2003; 李 錫堤等人，2003；陳樹群等人，2012）。
本研究模擬未來氣候變遷情境下，於降雨歷程中的坡面穩定情 形，以推估其承載時間，以及水庫上游可能產生的崩塌量對於下游水 庫 庫 容 的 衝 擊 影 響 。 應 用 美 國 地 質 調 查 所 (USGS) 所 發 展 的 TRIGRS(Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability Model)淺層崩塌物理模式分析模擬研究區內可能的崩 塌，進而結合土砂運移模式，評估水庫庫容的變化，本研究評估流程 如圖 4.2.1 所示。根據 2.1 節產製的降雨資料，進行坡地模擬評估，
最後配合災損模式，套疊出水庫上游的熱點區域，詳細的研究區域與 評估方式於後續小節描述之。
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圖 4.2.1 坡地部分研究流程
4.2.1 坡地研究試區概述
本研究以台南地區上游之曾文水庫上游集水區作為坡地土砂模 擬研究試區，如圖 4.2.2 紅色框處。曾文溪主流發源於嘉義縣阿里山 鄉的東水山，主要河川長度約為 56.2 公里，流經嘉義縣與台南縣交 界間後進入曾文水庫，主支流總長度約 213 公里。
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圖 4.2.2 曾文水庫上游集水區地理位置
由於境內多山，集水區內主要保全對象之聚落和道路主要沿著溪 流分布，可大略分為三區，第一區為阿里山公路沿線區域，是曾文水 庫的最上游區域，主要保全對象包括阿里山公路和 20 個聚落，行政 區域屬於嘉義縣阿里山鄉達邦村、樂野村、以及山美村等；第二區為 水庫入庫口以北區域，主要保全對象包括省道 3 號、以及沿曾文溪主 流散布之 12 個聚落，行政區域屬於嘉義縣阿里山鄉里佳村、茶山村、
以及新美村等；第三區則是水庫周圍區，僅包含一個聚落，行政區域 屬於嘉義縣大埔鄉大埔村(圖 4.2.3)。
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圖 4.2.3 曾文水庫上游聚落和重要道路分布
根據中央地質調查所提供之流域地質資料顯示(圖 4.2.4)，曾文水 庫上游集水區出露之地層極為複雜，依地質年代老至新之次序，由下 至上排列為中新世的糖恩山砂岩、三民頁岩、南莊層、紅花子層及長 枝坑層；上新世的竹頭崎層、茅埔頁岩、隘寮腳層、鹽水坑頁岩、北 寮頁岩；更新世的階地堆積層；全新世的沖積層，其中又以長枝坑層 分布為最廣。而土地利用分布則以森林用地分布最廣，農業用地為其 次，如圖 4.2.5 所示。
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圖 4.2.4 曾文水庫上游集水區之地質分布
圖 4.2.5 曾文水庫上游土地利用分布
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模式中邊坡穩定性是利用安全係數值(Factor of Safety, FS)評估，
其定義如式 4.2.1。並透過降雨前後坡面的安全係數變化，進而設定
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上式中𝜙′為土壤內摩擦角； 𝐶′為土壤有效凝聚力；𝛾𝑤、 𝛾𝑠為水 及土壤的單位重；Z 為土壤厚度； δ為坡度；𝜓(𝑍, 𝑡)則代表不同時間 t 在 Z 土壤厚度深度下的孔隙水壓狀態。假設當 FS 小於 0 時，即表 示該網格可能發生崩塌。
（一）坡地模式參數設定
計算 FS 所需的相關模式參數設定，包含水文地質參數、土壤有 效凝聚力、土壤內摩擦角、土壤單位重、水力傳導係數、水力擴散係 數、初始地下水位及初始入滲率。現地水文地質參數取得不易，因此 參考 2012 年中央地調所「易淹水地區上游集水區地質調查及資料庫 建置計畫」其針對曾文溪流域之地層分布建立之水文地質參數資料 庫，作為研究參數之初始條件。其中，沖積層地形較為平坦，故在此 歸類為穩定區，不納入分析。研究中採用農林航測所之 40 公尺×40 公尺的數值高程模型來建立坡度、流向及土壤厚度等地形資料，模擬 網格大小同樣採取 40 公尺，以達到最佳模擬效果及效益(尹立中等，
2013)。
土壤厚度部分乃參考國家災害防救科技中心(2012)以修正之坡度 -深度關係式來進行土壤厚度設定，如表 4.2.1 所示；由於缺乏地下水 位實測資料，地下水位則假設與土壤厚度相同，意即地下水位面之位
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本研究則以此假設作為設定(Chen et al., 2005；Liu and Wu, 2008；鍾 欣翰，2008；陳則佑等，2011)。表 4.2.2 為本研究所規劃曾文水庫上
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本研究假設歷史颱風降雨事件，為造成該年在影響研究區域內的 最大崩塌量的前提下，採用林務局於 2004 至 2013 年所產製之逐年崩 塌圖層來進行各場歷史颱風事件模擬結果校驗之依據。
根據過去相關研究指出，TRIGRS 模式在使用上的假設與限制有 以下五點：(1)假設土壤處於飽和或近飽和狀態，且屬同質等向性土 壤，對於非同質、異向性或乾枯的土壤都可能導致最後的解析有誤；
(2)模式對於參數的初始條件非常敏感；(3)若降雨強度大於土壤的水 力傳導係數，無法入滲至土壤的雨量，則會沿著邊坡表面逕流而下，
雖然 TRIGRS 利用簡單的方法去尋找地表逕流路徑及流量，但並未考 慮逕流的蒸發量；(4)模式允許網格之間有不同的水力擴散係數及水 力傳導係數，故網格與網格之間可能會因為相異的水文特性，導致在 鄰近邊界的位置引起不均衡的側向力及非平面的破壞；(5)由於 TRIGRS 模式乃架構在無限邊坡穩定分析之下，因此，在不符合無限 邊坡條件的區位，其評估結果會有較大誤差(鐘欣翰，2008；陳則佑 等，2011；尹立中等，2013)。因此，根據上述模式假設之條件與限 制下所進行的初步分析結果，相較於真實崩塌狀況會有些許誤差產 生，但經過模擬測試後，仍屬合理範圍內，故可應用於本研究評估研 究區內相對崩塌潛勢的高熱點區位。
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（二）坡地模式驗證與檢定
在模式校驗部份採用誤差矩陣法(Error Matrix Method)，以及修正 後成功率(Modified Success Rate, 以下簡稱 MSR)作為模式校驗之工 修正後成功率(MSR)= (0.5×SRn)+(0.5×SRc)
圖 4.2.6 模式結果校驗程序
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圖 4.2.7 TRIGRS 模式參數率定驗證流程
本研究根據歷年蒐集之坡地災害資料，挑選四場颱風事件進行率 定及驗證作業。此四場皆於曾文水庫上游集水區造成嚴重的崩塌、土 石流災害紀錄，分別為 2005 年海棠颱風、2007 年柯羅莎颱風、2008 年辛樂克颱風及 2009 年莫拉克颱風等，透過前三場颱風事件的降雨 資料，配合模式參數的初始設定，進行曾文水庫上游集水區之參數率 定，反算出合理的水文地質參數。
4.2.3 坡地災害脆弱度與承載力評估
研究利用 TRIGRS 模式模擬曾文水庫上游各子集水區之崩塌土方 量，並以此評估坡地災害脆弱度指標。坡地災害的脆弱度則是利用評
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估坡面的穩地性與否，以及可能產生的崩塌量，比較不同子集水區相 對脆弱程度。另外，依據模式中評估坡面的安全係數值到達門檻值所 需的時間，視為坡地災害的承載時間，呈現不同子集水區的坡地承載 力，承載的時間越長，相對坡面穩定性越佳。各項坡地指標說明如下：
1. 坡地脆弱度指標 1(Landslide Vulnerability 1, LV1):以整場模擬 事件下各子集水區累積之崩塌量，單位:立方公尺。
2. 坡地承載力指標 1(Landslide Carrying capacity, LC1):以整場模 擬事件下，雨場初始時間至邊坡安全係數值開始小於 1 的延時，如圖 4.2.8 黑色箭頭所標示，單位:小時。
圖 4.2.8 坡地災害指標示意圖
4.2.4 歷史災害模擬
本研究先後以 2005 年海棠颱風、2007 年柯羅莎颱風及 2008 年辛 樂克颱風來進行參數率定後，再利用 2009 年莫拉克颱風作為模式參
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圖 4.2.9 2005 年海棠颱風模式預測與 實際崩塌圖層比對
圖 4.2.10 2007 年柯羅莎颱風模式預測 與實際崩塌圖層比對
圖 4.2.11 2008 年辛樂克颱風模式預測 與實際崩塌圖層比對
圖 4.2.12 2009 年莫拉克颱風與實際崩 塌圖層比對
針對 2009 年莫拉克颱風降雨事件模式所預測之結果，將安全係 數值小於 1.0 網格乘上土壤厚度推估所產生的崩塌量，並以子集水區 為單位方式呈現脆弱度指標(LV1)分布；圖 4.2.13 為莫拉克颱風事件 崩塌模式模擬成果，從圖 4.2.13(b)發現主要因降雨好發淺層崩塌之
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地區多集中於樂野、達邦、十字、中山、草山、和平及永樂等村落，
而從圖 4.2.13(c)也顯示出該地區的脆弱度也相對較高，與歷年判釋的 崩塌地災點點位大致相符。
(a)莫拉克事件承載時間 40 小時 (b)莫拉克事件第 93 小時 FS 空間分布
(c)莫拉克事件之 LV1 指標
圖 4.2.13 莫拉克颱風事件崩塌模式模擬成果
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