第五章 現場案例應用及分析
5.2 模擬成果及分析
以 EFA 水理輸砂模式進行石門水庫庫區沉滓傳輸底床沖淤模擬，
採用 92 年 4 月之原始底床模擬 93 年 8 月艾利颱風對水庫之影響。圖 5-4 為水庫在模擬期間，下游水庫出流量實測值與模擬結果比較圖，
其中實測出流量包括水庫放流量與洩洪量，在模擬期間之水庫總出水
量為
4.7 10 ×
7噸與模擬總出水量約為4.77 10 ×
7噸差異不大，因此水理驗證方面有不錯的結果，在輸砂運移方面，由圖 5-5 可見模擬範圍羅浮 至壩址前整體河床及水位變化情形，圖 5-6 為底床變化量與實測結果 之比較，與實測相比，整體趨勢也有相當不錯的結果。而鑑於淤積面 日漸升至發電進水口擋泥牆頂，石門水庫管理局於民國 67 年起開始 規劃壩前庫區之清淤計畫，因此民國 74 年起在下游段庫區以水力抽 泥船清淤壩前 1.5 公里範圍之淤泥，每年抽泥 300,000 至 450,000 m3， 淤積面亦平均下降 7.2m，故為造成模擬結果在壩址前 1.5 Km 庫區差 異之可能原因。在庫區下游部分，亦有 2 至 5 公尺的低估誤差結果，
主要原因為斷面測量時間間距為一年左右，而本案例模擬時間僅挑選 民國 93 年造成石門水庫入流流況衝擊最大的颱洪事件，相對於當年
43
其他颱洪暴雨事件，假設對凝聚性沉滓淤積沖刷影響力不大，以及凝 聚性沉滓的沉淤速度極緩慢，參考周(2005)對於石門水庫中凝聚性沉 滓沉淤試驗歸納出石門水庫沉降速度迴歸式，而推算每天石門水庫沉 淤深度約數公分左右，因此當石門水庫下游為靜水狀態時，年估沉淤 深度也將達到三至四公尺，此為模擬結果在石門下游沉淤低估的主因 之一。對於水庫庫區長期下來皆處於靜水狀態，而凝聚性沉滓在高濃 度狀況下，長時間沉澱過程亦是造成水庫淤積原因之一。
為比較凝聚性沉滓與非凝聚性沉滓之差異性，假設另一組無凝聚 性之案例，比較模式中考慮凝聚性與否對水庫沖淤的影響。利用 Van Rijn 非凝聚性沉滓運移機制進行模擬，圖 5-6 可以發現底床淤積位置 皆在最上游庫區，而其餘庫區域細顆粒皆無沉淤的情形發生，與考慮 凝聚性沉滓機制結果差異甚大。由圖 5-14 粒徑組成可以很明顯的發 現主要沉淤為代表粒徑 3mm 者所造成的，而中下游庫區則各顆粒依 舊為初始粒徑組成狀態。對於非凝聚性懸浮質下移到河床表面，主要 是受重力的影響，因懸浮質的沉降速度決定向下沉澱的移流通量，而 最小代表粒徑 0.003mm 由於重量輕相對沉降速度緩慢，Stoke 定理換 算出單一顆粒之沉降速度約
2.69 10 ×
−6m s/
為一極小值，導致不考慮凝 聚性時，此細顆粒沉滓幾乎形成懸浮質狀態，故模擬結果可以發現中 下游處無細顆粒沉滓落淤的情形發生，為考慮沉滓凝聚性與否的主要差異性。因此，由圖 5-10 為不考慮凝聚性狀況下，代表粒徑 0.003mm 相對圖 5-7 考慮凝聚性狀況下，有較大的懸浮濃度。在凝聚性沉滓方 面，由第一章文獻回顧及敏感度分析得知，沉滓大小並非為沉淤速度 的考量因素，而在於顆粒間的凝聚力，由此由石門水庫案例可知在不 考慮沉滓的凝聚性方面，沉降速度是有明顯低估，因此產生模擬結果 有甚大的差異。
在濃度變化結果方面，圖 5-7 為颱洪模擬結束後各粒徑懸浮濃度 變化情形，由圖 5-7 得知退水時程結束後，其上游己無含砂量的加入，
因 此 在 上 游 並 無 明 顯 的 濃 度 變 化 ， 而 在 下 游 庫 區 處 ， 代 表 粒 徑 0.003mm 及 0.05mm 所造成的含砂濃度愈往下游愈大，達到壩址前已 達 70,000ppm 左右，而最大代表粒徑 3mm 所造成的濃度為 34,000ppm 左右，低於凝聚性沉滓部分，但因艾利颱洪高流量的衝擊之下，易造 成不少非凝聚性沉滓的懸浮濃度。
圖 5-8 為石門水庫壩址在艾利颱風期間濃度變化的情形，模擬 結果發現石門壩址處在漲水時段與尖峰時段間，濃度快速的提升，而 在退水期間濃度才緩慢的降低，因此可見沉滓在下游處易造成高濃度 的現象，且水體中之沉滓濃度因沉降速度緩慢不容易沉澱下來，符合 凝聚性沉滓的物理現象。圖 5-9 係假設艾利颱洪退水歷線形式為
0 t
Qt
=
Q K 退水歷線公式，式中 K 為退水常數，設定為 0.99，持續模45
擬至 29 日 13 時的濃度變化圖，與水庫實測濃度值相比較，模擬結果 發現濃度較為線性趨勢變化且變化量不大，原因在於一維模式中濃度 已經水深平均處理，加上凝聚性沉滓在水中易相互影響，濃度不易有 劇烈變化，必須經過長時間的沉澱作用，庫中濃度才會緩慢的降低，
模擬趨勢尚符合物理現象，模擬值與實測值相比較，一維有限解析法 動床模式在凝聚性沉滓運移機制方面有不錯的結果。
在粒徑組成方面，如圖 5-11、圖 5-12、圖 5-13 所示，為各粒徑 在模擬案例中漲水段、尖峰段及退水段之粒徑組成模擬結果比較圖，
可以發現漲水段時期非凝聚性沉滓為上游段淤積的主因之一，而中下 游段粒徑分佈幾乎為初始的狀態，尚還未受到颱洪的影響，在尖峰時 刻時，可發現中下游處已有變化，凝聚性沉滓的比例逐漸提升，表示 凝聚性沉滓已受到上游龐大入砂量的影響而開始沉淤。在颱洪事件退 水後，可觀察到粗顆粒 3mm 在上游端庫區淤積部分佔了極大的比例，
相較代表粒徑 0.003mm 及 0.05mm 則是佔了一小部分，因此在底床 變化圖中庫區上游段幾乎是非凝聚沉滓所造成的，而凝聚性顆粒則因 顆粒重量輕，易被水流帶往中下游處，而愈往下游可發現凝聚性沉滓 的 比 例 是 有 遞 增 的 趨 勢 ， 在 壩 址 前 五 公 里 至 壩 址 處 ， 代 表 粒 徑 0.003mm 幾乎是造成水庫淤積的主要原因。
第六章 結論與建議
本研究利用一維 EFA 動床模式，探討凝聚性沉滓傳輸機制，參 考國內外文獻，對凝聚性沉滓基本特性進行敘述，在沖刷淤積案例中，
以粒徑 0.01mm 為凝聚性沉滓進行模擬，並針對各影響因子作一系列 敏感度分析，另採用石門水庫為案例，並比較凝聚性沉滓與非凝聚性 沉滓之間差異性，以下是本研究獲致之結論與建議。