氣候變遷對災害防治衝擊調適與因應策略整合研究－子計畫:水庫系統在變遷氣候中之脆弱度評估與支援決策技術發展(I)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

氣候變遷對災害防治衝擊調適與因應策略整合研究--子計

畫:水庫系統在變遷氣候中之脆弱度評估與支援決策技術發

展(I)

研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型計畫編號： NSC 95-2625-Z-002-040- 執行期間： 95 年 10 月 01 日至 96 年 09 月 30 日執行單位：國立臺灣大學生物環境系統工程學系暨研究所計畫主持人：童慶斌共同主持人：范正成、葉欣誠、李明旭計畫參與人員：碩士級-專任助理：林嘉佑博士班研究生：連宛渝、楊智翔處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 97 年 01 月 08 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成果報告

□期中進度報告

子計畫六--水庫系統在變遷氣候中之脆弱度評估與支援決策

技術發展

計畫主持人：童慶斌

共同主持人：李明旭、葉欣誠、范正成、陳韻如

計畫參與人員：連宛渝

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告

▓

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：台灣大學生物環境系統工程學系

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摘要

水庫在台灣水資源系統對減洪與供水均扮演相當關鍵角色。近幾年來，氣候異常導致極端的水文事件發生之頻率增加，對水庫的功能與安全性之影響也相當的大，未來氣候變遷可能導致更劇烈之氣候變異，其對水庫影響必須加以評估，鑑識脆弱之環節，並及早擬定強化調適能力對策。本年度主要工作重點在於探討水庫系統受氣候變遷影響可能遭受的衝擊，並建立評估工具以量化的方式評估水庫系統之脆弱度。流程包括利用多個全球環流模式（ General Circulation Models, GCMs）與配合不同降尺度方式設定未來氣候情境；利用 GWLF模式及 FLO2D模式，分別模擬在不同氣候變遷預設情境下水庫之連續日入流量與極端降雨導致之極端時流量，根據現行水庫操作規則，評估氣候變遷水庫供水能力與減洪能力之衝擊與影響。研究結果顯示，在不同的氣候變遷預設情境下，水庫未來之供水能力可能的確受到影響，而有供水不足的情況發生，水庫應儘量提高蓄水量；而在水庫減洪能力方面，若水庫起始水位過高，則在極端降雨事件發生時，水庫水位有可能超過壩頂而對水庫造成影響，因此在未來水庫之減洪操作方式可能需要儘量調低防洪起始操作水位。本研究已完成量化評估流程與方法建立，未來可進一步將研究方法整合以分析系統脆弱度與分析量化之調適策略。在研究過程中，本研究亦發現須再進行深入研究之關鍵技術課題，包含氣候變遷預報資料之不確定性量化分析、氣候變遷對設計雨型之影響、連續性與極端降雨事件之聯合模擬等。第二年度除將針對上述課題進行研究外，亦將依據本年度研究成果，結合預警與風險管理機制，評估啟動調適策略的時機與方法。雖然水庫泥沙含量最大影響為崩坍，然土壤沖蝕對非點源污染、水質與水庫淤積仍有相當影響，為探討土壤沖蝕可能受到氣候變遷之影響，本研究亦探討氣候變遷對降雨沖蝕指數之影響在年降雨沖蝕指數方面，結果顯示未來也有明顯增加的情形。

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Abstract

Reservoir plays a key role to provide functions on flood mitigation and water supply in Taiwan water resources system. Climate variability results in more frequent extreme hydrological events which may further greatly influence reservoir’s abilities to provide service and even danger reservoir’s safety. Future climate change may cause more climate variability. Its influences on reservoir are needed to be evaluated. Also, vulnerable componments in a reservoir system and adaptive strategies are required to be identified.

This study focuses on evaluating the impacts of climate change on reservoir systems and developing tools to quantify vulnerability. The GCMs’ outputs are applied to derived future climate scenarios. Then, two hydrological models, the GWLF and FLO2D, are used to generate continuous daily streamflows and hourly extreme events. These flows are further applied to evaluate the potential long-term climate change impacts on the functions of flood mitigation and water supply of a reservoir system with considering its operation rules. According to the results, water supply will be insufficient in the dry period under different scenarios, which implies more storage may be required. The inflow caused by the extreme rainfall in future may result in overflow and causel damage under current operation rules, which implies lower initial storage for operation of flood mitigation is necessary. This study has developed a procedure and tools to evaluate climate change impacts, adaptation, and vulnerability for a reservoir. However, this study also identify further studies are required to improve the evaluation procedure.

Also, landslide is a major reason to endanger reservoir. Soil eroision still plays a very important role on influencing water quality and reservoir storage. To evaluate the climate change impacts on soil erosion, this study also develop a method to quantify the climate change impacts on rainfall erosivity. The rainfall erosivity will be increased due to the increasing of rainfall.

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目錄

摘要 ... i Abstract ... ii 目錄 ... iii 表錄 ... vi 圖錄 ... vii 第一章前言 ... 1 1.1 計畫緣起 ... 1 1.2 研究目的 ... 4 1.3 章節說明 ... 6 第二章文獻回顧 ... 7 2.1 臺灣的水庫狀況 ... 7 2.2 氣候變遷對水文與水資源之影響 ... 9 2.3 氣候變遷對水庫功能的衝擊 ... 10 2.4 氣候變遷對降雨沖蝕影響 ... 13 2.5 氣候變遷的調適策略 ... 14 2.6 以強化水庫管理作為因應氣候變遷之調適策略 ... 18 第三章研究方法 ... 20 3.1 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術 ... 22 3.2 氣候變遷對水庫減洪能力衝擊評估技術 ... 27 3.3 氣候變遷對降雨沖蝕指數影響評估 ... 35

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第四章模式驗證 ... 41

4.1 GWLF模式驗證 ... 41

4.2 FLO-2D模式驗證 ... 43

4.3 水庫水位推估驗證 ... 45

第五章未來氣候變遷情境 ... 47

5.1 IPCC TAR and AR4 GCMs ... 47

5.2 降尺度說明 ... 51 5.3 GCMs 資料驗證 ... 57 5.4 未來連續性氣候資料準備 ... 59 5.5 未來事件式降雨資料準備 ... 61 第六章氣候變遷衝擊評估 ... 62 6.1 水庫供水評估 ... 62 6.2 水庫減洪功能 ... 65 6.3 設計雨型分析 ... 69 6.4 降雨沖蝕指數 ... 71 第七章整合研究技術 ... 82 7.1 連續性與事件氣象資料合成 ... 82 7.2 供水與減洪同時考量之操作規線修改 ... 83 7.3 結合下游水資源系統動力模式 ... 84

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第八章結論與建議 ... 86

8.1 結論 ... 86

8.2 建議 ... 88

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表錄

表 1 評估調適策略之選擇矩陣 ... 17 表 2 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術使用模式說明 ... 21 表 3 石門水庫計畫配水量 ... 25 表 4 石門水庫放水規則 ... 31 表 5 台北及新竹地區降與動能公式 ... 39 表 6 大漢溪集水區模擬流量結果評估表 ... 42 表 7 TAR與 AR4比較 ... 49 表 8 AR4五大預設情境 ... 50 表 9 全球尺度之 CGCM2及區域尺度之 CCCM各月份降雨比值 ... 54 表 10 全球尺度之 CGCM2及區域尺度之 CCCM各月份溫度差值比較 ... 54 表 11 全球尺度之 HADCM3及區域尺度之 HAD各月份降雨比值 ... 55 表 12 全球尺度之 HADCM3及區域尺度之 HAD各月份溫度差值比較 .. 55 表 13 觀測值與 GCM鄰近網格點預測現況資料相關係數 ... 58 表 14 台北站數化資料與歷史資料比對 ... 73 表 15 新竹站數化資料與歷史資料比對 ... 73 表 16 台北地區有效降雨事件特性分析 ... 74 表 17 新竹地區有效降雨事件特性分析 ... 74 表 18 各年有效降雨事件統計 ... 75 表 19 台北及新竹降雨沖蝕指數推估公式 ... 76 表 20 A2情境未來短中長期月平均雨量變化情形 ... 80 表 21 A2情境未來短中長期年平均降雨量與年平均 R指數變化情形 ... 80 表 22 B2情境未來短中長期月平均雨量變化情形 ... 81

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圖錄

圖 1 研究架構 ... 5 圖 2 氣候變遷之脆弱度與調適整合至規劃的計畫中流程 ... 18 圖 3 氣候變遷對水庫系統衝擊影響之相互關係 ... 22 圖 4 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術研究流程圖 ... 23 圖 5 GWLF模式水平衡關係示意圖 ... 24 圖 6 石門水庫運用規線圖 ... 27 圖 7 氣候變遷對水庫蓄洪能力衝擊評估技術研究流程圖 ... 28 圖 8 FLO-2D 模式概念圖 ... 30 圖 9 台灣北部地區長延時雨型均一區 ... 34 圖 10 研究流程 ... 35 圖 11 池端站原始自計式雨量圖紙 ... 36 圖 12 研究區域示意圖 ... 37 圖 13 處理後之原始自計式雨量圖紙 ... 38 圖 14 翻拍雨量圖紙過程 ... 38 圖 15 GWLF 模擬 (1977 至 2000 年 )大漢溪集水區日流量比較圖 ... 42 圖 16 GWLF 模擬 (1977 至 2000 年 )大漢溪集水區月流量比較圖 ... 42 圖 17 大漢溪集水區 (1977 到 2000 年 )模擬流量與歷史流量比較圖 ... 43 圖 18 賀伯颱風事件檢定結果 ... 44 圖 19 艾利颱風事件驗證結果 ... 44 圖 20 艾利颱風事件水庫實際入流量、實際出流量與推估出流量 ... 45 圖 21 艾利颱風事件水庫實際水位與推估水位 ... 46 圖 22 SRES四個情節說明 ... 51

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圖 23 氣候變遷影響評估流程 ... 56 圖 24 B2短期氣候變遷預設情境降雨比值 ... 56 圖 25 B2短期氣候變遷預設情境溫度差值 ... 57 圖 26 台北氣象站觀測資料與預設情境比較 ... 58 圖 27 台中氣象站觀測資料與預設情境比較 ... 59 圖 28 台南氣象站觀測資料與預設情境比較 ... 59 圖 29 CCCM氣候變遷情境下，以 11月初水庫下限蓄水量為起始蓄水量評估水庫供水情況 ... 63 圖 30 CCCM氣候變遷情境下，以 11月初水庫歷史最低蓄水量為起始蓄水量評估水庫供水情況 ... 64 圖 31 HAD氣候變遷情境下，以 11月初水庫下限蓄水量為起始蓄水量評估水庫供水情況 ... 64 圖 32 HAD氣候變遷情境下，以 11月初水庫歷史最低蓄水量為起始蓄水量評估水庫供水情況 ... 65 圖 33 CCCM氣候變遷情境下，起始水位為 236公尺水庫可能之水位 .. 66 圖 34 CCCM氣候變遷情境下，起始水位為 240公尺水庫可能之水位 .. 67 圖 35 CCCM氣候變遷情境下，起始水位為 242.7公尺水庫可能之水位 67 圖 36 HAD氣候變遷情境下，起始水位為 236公尺水庫可能之水位 .... 68 圖 37 HAD氣候變遷情境下，起始水位為 240公尺水庫可能之水位 .... 68 圖 38 HAD氣候變遷情境下，起始水位為 242.7公尺水庫可能之水位 .. 69 圖 39 最大 24小時為事件延時，尖峰降雨落在前 20%之雨型 ... 70 圖 40 最大 24小時為事件延時，尖峰降雨落在後 20%之雨型 ... 70 圖 41 降雨事件總延時視為事件延時且尖峰降雨落在前 20%雨型 ... 71 圖 42 台北地區迴歸分析 ... 77

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圖 43 新竹地區迴歸分析 ... 77

圖 44 石門地區歷年降雨沖蝕指數 ... 78

圖 45 石門地區降雨沖蝕指數現況分析 ... 78

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第一章前言

1.1 計畫緣起

台灣地區因降雨空間分佈不均，且年降雨量在豐、枯水期具有顯著差異，再加上河流短、地勢陡，降雨量大都直接奔流入海，造成水資源之營運困難，不易由河川直接取水，因此必須仰賴水庫調節洪流與枯旱，方能減少下游災害與滿足用水需求。水庫水資源的控制，影響著民生、工業及農業等用水，台灣目前水庫約有 40座，總有效容量約為 20億噸，為調節水源之需求，水庫每年必須供應 44億噸水量，平均每座水庫年運用次數必須超過 2次以上才能滿足需求，而北部石門水庫甚至超過 4次，可見水庫為台灣主要之水資源調配供給之設施 (徐享崑， 2006)。水庫除了攔截蓄存上游河川水流外，其主要為水資源調配之重要工具，部分水庫亦具備蓄洪、發電及環保遊憩等功能。近幾年來，氣候異常造成極端的水文事件發生之頻率增加，導致台灣地區水資源供需受到氣候異常影響而呈現極不穩定的狀態，如 2001年的納莉颱風所帶來的大量降雨造成嚴重水災，以及 2002年的嚴重乾旱，造成北部地區供水嚴重不足，而引發農業灌溉用水與工業用水之爭議。根據中央氣象局的資料， 2004年至少有 8個颱風侵襲台灣，數量之高為歷年罕見。氣候異常對於水庫可能造成的衝擊影響如， 2004 年敏督利颱風及七二豪雨，除導致台灣中部地區上游集水區大量土石崩坍外，並造成大甲溪沿線發電廠嚴重受創，德基水庫出水口前漂著大量浮木，且山壁沖下的大量土砂，龐大水流回沖壩體，導致壩體在內外水勢夾擊下，安全性受到嚴重考驗，此外當時因大甲溪河床嚴重淤積，導致天輪電廠尾水口積水達五公尺，無法排水及發電；同年八月之艾利颱風，由於豪雨夾雜大量土砂進入石門水庫，造成原水濁度過高，水庫無法正常供水而導致停水； 2005年 8 月則因馬莎颱風侵襲，造成翡翠水庫灣潭一帶水域枯枝、雜物及垃圾等漂流物遽增，嚴重影響水庫水質優良、觀瞻及航行安全。由此可知，氣候變異所導致極端氣候的發生，對水庫的功能與安全性的衝擊影響是相當大的。氣候變遷是指長期氣候特性改變，並可能導致短期氣候變異加劇與極

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放大量的溫室氣體而加強溫室效應，導致長期氣候變遷與短期氣候變異，根據童慶斌等 (2002)之研究報告顯示，全球暖化導致台灣地區氣候與水文有極端化之趨勢，暴雨與乾旱均將更加頻繁，全球暖化與氣候變異顯著增加對生態環境、水資源與農業環境等均會產生影響。童慶斌等 (1999)與林俊成及李國忠 (2000)藉由模式模擬評估氣候變遷對河川流量之衝擊影響，發現衝擊影響有極端化之趨勢，即豐水期流量增加，枯水期流量減少。水庫操作規則常根據上游入流量或水庫蓄水量進行配水及防洪調節，氣候變遷導致河川流量豐枯水期差異增加，且改變上游入流量統計特性，將會造成用水調配將更加困難，使用水庫容量需求及配水方式將可能改變，而無法符合水庫原本設計的標的功能。且氣候變遷可能導致暴雨發生的頻率增加，使得隨著暴雨逕流攜帶的泥砂量流入水庫中，也將可能會造成水庫安全性受到威脅。在國外熱帶區域的水庫，甚至可能因為氣候變遷所造成的溫度上升，而使得水庫蒸發量增加，進而影響水庫的蓄水量。台灣地區因獨特的地文與水文條件，以及人為不當的開墾濫伐，使得土壤沖蝕與土石崩落在台灣造成的災害日益嚴重，土壤沖蝕對集水區的經營管理帶來負面的影響，更有甚者，可能影響社會經濟以及人民的生活品質，例如桃園石門水庫的混濁與淤積，導致多次的大停水引發民怨。人為因素所造成的土壤沖蝕加劇的現象，可以法律規範及工程治理方式來加以改善，然而氣候變遷所造成的沖蝕影響則難以上述之方式來加以克服。降雨特性的改變對河川流域之供水與防洪系統有莫大之衝擊，同時可能造成更多的土壤沖蝕，土壤沖蝕不僅降低了農業生產力，淤積對於水庫之功能壽命與水質，乃至於河川下游之排洪系統均有不利之影響。 Renard 等人 (1997)修正通用土壤流失公式 (Revised Universal Soil Loss Equation，簡稱 RUSLE)，為目前最常被使用於評估土壤沖蝕量的公式，其中與降雨特性、型態最為相關的因子即為降雨沖蝕指數 (Rainfall Erosivity, R-Index，簡稱 R指數 )，許多相關研究均指出，氣候變遷造成降雨特性、型態的改變，將嚴重影響未來降雨沖蝕指數的變化 (Zhang et al.， 2005)。因此，在氣候變遷影響集水區降雨特性、河川流量與水庫蒸發量等情形之下，水庫系統會有哪些衝擊？脆弱度為何？及水庫集水區降雨沖蝕指數之影響等等，該如何作適當調節以因應豐枯水期水量差異之擴大？並且如何以系統角度同時探討水庫系統水資源調配及發揮蓄洪之功能，提出相

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關的調適策略之決策支援，以減輕災害的衝擊？上述各項工作均是目前維持環境永續性與經濟社會持續發展相當重要之工作。氣候變遷衝擊已不是未來不確定性之事件，越來越多證據顯示氣候變遷已在發生，近年來世界各地與台灣地區氣象災害頻傳且衝擊程度加劇，極可能是一明顯徵兆與開端，因此，如何因應氣候變遷為目前世界各國必須且刻不容緩推動之工作。綜觀主要已開發國家，如美國、加拿大、英國、德國等，甚至低度開發之南太平洋島嶼國家如吉里巴斯與馬紹爾等，近年來均投資相當人力與經費成立專屬研究機構，並針對不同面向脆弱度 (Vulnerability) 與調適能力 (Adaptive Capacity) 建構進行分析，台灣地區位屬於海島，其脆弱度更甚，在氣候變遷相關研究上應更為積極。人類文明發展過程中，防災系統建置相當重要，目前世界上各先進國家均已逐步建構與不斷強化防災體系，然過去防災系統建立，乃依據過去經驗與觀測資料建構，並假設未來統計特性不變，如都市防洪標準之百年洪水頻率設計流量與水庫蓄洪之設計流量等。然而氣候變遷會逐漸改變環境特性，可能導致防災體系原有設計之功能弱化，因此，新防災體系必須在變遷氣候中具有可調適能力。氣候變遷對防災體系之研究，除了根據觀測資料瞭解環境是否已發生變化，更重要是必須合理評估未來是否發生改變，並探討如何建立調適能力以因應變遷之環境。 2004年 12月於阿根廷舉辦 UNFCCC( 氣候變化綱要公約 ) 第十屆簽約國會議 (Conference of Parties 10, COP10)，會中衝擊與調適策略評估被重新賦予更重要之地位，且氣候變遷對永續發展之衝擊與因應成為最主要焦點。永續發展目的在維持環境永續性下可持續支持經濟社會發展。全球環境變遷將直接衝擊環境永續性，弱化環境持續支持經濟社會與生態系統發展之承載力，導致永續性脆弱度之提高。 COP10會後要求 SBSTA (Subsidiary Body for Scientific and Technological Advice) 提出五年期程計畫之架構內容，其中包含了四大項目：

(1) Methodologies, data and modeling (2) Vulnerability assessments

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(4) Integration into sustainable development 環境之承載力狀態 (state) 決定經濟與社會發展規模與是否可永續發展，在發展初期各項開發計畫對環境資源萃取與污染排放均低於環境承載力，不致於對環境帶來過多退化驅動力 (driving force)，經濟社會亦可持續發展；然隨著發展需求不斷上升，終超過環境承載力而致災，此時若不以環境承載力規範發展，訂定相關反應措施 (responses)，則將不可避免造成生態環境嚴重退化，經濟社會亦可能因此導致生命財產損失。現有防災體系即是根據過去經驗與觀測所建立之調適體系，可強化環境承載力，並保障社會經濟發展。然如前所述，環境可能發生變化，進而導致防災體系功能弱化，當務之急必須研究 (1)環境何時發生變化； (2)如何變化； (3)如何調整防災體系具有調適能力。本研究為期三年 (2007~2009年 )，本報告為第一年度計畫成果與進度說明，本年度中主要工作重點在於釐清氣候變遷對水庫系統之衝擊，並發展評估氣候變遷對水庫系統衝擊之工具，研究成果將作為第二年度研究之基礎，進一步探討氣候變遷對水庫系統衝擊之調適策略。

1.2 研究目的

氣候變遷可能導致洪峰流量增加、流入水庫的泥砂量增加、豐枯水期流量差異變大等，使得水庫有效容量受影響及改變水庫入流量與水庫表面的蒸發量，進而將影響水庫的操作程序而衝擊水庫的供水與減洪能力，且全球暖化使得用水量增加，隨著經濟發展，水型態改變與用水需求與用水標的等，可能會有所改變，因這些種種的衝擊進而牽動整個區域供水與防洪體系。在各項不確定性因素下，訂定合適的操作規則，以因應氣候變遷的衝擊與經濟成長而使得用水需求改變等問題，以及如何在減洪與供水兩項功能上，取得合適的水庫操作方式，並針對現有水庫是否可持續利用進行探討將是一個重要的課題。本研究三年度之研究架構如圖 1所示，而今年度本研究針對現有的水庫系統並建立脆弱度評估方法，以水文模式模擬水庫入流量，以及水庫演算模擬水庫的水位與出流量，後續並將結合優選模式，以推求水庫最佳的操作規線，並提出相關氣候變遷對水庫系統衝擊

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之因應對策。本年度研究重點主要在於藉由確立氣候變遷對水庫系統可能遭受的衝擊，包括供水、蓄洪等，由於泥砂對水庫本身安全與供水等功能亦有顯著影響，本計畫亦包括水庫集水區降雨沖蝕指數之影響，建立氣候與土壤沖蝕分析間橋樑，以支援土砂衝擊評估之子計畫。長期氣候變遷分析短期氣候變異分析彙整國內外相關資料蒐集評估氣候變遷對水庫系統衝擊影響之相關文獻蒐集雨量資料並建置資料庫探討有關氣候變遷對水庫系統之衝擊評估方法探討相關的水庫調適策略氣候變遷預報資料分析監測資料分析預報資料降尺度水文模式水庫操作優選水庫水平衡評估模式設計雨量與洪水歷線修正降雨沖蝕指數初步分析水庫短期預警系統與調適策略風險評估調適策略決策模式季節性氣候預報有效降雨事件分析季節性操作策略預警與調適管理策略發展預警與風險評估之決策系統第一年第二年第三年模式模擬與建立調適策略發展評估工具與流程水庫長期預警系統調適策略啟動之標準流程風險評估調適策略決策模式建立降雨沖蝕指數公式長期氣候變遷分析短期氣候變異分析彙整國內外相關資料蒐集評估氣候變遷對水庫系統衝擊影響之相關文獻蒐集雨量資料並建置資料庫探討有關氣候變遷對水庫系統之衝擊評估方法探討相關的水庫調適策略氣候變遷預報資料分析監測資料分析預報資料降尺度水文模式水庫操作優選水庫水平衡評估模式設計雨量與洪水歷線修正降雨沖蝕指數初步分析水庫短期預警系統與調適策略風險評估調適策略決策模式季節性氣候預報有效降雨事件分析季節性操作策略預警與調適管理策略發展預警與風險評估之決策系統第一年第二年第三年模式模擬與建立調適策略發展評估工具與流程水庫長期預警系統調適策略啟動之標準流程風險評估調適策略決策模式建立降雨沖蝕指數公式圖 1 研究架構

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1.3 章節說明

本研究計畫將蒐集之相關資料內容分為台灣的水庫狀況及相關氣候變遷對水文與水資源影響及水庫功能衝擊之相關研究、集水區土壤沖蝕及因應氣候變遷之調適策略，此部分資料蒐集結果，詳列於文中之第二章。本研究係探討水庫系統在氣候變遷中之脆弱度評估，故本報告書之第三章將分別就氣候變遷對水庫供水能力、氣候變遷對水庫減洪能力以及氣候變遷對降雨沖蝕指數之研究步驟與流程進行說明，第四章為模式驗證，主要說明水文模式以及水庫水平衡模式之驗證。第五章為未來氣候變遷預設情境之說明，文章中將包含氣候模式說明、降尺度技術、 GCMs資料之檢定驗證以及未來氣候變遷預設情境下，氣候資料修正之依據。第六章則說明氣候變遷對供水、減洪以及降雨沖蝕指數之衝擊評估結果。第七章將根據研究成果發現未來整合研究技術需求進行說明，文章中針對連續性與事件氣象資料合成、供水與減洪同時考慮時，水庫操作規線是否修改或可能之操作原則、以及結合下游水資源系統動力模式之可行性進行說明。第八章描述本研究之結論與對未來後續研究工作提出建議。

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第二章文獻回顧

近幾年來，不論是模式預測結果或是觀測資料都顯示已有氣候變遷的趨勢，而有關氣候變遷的相關研究逐漸受到重視，且已從單純的科學性研究擴展到同時考量衝擊與調適脆弱度評估之應用性研究。氣候變遷對於水庫系統的衝擊影響與調適策略等正在起步階段。影響水庫的功能最重要是水文特性的改變與泥砂量淤積導致水庫的壽命減短。以下針對台灣的水庫狀況及相關氣候變遷對水文與水資源影響及水庫功能衝擊之相關研究、集水區土壤沖蝕影響及因應氣候變遷之調適策略提出說明。

2.1 臺灣的水庫狀況

臺灣地區各個水庫其功能都有所不同，有的是單一目標的水庫功能，而有的則是兼具防洪與發電功能。依據最近水庫淤積量資料，淤積率超過 50% 的水庫有扒子岡水庫 88.6% 、鹿寮溪水庫 69.9% 、白河水庫 58.5% 、尖山埤水庫 80% 、德元埤水庫 53.8% 、鹽水埤水庫 66.2%、阿公店水庫 86.9% 等 7 座，淤積率介於 30%~50%之間的水庫有內埔子水庫 45.6%、烏山頭水庫 45.7%、虎頭埤水庫 38%、觀音湖水庫 31.3%等 4座 (經濟部水利署，水資源白皮書， 2006)。石門水庫自民國 52年 5月起開始蓄水，迄今營運已逾 40年，為北部地區重要之水庫設施之一。民國 91至 93年枯水期間，由於降雨量不足，造成水庫蓄水量降低，無法提供下游足夠需水量，而引發農業灌溉用水與工業用水之爭議；然而民國 90年至 94年汛期間，桃芝、納莉、艾莉、海棠、瑪莎等颱風相繼來襲，引發嚴重土石災害，導致石門水庫及其上游溪水混濁，高濁度的原水致使下游淨水場無法處理，導致供水短缺。尤其民國 93 年艾莉颱風來襲造成桃園地區連續 18天供水短缺，對民生及工業均產生莫大影響。爲解決桃園地區缺水問題，經濟部水利署爰依立法院民國 95年 1 月 13日三讀通過「石門水庫及其集水區整治特別條例」，針對石門水庫及其集水區進行整治。 (http://shihmen.wra.gov.tw/) 整治計畫範圍為集水區整治、石門水庫蓄水範圍及其供水區內之高濁度原水改善設施興辦等，工作內容可分為 3項子計畫，包括水庫庫區 —緊急

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集水區 —集水區保育治理等。本整治計畫目前規劃內容，未來仍需依本條例第三條規定，由中央執行機關提送執行計畫書，並經「石門水庫及其集水區推動小組」進行審查。計畫內容略述如下：(http://shihmen.wra.gov.tw/) 1.緊急供水工程暨水庫更新改善提升水庫取水功能、增加蓄水容量及災後復建工作內容除提升壩頂緊急抽水能力、電廠及永久河道放流口緊急修復、桃園、新竹工業區地下水備援供水執行計畫、低水位時供水應變工程、增設水庫取水工工程、後池改善、備援水池及河槽人工湖、水庫既有設施排砂功能改善工程外，還包含大漢溪流域水資源開發評估研究與運轉水位提升改善可行性評估等之調查、規劃、試驗及研究，另外尚包含增設水庫防砂設施工程、水文及水質試驗監控中心新建工程、水庫相關設施復建及週邊環境改善與水庫泥砂浚渫等。 2.穩定供水設施與幹管改善擴充淨水廠處理能力、增加各供水區相互支援容量及增加蓄水備援容量工作內容主要包含增設尖山中繼加壓站，於大湳淨水場無法正常運轉期間，提升支援供應北桃園地區用水量、石門淨水場增設 50萬噸原水蓄水池、龍潭淨水場擴建、板新大漢溪水源南調桃園計畫 (含南北桃連通計畫 ) 之第一階段工程、桃竹雙向供水計畫，使新竹與桃園間南北雙向互相支援，強化擴增備援系統功能等。 3.集水區保育治理災害治理、水土保持監測與管理、山坡地環境資源保育及生態環境保育工作內容包含土地使用管理、土地使用與環境生態、防災監測計畫、水庫集水區保育計畫與保育防災教育宣導計畫。

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2.2 氣候變遷對水文與水資源之影響

Tung and Haith (1995) 曾就氣候變遷對不同區域之水資源衝擊進行評估，研究結果顯示水資源對氣候變遷之敏感度非常高。童慶斌與李宗祐 (2001) 則是應用於評估七家灣溪河川流量的衝擊，其結果顯示雖然平均年流量均有增加的趨勢，但豐枯水期流量極端化。 Loukas (2002)等人以加拿大西南部 Campell 及 Illecillewaet兩個集水區為例，應用 CGCMA1 模式模擬集水區未來溫度及降雨量之變化潛勢，並利用 UBC集水區水文模式模擬氣候變遷情境下集水區洪水量及發生頻率，研究結果說明 Campell集水區平均洪水量及發生頻率有增加之趨勢；而相反地， Illecillewaet集水區卻是減少的趨勢。

Mimikou et al. (2000) 應用 UKHI (UK Meteorologi cal Office High Resolution Model) 平衡模式與 HadCM2 (Hadley Centre Couple Model v2)漸變模式，評估流域的地表逕流與水質，在此兩個氣候變遷情境下之影響，

應用 WBUDG水平衡模式結合 R-Qual水質模式，模擬河川水質項目 BOD5、

DO與 NH4之影響，研究顯示在氣候變遷下，水量方面，因降雨減少，逕流亦減少，溫度增加，使得蒸發散量增加；在水質方面夏季流量明顯減少許多，河川的稀釋能力降低，水質受到嚴重的衝擊，因流量減少，流速降低，河川的曝氣作用亦下降，高溫也導致河川的飽和溶氧較低。 Senhorst and Zwolsman (2005)則是分析在氣候變遷下，低流量跟高溫發生的頻率跟強度增加時對水質的影響，結果顯示在暴雨或是乾旱等極端事件上，其衝擊較大，但若是在平均的河川流量下，非極端事件，則相對水質而言是較無變化。氣候變遷的影響，使得全球皆關注於永續水資源利用的議題。 2007年 12月聯合國在印尼峇里島舉行氣候變遷會議之際，世界自然基金會 (WWF) 指出，過去這一年來，全球氣候創下多項紀錄，極端天氣事件也更加嚴重，從澳洲、歐洲、北美洲、非洲到亞洲都出現了嚴重的乾旱，造成水源短缺和森林火災，更有些是空前而造成相當嚴重的災情。然而除了乾旱，在歐、亞、非等城市出現了極端洪水事件，其中一個顯著的例子就是印尼首都雅加達， 2007年 2月的暴雨癱瘓了城市交通，更淹沒 7萬戶住宅，造成許多人流離失所甚至死亡的慘劇。

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暖化現象的持續蔓延造成之全球性災害，放眼近幾年發展迅速的中國， 2006 年中國貴州嚴重旱象導致 460 座小型水庫乾涸， 255 萬人飲水困難，無水灌溉使得田裡沒作物嚴重影響了人民的生計，而英國 2007年英國國會提出「全球暖化對經濟的衝擊」報告中，更針對上述所面臨的災情分析未來將嚴重衝擊中國經濟發展。然而未改善的旱象仍持續肆虐中國， 2007 年 12 月廣西防汛抗旱部門最新統計顯示，目前廣西已有 419 座水庫乾涸，約佔廣西水庫總數的 10%，另外還有 1,900多個機電井出水不足或抽不出水， 82個縣市有旱情，其中呈現嚴重旱象的縣市多達 25個。近年來氣候變化和城市熱島效應，導致城市的澇災嚴重導致交通癱瘓，並隨著都市化的加速成長而城市災害引發更嚴重的災情。『 2007中國突發公共事件與應急保障技術研討會』，即針對了這部分進行探討，提出了中國基礎設施不足為造成災害的主因之一。中國對於防禦突發事件的手段，主要採取是工程措施和非工程措施兩方面。從工程角度來看，中國在大江大河基本上形成比較完整的一套工程，建立了八萬多座水庫 (可能是世界上數量最多的國家 )，但是對於水庫設施的建設與有效的管理仍嫌不夠，因應氣候變遷衝擊之保障力亦仍然不足。

2.3 氣候變遷對水庫功能的衝擊

Arnell and Hulme (2000) 提供世界大壩委員會 (World Commission on Dams,WCD) 之相關報告中提出幾項氣候變遷對水庫或大壩可能遭受的衝擊，包含壩的安全性、水庫出水量與供水的信賴度、水庫操作、水庫的泥砂沈澱與水質問題等。 1.壩的安全性壩的設計包含了溢洪道及其他的機械裝置，當水庫水位過高時，必須將流量適時排出，避免威脅壩體結構安全與完整性。但過去在規劃設計溢洪道時，是將過去的流量記錄以萬年的回歸週期計算，然而氣候變遷將導致較多的極端降雨事件，而依照過去資料設計所設計之水庫或是大壩，可能會因此而損壞，故探討未來氣候變遷的衝擊，水庫的設計與規劃應納入相關風險因子。

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2.水庫出水量與供水信賴度對大型水庫而言，進入到水庫的流量等於上游集水區的河川流量加上直接降落在水庫表面的雨量，而氣候條件則決定可能的降雨情況，並直接影響可能的水庫入流量；水庫的輸出包含水庫的放水量與水庫表面的蒸發量。是故水庫供水可靠度將與水庫入流量、蒸發量、水庫儲水容量、放水規則有關，氣候變遷將會影響這些因子的變化，進而衝擊供水能力。 Cole et al (1991) 指出在已知河川流量的變化下，水庫供水可靠度與水庫的容量與平均河川流量及出水量的比率有關。 Nash and Gleick (1991; 1993)利用流域尺度水文模式模擬美國科羅拉多河支流的河川流量，並模擬多目標水庫的供水可靠度的變化。研究中利用現有水庫操作程序與水權的分配，評估現有的水庫系統的衝擊影響。在不同情境的變化下水文特性有所改變，但是研究中顯示經過時間的累積，水文特性雖只有少許的減少但高流量的頻率卻增加，導致水庫的系統特性嚴重影響。 Kaczmarek et al (1996)以波蘭西部的 Warta集水區為例，研究中利用每日的水平衡模式評估水庫的入流量，並利用水庫的操作規則加上需水水量的改變，評估兩個不同氣候變遷預設情境下對水庫供水可靠度之影響。研究結果顯示，在其中的一個氣候變遷假設情境下，其集水區的水資源增加，供水不足的機率減少。不過，另一個情境下，在水庫的供水系統供水不足的風險卻是明顯增加。 Lettenmaier et al (1999)分析包含單一水庫系統及大型的多個水庫系統等六個水庫，並模擬現況與未來三種不同氣候變遷預設情境下的河川流量與水資源系統的供水情形，並評估在 2050年氣候變遷的對在六個集水區的不同水資源指標的衝擊程度；此外， Lettenmaier et al (1999)同時也考慮了在供水方面可能改變的範圍的影響，或是不同的操作方式的衝擊影響。研究發現大部分流域與氣候變遷的情境，氣候變遷的影響在水庫的操作與供水改變的影響是相似的。研究中也發現水庫系統的供水量與水庫操作的改變得衝擊影響與入流量的改變的影響相比則是較小。

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3.水庫操作

氣候將影響水庫操作的方式，亦可能影響短期規劃的操作決策。在 Scandinavia群島有許多水力發電的水庫，其設計的功能主要是儲存春天的融雪，維持水庫有足夠的水量以供給下個冬天所需要的水量，以維持整年的發電量 (Arnell and Hulme, 2000)。操作的決策是依據在不同時間尺度的入流量與需水量的預測，其時間尺度範圍從每日的預測、數年或是假設案例。氣候變遷使得水庫的入流量減少，水庫操作的方式也將因此必須改變，以因應氣候變遷的衝擊。 4.水庫的泥砂淤積與水質入流量的型態改變可能影響進入水庫的泥砂量，極端降雨頻率增加會增加土壤沖蝕，且流量增大也可能導致傳輸到水庫的泥砂量增加，大量的泥砂傳遞至水庫並淤積沈澱，會對水庫壽命與供水能力造成影響。此外，大氣溫度增加會影響水質，如水庫溫度的變化、溶氧的改變與增加水庫優養化的風險。目前尚未有研究評估氣候變遷對水庫泥砂淤積的衝擊影響，只有少許的研究調查在氣候變遷對土壤沖蝕的的影響。 Hanratty and Stefan(1998)以在美國的明尼蘇達州的小集水區，評估在其中一個氣候變遷預設情境下，因為土壤沖蝕量減少其水庫泥砂產出量也相對減少，但該作者指出研究中所使用的模擬模式尚有極高的不確定性。在巴西的另一個案例， Favis-Mortlock and Guerra (1999) 發現兩個氣候變遷情境其藉由水傳遞的土壤沖蝕衝擊減少，起因於降雨量減少，但是另一個情境的結果是平均每泥砂量約增加 27% 且在豐水年降雨量增加。甚至有些地方平均降雨量減少，極端降雨的頻率增加可能產生較多的泥砂量。在水庫水質方面，主要是受到流入水庫的流量之水質與水量特性影響，以及水庫本身的操作方式所影響。氣候變遷可能改變流入水庫系統的入流量與入流的時間也可能影響水庫的營養鹽的平衡。相對的，氣候變遷可能造成水溫增加，相同的較高的水溫將減少河川中的硝酸鹽，因此在這樣的情況下，脫氮作用將會比硝化作用的反應快。不過這樣的影響可能因為在大雨的情況下增加沖洗土壤表面的硝酸鹽的而相互抵銷，且高溫預期

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會增加有機氮的礦化作用。已有些研究在評估氣候變遷對河川水質可能的衝擊影響，但是這些已經研究說明當河川的流量變化較大時，其衝擊影響是非常顯著的 (Alexander et al., 1996)。

在已知上游入流量情況下，水庫的水質受水溫剖面變化的影響較大。高溫可能導致水中溶氧濃度較低。 Hassan et al. (1998a;b)評估湖泊的分層變化，證明在混合時可能的改變影響。混合的機制減少可能導致營養鹽的分層增加，在伴隨著高溫的情況下，藻類生長茂密的風險將會增加。藻類的形成與水中的鹽度濃度變化的剖面及風速的改變有關，湖面的平均溫度或是湖面溫度的剖面與風速的變化一樣重要。 Fang and Stefan (1997)指出在較寒冷的環境下，水庫在冬天時其水質分層的影響較小且缺氧區域可能會消失。在較溫暖的地區，因為溫度增加蒸發量增加可能導致水庫鹽度的增加。

2.4 氣候變遷對降雨沖蝕影響

Wischmeier(1958) 由實測之土壤沖蝕數據資料發現，土壤沖蝕量和降雨總動能 (E) 與該場降雨之最大連續 30 分鐘降雨強度 (I3 0) 之乘積成正相

關，並將該乘積定義為降雨沖蝕指數 (Rainfall and erosivity index, 簡稱 R) 。 Baffaut et al.(1996) 建議土壤沖蝕之預測應使用超過三十年的氣候資料，以降低年平均之變異性； Arnold(1993)以及 Arnold and Elliot(1996)皆以 20年的資料記錄，驗證 CLIGEN氣候生成模式在非洲烏干達地區的適用性。降雨沖蝕指數受到地區之氣候與自然降雨特性影響，在國外許多的相關研究均指出，氣候變遷對土壤沖蝕將造成負面的影響。相關的研究均顯示氣候變遷將導致降雨特性之改變，降雨沖蝕指數因而隨之變化 (Nearing, 2001、 Zhang et al., 2005)。楊文仁、范正成與張于漢 (2006)蒐集台灣北部地區主要氣象站之 26年雨量資料，分析有效降雨事件之相關統計特性，並依據 GISS平衡試驗之輸出值，以及 IPCC所提供之 SRES排放情境來模擬氣候變遷，評估未來短期、中期與長期有效降雨事件與有效雨量之變化。依

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雨強度有較高的相關性，相關係數介於 0.751至 0.768之間。由 GISS平衡試驗以及 HADCM3漸變試驗之模擬結果顯示，未來氣候變遷對台灣北部地區之日有效降雨事件的影響不大，惟對月平均有效雨量有較大之影響，而大致呈現雨季增加，旱季減少的趨勢。整體而言，月平均有效雨量增加之月份及其增幅普遍大於減少之月份及其減幅，此一結果將對土壤沖蝕之防治造成負面之影響。目前台灣地區降雨沖蝕指數之修訂 (黃俊德，1979、盧光輝， 1999、盧昭堯等人， 2005)，均以過去歷史的雨量資料為基礎，於未來氣候變遷下，台灣地區之降雨沖蝕指數之變化則仍屬未知。

2.5 氣候變遷的調適策略

很多公共建設系統如排水系統與水庫設計都是依據過去的歷史氣候記錄，但降雨型態的改變可能造成這些系統的設計失敗。(Warren, 2004) 幾個研究建議水資源系統的設計應該著重於門檻值的設定，例如設定水庫蓄水容量超過的門檻值而不是設定平均情況（ e.g., Arnell,2002, Murdoch, et al, 2002）。在一些調適氣候變遷的衝擊的案例中，針對現有的公共建設多是以修改操作運轉的方式以調適衝擊，是較有效的調適選擇，反而不是加入新的結構物 (Lettenmaier, et al, 1999)。例如模式指出加拿大的 Grand River 流域，透過修改水庫的操作的程序與增加水庫的容量，便可適應最嚴重的氣候變遷情境且將此調適策略合併到長期的水資源規劃中。 (Southam, 1999)

美國國際開發援助署（ USAID） (2007)提出的氣候變遷與變異的調適報告中，以六個步驟評估脆弱度（ Vulnerability）與確立與實行氣候變遷的調適（ Adaptations）的方法（ the V&A approach），其流程如下圖 2，各項流程說明如下。

1.脆弱度篩選（ Screen for Vulnerability）：脆弱度篩選是一個不論氣候是否發生變異或變遷的預先評估，評估欲執行的計畫的壽命與效益與完整性，與評估此計畫規劃的範圍。評估內容包含短期與長期的氣候變異性，相關的發展部門的計畫與活動是否受影響等，確認目前與欲提出的調適策略適合性與是否有不良的調適策略。

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2.確定調適策略（ Identify Adaptations）：與權利所有人一同確立替代的設計或是管理實行可能可以給於他們較好的方式處理氣候變異與變遷。這強調應該是找一個方法增加對於氣候變遷影響後的回復力，而且在現在的氣候仍然有幫助的。 3.執行分析（ Conduct analysis）：調查氣候變異與變遷的結果與其調適策略的效益、成本、可行性可以減少氣候變異與變遷的脆弱度。

4.選擇行動的方向（ Select Course of Action）：滿足權利所有人審核分析的結果決定是否需要改變目前的計畫的設計。或是決定一個提出的計畫是否應該著重於 feature 新的調適 5.實行計畫（ Implementation Plan）：實行調適策略前需準備一個實行計畫確定下一步，負擔工作人員與組織的責任資源的需求都包含在氣候變遷的調適在計畫中。 6.評估調適（ Evaluation）：評估調適的實行與其效益。從很多調適可能起因於不常見極端事件或長期氣候變遷，他可能困難去評估在一個相對短時間下實行的有效性。但至少，需要進一步評估調適策略是否需要被執行或是調適加入會造成一個問題或是超過成本。在上述的執行分析程序中 (步驟三 )可藉由建立一個調適策略的評估矩陣，評估此調適策略是否該執行。不同變化因素或是原則可以使用在分析的過程中，在陳述的因素表中，並沒有特殊分辨層次的重要性，下列因素組合、評估權重或是不同著重要性評比，以提供在決策者與權利所有人重要的諮商機制。表 1為南非 Polokwane 區域選擇調適策略之矩陣，將不同策略的選擇評估其效益、成本、技術可行性、社會與文化可行性與執行的速度等項目，並由高 (High)、中 (Medium)、低 (Low)表示其特性。

(1) 成本

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(2) 有效性調適策略對於解決氣候變化或氣候變遷問題的有效性。 (3) 易完成性包括對於完成調適策略的障礙條件，與需要修正其他原則去容許調適策略的執行都會視為易完成性條件。 (4) 區域權利所有人可以接受的程度在確定調適策略的步驟中，所有調適策略需要證實是適用的，在政治上、經濟上、社會上、文化上，對於權利所有人都具有不同的吸引力。 (5) USAID 的接受度對於 USAID不支持的調適策略需要進一步清楚的確認，如此一來權利所有人將不會去選擇些不被接受的調適策略。 (6) 專家的認同在一些國家中，決策者在進行選擇調適策略時會考慮根據國際間達成共識。 (7) 時間範圍在完成調適策略的所需要的時間。 (8) 制度的能力對於執行所選擇的調適策略需要建立多少能力的與知識轉移。 (9) 對目前氣候是適當的在目前氣候條件下，所選擇的調適策略是否造成負面的結果。部分的調適策略可能是針對為來氣候特性，但是對於目前的氣候條件反而需要負擔更多的成本。

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(10) 受益群體的多寡

提供少部分利益給大多數人的調適策略，會比提供較大的利益給少數人的支持度高。

表 1 評估調適策略之選擇矩陣（以 Polokwane,南非為例） Adaptation Option Effectiveness Cost Technical

Feasibility

Social and Cultural feasibility

Speed

Water conservation and demand management

existing

High Low High High High

Level of service/ future High Low High Low Medium

Recycling-urban Medium High High Medium High

Reuse-mining Low High High High Medium

Reallocation of dam

yield Medium High High Medium High

Conjunctive use Low Low High High Medium

Expand well fields Low Low High High High

Build new dam High High High Medium Low

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STEP 1 Is project sensitive to climate? STEP 2 Identify Adaptations STEP 3 Conduct Analysis STEP 4

Select Course of Action- Are Changes Justified?

STEP 5 Implementation Plan STEP 6 Evaluation No Further Action No Further Action Step1: Screen for Vulnerability Step2-6: Analysis Implementation And Evaluation 圖 2 氣候變遷之脆弱度與調適整合至規劃的計畫中流程 (USAID,2007)

2.6 以強化水庫管理作為因應氣候變遷之調適策略

因應氣候變遷對水資源所造成之衝擊，加拿大自然資源部 (Natural

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Resources Canada) 即針對此議題規劃 Adaptation in the Water Resources Sector，並以強化現有水庫之蓄水能力 (storage capacity)作為水資源管理之長期調適策略 (Long-term Water Management Planning)重要的規劃項目。 (http://adaptation.nrcan.gc.ca/perspective/water_5_e.php)

有鑑於 2007 年 IPCC 所作的四次評估報告針對氣候變遷對水資源可能造成的衝擊，印尼環保機構 (WALHI)(Torry Kuswardono，2007)以水庫系統作為因應手段，提出『巨大水庫 (Giant Reservoir)』行動計畫，針對印尼地區如 West Java的 Jatigede水庫、 Riau的 Kotopanjang水庫與 South Sulawesi的 Bilibili 水庫等進行研究除了瞭解氣候變遷對水庫系統的衝擊與可能造成的危害，並指出應強化水庫系統以因應未來的氣候變化。

根據 Chris Woodka(2007)研究，美國科羅拉多州近年來受氣候變遷衝擊導致乾旱現象嚴重影響供水，境內的 John Martin Reservoir除了面臨蓄水量不足以供給用水，周邊野生動物之生態環境也遭受嚴重衝擊，因而該州目前正積極採取因應行動，如估算水庫表面水分蒸散 (evaporative losses) 評估適當的蓄洪水位以制定完善的水庫管理操作準則，並配合 Lower Arkansas Water Management Association水資源管理措施，降低水庫系統之脆弱度並提升供水之調適能力。此外，該州的 Union Reservoir亦提出擴建水庫增加庫容的行動，希望能滿足供水區域未來 10至 15年的供水需求。而增加 Pueblo湖的蓄水量，亦為該州目前因應供水不足所提出的行動，然而該行動方案之前題在於不影響環境生態與擴充之水資源需充分的利用評估下進行擴建措施。然而，上述對於興建水庫亦或擴大蓄水能力等因應行動，最終仍須建立完善的水庫系統管理制度才能確保水資源的永續利用。

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第三章研究方法

本研究利用 IPCC所提供的環流模式 (GCMs) 的未來氣候變遷預報資料與台灣大學全球變遷中心統計降尺度後之未來氣候預報資料，並採用鄰近臺灣的格點資料，以瞭解在全球暖化下未來降雨與溫度特性可能的改變，推估氣候變遷情境下的集水區的氣象資料。進而由連續性水文模式 (GWLF model)，評估不同氣候變遷預設情境下的集水區之入流量，並配合水庫下游需水量，評估氣候變遷對水庫供水能力之影響。而在氣候變遷對水庫減洪能力影響部分，則以不同之設計雨量與雨型輸入事件式之水文模式 (FLO2D) ，配合水庫操作規則中，評估模擬該設計雨型的入流洪水量對水庫系統的衝擊影響；此外，由於氣候變遷將導致降雨型態與強度改變，因此沖蝕量亦將改變，對進入水庫之泥沙量亦有影響，本研究亦利用不同氣候變遷預設情境，探討氣候變遷對對沖蝕指數之影響。整體之研究架構如圖 3所示。表 2為研究中所使用之工具及其說明，由表 2中可知，在進行不同氣候變遷預設情境下水庫供水能力之衝擊評估時，首先需利用降尺度方法，將 GCMs輸出之大尺度資料，轉換為小集水區可以使用之資料形式。在本研究中，降尺度之方式主要採用簡易降尺度模式。接著，利用溫度及降雨合成模式將具有未來月平均特性之溫度與量資料轉換為日溫度及日雨量資料，作為後續水文模式之輸入值。最後利用水文模擬模式 ( 本研究採用 GWLF 模式 ) ，進行水文模擬，配合不同氣候預設情境下之溫度及雨量資料，評估未來水庫之入流量，最後利用水庫計畫供水量，評估氣候變遷對水庫供水能力之影響。與進行氣候變遷對供水能力之衝擊評估時有相同的步驟，由表 2中可以看出，為了評估氣候變遷對水庫減洪能力之影響，首先必須利用利用降尺度模式，將 GCMs之輸出之大尺度資料，轉換為小集水區可以使用之資料形式，在本研究中，採用簡易降尺度模式修正事件式之降雨量，由於氣象型態將因氣候變遷而有所改變，因此在雨型的部分亦須進行修正，利用修正完成之雨量及雨型資料，代入水文模式 (本研究採用 FLO2D模式 )，便可模擬氣候變遷對事件式之降雨之影響，接著配合水庫操作規線以及水庫放水規則，評估氣候變遷對減洪能力之衝擊。

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表 2 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術使用模式說明 Downscaling 工具名稱簡易降尺度描述直接將氣候模式預測改變量加至觀測資料或利用氣候模式預測改變量修正氣象合成模式參數，再合成資料。可取代性是，使用者可依據需求，使用不同之降尺度方式，如簡易降尺度、統計降尺度等。輸入資料溫度、雨量(依不同之降尺度方式可能需要不同之氣象資料) 模式輸出各月溫度差值、各月之降雨比值 Weather generation 工具名稱溫度及降雨合成模式描述利用各情境所提供之預測值修正溫度與降雨量月平均資料，將修正後未來的溫度及降雨量資料代入氣象資料合成模式中，可模擬得未來氣候之各模式預測之日溫度與日降雨量資料。可取代性是，使用者可依據需求，挑選產生未來之溫度及雨量之方式輸入資料歷史溫度、歷史雨量，不同氣候變遷預設情境之溫度差值及雨量比值模式輸出日溫度及日雨量資料

參考文獻 Tung, C. P., and D. A. Haith. 1995. Global Warming Effects on New York Stream flows. Journal of Water Resources Planning and Management. 121(2): 216-225.

水文模式

工具名稱 GWLF(Generalized Watershed Loading Functions)模式

描述

GWLF(Generalized Watershed Loading Functions)模式為一考慮影響流量物理因素之流量分析模式，模式能反映氣候及土地利用改變對流量之影響，其參數決定可依據集水區土地利用以及土壤特性決定，並不需要檢定過程，因此可降低結果之不確定性，在研究中，GWLF 模式用來模擬水庫集水區入流量。可取代性是，使用者可依據需求，挑選適合之水文模式輸入資料溫度、雨量參數說明土地利用(面積及 CN2 值)、覆蓋係數、日照時數、是否為生長季、起始未飽和含水量、起始飽和含水量、退水係數、深層滲漏量及根層土壤水容量模式輸出每一年之各月河川總逕流量、每一年各旬河川總逕流量及歷年月平均河川總逕流量。

參考文獻 Haith, D. A. and L. L. Shoemaker, 1987,”Generalized Watershed Loading Functions for Stream Flow Nutrients”, Water Resources Bulletin, 23(3): 471-478.

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表 2 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術使用模式說明 (續 ) 水文模式工具名稱 FLO2D 模式描述 FLO-2D 模式為二維有限差分數值模式，目前主要應用在降雨逕流之模擬。可取代性是，使用者可依據需求，挑選可模擬事件式入流量之水文模式輸入資料雨量參數說明地表高程資料、河川高程及流量、曼寧 n 值、最大福祿數(Frude)等模式輸出小時流量、流速等參考文獻

z O’Brien, J. S., P.Y. Julien, and W. T. Fullerton, 1993, Two-dimensional water flood

and mudflood simulation. J. Hydraul.Eng., 119, 244-261.

z FLO-2D Users Manual, Version 2004.10(http://www.flo-2d.com)

氣候變遷對水庫影響豐水期流量增加枯水期流量減少影響水庫供水缺水情況加劇含砂量增加影響水庫壽命水庫蓄洪空間不足影響水庫操作極端暴雨事件增加連續不降雨日增加氣候變遷對水庫影響豐水期流量增加枯水期流量減少影響水庫供水缺水情況加劇含砂量增加影響水庫壽命水庫蓄洪空間不足影響水庫操作極端暴雨事件增加連續不降雨日增加圖 3 氣候變遷對水庫系統衝擊影響之相互關係

3.1 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術

一般而言，水文模式可分為連續性水文模式與事件式水文模式，評估水庫供水之穩定性主要可由連續性水文模式進行評估，因此將以符合本研究目之評估水庫系統連續性入流量模擬模式，進行水庫入流量評估。研究中採用 GWLF(Haith and Shoemaker, 1987)模式，利用 GWLF模式配合氣象

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資料，模擬水庫之入流量，並以農業工程研究中心於 2003年所完成之石門水庫之計畫供水量分析結果，評估未來可能之供水情況，研究流程如圖 4 所示。由圖 4中可知，在進行氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術時，首先需要歷史入流量資料及歷史氣象資料 (溫度及雨量資料 )，進行選定之水文模式 (在本研究中為 GWLF模式 )之檢定及驗證；而在未來氣候變遷情況下之入流量評估，則須以不同的氣候變遷預設情境，配合降尺度的技術，修正氣象資料之月平均特性，接著利用溫度及降雨合成模式，以產生在不同氣候變遷預設情境下之日溫度及降雨資料，接著將產生出來之未來氣象資料作為模式之輸入值，模擬不同氣候變遷預設情境下之水庫入流量。最後，加入水庫計畫供水量，利用不同氣候變遷預設情境下之入流量，評估水庫可能的供水情況。

歷史氣象資料

歷史入流量資料

GWLF模式

檢定驗證

氣候變遷預設情境資料

產生未來氣象資料

下游需水量

降尺度

水庫供水量影響評估

圖 4 氣候變遷對水庫供水能力衝擊評估技術研究流程圖 3.1.1 GWLF 模式

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量物理因素之流量分析模式，模式能反映氣候及土地利用改變對流量之影響，其參數決定可依據集水區土地利用以及土壤特性決定，並不需要檢定過程，因此可降低結果之不確定性。模式主要以水平衡進行流量計算，其水平衡收支關係如圖 5。當降雨發生後，一部分之降雨會入滲至土壤中，而另一部分之降雨則形成地表逕流直接流入河川，入滲至土壤之雨量可補充為飽和含水層之含水量，經過水平衡後滲漏產生，最後淺層飽和含水層將產生地下排水；逕流量與地下排水量之和即為河川流量。模式詳細描述可參考 Haith and Shoemaker(1987)之文章。

Precipitation（降水） Evapotranspiration （蒸發散） Runoff（逕流） Deep seepage Percolation（滲漏） Unsaturated Zone Shallow Saturated Zone Deep Saturated Zone Groundwater（地下水） Stream Channel Infiltration （入滲）圖 5 GWLF模式水平衡關係示意圖 3.1.2 水庫供水標的 由於石門水庫每年之計畫供水量並不完全相同，因此本研究採用農業工程研究中心 2003年針對石門水庫之計畫供水量所作之分析，作為評估之依據，而其分析結果則如表 3所示。而在未來氣候變遷情境下之計畫供水量，並沒有討論需水量因人口增加或是產業發展改變，而有增加或減紹的情形，亦即未來之計畫供水量仍以表 3為準。利用表 3之結果，配合 GWLF 模式所模擬出不同氣候變遷情境下之水庫可能入流量，則可評估在不同氣候變遷情境下，水庫未來可能的供水是否不足之情勢。