行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告:水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例─總計畫：水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例

計畫類別：整合型計畫

計畫編號：NSC 93－2625－Z－002－042－

執行期間：2004 年 12 月 01 日 至 2005 年 11 月 30 日

計畫主持人：許銘熙

共同主持人：何興亞

計畫參與人員：林國峰、張斐章、吳瑞賢、蘇文瑞、張良正、虞國興、

許少華、楊錦釧、葉克家、蔡長泰、駱尚廉、陳宣宏、

連宛渝

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▇完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管

計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣大學生物環境系統工程學系

合作單位：國家災害防救科技中心

行政院國家科學委員會

「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」

整合型計畫執行進度及對石門水庫供水機能改善建議報告

計畫別

計畫名稱

主持人/

共同主持人

總計畫

水庫供水機能檢討評估與改善對策

─以石門水庫為例

許銘熙教授

何興亞博士

子計畫一

水文不確定性影響水庫供水風險之

評估

林國峰教授

張斐章教授

子計畫二 自來水供需情況及供水風險之評估

吳瑞賢教授

蘇文瑞博士

子計畫三 區域及跨區供水調度可行性之評估

張良正教授

虞國興教授

子計畫四 颱風期間水庫蓄清排渾效應之評估

許少華教授

楊錦釧教授

子計畫五

水庫洩洪排淤對下游河道環境影響

之評估

葉克家教授

蔡長泰教授

子計畫六

自來水廠備載應變技術可行性之評

估

駱尚廉教授

謝誌

本研究計畫承蒙 行政院國科會提供研究經費，謹此誌謝。

研究期間，承蒙經濟部水利署、經濟部水利署北區水資源局、經濟

部水利署水利規劃試驗所、經濟部水利署第二河川局、經濟部水利署第

十河川局、石門水庫管理中心、台灣省自來水股份有限公司、台北自來

水事業處、台北翡翠水庫管理局、台電公司桂山發電廠、台北市瑠公農

田水利會等機關提供寶貴意見及資料，謹致由衷之謝忱

摘要

石門水庫於民國 52 年興建於大漢溪中游，總蓄水量約 2 億 4 千萬

噸，原主要目標為提供灌溉防洪功能，然為因應目前整體民生及產業環

境改變，調節供應公共給水功能日趨重要。目前石門水庫每年供應民生

用水量約 3 億噸、工業用水量約 1.5 億噸及農業用水量約 4.5 億噸，總供

水 9 億噸約為水庫容量的四倍，顯見石門水庫在水資源調配的困難。

民國 93 年艾莉颱風期間，為石門水庫上游集水區帶來連續長時間高

強度降雨，造成水庫集水區大量土石崩塌，為石門水庫帶入將近 2,000

萬立方公尺之淤積量，造成石門大圳進水口被大量泥砂掩埋而無法取

水，使得南桃園地區約三個星期無法供水，影響民眾生活甚鉅。經濟部

水利署等相關單位，雖已積極採取緊急因應措施以恢復供水。然而，大

量泥砂淤積減少水庫調蓄空間，必須研擬長期改善策略，方能維持水庫

永續經營，確保水庫正常供水機能。因此，國科會邀集相關學者組成本

研究團隊，分別由水文不確定性、自來水供需風險及備載應變、水資源

調度、颱洪期間水庫操作及環境影響等方向進行研就，作為水庫供水機

能檢討評估之依據，亦提出改善對策，提供主管機關做為未來加強水資

源運用或防災科技研究計畫核列之參考。

Abstract

The Shihmen Reservoir is built in the middle part of Da-Han River, a

tributary of the Tam-Shiu River, for multiple functions, such as irrigation,

flood mitigation, hydropower, and water supply. The reservoir was

established in 1964 with the designed storage volume of 240 million m

3

. The

rapid development in the Taoyuan County and its surrounding areas, which

depend on the water supply from the Shihmen Reservoir, has increased the

annual water demand to 900 million m

3

due to the rapid development and

urbanijation. However, the heavy rainfalls accompany with typhoons usually

induce landslides and soil-erosion in the upstream catchments and decrese the

reservoir’s capacity.

The Typhoon Aere in August 2004 brought more than 1,600 mm of

precipitation in upstream catchments and caused servere damage to the

reservoir. More than 20 million m

3

of sediments was estimated that flushed

into the reservoir during the event. The turbidity of source water was too high

to fulfill the minimum requirement of treatment for water supply. The

waterworks were forced to be shutdown for three weeks and almost 2 million

people suffered the unexpectable water shortage. Several emergency

measures had been conducted by the Government to resume the water supply.

The National Science Council of the Executive Yuan would like to offer

scientific evaluations for improving the water supply function of the Shihmen

Reservoir. A joint research group was teamed up by professors from

universities and professionals from research institutes. The factors related to

the water supply risk of the Shihmen Reservoir are analyzed, including the

uncertainty in hydrology, the demand of water supply, the settling behavior of

cohesive mud, the deposition and scour situations of the downstream channels,

the capabilities of water treatment plants, regional water supply and storage,

and the inter-regional management and support, and the treatment technique

for the raw water with high turbidity. The provided suggestions will help the

authorities to set long-term strategies for enhancing the water supply function

of the Shihmen Reservoir.

目錄

謝誌

... i

摘要

... ii

Abstract ... iii

目錄

... v

表錄

...viii

圖錄

... ix

照錄

... xii

第一章 緒論... 1

1-1

研究背景... 1

1-2

研究目的... 5

1-3

整體分工合作架構... 8

第二章 研究方法... 11

2-1

總計畫... 11

2-2

子計畫一 水文不確定性影響水庫供水風險之評估... 14

2-2-1

不確定性因子之確立 ... 14

2-2-2

不確定性分析... 15

2-2-3

水文不確定性與石門水庫供水風險之關係 ... 16

2-3

子計畫二 自來水供需情況及供水風險之評估... 16

2-3-1

模式建立... 17

2-3-2

乾旱年之選取... 18

2-3-3

研究區域... 19

2-3-4

需水量推估... 21

2-4

子計畫三 區域及跨區供水調度可行性之評估... 24

2-4-1

模式建立... 24

2-4-2

研究區域... 26

2-5

子計畫四 颱風期間水庫蓄清排渾效應之評估... 26

2-5-1

石門水庫高濁度現象簡介... 26

2-5-2

研究方法... 30

2-6

子計畫五 水庫洩洪排淤對下游河道環境影響之評估 ... 31

2-6-1

研究方法... 31

2-6-2

控制方程式... 32

2-6-3

模擬案例... 34

2-7

子計畫六 自來水廠備載應變技術可行性之評估... 41

2-7-1

研究方法... 42

第三章 研究成果... 43

3-1

子計畫一 水文不確定性影響水庫供水風險之評估... 43

3-1-1

不確定因子與不確定性分析... 43

3-1-2

水庫供水風險評估... 46

3-2

子計畫二 自來水供需情況及供水風險之評估... 48

3-2-1

四場乾旱事件下之情境模擬... 48

3-2-2

模擬板新水場支援大桃園地區用水... 52

3-2-3

水資源之調配... 55

3-3

子計畫三 區域及跨區供水調度可行性之評估... 57

3-3-1

埤塘水資源調配分析 ... 57

3-3-2

埤塘移用或改善策略分析... 61

3-4

子計畫四 颱洪期間水庫蓄清排渾效應之評估... 65

3-4-1

石門水庫淤泥特性... 65

3-4-2

黏性泥砂沉降速度級序... 67

3-4-3

沉降速度預備實驗--淤泥浸泡實驗... 70

3-4-4

標準量筒沉降實驗... 71

3-4-5

現場沉降與標準量筒沉降之差異... 73

3-5

子計畫五 水庫洩洪排淤對下游河道環境影響之評估 ... 74

3-5-1

高濃度排砂案例... 74

3-5-2

清淤泥砂堆置河道案例... 83

3-6

子計畫六 自來水廠備載應變技術可行性之評估... 88

3-6-1

備載容量評估... 88

3-6-2

高濁度原水處理技術 ... 89

第四章 結論與建議... 95

4-1

結論 95

4-2

建議 96

附錄一 第一次工作討論會會議紀錄...101

附錄二 第二次工作討論會會議紀錄...102

附錄三 第三次工作討論會會議紀錄...104

附錄四 第四次工作討論會會議紀錄...107

附錄五 第五次工作討論會會議紀錄... 110

附錄六 第六次工作討論會會議紀錄... 113

附錄七 「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」 各子

計畫精簡報告... 116

附錄 7-1 子計畫一：水文不確定性影響水庫供水風險之評估... 116

附錄 7-2 子計畫二：自來水供需情況及供水風險之評估 ...127

附錄 7-3 子計畫三：水文不確定性影響水庫供水風險之評估...139

附錄 7-4 子計畫四：颱洪期間水庫蓄清排渾效應之評估 ...149

附錄 7-5 子計畫五：水庫洩洪排淤對下游河道環境影響之評估....157

附錄 7-6 子計畫六：自來水廠備載應變技術可行性之評估 ...169

表錄

表 1-1-1 石門水庫集水區艾利颱風事件小時連續累積最大降雨量... 4

表 1-2-1 經濟部水利署近 5 年辦理水庫泥砂相關計畫一覽... 6

表 1-3-1 「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」整合

型計畫 各子計畫名稱、主持人、共同主持人及主要研究人員.. 9

表 2-3-1 桃園地區主要供水淨水場供水範圍... 20

表 2-3-2 桃園地區各標的用水量... 22

表 3-1-1 與輸砂量相關因子之確立 ... 44

表 3-1-2 月降雨量之機率分佈型式 ... 44

表 3-1-3 模擬流量分析... 45

表 3-1-4 缺水指標分析... 47

表 3-1-5 可靠度分析... 47

表 3-2-1 目前供水能力下南北桃園缺水指標(SI)... 51

表 3-2-2 板新支援 30 萬噸下南北桃園缺水指標... 55

表 3-2-3 水資源分配之結果... 55

表 3-3-1 北桃園方案之埤塘資料... 61

表 3-4-1 石門水庫淤泥基本性質分析一覽表... 66

圖錄

圖 1-1-1 石門水庫放水口示意圖... 3

圖 1-1-2 石門水庫 93 年 9 月 6 日地形圖... 3

圖 1-1-3 石門水庫集水區艾利颱風事件總雨量等雨量線 ... 4

圖 1-1-4 艾莉颱風石門水庫流量歷線(93 年 8 月 23 日 1 時~ 8 月 26 日

24

時)... 4

圖 1-3-1「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」整合型

計畫各子計畫間相關性... 10

圖 2-3-1 桃園縣政府南北行政分區 ... 20

圖 2-3-2 桃園縣淨水場供水範圍... 20

圖 2-4-1 灌溉系統圖之元件定義... 24

圖 2-5-1 水庫三角洲、底部段、壅水淤積段、異重流、渾水潭示意圖.. 28

圖 2-5-2 洪水期間水庫產生異重流且未形成渾水潭的情況... 28

圖 2-5-3 洪水期間水庫渾水潭清渾水交界面上升示意圖 ... 28

圖 2-5-4 洪水過後的渾水潭清渾水交界面沉降示意圖... 29

圖 2-6-1 模擬範圍簡圖... 35

圖 2-6-2 納莉颱風石門排洪流量歷線 ... 36

圖 2-6-3 納莉颱風側入流三峽溪流量歷線... 36

圖 2-6-4 納莉颱風新海橋實測水位歷線... 37

圖 2-6-5 泥砂堆置區段示意圖... 38

圖 2-6-6 斷面堆高示意圖... 38

圖 2-6-7 馬莎颱風石門排洪流量歷線 ... 39

圖 2-6-8 馬莎颱風石門後池濃度歷線 ... 40

圖 2-6-9 馬莎颱風新海橋實測水位歷線... 40

圖 2-7-1 磁性顆粒合成方法圖... 42

圖 3-1-1 不同初始水位之 SI 值... 47

圖 3-1-2 不同初始水位之 α 值... 48

圖 3-3-1 桃園大圳各埤塘六方案入流率分析結果圖... 58

圖 3-3-2 石門大圳各埤塘六方案入流率分析結果圖... 59

圖 3-3-3 桃園大圳六方案年缺水率分析結果圖... 60

圖 3-3-4 石門大圳六方案年缺水率分析結果圖... 61

圖 3-3-5 桃園、石門農田水利會埤塘水質與飲用水質標準之比較... 64

圖 3-4-1 石門水庫淤泥... 65

圖 3-4-2 高嶺土 ... 66

圖 3-4-3 絮團沉降速度與泥砂濃度關係圖... 68

圖 3-4-4 絮網各沉降階段... 69

圖 3-4-5 各絮凝狀態的沉降速度級序 ... 69

圖 3-4-6 石門水庫艾利颱風過後界面沉降速度圖... 70

圖 3-4-7 濁度與泥砂濃度關係圖... 70

圖 3-4-8 淤泥浸泡時間比較圖... 72

圖 3-4-9 量筒實驗沉降歷線圖... 72

圖 3-4-10 石門水庫淤泥實驗平均濃渡與沉降速度關係圖 ... 73

圖 3-5-1 大漢溪底床高程... 75

圖 3-5-2 大漢溪底床高程差值變化 ... 75

圖 3-5-3 後池堰 D1、D2 懸浮質濃度延時變化... 76

圖 3-5-4 後池堰 D3~D6 懸浮質濃度延時變化... 77

圖 3-5-5 鳶山堰 D1、D2 懸浮質濃度延時變化... 77

圖 3-5-6 鳶山堰 D3~D6 懸浮質濃度延時變化... 78

圖 3-5-7 大漢溪下游段 t=1hr 濃度沿程變化 ... 79

圖 3-5-8 大漢溪下游段 t=2hr 濃度沿程變化 ... 79

圖 3-5-9 大漢溪下游段 t=4hr 濃度沿程變化 ... 80

圖 3-5-10 大漢溪下游段 t=24hr 濃度沿程變化... 80

圖 3-5-11 大漢溪下游段 t=8hr 懸浮載源沿程變化... 81

圖 3-5-12 大漢溪下游段 t=16hr 懸浮載源沿程變化... 82

圖 3-5-13 大漢溪下游段 t=24hr 懸浮載源沿程變化... 82

圖 3-5-14 大漢溪下游段河床質 D50 沿程變化... 84

圖 3-5-15 清淤泥砂模擬馬莎颱風 66 小時後底床高程... 84

圖 3-5-16 清淤泥砂堆置案例 1hr 懸移質濃度沿程變化... 85

圖 3-5-17 清淤泥砂堆置案例 4hr 懸移質濃度沿程變化... 85

圖 3-5-18 清淤泥砂堆置案例 8hr 懸移質濃度沿程變化... 86

圖 3-5-19 清淤泥砂堆置案例 16hr 懸移質濃度沿程變化... 86

圖 3-5-20 清淤泥砂堆置案例 33hr 懸移質濃度沿程變化... 87

圖 3-5-21 清淤泥砂堆置案例 66hr 懸移質濃度沿程變化... 87

圖 3-6-1 桃園地區備載率隨時間變化圖... 89

圖 3-6-2 濁度去除率與初始固體負荷關係圖(離心時間 5 分鐘)... 91

圖 3-6-3 石門原水殘餘濁度與離心轉速關係圖(離心時間 5 分鐘) ... 91

圖 3-6-4 石門原水殘餘濁度與鋁鹽劑量關係圖(離心時間 5 分鐘) ... 92

圖 3-6-5 石門原水殘餘濁度與鐵鹽劑量關係圖(離心時間 5 分鐘) ... 92

圖 3-6-6 石門原水殘餘濁度與磁種劑量關係圖(無外加磁場)... 94

圖 3-6-7 石門原水殘餘濁度與磁種劑量關係圖(外加磁場)... 94

照錄

照 2-1-1 石門水庫管理中心簡昭群主任簡報艾利颱風對石門水庫之影

響... 12

照 2-1-2 座談討論... 13

照 2-1-3 石門水庫現地參觀... 13

照 2-1-4 平鎮淨水廠工作人員講解淨水場供水區域... 13

照 2-1-5 平鎮淨水廠現地參觀... 14

第一章

緒論

1-1

研究背景

石門水庫自民國 52 年 5 月開始蓄水以來，歷經多次颱風暴雨侵襲以及其他

自然人為因素之影響，造成水庫集水區內山坡地嚴重沖刷與崩塌，以致洪水夾

帶大量泥沙流入水庫，降低水庫庫容空間，影響水庫調節蓄洪之功能。民國 93

年艾莉颱風期間，為石門水庫上游集水區帶來連續長時間高強度降雨，造成水

庫集水區大量土石崩塌，根據水利署初步估計，艾利颱風為石門水庫帶入了將

近 2,000 萬立方公尺之淤積量，約佔該水庫完工 41 年來總淤積 5,587 萬立方尺

之 35.8%，該淤積量將讓石門水庫使用壽命減少七年。由圖 1-1-1 石門水庫放

水口示意圖可看出石門大圳進水口高程為 195 公尺，但是配合 93 年 9 月 3 日量

測如圖 1-1-2 之石門水庫地形顯示，石門大圳進水口高程已超過 200 公尺，造

成石門大圳進水口被大量泥砂掩埋而無法取水，使得南桃園地區約三個星期無

法供水，影響民眾生活甚鉅。

由圖 1-1-3 石門水庫集水區艾利颱風事件總降雨等雨量線顯示，上游集水

區新竹縣尖石鄉累積雨量達 1,600 毫米以上，中游桃園縣復興鄉整場事件累積

雨量也有 1,200 毫米以上；除此之外由表 1-1-1 可知上游集水區連續 6 小時累

積雨量以白石、玉峰站最高，分別達 458 及 455 毫米，其中，玉峰站超過 200

年重現期之 413 毫米，白石站則介於 50 至 100 年重現期(425 毫米至 494 毫米)

間，中游之高義站連續 6 小時累積雨量為 360 毫米，約為 50 年重現期；在連續

12

小時累積雨量方面，上游集水區之白石、玉峰站雨量分別達 842 及 813 毫米，

其中，玉峰站超過 200 年重現期之 601 毫米，白石站則介於 100 年至 200 年重

現期(746 毫米至 861 毫米)間，中游集水區之高義站 624 毫米，亦超過 200 年重

現期之 601 毫米；在連續 24 小時累積雨量上，上游集水區以白石站 1,262 毫米

最高，介於 100 年至 200 年重現期(1,108 毫米至 1,304 毫米)，玉峰站 1,176 毫

米則超過 200 年重現期之 862 毫米，中游集水區高義站 895 毫米亦超過 200 年

重現期之 862 毫米。除了連續長時間且高強度之降與持續沖刷外，短延時之降

雨強度亦相當高，使得集水區上游多處有坡地崩塌及土石流發生，大量的土砂

隨著降雨帶入石門水庫。龐大的雨量也為石門水庫大來了大量的入流量，由圖

1-1-4

石門水庫流量歷線中可知，於 8 月 25 日 4 時，石門水庫有最大之入流量

8,5783m

3

/s

。

圖 1-1-1 石門水庫放水口示意圖

273500 273550 273600 273650 273700 273750 273800 273850 273900 273950 274000 274050 274100 274150 274200 274250 2744700 2744750 2744800 2744850 2744900 2744950 2745000 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 發電出水口 石門大圳出水口 273500 273550 273600 273650 273700 273750 273800 273850 273900 273950 274000 274050 274100 274150 274200 274250 2744700 2744750 2744800 2744850 2744900 2744950 2745000 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 發電出水口 石門大圳出水口

圖 1-1-2 石門水庫 93 年 9 月 6 日地形圖

為因應泥砂淤積大量減少水庫調蓄空間，以致水庫供水機能受到影響等相

關問題，國科會於 93 年 9 月邀集相關學者針對「水庫供水機能檢討評估與改善

對策─以石門水庫為例」進行討論，並邀請水利署針對艾利颱風過後石門水庫

淤積及緊急供水狀況進行說明，經過兩次聯席討論會後訂出相關研究課題，進

行研究以尋求長期解決之道。

雨量(mm)

圖 1-1-3 石門水庫集水區艾利颱風事件總雨量等雨量線

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 23日1 5 9 13 17 21 24日1 5 9 13 17 21 25日1 5 9 13 17 21 26日1 5 9 13 17 21 時 間 (hr) 流 量 ( cm s) 水庫出水量 水庫進水量

圖 1-1-4 艾莉颱風石門水庫流量歷線(93 年 8 月 23 日 1 時~ 8 月 26 日 24 時)

表 1-1-1 石門水庫集水區艾利颱風事件小時連續累積最大降雨量

小時連續最大雨量(毫米) 站名 縣市 鄉鎮 1小時 3 小時 6 小時 12 小時 24 小時 巴陵 桃園縣 復興鄉 39.0 101.0 181.0 320.0 506.0 玉峰 新竹縣 尖石鄉 88.0 236.0 455.0 813.0 1176.0

白石 新竹縣 尖石鄉 88.0 233.0 458.0 842.0 1262.0 石門 桃園縣 龍潭鄉 43.0 90.0 160.0 302.0 447.0 池端 宜蘭縣 大同鄉 37.0 73.0 130.0 249.0 430.0 西丘斯山 新竹縣 尖石鄉 43.0 102.0 192.0 325.0 484.0 高義 桃園縣 復興鄉 66.0 192.0 360.0 624.0 895.0 嘎拉賀 桃園縣 復興鄉 62.0 158.0 305.0 517.0 684.0 霞雲 桃園縣 復興鄉 52.0 138.0 263.0 428.0 632.0 鎮西堡 新竹縣 尖石鄉 63.0 175.0 318.0 564.0 803.0

1-2

研究目的

石門水庫原興建主要目標為提供灌溉防洪，然為因應目前整體民生及產業

環境之改變，調節供應公共給水功能日趨重要，其公共給水除下游鳶山堰攔引

送板新淨水場外，另有於大壩上游取水經石門大圳送平鎮、龍潭、石門淨水場，

及於後池堰取水經桃園大圳送大湳淨水場者，每日平均由水庫調蓄之供水量約

80

萬立方公尺，若考慮下游未控流量及三峽河抽水站者，總供水量最大可達 148

萬立方公尺，主要供應台北縣、桃園縣及新竹縣湖口鄉之公共用水。目前石門

水庫每年總供水量約為 9 億噸，包括民生用水量約 3 億噸、工業用水量約 1.5

億噸及農業用水量約 4.5 億噸，然石門水庫總蓄水量約 2 億 4 千萬噸，顯示不

論降雨量多寡，石門水庫在水資源的調配上都是相當吃緊。

歷年來，水利署致力於水庫清淤工作，近五年已執行如表 1-2-1 所示之 23

項相關研究計畫；除此之外，為因應艾利颱風造成石門水庫淤積量大幅增加，

水利署並積極研擬因應措施包括：以水庫表水(清水)與低標高濁水混和排放稀

釋、以石門大圳退水路排放底層濁水及抽泥船全天運轉抽泥等短期措施，以及

於水庫中游另設高層取水口、建立異重流監測與預警系統、結合地方政府辦理

水庫清淤作業、加強集水區治理保育及土地管理等中、長期措施。但因泥砂淤

積大量減少水庫調蓄空間，全台多座水庫亦都面臨泥砂嚴重淤積問題，未來無

論旱季或雨季，如何維持水庫供水機能，確保水庫水資源永續經營利用，將是

刻不容緩，亟待解決的課題。

表 1-2-1 經濟部水利署近 5 年辦理水庫泥砂相關計畫一覽

計畫 年度 計畫名稱 執行單位 土地利用變遷對水庫集水區水源涵養影響之評估 計畫 逢甲大學 台灣地區水庫入流泥砂、水質觀測方法及水壩安 全評估風險分析 台大嚴慶齡工業發展基金會合 設工業研究中心 大埔水庫防淤操作技術之研究與水工模型之建置 台大水工試驗所 水庫合理之入流水質及泥砂評估方法計畫 中與大學水土保持系 88 阿公店水庫防淤策略研究 交大土木系 台灣地區水庫入流泥砂、水質觀測方法及水壩安 全評估風險分析 嚴慶齡工業發展基金會合設工 業研究中心 水庫合理之入流水質及泥沙評估方法 中興大學水土保持研究所 89 建立水庫高效率排砂 財團法人成大研究發展基金會 水庫容量及淤積測量之研究 財團法人成大水利海洋研究發 展文教基金會 水庫清淤對供水營運之風險評估 國立台灣大學水工試驗所 90 建立水庫高效率排砂(2/4) 財團法人成大研究發展基會 水庫沉滓運移模式研究與應用－以石門水庫為例 (1/2)- 交通大學防災工程研究中心 91 水庫淤砂再生資源技術研究(1/4) 交通大學防災工程研究中心

計畫 年度 計畫名稱 執行單位 建立水庫高效率排砂(3/4) 財團法人成大研究發展基金會 水庫沉滓運移模式研究與應用—以石門水庫為例 (2/2) 交通大學防災工程研究中心 建立水庫高效率排砂(4/4) 財團法人成大研究發展基金會 水庫淤砂再生資源技術研究(2/4) 交通大學防災工程研究中心 92 石門水庫集水區泥砂產量推估之研究(1/3) 財團法人台灣水利環境科技研 究發展教育基金 水庫淤砂再生資源技術研究(3/4) 交通大學防災工程研究中心 石門水庫集水區泥砂產量推估之研究(2/3) 財團法人台灣水利環境科技研 究發展教育基金 水庫清淤標準作業檢討 逢甲大學防災中心 水庫異重流與水庫減淤操作試驗研究(1/3) 台灣大學 93 水庫淤泥應用於國土保育之研究(1/3) 成功大學

因此，本整合型計畫將以石門水庫為示範研究區域，邀集國內學者專家進

行研究並加以整合，針對水文不確定性、自來水供需風險及備載應變、水資源

調度、颱洪期間水庫操作及環境影響等領域進行切入，進行水庫供水機能檢討

評估並提出改善對策，提供主管機關做為未來加強水資源運用或防災科技研究

計畫核列之參考。

1-3

整體分工合作架構

為檢討評估水庫供水機能，須由水文、水理、環境及供水調度等不同領域

進行深入探討，綜觀各部分之研析，均需要具有優良之專業素養，並非單憑個

人之力量所能獨立勝任及完成者，必須以研究群方式，整合各部分之研究成果，

加強各研究子題間之連接與協調，以達到分工合作、群策群力之整體效果。因

此，本計畫根據上述領域規劃六個研究子題，並邀請國內相關領域學有專精之

學者專家擔任子計畫主持人及共同主持人，分別進行研究子題之探討與合作。

各子計畫名稱、主持人、共同主持人及主要參與研究人員如表 1-3-1 所示。

圖 1-3-1 說明各子計畫間之相關性，本整合型計畫首先針對水文不確定性

影響水庫供水風險進行評估(子計畫一)，同時水庫於颱洪期間蓄清排淤操作，

除對水庫本身容量及供水能力造成影響，亦將影響下游河道環境，因此將分別

針對颱風期間水庫蓄清排渾效應(子計畫四)及水庫洩洪排淤對下游河道環境影

響 (子計畫五) 進行評估。在水庫供水機能檢討方面，則先就自來水供需情況

及供水風險進行評估(子計畫二)，同時為因應緊急應變情形，將進一步針對區

域及跨區供水調度可行性(子計畫三)及自來水廠備載應變技術可行性 (子計畫

六) 進行評估。面對如此具有包含水文、環境工程、自來水供需及自來水廠備

載技術可行性評估與涵蓋上下串聯、層次相關多項研究課題之整合型計畫，必

須有一總計畫予以整合，負責居中協調與連絡事宜，並督促及掌控各子計畫之

研究成果，以期達到本整合型計畫之預期目標。

表 1-3-1 「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」整合型計畫

各子計畫名稱、主持人、共同主持人及主要研究人員

計畫別 計畫名稱 主持人 共同主持人 主要研究人員 總計畫 水庫供水機能檢討評估與改 善對策─以石門水庫為例 許銘熙教授 何興亞博士 陳宣宏、連宛渝 子計畫一 水文不確定性影響水庫供水 風險之評估 林國峰教授 張斐章教授 黃珮瑜、吳明璋 子計畫二 自來水供需情況及供水風險 之評估 吳瑞賢教授 蘇文瑞博士 林碧亮、陳慶和、 石棟鑫、林哲暐 子計畫三 區域及跨區供水調度可行性 之評估 張良正教授 虞國興教授 何智超、王鵬瑞 子計畫四 颱風期間水庫蓄清排渾效應 之評估 許少華教授 楊錦釧教授 兪維昇、黃進坤、 王朝勤 子計畫五 水庫洩洪排淤對下游河道環 境影響之評估 葉克家教授 蔡長泰教授 廖仲達、翁俊鴻 子計畫六 自來水廠備載應變技術可行 性之評估 駱尚廉教授 胡景堯、翁瑞蓮、 陳慶隆、謝慶宏

水庫供水

子計畫4 颱風期間水庫蓄清 排渾效應之評估 子計畫1 水文不確定性影響水庫 供水風險之評估 子計畫5 水庫洩洪排淤對下游河道 環境影響之評估 子計畫6 自來水廠備載應變技術 可行性之評估 子計畫3 區域及跨區供水調度 可行性之評估 子計畫2 自來水供需情況及 供水風險之評估

水庫供水

子計畫4 颱風期間水庫蓄清 排渾效應之評估 子計畫1 水文不確定性影響水庫 供水風險之評估 子計畫5 水庫洩洪排淤對下游河道 環境影響之評估 子計畫6 自來水廠備載應變技術 可行性之評估 子計畫3 區域及跨區供水調度 可行性之評估 子計畫2 自來水供需情況及 供水風險之評估

圖 1-3-1「水庫供水機能檢討評估與改善對策─以石門水庫為例」整合型計畫

各子計畫間相關性

第二章

研究方法

本整合型計畫研究範疇涵括水文不確定性、自來水供需風險及備載應變、

區域及跨區水資源調度、颱洪期間水庫操作及環境影響等不同領域，由六個子

計畫分別進行研究，本章將針對總計畫執行情形及各子計畫所採用之研究方法

進行簡述，各子計畫研究方法完整說明詳見附錄七。

2-1

總計畫

總計畫負責整合協調各子計畫研究工作之進行，在計畫執行期間，定期邀

集各子計畫研究人員召開工作討論會，分別於 93 年 12 月 10 日、94 年 2 月 23

日、4 月 27 日、6 月 24 日、8 月 25 日及 10 月 20 日，共召開六次工作討論會

議，以掌握各子計畫之研究進度及合作配合事項，協助解決各子計畫於執行期

間所面臨之問題，確保研究品質及成果，歷次工作討論會會議紀錄如附件 1 至

附件 6 所示。

總計畫同時協助各子計畫向經濟部水利署、北區水資源局、石門水庫管理

中心、水利規劃試驗所、第二河川局、第十河川局、台北翡翠水庫管理局、台

北自來水事業處、瑠公水利會、台電公司桂山發電廠以及台灣省自來水公司等

單位取得研究所需各項資料，並邀請相關單位參與研究計畫討論座談會，期使

研究成果能落實及應用。此外，總計畫於 93 年 12 月 10 日與 94 年 4 月 27 日分

別辦理石門水庫及桃園平鎮淨水廠參訪行程，以協助各子計畫了解石門水庫目

前清淤作業情形、自來水廠操作方式並蒐集計畫進行所需相關資料。照 2-1-1

為本整合型計畫研究團隊參訪石門水庫管理中心，簡昭群主任針對艾利颱風對

石門水庫之影響進行簡報，照 2-1-2 為工作討論會議進行情形，照 2-1-3 為至

石門水庫庫區現地參訪情形；照 2-1-4 與照 2-1-5 則為本整合型計畫研究團隊

至平鎮淨水場現地參訪情形。

照 2-1-1 石門水庫管理中心簡昭群主任簡報艾利颱風對石門水庫之影響

照 2-1-2 座談討論

照 2-1-3 石門水庫現地參觀

照 2-1-5 平鎮淨水廠現地參觀

2-2

子計畫一 水文不確定性影響水庫供水風險之評估

本研究主要目的在於尋找與確立石門水庫上游集水區中具有不確定性之各

項因子，並討論其不確定性；此外，建立水文因子之間的不確定性對水庫入流

量、泥砂產生量所造成之影響，找出各個不確定性因子之間所造成之聯合效應

的關係。最後，考慮水庫有效蓄水量與下游需水量即可對石門水庫做供水能力

之評估，評估結果可供石門水庫管理中心或相關單位做為水庫整治、操作規劃

與供水管理之參考。

2-2-1

不確定性因子之確立

由於相關因子十分眾多，因此，首先將上述所收集得之各項資料以多變量

分析方法(multivariate data analysis)建立各項因子對於水庫入流量以及水庫淤砂

量影響之關係。依序確立影響上述兩者之不確定性因子項目。

在泥砂量部分，由以往的相關研究中可以找出眾多與產砂量相關之水文因

子，包括年總流量(Q)、年總雨量(P)、降雨指數(RI)、最大單日降雨總量(M)、

降雨強度大於 35mm/hr 之累積量(I

35

)

與單場降雨大於 450mm 的累積量(E

450

)

。

然而，並非所有因子對於石門水庫之淤沙量的影響均為顯著，因而本研究透過

逐步迴歸的方式探討各水文因子之影響程度，並利用統計檢定方法(F-test)求出

影響顯著之因子。

至於水庫入流量部分，歷年文獻中多數認為水庫入流量與集水區降雨量有

高度相關性，因此本研究中將以降雨量作為主要探討因子。於分析過程中，將

以相關係數(coefficient of correlation)作為評估指標，以求出在何種時距下之降雨

量資料與入流量之相關性最高。並一併討論不同時期的降雨量對水庫入流量之

影響。

2-2-2

不確定性分析

在泥砂量部分，首先收集以往文獻中關於水庫集水區泥砂量之經驗式或半

經驗式，整理得線性、對數以及指數三種不同的型式之迴歸式，配合水文不確

定性因子，以誤差量最小為主要參考指標，選擇應用在研究區域最佳的一種迴

歸型式。再以之進行一階不確定分析(first order analysis of uncertainty)，進而分

析水庫泥砂量的不確定性。一階不確定性分析屬於近似機率之分析，可求得系

統中應變數之平均值(mean)及標準偏差(standard deviation)，亦即可了解系統模

式中各個不確定性因子所造成之聯合效應。

在水庫入流量部分，乃是利用蒙地卡羅模擬法(Monte Carlo simulation

method)

，進行不確定性分析。其中，以現今廣泛應用的類神經網路(ANN)建構

適合石門水庫之降雨—逕流模式。在模擬階段中，首先以χ

2

-test

檢定降雨量屬

於何種機率分佈型式，隨後即可依之產生大量模擬的集水區降雨量資料。接著，

將降雨量資料輸入已建構之降雨—逕流模式可得模擬流量資料，經由統計分

析，可得水庫入流量之統計特性。

2-2-3

水文不確定性與石門水庫供水風險之關係

欲探討水文不確定性與石門水庫供水風險之關係，首先建立水文不確定因

子與水庫蓄水量之關係，再由水庫蓄水量以及下游需水量之供需進行風險分

析，以量化之風險指標表示水庫之供水風險。

一個水庫的蓄水量多寡，是影響該水庫供水能力之重要因子。由上一階段

所得到之水庫入流量資料配合現階段水庫規線操作規則與計畫供水量資料可計

算出水庫蓄水量的變化情形。本研究分別採用缺水指標(SI)與可靠度(α)兩項指

標評估石門水庫之供水風險，並以一月份水位為初始條件，考慮在不同初始水

位的情況下，年供水風險之相應變化。

2-3

子計畫二 自來水供需情況及供水風險之評估

台灣地區氣候一年中可概分為乾溼兩季，其中 5～6 月的梅雨與 7～9 月的

颱風所帶來的降雨量，是台灣地區最主要的水源，若在溼季期間無法存蓄足夠

的水量，就容易發生乾旱缺水事件。本研究以乾旱代表年之水文條件，分別與

民國 95 年、100 年、105 年、110 年等目標年之需水量進行模擬，求出各項標

的用水之缺水率，並分析南北桃園之缺水率變化，與休耕時期進行灌溉用水移

用後缺水率改善情形，此外，再加上未來預期增加之桃園用水增供措施進行模

擬，以比較未來各項措施完工後對於桃園缺水率之改善狀況。其中依照經濟部

水利署所發布之水利法規「石門水庫運用要點」與民國 92 年 10 月石門水庫更

新之操作規線進行模擬。若水庫蓄水量小於該需水量時，則依南北桃園之需求

比例配水。

2-3-1

模式建立

本研究將在不同水文年的條件下，分別模擬移用灌溉用水前後之缺水率，

並以石門水庫供水情形為例進行分析。石門水庫主要提供大桃園地區用水，其

中南桃園用水取水於石門大圳，石門灌區作為其主要灌區，北桃園用水則取自

鳶山堰與桃園大圳，灌溉用水主要滿足桃園灌區、溪州圳與大漢溪上、下游灌

區。而本研究將南北桃於民國 95 年、100 年、105 年、110 年之需水量與各乾

旱年之水文條件代入水文方程式中進行計算，如下式(2-3-1)所示，其中南北桃

園以淨水場供水範圍為分界劃分，並於下游考慮鳶山堰側流量之匯入，而板新

淨水場其主要取水於三峽堰與鳶山堰側流量，供水不足時取水於翡翠水庫，故

於本研究不考慮板新水廠之取水。

S O O I − _N − _S =∆

(2-3-1)

I

_{： 各旬水庫之入流量}

N O

_{： 各旬北桃園放水量}

S O

_{： 各旬南桃園放水量}

S ∆

_{： 各旬水庫蓄水量之變化}

南北桃園民生、工業與農業放水量與入庫流量之和，等於水庫蓄水量之變

化值。將初始水庫水位藉由民國 94 年石門水庫管理中心所提供之經驗公式轉換

為蓄水量。並與當旬蓄水量變化加總後再將其換算回水位，檢視當旬水位與操

作規線之相對關係，決定當旬放水之權重後，再重複進入下一旬之推算，而水

位上限為 245 公尺，水位下限為 195 公尺。本研究以乾旱代表年之水文條件，

分別與民國 95 年、100 年、105 年、110 年等目標年之需水量進行模擬，求出

各項標的用水之缺水率，並分析其可能發生的缺水風險。其中依照經濟部水利

署所發布之水利法規「石門水庫運用要點」與民國 92 年 10 月石門水庫更新之

操作規線進行模擬。若水庫蓄水量小於該需水量時，則依南北桃園之需求比例

配水。

2-3-2

乾旱年之選取

本研究以桃園地區作為研究區域，並以民國 53 年至 92 年間石門水庫各旬

水位與入庫流量為評估缺水之參數，並以各旬入庫流量與下游需水量對蓄水量

所造成之影響進行探討，採用黃文政所提出之蓄水量乾旱指標，以蓄水量與入

流量作為評估因子。將歷年各旬缺水指標求出，選出民國 72 年、82 年、84 年、

91

年四段乾旱分佈程度不一的水文年乾季，以此四年蓄水量狀況分別說明乾旱

可能對水庫供水及桃園地區用水造成之影響。

2-3-3

研究區域

桃園縣內分為 4 個縣轄市(中壢市、八德市、桃園市與平鎮市)、2 個鎮(楊

梅鎮與大溪鎮)、7 個鄉(蘆竹鄉、大園鄉、龜山鄉、觀音鄉、新屋鄉、龍潭鄉與

復興鄉)，共計 13 個鄉鎮市。其行政分區與地理位置如圖 2-3-1 所示。

石門水庫供給的灌溉用水可供給石門灌區、桃園灌區、大漢溪上、下游灌

區。而公共給水分別由取水於石門大圳的石門淨水場、平鎮淨水場、龍潭淨水

場還有取水於桃園大圳與鳶山堰的大湳淨水場等四個主要淨水廠供給，其設計

出水量分別為 12 萬 CMD、60 萬 CMD、5 萬 CMD、30 萬 CMD，此外還有板

新水場每日最多供應 10 萬 CMD 出水量支援桃園地區用水。各淨水場的供水範

圍、與地理位置如圖 2-3-2 所示。

桃園境內除了石門水庫外，還有蓄水量 320 萬噸的石門後池堰、126 萬噸

的鳶山堰等水工結構物攔水，以供桃園大圳、板新水場與大湳水場取水。當平

日水源充裕時，桃園地區可支援性的輸送 10 萬 CMD 水源至新竹供水區，而當

缺水發生時，台北縣板新淨水場可支援輸送 10 萬 CMD 水源至縣內的大湳淨水

場。整體供水如表 2-3-1 所示。

圖 2-3-1 桃園縣政府南北行政分區

圖 2-3-2 桃園縣淨水場供水範圍

表 2-3-1 桃園地區主要供水淨水場供水範圍

桃園 地區 供水淨水場 設計最大 供水能力 供水區域 備註 石門淨水場 12萬 CMD 與平鎮淨水場同供水範圍 支援平鎮淨水 場供水 南桃園 平鎮淨水場 60萬 CMD 平鎮、中壢、新屋、大園、觀音、 楊梅、八德低地地區與新竹縣 (湖口、新豐) 提供南桃園所 有工業區用水

龍潭淨水場 5萬 CMD 龍潭、大溪與復興部分地區 -- 大湳淨水場 30萬 CMD 桃園、龜山、蘆竹、大園(中正 機場一帶)、八德高地地區與台 北縣(林口) 提供北桃園所 有工業區用水 北桃園 板新淨水場 120 萬 CMD 以支援性質供水至大湳淨水場 最大支援量 10 萬 CMD

2-3-4

需水量推估

1.

民生用水

根據經濟部水利署「台灣地區水資源開發綱領計畫」中所述，民生用水的

估算可由式(2-3-2)所得，必須先求得供水人口、每人每日用水量與抄見率，而

此部分民生用水之南北桃由於計算上需要，暫以行政區作畫分。

自來水配水量＝供水人口×每人每日用水量/抄見率

(2-3-2)

人口的異動是參照經濟部水利署「水資源綜合發展計畫」中運用區線延長

法推估人口的方式，用以推求供水人口。用最小平方法配合直線趨勢方程式推

估其趨勢線，再依趨勢回歸推算出民國 95 年、100 年、105 年與 110 年之供水

人口數。而每人每日用水量的計算如下式(2-3-3)所示，將售水量扣除工業售水

量除以售水日數，接著再除以今年底供水人口與去年底供水人口之平均，即可

得到每人每日用水量。

[(售水量－工業售水量)/售水日數]/[(去年底供水人口＋今年底供水人口)/2]

(2-3-3)

而抄見率則是指自來水系統在經過運輸時扣除運輸損失後實際配水予用戶

之百分比。依民國 93 年為例，抄見率為 75%。由於自來水管線將逐漸汰換以

提升抄見率，故本研究假設未來民國 95~110 年抄見率皆提升為 80%。

本研究在此假設未來民生用水為趨勢中成長，將各鄉鎮供水人口乘上各鄉

鎮每人每日用水量除以推估之抄見率後便可得到未來民國 95 年、100 年、105

年 110 年各鄉鎮民生用水需水量之推估值。

2.

工業用水

一般在考量工業用水時會分為低成長、中成長、高成長三種情境。低成長

用水量是指現有工業區用水成長與開發中工業區完成後之用水量。中成長是指

低成長情境下的用水量，再加上已編定或編定中工業區完成後所需之用水量。

高成長是指中成長情境下的用水量，加上規劃擬議中工業區完成後所需之用水

量。本研究依所得資料僅討論桃園地區工業區中成長與未來電力事業用水情形。

表 2-3-2 桃園地區各標的用水量

單位：萬噸 用水別 地區 95年 100年 105年 110年 北桃園 4719 5287 5944 5944 工業用水 南桃園 13325 14058 14058 14058 北桃園 10811 12283 13876 15469 民生用水 南桃園 15009 16040 17189 18337 灌溉用水 48268 48268 48268 48268 總計 92132 95935 99334 102077

3. 農業用水

農業用水其實包含了灌溉用水、畜牧用水、養殖用水，而灌溉用水為農業

用水裡最大宗用水。桃園地區由於環境與政策的影響，近年實際灌溉取水量已

大幅減少。依目前發展評估，未來灌溉用水應不會超過目前用水量，故灌溉用

水以民國 93 年石門水庫灌溉水權量為基準，整體用水推估如表 2-3-2 所示。

4. 供水原則

桃園地區主要的水源是由石門水庫供應，南桃園地區主要由連接大壩的石

門大圳取原水，北桃園地區由連接後池堰的桃園大圳與鳶山堰取原水。石門大

圳之原水再由石門灌區、龍潭淨水場、石門淨水場、平鎮淨水場取用，若南桃

園地區用水需求滿足，可由平鎮淨水場支援新竹地區與北桃園地區，而桃園大

圳原水則由桃園灌區與大湳淨水場取用，鳶山堰主要供水於大湳淨水場，若有

餘裕水量則可由板新淨水場取用。若北桃園地區用水需求滿足，大湳淨水場可

與南桃園地區及板新淨水場相互支援，若發生乾旱而導致水源不足，則可經由

減供或停供灌溉用水以調度水資源。在南桃園地區已滿足其用水需求下，平鎮

淨水場多餘的水可支援新竹地區與北桃園地區用水，而北桃園地區也可以受援

於板新淨水場。

2-4

子計畫三 區域及跨區供水調度可行性之評估

2-4-1

模式建立

本計畫將採用網流法以進行埤塘灌溉系統水源調配優選模式之公式化工

作。而網流系統圖是將實際的灌溉系統繪製成灌溉網路圖，其元件定義如圖

2-4-1

所示。優選模式之公式化包括目標函數及限制式部分，茲說明如下：

1. 目標函數

本研究將以系統的最小總缺水量為目標函數。其目標函數如下列諸式：

圖 2-4-1 灌溉系統圖之元件定義

, . [ _{f f t}] t i Min

∑ ∑

w S , ( , , , ,) e f t f t f t f t f t f S =

∑

D −q −P +O , e f t e t f

P

=

C h A

, , , , C C L L W W f t f f t f f t f f t

q

=

C q

+

C q

+

C q

(2-4-1)

其中，

Df,t

為輪區 f 在時間 t 的田間需水量；

qf,t

為輪區 f 在時間 t 的入流量；

t f S ,

為輪區 f 在時間 t 的缺水量；

e t f P ,

為輪區 f 在時間 t 的有效降雨量；

Of,t

為輪

區 f 在時間 t 的為輪區溢流量；

qRf,t

為回歸水直灌至輪區 f 的水量；

L t f q _,

_為大圳直

灌水量；

qWf,t

為攔河堰直灌至輪區 f 的水量；

C t f q _,

_{為埤塘供給至輪區 f 的水量；}

qou_f,t

為上游輪區流出的水量；C 為供水乘數；

wf

為輪區缺水量的權重係數；

Ce

為有

效降雨係數；

ht

為時間 t 的降雨深度；

Af

為輪區 f 的面積。

2. 限制式

優選模式之限制式將分為輪區需水節點、埤塘節點與一般節點、渠道輸水

量限制及放水總量限制式，茲說明如下：

(1)

輪區需水節點：輪區需水量必須大於等於輪區入流量加上有效降雨量後扣

除溢流量。

(2)

埤塘節點及一般節點：滿足連續方程式。

(3)

渠道輸水量限制：小於其渠道最大流量限制。

(4)

放水總量限制式：各輪區由大圳支線入流的總量加上大圳支線入流至埤塘

的總量，應小於或等於大圳放至支線的總放水量。

2-4-2

研究區域

本研究所選定之研究區域為桃園農田水利會觀音工作站所轄之桃園大圳的

第 11 號支線灌溉區域及石門農田水利會中壢及過嶺工作站所轄之石門大圳的

中壢與過嶺支渠，灌溉區域位於桃園縣境內。

1. 桃園大圳：第 11 號支線位於觀音工作站所轄之灌溉區域內，其管轄之灌溉

區域可分為第 10 支線與第 11 支線灌溉區域，轄區設有埤塘共計 36 口。

2. 石門大圳：中壢與過嶺支渠轄區設有埤塘數分別計有 20 口及 87 口。

2-5

子計畫四 颱風期間水庫蓄清排渾效應之評估

2-5-1

石門水庫高濁度現象簡介

含砂水流進入水庫後，粗顆粒泥砂因水深劇增、流速劇減，首先淤積，並

逐漸淤高形成淤積三角洲，當淤積三角洲上出現三角洲河道(delta stream)後，粗

顆粒泥砂以河床載(bed load)形式在三角洲河道上運行。較細顆粒泥砂以懸浮載

(suspended load)

方式通過三角洲河道，越過三角洲頂點後，進入壅水淤積段

(region of quasi-homogenous flow)

，因水深劇增、而流速劇減，故發生沿程淤積。

在壅水淤積段中，極細顆粒泥砂以沖洗載(wash load)方式移動，並與水流混合

形成均質漿液，往下游均質漿液的密差福祿數(densimetric Froude number)漸

減，當密差福祿數減至 0.6～1.0，整個均質漿液受到的重力大於慣性力，乃沉

入庫底，繼而沿著庫底移動，此移動渾水稱為異重流(turbidity current)。異重流

運行至壩址，受壩阻擋，若受限出流不夠大而不能全部排出水庫，將留在水庫

內，並逐漸升高渾水面，產生渾水潭(muddy lake)。異重流淤積與渾水水庫淤積

的區段稱為底部段(bottomsets)。

水庫從上游往下游的淤積型態，分別是三角洲淤積、壅水淤積、異重流淤

積及渾水潭淤積，示意如圖 2-5-1。

圖 2-5-2 是洪水期間水庫產生異重流且未形成渾水潭的情況，此時因排砂

流量大於異重流流量，故不會形成渾水潭。石門水庫因為可以排砂的發電隧道

取水口與永久河道放水口只能排出約 172cms 的渾水，遠小於洪峰高達 8594cms

的艾利颱風，所以會產生很厚的渾水潭，示意如圖 2-5-3，洪水期間因為渾水

持續進入水庫，渾水潭界面持續上升，造成公共給水取水口在界面以下，無法

獲得低濁度的原水。洪水過後，由於渾水潭是由粉土與粘土顆粒等極細顆粒所

組成，這些細顆粒泥砂具有絮凝性質，在泥砂濃度高的情況易相互連結成網狀

使沉降緩慢，示意如圖 2-5-4，當渾水潭界面持續沉降至公共給水取水口以下，

也才有濁度低的原水可供應淨水場。

圖 2-5-1 水庫三角洲、底部段、壅水淤積段、異重流、渾水潭示意圖

圖 2-5-2 洪水期間水庫產生異重流且未形成渾水潭的情況

圖 2-5-4 洪水過後的渾水潭清渾水交界面沉降示意圖

石門水庫以往颱風過後兩日，水庫供應的原水之濁度，已低至淨水場能處

理的程度，民國 93 年艾利颱風後水庫濁度居高不下，主要是進入水庫的細泥太

多，且未實施排砂，造成渾水潭界面緩緩下降，歷經十餘日才降至取水口以下，

也才有濁度低的原水可供應淨水場，解除南桃園缺水危機，至於北桃園因為水

庫未實施排砂，所以後池堰的原水濁度低並無缺水問題，但是未排砂造成水庫

淤積量大增，並危及發電取水口與永久河道放水口安全。民國 94 年馬砂颱風再

度產生高界面的渾水潭，為了減少水庫淤積，本次經濟部強力支持持續排砂，

優點是加速清渾界面下降速度，使得界面較快降至石門大圳取水口以下，解除

了南桃園缺水危機，而北桃園在排砂期間完全處於缺水狀態，直到水庫渾水潭

排除後才解除缺水危機。石門水庫的經驗顯示排砂是必要的措施，可減少水庫

淤積，並可加速渾水潭界面沉降，縮短缺水時間，同時排砂期間顯然需要有臨

時措施，包括高層取水、其他供水系統支援等。

2-5-2

研究方法

1. 石門水庫淤泥特性

本研究所使用由石門水庫沉澱池取得艾莉颱風過後所抽出之最新淤泥作為

實驗組，以高嶺土做為實驗的對照土樣。

2. 沉降速度預備實驗--淤泥浸泡實驗

本研究使用石門水庫現地淤泥作為實驗組，以高嶺土材料作為對照組。設

定淤泥初始濃度為 30g/L ~ 70g/L，進行量筒內的界面沉降實驗。在實驗中，為

求起始濃度的精準度，以烘乾淤泥稱重的方式調配混合液。但烘乾磨碎後的土

樣，如何使其回復到石門水庫淤泥的現地特性，對研究的結果有很大的影響。

為了解各種條件下淤泥混合液的沉降特性差異，將混合液以現地淤泥、乾泥泡

久與乾泥，三種情況調配，冀以得知乾淤泥在浸泡於水體多少時間後，可以回

復到現地淤泥的沉降特性。

3. 標準量筒沉降實驗

渾水潭的清渾水交界面沉降，與泥砂濃度的關係最為密切。為研究石門水

庫淤泥之沉降行為，進行了石門水庫淤泥在各起始濃度下的沉降實驗。另外，

根據清渾水交界面之位置，可換算出界面下渾水之平均濃度，進而探討各起始

濃度下平均濃度與沉降速度之對應關係。

2-6

子計畫五 水庫洩洪排淤對下游河道環境影響之評估

本子計畫之主要目的有兩點:一為探討水庫洩洪排淤對下游河道沖淤之影

響，二為水庫清淤後之泥砂堆置於河道之可行性評估。高濃度含砂水流洩放後，

對後池及其下游河道沖淤之影響，以及沿程水體含砂濃度變化情形，必須加以

評估。另外，石門水庫內浚渫之大量泥砂處理不易，可思考的方式之ㄧ為將其

暫時堆置於水庫下游河道內較低窪地區，等下次水庫洩洪時，評估其可被沖走

之情形，以及在不同堆置條件下，對河道其他地區沖淤之情形，與對防洪安全

之可能影響。

2-6-1

研究方法

本研究主要針對大漢溪進行動床之沖淤模擬，但大漢溪上游段坡陡流急，

且超、亞臨界流混合之流況增加模擬困難度。本團隊研發之 EFA 模式於坡陡流

急之應用未臻完善，因此採用分段模擬之方式，上游段採用美國墾務局所發展

之 GSTARS 模式進行模擬，將模擬之結果續接本團隊之 EFA 模式進行下游段

之模擬。同時並持續發展改進本團隊之模式。

為探討高含砂水流洩洪對下游河道之影響，模式將針對各原取水口處如後

池堰、鳶山堰分析其懸浮質濃度與時間之關係，並同時對模擬前後其河道之高

程變化做分析，以了解其整體河道之沖淤變化。

清淤泥砂堆置河道可行性評估方面，由於後村堰上游段有多處地點為原取

水口處，考慮堆置泥砂可能影響到取水口懸浮質濃度，因此清淤泥砂堆置地點

選擇為後村堰下游段，模擬在一場颱洪案例過後，堆置之泥砂是否能被水流帶

走，且不影響河道之防洪安全。

2-6-2

控制方程式

求解之控制方程式可分為水理與輸砂兩部份，水理之控制方程式包含了連

續與動量方程式﹔輸砂之控制方程式包含了某一粒徑之懸浮載、河床載質量守衡

方程式，及整體河床輸砂之質量守衡方程式，茲列出如下：

1.

水理方程式：

0 = − ∂ ∂ + ∂ ∂ l q x Q t A

(2-6-1)

0 2 = − + ∂ ∂ +     ∂ ∂ + ∂ ∂ l l f qu gAS x Z gA A Q x t Q β

(2-6-2)

上式中，A=通水斷面積；Q=流量；t=時間；x=水平座標；g=重力加速度；

Z=水位；

β

=動量校正係數；q

l

=單位寬度側入流量；u

l

=側入流流速；

f S

_=摩擦

坡降。

2. 輸砂方程式：

A S x q A x C u t C s s s ρ ρ ∂ + ∂ − = ∂ ∂ + ∂ ∂ 1

(2-6-3)

0 ) ( ) 1 ( + − = ∂ ∂ + ∂ ∂ − ak b m E z s S S x q t E B p β ρ

(2-6-4)

0 ) ( ) ( ) 1 ( 1 = + ∂ ∂ + ∂ ∂ −

∑

= n k k b b z s S x q t Z B p ρ

(2-6-5)

上式中，C=某一代表粒徑懸浮質之濃度(質量比)；u=水體流速；

qs

=

懸浮

質之擴散通量(flux)；

ρs

=沉滓密度；

p

=孔隙率；

Bz

=底床位置之河寬；

βE

=作

用層內某粒徑沉滓之百分比；

Em

=作用層厚度；

qb

=河床載通量；S =懸浮載

資源項；

Sak

=作用層底部資源項；Zb =底床高程；n =非均勻沉滓之代表粒徑數。

為求解上述三式，尚需一些補助關係式，以決定

qb

、

qs

、

Em

、

S

及

Sak

。

當水庫排放具凝聚性或黏性之沉滓時，其運移行為不同於下游河道中原有之較

大粒徑非黏性沉滓，因此模式兼具黏性沉滓與非黏性沉滓運移之機制，如此方

能符合河道動床演算的需求。

3.

數值方法

求解水理部份，連續方程式以控制體積之觀念進行差分，而動量方程式則

因其具有雙曲線型方程式之特性，針對移流項之部份則採用顯式有限解析法予

以處理，求解流量與通水斷面積。離散後之控制方程式分別如下：

( ) 0 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 = −             ∆ − Ψ − +       ∆ − Ψ + ∆ − ++ −+ + − + n i l n i n i c n i n i c n i n i q x Q Q x Q Q t A A

(2-6-6)

( ) (1 ) 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = − +             ∆ − Ψ − +     ∆ − Ψ +             ∆ − Ψ − +     ∆ − Ψ + ∆ − + + + + + + + + + n i l n i l n i f n i d n l n r n m d n l n r n i m d n l n r n m d n l n r n i m n n i u q S gA x n Z Z gA x n Z Z gA x n v v Q x n v v Q t Q Q ξ ξ ξ _{β β}

(2-6-7)

求解輸砂部份，控制方程式係採用結合演算法，將三條方程式以半隱式法

差分聯立求解。因為懸浮載之質量守恆方程式依物理特性可分割為移流及反應

項(advection-reaction term)與擴散項(diffusion term)二部份，所以輸砂方程式之結

合演算步驟，首先將懸浮載質量守恆之移流及反應項與作用層質量守恆方程

式、整體河床輸砂質量守恆方程式，利用 Newton-Raphson 疊代聯立求解；所得

各變數之結果再與懸浮載質量守恆方程式之擴散項反覆疊代至收斂為止，可求

得底床高程、床質粒徑及懸浮載濃度等變量。

2-6-3

模擬案例

1. 高濃度排砂案例

模擬範圍從石門後池至下游新海橋，約 35,855m，如圖 2-6-1 所示，共計

95

個斷面，模式相關設定資料與參數如下：

(1)

斷面資料與床質粒徑資料

斷面資料選用民國 92 年度第十河川局實測大斷面資料，床質粒徑資料選用

民國 75 年大漢溪治理規劃報告實測資料，選用六組代表粒徑，D1=0.001、

D2=0.03、D3=0.75、D4=3.0、D5=11.93、D6=84.55 mm，其中 D1、D2 為代表

水庫庫內淤泥之粒徑。

(2)

上游邊界條件

選用 2001 年納莉颱風為案例，上游邊界為石門排洪流量洪峰段，共計 24

小時，流量歷線如圖 2-6-2，並考慮三峽溪之側入流量，流量歷線如圖 2-6-3。

由於並無納莉颱風期間之實測排洪隧道泥砂濃度資料，因此模擬案例上游

入砂資料採用艾莉颱風期間排洪隧道標高 220m 處之平均濁度 17,492NTU，經

轉換約為 13,679ppm，其中 D1、D2 粒徑各佔 49.5%，D3 粒徑佔 1%。

納莉颱風石門排洪流量歷線 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 時間(hr ) 流 量 (c ms )

圖 2-6-2 納莉颱風石門排洪流量歷線

柑城橋側入流流量 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 時間( HR) 流 量 (C MS )

圖 2-6-3 納莉颱風側入流三峽溪流量歷線

(3)

下游邊界條件

下游邊界條件選用同時段新海橋之實測水位，水位歷線如圖 2-6-4 所示。

(4) GSTARS

相關設定

GSTARS

部份採用最新之 3.0 版本，流管數設為 1，輸砂公式選用 Yang’s

1996 modified method。

2. 清淤泥砂堆置河道案例

由於後村堰上游段有多處地點為原水取水口處，考慮堆置泥砂可能影響取

水口懸浮質濃度，因此清淤泥砂堆置地點選擇後村堰下游段，堆置區段選擇原

則為流速較大且斷面變化較不劇烈區段，將泥砂堆置於第 53、52、51 三個斷面，

如圖 2-6-5，堆高約 1m，如圖 2-6-6 所示，其模式相關設定資料與參數如下：

納莉颱風新海橋水位歷線 0. 00 1. 00 2. 00 3. 00 4. 00 5. 00 6. 00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 時間(hr ) 水 位 (m )

圖 2-6-4 納莉颱風新海橋實測水位歷線

泥砂堆置河道區段示意圖 - 5 0 5 10 15 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 河心距(m) 高 程 (m ) 初始底床 泥砂堆置後底床 後村堰 新海橋 堆置區段 53 52 51

圖 2-6-5 泥砂堆置區段示意圖

53斷面泥砂堆置示意圖 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 距離( m) 高 程 (m ) 初始底床 泥砂堆置後底床

圖 2-6-6 斷面堆高示意圖

(1)

上游邊界條件

選用 2005 年馬莎颱風為案例，上游邊界為石門 66 小時排洪流量，流量歷

線如圖 2-6-7。入砂資料採用後池內實測濁度資料，經轉換 ppm 後如圖 2-6-8。

(2)

下游邊界條件

下游邊界條件選用同時段新海橋之實測水位，水位歷線如圖 2-6-9。

(3)

堆置泥砂條件

堆置泥砂 99%為 D1、D2 粒徑，其中 D1、D2 比例各佔一半，其餘 1%為

D3

粒徑，堆置體積約為 77 萬立方公尺。

馬 莎 颱 風 石 門 排 洪 流 量 歷 線 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 10 20 30 40 50 60 70 時間 (hr ) 流 量 ( cm s)

圖 2-6-7 馬莎颱風石門排洪流量歷線

馬莎颱風石門後池濃度歷線 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 10 20 30 40 50 60 70 時間 ( hr ) 濃 度 ( pp m)

圖 2-6-8 馬莎颱風石門後池濃度歷線

馬莎颱風新海橋實測水位歷線 0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 60 70 時間 (hr ) 水 位 ( m)

圖 2-6-9 馬莎颱風新海橋實測水位歷線

2-7

子計畫六 自來水廠備載應變技術可行性之評估

要降低水中之濁度，就是要將水中的固體物質與液體分離，而水中固體與

液體分離的機制主要是因為固體與液體的密度不同所致。由於一般的重力分離

法受到重力加速度的限制，本研究特別利用離心場與磁場提供額外的加速度，

以增加固液分離速率。離心管測試法是實驗室中最常用來測試溶液中顆粒是否

會在離心重力下被分離的方法。懸浮溶液之黏度(viscosity)、溶液在離心管中之

初始深度、溶液與顆粒之密度差、離心轉速、離心時間等會影響離心分離之效

率。另有研究學者指出，離心法與尺寸排除層析法(size exclusion chromatography)

均可有效分離金屬奈米顆粒。這些研究結果均顯示，利用離心法分離/回收顆粒

不論在實驗室或放大至工業製程均是可行的。但如何經濟而有效將離心程序大

規模應用在淨水程序上，仍有待研究。

除了離心法外，近年來磁種絮聚分離(Magnetic seeding aggregation

separation)技術逐漸受到環工界的重視，舉凡顆粒、油污、重金屬以及有機物皆

可以此技術去除。此技術主要的原理是利用磁性顆粒與水中的污染物結合，再

利用磁場對磁性顆粒的磁力作用將污染物與水分離。若在非磁性顆粒存在的系

統中，加入少量磁性顆粒與之碰撞絮聚，或加入混凝劑將其混凝形成膠羽，則

此膠羽也會受到磁場的磁力作用，故此種磁性膠羽在外加磁場中的去除效果會

隨磁場強度的增加而上升。

本研究以石門水庫供水區為例，分析桃園地區需水量成長趨勢以檢討各自