第五章 現場案例模擬與分析
5.1 濁水溪案例
5.1.1 濁水溪背景概述
濁水溪主流發源於合歡山主峰與東峰之佐久間鞍部，源頭高約海 拔 3,220 m，流域面積 3,157 km2，僅次於高屏溪，幹流長度 186.6 km，
為臺灣最長之河川，流域圖 5-1 如所示。集集攔河堰位於濁水溪中游 段，受兩岸峽谷地形之束縮影響，河床變窄，唯峽谷不長，河水迅速 通過後，河幅再度開闊，河流再呈網狀流路漫流於廣大河床間。根據 水利署水利規劃試驗所 96 年「濁水溪治理規劃檢討」報告，集集站 100 年與 5 年重現期距流量分別為 20,500 cms 與 9,300 cms。
集集堰主體工程於民國 90 年 12 月完工，堰長 353 m、共 18 座排 洪閘門、4 道排砂閘門和 1 座魚道。集集堰於興建至營運期間歷經 921 大地震及多次颱洪事件，造成下游河道護甲層嚴重流失、岩盤裸露。
根據現地調查，台灣流經西部地區山麓帶河川之河床淺層岩盤多由成 岩時間短且強度較低之泥岩層、砂岩層或兩者互層所構成，其單壓強 度約介於 0.5 ~ 25 MPa 間，即俗稱之「台灣軟岩」。
由於集集堰附近地質條件脆弱，加上極端水文事件頻繁，堰址下 游河段近年已觀察到嚴重軟岩沖刷及溯源侵蝕現象，航照圖與現場照 片如圖 5-2 所示，建堰後主深槽高程最大沖刷深度達 10 m 以上、平 均河床下降約 5 m，為典型之軟岩沖刷河床，因此本研究選擇集集堰 下游河段進行模擬研究。
5.1.2 濁水溪模擬條件
(一)地形條件
以集集堰下游軟岩裸露河段為應用對象，模擬範圍自集集堰至名 竹大橋，長約 6.5 km，包括左右覆蓋有沖積層之高灘地，模擬格網與 範圍如圖 5-3 所示。初始地形採用民國 93 年 7 月地形資料，以 96 年 2 月地形進行檢定，97 年 11 月地形進行驗證。
本河段自民國 87 ~ 96 年間，深槽有明顯劇烈沖刷情形，歷年底 床縱剖面如圖 5-4 所示，自民國 90 年底集集堰完工以來，下游 2 km 範圍內沖刷尤其明顯，民國 96 年之沖刷深度最大約達 11.84 m。本河 段 93 ~ 97 年無疏濬等人為干擾，相關之基本調查資料頗為齊全，故 數模檢定驗證之可靠度高。
(二)邊界條件
上游邊界流量係挑選集集堰放流量大於 650 cms 者進行模擬，進 行閘門全開之設定；下游邊界係利用 HEC-RAS 一維水理模式於名竹 大橋處之計算水位（為全河段模擬）；上游邊界入砂條件係參考集集 堰模擬時段內之流量-懸浮載含砂量實測資料，製作懸浮載濃度率定 曲線進行換算，並假設沖洗載佔懸浮載之 80%，一般河川之沖洗載比 例與當時水流強度、懸浮臨界啟動剪力等相關，流況劇烈時可佔 95%
以上，由於沖洗載所占比例之動態過程較難掌握，因此本案例採用一 較保守比例作為平均值代表；推移載入砂量模式以 van Rijn（1984a）
輸砂公式自動計算平衡狀態之入砂量，上下游邊界條件如圖 5-5 ~ 圖 5-8 所示。
關於輸砂模組中之 van Rijn（1984a）輸砂公式，為近年非平衡輸
砂理論中較具代表性公式之一，其理論基礎乃根據泥砂跳耀與移動高 度、速度，並配合相關水理與輸砂條件計算而獲得，經過多筆實驗與 現場資料進行驗證。一般來說，van Rijn（1984a）輸砂公式可適用於 流場福祿數小於 0.9、水深大於 0.1 m、河床質粒徑介於 0.2 ~ 2.0 mm 之案例，但相關流況或泥砂條件並非使用時之絕對限制條件，而是說 明該輸砂公式為根據此數據範圍而獲得。換言之，當相關模擬條件不 在輸砂公式建立時所根據之數據範圍內，並不代表該公式不適用，而 是需要進一步驗證使用。在過去本模式相關數模使用經驗，即使泥砂 粒徑在 10 mm 以上之礫石條件下，van Rijn 輸砂公式也可有良好模擬 結果，所得結果頗具參考價值。
(三)河床質粒徑與沖蝕指數
根據 93 年實測河床質資料，就模式計算時間考量與粒徑粗細之 差異程度，挑選 10-3 mm ~ 102 mm 為範圍，選擇 6 組代表粒徑，分別 為 0.027 mm、0.297 mm、2.38 mm、9.52 mm、152 mm、457 mm，其 中前兩組代表粒徑作為懸浮載入砂級配使用。
軟岩參數部分，基本岩性係參考水利署水規所 101 年「軟岩質河 床沖蝕模式之建立(2/3)」之研究成果，其平面分布再根據航拍圖設 定，深度方向假設所有底層與表層之設定分布資料相同，底層總深度 約 10 m。集集堰下游地質屬頭嵙山層及卓蘭層，以頁岩、砂岩、與 砂頁岩互層為主，沖蝕指數 Kh平均值介於 43 ~ 330，集集堰下游河 道之岩性分布設定如圖 5-9 所示，包括深槽之裸露岩床區與高灘地之 沖積層區。
(四)其他相關參數
根據治理規劃報告之河道曼寧 n 值建議值，全模擬河段高灘地給
定為 0.04、深槽為 0.03；作用層厚度 Em代表沖積層河床表層與底層 輸砂交換之厚度，設定為 0.3 m；軟岩沖蝕率模式中，流功門檻機制 之無因次沖蝕係數 Kp檢定為 0.7*10-6，Kp值一般建議範圍約在 10-6 ~ 10-8，主要目的為校正沖刷深度與流速及無因次流功之函數關係，需 藉由現場實測地形資料，計算一場或數場連續洪水事件檢定而得，相 關選用參數彙整如表 5-1 所示。
5.1.3 濁水溪模擬成果
(一)流速分布
圖 5-10 為 93 年 7 月 ~ 96 年 2 月檢定案例期間，集集堰下游模擬 之洪峰流速分布結果，洪峰流量為 8,343 cms，略低於本河段 Q5 （9,300 cms）。集集堰下游河道之右岸高灘地覆蓋沖積層土砂，深槽為較脆弱 之軟岩河床，屬於深槽與高灘地明顯之河道。受到集集峽谷束縮影 響，主流集中在河道左岸深槽，洪峰流速自出堰址後從 4 m/s 逐漸升 高，至堰址下游約 1.5 km 位置達最高流速 8 m/s，接著逐漸遞減為 1 m/s 至下游邊界名竹大橋，流速高於 4 m/s 區域集中於堰址下游 2.5 km 範圍內之左岸深槽；受到局部較低地形影響，右岸高灘地自出堰址後 有些許漫灘流路產生，最高流速約 2 m/s，漫灘流路至下游彎道頂點 處河道逐漸拓寬，匯流後流往下游名竹大橋，模擬洪峰之流場如圖 5-11 所示。
本河段高灘地與深槽之流速差異頗大，於 Q5 流量以下深槽即有 大於 8 m/s 之流速產生，且深槽化明顯，無法利用高灘地之漫灘過程 以削減水流沖蝕能量，對於日後軟岩河床之劇烈沖刷有極大影響。本 案例具有深槽、高灘地地形，且流況劇烈複雜，但模擬過程仍可維持
現場案例之模擬。
(二)底床縱剖面與流速變化
圖 5-12 為檢定案例模擬終了之底床高程縱剖面變化，係擷取深槽 最低點高程連線繪製而成。相對於 93 年之初始底床，模擬終了整體 河道皆為沖刷趨勢，集集堰下游 2.5 km 範圍內（斷面 112 ~ 117）沖 刷較為明顯，沖刷深度達 5 m 以上，至下游名竹大橋沖刷逐漸減緩，
除了斷面 109、斷面 115 有沖刷量低估情形，模擬底床縱剖面之變化、
沖刷量等與實測趨勢相同。
觀察洪峰流速縱剖面與底床高程變化關係，因受到集集峽谷段之 束縮影響，流速自出堰址後有明顯升高情形，與底床劇烈沖刷範圍相 對應，由於斷面 115 ~ 113 之底床有陡坡銜接緩坡之趨勢，因此該河 段之沖刷更為明顯，至下游斷面 111 位置因河道逐漸拓寬，流速減緩 至 2 ~ 3 m/s，底床沖刷量亦隨之減緩。
圖 5-13 為驗證案例模擬終了之底床高程縱剖面變化，其採用與檢 定案例相同之模式參數進行模擬。驗證案例模擬時段自 96 年 2 月 ~ 97 年 11 月，由於僅五場流量大於 1,000 cms 之颱洪事件，因此河道 整體沖刷量相對檢定案例為減少。模擬終了底床同樣為整體沖刷趨 勢，堰址至斷面 115 之沖刷已達平衡，沖刷較不明顯，深槽沖刷區域 有向下游延伸之趨勢，主要集中於斷面 113 下游，模擬與實測結果趨 勢相近。由流速縱剖面觀察，受到不同局部河段坡降改變影響，水流 出堰址後流速增加，直至下游邊界名竹大橋皆維持高流速狀態，深槽 流速介於 4 ~6 m/s 之間，形成深槽化河道。
上述檢定驗證成果良好，流速與底床沖淤變化有合理趨勢，說明 本研究之軟岩河道沖刷模式具有模擬現場軟岩河道案例之實用性。
(三)底床橫剖面變化
挑選模擬河段數個沖淤較明顯之斷面進行比較分析，如圖 5-12 ~ 圖 5-21 所示。檢定案例中，模擬與實測斷面變化相當接近，集集堰 下游河道深槽化已相當明顯（斷面 112 ~ 117），斷面 115 因水流集中 於深槽，洪峰時最高流速可達 8 m/s，為本河段最高流速發生位置。
驗證案例中，模擬與實測比較結果良好，惟部分深槽最低點位置模擬 底床有低估趨勢，此誤差多發生在水深較深之斷面，如斷面 110、115 等，其原因為初始底床缺乏水面下高程資料，內插地形後底床高程較 高，造成模擬之沖刷深度雖與實測變化相近，但底床高程仍有低估。
而檢定驗證中多槽水流與左右邊界位置之模擬誤差，係與邊界格 網密度、人為擾動、航照圖轉地形資料後，未忽略高灘地地表植生等 因素相關。因實測水流並未漫灘至模擬範圍之左右邊界區域，但地形 仍有沖淤變化，表示左右邊界區域應有其他造成地形變化之影響因 素。地形資料品質、床質與岩盤資料於水面下缺乏調查、邊界模擬格 網密度不足與地形內插之誤差等，此為後續研究可改善之項目。