岩床沖蝕過程及機制

本節先介紹岩床沖蝕對河道下切與地貌之影響，再討論台灣西部麓山帶常 見的軟岩沖蝕過程及機制，以及這些沖蝕機制容易在哪一種地質、地形、水文 條件下發生。

岩床下切速率(incision rate)與型態常會顯著影響地形的發育(Whipple, et al., 2000; Stock & Montgomery, 1999)。Hartshorn, et al. (2002) 曾經於台灣東部 中央山脈之立霧溪透過精確現地量測以探討岩床河道之下切速率，試圖找出岩 床下切速率與河川流量的關連性。他們整理下切速率與雨量關係，歸納結果認 為，岩床河道之下切主要歸諸於較常出現的中度流量所導致之河床載磨蝕 (abrasion)，其下切速率與型態受河床幾何條件與弱面間距所影響。重現期很長 的超大洪水期流量則對於河床之擴寬作用明顯多於下切作用。

Wohl(1992)認為岩床河道之地貌主要受超大洪水流量所控制。以往學者對 河床因紊流沖蝕之研究固然不少，但是多以發生於柔軟之泥質或砂礫底床的沖 蝕為主。Wohl (1993)與 Tinkler(1997)觀察岩床河道中因局部沖蝕留下之一些河 床地貌特徵，如流槽(flute)、縱向槽(longitudinal groove)、壺穴(pothole)等，並 以渦流(vortices)解釋其成因。本團隊現地調查照片如圖 3–2。

(a) 卓蘭大安溪(2008.7.21) (b) 嘉義八掌溪(2008.10.7)

圖 3–2 流槽、縱向槽、壺穴現地照片

Wohl & Achyuthan (2002) 藉由現地觀察之實例研究河床底地層阻抗對岩 床河道下切之影響。他們由整理的數據指出當地層沖蝕阻抗越高，河道下切趨 向於更窄與更深，河床側邊與床底起伏較大，也會出現較多之局部沖蝕（如縱 向槽、壺穴），坡度也會較陡及變化較大，當地層沖蝕阻抗較低時，河道橫斷 面趨近於 U 型，且底床較為平坦，如圖 3–2 所示。

有水

無水

(a) Indurated alluvium (b) sandstone substrate

圖 3–3 地質沖刷阻抗能力與河道形狀之關係(Wohl & Achyuthan, 2002) 岩床河道一般意謂河床並無沖積層覆蓋，原則上也表示沈降速率小於刷離 速率。由大範圍河段之平均趨勢而言，岩床河道之寬度通常與流域面積正相關。

區域之河床縱向坡度則與上游集水區面積負相關，其關係若會至於半對數圖上 多呈現凸向上形狀之曲線(Whipple, 2004)。

Stock, et al. (2005)實際長期量測整理世界多處(包含台灣)岩床河道之沖蝕 速率資料。這些岩床河道受河床載磨蝕(bed-load abrasion)或抽離(plucking)作用，

其底床岩石多少都傾向於受反覆乾濕循環而由完整岩石漸弱化成頁狀或碎片 狀材料，而易於被強大水流所帶走。Stock, et al. (2005)整理張力強度與沖蝕速 率之相對數據，認為沖蝕速率與張力強度平方根成反比。若無沖積層作為護甲 層，此類易於因風化作用所致之易弱化岩床其下切速率甚至高於造山運動之地 殼抬升速率，台灣西部麓山帶之軟岩河床便有此傾向。此外，Stock, et al. (2005) 亦觀察當河床坡度大(>10%)，土石流所造成之岩床與岩岸沖蝕亦可能成為主控 機制，他們還提出一可能性，指出土石流造成之岩床與岩岸沖蝕是否曾發生也 許能經由流域面積與坡度間關係之特徵加以研判。

Sklar & Dietrich (1998, 2001) 基於理論探討，斷定河床載之厚度與粒徑分 佈也會操控沖蝕與河床坡度。其觀點正透露單純之合理化公式（譬如基於流功 的沖蝕速率關係）必然過度簡化，根本無法周全考量沖蝕機制之差異與不同因 素之影響。

根據文獻回顧及本團隊現地沖蝕現象調查結果，河川於岩床河道之下切沖 蝕包含多種不同之機制，包括岩塊抽離(plucking)作用、底床上因卵礫石衝擊出 碎片或碎塊(saltating abrasion)之作用、水流、懸浮載或河床載等沖蝕作用所造 成顆粒尺度之逐漸磨損(wear)作用、物理與化學風化(weathering)作用與穴蝕 (cavitation)作用等(Whipple, et al., 2000)，現地照片如圖 3–4。到底哪一種機制 會是主控機制取決於床底之地質材料、不連續面狀況、地形條件、水流情況等 因素，需視情況而定。

Whipple, et al. (2000)利用一系列現地之實例定性地探討影響岩床沖蝕不

同機制之影響因素，他們認為岩性、弱面間距、節理、層面等乃決定主控岩床

除了 磨蝕損耗，穴蝕 (cavitation)之角色 也不容忽視 (Bourne & Field, 1995;

Graham, et al., 1987; Graham, 1993)，壺穴與滑槽之構造常與渦流流況下出現之 穴蝕沖蝕有關(Whipple, et al. , 2000)，其示意圖如圖 3–4。

(a)岩塊抽離機制 (攝於大安溪) (b)沿節理面磨蝕下切產生的流槽(攝於大安溪)

(c)風化造成塊體破碎 (攝於大安溪) (d)局部穴蝕下切機制 (攝於八掌溪)

圖 3–4 現地常見岩床沖蝕機制

圖 3–5 水流(含懸浮載)磨蝕的過程(Whipple, 2000)

依地質學之定義，遷急點(knickpoint)意謂河床面地貌突現落差之陡降點。

當沖蝕河床材料之門檻剪應力較高時，由於遷急點附近陡峭處之剪應力必然特 別 高 ， 會 有 較 高 機 會 先 發 生 沖 蝕 ， 因 此 遷 急 點 常 會 逐 漸 後 退 (knickpoint migration)，其過程與速率則取決於岩床之岩性與力學性質(Whipple, et al., 2000)。 行為一般常不易完全掌握，其定量之理論模型更是闕如（Whipple, et al., 2000），

大多僅侷限於因次分析(dimensional analysis)之層次。

Whipple, et al. (2000)假設岩塊抽離機制下岩塊抽離速率與河床載流量直 接成正比，經簡化因次分析，若岩塊抽離（plucking）為主控沖蝕機制，n 值應 在 2/3 至 1 間。Whipple, et al.又援引 Anderson(1986)針對風飛沙之噴砂沖蝕(sand blasting)作用之模型，導出沖蝕速率與流速的 5 次方成正比，也因此會與岩床 面剪應力的 5/2 次方成正比。據此，若懸浮載之磨蝕沖蝕為主控沖蝕機制，n 值約在 5/3，差異甚大。 Whipple & Tucker (1999)亦由