民國 98 年莫拉克颱風驗證案例模擬條件

(1) 斷面資料：以北水局提供之民國 97 年 12 月石門水庫大斷面為初始 底床，範圍自上游斷面 32(羅浮)至下游斷面 3(石門壩址)。斷面範圍 如圖 4-3 所示。

(2) 入流量：民國 98 年莫拉克颱風，觀測期間共計 79 小時；其上游入 流量歷線如圖 4-18 所示。

(3) 入砂濃度：民國 98 年交通大學林志平教授團隊完成石門水庫全洪 程觀測，在莫拉克颱風期間於羅浮處測得逐時之懸浮載泥砂濃度；

入砂濃度歷線如圖 4-18 所示。

(4) 下游水位：下游水位使用北水局記錄莫拉克颱洪期間之石門水庫水

51

位資料，其歷線如圖 4-19 所示。

(5) 沉滓粒徑：使用模式檢定後之單一代表粒徑 0.008mm。

(6) 凝聚性沉滓參數設定：沉降剪應力採用 Lumborg (2005)建議黏土及 泥漿的沉降剪應力值為 0.1N/m²，凝聚性沉滓則假設濕密度為

52

圖 4-19 驗證案例下游邊界條件_莫拉克颱風

4.3.2 民國 98 年莫拉克颱風驗證案例模擬結果分析

圖 4-20 為石門水庫平均排砂濃度實測值與模擬值之比較，由圖中可知，

實測值與模擬值間雖仍有差距，平均濃度相差最多達 10000ppm，但其泥砂 濃度升降趨勢仍是相符合的。將不同時間點，石門壩址處水深方向濃度剖 面模擬值與實測值作比較，如圖 4-21 到圖 4-23。

以 van Rijn 公式計算得之泥砂濃度剖面與實測值仍有差距，主要原因 為一維模式無法精準描述水庫異重流對泥砂濃度的影響。但無論是實測值 或模擬值，皆反應出洩水設施高程越低，其排砂濃度越高的趨勢。

220.0 225.0 230.0 235.0 240.0 245.0 250.0

0 20 40 60 80

水位 (m )

時序(hr)

下游邊界水位歷線

石門水庫水位

53

圖 4-20 莫拉克颱風石門水庫平均排砂濃度驗證結果

圖 4-21 泥砂濃度剖面_莫拉克颱風 16hr

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 10 20 30 40 50 60 70 80

濃度 (1 0

3

p p m )

時序(hr)

莫拉克颱風平均排砂濃度

實測值 模擬值

170 180 190 200 210 220

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

高程 (m )

泥砂濃度(ppm)

石門水庫壩址處水深方向濃度剖面 (T=16hr)

模擬值 實測值

54

圖 4-22 泥砂濃度剖面_莫拉克颱風 24hr

圖 4-23 泥砂濃度剖面_莫拉克颱風 48hr

170 180 190 200 210 220

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

高程 (m )

泥砂濃度(ppm)

石門水庫壩址處水深方向濃度剖面 (T=24hr)

模擬值 實測值

170 180 190 200 210 220

0 5000 10000 15000 20000

高程 (m )

泥砂濃度(ppm)

石門水庫壩址處水深方向濃度剖面 (T=48hr)

模擬值 實測值

55

圖 4-24 為莫拉克颱風期間各設施排砂濃度歷線，圖 4-25 為配合平均排 砂濃度與水深方向泥砂濃度剖面所得之各設施排砂濃度。

圖 4-24 各設施實測排砂濃度_莫拉克颱風

圖 4-25 各設施模擬排砂濃度_莫拉克颱風

模擬之各設施尖峰排砂濃度多集中於第 30 小時到第 40 小時之間，電 廠泥砂濃度峰值約 2 萬 ppm，排洪隧道則是 2000 ppm。而實測值中，電廠

0 5 10 15 20 25

0 10 20 30 40 50 60 70 80

濃度(103ppm)

時序(hr)

莫拉克颱風各設施排砂濃度

電廠

排洪隧道

0 5 10 15 20 25

0 20 40 60 80

濃度(103ppm)

時序(hr)

模擬各設施排砂濃度

電廠 排洪隧道

56

排砂濃度分布較均勻，第 30 小時到第 50 小時間泥砂濃度皆超過 1 萬 ppm，

排洪隧道在第 32 小時啟動，尖峰泥砂濃度約為 2000 ppm。

將各設施排砂濃度與各設施實測出流量(如圖 4-26)作積分運算，得其排 砂 量 ， 並 與 上 游 羅 浮 處 入 砂 量 作 比 較 ， 計 算 各 設 施 之 排 砂 效 率

(



100%

上游羅浮處入砂量 各設施排砂量

)整理如表 4-5，而表 4-6 為實測資料所整理出的排 砂效率。兩相比較，模擬結果之總排砂效率比實測值少約 5%。以石門水庫 泥砂比重 1.12 公噸/立方公尺(水規所，2010a)推算，實測之泥砂淤積了 142 萬立方公尺，而模擬結果則為 150 萬立方公尺。

圖 4-26 各設施出流量_莫拉克颱風

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

流量 (c m s)

時序(hr)

各設施出流量

電廠

排洪隧道

57

表 4-5 莫拉克颱風期間排砂效率_模擬結果

入(排)放口 入(過庫)砂量(萬噸) 排砂比(%)

羅浮 184 -

石門電廠 12.9

16.5 7.0 9.0

排洪隧道 3.6 2.0

表 4-6 莫拉克颱風期間排砂效率_實測資料

入(排)放口 入(過庫)砂量(萬噸) 排砂比(%)

羅浮 184 -

石門電廠 18.0

25.0 9.8

13.6

排洪隧道 7.0 3.8

(資料來源：水規所，2010b) 圖 4-27 為民國 98 年石門水庫模擬結束之底床與水位由羅浮至壩址前沿 程變化情形。

圖 4-28 為庫區沿程的底床變化量模擬值與實測值之比較，整體趨勢有 不錯的成果。羅浮往下游約 8 公里範圍內，模擬與實測之底床變化差異較 大，差距最大處約 2.5 公尺；而羅浮下游 8 公里到壩址前 4 公里誤差皆於 0.5 公尺以內；壩前淤積的模擬結果誤差較大，模擬結果顯示該處並未有刷 深之現象，民國 98 年實測底床比民國 97 年還低，推測是因為莫拉克颱風 後，壩前積極清淤的結果。

58

0 4000 8000 12000 16000

高程(m)

0 4000 8000 12000 16000

底床變化量(m)

斷面32羅浮至壩址距離(m)

模擬民國98年颱洪後底床變化量

實測值 模擬值

59

第五章 水力排砂效能評估

5.1 石門水庫既有設施防淤功能改善工程規劃簡介

水規所(2009)以民國 93 年艾利颱風為模擬事件，針對石門水庫既有設 施作物理模型詴驗，探討既有設施改善前後的排砂效率。

在設施改善前的案例中，河道放水口與電廠 2 部設計流量約 110cms，

以及石門大圳與排洪隧道 2 座設計流量共 1,600cms；如圖 5-1 所示。

圖 5-1 石門水庫設施改善前示意圖

水工物理模型詴驗模擬艾利颱風量測各設施排放口流量與泥砂濃度關 係，推算總過庫泥砂量 1,271 萬噸，排砂比 43.65%，如表 5-1 所示。

} ^1600cms

}110cms

60

表 5-1 模擬艾利颱風入庫各設施排砂量百分比_改善前

總加砂 2,912 萬噸 排洪隧道 溢洪道 電廠及河道

放水口 石門大圳 總和

排砂量(萬噸) 232 580 426 33 1271

排砂百分比(%) 7.97 19.92 14.63 1.13 43.65 資料來源：水規所(2009)

而水庫設施更新改善工程有兩個方案，分別簡述如下。

方案一為河道放水口與電廠 2 部設計流量增加至 400 cms，以及 石門大圳與排洪隧道 1 座設計流量增加至 1,000 cms。其中排洪隧道 左側進水口由原本的高程 220 公尺向下延伸至高程 190 公尺處，以引 取靠近水庫底床泥砂濃度較高之濁水以提高排砂效率，右側則是維持 原本的高程，設計流量 800cms；如圖 5-2 所示。

圖 5-2 石門水庫設施改善方案一示意圖

水工物理模型詴驗模擬艾利颱風，並量測各設施排放口流量與濃 度關係，推算總過庫泥砂量 1,733 萬噸，排砂比 59.4%，如表 5-2 所

800cms(右) 1000cms(左)

}400cms

61

示。

表 5-2 模擬艾利颱風入庫各設施排砂量百分比_方案一

總加砂 2,912 萬噸 排洪隧道

溢洪道 電 廠 及 河 道

放水口 石門大圳 總和

左 右

排砂量(萬噸) 527 80 353 760 13 1733

排砂百分比(%) 18.1 2.7 12.1 26.1 0.4 59.4 資料來源：水規所(2009)

方案二為河道放水口與電廠 2 部設計流量增加至 700 cms，以及 石門大圳與排洪隧道 2 座設計流量增加至 1,800 cms。其中排洪隧道 進水口高程由原 220 公尺向下延伸至庫床，引取泥砂濃度較高之濁水 以提高排砂效率；如圖 5-3 所示。

圖 5-3 石門水庫設施改善方案二示意圖

水工物理模型詴驗模擬艾利颱風量測各設施排放口流量與濃度 關係，推算總過庫泥砂量 1,764 萬噸，如表 5-3 所示。

1800cms

}700cms

62

63

(3) 入砂濃度：水規所物理模型詴驗中，艾利颱風總入庫砂量為 2,912 萬噸，為了與物模結果作比較，調整石門水庫上游入流 量-懸浮載泥砂濃度率定公式為 Q_s(ppm)=146.6×Q(cms)^1.6693，使 總入庫砂量與物理模型詴驗一致。入砂歷線如圖 5-4 所示。

(4) 下游水位：下游水位使用北水局記錄颱洪期間之石門水庫水位 資料，其歷線如圖 5-5 所示。

圖 5-5 下游邊界條件_民國 93 年艾利颱洪

(5) 沉滓粒徑：使用第四章模式檢定後，石門水庫簡化後的單一代 表粒徑 0.008mm。

(6) 洩水設施條件：為簡化下游邊界，對不同案例的各洩水設施條 件作假設。其中河道放水口之高程與電廠相近，且其設計流量 只有 34cms，故將河道放水口併入電廠考慮。石門大圳設計流 量 13cms，相對流量甚小，且不在改善工程規劃之列，故忽略 不計。改善前的案例中，電廠與河道放水口高程 173 公尺，合 計流量 110cms；排洪隧道高程 220 公尺，設計流量 1600cms。

方案一中，電廠與河道放水口高程 173 公尺，合計設計流量

241.0 241.5 242.0 242.5 243.0 243.5 244.0 244.5 245.0 245.5 246.0 246.5

0 10 20 30 40 50 60

水位(m)

時序(hr)

下游邊界水位歷線

石門水庫水位

64

400cms；排洪隧道左側進水口高程 190 公尺，設計流量 1000cms，

右側進水口設計流量 800cms 併入溢洪道計算。方案二中，假 設電廠、河道放水口與排洪隧道高程 173 公尺，合計設計流量 2500cms。

(7) 下游邊界條件：依照物理模型詴驗條件，調整數值模型出流處 之斷面幾何形狀如圖 5-6~圖 5-8 所示，分別為設施改善前、方 案一與方案二。

圖 5-6 水庫下游邊界幾何斷面_改善前

170 180 190 200 210 220 230 240 250

0 50 100 150 200 250 300 350

高程(m)

累距(m)

水庫下游邊界幾何斷面_改善前

65

圖 5-7 水庫下游邊界幾何斷面_方案一

圖 5-8 水庫下游邊界幾何斷面_方案二

170 180 190 200 210 220 230 240 250

0 50 100 150 200 250 300 350

高程(m)

累距(m)

水庫下游邊界幾何斷面_方案一

170 180 190 200 210 220 230 240 250

0 50 100 150 200 250 300 350

高程(m)

累距(m)

水庫下游邊界幾何斷面_方案二

66

模擬結果分析：

(1)改善前

圖 5-9 為各設施排放的泥砂濃度，其中尖峰泥砂濃度最高的是電 廠進水口，約有 60 萬 ppm，其次為排洪隧道約 17000 ppm，最後是 溢洪道約 10800 ppm。由各排放口出流濃度歷線可知，位於不同高程 處排放泥砂濃度之差異。各設施排放泥砂濃度搭配各設施出流量(圖 5-10)作積分運算，可得各設施之排砂量，並可進一步分析其排砂效 率。

水庫各設施排放口排砂量分析結果，如表 5-4 所示。由泥砂濃度 與流量推算溢洪道之排砂量為 337 萬噸，佔總入庫砂量 11.6%；排洪 隧道之排砂量為 166.7 萬噸，佔總入庫砂量 5.7%；電廠與河道放水口 改建前防淤功能達 540.9 萬噸，佔總入庫砂量 18.6%。總過庫泥砂量 1044.9 萬噸，排砂比 35.9%。

圖 5-9 各設施排放泥砂濃度_改善前

0 100 200 300 400 500 600 700

0 10 20 30 40 50 60

泥砂濃度(103ppm)

時序(hr)

各設施排放泥砂濃度_改善前

電廠與河道放水口 排洪隧道

溢洪道

67

圖 5-10 各設施出流量_改善前

表 5-4 艾利颱風期間排砂效率_改善前

總加砂 2,912 萬噸 排洪隧道 溢洪道 電廠與河道放水口 ^總和 排砂量(萬噸) 166.7 337.3 540.9 1044.6 排砂百分比(%) 5.7 11.6 18.6 35.9

(2)方案一

水庫各排放口出流濃度歷線圖，如圖 5-11 所示。尖峰泥砂濃度 最高是電廠進水口 28 萬 ppm，排洪隧道 5.8 萬 ppm，最後是溢洪道 10800 ppm。由各排放口出流濃度歷線可知，位於不同高程處排放泥 砂濃度之差異。由於低高程洩水口能力由 110cms 增加至 400cms，單 位時間可排放濁水量增加，減緩異重流渾水運移至壩前無法即時排出 之現象，因此電廠處之尖峰泥砂濃度由 60 萬 ppm 降低為 28 萬 ppm。

各設施排放泥砂濃度搭配各設施出流量(圖 5-12)作積分運算，可 得各設施之排砂量，並進一步分析其排砂效率。

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

流量 (c m s)

時序(hr)

各設施出流量_改善前

電廠與河道放水口 排洪隧道

溢洪道

68

69

表 5-5 艾利颱風期間排砂效率_方案一

總加砂 2,912 萬噸 排洪隧道 溢洪道 電廠與河道放水口 ^總和 排砂量(萬噸) 530.0 271.2 733.8 1534.6 排砂百分比(%) 18.2 9.3 25.2 52.7

(3)方案二

水庫各排放口出流濃度歷線圖，如圖 5-13 所示。尖峰泥砂濃度 最高是電廠、河道放水口與排洪隧道 8.6 萬 ppm，其次為溢洪道 10000ppm。由各排放口出流濃度歷線可知，位於不同高程處排放泥 砂濃度之差異。方案二的低高程洩水口洩水能力比方案一的低高程洩 水口洩水能力多 2100cms，大部分渾水可排出庫區而不壅積於壩前，

故低高程處之尖峰泥砂濃度相比方案一的情況又降低許多。各設施排 放泥砂濃度搭配各設施出流量(圖 5-14)作積分運算，可得各設施之排 砂量，並可進一步分析其排砂效率。

水庫各設施排放口排砂量分析結果，如表 5-6 所示。由泥砂濃度 與流量推算溢洪道之排砂量為 245.3 萬噸，佔總入庫砂量 8.4%；電廠 改建後連同河道放水口擴充出流量達 700cms，加上排洪隧道進水口 延伸至庫底可引取流量 1800cms，合計流量 2500cms 的低高程洩水口 於艾利颱洪期間防淤達 1365.2 萬噸，佔總入庫砂量 46.9%。總過庫泥 砂量 1610.5 萬噸，排砂比 55.3%。

70

圖 5-13 各設施排放泥砂濃度_方案二

圖 5-14 各設施出流量_方案二

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60

泥砂濃度(103ppm)

時序(hr)

各設施排放泥砂濃度_方案二

電廠、河道放水口與 排洪隧道

溢洪道

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

流量 (c m s)

時序(hr)

各設施出流量_方案二

電廠、河道放水口與排洪隧道

溢洪道

71

72

水庫底床比較，在設施改善前，壩址前淤積最高 7.2 公尺，而壩址前 1 公里範圍內底床淤積都在 5 公尺以上。在方案一與方案二設置的情 況下，壩前淤積明顯降低，最多可減少底床淤積 3 公尺。

圖 5-16 不同方案水庫底床變化量_艾利颱風

0 1 2 3 4 5 6 7 8

10514 11514 12514 13514 14514 15514

高程(m)

羅浮至壩址累距(m)

不同方案水庫底床變化量_艾利颱風

改善前 方案一 方案二

壩址

73

第六章 結論與建議

本研究利用一維有限解析法數值模式，配合凝聚性沉滓機制，探 討水庫水力排砂之效率，並以泥砂淤積問題嚴重的石門水庫為應用對

本研究利用一維有限解析法數值模式，配合凝聚性沉滓機制，探 討水庫水力排砂之效率，並以泥砂淤積問題嚴重的石門水庫為應用對

在文檔中 一維顯式有限解析法應用於石門水庫水力排砂之研究 (頁 66-0)