文獻回顧

當水體內含有懸浮物或泥砂時，在經過沉降與入滲作用後，即有可能會使河床 表層的水力傳導度大幅降低，而這個過程一般被視為阻塞的過程(Blaschke et al., 2003, Joppen et al., 1992, Lisle, 1989)。在本研究中，稱該水力傳導度較低之土層為 阻水層(Clogging layer)，而阻水層下方具有較高水力傳導度之含水土層則稱為含水 層(Aquifer)。根據 Blaschke et al. (2003)在現地調查的結果，可以將河床的阻塞依照 不同型態分為三個種類：(1) Internal clogging、(2) Armour clogging 以及(3) External clogging。其中，第一種的 Internal clogging 表示在河床頂部數公寸至數公分內的土 層受到較細小顆粒的阻塞，使得河床水力傳導度降低；第三種的External clogging 表示在河床的上方因懸浮物或泥沙的沉積作用而形成一層由細顆粒所組成的沉積 層，該沉積層會使河床的水力傳導度大幅降低；第二種的Armour clogging 則是具 有介於兩者之間的材料特性與水力傳導度。Fig. 1.1 中的調查結果顯示各種阻塞型 態的水力傳導度分布。根據過往的文獻回顧，阻水層的厚度目前還沒有一個明確的

值或公式能夠進行估算，但普遍認為數公釐到數公尺之間的厚度都是合理的範圍 內(Irvine, 2010)。

Fig. 1.1 各種阻塞種類(Clogging type)即其相應的的水力傳導度(Blaschke et al., 2003)

地表水與地下水之間具有複雜的相互作用，無論是在完全飽和或變飽和的含 水層中，都受到數個因素所控制，包括河道形狀、河流水位、河床坡度、地下水位 深度、河床水力特性、含水層水文性質與含水層幾何性質(Brunner et al., 2009, Doble et al., 2012, Peterson and Wilson, 1988, Riviere et al., 2014, Sophocleous, 2002)。

Brunner et al. (2009) 將 地 表 水 與 地 下 水 之 間 的 狀 態 分 為 三 種 狀 態 ： (1) Connection、(2) Transition 以及(3) Disconnection (Fig. 1.2)。其中，第一種狀態 Connection 表示河床下的土層為完全飽和的狀態。當地下水位面高於地表水位面 時，地下水將會對地表水進行補注(Gaining)。相反地，當地下水位面低於地表水位 面時，地表水則會造成入滲損失(Losing)。此時根據達西定律可知，達西速度與水 力梯度呈正比的關係；當河床下的土層發生 Disconnection 狀態時，代表其內部具 有穩定的非飽和區域，且入滲率不再受到水力梯度的影響而變化，趨於一個穩定的 值；而 Transition 的狀態則介於 Connection 與 Disconnection 之間。由於自然天氣

的乾燥環境或人為的抽取地下水，河床下的土層內可能會出現非飽和的區域，使內 部的流動系統可以在 Connection 與 Disconnection 之間的狀態變化(Dillon and Liggett, 1983, Fox and Durnford, 2003, Osman and Bruen, 2002, Riviere et al., 2014)。

Osman and Bruen (2002)以及 Fox and Durnford (2003)對地表水與地下水之間的狀態 進行了數值方法的分析，發現當河床表層形成阻水層，且該河床阻水層的水力傳導 度降低至小於下方含水層的水力傳導度時，就有發生Disconnection 狀態的可能性。

Fig. 1.2 河流下含水層的狀態示意圖(Brunner et al., 2009, Winter et al., 1998)

Brunner et al. (2009)根據達西公式結合連續方程式以及土體的邊界條件推導出，

在固定水深的條件下，土層內是否可能出現非飽和之區域，即 Disconnection 狀態 的條件式(詳見 2.3 節)。由該條件式可知，當含水層的厚度不為零時，含水層內的 狀態是否可能發生 Disconnection 狀態，只跟固定水深、阻水層厚度以及阻水層與 含水層水力傳導度的比值有關，而不受含水層厚度的影響。若阻水層與含水層水力 傳導度的比值無法滿足該條件式時，此含水層內將不會出現非飽和的情況，而維持 在Connection 狀態。反之，若阻水層與含水層水力傳導度的比值滿足該條件式時，

隨著地下水位面的下降，含水層內將出現穩定的非飽和區域，且入滲率會趨於一個

定值(Fig. 1.3)。Riviere et al. (2014)透過砂箱實驗與數值模擬的方法亦得到類似的入 滲率關係曲線結果。此外，在過去的文獻中，也有學者提出其他判斷河川系統是否 處於Disconnection 狀態的方法。Covino and McGlynn (2007), Kalbus et al. (2006), Wald et al. (1986)表示當表面水位低於河床時，河流的系統即為 disconnection 狀態。

Bouwer and Maddock (1997), Braaten and Gates (2003), Sophocleous (2002)則表示，

若河道下方的地下水位深度大於河道寬度的兩倍，河流的系統為 Disconnection 狀 態。但在以上的兩種方法中，都忽略了許多的水文變量，使用這些方式作為 Disconnection 的判斷依據或許是不太適當的(Brunner et al., 2009)。

Fig. 1.3 入滲率 與壓力 勢能 隨 地 表 水 與地下 水位 面 間之 水 頭差的 關係 曲線 (Brunner et al., 2009)。

當多孔材質表面發生阻塞的過程後，由於發生地點的不同，阻塞可能帶來正面 的作用，亦或負面的影響：對於河川或湖泊中的生態，阻塞的作用就可能是一個有 利的機制，底床上發生阻塞時所造成的水力傳導度降低可以減少水的入滲損失，使 需要受保護的水體得以維持足夠的水深；然而對於需要補注的地下水井或人造的 排水設施如都市內的的透水鋪面等，阻塞則會造成不利的結果，因為入滲率的減少 是造成地表逕流增加的主要原因(Galli, 1992, Nozi et al., 1999, Raimbault et al., 1999, Warnaars et al., 1999)。根據 Siriwardene et al. (2007)的研究顯示城市排水系統最大

的隱患在於透水鋪面受到阻塞作用後，會因為孔隙受阻塞後所減少的入滲率，導致 地下水的補注或排水設施的排水量降低，增加地表逕流發生的頻率。

在過去的文獻中對於河床入滲的模擬大多都將河床下的土層視為單一材質，

而沒有考慮到阻水層對於入滲或地下水流動所造成的影響，然而，根據文獻可知是 否具有阻水層對於入滲率的影響是確實存在的，阻水層能有效降低入滲率，甚至可 能影響到地下水流動的情況，這對於了解河流的生態環境是相當重要的一環。