行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告:斜坡地形演化與地形定年研究─(子計畫二)控制階地邊坡演育的地形作用及其環境閾值

行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告

斜 坡 地 形 演 化 與 地 形 定 年 ─ （ 子 計 畫 二 ） 控 制 邊 坡 演 育 的 地 形 作

用 及 其 環 境 閾 值 條 件

Environmental Threshold for Geomorphological Processes Controlling Terrace

Slope Evolution

計畫編號： NSC88-2116-M002-017 計畫期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 07 月 31 日 計畫主持人：徐美玲 執行機關：國立台灣大學地理學系 一、中文摘要 階地邊坡演育過程的研究，有助於釐 清邊坡形態與邊坡地形作用之關係，實乃 利用邊坡形態進行階地定年的基礎。本研 究以宜蘭縣蘭陽溪中游夫布爾階地鄰主流 沿岸階崖為研究對象，根據邊坡坡面的組 成物質、坡度、沖蝕狀況以及植生情形將 階地邊坡劃分成均質的坡單元，並詳細記 錄相關的組成、形貌和地形作用情況，再 將所蒐集到的資料根據此等因子的特徵進 行分類，然後進行統計分析，歸納出各類 坡單元與環境因子之間的關係。結果發 現，邊坡組成物質對坡度的影響最具顯著 性。野外的觀測發現，階地的自由崖面是 以落石或淺層滑落為改變邊坡形態的主要 地形作用，邊坡採間斷後退的方式，其坡 度並未與演育時間有明確的相關。階崖下 方的崩積坡則會受到蠕移、雨水濺蝕、土 壤沖蝕等作用的影響，而逐漸減緩坡度， 但是一旦上方自由崖面發生崩塌，則會因 為堆積物質的增添而再度增高坡度，因此 以目前階崖邊坡尚未被崩積坡完全覆蓋的 階段而言，崩積坡的坡度也不會隨著時間 穩定變緩，此時以擴散模式為基礎所發展 的邊坡演育模式，顯然不適於用來推估邊 坡的演育時間。 關鍵詞：邊坡演育、階地定年、自由崖面、 崩積坡、擴散模式 Abstract

Research on terrace slope evolution helps to clarify the relationship between slope form and geomorphological processes, and is essential to geomorphological dating of terraces. The Fu-Bu-Er terrace located in the Lang-Yang -Chi is chosen as the study site. The terrace slopes are delineated into homogeneous units, and the geology, surfacial gradient, erosion, vegetation conditions of each unit are carefully observed and recorded. The collected data are then classified according to material type, morphological characteristics and working processes. Further statistical analyses are performed in order to postulate the relationships between slope form and environmental factors. The author concludes that the geology of terrace slopes is the most significant factor in controlling slope gradient. Field observations reveal that the free scarp slope retreats by periodic rockfalls and debris slumps, thus, no definite relationship exists between slope gradient and the age of the slope. Debris slopes beneath free scarp faces are subjected to creeping, rain splash, and soil erosion, and then start to reduce their gradients. However, when the free scarp face above any debris

slope fails, new material adds to increase the height and gradient of the debris slope. As long as the free scarp face exists, the gradient of the debris slope will fluctuate, but will not diminish with time. As a result, the diffusion-based slope evolution model is not apt to simulate slope change or to estimate the age of the slope.

Keywords: slope evolution, terrace dating, free scarp face, debris slope, diffusion model.

二、緣由與目的 地表的形貌是由許多山坡單元組合 而成，因此地形的演育乃邊坡地形作用的 綜合表現。進行於邊坡上的地形作用可根 據其主要營力及運動特性分為潛移、土壤 沖蝕及崩塌等。各地形作用進行的結果均 會造成邊坡形態的變化，但所展現出來的 變化方式和速度卻有很大的差異。因此若 要有效推估未來地形演育的方向，或經由 地表形貌去反推過去邊坡形成的時間，必 須辨識影響該目標邊坡演育的主要地形作 用。由於各種地形作用的進行必須符合特 定的環境條件，其中最具影響力的環境因 子包括該邊坡組成物質和結構的特性及當 地的氣候和水文狀況等（Wallace, 1977）。 因此若能辨識各種地形作用進行時的環境 閾值條件（threshold），則可以推估各種邊 坡在不同發展階段的主要地形作用，提高 邊坡演育模式的正確性。 為了進一步瞭解在不同形態的階地 邊坡上，各種地形作用的特性，以及各種 地形作用對邊坡演育的影響。需要針對不 同地理區的階地進行系統性的調查研究， 累積階地邊坡形態與邊坡地形作用的觀測 資料，歸納兩者之間的關係，以作為推測 各類邊坡演進速度的基礎。 三、結果與討論 階地邊坡的演育方式和速度，與組成 階地的物質和結構、坡面上的植生狀態、 當地的氣候條件以及坡地的水文特性密切 相關。為了進行比對和進行統計分析，本 研究擬以夫布爾階地臨蘭陽溪主流沿岸階 崖為研究對象。首先根據邊坡的形貌將階 地加以分類，再實地觀測記錄各地形作用 在各類階地的作用情形，另外調查坡地的 水文狀況，分析邊坡形態與各環境因子的 相互關係，再歸納邊坡演育的模式。 首先根據邊坡坡面的組成物質、坡 度、沖蝕狀況以及植生情形將研究區的階 地邊坡盡可能劃分成均質的區段。階地的 組成分為階地沖積層、崩積層，以及基岩 三類。坡面的沖蝕狀況分成無明顯蝕溝、 順著坡向發育成具有固定流路的中型蝕 溝，以及由中、小型蝕溝匯聚形成有明顯 槽谷的大蝕溝三種。植生狀況則分成裸 露、雜草，以及灌木叢三類。為避免因為 同質區的地形單元面積過大，影響各類地 形單元出現機率的計算，凡地形單元邊坡 寬度超過10公尺者，均再加以細分。然後 在每一個初步劃分的邊坡單元中，挑選比 較具有代表性的垂直剖面一條，再根據上 述的分類標準，在縱剖面上進行分區，以 得到均質的坡單元。 對於每一條邊坡剖面，分別觀測記錄 各坡段的植生和沖蝕狀況，並且仔細審視 坡面滲水情形。然後將記錄帶回實驗室整 理，並進行統計分析，以歸納各類坡單元 的地貌和環境因子的特徵。另外，採取階 地沖積層和崩積層的土樣，帶回實驗室分 析組成物質的粒徑，以及土樣的密度（bulk density），以便進行土體內摩擦角的推算。 調查結果總計得到 141 個坡段的有 效 觀 測 資 料 ， 利 用 Kruskal-Wallis法 檢 定

後，發現不同地質狀況的邊坡的坡度具有 明顯的差異。平均而言，由基岩所構成的 坡單元，比階地沖積層陡，而以崩積層最 為平緩。至於坡段的坡高乃以階地沖積層 最大，而以基岩所構成的邊坡最小，三者 在統計上亦具有顯著的差異。另外，不同 地質狀況下的植生、滲流，以及沖蝕分布 狀況，經卡方檢定也都呈現顯著的差異。 在不考慮地質條件的情況下，裸露邊 坡的平均坡高最小，而由灌木叢所覆蓋的 邊坡擁有最大的平均坡高。若根據邊坡的 滲流狀況將資料分組，發現坡高似乎有隨 著滲流情況的加劇而增加的趨勢。 由階地沖積層所構成的自由面，在利 用Kruskal-Wallis及卡方檢定法，進行出現 不同植生覆蓋和不同滲流情況的邊坡群組 間的環境因子檢定後發現，裸露邊坡的坡 高明顯地比有植生覆蓋者為小。不同滲流 現象的邊坡群組的沖蝕狀況亦呈現顯著的 差異。 觀測資料顯示，基岩所構成的邊坡平 均坡度約為 72 度，一般而言並沒有滲流 或明顯的沖蝕現象，可以推斷此類邊坡後 退的速度必然非常緩慢，很可能是以偶發 的落石或崩塌為後退的主要機制。由階地 沖積層所構成的自由崖面，坡度約為 60 度，而位於崖腳的崩積坡則僅 41度，三類 群組觀測值具有顯著的差異。綜而言之， 邊坡的地質條件影響邊坡形貌至鉅，此結 論乃與 Wallace（1979）等人的研究結果不 謀而合。由於不同地質組成的邊坡群組 間，具有顯著差異的坡度，因此若欲直接 利用地表坡度去推測邊坡的發育時間，則 必須注意分辨邊坡的地質狀況。 階地沖積層自由崖面的平均坡高為 三種地質狀況中最大者，一方面可能是因 為夫布爾階地主為一堆積性的階地，基岩 在階地崖出露的範圍和高度並不大，另一 方面，則是因為階地沖積層有近乎水平的 層理，沖積物的堆疊或膠結情形比較好， 所以可以支持比崩積坡更高陡的邊坡。野 外調查發現，大約三分之二左右的階地沖 積層自由崖面，都沒有出現明顯的沖蝕現 象，推測應該是以落石和淺層崩塌的方式 緩慢地後退，只有在局部出現地下滲流的 地方，有發育大蝕溝的傾向，這些地方後 退的速度比較快，通常會使得階地崖呈現 內凹的趨勢。 植 生 狀 況 則 有 影 響 表 土 沖 蝕 的 趨 勢，根據資料分析，凡是由灌木叢所覆蓋 的邊坡，坡面上幾乎都沒有明顯的沖蝕現 象；以階地沖積層的自由崖面而言，裸露、 雜草掩覆、及長滿灌木林三類崖面的沖蝕 狀況，也具有統計上的顯著差異，顯示植 生具有保護邊坡表土免於被沖蝕的效用， 其中又以密生的灌木叢最為顯著。 就階地沖積層的自由階崖而言，在沒 有滲流和沖蝕的狀況下，裸露坡面的平均 坡度約為 35 度，比雜草地的 49 度或灌 木覆蓋坡面的 47 度平緩。這些現象可能 是因為植物的生長有利於增加土壤的凝聚 力，可以穩定邊坡，因此在沒有植物覆蓋 的情況下，所能維持的邊坡坡度比較緩， 一旦植物著生，土壤的凝聚力也跟著提 升，因此有較大比例的邊坡可以維持比較 陡的坡度。 野外觀察到的邊坡，表示其仍然處於 穩定的狀況下，也就是其坡度應該低於組 成物質的內摩擦角，因此可以將野外實際 測得的邊坡坡度，視為該邊坡組成物質內 摩擦角的底線。在沒有滲流的狀況下，由 裸露基岩所構成的階地崖邊坡的觀察值的 中位數和百分之五十的出線機率來推算， 基岩的內摩擦角約落在 63 度和 82 度之 間，而階地沖積層的內摩擦角則在 46 和 74 度之間。

在自由崖面的實際演進過程中，由於 下邊坡的崩積坡會逐漸增高而掩蓋原來的 崖面，使得自由崖面的坡高隨著時間而逐 漸減小。換句話說，同一個階崖自由面的 坡高愈大，表示此邊坡的演育時間愈短。 由於所有的觀測資料皆取自夫布爾階地， 每一條邊坡的總高度約略相當，其自由崖 面的坡高，也就代表該邊坡演育的時間。 根據擴散模式，坡度會隨著時間而變緩， 因此坡高愈大者，坡度應該愈陡；然而基 岩和階地沖積層邊坡的坡度與坡高略成負 相關，也就是坡高愈大者坡度反而有變小 的趨勢，與擴散模式的模擬結果迥然不 同，因此以該模式進行階地邊坡的演育過 程頗待商榷。 四、計畫成果自評 本研究歸納無論是階地的自由崖面 或崖腳的崩積坡，其坡度與邊坡的生成年 代均無明確的關係。並且經由野外的實際 觀測發現，在階崖邊坡尚未被崩積坡完全 覆蓋的情況下，邊坡的地質組成控制著邊 坡物質滑動的內摩擦角，是影響邊坡坡度 的最重要因子。階地的自由崖面多是以落 石或淺層滑落為改變邊坡形態的主要地形 作用。崩積坡則由於組成物質鬆散，主要 受蠕移、雨水濺蝕、土壤沖蝕等作用影響。 以上研究結果將於台灣大學地理學系地理 學報第26期發表。往後仍需針對各別邊坡 作用發生的條件進行更深入的探討，方能 對階地邊坡演育的速度和方式有更深一層 的認識。 五、參考文獻 [1] 宋國城、游素雲（1993）Morphological Dating of Fluival Terraces Along the

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