第五章 案例應用
5.2 研究區域模擬模式建立
5.2.3. 應用庫區泥沙動態分析模式於曾文水庫濁度歷程之模擬與驗證 74
證
基於減淤之目標項，必須透過庫區泥砂動態分析模式，模擬各 洩水口之泥砂濃度歷程。過去曾文水庫庫區泥沙濃度的監測報告，在 賴(2007)之研究中，實際量測過去颱風場次發生時，在水庫內不同高 程之泥沙濃度資料，各場次內包含 EL168.2、EL173.2、EL178.2、
EL188.2 及 EL208.2 等五種高程下之觀測泥砂濃度資訊。本研究將所 收集之泥砂濃度觀測資料，與真實放流情況下其渾水潭之模擬泥沙濃 度歷程做驗證。以辛樂克颱風場次為例，將實際觀測資料中 EL168.2、
EL173.2 及 EL178.2 三種不同高程之觀測泥砂濃度與模擬結果以圖形 呈現。
如圖 5-26。可發現模擬之結果在颱風歷程前、中期可大致上符 合觀測資料之特性，且第 20 小時候觀測之結果上升幅度增加，在模 擬之結果也有抓住其特性，唯獨在約第 50 小時之後，入流量開始減 少且水庫中水流變化變緩之際，如圖 5-27 所示。可推估部分泥砂因 而沈將至庫底，造成觀測資訊在期末略微下降；反觀模擬之結果，因 無曾文水庫在颱風過程中泥砂沈降之資訊，故此本研究做了無沈降的 假設，同時影響在期末泥砂濃度居高不下。
相關係數 均方根誤差 尖峰水位誤差（公 卡玫基颱 0.98 0.55 0.25
薔蜜颱風 0.98 0.58 0.51
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水庫水位依渾水潭面為依據，將其分下層為渾水潭，上層為清 水潭，兩層內之泥砂濃度比值設定為 1/20，亦即清水潭濃度為渾水潭 濃度之 1/20。
圖 5-27 為辛樂克颱風場次在曾文水庫上游造成之入流量歷程以 及曾文水庫管理中心所因應的實際放水歷程。在此本研究將放水歷 程，依據不同高程呈現出來，在較低的永久和道放水路(PRO)及電廠 放水路其放水量皆為 90(cms)及 50(cms)，故加總一起來呈現。可發現 低高程之放水上限總和為 140(cms)，與溢洪道放水量動則每秒數千立 方公尺差異甚大。
圖 5-28 為水庫水位與渾水面高程變化歷線圖，由於洪峰來臨前 階段之操作方式，入流量大於出流量，故水庫水位亦隨之增加；反之，
洪峰來臨後，其出流量大於入流量，故水庫水位亦隨之降低。渾水面 高程之上升與沉降速度，分別以式 4-9 與 4-10 定義，其均與水庫水 位之上升與沉降速度呈正比。圖 5-29 為累積入砂量與出砂量歷程，
其中藍線為累積入砂量，累積出砂量以出口泥沙濃度大小分成兩部 分，將泥沙濃度較低之溢洪道排砂量為紅色部分，以及將濃度較高之 電廠放水路及永久河道放水路兩者為綠色部分，累積入砂量與累積出 砂量差值則為水庫庫區之泥沙變化量，其中紫色與綠色部分分別代表 渾水潭與清水潭之泥砂含量，整場歷程累積入沙量近 1100 萬噸，累 積出沙量約 180 萬噸，約佔入沙量之一成五左右。
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圖 5-26 模擬濃度與觀測濃度歷程(辛樂克颱風)
圖 5-27 入流量與放流量歷程(辛樂克颱風)
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圖 5-28 水庫水位與渾水潭面高程變化歷線圖(辛樂克颱風)
圖 5-29 各時刻水庫累積入沙與排沙量歷程(辛樂克颱風)
78 normal t
tIII
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一階段，忽略減淤項的影響考慮，將 C3 設定為 0，調整減洪項對水 資源項之比值，亦即
C
1: C2之比例，視模擬結果決定最佳C
1: C2組合；第二階段，則採前述之最佳
C
1: C2比例，加入減淤項(C
3)，調整C
3數 值以求得最佳C
1:C
2 :C
3組合。如此藉由權重影響分析，所得之最佳權 重組合，可作為後續評估分析之用。I. 第一階段
在第一階段做法上，首先將減災項之權重值 C1固定為 1，逐步 調整水資源項之權重 C2，藉由調整 C2之權重值，評估最佳
C
1: C2比 例。從多場歷史颱風中，依據小型、中型與大型為區分挑選三場代表 性颱風，分別為鳳凰、薔蜜及柯蘿莎三場颱風，進行權重影響分析。模擬結果分別呈現各案例之不同目標之河水位溢堤高度與水庫 期末水位差值，如圖 5-30~5-32 所示。其橫軸為不同之
C
1: C2比例，縱軸為水位高度(m)。
圖 5-30 權重設定分析第一階段鳳凰颱風場次模擬結果
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圖 5-31 權重設定分析第一階段薔蜜颱風場次模擬結果
圖 5-32 權重設定分析第一階段薔蜜颱風場次模擬結果
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表 5-10 權重設定分析第一階段評估指標(i) 期末蓄水為與目標蓄水位的差值(m)
權重值比例 1:10 1:5 1:2.5 1:1.25 1:1
鳳凰颱風 0 0 0 0 0
薔蜜颱風 0 0 0 2.0 2.1
柯蘿莎颱風 0 0 0 0.85 1.6 表 5-11 權重設定分析第一階段評估指標(ii)
下游控制點水位溢堤高度(m)
權重值比例 1:10 1:5 1:2.5 1:1.25 1:1
鳳凰颱風 0 0 0 0 0
薔蜜颱風 0.75 0.72 0.62 0 0 柯蘿莎颱風 1.38 1.35 1.26 0.74 0.65
表 5-10~5-11 為三場颱風在不同比例下之操作結果。由於鳳凰颱 風屬於小型颱風之代表颱風，因此無論權重比例為何，兩目標均可完 全滿足。在中型與大型颱風中，不同權重比例下，可能會有不同之操 作結果。
薔蜜颱風(中型)在不同權重比例下，下游控制點均無溢堤發生，
但在部分比例下，如 1:1.25 與 1:1 之案例中，其期末水庫水位產生約 2 公尺之差值。柯蘿莎颱風(大型)之下游控制點已有溢堤情事發生，
且存在期末水庫水位差值，最高達 1.6 公尺。隨著
C
2數值逐步降低，河水位溢堤高度逐步降低，而水庫期末水位差值則逐步升高。在 1:2.5 與 1:1.25 兩權重比例間，兩目標均有劇烈變化。
由於考慮下游溢堤情況發生必須優先考量，故採 1:2.5 與 1:1.25 兩權重比例中，溢堤高度較低者，亦即 1:1.25 為最佳權重比例。
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II. 第二階段
決定減災項與水資源項之權重後，在此加入減淤項，進行第二 階段的權重分析。延續第一階段在
C
1: C2的比例，逐步調整 C3，操作 結果如圖 5-33 至 5-35 所示。圖 5-33 權重設定分析第二階段鳳凰颱風場次模擬結果
圖 5-34 權重設定分析第二階段薔蜜颱風場次模擬結果
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圖 5-35 權重設定分析第二階段柯羅莎颱風場次模擬結果
表 5-12 權重設定分析第二階段評估指標(i) 期末蓄水為與目標蓄水位的差值(m)
權重值比例 1:1.25:2 1:1.25:1 1:1.25:0.5 1:1.25:0.25 1:1.25:0
鳳凰颱風 0 0 0 0 0
薔蜜颱風 -1 -0.9 0 1.8 2.0 柯蘿莎颱風 -1.48 -1.35 -0.55 0.18 1.61
表 5-13 權重設定分析第二階段評估指標(ii) 下游控制點水位溢堤高度(m)
權重值比例 1:1.25:2 1:1.25:1 1:1.25:0.5 1:1.25:0.25 1:1.25:0
鳳凰颱風 0 0 0 0 0
薔蜜颱風 1 0.49 0.47 0.09 0 柯蘿莎颱風 2.15 2.1 1.65 1.13 0.65
表 5-14 權重設定分析第二階段評估指標(iii)
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排砂量 (千萬噸)
權重值比例 1:1.25:2 1:1.25:1 1:1.25:0.5 1:1.25:0.25 1:1.25 鳳凰颱風 0.102 0.102 0.102 0.102 0.102 薔蜜颱風 0.371 0.307 0.280 0.204 0.191 柯蘿莎颱風 1.00 1.00 0.800 0.680 0.460
先各將圖 5-33~圖 5-35 依據水庫期末水位差值、河水溢堤高度 及總排砂量三項資訊整理成表 5-12~表 5-14，透過數值量化輔助判斷 權重設定之組，以得到最佳權重比例。
其透過圖表方式呈現，在圖 5-33，鳳凰颱風屬小型颱風場次，
在設定不同權重比例並無明顯產生變化；在表 5-13，薔蜜颱風場次與 柯蘿莎場次其之期末水位與目標水位在排砂量項權重 C3=0 時相差最 多，但隨著 C3數值設定增大(排砂量比重增加)，差值有越小且低於目 標蓄水位的趨勢；在表 5-14，下游溢堤情況的部分，也隨著 C3數值 設定增大，溢堤情況也越來越嚴重；在表 5-15，排砂量在權重比例 C3=0 為排砂量最少，隨著 C3數值設定增大排砂量也逐漸增加。總和 上述結果，同一場颱風場次，隨 C3數值設定增大排出的砂量就越多，
但因排出過多的水量下，下游控制點發生溢堤情況就越嚴重，同時也 會使期末蓄水位降低以致無法滿足目標蓄水位。
在三者相互競爭的目標項，其加入減淤項之權重值考量後，必 須增加下游河道溢堤的高度與未來供水不足的風險，來換取增加排砂 量的空間。基於各目標項考量的優先順序下，在排砂量權重值 C3=0.25 比起 C3=0 相比較下，下游控制點水位部分，薔蜜颱風與柯羅莎颱風 各多增加 0.09 公尺與 0.48 公尺，都在尚在可接受範圍；期末水位的 部分，各可減少 0.2 公尺與 1.4 公尺；排砂量部分，也增加約 13 萬噸
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與 220 萬噸。而在排砂量權重值 C3設定大於 0.25 之後下的結果看來，
下游溢堤情況以柯羅莎颱風來講，增加至 1.5 公尺以上是無法接受，
故不考慮。
經由兩階段的權重設定分析影響上，決定以 1:1.25:0.25 的權重 比例來當作模式之權重比例，以進行後續分析使用。