行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
全球變遷：福山森林生態系研究
-哈盆溪集水區土壤沖蝕觀測之研究
計畫編號：NSC 89-2621-B-002-018-A10
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：林俊全 執行機構及單位名稱：台大地理環境資源學系
一、中英文摘要 在本年度的研究中，主要是觀測哈盆 溪一號與二號量水堰上游集水區的降雨以 及沖蝕。對於二號量水堰上游集水區的沖 蝕量觀測在本年度採用全測儀配合地理資 訊系統軟體，而一號量水堰上游集水區的 沖蝕觀測則以收集的方式進行。 在全測儀的量測結果方面，估計在 1999年六月至2000年三月之間，上游河道 共搬運了60.87立方公尺的沈積物到二號量 水堰上方堆積，使量水堰上方人工河道區 域的微地形有許多改變，造成河道中的沙 洲，並且使河川的流路改變，這個新的觀 測方式可以在未來繼續進行，並且進行相 關的分析與評估。 關鍵詞：全測儀、河道微地形、地理資訊 系統 Abstr actThe main works of this year are continue to monitor the erosion and rainfall data of drainage area of weir NO1 and NO2 of Fushan Long Term Ecological Site. According to previous experience, it was very difficult to collect the bed load data in weir NO2 especially during Typhoon perioids. Total station was applied to measure the micro-relief of channel for calculation of sediment yields. G.I.S. software is also used for calculation on the total volume of the bed load. There is about 60.78 cubic meters deposit in the period from June 1999 to March 2000. Sediments deposition change
the micro-relief of channel dramatically according to the detailed surveying. In the future, repeated surveying could be a good way for calculation and evaluation of sediments in weir NO 2.
Keywor ds: Total station, Channel
micro-relief, G.I.S., sediment yields
二、緣由與目的 本 年 度 研 究 是 以 哈 盆 溪 集 水 區 為 研究區來進行集水區的沖蝕觀測。主要 的研究區為南勢溪上游哈盆溪支流的一 號與二號量水堰之上游集水區。觀測的 項目包含：降雨量、河川基流的輸送物 質（包含推移質、懸移質與溶解質）、 暴雨時河川輸送物質（包含推移質、懸 移質與溶解質）。 在一 號 集水 區 的 沖蝕 觀 測是 以 收 集 的方式 進行，而 二號集水區 的觀 測在 本 年度採用 新的方 式，以全 測儀 量測 目標 區的河道 微地形 ，將資料 輸入 地理 資訊 系統軟 體，計算 其整體的堆 積量， 推 估 其推移質的生產量。 本研究希望達成以下之目的： 1.比較與建立 兩個不同集 水區的沖蝕 特 性及其差異。 2.進行微地形 法的沈積物 量推估研究 及 其評估。 三、結果與討論
本年度觀 測期自 1999年7月29日起 至 2000年 8月 27日 止 。 以 下 就 相 關 的 結 果進行分析與討論。 表一 福山一號站推移質生產量 測站 收集日期 福山1號站 1999/ 7/29 37.83 2000/ 3/27 11.27 2000/ 8/24 87.67 單位：公斤 本年的觀測期中，哈盆西溪一號測站 收集到三次推移質資料，分別是99年7月29 日、2000年3月27日與8月27日。在2000年4 至8月份的降雨量較大，形成較多的沈積物 ，在一號測站約有87公斤。但是與其他年 度比較，本年度的沈積物量少。其原因是 本年度的主要降雨季（夏季）的降雨量偏 低，使堆積在河道與河岸的沈積物，並沒 有隨著大量降雨所形成的洪峰移動。 1.推移質特性 由過去的紀錄分析，可發現在福山 地區的沈積物搬運模式是颱風將堆積在 河道中的沈積物一次都搬走。因此，只 要有颱風或豪雨發生，就會產生大量的 沈積物，堆積在量水堰上方。 以本年度來說，並沒有發生大量的 降雨事件，因此反映在沈積物的生產量 上。以一號量水堰為例，約只有137公斤 的量，相當於過去記錄去掉颱風的效應 。主要是99年7至10月時的颱風季，沈積 物量僅僅約38公斤，遠低於過去的紀錄 。 此外，根據微地形測量法的估計， 二號量水堰在99年6月至2000年3月之間 ，經過推算在這期間內，二號量水堰上 游 集 水 區 約 產 生 了 60.87立 方 公 尺 的 沈 積物。 2.降雨的特性 在本觀測期之中，降雨的模式與過 去有明顯的差異。本年度的降雨量與大 雨降雨的場次統計如表二與表三。其中 大雨是指在一次降雨之中，半個小時之 內的累積降雨量到達10公釐以上者。所 使用的傾斗式降雨量觀測儀的最小單位 是0.2公釐。 表二 福山一號測站降雨量 觀測期間 降雨量 大雨場次 1999/ 7/29 - 1999/11/12 1042.4 9 1999/11/12 - 1999/11/21 36.8 0 1999/11/21 – 2000/ 3/25 1253.2 0 2000/ 3/25 – 2000/ 8/27 1325.4* 15 降雨量單位： 公釐 *：推測 應為 2070 表三 福山二號測站降雨量 觀測期間 降雨量 大雨場次 1999/ 7/29 - 1999/11/12 1147.2 10 1999/11/12 - 1999/11/21 8.2 0 1999/11/21 – 2000/ 3/25 1196.6 0 2000/ 3/25 – 2000/ 8/27 2272.4 22 降雨量單位： 公釐 以降雨的資料來分析，在一號測站 雨二號測站觀 測的數值呈現相類似的趨 勢，在數值上有些微的差異。比較顯 著 的差異是在第四筆資料，由2000年3月25 日至2000年8月27日，兩個測站的降雨記 錄有947公釐的差距，這是由於儀器故障 所致，經過維修之後，已經可以正常運 作 。 推 測 一 號 測 站 當 時 的 降 雨 量 約 為 2070公釐。 過 去 資 料 顯 示 10月 之 後 到 來 年 的 3 、4月屬於乾季，降雨型態趨向於低降雨 強度、長降雨延時。在3至10月之間會有 颱風以及豪雨 的發生，是研究區的主要 降雨期。以本年度的資料而言，乾季 十 分明顯， 尤其在1999年的11月，兩個測 站分別只測到36.8與8.2公釐的降雨。而 去年的雨季降 雨量也少， 這是因為颱風 並沒有直接對 福山地區形成威脅的緣故 。到2000年4至8月期間，降雨的情況才 恢復正常。
以大雨場次的資料來分析也可以發 現，在1999年12月至2000年3月之間的冬 季期間的大雨 場次為零， 是屬於低頻度 、長降雨延時 的型態，換句話說就是長 時間的小雨， 所形成的地表逕流少， 大 部分都進入地 下，成為地下水補注。 對 於沈積物的搬 運而言，其效率較低， 無 法搬運大量與 大顆粒的沈積物，對照 這 個時期的沈積 物量記錄也可以證實。 然 而夏季降雨就 以短延時、 高降雨強度為 其特徵，尤其是颱風以及暴雨時期的降 雨，會形成大量逕流注入河道之中， 使 河川水位上升，此時的河水流速、流 量 與搬運能力都 隨之上升， 將河道上所堆 積的沈積物以 懸移質和推移質的方式搬 運。在2000年3月25日至8月27日之間， 二號量水堰的 雨量就記錄到22場的大雨 ，這些對河川的沖蝕有關鍵性的影響。 3.二號量水堰的微地形量測 在本次的研究中，在二號量水堰上 方人工河道進 行微地形量測，希望以 河 道中沈積物堆 積對河道微地形的改變來 推估整體的沈 積物生產量。其步驟如 下 ： 1. 在固定點架設全測儀（Total Station ）， 以網 格 的方 式 量測 河 道中 各 點 的距離與角 度（ 包 括方 位 與俯 仰 角 ）。 2. 將各點的距離與角度換算成為值角 座標系統中的平面座標與垂直高程 。 3. 將資料輸入地理資訊系統軟體之中 ，內插出整個區域的地形面，並轉 成數值地形模型。 4. 將數值地形模型與原始地面相減， 求算整體的沈積物堆積量。 本研究的方法主要是來自地理資訊 系統對 於數 值地 形模型資料 的處 理概 念 ，也就是 用部分 的已知點來 推算整體 地 形，再利 用沈 積物所產生的地形 推算整 體 的 堆 積 量 。 在 測 量 中 使 用 LEICA公 司 的TP1800全測儀，測距採用雷射測距、 稜鏡反 射。其 精確 度在角 度方 面可 以達 到1秒的精確度，距離量測可達到1公釐 的準確度，適合用於精密的大地測量。 在測量中所選用的網格距離為50至 100公分間隔，在部分地形變化大的區域 有加測以 為輔助 ，整個量 測區 的橫 寬為 14.5公尺，長度約18.4公尺，原始測點有 140點。 在推算過程之中，所選用的網格為 10公分的 正方 形網格，經 過地 形模 型推 算之後，約計算出26600點的高程資料， 所堆積的沈積物約有60.87立方公尺，其 結果請參閱附圖與表四。 表四 福山二號量水堰上方河道微地形統計表 累積高度 所佔百分比 0-5 0.0％ 5-10 22.0％ 10-15 2.1％ 15-20 4.6％ 20-25 11.8％ 25-30 17.3％ 30-35 15.3％ 35-40 10.2％ 40-45 5.0％ 45-50 3.7％ 50-55 2.8％ 55-60 2.1％ 60-65 1.6％ 65-70 1.7％ 單位： 公分 討論 本年度對於福山一號與二號量水堰 上方集 水區 進行 的資料收集 與分 析及 實 地量測作業，有以下的幾點初步結論： 1. 在本年度之 中， 福 山地 區 的降 雨 型 態與 過去 有 明顯 的 差別， 特別是 去 年的 雨季 降 雨明 顯 變少， 這是由 於 颱風侵襲數 量減少 ，因此 夏季整 體 降雨量下降。 2. 由於去年夏季降雨下降，使河水水 量以及流速下降，河道的沈積物並
沒有被大量搬動，因此輸沙量比過 去下降。這也證實過去的理論，也 就是上游集水區河川輸沙的模式屬 於脈衝式，當降雨超過閾值，河水 暴增、流速增加，相對的搬運能力 也上升，可以攜帶較多的沈積物， 並且堆積在觀測區中。 3. 在降雨量較少的時段，河川的搬運 能力差，只能搬動少量的沈積物， 由於上游河川多是梯潭-急湍型，沈 積物會被堆積在大粒徑沈積物後方 ，形成塞車效應，所以若降雨少， 河川水位低、流速慢，甚至完全沒 有沈積物進入觀測區中。 4. 在二號量水堰上方河道所進行的微 地形量測與沈積物估算，是以新的 方式來估計沈積物的量，可以做為 另一種收集數據的方式，在未來還 需在堆積區採取沈積物樣本，進行 比重與顆粒分析，以便瞭解沈積物 的相關特性。 5. 由數值地形模型的結果分析，可發 現進入二號量水堰上方河道的沈積 物堆積在河道上游左側與下游左岸 河道邊緣的蛇籠附近，使流路隨之 改變。 四、研究者自評 1. 對地形作用（外營力：降雨）與變 化（沖蝕）的觀測，是整個集水區 研究中重要的一環，尤其是對於生 態系的瞭解與研究也很重要。 2. 在本年度的觀測之中，運用微地形測 量與數值地形模型運算法來推算二號 量水堰上方集水區的沖蝕量，克服過 去在觀測上的困難處。 3. 在未來的觀測中，可以持續進行微地 形量測，將其結果加以比對，可以建 立時間序列動態變化的結果。 五、參考文獻
〔1〕D’Agostino,V., Lenzi,M.A.& Marchi,L., 1994 , Sediment Transport and Discharge During High Flows in an Instrumented Watershed ,In :
Ergenzinger,P.& Schmidt,K.-H. (editors) , Dynamics and Geomorphology of Mountain Rivers,pp67-81.
〔2〕Eisma, D., 1992 , Suspended matter in the aquatic environment, Springer-Verlag, pp9-13.
〔3〕Gole,S.P. & McManus,J., 1988 , Sediment Yield in the Upper Krishna Basin , Maharshtra , India , Earth Surface Processes and Landforms , 13 ,pp19-25.
〔4〕Lane, S.N., Richards, K. S. & Chandler, J. H., 1996 , Discharge and sediment supply controls on erosion and deposition in a dynamic alluvial channel , Geomorphology ,15:1-15.
〔5〕Richards,K., 1984 , Some Observations on Sediment Dynamics in Storbregrova , Jotunheimen , Earth Surface Processes and Landforms , 9 , pp101-112.
〔6〕Richard, K., 1982, Rivers: Form and process in alluvial channels, Methuen, pp92-111.
〔7〕Rickenmann,D.,1994, Bedload Transport and Discharge in the Erlenbach Stream ,In : Ergenzinger,P. & Schmidt,K.-H. (editors) , Dynamics and Geomorphology of Mountain Rivers,pp52-66.
〔8〕Small, R. J., 1989, Geomorphology and hydrology, Longman, pp25-44.
