第一章 緒論
1.2 文獻回顧
1.2.1 水庫水力排砂相關研究
在中國，因泥砂淤積而減少的水庫庫容約佔 66%； Fan & Morris
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(1992)針對中國的三門峽水庫、官廳水庫、雙江水庫和劉家峽水庫庫 區內的泥砂沖刷及淤積情況，依據現地觀測資料進行定性及定量之探 討。泥砂在水庫中的行為主要可分為三項：(1)粗顆粒多集中沉積於 庫區上游，於水庫迴水區起點處形成三角洲。(2)隨水流進入庫區的 細顆粒沉滓在壩前沿程淤積。(3)洪水期間形成異重流，使清水在上 而渾水在下沿庫底往壩址移動。
Wang et al. (2009)對水庫泥砂所造成的問題進行討論，包括在迴 水區泥砂淤積造成底床抬升增高洪水位、泥砂進入水力發電設施造成 管路堵塞以及減少水庫蓄水量等；並且對於水庫泥砂的控制，提出了 以下策略：
(1) 蓄清排渾：在非汛期，入庫泥砂濃度不高時水庫採高水位操 作，儲蓄清水；而在汛期間採低水位操作，降低水庫水位以 增加入庫水流挾砂能力，連水帶砂一併排至庫區下游。
(2) 異重流排砂：於颱洪期間，大量入庫水砂在水庫庫區中會形 成異重流現象，使得庫區中接近底床的水流挾帶了高濃度泥 砂，可利用水庫低高程洩水孔將運移至壩前的高含砂水流排 出，可有效降低水庫泥砂濃度以及減少泥砂淤積。
(3) 空庫排砂：將水庫水位降至底孔高程，使入庫水流可直接藉 底孔排出，除了將入庫泥砂隨水流排出，甚至可擾動水庫已 沉澱之淤泥，隨水流排出庫區，增加庫容。然而因為此種水 力排砂方式會於短時間內，將大量水庫沉泥帶到庫區下游，
使沉泥內富含之重金屬連砂帶水流入下游河道，為生態環境 帶來極大的負面影響。
(4) 人工清淤：使用機械挖泥、抽泥將淤積泥砂移出庫區，或擾 動庫底使淤泥可藉水流排出庫區。與前三項水力排砂策略比
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較起來，人工清淤相對較無效率。
Khosronejad (2009)使用一維水理輸砂模式模擬伊朗 Sefid-Roud 水庫之水力排砂操作，並分別以 1980 年和 1981 年的現場觀測資料作 檢定驗證。確認此數值模式適用於 Sefid-Roud 水庫後，模擬颱洪事件 中不同的水庫底孔操作方式(水庫放流量)，提出最有效率的排砂操作 策略。
位於巴基斯坦的 Tarbela 水庫亦受到泥沙淤積的威脅，一旦泥沙 將壩址處的進水口堵塞，將使水電站及灌溉供水系統失去功能。Emma et al. (2000)應用”Hydro”套裝軟體，模擬 Tarbela 水庫於不同水砂條件 下，未來六十年的發電與灌溉效益；模擬結果顯示，設置潛沒堰保護 進水口避免泥砂淤積，以及低高程的排砂設施對水電系統供應無虞是 最有效的。
Sloff (1997)以 Tarbela 水庫及位於相同河道上的其它計畫興建水 庫為研究對象，同時考慮了泥砂模式與水資源調度模式，以達成放水 灌溉和水力發電最佳化之水庫操作策略。
Parker et al. (2007)進行水工模型詴驗(實驗水槽布置如圖 1-2)，模 擬水庫中的異重流過程，並以其觀測資料為基礎，發展了一套具異重 流機制的數值模式，用來推求水庫的囚砂率。
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圖 1-2 Parker et al. 水工詴驗模型水槽
(資料來源：Parker et al. 2007) 賴(2004) 建立入庫泥砂觀測系統，實際調查水庫現場渾水異重 流垂直濃度分佈及評估設置減淤通道之可行性，並配合水理模型詴驗 與數值模式，探求適合於台灣水庫之減淤操作方式及減淤通道型式.。 1.2.2 石門水庫防淤相關研究報告
水利署為改善石門水庫淤積問題，主導多項研究計畫，以下摘要 相關計畫之研究成果。並且將許(2008)使用一維顯式有限解析法應用 於石門水庫之成果作一簡單說明。
(1) 石門水庫既有設施防淤功能改善工程計畫 (2006) 報告引用凌來水等 (1991)排砂比函數公式：
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2 K
t K
Q K
H 1
s
K
(1-1)估算石門水庫的排砂比ηS。式中，ηS=
入砂量 排砂量，
H=2 1
H
H
，
Q=2 1
Q
Q
，8
t= 21
3600 T V
Q t
，H1為清水面以下水深(公尺)，H2為渾水水深(公尺)，
V 為渾水庫容(萬立方公尺)，t1為入庫洪水持續時間(hr)，T 為入庫洪 水不排砂歷時(hr)，Q1 為一場洪水的平均入流量(cms)，Q2 為一場洪 水的平均出流量(cms)；K1、K2、K3、K4為待迴歸參數；該報告引用 中國恒山、汾河水庫排砂資料驗算及對黑松林水庫排砂驗算結果，取 K1＝1.175，K2＝-1.026，K3＝-0.655，K4＝-0.164。
以 89 年碧利斯、90 年納莉、94 年馬莎、85 年賀伯及 93 年艾利 颱風分別代表 2 年、5 年、10 年、20 年及 100 年重現期洪峰流量，
推估不同底孔洩水能力之排砂比如圖 1-3。
圖 1-3 石門水庫底孔洩水能力與排砂比關係
(資料來源：水規所，2006)
藉由改建的底孔(永久河道放水口、電廠和排洪隧道)洩水量將來 砂排洩，降低水庫渾水的濁度及淤積效應。改善設施整體而言並不影
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響石門水庫的洩洪能力，改建工程亦確保輸水路排除沉木的能力。永 久河道放水口、電廠設施及排洪隧道防淤功能改善後(底孔洩水能力 達 2,400 秒立方公尺)，預計排砂比將由原來之 16%增加至約 71%，
具有相當高之排砂效益。
(2) 石門水庫相關設施水工模型詴驗九十八年度期初報告 (2009) 水規所於民國 98 年以石門水庫為對象，進行水工模型詴驗。包 括電廠改建模型詴驗、增設取水工程詴驗、羅浮防砂設施詴驗、排洪 隧道改建詴驗以及水庫既有設施改善排砂減淤功能詴驗，分別簡介如 下：
i. 電廠改建模型詴驗：因低高程洩水口排放能力不足，異重流來不 及排放容易造成渾水累積，水庫下層渾水置換水庫上層清水溢洪排 出。因此，石門水庫急需擴增下層通道之排放高濃度渾水能力，提 升水庫防淤功能，達到「蓄清排渾」之目的。石門水庫電廠更新改 善工程主要目標，即配合颱洪期間入庫渾水異重流抵達電廠進水口
，擴大電廠排放流量由原本之 110cms 增為 462cms，以提升過庫泥 砂量。
ii. 增設取水工程詴驗：水庫異重流到達大壩附近來不及由下層排放 時，會累積造成下層取水之原水濁度過高，超過自來水公司處理能 力，導致無法供應民生用水與工業用水。因此，石門水庫急需增設 分層取水工工程，以利颱洪期間能分層取得濁度較低原水。本項增 設取水工工程包括上中下三層取水隧道，各層入口底部高程分別為 236 公尺、228 公尺及 220 公尺。
iii. 羅浮防砂設施詴驗：目前每年義興壩清淤量 25 萬立方公尺及羅 浮國軍清淤區 15 萬立方公尺，仍無法應付颱風豪雨沖蝕而下之土 砂量。因此，計畫於羅浮地區再增設攔砂設施，以有效攔阻入庫泥
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砂及擴增羅浮國軍清淤量，以延長水庫使用壽命及維持水庫正常營 運功能。本項規劃設計目的為增加沉砂功能與擴增清淤量，經考量 施工、生態及經濟效益等，評估結果以「樁體丁壩」型式掛淤為較 佳方案。
iv. 排洪隧道改建詴驗：石門水庫排洪隧道改善工程初步規劃案，其 中主要目標係配合颱洪期間入庫渾水異重流抵達排洪隧道進水口 前，藉由入口高程 220 公尺向下延伸管線至標高 190 公尺，排放下 層異重流與渾水潭，擴增下層排放流量提升過庫泥砂量。
v. 水庫既有設施改善排砂減淤功能詴驗：評估現況既有設施改善功 能，包括發電進水口與永久河道放水口，以及排洪隧道延伸下層入 口之防淤功能，藉由現場觀測分析及水工模型詴驗驗證水庫異重流 防淤功能與相關設施水理功能，以及評估水庫更新改善工程對過庫 泥砂百分比之提升，提供相關研究、工程規劃設計與營運管理之參 考。詳細內容可參照 5.1 節。
(3) 石門水庫上游主河道分洪防淤工程初步規劃及水工模型詴驗研 究-初步規劃報告 (2010a)
計畫目標係藉水源量影響分析、分洪防淤功能探討、地質地形 地貌調查評估選線、工程方案研擬與配置、相關計畫之規劃設計案，
探討石門水庫增設防砂設施工程攔截粗顆粒泥砂，評估水庫上游分洪 防淤通道水理流況與分洪防淤功能，並結合水庫暨有設施更新改善工 程，提升過庫泥砂百分比，提供後續規劃設計參考。圖 1-4 為四個工 程規劃布置方案示意圖，水規所(2010a)就 A 案以物理模型詴驗進行 分洪防淤效能分析，其分析結果摘要如下。
圖 1-5 為模擬歷年來在石門庫區具代表性的颱洪事件，在不同規 模隧道的排砂效率。考慮到隧道規模成本與排砂效率，以分洪防淤隧
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道規模設計為 1,600 秒立方公尺為最佳值。若是以民國 55~97 年共 35 場颱洪事件之平均值來看，則分洪防淤隧道在規模達 1,600 秒立方公 尺時，排砂效率為 61%。
若啟動時機為 300 秒立方公尺，則減供水量為每日九萬立方公尺 (圖 1-6)。圖 1-7 是設定不同隧道規模時，不同啟動流量可排出庫區的 泥砂量。在隧道規模為 1,600 秒立方公尺時，若啟動流量設定為 300 秒立方公尺，則年排砂量可達 129 萬噸。
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圖 1-4 石門水庫上游規劃排砂隧道工程佈置
(資料來源：水規所，2010a)
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圖 1-5 分洪防淤隧道規模與排砂效率評估
(資料來源：水規所，2010a)
圖 1-6 分洪防淤隧道啟動水量與減供水量之關係
(資料來源：水規所，2010a)
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圖 1-7 分洪防淤隧道啟動流量與年排砂量評估
(資料來源：水規所，2010a) (4) 凝聚性沉滓傳輸機制之模擬應用研究 (2008)
利用一維顯式有限解析法數值模式模擬石門水庫庫區羅浮至壩 址處，分析泥砂在庫區中之運移、沖淤和分布規律，選擇民國 93 年 8 月之艾利颱洪事件，模擬庫區水體底床、濃度及輸砂傳輸的變化情 形。對於下游石門大壩，假設為虛擬結構物，即水流輸砂量均勻分佈 排出庫區。
圖 1-8 可見模擬範圍羅浮至壩址前整體河床及水位變化情形，圖 1-9 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
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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。經參考周 (2005)對於石門水庫中凝聚性沉滓沉淤詴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
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。經參考周 (2005)對於石門水庫中凝聚性沉滓沉淤詴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