4 子計畫四：颱洪期間水庫蓄清排渾效應之評估

Abstract

When sediment-laden flow enter a reservoir, usually becomes turbidity current and moves into bottom part of the reservoir.

Muddy lake will be created if the flush-out discharge is less than the incoming turbidity current. In 2004, Typhoon Aera induced tremendous sediment inflow into Shi-man reservoir. Domestic water supply was cut for 19 days due to super high turbidity from water intake, which was due to slow settling velocity of the interface between clear water and turbid water in reservoir. In this study, settling behavior of cohesive mud from Shi-man

reservoir in different initial concentration were investigated by Lab experiments and different stages of settling are identified for increasing concentration. The results are compared with the field data to give explanation on field event.

The outlet of sediment flushing gates should be opened as much as possible during the typhoon period to prevent water-shortage disaster.

一、

含砂水流進入水庫後，粗顆粒泥砂因水 深劇增、流速劇減，首先淤積，並逐漸淤高 形成淤積三角洲，當淤積三角洲上出現三角 洲河道（delta stream）後，粗顆粒泥砂以河 床載(bed load)形式在三角洲河道上運行。較 細顆粒泥砂以懸浮載（suspended load）方式 通過三角洲河道，越過三角洲頂點後，進入 壅水淤積段（region of quasi-homogenous flow），因水深劇增、而流速劇減，故發生 沿程淤積。在壅水淤積段中，極細顆粒泥砂 以沖洗載（wash load）方式移動，並與水流 混合形成均質漿液，往下游均質漿液的密差 福祿數（densimetric Froude number）漸減，

當密差福祿數減至 0.6～1.0(Lee and Yu, 1997)，整個均質漿液受到的重力大於慣性 力，乃沉入庫底，繼而沿著庫底移動，此移 動渾水稱為異重流（turbidity current）。異重 流運行至壩址，受壩阻擋，若受限出流不夠

大而不能全部排出水庫，將留在水庫內，並 逐漸升高渾水面，產生渾水潭（muddy lake）。異重流淤積與渾水水庫淤積的區段稱 為底部段(bottomsets)。

水庫從上游往下游的淤積型態，分別是

積中包括孔隙，以乾密度值 1.05 g/cm³換算 於 0.002mm，但是從水力學顆粒沉降的觀 點，小於 0.02mm 的顆粒即已具有絮凝性 至 0.0001mm/s，此種沉降速度在級序上的不 一致，造成工程師使用上的不確定，影響工 等速沉降速度在 0.01-0.03mm/s 間，粗顆粒 含量較多的情況絮網等速沉降速度大於 0.03mm/s，絮網減速沉降速度範圍較廣在 0.001-0.1mm/s 間 ， 壓 縮 沉 降 速 度 小 於

0.001mm/s。圖 8 中，可供作為估計現場水 庫 的 渾 水 潭 沉 降 的 是 0.005-0.05mm/s (=0.432-4.32m/day)，石門水庫艾利颱風過 後，初期沉降速度約 2m/day，後續二十天的 1191NTU相當於 1000ppm、13261NTU 相當 於 10000ppm。

復到現地淤泥的沉降特性。 均值約 0.4m/day，實驗之沉降速度則劇減，

減至 0.04m/day。圖 9 中現場沉降速度是以 10000NTU 為清渾水交界面，如果採用 200000NTU(大陸小河口水庫)則沉降速度更

2. 分析文獻資料指出，現場水庫的渾水潭 沉 降 速 度 範 圍 為 0.005-0.05mm/s (=0.432-4.32m/day)，石門水庫艾利颱風 過後，初期沉降速度約 2m/day，後續二 十天的平均沉降速度約 0.4m/day。

3. 以乾泥絞碎進行標準筒沉降實驗，必須 浸泡後打氣一天，才能達到現場沉降條 件，不同的沉降設備浸泡與打氣天數不 同，需要測試加以確認。本研究浸泡實 驗成果，可供水利署水利規劃試驗所目 前執行之「石門水庫異重流排砂研究」

模型實驗之參考。

4. 實驗室量筒試驗中，淤泥混合液起始濃 度較高的實驗組別，其平均濃度與沉降 速度間，對應關係良好，可應用於現地 操作上。而低起始濃度之組別，其沉降 行為有所不同，未來可設計分析濃度剖 面之沉降設備，深入研究其內部濃度變 化對沉降行為之影響。

5. 石門水庫的經驗顯示排砂是必要的措 施，可減少水庫淤積，並可加速渾水潭 界面沉降，縮短缺水時間，同時排砂期 間顯然需要有臨時措施，包括高層取 水、備用蓄水池、其他供水系統支援等。

四、建議

1. 建議主管機關建立水庫量測泥砂濃度的 作業規範，以獲得未來每個颱洪事件的完 整濃度數據，提供未來發生渾水潭事件之 決策依據。

2. 石門水庫於馬莎颱風過後，持續排砂，使 水清之日提早來到，建議相關單位針對排 砂加速渾水潭沉降做深入研究。

3. 水庫軟硬體改善建議：

(1). 颱洪期間的操作思維，排砂優先於蓄 水。

(2). EL.220m(排洪隧道底檻)以上濁度仍高 期間，以備用水源，或請鄰近供水系統 支援。

(3). 建排砂專管至鳶山堰下游，可有效降低 對備用與支援水源的依賴。

圖１ 水庫三角洲、底部段、壅水淤積段、異重 流、渾水潭示意圖（資料來源：俞等, 2000）

圖 2 洪水期間水庫產生異重流且 未形成渾水潭的情況

圖 3 洪水期間水庫渾水潭 清渾水交界面上升示意圖

圖 4 洪水過後的渾水潭清渾水交界面 沉降示意圖

圖 5 石門水庫淤泥

圖 6 高嶺土

圖 6 絮團沉降速度與泥砂濃度關係圖 (Zanoni and Blomquist, 1975)

圖 7 絮網各沉降階段 (Diplas and Papanicolaou, 1997)

Ds=0.04mm Ds=0.01mm McLaughlin

McLaughlin

黃 黃

Ziegler and Nisbet

Ziegler and Nisbet

黑松林水庫 唐

現地歷時(days) 0.005.0010.0015.0020.0025.0030.00 沉降筒實驗歷時(hours)

現地10000 界面沉速( 石門淤泥實驗) 界面沉速( 高嶺土實驗)

1 10 100 1000 10000 100000

濃度(ppm)

濁度(NTU)

濃度－濁度

圖 10 濁度與泥砂濃度關係圖

淤泥浸泡時間比較圖( Ci =70g/ L)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

時間( mi ns)

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 時間(day)

0.060 0.060

0.048 0.042

0.033 0.030

0.018 0.018

292.4

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00

時間(mi n)