砂質與礫石河床特性差異

自然界河川發源於山麓地帶，往下游高程隨距離增加逐漸降低，不 同氣候環境、地形與地質條件均對河川水系發展產生影響。整體而言：

河川底床可分為砂質床、礫石床與岩床三類，岩床因強度良好，邊界可 擾動性差，因此本節僅對砂質河床與卵礫石河床進行說明。Simons (1987) 提出砂質河床與卵礫石河床在平面型態、顆粒組構、渠道坡度、護甲層、

河制、河床型態、沙洲型態、阻水能力、泥沙運移方式、底床沖刷與填 補特徵以及對流量變化敏感度等十一項差異(表 2. 1)。其間差異可簡單 以河床特徵與流速高低變化產生泥沙運移特性不同作為說明。在河床型

態方面，砂質河床之河床型態多出現沙濂、沙丘、平坦河床或逆沙丘等 特徵，且顆粒分佈均勻，粒徑範圍介於0.625mm 至 2.0mm 之間，底床 坡度較為平緩、流速低，但顆粒分佈集中且小，因此底床型態易受流量、

水工結構物…等等自然與人為因素改變；反觀礫石河床隨底床顆粒由礫 石變為巨礫，沙濂、沙丘等微小組構逐漸消失，礫石床雖多發生在河床 坡度較陡河段，但本體顆粒組成之構造足以抵抗經常性水流或是發生頻 率較低之洪水事件，因此底床型態僅在劇烈洪水事件發生時改變。在泥 沙運移特徵方面，砂質河床部份只要流速大於0.3m/s，底床材料發生運 移；山區礫石河床較穩定，變化速率緩和，僅於相當極端洪水事件發生 後產生變化。

砂質河床材料均勻，河床變遷行為明確，由於顆粒粒徑小且均勻集 中某特定粒徑範圍，因此採樣僅可以體積樣品採集；但卵礫石河床材料 粒徑分佈廣泛，調查上存在許多窒礙難行因素，有待更多學術上的關切 與克服。

依據上述緣由，本研究將專注於礫石河床河床質特性與調查方法、

位置、數量與頻率等事項。Bray(1971)提出礫石河床具有河床材料在橫 向與縱向呈現不同之組構、採樣時間點變異性、垂直向的顆粒分佈變異 性、存在砂與卵礫石兩種不同型態之分佈以及使用不同調查方法產生結 果差異等五項變異性。Reid(1997)亦歸納礫石河床具備縱向顆粒粒徑變 化、垂直向變化，顆粒叢聚形成局部微組構等特性。

總結前述二位學者對礫石河床特性描述，將礫石河床床質調查工作 可能遇見問題整理如后：

1.空間不均質分佈：巨觀而言，縱橫向分佈隨取樣位置不同會有不

同組構；微觀而言，垂直向可能受表層粗粒化影響導致垂直向不 均質分佈，另於局部區域由大顆粒形成顆粒叢聚之微組構，均會 影響各項分析結果。

2.礫石河床床質隨洪水事件變動，因此具有時變性。

3.由於調查目的不同，著重樣品深度隨之改變，因此發展出許多不 同調查方法，不同方法需轉換於同一基準方能進行比較。

除上述三項外，表層樣品與底層樣品間差異是否存在關連性亦是值 得探討之問題。

以台灣河川為例（圖1.1）縱向河床質分佈呈現不同程度隨下游距 離增加而使顆粒縮減情形，砂質與礫石河床分界處非緩慢漸變而呈現明 顯差異。雖於縱向存在前述趨勢，但因無橫向變異性未加考慮導致調查 成果散佈範圍廣泛。

圖2. 1 為頭前溪民國 83、88 與 90 年河床質調查成果，可知不同年 份之調查成果間存在差異，說明河床質組成確實隨時間變化，因此需瞭 解此變化頻率以作為調查頻率選擇之參考，方可使河川管理與治理工作 能正確執行。

另台灣河床質調查無論表、底層樣品均以體積法進行，因此無表面 法與體積法之成果差異與修正問題，若調查目的僅為水流阻抗能力或是 顆粒初始運動狀態時，體積法並非最佳選擇。為提升台灣河床質調查工 作技術，需評估較便利調查方法之可行性，因此亦需對不同方法調查成 果的差異，及成果轉換加以探討(Kellerhals and Bray,1971；Church et al.,1987)。

台灣河川於海口附近多呈現砂質河床，於沖積平原以及麓山帶前段

多為礫石河床，山區則為岩床。以頭前溪為例，砂質河床僅約1.7 公里，

水利署主管之河川管理段（約27 公里）多位於礫石河床範圍，此為自 然河川底床變異性最大之底床材料，由此可知當對礫石河床特性掌握越 準確，越能有效執行河川管理與治理工作。

0.1 1 10 100

Distance(km) 0.1

1 10 100 1000

D50(mm)

83 88 90

圖 2. 1 頭前溪流域不同年份調查之河床質中值粒徑與河心距關係圖

表2. 1 砂質與礫石河床特性差異比較表(歸納自 Simons ,1987) (regime)

福祿數隨底床顆粒變化約在

沖洗載(Wash load)在砂質河 床不僅使水流流速降低，並