民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005
關渡紅樹林植群變遷之衝擊評估
On assessment of mangrove spread impact in Gunadu Nature Reserve 施上粟 SHANG-SHU SHIH 國立台灣大學土木工程學系 博士班研究生（聯絡作者：[email protected]；台大水工所 301 室） 李鴻源 HONG-YUAN LEE 國立台灣大學土木工程學系 教授 許志揚 CHIZ-YANG HSU 財團法人台灣水利環境科技研究發展教育基金會 助理研究員 游蕙綾 HUI-LIN YU 財團法人台灣水利環境科技研究發展教育基金會 助理
摘要
根據作者分析經濟部水利署第十河川局於民國78 年至 89 年間之實測大斷面 測量資料，發現基 01、基 02 及基 03 斷面（鄰近關渡紅樹林自然保留區）均有 逐年淤積的趨勢，研判應與近年來紅樹林大量擴生有直接關係；且根據文獻指 出，關渡沼澤區紅樹林植生面積由民國78 年的 10.5 公頃擴生至民國 83 年的 23.6 公頃，面積增長率達125％，應會對河口附近泥砂淤積及防洪效應造成直接之影 響。 因此本研究利用擬似二維NETSTARS 模式進行關渡紅樹林自然保留區周遭 區域之水理數值模擬，以探討紅樹林擴張可能造成之防洪衝擊；模擬結果顯示， 2 年頻率洪峰流量下，隨著曼寧 n 值增加，水位也跟著抬升，但是兩岸皆未溢堤， 越往上游水位抬升的情況越和緩；5 年頻率洪峰流量下，基 02 斷面在曼寧 n 值 增加10％後產生溢堤現象，基 03 斷面於 5 年頻率洪峰流量均會發生溢堤；10 年 及20 年頻率洪峰流量下，均造成基 02 及基 03 斷面發生溢堤現象，而隨曼寧 n 值增加50％，基 06 斷面也會有溢堤的現象產生；由此可知關渡防潮提的設計高 程可能因紅樹林的擴生而發生溢堤的危險。 本文並利用水平二維TABS-2 模式進行動床模擬，以瞭解紅樹林擴張可能產 生的濕地陸域化效應；結果發現紅樹林漸增的趨勢的確會造成附近河道淤積；在 2 年期頻率洪峰流量下，節點 1546 處之底床高程增加了 1.3（mm）、節點 1740民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005
處增加了4.5（mm）、節點 2090 處則增加了 2.7（mm），平均淤高 2.83（mm）。
紅樹林的擴增現象造成河道糙度係數提高、河床淤高，不利排洪，且上游污 染物也容易在此處堆積而造成生態環境的破壞；而紅樹林擴生造成的陸域化現象
也會直接對台灣招潮蟹（Uca (Thalassuca) Formosensis Rathbun）及鷸、鴴科
水鳥造成直接及間接的生態衝擊，是否應予以積極管理，是有關單位應積極思考 之課題。
關鍵詞：關渡自然保留區、水筆仔紅樹林、濕地、水理模擬、輸砂模擬、生態衝 擊
Abstract
According to the analysis of cross-sectional elevation survey by Water Resources Agency form 1989 to 2000, authors found that the cross-section of K01, K02 and K03, which positions were around the Gunadu Nature Reserve, were deposited year by year. Furthermore, the coverage area of mangrove has increased form 10.5 ha in 1989 to 23.6 ha in 1994. It is found that mangrove can reduce the flow velocity and therefore speed up sediment deposition.
The quasi-two-dimensional model, NETSTARS, was used to calculate the flooding impact around this region. The simulated results show that 5 year return period flood will bypass the dike after increasing 10% of Manning’s n. Moreover, 10 year and 20 year return period floods will also bypass the dike with mangrove spread effects.
A horizontal two-dimensional model, TABS-2, was also applied in this study to simulate the sediment transport characteristics of this tidal wetland. The results reveal that significant sediment deposition occurs due to the extensive root network of mangrove. The deposition depth is about 1.3mm, 4.5mm and 2.7mm at node 1546, 1740 and 2090 during 2 year return period flood event.
The increase of mangrove in this area has some adverse effects on the river hydraulic characteristics, including velocity retardation, increase of water surface elevation and sediment deposition. It is also found that mangrove spread threat Uca
(Thalassuca) Formosensis Rathbun which is an endemic species of the fiddler crab in
Taiwan and now disappeared in Guandu Nature Reserve. It was therefore suggested that we should take action to prevent this worse condition carry on as soon as possible.
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民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 1.序言 關渡自然保留區位於基隆河注入淡水河之處，離出海口約10 公里（參見圖 1），該處匯流口因匯集大量上游來砂及營養鹽，形成多樣性的生態環境，附近濕 地也成為台北地區最重要的水鳥棲息地之一（劭等，2000）。本區之紅樹林群為 水筆仔純林，生長狀況良好，擴張亦十分迅速，目前已入侵蘆葦等草生植物生育 地。由於水筆仔林日漸擴張，造成許多負面效應，包括防洪效應降低及加遽濕地 陸域化等，且因其擴張而使草生地面積縮小，使得某些水鳥減少棲息地，因此主 張應適當予以疏伐以維生態多樣性之主張。 紅樹林是一種生長在熱帶、副熱帶沿海的植物群落，為浸在海水及河水交接 處的喬木或灌木，有高度的抗鹽性，可藉胎生苗以傳宗接代，屬於植物學上罕有 的胎生植物（薛，1995）；關渡沼澤區是紅樹林分佈的北界，水筆仔在此沼澤區 的環境下繁衍生長，形成特有的紅樹林生態系。水筆仔紅樹林為保育類植物，行 政院農委會與經濟部於民國75 年依文化資產保存法將關渡防潮堤外 55 公頃泥灘 地公告為自然生態保留區，但近年來的各種研究及觀察發現，紅樹林在感潮河口 鹹水濕地環境具有的競爭優勢因而快速崛起成為此區的優勢樹種，卻也因此帶來 了一些負面的效應，大體上可分成三類（李等，2002；Lee and Shih, 2004）：1. 紅樹林植生密度太高，造成本地的留鳥及來台過客的候鳥無法下來覓食底棲生 物，不但限制了此區生物多樣性規劃的初衷，而且也失去了保護野鳥的功能（藏 匿 及 覓 食 ）；2.紅樹林的高密度生長使河道水流流速降低，河道糙度係數 （roughness coefficient）提高，造成河道輸砂能力大大降低，因此從上游沖刷而 下的泥砂及污染物極易在此區沈澱淤積（deposition），加速沼澤區「陸域化」， 紅樹林因其生物特性（耐鹽、排鹽功能）在鹹、淡水交界處所具之競爭優勢將因 沼澤區陸域化而消失並危及紅樹林的生長；3.關渡沼澤區位於淡水河及基隆河交 匯口，於排洪上佔有極重要之地位，河道上的紅樹林大量無限制的生長將造成河 道糙度係數值提高、通水面積減小，一遇大洪水將使水位抬高，提高洪水越堤的 危險性，將危及沿岸居民身家財產安全。 圖1 關渡紅樹林自然保留區地理位置示意圖 潮間小溝 防潮堤 基隆河 關渡自然保留區 關渡自然公園
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 經前人調查發現，本區之紅樹林有逐年擴增的現象（自民國78 年的 10.5 公 頃增至民國83 年的 23.6 公頃），可能造成附近區域的糙度係數提高、流速降低， 使上游浮砂及污染物堆積於此不易排除；而本研究分析經濟部水利署第十河川局 民國85 年至 89 年實測大斷面資料（基 01、基 02、基 03），亦發現河道有逐年 淤高的趨勢，可能與歷年紅樹林擴張有關（李等，2002）。 本區原為茳茳鹹草、蘆葦及水筆仔共生之林、草澤混生區，但自1981 年以 後植群分佈及比例已有改變，主要在於沼澤地西端沙洲上植物的相對覆蓋度的改 變，蘆葦與茳茳鹹草等草本植物在此區已經消失，只剩下裸露的泥灘地（Wester and Lee,1992）。林（1987）研究發現沼澤區西端至 1984 年時，已成為水筆仔與 蘆葦為主要優勢種，1984～1986 年間，蘆葦與顯草之生育地並無太大的改變； 1986 年之植物社會可分為蘆葦、茳茳鹹草與水筆仔三種優勢社會，水筆仔面積 已佔全面積10.6％。在 1987 年的航照圖中仍可判釋出茳茳鹹草（呂，1992），但 在1988 年的航照圖卻已無法判釋茳茳鹹草的存在，可能是因為長期的抽砂作業 使得地層下陷，進而造成海水入侵加速本區鹽化現象，也使得1989 年沼澤區主 體東南區外圍凹入，本區之植物社會因此有了全然不同的面貌。 本文並以上述資料進行三種植群及泥灘地覆蓋度相關係數分析，其相關係數 矩陣如表1 所示。由表 1 可發現，水筆仔與茳茳鹹草覆蓋度呈現接近完全負相關， 但蘆葦與茳茳鹹草呈現接近完全正相關，表示水筆仔的擴張的確影響到蘆葦及茳 茳鹹草，增加此二物種的生長阻力（stress）；另外，隨著沼澤區總面積的變化， 裸灘地呈現接近完全正相關、水筆仔呈現現正相關、蘆葦及茳茳鹹草則呈現負相 關，顯示沼澤區面積增加時，應會先形成裸灘地，水筆仔胎生苗隨及隨海水漂流 至裸灘地後，進行定植及繁衍的動作，有利於水筆仔在此區的擴生，但卻因此排 擠到另兩種植物的生存空間。 表1 水筆仔、蘆葦、茳茳鹹草及裸灘地覆蓋度相關係數矩陣表 水筆仔 蘆葦 茳茳鹹草 裸灘地 面積總和 水筆仔 1 蘆葦 -0.99 1 茳茳鹹草 -0.99 0.959 1 裸灘地 0.109 0.032 -0.251 1 面積總和 0.401 -0.268 -0.529 0.9541 1 另外，本研究亦收集各植物社會與裸灘地海拔分佈情形，如表2 所示。由表 2 結果可知，水筆仔生育地之海拔幅度在 0.2～1.3 公尺間，而以 0.8.～0.9 公尺為 最適界，其中有 65％之水筆仔生育地分佈於海拔高程 0.6～0.9 公尺；水筆仔苗 之海拔幅度則在0.4～1.2 公尺。而蘆葦生育地之海拔幅度約在 0.3～1.4 公尺，且 以0.9～1.0 公尺為其最適界，並有 64 ％蘆葦生育地分佈於海拔高程 0.8～1.1 公 尺。裸露地則分佈於1.1 公尺以下。蘆葦較水筆仔偏向於較高海拔之生育地；使
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 用單向變異數分析檢定（ANOVA）結果發現，水筆仔與蘆葦生育地之海拔高程 有顯著差異（α=0.05）。 表2 各植物社會與裸露地海拔分佈表（王，1999） 海拔（m） 水筆仔林 水筆仔苗 蘆葦 裸露地 總樣區數 ≤0.1 7 7 0.1～0.2 5 5 0.2～0.3 1 5 6 0.3～0.4 1 1 4 6 0.4～0.5 5 1 6 12 0.5～0.6 21 2 1 4 28 0.6～0.7 44 1 6 2 53 0.7～0.8 38 14 4 56 0.8～0.9 53 2 18 1 74 0.9～1.0 20 26 2 48 1.0～1.1 16 23 1 40 1.1～1.2 5 1 9 15 1.2～1.3 1 6 7 1.3～1.4 1 1 總計 205 7 105 41 358 本區在1964 年為解決颱風及洪水氾濫問題，炸開位於現今獅子頭附近的關 渡隘口，這使得沼澤地因海水入侵而使該區之鹽分逐年增高，逐漸形成適合紅樹 林生長的半淡鹹水的濕地環境。 另根據林（1986）、呂（1992）及王（1999）研究指出，水筆仔較蘆葦喜好 生長於可溶性鹽類較高之處，且經由單向變異數分析（ANOVA）之檢定結果發 現，水筆仔與蘆葦的生育地之可溶性鹽類有顯著差異（α=0.05）。 本文並整理關渡濕地重要事件如下表所示： 表 3 關 渡 濕 地 大 事 紀 時間 事件 說明 文獻來源 1964 炸開關渡峽 為提高關渡匯流口輸洪能力，並降低洪災損失 林，1988 1968 建防潮堤 降低洪災損失，以保護堤防右岸居民 林，1988 1978 水筆仔出現 王，1999 1984 沼澤區西端優勢種：水 筆仔、蘆葦 林，1987 1986 自然保留區 行政院農委會以文化資產保存法公告，由台北 台北市政府
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 市政府建設局業管 1982 淡水河開放採砂 民國71 年 7 月 1 日前淡水河全面開放採砂 許等，2004 1982 ～ 1989 淡水河停止抽砂 1.淡水河口至關渡橋河段,民國 78 年 4 月 30 日 起全面禁採 2.關渡橋至高速公路橋段,民國 77 年 12 月 31 日起全面禁採 3.高速公路橋至浮州鐵路橋段,民國 74 年 2 月 15 日起全面禁採 4.浮州鐵路橋至桃園縣轄界段,民國 71 年 7 月 1 日起全面禁採. 許等，2004 1988 茳茳鹹草消失 本區植物相丕變，由草澤（marsh）濕地轉為 林澤（swamp）濕地 呂，1992 1989 主體東南區外圍凹入 抽砂作業導致濕地破碎 王，1999 2.研究材料及方法 2.1.1 擬似二維 NETSTARS 模式[7][15] NETSTARS 模式是一個可用於模擬辮狀河系(網路型河川)及水庫沖淤變化 的擬似二維（Quasi-2D）沖淤模式，本模式在沖淤問題方面是採分離演算，分離 演算模式是將水理及輸砂分開計算。 控制方程式 連續方程式： q x Q t A = ∂ ∂ + ∂ ∂ （1） 動量方程式： 0 2 = ⋅ − + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ q u gAS x y gA A Q x t Q f α （2） 其中， A：河道通水橫斷面積 Q：流量 u：側流量在主流方向的流速 t：時間 x：沿水流方向之水平座標 q：單位河斷長度之側流量 α：動量修正係數 g：重力加速度 y：水位
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Sf：摩擦(能量線)坡度
K：輸水容量
河道水理之控制方程式為非線性聯立方程組，需利用數值方法求解之， NETSTARS 模式利用普利斯蒙四點差分法（Preiss-mann four point finite difference scheme）求解各時段及地點之水位與流量。 引用參數及邊界條件 （1）參數設定 本研究以一維模式 NETSTARS 模擬淡水河系水理情況（特別針對關渡紅樹 林濕地水位變化進行敏感度分析），採用第十河川局於92 年 12 月實測之淡水河 系大斷面資料為地形資料，下游邊界為河口，上游邊界則分別為大漢溪淡34 斷 面，新店溪秀朗橋（新17A 斷面），基隆河五堵站（基79 斷面），模式依河系主、 支流交匯情形將演算河道分為5 段（如圖 2 所示），河道之曼寧 n 值參考李森淵 （1998）之建議值，關渡紅樹林之局部區域則引用王（2001）各重現期洪水量下 之水筆仔曼寧n 建議值，如表 4 所示；且因關渡紅樹林基隆河河段，基 01 斷面之紅樹 林擴生較為嚴重，其次為基02 斷面，基 03 斷面最緩，故本區曼寧 n 值依照水筆仔影響 水流狀況假設為最大值、平均值、最小值。 （2）邊界條件設定 定量流水理模擬係採用85 年經濟部水資源局「淡水河水工模型試驗及台北 防洪檢討報告」之水工模型試驗值建議之2 年、5 年、10 年及 20 年重現期洪峰 流量為上游邊界，並以相對應之河口暴潮位為下游水位邊界條件，如表5 所示： 圖2 NETSTARS 模擬淡水河系求解區域示意圖
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 表4 各種頻率年洪水量下水筆仔區曼寧 n 值變化表（王，2001） 曼寧粗糙係數 重現期（年） 最小值 最大值 平均值 標準差 20 0.081 0.283 0.124 0.0431 10 0.088 0.281 0.133 0.0417 5 0.099 0.233 0.140 0.0225 2 0.045 0.241 0.144 0.0485 表5 定量流模擬上、下游邊界條件（經濟部水資源局，1996） 重現期 （年） 淡水河 （m3/s） 基隆河 （m3/s） 新店溪 （m3/s） 大漢溪 （m3/s） 河口水位 （m） 2 6200 1200 2800 2200 1.21 5 10400 1780 4800 3820 1.23 10 13400 2120 6300 4980 1.27 20 16000 2400 7500 6100 1.29 2.2 水平二維 TABS-2 模式[17] 為瞭解關渡沼澤區的局部沖淤變化，本研究另引進水平二維TABS-2 模式；
TABS-2 為美國陸軍工兵團水道實驗站（U.S. Army Corps of Engineers, Waterway Experiment Station, WES）所發展的深度平均二維變量流水理、水質及輸砂模式。 適用於河川、港灣及河口等寬淺水域的模擬，能夠表現出水平方向物理量；基本 理論說明如下： 水理模式 （3） （4） （5） 其中， u、v ： 水平 x 方向及垂直 y 方向之流速 x、y、t ： x，y 座標值及時間 ρ ： 流體密度 g ： 重力加速度 a ： 底床高程 ( ) ( )= 0 ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ y vh x uh t h 0 1 2 2 2 2 = + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ x xy xx x h g x a g y u x u y u v x u u t u ε ε τ ρ 0 1 2 2 2 2 = + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ∂ ∂ + ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ y yy yx y h g y a g y v x v y v v x v u t v ε ε τ ρ
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 h ： 水深 τx、τy：各種剪應力（包含底床摩擦力、風力、科氏力等）之總和在 x 方向 及y 方向上之分量 將上述之控制方程式利用有限元素法之Galerkin 法進行數值運算，即可推導 得元素矩陣，並根據元素矩陣公式配合給定之邊界條件，即可構成全域格網聯立 方程式，並據以求得各節點之水深及流速。 動床模式 對流擴散方程式 （6） 其中， C ： 懸浮泥砂濃度 T ： 時間 u ： x 方向流速 v ： y 方向流速
Dx ： x 方向有效擴散係數（effective diffusion coefficient） Dy ： y 方向有效擴散係數（effective diffusion coefficient） α1 ： 源項（source term）係數 α2 = -α1Ceq 邊界條件及參數設定 模擬區域由前節所述之整個淡水河流域，縮小至關渡紅樹林沼澤區附近河 道，上游邊界為淡水河台北橋及基隆河第八斷面，下游邊界則為河口（river mouth）。 在格網（mesh）建置時，採用民國八十三年之地形圖為平面背景圖，並利用 十河局實測大斷面資料內差求得各節點（node）之高程值。模擬區域如圖 3 所示， 網格圖中包含4387 個節點（node）、1382 個元素（element），網格點高程值最大 3.85 公尺、最小-18.34 公尺。 2 1 α α + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ C y C D y x C D x y C v x C u t C y x
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 圖3 TABS-2 模擬區域格網圖 水理模式部分，先以民國86 年的 26 場總流量大於 100cms 的流量紀錄為邊 界條件（基隆河86 年平均流量：15.79 cms；新店溪 86 年平均流量：162.23 cms； 大漢溪86 年平均流量：17.83 cms），下游則以河口相對應之水位值為邊界條件測 試本模式對感潮河段的反應是否正確。另外，本研究亦探討淡水河流域2 年洪水 頻率洪峰流量（大漢溪：2280 cms，新店溪：2800 cms，基隆河：1200 cms）對 關渡沼澤區水位抬昇及底床沖淤變化的影響（下游河口水位則根據民國62 年「台 北地區防洪計畫建議方案」報告中建議之河口水位值：4.03 m）。 水理參數部分，根據模式建議，感潮河段渦流黏滯係數（eddy viscosity）取
9500（Pascal-sec）。河道糙度係數之設定則採用Kouwen and Li 在 1982 年所發表
有關河川作物種植與粗糙度之估算式，說明如下：
Kouwen and Li（1982）引用生物力學參數 MEI（flexural rigidity），以代表植
生所造成之河道粗糙度隨流況而異之特性，MEI 值分別為下列三個參數之乘積：
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 M=植生相對密度=個數/面積 E=植生莖幹之彈性模數 I=植生莖幹截面積之二次矩 其中 El 值代表植株之韌度，其值越大表示該植物越不易彎曲，反之，則越 容易彎曲，故MEI 值越大其所造成之粗糙度也越大。 MEI 值與流況之關係式如下：
(
y S)
h k h MEI γ n 4 63 . 0 4 . 3 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = （7） 其中， h：植生直立時之高度 k：植生彎曲後之高度 γ：水的比重 yn：正常水深 S：摩擦坡度 曼寧n 值與 MEI 之關係式如下： ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = k y b a g y n n n 10 6 1 log 8 （8） 式中之a, b 值視剪力速度（V*）與臨界剪力速度（V*,C）之大小關係而定， 其中： 植生為彈性彎曲時：V*,C =0.28+6.33(
MEI)
2 植生為塑性彎曲時：V*,C =0.23(
MEI)
0.106 而a,b 值則由下列公式決定： ≤ C V V *, * 1.0 a = 0.15, b = 1.85 （9） 1.0 < ≤ C V V *, * 1.5 a = 0.20, b = 2.70 （10） 1.5 < ≤ C V V *, * 2.5 a = 0.28, b = 3.08 （11） ≥ C V V *, * 2.5 a = 0.29, b = 3.50 （12）民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 且根據十河局實測資料顯示，83 年基隆河斷面 1（斷面累距 0 公尺）底床最 低點為-5.95 公尺，斷面 3（斷面累距 1600 公尺）底床最低點為-3.85 公尺，故本 區之平均坡度可假設為0.0013，且紅樹林平均樹高約 2～3 公尺，故利用上述之 方式可設定曼寧n 值約為 0.058～0.08；另外，根據 Chow（1973）提到之曼寧 n 建議值為0.08～0.12 及 TABS-2 模式建議值：n = 0.05～0.1。縱上所述，本研究 模擬三種不同條件之曼寧n 值（分別為 0.04、0.08、及 0.10）以反應紅樹林擴增 濕地沖淤的影響。 輸砂模式部分，利用下列各支流輸砂-流量率定曲線，可計算出輸砂量，再 轉換成模式所需之邊界濃度（concentration）條件，計算式如下所示：（下游邊界 假設泥砂隨清水自由流出） 大漢溪： （13） 新店溪： （14） 基隆河： （15） 因此， 86400 103 × = Q Q C s 其中， Qs為輸砂量（公噸/天）； Q 為流量（立方米/秒）； C 為懸浮泥砂濃度（公斤/立方米）。 計算後之上游邊界條件如下： 表6 淡水河系 2 年頻率洪峰流量懸浮濃度 3.結果說明 3.1 擬似二維水理模擬 曼寧n 值反應紅樹林的生長狀況，因此改變關渡自然保留區（基 01～基 03 斷面）曼寧 n 值，增加 10％、30％、50％，以表現紅樹林的擴生情形，並觀察 其水位變化情形，結果如圖4~7 所示。 模式模擬結果顯示，基01 斷面水位不受曼寧 n 值影響，原因是該斷面於模 式中屬於控制斷面，在模擬過程中不會變動其數值結果，因此在一維模式中，無 大漢溪 新店溪 基隆河 Q(cms) Qs(公噸/天) Q(cms) Qs(公噸/天) Q(cms) Qs(公噸/天) 2200 30257.56 2800 38236.40 1200 14563.91 → C=0.1536 (kg/m3) → C=0.1581 (kg/m3) → C=0.1404 (kg/m3) 1392 . 1 5235 . 4 Q Qs = 4515 . 1 7472 . 1 Q Qs = 5841 . 1 3836 . 0 Q Qs =
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 法反應該斷面的水位受曼寧n 值影響情形。 圖4 為 2 年頻率洪水水位變化情形，隨著曼寧 n 值的調高，水位也跟著抬升， 但是兩岸皆未溢堤，越往上游水位抬升的情況越和緩；水位隨曼寧n 值變動情形 是越上游水位變動的敏感度越低。 5 年頻率洪水位縱向變化如圖 5 所示，基 02 斷面在原曼寧 n 值水位下，右 岸關渡防潮堤尚未發生溢堤，但是當曼寧n 值增加 10％後便會造成溢堤的現象； 基03、基 04 斷面於 5 年頻率洪水水位下，會有溢堤的現象，且當 n 值提高至 30 ％，基05 斷面的 5 年頻率洪水位就會有溢堤的情況產生；10 年頻率洪水位縱向 變化如圖6 所示，該水位會造成基 02～基 05 斷面有溢堤現象；20 年頻率洪水位 縱向變化如圖7 所示，該水位會造成基 02～基 05 斷面溢堤，而隨曼寧 n 值增加 50％，基 06 斷面也會有溢堤的現象產生。 本文另針對水位變化較劇烈的基02 及基 03 斷面，繪製其橫斷面水位變化， 以觀察各斷面水位受紅樹林擴增之影響，如圖8～15 所示。 2年頻率洪水 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 斷面號 底床高程（m ） 水位-原n值 1.55 2.68 2.78 2.81 2.84 2.90 2.97 3.05 3.11 3.11 3.13 3.15 3.17 3.26 3.33 3.38 3.41 3.36 3.50 水位-n值增加10% 1.55 2.80 2.93 2.95 2.98 3.04 3.10 3.17 3.23 3.23 3.25 3.27 3.29 3.37 3.44 3.48 3.51 3.46 3.60 水位-n值增加30% 1.55 3.05 3.21 3.23 3.25 3.30 3.35 3.42 3.47 3.47 3.49 3.51 3.52 3.59 3.65 3.69 3.72 3.67 3.80 水位-n值增加50% 1.55 3.29 3.47 3.49 3.51 3.55 3.60 3.66 3.70 3.70 3.72 3.73 3.75 3.81 3.86 3.90 3.92 3.88 3.99 底床高程 -4.84 -5.48 -3.80 -12.21 -7.31 -5.85 -6.28 -5.85 -8.00 -6.36 -6.49 -9.00 -7.40 -6.55 -5.66 -11.44 -10.73 -8.07 -6.78 左岸(社子島堤防） 6.23 5.9 5.89 5.62 5.8 5.99 6.08 5.94 10.22 10.22 10.45 10.21 10.06 9.83 10.17 10.17 10.06 10.18 9.93 右岸(關渡防潮堤) 3.5 3.48 3.64 4.03 4.45 5.73 5.93 6.16 5.95 9.87 10.42 8.88 10.42 10.27 9.82 10.16 10.23 10.18 10.29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 圖4 2 年頻率洪水位縱向變化圖 關渡濕地區
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 5年頻率洪水 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 斷面號 底床 高程 （m ） 水位-原n值 2.07 3.43 4.09 4.12 4.16 4.23 4.29 4.39 4.45 4.45 4.47 4.50 4.52 4.60 4.67 4.73 4.76 4.70 4.88 水位-n值增加10% 2.07 3.58 4.30 4.33 4.37 4.43 4.49 4.57 4.63 4.64 4.65 4.68 4.69 4.77 4.83 4.89 4.91 4.86 5.03 水位-n值增加30% 2.07 3.87 4.71 4.74 4.76 4.81 4.86 4.94 4.99 4.99 5.00 5.02 5.04 5.10 5.15 5.20 5.22 5.17 5.32 水位-n值增加50% 2.07 4.15 5.09 5.11 5.14 5.18 5.22 5.29 5.33 5.33 5.34 5.36 5.37 5.42 5.47 5.51 5.53 5.48 5.62 底床高程 -4.84 -5.48 -3.80 -12.21 -7.31 -5.85 -6.28 -5.85 -8.00 -6.36 -6.49 -9.00 -7.40 -6.55 -5.66 -11.44 -10.73 -8.07 -6.78 左岸(社子島堤防） 6.23 5.9 5.89 5.62 5.8 5.99 6.08 5.94 10.22 10.22 10.45 10.21 10.06 9.83 10.17 10.17 10.06 10.18 9.93 右岸(關渡防潮堤) 3.5 3.48 3.64 4.03 4.45 5.73 5.93 6.16 5.95 9.87 10.42 8.88 10.42 10.27 9.82 10.16 10.23 10.18 10.29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 圖5 5 年頻率洪水位縱向變化圖 10年頻率洪水 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 斷面號 底床 高程（m ） 水位-原n值 2.50 3.82 4.42 4.46 4.51 4.59 4.67 4.78 4.86 4.86 4.88 4.91 4.93 5.03 5.10 5.17 5.21 5.13 5.35 水位-n值增加10% 2.50 3.97 4.63 4.67 4.72 4.79 4.86 4.96 5.04 5.04 5.06 5.08 5.10 5.19 5.26 5.32 5.35 5.29 5.49 水位-n值增加30% 2.50 4.27 5.04 5.08 5.11 5.17 5.23 5.32 5.38 5.38 5.40 5.42 5.44 5.51 5.57 5.62 5.65 5.59 5.77 水位-n值增加50% 2.50 4.56 5.43 5.46 5.49 5.55 5.60 5.67 5.73 5.72 5.74 5.76 5.77 5.83 5.88 5.93 5.95 5.90 6.07 底床高程 -4.84 -5.48 -3.80 -12.21 -7.31 -5.85 -6.28 -5.85 -8.00 -6.36 -6.49 -9.00 -7.40 -6.55 -5.66 -11.44 -10.73 -8.07 -6.78 左岸(社子島堤防） 6.23 5.9 5.89 5.62 5.8 5.99 6.08 5.94 10.22 10.22 10.45 10.21 10.06 9.83 10.17 10.17 10.06 10.18 9.93 右岸(關渡防潮堤) 3.5 3.48 3.64 4.03 4.45 5.73 5.93 6.16 5.95 9.87 10.42 8.88 10.42 10.27 9.82 10.16 10.23 10.18 10.29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 圖6 10 年頻率洪水位縱向變化圖 關渡濕地區 關渡濕地區
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 20年頻率洪水 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 斷面號 底床高程（m ） 水位-原n值 2.88 4.08 4.65 4.70 4.76 4.85 4.94 5.07 5.15 5.16 5.18 5.21 5.24 5.34 5.42 5.50 5.53 5.45 5.70 水位-n值增加10% 2.88 4.23 4.86 4.91 4.96 5.04 5.12 5.24 5.32 5.32 5.34 5.37 5.40 5.49 5.57 5.64 5.67 5.59 5.83 水位-n值增加30% 2.88 4.52 5.27 5.31 5.35 5.42 5.49 5.59 5.66 5.66 5.68 5.70 5.72 5.80 5.87 5.93 5.96 5.89 6.10 水位-n值增加50% 2.88 4.80 5.66 5.70 5.73 5.79 5.85 5.94 6.00 6.00 6.01 6.04 6.05 6.12 6.18 6.23 6.25 6.19 6.39 底床高程 -4.84 -5.48 -3.80 -12.21 -7.31 -5.85 -6.28 -5.85 -8.00 -6.36 -6.49 -9.00 -7.40 -6.55 -5.66 -11.44 -10.73 -8.07 -6.78 左岸(社子島堤防） 6.23 5.9 5.89 5.62 5.8 5.99 6.08 5.94 10.22 10.22 10.45 10.21 10.06 9.83 10.17 10.17 10.06 10.18 9.93 右岸(關渡防潮堤) 3.5 3.48 3.64 4.03 4.45 5.73 5.93 6.16 5.95 9.87 10.42 8.88 10.42 10.27 9.82 10.16 10.23 10.18 10.29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 圖7 20 年頻率洪水位縱向變化圖 2年頻率洪水 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -100 0 100 200 300 400 500 高程 （m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖8 基 02 斷面 2 年頻率洪水位橫向變化圖 關渡濕地區
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 2年頻率洪水 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -50 0 50 100 150 200 250 300 高程 （m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖9 基 03 斷面 2 年頻率洪水位橫向變化圖 5年頻率洪水 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -100 0 100 200 300 400 500 高 程（m） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖10 基 02 斷面 5 年頻率洪水位橫向變化圖 5年頻率洪水 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -50 0 50 100 150 200 250 300 高程（m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖11 基 03 斷面 5 年頻率洪水位橫向變化圖
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 10年頻率洪水 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -100 0 100 200 300 400 500 高程 （m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖12 基 02 斷面 10 年頻率洪水位橫向變化圖 10年頻率洪水 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -50 0 50 100 150 200 250 300 高程（m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖13 基 03 斷面 10 年頻率洪水位橫向變化圖 20年頻率洪水 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -100 0 100 200 300 400 500 高程 （m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖14 基 02 斷面 20 年頻率洪水位橫向變化圖
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 20年頻率洪水 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -50 0 50 100 150 200 250 300 高程（ m ） 橫斷面 水位-原n值 水位-n值增加10% 水位-n值增加30% 水位-n值增加50% 橫斷面距離（m） 圖15 基 03 斷面 20 年頻率洪水位橫向變化圖 3.2 水平二維數值模擬： 3.2.1 模式測試 (1)常流量模擬 採用民國86 年 26 場總入流量超過 100 m3/sec 之流量為上游邊界條件，下游 邊界條件則為相對應之河口水位值（如圖16 所示）；由模擬結果可發現濕地出現 乾網格情形，且漲、退潮之流向與潮水相符，顯示模擬結果合理，能充分反應潮 間帶濕地之水理現象。 圖16 常流量模擬演算結果流速及流向圖 漲潮 退潮 velocity mag : 3.000 -0.075 -0.025 0.025 0.075 0.125 0.175 0.225 0.275 0.325 0.375 0.425
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 （2）洪水量模擬： 水理模擬結果如圖17 所示，模擬區之平均水位高程＝4.234（m），平均流速 ＝0.745（m/sec）；沼澤區之水位值介於 4.175（m）至 4.225（m），流速則介於 0.12（m/sec）至 0.59（m/sec）之間。 圖17 2 年期洪水流量演算結果流速及流向圖 3.2.2 輸砂模擬 本文以第48 小時（隨機選取）動床模擬結果說明沼澤區沖淤趨勢，並選取 沼澤區上游（node 2090）、中游（1740）及下游（node 1546）三點（如圖 18 所 示），觀察這三點的沖淤情形，結果如圖19 及表 7 所示： 圖18 節點 1546、1740、2090 位置示意圖 node 1546 node 1740 node 2090 velocity mag 0.12 0.35 0.59 0.82 1.06 1.29 1.53 1.77 2.00 2.24 2.47
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 表7 節點 1546、1740、2090 動床模擬第 48 小時底床高程變化情形 底床高程（m） 節點 原始底床 n = 0.04 n = 0.08 n = 0.1 1546 -2.7455 -2.7465 -2.7467 -2.7468 1740 -1.6295 -1.6251 -1.6250 -1.6250 2090 -3.0464 -3.0438 -3.0437 -3.0437 與原始河床比較可發現：下游節點（node 1546）呈現沖蝕現象，而中、上 游節點（node 1740、2090）則表現出淤積現象；而當曼寧 n 值由 0.04 漸增加至 0.1 的情況下，節點 1546 處底床高程降低了 0.3（mm）、節點1740 處底床高程增 加了0.1（mm）、而節點2090 處底床高程則增加了 0.1（mm）。另外，在節點1740 及2090 處，當 n 值由 0.08 增加到 0.1 時，底床高程並未改變，研判可能是曼寧 n 值變化不大且模擬時間不算長，所以較無法表現出糙度係數增加的影響。 4.結論及建議 本文研究成果總結條敘如下： （1） 紅樹林之擴增由民國 78 年的 10.5 公頃擴生至民國 83 年的 23.6 公頃， 面積增長率達 125％，應會對河口附近泥砂淤積及防洪效應造成直接 之影響。 -1.63 -1.628 -1.626 -1.624 0 0.05 0.1 0.15 n be d e le va tion ( m ) node 1740 （中游） -3.047 -3.046 -3.045 -3.044 -3.043 0 0.05 0.1 0.15 n be d e le va tion (m ) node 2090 （上游） -2.747 -2.7465 -2.746 -2.7455 -2.745 0 0.05 0.1 0.15 n be d el ev at ion (m ) node 1546 （下游） 圖19 節點 1546、1740、2090 各曼寧 n 值 對底床衝淤之影響
民國94 年 6 月出版 Vol. 53, No. 2, June 2005 （2） 經由擬似二維水理模擬結果發現，2 年頻率洪峰流量下，隨著曼寧 n 值的調高，水位也跟著抬升，但是兩岸皆未溢堤，越往上游水位抬升 的情況越和緩；5 年頻率洪水的水位變化情形，基 02 斷面在原曼寧 n 值水位下，右岸關渡防潮堤尚未發生溢堤，但是當曼寧 n 值增加 10 ％後便會造成溢堤的現象；基 03 斷面於 5 年頻率洪水水位下，會發 生溢堤；10 年及 20 年頻率洪峰流量下，均造成基 02 及基 03 斷面發 生溢堤現象；而隨曼寧n 值增加 50％，基 06 斷面也會有溢堤的現象 產生。 （3） 經由水平二維水理模擬結果發現，濕地出現乾網格情形，且漲、退 潮之流向與潮水相符，顯示模擬結果合理，能充分反應潮間帶濕 地之水理現象。 （4） 未來可增加動床模擬時間，如此應可讓濕地陸域化現象更明顯。 （5） 未來可針對紅樹林及蘆葦從等植物之曼寧 n 值進行深入研究，如此可 讓水理及輸砂模擬結果更精確可靠。 （6） 未來之研究可再針對紅樹林擴增對其他生物（如底棲無脊椎動物、鳥 類等）之衝擊進行評估，如此可讓濕地經營管理及紅樹林疏伐更具體 可行，亦可作為相關單位管理之參考。 5.參考文獻 1. 王琪芳，2001，基隆河河口紅樹林水流阻力之研究，國立台灣大學農業工程學研究所 碩士論文。 2. 王儀臻，1999，河口濕地之生態研究─以關渡沼澤地植群變遷為例，國立台灣大學地 理學研究所碩士論文。 3. 李鴻源、施上粟，2002，關渡自然保留區環境監測與經營管理策略研(一) - I，財團法 人七星農田水利研究發展基金會，國立台灣大學水工試驗所。 4. 劭廣昭、張文亮、劉小如、謝慧蓮、巫文隆、李玲玲、林幸助、李培芬，2000，關渡 自然保留區及關渡自然公園環境監測與研究（第二期）期末報告，台北市政府建設局。 5. 李森淵，感潮河系水理及質量傳輸之現場量測及數值模擬，國立台灣大學土木系博士 論文，1998. 6. 李鴻源、李森淵、陳彥旭 ，1997， 河川作物種植規範之研議，台灣水利, 第 45 卷, 第 一期。
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