第三章 研究方法
3.3 研究方法及步驟
3.3.3 蒐集可能誘發土石流之因子及主變數之選定
研究中選定之土石流發生相關地文因子大致包括土地利用狀 況、崩坍地面積、集水區的基本資料及土壤力學參數等。之後以 Mann–Whitney–Wilcoxon 檢定法進行主變數選擇。
3.3.3（a） 可能誘發土石流之地文因子之收集 1.土地利用因子及崩坍地面積
集水區流域內人為的土地開發及天然崩坍地的情況對於誘發土 石流有一定程度之影響，尤其是崩坍地更是直接提供土石流發生的土 石來源。因此將崩坍地及土地開發的情形正確的量化，就成為重要的 分析步驟。研究中將崩坍地面積和土地利用因子分別計算，如此即可 單獨看出崩坍地面積百分比對於土石流發生的影響。對於崩坍地所佔 集水區面積百分比和土地利用之量化，是以集水區內實際崩坍地面積 和土地是否為原始林地或人造林地所被覆作為量化之基準（范正成，
2002a）。在量化的過程中，採用 Imagine 影像處理軟體之非監督性 分類法輔以農林航測所之航空照片加以判識，其原理為利用群集演算 的方法加以分類，經過一連串之區別與結合之疊代計算，其中凡非為 原始林地或人造林地者，均視為開發面積，並以如下公式計算崩坍地 面積百分比和土地利用百分比：
集水區總面積 崩坍地面積
崩坍地面積百分比= （3.5）
集水區總面積
土地利用百分比= 開發面積 （3.6）
集集大地震發生後，研究區域內坡地崩塌及地滑的結果，使得山 坡地裸露，植被流失，河川溪谷處處可見崩塌下來的土堆石塊。因此，
必須重新計算地震後之崩坍地面積百分比及土地利用因子，結果如表 3.5（a）（b），由表 3.5（a）可看出，樣本溪流於集集大地震後其 崩坍地面積明顯增加，但由表 3.5（b）可看出土地利用百分比卻改 變不大，其原因是地震前用以判視的航空照片為 87 年 5 月 23 日所 攝，而地震後航空照片日期為 88 年 9 月 27 日，相差約僅一年，原 本的開發面積如道路、橋樑、房屋等面積等幾乎沒有改變。因此 921 地震對樣本溪流影響最大的是增加許多崩坍面積，使供應土石流發生 的材料增多，無形中使土石流發生潛勢上升，其後可由桃芝颱風所引 發嚴重的土石流災害來獲得印證。圖 3.8（a）為計算土地利用及崩 坍地面積之判視圖，圖 3.8（b）（c）為新興橋集水區 921 地震前後 之航照圖，圖 3.8（d）（e）為 95.5k 集水區 921 地震前後之航照圖。
表 3.5（a）集集大地震前後研究區域崩坍地面積百分比
表 3.5（b）集集大地震前後研究區域土地利用表（不含崩坍地面積）
陳有蘭溪航照圖 SOPT 衛星影像圖
雲、裸露地表 陰影
河川
河川支流、原始林 原始林
人工構造物 人工構造物
分類後之土地利用圖
圖 3.8（a）土地利用及崩坍地面積判視圖（摘自范正成等，2000b）
新興橋 921 地震前崩坍地
圖 3.8（b） 新興橋集水區 921 地震前航照圖（87.5.23）
（摘自范正成，2002c）
921 地震後新增崩坍地
圖 3.8（c） 新興橋集水區 921 地震後航照圖（88.9.27）
（摘自范正成，2002c）
圖 3.8（d） 95.5K 集水區 921 地震前航照圖（87.5.23）
（摘自范正成，2002c）
921地震後新增崩坍地
圖 3.8（e） 95.5K 集水區 921 地震後航照圖（88.9.27）
（摘自范正成，2002c）
2.集水區地文因子
集水區平均寬度（Mean width，W），即為集水區面積(A)除以 河川長度（L）之商。
集水區形狀因子（Form factor，F），為 1932 年荷頓氏所提出，
其定義為單位主要河川長度之流域寬度如（3.7）式。為一無因次參
溪床平均坡度（Mean slope，S），其推求方法有很多種，在本 研究中乃依照王如意、易任（1979）「應用水文學」中平均坡度之 求法，以泰勒及施瓦茲氏法（Taylor and Schwarz method）求取。
此法是將河川分成n段，每段具平均坡度Si ，則溪床平均坡度可表示
其中各段Si的求法為（3.9）式：
) ( )
( 1
1
j i i
i
l TAN h l
SIN h
S = − = − （3.9）
當中 hi 為第 i 段之上游高程與下游高程之差；li 為第 i 段之河川 長度；lj 為第 i 段之河川水平長度。
依據上述方法推求各研究流域之地文因子數據整理如表 3.6 所 示。
坡度 15 度以 壽山橋
上之集水區面積 新安橋
陳
新山橋有
郡平橋
蘭
郡安橋
郡坑橋
溪
上安橋
新開橋
圖 3.9 以數值地形求取集水區面積（取坡度 15 度以上之面積）
（摘自范正成，2002c）
表 3.6 地文因子數據（摘自范正成等，1999b）
3.土壤力學因子
研究中土壤力學性質資料之取得方法，原則上是以現地試驗方式 進行。亦即先針對研究區域內各危險溪流之集水區，進行現地密度試 驗及採樣，並將採得土樣於試驗室中進行比重分析、粒徑分析、阿太 堡試驗及直接剪力試驗。試驗結果列於表 3.7。
表 3.7 土壤力學性質試驗資料（摘自范正成等，2000b）
（E） 227.1 227.3 228.7 227.9 226.4 226.3 226.6 243.2 243.0 235.7 採土點座標
（N） 2621.02622.22618.72620.42624.72621.62621.42636.12636.92648.8 乾燥單
位重
（g/cm3）
1.150 1.305 1.128 1.401 1.414 1.298 1.155 1.388 1.334 1.341 飽和單
位重
（g/cm3）
1.684 1.804 1.680 1.858 1.680 1.784 1.751 1.852 1.828 1.832 土壤孔
隙比 1.150 0.998 1.234 0.843 1.172 0.949 1.480 0.869 0.980 0.968 土壤孔
隙率 0.535 0.500 0.552 0.457 0.540 0.487 0.597 0.465 0.495 0.492 土壤大於
#4（％） 27.98 23.78 11.51 46.25 32.96 22.25 48.86 61.00 74.01 37.45 土壤小於
#200（％） 44.55 23.97 43.01 34.37 23.05 23.30 40.59 19.41 11.72 22.52 凝聚力
（kg/cm2） 0.030 0.156 0.000 0.013 0.011 0.017 0.161 0.157 0.200 0.043 內摩擦
角（∘） 32.08 22.53 33.18 29.75 31.23 32.09 24.18 29.44 25.08 30.19 塑性
表 3.7（續）土壤力學性質試驗資料（摘自范正成等，2000b）
港源三
號橋 壽山橋 新安橋 新山橋 郡平橋 郡安橋 郡坑橋 上安橋 新興橋 95.5k 採土點座
標（E） 235.6 235.6 235.5 235.5 235.2 234.7 234.8 234.4 235.3 235.9 採土點座
標（N） 2647.3 2629.6 2629.4 2628.8 2627.9 2626.6 2627.0 2625.7 2605.9 2619.8 乾燥單
位重
（g/cm3）
1.175 1.524 1.645 1.827 1.661 1.512 1.463 1.581 1.612 1.603 飽和單
位重
（g/cm3）
1.725 1.965 2.022 2.144 2.031 1.947 1.915 1.986 2.005 2.005 土壤孔
隙比 1.224 0.791 0.664 0.464 0.589 0.771 0.829 0.681 0.646 0.675 土壤孔
隙率 0.550 0.441 0.399 0.317 0.370 0.435 0.452 0.405 0.393 0.402 土壤大於
#4（％） 46.39 39.40 31.25 23.10 43.34 41.20 12.38 42.11 53.54 24.64 土壤小於
#200（％）44.68 26.63 25.72 14.61 21.54 38.78 71.38 20.26 24.00 49.71 凝聚力
（kg/cm2
）
0.000 0.060 0.090 0.130 0.040 0.020 0.000 0.030 0.140 0.060 內摩擦
角（∘） 36.56 36.20 39.80 27.37 24.86 37.35 37.33 39.13 26.32 37.81 塑性
50m，距橋200m ，相思樹林旁 野溪右岸，崖邊2~3m
，距
表 3.7（續）土壤力學性質試驗資料（摘自范正成等，2000b）
標（E） 236.3 237.4 237.5 238.1 237.8 237.4 236.5 234.6 239.0 239.2 採土點座
標（N） 2618.6 2615.9 2613.4 2613.3 2612.2 2609.3 2608.1 2623.9 2606.8 2608.1 乾燥單
位重
（g/cm3）
1.359 1.628 1.472 1.580 1.701 1.649 1.514 1.434 1.332 1.439 飽和單
位重
（g/cm3）
1.851 2.012 1.913 2.004 2.060 2.042 1.950 1.903 1.815 1.891 土壤孔
隙比 0.971 0.652 0.807 0.751 0.605 0.654 0.775 0.893 0.937 0.826 土壤孔
隙率 0.492 0.384 0.441 0.424 0.377 0.392 0.436 0.469 0.484 0.452 土壤大於
#4（％） 49.32 64.18 32.71 52.62 34.22 46.14 33.34 26.32 31.38 43.66 土壤小於
#200（％） 19.96 10.59 31.40 11.79 36.22 18.66 28.46 28.24 33.99 17.19 凝聚力
（kg/cm2
）
0.000 0.0000 0.040 0.160 0.000 0.030 0.070 0.040 0.139 0.026 內摩擦
角（∘） 26.89 42.15 37.39 29.86 40.12 44.14 38.27 40.96 25.44 32.53 塑性
3.3.3（b） 相關主變數之選定
在進行區別分析之前，要先進行變數選擇，以決定誘發土石流之 主變因為何。
本研究根據高子劍（2001）提出計算地震前石流發生臨界降雨 線公式的方法。首先由上述 3.3.3（a）中進行各因子之檢定，其檢定 方 法 是 以 無 母 數 統 計 （ Nonparametric Statistics ） 中 的 Mann-Whitney-Wilcoxon檢定法，其具有檢定兩獨立樣本所來自母體 的平均數是否相等的功能。文獻中指出取其信賴區間為 95%（顯著 水準α =0.05），若得機率p<α（0.05）則拒絕虛無假設H0（兩組獨立 樣本來自相同之母群體），表示這些影響因子在發生土石流與未發生 土石流的案例中有顯著不同，也就是代表該因子係與土石流發生密切 相關之危險因子。經Mann–Whitney–Wilcoxon檢定法檢定出研究區 域內與土石流發生較相關的因子分別有崩塌地面積百分比、土地利用 因子、粒徑大於四號篩百分比及集水區有效面積等四項。
3.3.4 集集大地震前各樣本溪流之臨界降雨線之設定