前 一 節 已 歸 納 在 地 層 複 雜 且 軟 弱 之 多 含 水 層 地 質 區，最 容 易 產 生 超 抽 地 下 水 引 起 之 地 層 下 陷 問 題，這 種 地 層 最 常 出 現 在 沖 積 扇 洲 之 尾 部 近 海 地 區 ， 其 沉 積 環 境 因 同 時 受 陸 、 海 相 交 互 影 響 ， 地 層 次 序 紊 亂 且 質 地 軟 弱，對 於 這 類 型 之 地 層 下 陷 問 題，如 何 瞭 解 其 地 層 在 地 下 水 位 變 化 過 程 中 之 壓 縮 特 性 是 根 本 上 的 難 題。地 質 鑽 探、取 樣 及 進 行 試 內 試 驗 是 最 傳 統 的 方 式，但 室 內 試 驗 之 結
果 經 常 高 估 地 層 之 可 壓 縮 性，有 時 與 現 地 實 際 之 觀 測 值 差 異 甚 至 可 達 一 個 數 量 級 以 上 (order)(Brighenti and Mesini ， 2000) 。 NAM(1995) 研 究 Groningen 儲 氣 地 層 現 地 觀 測 之 單 向 壓 縮 係 數 是 室 內 試 驗 結 果 的 三 分 之 一；Brighenti et al.(1998)歸 納 出 室 內 試 驗 之 可 能 誤 差 影 響 因 素 :1.鑽 探 過 程 中 土 樣 受 擾 動 ， 2.樣 品 在 處 理 、 搬 運 、 儲 存 、 及 試 驗 準 備 過 程 中 可 能 受 損 壞 ， 3.試 體 取 出 時 應 力 解 壓 之 擾 動 ， 4. 室 內 試 驗 無 法 模 擬 現 場 長 期 之 黏 性 土 壤 壓 縮 行 為，因 此 室 內 試 驗 之 成 果 一 向 受 到 質 疑，尤 其 在 地 層 複 雜 及 抽 水 條 件 無 法 掌 握 的 地 區，無 論 室 內 試 驗 儀 器 如 何 精 密，均 無 法 可 靠 模 擬 真 實 的 地 層 下 陷 行 為。現 場 試 驗 及 監 測 是 較 可 靠 的 方 法 去 瞭 解 地 層 實 際 之 變 形 特 性，透 過 對 地 層 壓 縮 及 地 下 水 位 變 化 的 實 地 監 測，可 分 析 現 地 土 層 之 應 力 應 變 行 為，而 達 到 可 靠 評 估 土 壤 壓 縮 特 性 的 目 的 。
地 層 下 陷 是 地 表 下 之 地 質 材 料 受 力 壓 縮 並 呈 現 於 地 表 高 程 沉 降 的 現 象，因 此 現 場 之 監 測 應 包 括 地 表 沉 降 量、地 下 土 層 壓 縮 量 和 地 下 水 位 變 化 量 的 監 測 。
3-2-1 地表監測
水 準 測 量 是 最 傳 統 的 地 表 沉 降 量 調 查 方 法，雖 然 其 精 度 及 可 靠 性 均 高，但 卻 具 有 耗 時、成 本 高，且 無 法 獲 取 即 時 性 連 續 性 及 三 維 高 程 變 動 資 料 等 缺 點 ， 所 以 當 可 快 速 獲 知 三 維 高 程 變 化 之 GPS技 術 發 展 成 功，且 計 算 精 度 逐 年 不 斷 提 升 時， GPS近 年 來 已 逐 漸 被 應 用 於 地 層 下 陷 之 調 查。義 大 利 於 1993年 成 立 ISES計 畫 ， 除 了 沿 用 水 準 測 量 ， 亦 使 用 GPS測 量 技 術 來 監 測 Catchment basin 之 地 層 下 陷，該 區 位 於 威 尼 斯 潟 湖 南 邊，地 層 中 存 在 高 壓 縮 性 之 全 新 世 海 底 潟 湖 沉 積 黏 土 及 粉 土，下 陷 速 率 曾 達 2~4cm/year (Tosi, et al.,2000)。伊 朗 之 Rafsanjan plain同 樣 因 超 抽 地 下 水 而 發 生 嚴 重 之 地 層 下 陷 ， 其 於 1998設 置 35個 GPS監 測 站 ， 並 在 1998年 8月 完
成 首 次 檢 測，其 結 合 地 下 水 位 資 料 獲 得 每 一 公 尺 水 位 下 降 約 導 致 1~8公 分 之 成 果 (Mousavi, et al., 2001)。 另 外 美 國 加 州 Amtelope Valle, Las Vegas(USGS,1999), Nevada(Bell,2000) ， Houston, Texas(Gabrysch,2000) 等 地 也 都 陸 續 成 立 GPS 監 測 網 路 搭 配 水 準 測 量 以 精 確 調 查 地 面 之 下 陷 情 形 。
台 灣 地 區 之 GPS 監 測 網 先 後 有 中 央 研 究 院 (余 水 倍 ,1994)及 中 央 地 質 調 查 所 (侯 進 雄 ， 1998)進 行 現 地 之 地 殼 變 動 觀 測 。 但 針 對 GPS 是 否 適 用 於 偵 測 地 層 下 陷 之 發 生 ， 則 以 水 利 署 於 民 國 89 年 委 託 工 研 院 進 行 之 測 試 報 告 較 為 完 整 (工 研 院 ， 2000)， 該 測 試 工 作 以 雲 林 地 區 為 對 象，圖 3-9 為 其 GPS 監 測 點 分 布 圖，測 試 時 間 為 民 國 89 年 1 月 至 11 月 ， 圖 3-10 為 GPS 測 試 結 果 與 水 準 測 量 結 果 之 比 較，可 以 發 現 其 趨 勢 相 當 穩 合，二 測 量 值 之 差 距 約 介 於 0.04~1.1 公 分 ， 證 實 GPS 在 雲 林 地 區 具 有 偵 測 地 層 下 陷 量 之 能 力。另 外 為 了 瞭 解 地 層 下 陷 嚴 重 地 區 之 動 態 變 化，該 工 作 當 年 度 亦 於 彰 化 縣 之 西 港 國 小 及 雲 林 縣 之 新 興 國 小 各 設 置 一 口 GPS 固 定 式 追 蹤 站，透 過 動 態 的 訊 號 接 收 及 處 理，並 與 鄰 近 內 政 部 之 GPS 測 站 比 對 (圖 3-11)，以 掌 握 二 監 測 點 之 地 表 高 程 連 續 變 動 行 為 。 根 據 民 國 90 年 7 月 至 92 年 8 月 間 之 三 維 座 標 解 算 成 果 (洪 偉 嘉，民 國 92 年 )，其 量 測 資 料 精 度 統 計，垂 直 向 之 標 準 差 約 1.3 公 分 ， 水 平 向 則 約 0.4 公 分 。
□水資檢 08
□水資檢 12
□WR49
□水資檢 07
□WR23
□水資檢 09
□WR21
□水資檢 10
圖 3-9 雲林地區 GPS 監測點分布圖(中央地調所，1999)(工研院,2000)
GPS 測量結果
水準測量結果
圖 3-10 雲林地區 GPS 與水準測量檢測地層下陷成果比對圖(工研院，2000)
墾丁
120° 122°
22°
23°
24°
新興國小 西港國小 北港
工研院量測中心 25 陽明山
圖 3-11 西港及新興 GPS 固定站及鄰近基站之相關位置圖
圖 3-12 及 圖 3-13 為 兩 站 於 民 國 90/7~92/8 之 GPS 高 程 變 化 趨 勢 圖，其 中 彰 化 西 港 國 小 在 觀 測 期 間 之 地 表 累 積 下 陷 量 約 22.9 公 分 ， 新 興 國 小 約 10.8 公 分 ， 與 水 準 測 量 結 果 比 較 ， 西 港 國 小 之 差 異 量 約 0.4 公 分 /年 ， 新 興 國 小 之 差 異 量 約 1.2 公 分 /年 。 圖 3-14 與 圖 3-15 為 彰 化 西 港 國 小 及 雲 林 新 興 國 小 觀 測 期 間 平 面 位 置 (TWD97 座 標 系 統 )之 變 化 趨 勢，兩 站 之 水 平 位 移 並 無 明 顯 之 偏 向，最 大 與 最 小 之 平 面 位 移 差 值 約 1.04~1.78 公 分 (表 3-2)，相 對 於 垂 直 向 之 高 程 變 化 量 而 言，兩 地 點 之 水 平 位 移 顯 然 並 不 嚴 重 ， 顯 示 因 抽 水 而 引 起 之 地 層 下 陷 在 現 代 沖 積 扇 地 質 區 應 以 垂 向 之 變 形 為 主 。
表 3-2 西港國小與新興國小平面座標分佈統計表
學校名稱 新興國小(CHSG) 西港國小(YLSS)
平面座標 N E N E
標準差（公尺） 0.0027 0.0024 0.0041 0.0020
平均值（公尺） 2626354.2569 170718.7385 2639738.7983 177597.1786 最大值（公尺） 2626354.2636 170718.7443 2639738.8060 177597.1835 最小值（公尺） 2626354.2496 170718.7333 2639738.7881 177597.1732
學校名稱 新興國小(CHSG) 西港國小(YLSS)
西港國小N坐標分佈圖
2639738.780 2639738.785 2639738.790 2639738.795 2639738.800 2639738.805 2639738.810 2639738.815
90年7月8月 9月 10月 11月 12月91年1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月92年1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月
N坐標(m)
N坐標
西港國小E坐標分佈圖
177597.160 177597.165 177597.170 177597.175 177597.180 177597.185 177597.190 177597.195
90年7月8月 9月 10月 11月 12月91年1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月92年1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月
E坐標(m)
E坐標
圖 3-14 彰化西港國小 GPS 解析水平變位(N 及 E 方向)結果圖
新興國小N坐標分佈圖
監 測 延 伸 入 地 下 ， 設 置 可 深 入 地 下 之 地 層 下 陷 或 地 下 水 位 監 測 井 ， 以 觀 察 不 同 類 型 土 層 之 壓 縮 過 程 或 地 下 水 位 的 變 化 歷 程 。
Sato et al. (2003) 探 討 日 本 Ojiya地 層 下 陷 區 之 地 層 壓 縮 參 數 ， 利 用 GPS測 量 成 果 配 合 地 下 水 位 變 化 資 料 加 以 分 析 ， 因 GPS 僅 可 獲 得 地 表 面 之 沉 陷 量，所 以 其 假 設 地 表 面 之 沉 陷 量 完 全 來 自 地 下 黏 土 層 之 壓 縮，並 將 沉 陷 量 除 以 地 中 所 有 黏 土 層 總 厚 度 而 得 出 地 層 之 應 變 量 ， 再 對 應 地 下 水 壓 變 化 而 繪 製 成 地 層 之 應 力 -應 變 圖 (如 圖 3-16)， 以 此 方 法 推 求 之 黏 土 層 壓 縮 參 數 稱 為「 視 平 均 體 積 壓 縮 係 數 mv (“average apparent” coefficients of volume compressibility)」， 其 值 約 7.0×10- 11 m2/N， 因 為 其 並 未 考 慮 實 際 地 層 壓 縮 行 為 在 深 度 上 的 變 異 性 ， 因 此 不 易 掌 握 土 壤 之 真 正 特 性，唯 有 針 對 地 層 深 度 進 行 分 層 之 變 形 觀 測，方 可 確 實 瞭 解 地 層 之 真 正 壓 縮 特 性 。
圖 3-16 日本 Ojiya 地區黏土地層之應力-應變關係圖(Sato et al.,2003)
世 界 上 已 有 多 型 之 分 層 式 地 層 壓 縮 監 測 井 被 開 發 應 用 於 實 地 之 監 測 ， 其 中 放 射 性 分 層 標 記 技 術 (Radioactive Marker Technique, RMT) 常 應 用 於 歐 洲 地 區 ， 最 早 被 用 於 監 控 汶 淶 近 海
Champion 油 田 之 地 層 下 陷 (Schmitt， 1996)， 後 來 又 成 功 應 用 於 北 海 等 油 田 之 地 層 下 陷 監 測 (Menghini ， 1989) 。 Macini, et al.
(2000) 應 用 RMT 分 層 監 測 Adriatic Sea 深 地 層 之 壓 縮 行 為 ， 發 現 觀 測 分 析 結 果 與 地 面 水 準 測 量 推 算 結 果 相 當 吻 合，顯 示 該 型 監 測 井 確 實 有 相 當 可 靠 的 量 測 成 果 。
RMT 是 將 具 一 系 列 低 放 射 性 物 質 之 子 彈 打 入 地 層 中 ， 而 後 藉 由 探 測 器 定 出 子 彈 之 深 度，比 較 不 同 時 間 之 深 度 變 化 即 可 知 分 層 之 壓 縮 量 (圖 3-17 及 3-18)。此 方 法 之 主 要 問 題 在 於 使 用 會 污 染 地 層 之 放 射 性 物 質 作 為 分 層 標 記 ， 因 此 需 選 用 放 射 性 較 低 之 物 質，而 因 放 射 強 度 低，半 衰 期 太 短 之 因 素，導 致 量 測 期 限 很 難 達 到 5~10 年 之 穩 定 量 測 (Green， 1991； DeKock et al.,1998)； 另 外 因 使 用 子 彈 發 射 方 式 嵌 入 地 層 ， 則 對 火 藥 量 之 選 擇 、 發 射 角 度 、 嵌 入 地 層 深 度 等 均 需 精 確 之 控 制，否 則 極 易 裝 設 失 敗，因 此 其 安 裝 難 度 很 高 ， 不 太 容 易 推 廣 應 用 。
美 國 地 區 常 使 用 孔 內 伸 縮 儀 (Borehole extensometer)進 行 地 層 壓 縮 行 為 觀 測，美 國 地 質 調 查 所 (USGS)過 去 已 於 各 州 設 置 數 十 站 孔 內 伸 縮 儀 (Borehole extensometer) 監 測 土 體 之 變 形 行 為 (Evans et al., 2000)(Rewis,1993)， 並 配 合 分 層 受 壓 含 水 層 之 水 壓 變 化 資 料 ， 分 析 地 層 之 應 力 -應 變 關 係 ， 但 因 受 限 於 監 測 井 之 井 徑，其 觀 測 層 次 不 宜 太 多，以 2~3 層 最 為 常 見。Sneed, et al. (2000) 根 據 設 於 Las Vegas, Nevada之 地 層 伸 張 儀 及 地 下 水 壓 計 之 實 測 資 料 (如 圖 3-19)，求 得 地 下 含 水 層 之 彈 性 及 非 彈 性 部 份 之 體 積 壓 縮 係 數 分 別 約 2.8×10- 1 0 m2/N及 4.1×10- 1 0 m2/N。
井測儀器
GR 測定器
放射性標點
監測地層
圖 3-17 RMT 分層監測井示意圖(Macini, et al. ,2000)
探測儀器
圖 3-18 RMT 分層監測井之探測及壓縮量計算示意圖(Macini, et al.,2000)
圖 3-19 Las Vegas, Nevada 之孔內伸縮儀及地下水壓計設置圖
(Sneed, et al， 2000)
國 內 常 使 用 之 現 地 監 測 井 型 式 包 括 伸 縮 儀 式 沉 陷 計 ( 圖 3-20)(李 德 河 ， 1996)、鋼 管 式 沉 陷 監 測 井 及 磁 感 應 環 分 層 式 監 測 井 (圖 3-21)。其 中 磁 感 應 環 分 層 式 監 測 井 已 由 水 利 署 廣 泛 設 置 於 台 灣 之 西 南 沿 海 地 區 (圖 3-22)，其 定 位 精 度 可 達 1~5mm，且 可 相 當 多 層 及 彈 性 調 整 監 測 層 次 等，相 當 適 用 於 複 雜 多 變 之 沖 積 扇 地 質 區 之 地 層 下 陷 監 測 (工 研 院 ， 2003)。
圖 3-20 伸縮儀沉陷計示意圖(李 德 河 ， 1996)
圖 3-21 磁感應環分層式地層下陷監測井示意圖(工研院，2001)
學甲國中
新港國小 (鹽田分校) 客厝國小
元長國小 土庫國中
樹林國小
圖 3-22 台灣地區磁感應環分層式地層下陷監測井分布圖(工研院，2003)
3-2-3 實例之特性分析及討論
本 節 蒐 集 台 灣 地 區 最 重 要 之 地 層 下 陷 區 -濁 水 溪 沖 積 扇 及 屏 東 平 原 之 實 測 資 料 進 行 分 析 及 討 論 (資 料 來 源 為 經 濟 部 水 利 署 地 層 下 陷 及 地 下 水 位 資 料 查 詢 網 站 )。
(1) 濁 水 溪 沖 積 扇
濁 水 溪 沖 積 扇 自 民 國 40、 50 年 代 開 始 大 規 模 抽 用 地 下 水 作 為 灌 溉 用 途 ， 當 時 地 層 已 略 為 受 壓 變 形 ， 但 緊 接 著 在 60 年 代 沿 海 地 區 亦 密 集 抽 用 地 下 水 作 為 養 殖 用 途，使 地 層 下 陷 問 題 漸 漸 浮 現，並 在 70 年 代 達 到 高 峰 期，80 年 代 以 後 因 沿 海 養 殖 型 態 改 變，
及 海 水 養 殖 技 術 之 推 廣，地 層 下 陷 集 中 在 仍 大 量 使 用 淡 水 養 蜆 之 彰 化 縣 大 城 鄉 之 西 港 地 區 (成 功 大 學 水 工 所，2003)。圖 3-23 為 彰 化 鹿 港、西 港 及 雲 林 蚊 港、口 湖 等 地 區 長 期 之 地 表 下 陷 量 及 綜 合 地 下 水 位 變 化 歷 線 圖，可 以 看 出 地 層 下 陷 受 地 下 水 位 變 化 歷 史 之 影 響 性 ， 彰 化 鹿 港 之 地 下 水 位 自 民 國 69 年 以 後 明 顯 回 升 ， 地 層 中 之 壓 縮 應 力 逐 漸 消 除 ， 至 民 國 79 年 以 後 即 不 再 下 陷 。 雲 林 蚊
及 海 水 養 殖 技 術 之 推 廣，地 層 下 陷 集 中 在 仍 大 量 使 用 淡 水 養 蜆 之 彰 化 縣 大 城 鄉 之 西 港 地 區 (成 功 大 學 水 工 所，2003)。圖 3-23 為 彰 化 鹿 港、西 港 及 雲 林 蚊 港、口 湖 等 地 區 長 期 之 地 表 下 陷 量 及 綜 合 地 下 水 位 變 化 歷 線 圖，可 以 看 出 地 層 下 陷 受 地 下 水 位 變 化 歷 史 之 影 響 性 ， 彰 化 鹿 港 之 地 下 水 位 自 民 國 69 年 以 後 明 顯 回 升 ， 地 層 中 之 壓 縮 應 力 逐 漸 消 除 ， 至 民 國 79 年 以 後 即 不 再 下 陷 。 雲 林 蚊