第五章 初始地下水位對坡地崩塌之影響分析
5.2 模擬案例與參數說明
以霞雲站上游集水區為例，降雨事件以艾利颱風作探討，分別以空 間不均勻分佈地下水位(根據 4.4 節艾利颱風前之模擬結果，如圖 5.1 所 示)與假定地下水位為均值時(1m、2m、3m、4m)進行模擬，模式所需之 地質參數同前章節所述。
5.3 分析結果
將初始地下水位空間不均勻分佈與初始地下水位為均值 4m、3m、 2m、1m 的情形，對艾利颱風進行模擬，模擬結果如圖 5.2、表 5.1、表 5.2 所示，初始地下水位1m~4m的崩塌情形隨著降雨量愈大，地下水位 愈高，崩塌面積逐漸遞增，整體崩塌趨勢斜率較陡峭，反之初始地下水 位為空間不均勻分佈的情形，由於地下水位較靠近地表，模擬時間到第
18hr ，此時已飽和土壤呈現大範圍崩塌，在第 18hr 後，土體大多已呈
飽和狀態，亦即地下水位越靠近地表，因此崩塌面積隨降雨量增加而上 升的趨勢已相當平緩，崩塌變化斜率在模擬時間一天後逐漸平緩。
23
初始地下水位空間不均勻分佈與地下水位均值為1m，模擬時間第6
度55.3%。
模擬時間第 36hr，與地下水位均值為 1m 之崩塌面積差距崩塌面積
差距 192ha，差異程度 18.5％，與地下水位均值為 2m 之崩塌面積差距
388ha，差異程度37.5%，與地下水位均值為3m之崩塌面積差距466ha， 差異程度 45%，與地下水位均值為 4m 之崩塌面積差距 478ha，差異程 度46.1%。
模擬時間第 42hr，與地下水位均值為 1m 之崩塌面積差距崩塌面積 差距99ha，差異程度9.5％，與地下水位均值為2m之崩塌面積差距288ha，
差異程度27.6%，與地下水位均值為3m之崩塌面積差距391ha，差異程
度 37.5%，與地下水位均值為 4m 之崩塌面積差距 403ha，差異程度
38.7%。
當模擬時間終了與地下水位均值為 1m之崩塌面積差距 47ha，差異
程度 4.5% ; 與地下水位均值為 2m 之崩塌面積差距 185ha，差異程度
17.6%，與地下水位均值為 3m之崩塌面積差距 316ha，差異程度 30.2%， 其中差異程度最大的是設均值為4m之情況，崩塌面積差距 346ha，差異 程度32.9%。
25
第六章 結論
1. 地形指數模式參數敏感度分析結果顯示，對洪峰流量影響較大之參 數依序為土壤流通度、退水係數、初始地下水位，根系層蓄水量與 重力排水延時則較不敏感；對洪峰到達時間而言，僅坡面流速會對 其造成影響。
2. 初始地下水位對崩塌模式之敏感度分析結果得知，當總降雨量在
200mm 時，初始地下水位設定對崩塌面積影響差異最大，差異程度
45.5%，總降雨量 1200mm，差異程度 16.6%，當總降雨量愈大，初
始地下水位的設定對崩塌影響相對越輕微。
3. 經由地形指數模式係數率定與驗證，初步檢定模式適用性，可作為 降雨事件來臨之前，空間不均勻分佈地下水位分析之工具。
4. 以地形指數模式求得較合理之初始地下水位空間不勻分佈與假定之 初始地下水位空間均值對艾利颱風進行崩塌模擬，得知初始地下水 位的設定對崩塌有一定影響。當地下水位設為均值 1m~4m 時，第 6hr 崩塌面積差異程度分別為 45.9%、60.8%、68.1%、69.8%，當模 擬時間終了(48hr)崩塌面積差異程度分別為 4.5%、17.6%、30.2%、 32.9%。
26
參考文獻
10. Beven K，Kirkby M J．“A physicaly based，variable contributing area model of basin hydrology”．Hydro Sci Bull，24：43-69,1979.
11. Beven, K. J.“Hillslope runoff processes and flood frequency characteristics,” in Adrahams, A. D. (ed.), Hillslope Processes,187-202, Allen and Unwin, Boston,1986a.
12. Beven, K. J. “Runoff production and flood frequency in catchments of
27
order n: an alternative approach,” in Gupta, V. K.,Rodriguez-Iturbe, I.
and Wood, E. F. (eds.), Scale Problems in Hydrology, Reidel, Dordrecht, 107-131,1986b.
13. Campos, T. M. P., Menezes, M. S. S., “A proposed procedure for slope stability analysis in tropical soils.＂Proc., 6th Int. Symp. On landslides, Christchurch, New Zealand, Balkema, Rotterdam, The Netherlands, Vol.
2, 1351-1355, 1991.
14. Eagleson, P. S. “Dynamics of Flood Frequency,” Water Resour.Res., 8(4), 878-898,1972.
15. Faisal Hossain, Emmanouil N. Anagnostou, Tufa Dinku1 and Marco Borga “Hydrological model sensitivity to parameter and radarrainfall estimation uncertainty”,2004.
16. Fannin, R. J., and Jakkola, J., “Hydrological response of hillslope soils above a debris-slide headscarp.＂ Can. Geotech. J., Vol. 36, No. 6, 111-1122, 1999.
17. Fredlund, D. G., and Rahardjo, H., “Soil mechanics for unsaturated soils.
＂Wiley, New York, 1993.
18. Keith J Beven “Hydrological Similarity and Distribution Function Rainfall-Runoff Models.” RAINFALL-RUNOFF MODELLING ,The Primer p.208-p.216, 2001.
19. Khazai, B., and Sitar, N. “Companion website for landslides in Native Ground” A GIS-Based Approach to Regional Seismic Stability Slope Stability Assessment, 2002.
20. Iverson RM “Landslide triggering by rain infiltration. ” Water Resources Research 36: 1897-1910, 2000.
21. James, B. and Keith R.. “Interactions between model predictions, parameters and DTM scales for TOPMODEL,” Computers &
Geosciences, 24(4), 299-314, 1998.
28
22. Johnson, D. L. and Miller, A. C. “A spatially distributed Hydrologic model utilizing raster data structure,” Computers & Geosciences, 23(3), 267-272, 1997.
23. Moore, I. D., Mackay, S. M., Wallbrink, P. J., Burch, G. J., and O’Loughlin, E. M. (1986). “Hydrologic characteristics and modelling of a small forested catchment in Southeastern New South Wales:
prelogging condition,” J. Hydrol., 83, 307-335, 1986.
24. Moore, I. D., O’Loughlin, E. M., and Burch, G. J. “A contour based Topographic model for hydrological and ecological applications,” Earth Surface Processes and Landforms, 13, 305-320, 1988.
25. O’Loughlin E M．“Prediction of surface saturation zones in natural catchments by topographic analysis[J] ”．Water Resour Res，22(5)： 794-804, 1986.
26. Project Management Institute, “A guide to the project management body of knowledge. ” PMBOK, pg. 257, 2005.
27. Quinn, P. F., Beven, K. J., Chevallier, P. and Planchon, O. “The prediction of hillslope flow paths for distributed hydrological modeling using digital terrain models,” Hydrol. Process., 5, 59-79, 1991.
28. Quinn, P. F. and Beven, K. J. “Spatial and temporal predictions of soil moisture dynamics, runoff, variable source areas and evapotranspiration for Plynlimon, mid-Wales,” Hydrol. Process.,7, 425-448, 1993.
29. Quinn, P. F., Beven, K. J. and Lamb, R. “The ln(a/tanB) index: how to calculate it and how to use it within the TOPMODEL framwork,”
Hydrol. Process., 9, 161-182, 1995.
30. Rahardjo, H., and Fredlund, D. G., “Procedures for slope stability analyses involing unsaturated soils. ” Developments in deep foundations and ground improvement schemes, Balkema, Rotterdam, The Netherlands, 33-56, 1995.
31. Seibert, J., Bishop, K. H. and Nyberg L. “A test of TOPMODEL’s
29
ability to predict spatially distributed groundwater levels,” Hydrol.
Process., 11, 1131-1144, 1997.
32. Skemptom, A. W., and Delory F. A. “Stability of natural slopes in London clay,” ASCE Journal, 2, 378-381, 1957.
33. Troch, P. A., De Troch, F. P. and Brutsaert, W. “Effective water table depth to describe initial conditions prior to storm rainfall in humid regions,” Water Resour. Res., 29(2), 427-434, 1993.
34. Wolock, D. M., Hornberger G. M., Beven K. J., and Campbell W. G.
“The relationship of catchment topography and soil hydraulic characteristics to lake alkalinity in the northeastern United States,”
Water Resour. Res., 25, 829-837, 1989.
35. Wolock, D. M. and McCabe Jr., G. J. “Comparision of single and multiple flow direction algorithms for computing Topographic Parameters in TOPMODEL,” Water Resour. Res., 31(5), 1315-1324,1995.
30
表3.1地形指數模式參數基質設定一覽表
時間 200mm 400mm 600mm 800mm 1000mm 1200mm 12hr 184 194.24 203.04 216.96 234.24 250.72 24hr 230.24 289.76 327.36 372.32 415.36 481.12 36hr 313.44 403.04 440.64 532.48 602.08 680.64 48hr 362.72 525.92 563.04 663.04 731.2 864.8
表3.3不同總降雨量、初始地下水位深度為3m的崩塌情形
單位:ha 雨量
時間 200mm 400mm 600mm 800mm 1000mm 1200mm 12hr 193.92 203.2 212 226.88 243.52 259.52 24hr 239.2 299.84 339.84 382.08 424.64 489.12 36hr 325.12 414.24 445.44 540.8 607.2 697.28
時間 200mm 400mm 600mm 800mm 1000mm 1200mm 12hr 240.64 249.6 264.8 284 301.28 326.4 24hr 298.72 359.68 381.92 427.04 484.64 560.32 36hr 399.04 462.4 496.8 590.08 672.16 796.32 48hr 518.08 584.64 609.92 746.56 866.4 985.76
表3.5不同總降雨量、初始地下水位深度為1m的崩塌情形
單位:ha 雨量
時間 200mm 400mm 600mm 800mm 1000mm 1200mm 12hr 331.36 347.52 362.56 385.12 402.08 423.52 24hr 402.72 434.72 456.8 533.92 606.4 711.68 36hr 514.56 576.8 600.16 741.92 848.8 968.64 48hr 666.72 732.16 758.24 922.72 998.08 1037.12
31
表3.6崩塌面積、初始地下水位與不同降雨量之關係
單位:ha 雨量
地下水位 200mm 400mm 600mm 800mm 1000mm 1200mm 4m 362.72 525.92 563.04 663.04 731.2 864.8 3m 379.52 536.64 570.08 673.6 758.4 909.6 2m 518.08 584.64 609.92 746.56 866.4 985.76 1m 666.72 732.16 758.24 922.72 998.08 1037.12
12hr 782.24 391.84 287.52 230.4 220.96 18hr 914.56 471.52 368.8 297.28 286.24 24hr 989.12 592.48 446.88 378.08 363.68 30hr 1022.72 720.2 555.52 472 457.28 36hr 1036 844.6 647.52 569.6 558.08 42hr 1042.56 943.52 754.88 652.48 639.52 48hr 1045.6 998.88 861.44 730.24 700.8
32
表5.2艾利颱風，初始地下水位空間不均勻分佈與均值之差異程度
單位:%
初始地 下水位 模擬時間
1m 2m 3m 4m 6hr 45.9 60.8 68.1 69.8 12hr 49.9 63.2 70.6 71.7 18hr 48.4 59.7 67.5 68.7 24hr 40.1 54.8 61.8 63.2 30hr 29.6 45.7 53.9 55.3 36hr 18.5 37.5 45 46.1 42hr 9.5 27.6 37.5 38.7 48hr 4.5 17.6 30.2 32.9
33
圖2.1 地形指數模式示意圖
圖2.2 多流向法示意圖
34
圖2.3 集流面積示意圖
圖3.1 案例設計地形指數面積分佈圖
35
0 1 2 3 4 5 6 7
1 3 5 7 9 11131517192123252729313335373941434547495153555759 Time ( hr )
Rain( mm )
圖3.2 案例設計降雨組體圖
圖3.3 地形指數模式參數敏感度分析結果(洪峰流量)
36
圖3.4 地形指數模式參數敏感度分析結果(洪峰到達時間)
37
圖3.5 霞雲站上游集水區坡度示意圖
38
圖3.6 霞雲站上游集水區地質分佈圖 資料來源：石門水庫特定水土保持區規劃報告
0 1 2 3 4 5 6 7
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 Time ( hr )
Rain( mm )
圖 3.7 模擬降雨型態示意圖
39
184
241
667
200 400 600 800 1000 1200
初始地下水位1m
圖4.1 霞雲站上游集水區高程示意圖
43
圖4.2 霞雲站上游地形指數面積分布曲線圖
44
圖4.3 霞雲站上游集水區地形指數值之空間分佈
45
0 20 40 60 80 100 120
1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351
Time ( Day )
Rain ( mm)
圖4.4 2003 年霞雲站上游集水區降雨組體圖
0 10 20 30 40 50 60
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
Time ( hr )
Rain ( mm )
圖4.5 2004 年艾利颱風於霞雲站上游集水區降雨組體圖
46
0
圖4.8 地形指數模式流量模擬結果(2003)
圖4.9 地形指數模式流量模擬結果(2004 艾利颱風)
48
圖5.1 霞雲站上游集水區初始地下水位空間分佈圖
49
圖5.2 初始地下水位空間分佈與不同均值地下水位之崩塌示意圖
50
附錄一
ArcView GIS 3.2 集水區劃分方法:
圖一.開啟外掛模組
圖二.勾選 3D Analyst ，HEC GeoHms1.1，JPEG(JFIF)Image Support，Spatial Analyst 51
圖三.於 MainView 加入集水區 grid 檔
圖四.設定集水區單位本研究以公尺為例
52
圖五.完成匯入石門水庫集水區
圖六.進入地形處理(Terrian Preprocessing)功能欄執行相關地形分析 53
圖七.完成地形處理
圖八.確定選定集水區範圍 54
55
圖九.完成集水區劃分