行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫暨子計畫:坡地土石流發生機制研究(1/2)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC91-2625-Z-002-016- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學水工試驗所 計畫主持人： 黃宏斌 報告類型： 精簡報告 報告附件： 赴大陸地區研究心得報告 處理方式： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 92 年 6 月 2 日壹、 前言
一、工作內容
本計畫階段性目標是利用 FLO-2D 軟體做土石流境況模擬，將其 流下土石量堆積高度和範圍，與歷史資料和航照圖做比對，而後藉由 此模擬的成效運用於其它土石溪流。二、資料蒐集
本計畫需蒐集之資料包含水文及地文之自然環境資料，及幫助模 式建立及驗證之工程配置圖和土石流歷史災害，各基本資料來源如表 1-1。 表 1-1 基本資料來源表 資料名稱 資料格式 資料來源 出版或取得 年份(民國) 備註 經建版地形圖 紙圖 內政部 77 比例尺為 1/25,000 航照圖 紙圖 農委會林務局農林航測 所 90 － 氣象 文字檔 交通部中央氣象局 90 － 水文 文字檔 交通部中央氣象局、經濟 部水資源局 90 － 地質圖 ArcView 向量 式圖層格式 (*.shp) 經濟部中央地質調查所 75 比例尺為 1/250,000 土地利用圖 Arcview 向量 式圖層格式 (*.shp) 農委會水保局 84 比例尺為 1/5,000 數值地形模型 (DTM) 文字檔 國立中央大學太空遙測 中心 69 精度為 40m×40m貳、 區域範圍環境資料
一、地理位置
此集水區溪流為台大實驗林場溪頭營林區的三號坑溪，行政區域 隸屬於南投縣鹿谷鄉內湖村，為北勢溪支流，北勢溪屬濁水溪流域由 許多野溪所匯流而成向北流去，最後匯入濁水溪；地形上，東面為鳳 凰山脈，所以本溪流由東往西流，地形變化相當劇烈，接近溪谷處之 沖積扇皆相當平坦，接近鳳凰山脈稜線甚至超過 45°。本計劃以溪流 上游南北坑交會點和下游溢流點為集水點，全集水區面積約為 44.86 公頃。集水區範圍如圖 2-1，各子集水區基本資料如表 2-1。 圖 2-1 三號坑溪集水區範圍表 2-1 三號坑溪集水區基本資料表 集水區名稱 南坑子集水區 北坑子集水區 三號坑溪集水區 集水區面積(ha) A 37.42 7.44 44.86 渠道流長(km) L0 1.56 0.51 1.56 漫地流長(km) L’ 0.1 0.09 0.1 溪流總長度(km) L 1.66 0.6 1.66 集水區周長(km) P 3.69 1.24 3.26 集水區最高點高程(m) H1 1760 1745 1760 集水區最低點高程(m) H2 1080 1312 1080 集水區最大高差之水平距離(m)D 1704 1683 1704 渠道最高點高程(m) h 1370 465 1370 集水區平均寬度(km) W=A/ L0 0.24 0.15 0.29 形狀係數 F=W/ L0 0.15 0.29 0.18 溪流平均坡度(%) S=( H1- H2)/L 40.96 72.17 40.96 渠道流平均坡度(%) S1 =(h- H2)/ L0 40.00 72.75 40.00 漫地流平均坡度(%) S2=(H1-h)/ L’ 56.00 68.89 56.00 起伏量比 Rr=(H1-H2)/D 0.496 0.931 0.496
二、氣候與水文
1.一般氣象： 本計畫區域所依據的氣象水文資料，以鄰近的台大實驗林溪頭 氣 象 站 的 資 料 為 代 表 。 由 台 大 實 驗 林 溪 頭 氣 象 站 近 十 年 來 (1991~2000)之統計資料顯示，全年平均氣溫約 16.6℃，月平均氣 溫變化約在 10℃~20℃之間，各月平均氣溫以一、二月最低，七、 八月最高，如圖 2-2；海拔一千公尺以下地區，甚少降至冰點以下。 年平均雨量約 2,213.7 公厘，全年可依降雨之情形，劃分為乾 季與雨季，自九月至翌年四月為乾季，其餘月份為雨季，降雨集中於夏季，月平均雨量均在 300 公厘以上，如圖 2-3。本區氣候上屬 於副熱帶氣候，亦即呈現夏季高溫多雨，冬季乾燥的氣候特徵。 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 11.4 12.1 14.7 16.8 18.4 20.0 20.4 20.2 19.3 17.8 15.5 13.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 氣 溫 (℃) 月份 溪頭氣象站 月平均氣溫分佈圖 圖 2-2 溪頭氣象站月平均氣溫統計表(1991~2000) 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 56.8 122.3 120.8 181.4 302.7 356.6 339.1 440.7 146.6 80.9 26.7 39.1 0 100 200 300 400 500 月 平 均 雨 量 (mm) 月份 溪頭氣象站 月平均雨量分佈圖 圖 2-3 溪頭氣象站月平均雨量統計表(1991~2000)
2.桃芝颱風期間雨量分佈情形 根據台大實驗林溪頭氣象站降雨資料顯示，如圖 2-4，此次桃 芝颱風(90/7/30)之時雨量最大達 107.4 公厘，而最大 24 小時累積 雨量達 614.7 公厘。比較賀伯颱風(85/7/31)期間之最大時雨量 103.5 公厘，最大 24 小時累積雨量達 1,099mm，如圖 2-5，顯示桃 芝颱風最大時雨量雖與賀伯颱風相近，但 24 小時累計雨量卻不及 賀伯颱風大，但是因為九二一(89/9/21)地震的關係，原有之崩積地 層鬆動或產生新的崩坍地，造成桃芝颱風期間之土石流災情較賀伯 颱風時為嚴重。 最大時降雨量為107.4mm(7/30 am 7:00-8:00) 連續24小時累積雨量達614.7mm (溪頭氣象站於7月30日7時開始浸水,7:00-24:00雨量資料以正比法推算) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 時間(hr) 累積雨量(mm) 0 20 40 60 80 100 120 時雨量(mm) 圖 2-4 桃芝颱風期間(7/29/2001~7/30/2001)溪頭氣象站時雨量分佈
最大時降雨量為103.5mm(8/1 am 1:00-2:00) 連續24小時累積雨量達1099mm,兩日累積雨量1257.5mm 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 01: 00 03: 00 05: 00 07: 00 09: 00 11: 00 13: 00 15: 00 17: 00 19: 00 21: 00 23: 00 01: 00 03: 00 05: 00 07: 00 09: 00 11: 00 13: 00 15: 00 17: 00 19: 00 21: 00 23: 00 時間(hr) 累積雨量(mm ) 0 20 40 60 80 100 120 時雨量(mm ) 圖 2-5 賀伯颱風期間(7/31/2001~8/1/2001)溪頭氣象站時雨量分佈
三、地質、土壤和土地利用
溪頭地區主要地質構造為鳳凰山斷層，斷層東側地層分類主要 屬 中 新 世 南 莊 層 ， 上 覆 桂 竹 林 層 ， 層 面 位 態 約 為 N15~30°W/28~35°S，表層多覆蓋 2~4m 厚之崩積層。鳳凰山斷層 為一高角度逆斷層，升側為斷層線之東南側，三號坑溪集水區全區 屬南莊及桂竹林層之特性，其地質圖如圖 2-6。在土壤特性方面， 北勢溪沿岸多屬砂質壤土。在險峻地區，土壤深度較淺，緩斜地區 則土層深厚，且存有腐植質。而三號坑北坑源頭處，大致為厚層變 質砂岩夾薄層頁岩，其表面大致已被植生覆蓋，而三號坑南坑源頭 處，裸露面大致亦為厚層變質砂岩，其表面大致已被植生覆蓋。三號坑溪集水區大部分土地利用圖為林業用地，大致分佈在集 水區中、上游，而下游地區則有少部分住宅和商業用地。土地利用 圖如圖 2-7。
圖 2-6 三號坑溪地質分佈圖
四、崩塌地分佈及現況
三號坑在經歷九二一大地震和桃芝颱風之豪雨侵襲後，尚有大量 土石堆置上游，經現地調查後，發現上游有七處大崩塌地，如圖 2-8， 崩塌面積超過 8543 m2 以上，如表 2-2，崩坍區之大部份土石尚未流 入溪谷，或只流入溪谷之上、中流，故目前已有工程單位對上游崩塌 地做打樁編柵和鋪網植生等一些簡單的處理。 圖 2-8 崩塌地位置分佈圖
表 2-2 上游崩塌地基本資料 地點 坡面高 (單位:m) 崩塌底長 (單位:m) 崩塌面積 (單位:m2 ) 崩塌傾角 (°) 凹陷深度 (單位:m) 崩塌體積 (單位:m3 ) 南坑右岸 1 號崩塌地 15 22 330 48 4 660 南坑右岸 2 號崩塌地 12 73 876 42 3 1314 南坑右岸 3 號崩塌地 28 98 2744 39 18 24696 南坑左岸 1 號崩塌地 8 27 216 49 4 432 南坑左岸 2 號崩塌地 21 36 756 42 15 5670 南坑左岸 3 號崩塌地 110 20 2200 49 30 33000 北坑左岸崩 塌地 49 29 1421 43 10 7105
參、 FLO-2D 軟體之應用
一、 工作方法及流程
本計畫利用 FLO-2D 模擬三號坑溪，於民國 90 年 7 月 31 日桃 芝颱風時，大量的雨水所造成土石的流動時之沖淤情況，看是否與 歷史資料符合，以作為其他溪流模擬的依據。 為完成上述工作，必先蒐集模擬區域之基本地文、水文及歷史 文獻等資料，其中 DTM 之更新及泥砂資料之蒐集皆需至現場，實地 測其地形及現地泥砂採樣才能取得。二、 模擬區域之劃定
由於本計畫為模擬土石流之境況，故模擬區域之範圍應以集水區 範圍並加上土石流危險範圍為主，土石流危險範圍之推估依「水土保 持技術規範」第三百十三條第一項第三款：「土石流：其危險範圍之 劃定方法，首先決定危險區之頂點 A，其以山谷之出口、扇狀地之頂 點，或坡度十度為頂點；其次由 A 點依據土石流最大擴展角度(105 度)向下游劃出一扇狀區域；最後以扇狀區內坡度二度之等坡度線 B 作為土石流之到達邊界，則該扇形區與線 B 所涵括之範圍，即為土 石流之危險範圍」，將扇狀堆積區劃出後，再去除扇狀區中土石流不 可能淹沒之區域，如丘陵、小山等界外區域，即為本計畫模擬區域，如圖 3-1。 圖 3-1 2~10 度扇形區域範圍
三、 DTM 建置
由於 FLO-2D 需輸入 DTM 以模擬二維土石流，故 DTM 資料 之正確與否遂成為模擬準確與否之重要關鍵，本計畫為建立境況 模擬地理資訊系統(GIS)資料庫，向國立中央大學太空遙測中心取 得此集水區於民國 69 年建置之 40m×40m 數值地形模型(DTM)， 由於 DTM 資料年代久遠，為求正確之模擬成果，於民國 92 年 2 月 28 日和 3 月 1 日曾到現地做細部地形測量，用以更新 DTM 資 料。本區 3D 數值地形資料如圖 3-2。由於地形圖為線圖層，為向 量式資料，而 DTM 為網格式資料，本計畫利用 ArcView 8.1「Exportdata」指令加以互換。 圖 3-2 三號坑溪 3D 數值地形資料圖
四、水文量統計
1、雨量 溪頭三號坑隸屬南投縣之集水區，其雨量我們使用龍神橋水位流 量站之資料，雨量站之基本資料如表 3-1， 表 3-1 各水位流量站基本資料表 經度 測站名稱 站號 緯度 海拔(m) 測站位址 設站 年月 所屬機關 資料類型 120°51’49”E 龍神橋 水位流量 站 C1T95 23°46’53”N 296 南投縣 水里鄉 1993.03 中央 氣象局 降雨量、 流量 2、流量歷線FLO-2D 模式需給定入流點及入流歷線，故應用單位流量歷線於 各集水區指定之入流點，如：溪流之會流口、集水點等。由降雨組 體圖之雨量乘以單位流量歷線即可求得流量歷線，本計劃三號坑隸 屬於南投縣之工作範圍，利用龍神橋流量站之單位流量歷線資料， 如圖 3-3。 龍神橋流量站單位流量歷線 0 200 400 600 800 1000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t(小時) 流量 (cm s) 圖 3-3 龍神橋流量站單位流量歷線圖
四、現地測量
由於現有蒐集到之 DTM 為中央大學於民國 69 年製作，精度為 40m×40m，年代久遠且精度過於粗略，經評估已不符合本計畫 FLO-2D 模擬之需要，故決定進行現地之細部地形測量以更新 DTM。本計畫 利用全球衛星定位系統(GPS)及全站式經緯儀(TSS)等儀器，，按照水 土保持局之測量作業規範，進行地形圖測量，測量精度為：導線點測 量測距誤差小於 1/3,000，測角誤差小於加減 60 秒，水準測量之誤差界線在20 K 公釐(K：水準測量路線之總公里數)以內，根據上述精 度已繪製完成之實測地形圖，及測量成果如圖 3-4。以下簡述本計畫 之測量方法：
1、GPS 測量－快速靜態測量(Rapid Static surveying) 本計畫利用 GPS 測量中之快速靜態測量法，以 Trimble GeoExplorer3 當作移動式基地站，架設在由 1/5,000 像片基本圖上找 到之已知點上，另外以 Trimble GeoExplorer2 作移動站，進行快速靜 態測量，建立 GPS 導線網，以利全站式經緯儀(TSS)導線測量引點及 測量平差之用。快速靜態測量法乃是最值得信賴之相對定位法，需使 用兩個以上之接收器同時接收至少四個衛星之訊號，為求消除其中度 電離效應(Ionospheric effect)之誤差，兩基線距離長應小於 25 公里。 2、TSS 地形圖測量 利用 1/5,000 像片基本圖上找到之已知點，配合 GPS 定位，架設 TSS，引已知點進行地形圖測量，各導線點間皆做兩測回以消除儀器 誤差，並利用 GPS 導線網，計算測量平差。將外業測量之成果，繪 製地形圖，並將河道中之治山防災構造物及橋樑繪製於圖中，如圖 3-5、3-6。
圖 3-4 現地測量點座標位置圖
圖 3-6 新設工程構造物位置圖
五、泥砂資料
本計畫將下列參數輸入 FLO-2D 之泥砂資料(SED.DAT)中，分別 為：土砂比重、通過重量百分比 50％之粒徑(D50)、土砂級別指數、 漫地流層流阻力係數、土砂濃度黏滯性阻力係數、土砂濃度黏滯性降 伏應力等。土砂比重、D50及土砂級別指數等三參數需至現地泥砂採 樣，進行土力實驗求得；漫地流層流阻力係數則是依 FLO-2D 使用手 冊建議值輸入；土砂濃度黏滯性阻力係數，土砂濃度黏滯性降伏應力 則是依詹錢登(1997)之實驗參數輸入，以下分別敘述各參數之求取方 法： 1、土砂比重、D50、土砂級別指數現地泥砂調查可獲得土砂比重、D50、土砂級別指數之泥砂參數 值，本計畫依水土保持局河床質粒徑調查方法，將各採樣坑之重量百 分比曲線畫出，如圖 3-7，以求出 D50。又土砂級別指數如下式，亦 可由河床質粒徑分布曲線求出。 土砂級別指數＝0.5×(D84.1/ D50+ D50/ D15.9) 溪頭三號坑溪採樣坑河床質粒徑分布曲線圖資料，是向中華顧問 工程司取得，而河床表面粒徑調查分析，則到現地拍照，其方法則依 照水土保持局河床表面粒徑調查分析方法，沿著河道上中下游取點拍 攝，所取之斷面，如圖 3-8~3-10，並參考「水土保持技術規範」第一 百九十六條曼寧 n 值之規定，將曼寧 n 值及泥砂調查結果列於表 3-2、3-3。 土壤粒徑分佈曲線圖 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 土壤粒徑(mm) 通過百分比(%) 圖 3-7 河床質粒徑分佈曲線圖
圖 3-8 表面粒徑調查斷面分佈圖 表面粒徑分佈曲線圖 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 1 10 100 1000 粒徑(cm) 通過百分比( %) 圖 3-9 南北坑交匯點粒徑分佈曲線
表面粒徑分佈曲線圖 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 1 10 100 1000 粒徑(cm) 通過百分比(%) 圖 3-10 南坑上游崩塌地粒徑分佈曲線 表 3-2 泥砂調查結果分析 採樣點 代表粒徑 最大粒徑 平均粒徑 位置 D65(cm) D75(cm) D90(cm) Dmax(cm) Dm(cm) 南北坑交會點 14.86 16.45 21.51 22.53 13.56 上游崩塌地 32.05 34.36 37.81 40.11 27.02 表 3-3 曼寧 n 值結果 曼寧 n 值
採樣點 Einstein Lane Mayer&Peter 何黃氏 Strickler 平均值 位置 0.0132D651/6 0.015D751/6 0.01216D901/6 D901/6/16 0.015Dm1/6
南北坑交會點 0.0207 0.0239 0.0203 0.1042 0.0232 0.0385 上游崩塌地 0.0235 0.0270 0.0223 0.1145 0.0260 0.0427 平均 0.0406
2、漫地流層流阻力係數
層流阻力係數 K(laminar flow resistance parameter)為黏滯力坡度
項( 2 8 h V K Sv )中之係數，其值和坡度、形狀及植生有關，範圍在 24 至 50,000 之間。FLO-2D 使用手冊建議參數如表 3-4，本計畫 K 值採 用 300。 表 3-4 漫地流層流阻力係數參考表
漫地流層流阻力係數(Resistance Parameters for Laminar flow) 表面(Surface) K 值範圍(Range of K)
混凝土/瀝青(Concrete/Asphalt) 24~108 裸露砂土(Bare Sand) 30~120 表層級配(Graded Surface) 90~400 被侵蝕的裸露泥土－被侵蝕的壤土
(Bare Clay-Loam Soil, Eroded) 100~500 稀疏植被(Sparse vegetation) 1,000~4,000 矮草原地(short Prairie Grass) 3,000~10,000
早熟禾草地(Bluegrass Sod) 7,000~50,000 資料來源：FLO-2D 使用手冊，Woolhiser(1975) 3、黏滯性阻力係數(η)、黏滯性降伏應力(τy) 本計畫採用詹錢登(1997)於南投縣出水溪採樣，進行室內流變試 驗之數據，由於出水溪之溪流底床狀況和本計畫工作範圍之溪流類 似，故直接引用下列數據：η值之係數(coefficient)及指數(exponent) 分別為 0.00462 及 11.24；τy值之係數(coefficient)及指數(exponent) 分別為 0.811 及 13.72。 4、土石流體積濃度(Cd)
本計畫採用的土石流體積濃度，依據現場泥砂調查結果，代入「水 土保持技術規範」第七十三條規定之土石流流量體積濃度推估公式， 得出溪頭三號坑溪為 0.30。
六、初步模擬成果
將一些資料帶入 FLO-2D 中，經過一些修正和嘗試，發現就算所 有的水文和地文資料與現地相同，其土石流也並不能像預期的結果一 樣堆積於鳳凰賓館前，堆積深度當然也不會跟歷史數據一樣 4m 深。 所以考慮以改變水文資料探討其變化，看是否結果與理論相同。 在改變 D50(200mm~500mm)和加入崩塌體積時，發現並無明顯的影 響，而再改變曼寧 n 值和入流歷線卻有比較明顯的不同，以下列出其 比對成果：1. 改變曼寧 n 值
此處以 n=0.2 和 n=0.04 做比對，發現堆積深度並沒有多大改變 分別為 4.95 和 4.7m，可是堆積區域卻差異很大，當 n=0.2 時土石 流在鳳凰賓館前即有散開停淤的情況，而 n=0.04 時卻經過鳳凰賓 館後才開始有堆積情況，如圖 3-11、3-12，而由流速分佈圖如圖 3-13、3-14 知 n=0.2 之最大流速略小於 n=0.04，由此結果得知 n 值 越大，淤積的越上游，流速越慢，與事實相符。2.改變入流歷線
針對一般入流歷線和集中入流歷線於前 30 分鐘作比對，發現堆 積深度差了 0.8m，但堆積面積有變寬，如圖 3-12、3-15，而流速分 佈在入流歷線集中於前 30 分鐘時有變快的情形，如圖 3-14、3-16， 此與事實亦相符。
七、結論
在應用 FLO-2D 軟體後，發現 FLO-2D 軟體在土石流境況模擬有 許多的變數需克服，因為 FLO-2D 有許多限制條件，如下： FLO-2D 之限制條件為：(1)穩定流、(2)靜水壓力分佈、(3)穩流 阻力方程式、(4)規則的渠道斷面形狀及渠道糙度、(5)一個網格點只 有一個高程及糙度及(6)定床模式(rigid bed model)，由於定床模式之限 制，所以本模式無法模擬沖刷及淤積，沖刷及淤積演算是使用 Zeller and Fullerton (1983 )之輸砂經驗公式求得輸砂量，如式(1)此公式是一 緩坡渠槽之經驗式，故不能運用於土石流之演算上。 qs n V G d D 0 0064 1 77 4 32 0 45 0 30 50 0 61 . . . (1) 本模式以非牛頓流體之運動型態模擬土石流之流動機制，主要之 變數－流變參數簡化成降伏剪應力y；黏滯剪應力之指數形式方程 式，當上述二值越大流體之總剪應力越大，代表流體愈黏稠，故流速 愈慢，當流體所在之底床坡度越緩時，其總剪應力有可能大於其重力 作用，此時，流體便會停止，但是此定義與土石流之淤積不同，不能混為一談。故 FLO-2D 模擬土石流可以著重模擬其下游流動情形。
圖 3-11 n=0.2 時之最大淤積深度
圖 3-13 n=0.2 時之流速分佈圖
圖 3-15 n=0.04 入流歷線集中於前 30 分鐘時之最大堆積深度
