第二章 文獻回顧
2.3 網格法取樣數量
Hey and Thorn(1983) 利用網格法樣品數量與誤差間之關係，探討單 一組別需求數量的問題，指出誤差來源主要有操作者誤差與樣品誤差兩 種。操作者誤差為調查方法與工具的多樣化，以及施作程序無標準步驟 所造成。Wolman(1954) 依據試驗結果建議樣品數少於100 較不會產生 明顯之操作者誤差，且同一取樣人員於不同樣品區取樣誤差亦可忽略；
Brush(1961) 則認為收集60 個樣品已足夠避免不同操作者造成的誤差。
Fripp and Diplas(1993)提出不同粒徑累積百分比在樣本數量與準確 度的關係並不相同。圖2.9所示，X軸為樣本拾取的顆粒數，Y軸為粒徑 分佈曲線的累積百分比，圖上的實線為真值，虛線為帶有誤差的試驗 值。由圖可發現拾取數量增加誤差逐漸變小，但到達一定誤差後，即使 增加拾取數量也很難降低誤差。由圖發現D50的誤差明顯比D90與D10的誤 差要來的大，說明累積百分比不同誤差大小亦不同。另外，D90與D10由
於統計的關係，需要拾取200顆以上才可得知誤差大小。
對於河川底床粒徑採樣試驗所得的結果，主要是粒徑分佈曲線，其 意義相當於統計上使用之累積分佈曲線(cumulative frequency)。對於粒徑 分佈狀況亦常使用百分段(percentile)來進行表示，如粒徑分佈曲線上75
％對應之粒徑尺寸D，表示此粒徑分佈有75％的粒徑重量其尺寸小於此 對應尺寸，常採用百分段之方式註記為D75。任何一個百分段均可加以使 用 ， 但 一 般 常 用 的 百 分 段 為 D50( 中 值 粒 徑 ) 、 D25及 D75(四 分 位 數 ， quartiles)、D16及D84、以及D5及D95。在一個標準分佈(normal distribution) 上 ， D16至 D84 之 範 圍 大 約 為 包 含 中 值 之 一 個 標 準 偏 差 (standard deviation)，而D5及D95可以反應分佈尾端的特性，其包含範圍大約為二 個標準偏差。此外，掏選度(Sorting Coefficients)亦可反應粒徑曲線的型 態，掏選度越大表示顆粒給配越佳，掏選度越小表示顆粒大小越類似。
圖2.10，即是不同掏選度顯示出的粒徑曲線。本論文掏選度的計算公式 採用式2.1。
圖 2.9 拾取數量與誤差關係(Fripp and Diplas, 1993)
圖 2.10 相同 D50下三種不同掏選度的粒徑分佈曲線(Bunte and Abt, 2001)
2 S
Iφ
84- φ16
=
……….(公式2.1)其中
φ
i= -3.3219 log(D
i) 2.4 調查數量、時間、頻率
單一河段需要多少取樣點才具有代表性，雖然過去學者也做過研究 提出建議，但由於研究的河川型態並不相同，提出的數量需求差異甚 大。然而，台灣河床質粒徑分佈極為廣泛，與國外研究的河床情形不 同，取樣點的數量評估勢必更加複雜。最後，整條河川需要多少取樣數 量，需先解決上述問題後，再針對取樣目的才能做出整體的規劃。
由於河床粒徑分佈於縱向與橫向的變異性與其河床型態、母岩、流
速等皆有相當大的相關性。因此對於同一時期一條河川的河床調查數量 取決於調查目的及上述因素，亦即依照調查目的，並就河川依河相等加 以分類在考慮其代表性位置加以規劃。
由於河床質分佈不均勻，因此調查區域應盡可能涵蓋所有區域，因 此應選於最多河床區域曝露於水面之上的枯水期進行調查。傅志偉(2005) 建議取樣時間可透過流域降雨特性推估河川枯水期，作為河床質調查時 間之依據。
取樣頻率間距過大可能造成治理工程採用不正確資料而降低成效，
調查間距過小河床質變化不大，造成資源浪費。傅志偉(2005)提出礫石 河床顆粒變動程度與流量大小有關，應依據河水流量重現期距與調查精 度需求評估調查頻率。
2.5 河相學與河川分類
河相可反應出河川區域的地質狀況、沉積特性、河川流量以及底床 坡度(Morris and Fan,1998)。因此河床質調查應以河相特徵進行取樣位置 的評選，方可進一步做各項變異性的探討，提高取樣結果的代表性。
2.5.1 河相定義
河相（river morphology）探討河川的形成內容包含河川長短、橫斷 面形狀、縱剖面狀態以及平面樣式。河川的特徵是由侵蝕、風化與地質 狀況的交互作用形成的，抵抗變形能力則是跟河道邊界地質與地形條件 以及堤岸植被狀態等條件決定。
2.5.2 既有河川分類系統
河川型態分類首先由Leopold and Wolman (1957)提出直線型、蜿蜒 型與辮狀型系統。直至1970年後，交織狀系統才被公認為應獨立於辮狀 系統之外，至今河川典型類別可分為直線型、蜿蜒型、辮狀型與交織狀 四類。
目前的河相分類以Rosgen(1994)建立的分類系統較為完整，同時考 慮平面型態、縱向變化與橫斷面影響，其分類方法共分為四個階層，階 層一對平面型態特徵進行初步分類；階層二對河川型態於平、縱與橫向 做進一步分類；階層三探討河川穩定狀態，以縱橫向穩定指標評估河道 穩定性；階層四進行實際量測建立河槽穩定之理論分析。每一階層之目 的與資訊需求不同，各階層的目的、需求與成果如表2.3所示。
階層一將河川類型由蜿蜒寬度比分成A-G 大類，階層一分類如圖 2.11所示，其中蜿蜒寬度比＝帶寬／滿槽寬。在階層二中再以河川深槽 比、寬深比與坡度進行細分，將斷面深槽比等參數計算完成後再以底床 材料粒徑區分為1～6 等六小類，上述分類為依循流程進行，階層二分 類步驟如圖2.12。其中階層二，河川分類與各類河川特徵對照如表2.4。
圖 2.11 以蜿蜒寬度比定義河川分類（Rosgen, 1994）
圖 2.12 階層二分類流程圖（Rosgen, 1994）
表 2.3 河川分類階層表（傅志偉, 2005，修改自 Rosgen,1994）
階層 階層目的 分析所需資訊 成果
Level Ⅰ
河相平面特徵 (Broad morphological characterization)
地形、岩性、土
(Morphological description)
渠道樣式、槽深
26
27
林承坤(1992)提出以河川邊界組成作為第一級河型分類之準則，第 二 級 分 類 以 河 川 型 態 作 為 分 類 ， 第 三 級 分 類 則 考 慮 穩 定 性 。 與 Rosgen(1994)的河川分類最大的不同在於加入了河川邊界條件的考量。
依據河道邊界材料特性，可將河床分為沖積河床、半沖積河床與非沖積 河床三類。沖積河床邊界由全新世沖積物組成，河床材料豐富且運動性 佳，造成河川型態多變複雜。半沖積河床邊界由更新世地層以及全新世 地層共同組成，由於全新世地層一般覆蓋於更新世之上，造成河床邊界 可動性較沖積河床低，一般出現在山區與平原之過渡帶或丘陵區與山間 盆地地帶。非沖積河型邊界由岩盤組成，束制性良好使邊界可動性低，
多發生在河川上游山區。
傅志偉(2005)認為若針對河床質調查位置評選而言，Rosgen 所建系 統過於複雜，林承坤之方法又太過定性，因此應結合二者優點，從地質 觀點結合河相分類建立河床質採樣位置評選系統。因此提出一套採樣位 置評選階層，總共包括四種階層。第一階分類係以林承坤的建議以渠道 邊界狀態率定河川可沖積程度，以平面地質圖區分沖積段、半沖積段與 非沖積段。第二階係參考Rosgen(1994)分類系統中第一階段分類，透過 縱向坡度變化、橫斷面與平面特徵分類。第三階為分支流交匯處，支流 坡降均較主流陡峭，因此於分支流交匯處經常形成堆積並發展成沙洲。
第四階分類記錄流域重要地質事件。採樣位置評選階層表如表2.5。
表 2.5 採樣位置評選階層表(傅志偉, 2005)
階層 分類準則 建議工具 備註
一 依據地質條件區分為沖積段、
半沖積段與非沖積段
1/25000 地質圖、
航空照片
在表面法的取樣方法中，評估適用性以及效率性之後，網格法的取 樣膠帶為最佳取樣方法，並採用與篩分析最為類似的開口樣板的做現場 分類。整理過去文獻，在考量樣品誤差與操作者誤差之後，單組試驗樣 本數為100顆，以期能在D50達到10%以內的誤差。體積法試坑仍挖掘1m3 大小，但事先施作網格法評估表層深度後，再進行仔細的分層。
河川的調查數量則以考慮河相、地質狀況以及匯流點的評估方式，
以能分析各項河床變異性以及調查目的為主軸來規劃試驗點的位置。另 外，施作調查位置盡可能涵蓋所有區域，因此應選於最多河床區域曝露 於水面之上的枯水期進行調查。取樣頻率則依據河水流量重現期距與調 查精度需求來評估，並免不必要的浪費或資料的誤判。
綜合以上結論，對於河床質調查考量因素眾多，調查規劃並非輕易 就可擬定週詳，需要不斷的持續嘗試與改良。此研究長遠目標為統整出 一套完整的河床質調查標準評選程序，可依據不同的目的，根據河川狀 況與地質條件進行有效率的調查，得到具代表性的結果，提供河川的管 理與相關應用。
第三章 研究方法
3.1 概述
完整的河床質調查需考慮採樣方法、位置、時間與數量等問題，方 可得到理想成果。台灣中上游河床多為礫石河床，其變異性考量尤其重 要，並需應調查對象不同選用不同的調查方法。傅志偉(2005)已提出較 為完整的河床質調查方法，包括提出以河川分類結果作為調查位置的評 選基礎、表層與底層的分開取樣，嘗試使用效率較佳的網格法，並進行 調查時間與調查頻率的討論。本次研究將繼續沿用此河床質調查方法，
包括採樣方法、取樣位置的評選，於頭前溪進行試驗。並加入網格法對 細粒料的補足，體積法的分層處理。本研究以頭前溪為例進行規劃取樣 分析與研究。
以下針對垂直向、橫向與縱向取樣位置的選取做說明。垂直向以體 積法分層取樣，先以試驗場址的D90作為表層深度，再每25cm做分層。
橫向取樣位置的選取，選定六個橫斷面，此六橫斷面有各河相較為豐富 的地形，於斷面上不同地形上施作網格法，比較施做結果與地形的關 係。縱向取樣位置的選取，以地質與河相特徵將河川進行分類後，作為 評選基礎，挑選各分類河段較具代表性的地形，作為討論縱向變化的調
橫向取樣位置的選取，選定六個橫斷面，此六橫斷面有各河相較為豐富 的地形，於斷面上不同地形上施作網格法，比較施做結果與地形的關 係。縱向取樣位置的選取，以地質與河相特徵將河川進行分類後，作為 評選基礎，挑選各分類河段較具代表性的地形，作為討論縱向變化的調