水庫清淤之泥砂堆置河道之可行性評估

水庫清淤是延長水庫壽命的方法之一，而淤泥回歸河道為處理水庫浚渫物的 方法之一。對於無經濟利用價值之水庫浚渫物，在下游河道有充分的輸砂能力 時，且不產生環境衝擊之情況下，淤泥回歸河道不失為一經濟的處理方式。淤泥 回歸河道乃是將淤泥暫置於選定之河道內，亦即於枯水期間將泥砂暫時存放於下 游河道深槽或洪水平原上，待豐水期時再由水庫之洩洪將淤泥運移至更下游河道 或攜帶入海。淤泥回歸河道其立意在於將上游被水庫攔蓄之泥砂還給下游河道，

對於河道平衡具有正面的意義，此外必須考量下游河道是否有能力將淤砂輸送至 河口以補充河岸漂砂，或輸送至下游河道減緩因建水庫所導致之河道變遷與侵 蝕，以達到河道輸砂平衡與減緩河岸的侵蝕。

清淤泥砂堆置河道可行性評估方面，由於後村堰上游段有多處地點為原水取 水口處，考慮堆置泥砂可能影響到取水口懸浮質濃度，因此清淤泥砂堆置地點選 擇為後村堰下游段，模擬在一場颱洪案例，堆置之泥砂是否能被水流帶走，且不 影響河道之防洪安全。

五、模擬案例說明 5.1 高濃度排砂案例

模擬範圍為從石門後池至下游新海橋之大漢溪河道，約35,855m，如圖 1 所 示，共計95 個斷面，模式相關設定資料與參數如下：

1.斷面資料與床質粒徑資料

斷面資料選用民國92 年度第十河川局實測大斷面資料，床質粒徑資料上游 段選用民國75 年大漢溪治理規劃報告實測資料；下游段選用民國 90 年大漢溪河 道疏濬工程通洪能力檢討報告實測資料，本模式具有模擬非均勻沉滓功能，且考 慮黏性沉滓之交互作用，研採六組代表粒徑，D1=0.001、D2=0.03、D3=0.75、

D4=3.0、D5=11.93、D6=84.55 mm，其中 D1、D2 為代表水庫庫內淤泥之粒徑，

由水利屬北區水資源局取樣提供參考，D3~D6 為河床質粒徑，祥細資料及各斷 面床質粒徑組成比例如表1~3 所示。

2.糙度係數

曼寧n 值經由模式率定校正，上游段後池至後村堰採 0.032 為代表值；下游 段後村堰至新海橋採0.03 為代表值。

3.上游邊界條件

選用 2001 年納莉颱風為案例，上游邊界為石門排洪流量洪峰段，共計 24 小時，流量歷線如圖3，並考慮三峽溪 之側入流量，流量歷線如圖 4。

4.入砂條件

由於並無納莉颱風期間之實測排洪隧道泥砂濃度資料，因此模擬案例上游入 砂資料採用艾莉颱風期間排洪隧道標高220m 處之平均濁度 17,492NTU，經由子 計畫四提供之經驗公式如圖5，轉換約為 13,679ppm，其中 D1、D2 粒徑比例各 佔49.5%，D3 粒徑佔 1%。

5.下游邊界條件

下游邊界條件選用同時段對應之新海橋實測水位，共計24 小時，水位歷線 如圖6。

6.GSTARS 相關設定

GSTARS 部份採用最新之 3.0 版本，流管數設為 1，輸砂公式選用 Yang’s 1996 modified method。

5.2 清淤泥砂堆置河道案例

由於後村堰上游段有多處地點為原水取水口處，考慮堆置泥砂可能影響到取 水口懸浮質濃度，因此清淤泥砂堆置地點選擇為後村堰下游段，堆置區段之選擇 原則為流速較大且斷面變化較不劇烈之區段，以確保淤泥能隨水流帶走且不至於 影響防洪安全。而一維與二維模式因計算概念之不同，於堆置淤泥方式有不同之 考量，一維模式方面，由於每個計算斷面僅面積之概念，因此將泥砂堆高整個斷 面約1m，如圖 7 所示，堆置範圍為編號第 53、52、51 三個斷面，如圖 8，一維 模式相關設定資料與參數如下：

1.上游邊界條件

選用2005 年馬莎颱風為案例，上游邊界為石門排洪流量共計 66 小時，流量 歷線如圖9。

2.入砂條件

上游入砂資料採用後池內實測濁度(NTU)逐時歷線資料，經轉換單位為 ppm 後如圖10。

3.下游邊界條件

下游邊界條件選用同時段對應之新海橋之實測水位，共計66 小時，水位歷 線如圖11。

4.糙度係數

堆置泥砂屬凝聚性細顆粒，堆置區段曼寧n 值經率定評估後研採 0.022，其 餘區段同前案例之設定。

5.堆置泥砂條件

堆置泥砂99%為 D1、D2 粒徑，其中 D1、D2 比例各佔一半，其餘 1%為 D3 粒徑，堆置體積約為77 萬立方公尺。

利用水平二維模式模擬泥砂堆置河道方面，模擬範圍從編號第55 斷面至新 海橋，如圖12，格點數為 185x13；泥砂堆置區段為計算斷面 I=21~45 區段，約 為斷面編號第53、52、51 位置，從圖 13、14 堆置前後底床高程 3D 圖來看，主 要將將泥砂堆置在斷面深槽處，從斷面剖面圖觀察，可看出堆置之型態，如圖 15~17，其餘二維模式相關設定資料與參數同一維模式。

六、模擬結果分析 6.1 高濃度排砂案例

分析整體河床之沖淤變化，如圖 18，圖之右方代表上游後池，左方則代表 下游新海橋，虛線部份為模擬24 小時後之底床，實線部份為原始底床，可看出 在後村堰之前底床坡度是相當地陡峭，且有一段約 20m 的落差銜接下游段，此 段落差並未模擬，而是直接採用銜接的方式將上游段計算結果給定為下游段之上 游邊界條件。

將模擬前後底床高程差值繪出，如圖19 所示，可看出在上游後池部份整體 沖淤變化較為劇烈，約在+0.5~-1.2m 之間，主要是由於入流量較大且後池內初始 底床本身變化就較為劇烈所造成；經過後池堰後，沖淤變化約在+0.4~-0.4m 之 間；在河心距16,000m 處有一明顯之沖淤變化，此處前、後斷面其通水面積是一 個由小變大再變小的過程，因此在此處有一明顯沖刷、淤積、沖刷狀態應屬合理；

接著進入後村堰下游部份，河道沿程沖淤範圍皆保持在一很小之範圍內，逐漸趨 於平衡。

2.懸浮質濃度變化

接著分析懸浮質濃度於各取水口處隨時間的變化，後池堰D1、D2 粒徑懸浮 質濃度延時變化如圖20 所示，可發現從模擬開始到結束，其 D1、D2 粒徑之濃 度皆保持在6,800ppm 上下，顯示排淤過程中水體之泥砂濃度是處於高濃度之狀 態。圖21 為後池堰 D3~D6 粒徑懸浮質濃度延時變化，濃度皆在 500ppm 以下。

鳶山堰D1、D2 粒徑懸浮質濃度延時變化如圖 22 所示，濃度也都保持在 6,800ppm 上下，D3~D6 粒徑濃度則都在 500ppm 以下，如圖 23 所示。

後村堰下游段各時段濃度沿程變化如圖24~27 所示，於 t=1hr 時其 D1、D2 粒徑之濃度沿程分佈從上游至下游呈現遞減趨勢，河心距10,000m 處由於為三峽 溪側入流處，因此懸浮質濃度明顯下降；D3~D6 粒徑中唯 D3 粒徑有較明顯之懸 浮質濃度，但也在 500ppm 以下﹔t=2hr 時其 D1、D2 粒徑濃度分佈有向下游傳 遞之趨勢，t=4hr 後其 D1、D2 粒徑之濃度開始趨於一平衡狀態，置下游約保持 在4,000ppm 上下，其餘粒徑之濃度沿程變化不大。

3.懸浮載源與 D50 粒徑分析

懸浮載源之物理意義為河床質中提供給水體成為懸浮質之來源，因此若懸浮 載源為正時代表由床質提供給水體懸浮質，可視為沖刷，反觀懸浮載源為負時，

則代表淤積。圖 28~30 為後村堰下游段各時段懸浮載源沿程變化，可看出只有 D3 粒徑變化較明顯，且量不大，故可推估其沖淤變化不大，經由比對圖 19 底床 高程差值，亦可說明此現象。

圖31 為後村堰下游段 D50 沿程變化，河心距 4,000m~12,000m 段之床質 D50 約為40mm，但在 4,000m 之後其 D50 降為約 0.5mm，這種粒徑由粗突然轉細的 現象在台灣很多河川都看的到，且多半為水庫下游之河道。而從 D50 的角度來 看，可看出河道之前段及後段粒徑有粗化現象，而中段呈現細化現象，但變化量 不大。

6.2 清淤泥砂堆置河道案例 6.2.1 一維模式模擬結果分析

將清淤泥砂堆置在後村堰下游河道斷面53、52、51 三個區段，以馬莎颱洪 為模擬水理條件，模擬66 小時後底床高程如圖 32 所示，此底床高程沿程縱剖面 圖乃擷取每個計算斷面最低點繪出，可發現堆置區段之底床有明顯沖刷的現象，

模擬66 小時後已刷到約堆置後之一半，由於堆置之清淤泥砂具有凝聚性沉滓顆 粒之特性，一般來說凝聚性沉滓由於具有凝聚性及壓密之作用，抵抗水流之啟動 剪應力較大，相較於砂質粒徑而言更難隨水流帶走，因此推估需要時間較長且流 量較大之洪水事件持續作用才可能將堆置泥砂予以沖走。河心距4,000m 以下之 下游段因為床質粒徑轉為砂質河床，且持續受到洪水作用，因此局部斷面之底床 有些許沖刷產生。

2.懸浮質濃度變化

模擬過程中不同時間的懸浮質濃度沿程變化如圖33~38 所示，由於上游之入 砂條件為後池內實側之濃度歷線，因此D1、D2 粒徑之懸浮質濃度沿程變化在不 同時間的表現會呈現一遞升又遞減之趨勢。分析濃度與沿程的關係，在模擬t=1hr 時上游入砂濃度小於 1,000ppm，在堆置區段處可見 D1、D2 粒徑之濃度有些許 變大，這是由於堆置區段之泥砂被從河床上帶起到水體之緣故，但接著河心距 10,000m 處由於受到側流三峽溪之流量影響，使得濃度又再下降。隨著時間的變 化懸浮質濃度也隨著遞增，可發現到即使流量變大，但堆置區段之泥砂濃度僅有

少量增加，直到下游趨於平衡。

6.2.2 二維模式模擬結果分析

圖39~52 為模擬前後底床高程立體圖，可見堆置區段 I=21~45 處其沖刷情形 並不明顯，僅些許沖刷，將堆置區段計算斷面 I=25、33、41 處剖面圖繪出，如 圖53、54、55，可見堆置區段底床高程沖刷量約僅在 0.1~0.4m 間，距原始未堆 置泥砂斷面仍有一段差距，顯示堆置泥砂在一場颱洪事件後無法隨水流沖刷帶 走。進入計算斷面I=155 之下游段後，由於床質粒徑組成轉為砂質河床，在受到 水流持續作用下，因此沖淤變化較為明顯，擷取計算斷面155 剖面圖 56 可看出，

沖刷深度可有2.5m 之多。

分析一維模式與二維模式底床沖淤結果之差異性，由於計算概念與堆置方式 之不同，一維模式每個計算斷面僅面積之概念，在斷面沖淤變化為同時上升或下 降之展現，計算時無法像二維模式具有局部地區床質粒徑比例不同之考量，因此

分析一維模式與二維模式底床沖淤結果之差異性，由於計算概念與堆置方式 之不同，一維模式每個計算斷面僅面積之概念，在斷面沖淤變化為同時上升或下 降之展現，計算時無法像二維模式具有局部地區床質粒徑比例不同之考量，因此