第三章 分析模式之測詴
3.5 河岸退縮
前述 3.2 至 3.4 節已分別針對塊體破壞、懸臂型破壞與水流沖蝕進行不同影響因子 之分析與討論。本節則進一步結合上述三種破壞機制，並利用假設的案例探討河岸受 破壞而退縮的過程，並評估在不同條件下，分別由三種破壞機制造成的泥砂產量與河 岸退縮長度。
3.5.1 案例設定
本節分析案例所採用之河岸幾何形狀以及模式、數值計算相關參數等，均與 3.1 節相同，惟將河岸深度予以增長以便探討河岸退縮的情形，且塊體破壞之破壞面將依 據 2.2.1 節所述的方法進行搜尋與設定。本節額外所探討的參數，主要針對水流沖蝕計 算，由小至大選擇 0.01 %、0.05 %、0.1 %、0.25 %、0.5 %、1.0%等共六種不同底床坡 降，河岸臨界剪應力則參考圖 2.14，選取 1、10 與 100 Pa，並利用式(2.75)計算其所對 應之沖蝕係數。另外，考量延時為 24 hr，洪峰水位(peak stage)分別達 1.2、1.8 與 2.4 m 之三角形河川水位歷線(stage hydrograph)來呈現單場颱洪事件下，河岸在不同條件下 破壞而退縮的情形，但暫不考慮河岸退縮造成河寬變化對河川水位的影響。而降雨條 件的影響，則考量降雨延時為 24 hr 之均勻型降雨事件，降雨強度分別為 5、10、20、
40、60 與 80 mm/hr。此外，仍須再次強調，參數選擇暫不考慮與土壤性質的相關性進 行模擬與分析。
3.5.2 水力條件之影響
首先探討水力條件之影響，設定河岸土壤特性為均質壤土砂質；臨界剪應力為 1 Pa；且暫不考慮降雨的影響下進行模擬。
底床坡降
在洪峰水位為 1.8 m；底床坡降為 0.01 %、0.05 %、0.1 %、0.25%、0.5 %、1.0 % 等不同條件下，河川水位、
FS
與 FSc隨時間的變化如圖 3.32 與圖 3.33 所示。由圖 3.32(a) 可見，雖然河川水位上升至 1.8 m，但由於底床坡降僅 0.01%，因此水流沖蝕作用並不 明顯，FS
僅在河川水位下降時略減。然而，隨著底床坡降的增加，河川水流沖蝕能力 隨之增大，進而引發懸臂型破壞與塊體破壞，致使河岸退縮。而由圖 3.33(f)可發現，當底床坡降為 1.0 %，因其水流沖蝕作用較大，則較易引發懸臂型破壞的發生，一旦 懸臂型破壞發生導致河岸坡度更為陡峭，塊體破壞則容易隨後發生。以下即以底床坡 降 1.0 %為例，將河岸幾何形狀隨時間變化情形繪製於圖 3.34 與圖 3.35。由圖中可見，
隨河川水位上升，在前 5.1 hr 河岸邊坡坡趾首先遭受掏刷，第 5.2 hr 進而使上方土體 產生懸臂型破壞，在上述兩種破壞機制反覆循環作用下，使得河岸坡度逐漸變陡，最 終於第 6.6 hr 促使塊體破壞的產生，河岸因而退縮。其後，同樣地受水流沖蝕以及懸 臂型破壞的繼續作用下，分別在第 10.8 hr、13.3 hr、15.2 hr 與 17.9 hr 發生塊體破壞導 致河岸持續退縮，直至模擬終了，河岸共退縮 7.9 m。由圖 3.34 與圖 3.35 配合圖 3.33(f) 可發現在河川水位上升過程(0～12 hr)，塊體破壞肇因主要是坡趾掏刷加上懸臂型破壞 使河岸邊坡變陡，而在河川水位下降過程(12～24 hr)，除了上述破壞機制作用外，另 因靜水壓力的減少，而更加劇塊體破壞的發生頻率。
進一步將上述案例中三種破壞機制隨時間變化的泥砂產量(Vs)繪製於圖 3.36(a)，
圖 3.36(a)顯示，水流沖蝕隨時間產出較為連續的泥砂量，而其大小則大致上受河川水 位升降所影響，最大約 0.044 m3/m，相較之下，懸臂型破壞以及塊體破壞則為一次性 規模較大的泥砂產出，最大分別可達 0.99 m3/m 與 2.76 m3/m。另外，將泥砂累積產量 (Vas)與河岸退縮長度(Lr)隨時間變化的情形整理於圖 3.36(b)，圖中可發現在本案例所設 定的條件下，泥砂產量貢獻以塊體破壞居首(11.3 m3/m)，水流沖刷次之(6.4 m3/m)，而 懸臂型破壞在三者中所佔比例則為最小(4.4 m3/m)。
流量
流量大小與河川水位相關，亦直接影響邊界剪應力之大小，以下設定洪峰水位(hwp) 分別達 1.2、1.8 與 2.4 m，並配合前小節六種不同底床坡降(S0=0.01 %、0.05 %、0.1 %、
0.25 %、0.5 %、1.0 %)，將不同條件下泥砂累積產量與河岸退縮長度之比較彙整於圖 3.37。由圖 3.37 可發現，當底床坡降過小(S0≦0.1 %)，即使流量增大，若未達水流沖 蝕的門檻值，沖蝕機制未能啟動，則後續的懸臂型破壞以及塊體破壞將不會發生，再 者，亦不會造成河岸的退縮。此外，若底床坡降不足以使水流沖蝕持續發生作用，則 不會導致河岸退縮或退縮長度因而受限。整體而言，泥砂產量與河岸退縮長度均與流 量(或河川水位)大小呈正相關。
水位歷線型態
考慮在相同的流量下，以三種不同的三角形水位歷線來探討其型態對河岸退縮之 影響。型態一至三分別設計水位延時為 48、24 與 12 hr，則其洪峰水位則分別達 0.6、
1.2 與 2.4 m。另外，同樣以前述六種底床坡降(S0=0.01 %、0.05 %、0.1 %、0.25 %、
0.5 %、1.0 %)進行模擬，將結果整理於圖 3.38。圖 3.38 顯示，產生最大的水流沖蝕量 發生於延時為 12 hr 而洪峰水位為 2.4 m 之型態三，該型態具洪峰水位高、水位延時短 之特性，與 3.4.2 節曾針對水位歷線型態對總沖蝕長度進行探討之所得結論一致。然 而，其累積產砂量與河岸退縮長度卻小於另外兩種型態。初步研判，型態三之河川水 位上升速度較另外兩種型態為快，雖然其水流沖蝕能力較大，然而沖蝕面卻涵蓋了河 川水位面以下的河岸邊坡，單位時間內的泥砂產量雖較多，但卻減緩整體河岸坡度變 陡的趨勢，反而不易引發懸臂型破壞，進而抑制後續塊體破壞的發生與河岸的退縮。
基於上述原因，且相較於另外二種型態，型態三的河川水位變化速度較快，因此，其 發生河岸退縮的的主因並非為水流沖蝕破壞，而是在水位洩降時發生塊體破壞所致。
反之，另外二種型態因河川水位變動緩慢，因此水流沖蝕大多集中在坡趾的局部發生，
加上其延時較長，較易引發懸臂型破壞的發生，而一旦發生懸臂型破壞改變了河岸坡 度，塊體破壞與河岸退縮將易隨之發生。由以上的模擬結果可發現，河岸的退縮不只 受水流沖蝕的強度所影響，且與其受蝕的位置與範圍相關。
3.5.3 土壤條件之影響
本節針對河岸土壤特性分別探討抗沖蝕能力與滲透性之影響，相關參數與條件設 定如 3.5.1 節所述，首先模擬當臨界剪應力為 10 Pa 與 100 Pa 的情形，接續再分別探討 砂、黏壤土等二種不同滲透性土質之影響，並與先前的模擬結果進行比較。
抗沖蝕能力
臨界剪應力分別設定為 10 Pa 與 100 Pa，其泥砂累積產量與河岸退縮長度之模擬 結果分別如圖 3.39 與圖 3.40 所示，與圖 3.37 其臨界剪應力為 1 Pa 的結果相較可發現，
當臨界剪應力為 10 Pa，僅在流量較大或底床坡降較陡的條件下，河岸方有破壞與退縮
情形發生；當臨界剪應力達 100 Pa，則在所設定的模擬條件下，則不會有破壞產生，
由此可見，土壤臨界剪應力對於整體的河岸破壞影響甚大。如前節所述，若是水流沖 蝕破壞未能持續作用，則不易引發懸臂型破壞、塊體破壞以及河岸退縮的發生。
滲透性
前文僅針對壤土砂質河岸進行分析，在此進一步以砂質與黏壤土質並採用 3.5.2 節中所探討的不同水力條件下進行模擬，泥砂累積產量與河岸退縮長度分析結果分別 如圖 3.41 與圖 3.42 所示。進一步與圖 3.37 所示的壤土砂質模擬結果綜合比較，整體 而言，僅考量水位變動的條件下，土壤滲透性對河岸退縮的影響差異並不大。
3.5.4 降雨特性之影響
本節所採用之相關參數與條件設定與前一小節相同，惟底床坡降僅採用 1.0 %，
設定降雨延時為 24 hr 之均勻型降雨事件，降雨強度分別為 5、10、20、40、60 與 80 mm/hr，進一步考量降雨特性對河岸退縮之影響。
配合 3.5.3 節不同滲透性的三種土壤，將泥砂累積產量與河岸退縮長度模擬結果彙 整於圖 3.43。首先針對砂質河岸進行討論，由於降雨的入滲主要影響懸臂型破壞與塊 體破壞的發生，因此，圖 3.43 顯示塊體破壞造成的泥砂產量隨降雨量增大而明顯增加，
尤其加劇塊體破壞發生的頻率，使得退縮長度因此驟增。整體而言，泥砂累積產量與 河岸退縮長度均隨降雨量增大而呈現增加之趨勢。但滲透性較差的黏壤土質河岸，當 降雨量達 20 mm/hr 以上時，其泥砂累積產量與河岸退縮長度之增加幅度均逐漸減緩，
研判應是降雨強度過大時，積水效應影響所致，因而受降雨強度影響的程度將為趨緩。
前段所述乃針對水流沖蝕較為劇烈的條件所得之結論，以下進一步以臨界剪應力 為 10 Pa 之情況進行模擬並將結果彙整於圖 3.44。圖 3.44 顯示水流沖蝕造成的破壞甚 微，而不易引致懸臂型破壞與塊體破壞的發生。因此，在水流沖蝕作用偏小的條件下，
造成河岸退縮的主因，則可視為塊體破壞單一機制所致。