陳有蘭溪源流區之崩塌與土石流發生特性與空間差異：以和社溪流域為例

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(1)國立臺灣師範大學地理學系第二十二屆博士論文. 陳有蘭溪源流區之崩塌與土石流發生特性與空間差異：以和社溪流域為例. 指導教授：沈淑敏張瑞津研究生：劉盈劭. 中華民國一 O 二年一月.

(2) 目錄目錄 ............................................................................................................................... i 圖目錄 ............................................................................................................................ii 表目錄 ........................................................................................................................... v 照片目錄 .......................................................................................................................vi 第一章緒論 .................................................................................................................. 1 第一節研究動機及目的 ......................................................................................... 1 第二節研究設計與架構 ......................................................................................... 5 第三節研究流程與方法 ......................................................................................... 7 第四節研究區概況 .............................................................................................. 11 第二章文獻回顧 ......................................................................................................... 15 第三章歷年崩塌與土石流的特性與發生 ...................................................................... 26 第一節崩塌的形態與特色 .................................................................................... 26 第二節崩塌的歷年變遷........................................................................................ 37 第三節土石流的特性與發生 ................................................................................ 41 第四節小結 ......................................................................................................... 45 第四章子集水區的邊坡特性與土地利用對崩塌的影響 ................................................ 46 第一節子集水區歷年崩塌變化的比較 ................................................................. 46 第二節子集水區地質、地形、颱風降雨特性對崩塌的影響 .................................. 63 第三節子集水區開發歷程對崩塌的影響............................................................... 92 第四節小結 ......................................................................................................... 99 第五章出水溪、四號溪、頭坑溪 1963-2004 年的河道侵淤變化趨勢 ...................... 102 第一節歷年河道的侵淤狀況 .............................................................................. 103 第二節河道侵淤變化趨勢與控因 ....................................................................... 112 第三節河道侵淤與地形變動的意義 .................................................................... 139 第六章結論 .............................................................................................................. 151. i.

(3) 圖目錄圖 1-1 研究區域圖 ........................................................................................................ 4 圖 1-2 研究架構圖 ........................................................................................................ 6 圖 1-3 崩塌發生區的邊坡位置示意圖............................................................................ 8 圖 1-4 崩塌在兩事件間的變遷分類 ............................................................................... 9 圖 1-5 航照判釋河道侵淤狀況示意圖............................................................................ 9 圖 1-6 研究流程圖 ...................................................................................................... 10 圖 1-7 研究區地質圖................................................................................................... 14 圖 3-1 各年度崩塌面積累積次數百分比統計圖 ............................................................ 27 圖 3-2 賀伯颱風前和社溪崩塌分布圖(1993 年) ........................................................... 28 圖 3-3 賀伯颱風和社溪崩塌分布圖(1996 年) .............................................................. 29 圖 3-4 集集地震和社溪崩塌分布圖(1999 年) .............................................................. 30 圖 3-5 桃芝颱風和社溪崩塌分布圖(2001 年) .............................................................. 31 圖 3-6 敏督利颱風和社溪崩塌分布圖(2004 年) ........................................................... 32 圖 3-7 和社溪流域五個時期的崩塌分布疊圖 ............................................................... 33 圖 3-8 歷年崩塌的平均坡度分布圖 ............................................................................. 34 圖 3-9 崩塌之邊坡位置統計圖 ..................................................................................... 35 圖 3-10 新增崩塌個數及面積統計圖 ........................................................................... 37 圖 3-11 重疊的崩塌個數及面積統計圖 ........................................................................ 39 圖 3-12 崩塌規模與重複崩塌百分比關係圖 ................................................................ 39 圖 3-13 復原崩塌之坡度分布與該年度坡度分布統計圖............................................... 40 圖 3-14 歷次事件不同坡度之復原崩塌比例統計圖 ...................................................... 40 圖 3-15 主流埋積比較圖 ............................................................................................. 42 圖 3-16 三次颱風事件誘發土石流的子集水區分布圖 .................................................. 42 圖 3-17 賀伯颱風時雨量分布圖-望鄉測站 ................................................................... 43 圖 3-18 桃芝颱風時雨量分布圖-神木測站 .................................................................... 43 圖 3-19 敏督利颱風時雨量分布圖-神木測站 ................................................................ 43 圖 4-1 出水溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 47 圖 4-2 愛玉仔橋溪歷年崩塌分布圖 ............................................................................. 48 圖 4-3 四號溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 49 圖 4-4 三號溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 50 圖 4-5 八號溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 51 圖 4-6 松山溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 52 圖 4-7 一號溪及二號溪歷年崩塌分布圖 ...................................................................... 52 圖 4-8 六號溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................... 53 圖 4-9 郝馬戛班溪歷年崩塌分布圖 ............................................................................. 55 ii.

(4) 圖 4-10 頭坑溪歷年崩塌分布圖 .................................................................................. 56 圖 4-11 七號溪歷年崩塌分布圖................................................................................... 57 圖 4-12 和社溪於集集地震時的地表加速度分布圖 ...................................................... 66 圖 4-13a 一號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 68 圖 4-13b 一號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 68 圖 4-14a 二號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 69 圖 4-14b 二號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 69 圖 4-15a 三號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 70 圖 4-15b 三號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 70 圖 4-16a 四號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 71 圖 4-16b 四號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 71 圖 4-17a 松山溪崩塌平均坡度分布圖 .......................................................................... 72 圖 4-17b 松山溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 72 圖 4-18a 六號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 73 圖 4-18b 六號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 73 圖 4-19a 七號溪崩塌平均坡度分布圖 .......................................................................... 74 圖 4-19b 七號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 74 圖 4-20a 郝馬戛班 1 溪崩塌平均坡度分布圖 .............................................................. 75 圖 4-20b 郝馬戛班 2 溪崩塌平均坡度分布圖 .............................................................. 75 圖 4-20c 郝馬戛班 3 溪崩塌平均坡度分布圖 .............................................................. 75 圖 4-20d 郝馬戛班溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 ....................................................... 76 圖 4-21a 出水溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 77 圖 4-21b 出水溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 77 圖 4-22a 愛玉仔橋溪崩塌平均坡度分布圖 .................................................................. 78 圖 4-22b 愛玉仔橋溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 ....................................................... 78 圖 4-23a 頭坑溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 79 圖 4-23b 頭坑溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 79 圖 4-24a 八號溪崩塌平均坡度分布圖 ......................................................................... 80 圖 4-24b 八號溪崩塌歷年崩塌之坡度分布圖 .............................................................. 80 圖 4-25 和社溪歷年崩塌與地質疊合圖........................................................................ 83 圖 4-26 賀伯颱風和社溪等雨量線圖 ........................................................................... 87 圖 4-27 桃芝颱風和社溪等雨量線圖 ........................................................................... 89 圖 4-28 七號溪淤埋河段示意圖 .................................................................................. 89 圖 4-29 敏督利颱風延時累積雨量分布圖 .................................................................... 91 圖 4-30 利用降雨條件劃分土石流發生可能性示意圖 .................................................. 91 圖 4-31 四號溪各年度崩塌分布與道路疊合圖 ............................................................. 94 圖 4-32 頭坑溪各年度崩塌分布與道路疊合圖 ............................................................. 94 圖 4-33 出水溪各年度崩塌分布與道路疊合圖 ............................................................. 95 iii.

(5) 圖 4-34 四號溪歷年開墾範圍與崩塌及坡度疊合圖 ...................................................... 97 圖 4-35 頭坑溪歷年開墾範圍與崩塌及坡度疊合圖 ...................................................... 97 圖 4-36 出水溪歷年開墾範圍與崩塌及坡度疊合圖 ...................................................... 97 圖 4-37 和社溪台大實驗林區分布圖 ........................................................................... 98 圖 4-38 子集水區歷年崩塌密度與事件規模比較圖 ...................................................... 98 圖 5-1 出水溪歷年崩塌空間分布與河道侵淤變化示意圖 ........................................... 105 圖 5-2 頭坑溪歷年崩塌空間分布與河道侵淤變化示意圖 ........................................... 108 圖 5-3 四號溪歷年崩塌空間分布與河道侵淤變化示意圖 ............................................ 111 圖 5-4 出水溪 1963 年~1980 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 115 圖 5-5 出水溪 1980 年~1985 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 116 圖 5-6 出水溪 1985 年~1993 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 117 圖 5-7 出水溪 1993 年~1996 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 118 圖 5-8 出水溪 1996 年~1999 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 119 圖 5-9 出水溪 1999 年~2001 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 .......................... 120 圖 5-10 頭坑溪 1963 年~1980 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 124 圖 5-11 頭坑溪 1980 年~1985 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 125 圖 5-12 頭坑溪 1985 年~1993 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 126 圖 5-13 頭坑溪 1993 年~1996 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 127 圖 5-14 頭坑溪 1996 年~1999 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 128 圖 5-15 頭坑溪 1999 年~2001 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 129 圖 5-16 四號溪 1963 年~1980 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 132 圖 5-17 四號溪 1980 年~1985 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 133 圖 5-18 四號溪 1985 年~1993 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 134 圖 5-19 四號溪 1993 年~1996 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 135 圖 5-20 四號溪 1996 年~1999 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 136 圖 5-21 四號溪 1999 年~2001 年河道侵淤、立體剖面與航照示意圖 ........................ 137 圖 5-22 出水溪歷年侵淤河段示意圖 ......................................................................... 145 圖 5-23 頭坑溪歷年侵淤河段示意圖 ......................................................................... 145 圖 5-24 四號溪歷年侵淤河段示意圖 ......................................................................... 145 圖 5-25 各子集水區崩塌於各年度事件進入河道比率統計圖 ..................................... 145 圖 5-26 研究期間事件序列與自然、人為特徵示意圖 ................................................ 146 圖 5-27 莫拉克颱風雨量組體圖－神木測站 ............................................................... 146 圖 5-28 中上游埋切階地形成示意圖 ......................................................................... 148. iv.

(6) 表目錄表 1-1 研究重大外部事件一覽表 ................................................................................... 5 表 1-2 子集水區流域特性表 ........................................................................................ 13 表 1-3 和社溪流域內的雨量站列表 ............................................................................. 13 表 3-1 歷年崩塌統計表 ............................................................................................... 27 表 3-2 歷年崩塌面積分類表 ........................................................................................ 27 表 3-3 崩塌在各邊坡位置個數變化表.......................................................................... 35 表 3-4 各地層之崩塌頻度及密度表 ............................................................................. 36 表 3-5 崩塌個數及面積統計表 .................................................................................... 37 表 3-6 新增崩塌的邊坡位置統計圖 ............................................................................. 38 表 3-7 歷年復原的崩塌規模統計表 ............................................................................. 40 表 3-8 歷次事件的規模一覽表 .................................................................................... 41 表 3-9 崩塌個數及面積統計 ........................................................................................ 44 表 4-1 和社溪各支流歷年新增崩塌個數及面積統計表 ................................................. 58 表 4-2 歷年重疊的崩塌個數與規模統計表 .................................................................. 59 表 4-3 歷年消失的崩塌個數與規模統計表 .................................................................. 60 表 4-4 各支流歷年事件變遷趨勢示意.......................................................................... 61 表 4-5 各子集水區崩塌與土石流資料統計表 ............................................................... 62 表 4-6 各子集水區各年度崩塌主要分布的坡度區間一覽表 ......................................... 65 表 4-6 各子集水區於各年度不同地層的崩塌頻度表 .................................................... 84 表 4-7 各子集水區於各年度不同地層的崩塌密度表 .................................................... 85 表 4-8 三個子集水區的颱風事件崩塌密度比較表 ........................................................ 87 表 4-9 和社測站與神木測站於桃芝颱風時雨量比較表................................................. 89 表 4-10 和社測站與神木測站於敏督利颱風時雨量比較表 ........................................... 91 表 5-1 三個子集水區的邊坡與河道特性一覽表 ......................................................... 138 表 5-2 出水溪賀伯後發生的土石流事件 .................................................................... 140 表 5-3 三個子集水區環境特徵與河道侵淤特性統整表............................................... 149. v.

(7) 照片目錄照片 1-1 航照上的崩塌地 ............................................................................................. 8 照片 1-2 航照中的土石堆積體 ...................................................................................... 8 照片 5-1 頭坑溪於賀伯颱風前後航照比較 ................................................................ 107 照片 5-2 頭坑溪桃芝颱風後航照 ............................................................................... 107 照片 5-3 四號溪 1963 年航照 ................................................................................... 109 照片 5-4 四號溪賀伯颱風後航照上的土石流扇 ......................................................... 110 照片 5-5 四號溪桃芝颱風後航照上的土石流扇 .......................................................... 110 照片 5-6 頭坑溪分段示意圖 ...................................................................................... 121 照片 5-7 四號溪 1993 年航照 ................................................................................... 130 照片 5-8 四號溪敏督利颱風後航照 ............................................................................ 131 照片 5-9 和社溪河道堆積 ......................................................................................... 140. vi.

(8) 第一章緒論第一節研究動機及目的河流地形在地形學的發展中，有著重要的地位，研究的面向常同時考慮河流系統的空間及時間的複雜性，累積的研究課題包括河流形態、河流營力及河流調整行為等的研究。由於中下游段的沖積河道為人類生活的主要範圍，過去的研究大部分以此為主。自 1990 年代起，山區河流的研究日增，包括河道侵淤(Kasai et al.,2004)與平面形態(Montgomery and Buffington,1997)和邊坡與河道之間的沈積物耦合關係(Schrott et al.,2003) 的研究，以及山區河道分類並應用在生態復育上(Brierley and Fryirs, 2005)。台灣島 2/3 的面積為山地，河流短小且大多屬地勢起伏大、河道坡降與邊坡陡峭的山地河流(石再添等，1980)。加上地質環境在活躍的地殼變動影響下極為破碎，夏、秋兩季為降雨集中且降雨強度高的颱風季節，使邊坡沈積物供應(sediment supply)及河流搬運(sediment transport)快速，若颱風豪雨造成普遍性崩塌，也常同時導致土石流的發生。崩塌、土石流發生頻繁，常造成下游沖積扇或流域內居民財產與生命的威脅。又因地狹人稠，山地地區的開發利用面積與種類日益增加，山地地區這種相對脆弱環境的過度利用，使得山區河流的變化更為複雜，使中高海拔山區的受災可能性上升。一般而言，河川源流地區因平緩地非常有限，位在溪流谷口的土石流扇或埋積階地，因坡度較緩，多被開發利用為農業區甚或住居。但當發生普遍性崩塌，造成土石流再作用時，這些地點常成為最嚴重的受災區。隨著崩塌和土石流災害所造成的損失日增，自 1990 年代起，臺灣地區對於山區河道的研究以土石流作用的探討為主：以「有效集水面積」、「河床坡降」變數，作為區劃全臺各溪流是否容易發生土石流的起點(農委會， 1.

(9) 1995)；或針對某一主要流域，以眾多流域地形計測(morphometric)變數和其他環境變數，來探討哪些研究區內溪流發生土石流與否的主要控因(例如，李錫堤，1996、張瑞津等，2001)；近期則注重土石流潛勢的分析(例如，林美聆等，2000、Lee et al., 2008)。然而，歷次重大颱風事件發生時，同一流域內位置鄰近且地形、地質因子相似的子集水區，常有不同的地形變動反應(崩塌和土石流)，有必要進一步探究。 Brierley and Fryirs(2005)及 Phillips (2007) 都提到每一條支流都因為不同的自然環境，而有不同的河流特徵，即使是鄰近、自然環境相似的河流，也會因對歷次事件的不同反應而累積了屬於各支流獨特的系統歷史 (system history)。提醒了吾人各個子集水區在面對同一事件時，反應可能會有集水區與集水區之間空間差異的存在。而需要更細部的去思考、觀察子集水區內部會影響河道搬運的可能流域地形特徵。而臺灣過去對崩塌或土石流事件的反應研究中，研究對象多是較大流域(如：陳有蘭溪流域等)(Lin et al., 2003)，鮮少著墨低等級集水區反應行為的個別差異，但山區居民多居住在這些子集水區出口的扇階或河階上，在子集水區內部所發生的崩塌與土石流作用直接影響這些居民的生命財產安全，這也是本研究除了檢視和社溪流域整體的特色外，還需著墨子集水區的重要原因之一。臺灣全島性崩塌地目錄 (landslide inventory) 的建置，可溯自 1950 年代 (姚鶴年，2008)，土石流潛勢溪流的調查則始於 1990 年代，為了大範圍普查土石流潛勢溪流，相關單位應用「有效集水面積」以及「河床坡降」指標劃分出許多潛勢溪流(農委會，1995、2002)。由於是大範圍的普查，多是針對某個主要河流的流域或行政區，歸納或統計分析整個區域 (包含多個子集水區)的崩塌地分布和主要控因。而山區居民居住的空間多是在更小的子集水區單元，如河階或主支流匯流口的扇階，甚至比高更低的沖積扇。因此，子集水區的崩塌和土石流的發生與控因的檢視，更是一個需要關注的議題。. 2.

(10) 各子集水區土石流再作用與否，應是取決於各子集水區內的崩塌狀況和河道埋淤狀況，而子集水區的崩塌與河道埋淤可能受到自然與人為因素共同影響，還可能受到外部事件的強度與發生序列所影響(張瑞津等，2001)。甚至前一個事件的崩塌，所產生的敏感區，提供了下一次事件發生時的邊坡弱點；也可能因崩塌發生的河段中有幾處明顯的坡降平緩處可供停積土石，使土石流的動能受到限制。而崩塌或搬運下來的土石，又會對其下游的河段地形造成什麼樣的影響？是使河段進入一系列的調整？還是會因為先前已大量搬運，而在河道平緩處停積土石，不會向下搬運，產生土石流發生時間的遞延效應。所以除了掌握整個研究區(較大流域單元)的崩塌狀況外，也應檢視各子集水區對各次颱風/地震事件之反應歷程的異同。綜上所述，子集水區對事件的反應可能受到流域地形特徵以及過去對外部事件反應的規模，造成彼此之間土石流發生與否的變數。因此，本研究以陳有蘭溪源流之一的和社溪流域為研究區(圖 1-1)，檢視 1993-2004 年間發生重大事件(包含賀伯颱風、集集地震、桃芝颱風、敏督利颱風)前後拍攝的航空照片(表 1-1)，判釋及歸納崩塌特性的變化，探討歷次重大颱風豪雨和地震事件在誘發和社溪流域地形變動上的角色，也一併檢視和社溪流域各子集水區在各次事件中的反應(崩塌、土石流)，以及事件後沈積物在河道中的侵淤狀況，藉此比較歸納各子集水區之間影響反應的流域地形特徵與其人為影響。由以上的陳述，本研究希望藉由對流域與其子集水區中沈積物產出 (崩塌)至搬運(河道侵淤)與堆積(土石流)的探討，達成以下幾點目的： 1. 了解和社溪流域崩塌分布的特性。 2. 了解和社溪子集水區的崩塌特性與影響崩塌發生的控因。 3. 了解和社溪子集水區的河道侵淤變遷與土石流發生的影響。 4. 歸納流域地形特徵和崩塌的特性對子集水區的河道侵淤現象的影響。 3.

(11) 圖 1-1 研究區域圖. 4.

(12) 第二節研究設計與架構本研究以土石流作用頻繁的陳有蘭溪源流區-和社溪流域為研究區，利用航空照片進行詳細的地形判釋，希望可以找到和社溪流域及其子集水區之間的空間差異。除了土石流作用頻繁外，相對于陳有蘭溪另一個源流區－沙里仙溪，和社溪因其人為開發程度較高，集水區的影響因子較為豐富。和社溪共有 12 條主要子集水區，其中郝馬戛班溪由於流域面積大，為了方便詮釋，再區分為郝馬戛班 1、2、3 溪，共 14 個子集水區(圖 1-1)。這些子集水區在過去的外部事件中，發生崩塌與土石流的頻率與影響各異，利於討論子集水區在外部事件發生後邊坡崩塌發生與河道沈積物侵淤變化。本研究區於 1999 年經歷了發生頻率相當於 300~400 年(陳文山，2005) 的集集地震，在邊坡誘發大量的崩塌，帶來許多沈積物的產出。1996 年和 2001 年分別遭遇洪水頻率相當於 200 年規模的賀伯颱風、桃芝颱風。在桃芝颱風之後，較大規模的颱風為 2004 年的敏督利颱風，正好可以利用來檢視在經過規模大的幾次事件後，子集水區對此次事件的反應。除此之外，本研究區為了建立幾次事件發生前的初始環境，另外判讀了 1993 年的子集水區的河道沈積物堆積與邊坡崩塌。故，本研究區處理的事件如下表：表 1-1 研究重大外部事件一覽表年度 1999、2000 1993 1996 2001 2004 代表事件初始環境賀伯颱風集集地震桃芝颱風敏督利颱風 1996.07.29 2001.07.28 2004.06.28 事件發生～～～ 1999.09.21 日期 1996.08.01 2001.07.31 2004.07.04 人為開發的利用於上述時間內的變化有限，為了取得更多的人為開發現象，本研究選擇三個子集水區，增加判釋 1963、1980、1985 年度的航照，共繪製 8 個年度的崩塌分布圖。此外，為了了解這三個子集水區在此 5.

(13) 8 個年度的崩塌對河道的影響，因此本研究再針對此三個子集水區判釋河道的侵淤狀況，希望能夠了解崩塌與河道侵淤的影響。本研究的研究架構圖如下(圖 1-2)：. 圖 1-2 研究架構圖. 6.

(14) 第三節研究流程與方法. 近年來的崩塌研究多以衛星影像為主要的研究工具，關於衛星影像與航照應用在崩塌調查的優缺點亦有學者著文討論（林慶偉等，2002、蕭國鑫等，2003）。航照的優點在解析度高，因此正確性高。雖然判讀上研究者的主觀意見相對明顯，但藉由立體成像的觀察，研究者較易建立對研究區域的地形特徵的感受。因此，本研究進行分析研究的主要資料為利用航空照片判讀的邊坡崩塌與河道侵淤的資料。茲就資料取得與進行流程說明如下(見圖 1-6)。 (一)崩塌的分布位置： 1. 2004 年以前，採用農航所出版的航空照片，利用立體鏡判釋崩塌，再將判釋所得的崩塌直接利用 ArcGIS 軟體，數化成*.shp 檔案格式，建置以 1:25000 經建版地形圖為底圖的崩塌地 GIS 圖層，以利與其他年度崩塌進行分析。和社溪全流域判釋的年份為 1993 年、1996 年、1999 年、2001 年。為了進一步分析人為因素的影響，增加判釋出水溪、頭坑溪及四號溪三個子集水區的 1963、1980、1985 三個年度的航照。 2. 2004 年的崩塌判釋則利用中央地質調查所進行臺灣地區崩塌資料庫的調查研究所使用的正射航空照片，以及該單位委外生成的數值高程模型 (DTM)，應用 ArcGIS 系統中的「STEREO ANALYSIS」外掛程式，配合該地的 DTM 以特殊眼鏡將螢幕上的相鄰兩張正射航照呈現立體的形態，直接利用軟體進行崩塌數化，檔案格式為＊.shp。 3. 照片中新鮮反白的裸露地即為本研究判釋的崩塌目標(照片 1-1)。土石流的發生，則以匯流口處有無發現土石堆積體為判釋的依據(照片 1-2)，若無明顯的堆積體，但可判釋出匯流口有土石扇堆積的殘餘，也會加以 7.

(15) 註記。判釋的航空照片有黑白與彩色兩種，根據過去經驗，一般狀況下可判釋到的最小崩塌地面積約為 300 平方公尺。. 照片 1-1 航照上的崩塌地. 照片 1-2 航照中的土石堆積體. (二)崩塌的屬性 1. 將崩塌的圖層疊上 5mx5m 的 DTM 資料，應用 ArcGIS 中「Spatial Analyst」裡的「Surface Analysis」，計算出崩塌的坡度、坡向、高度分布，從等高線讀出崩塌的坡長，註記崩塌發生區的邊坡位置(圖 1-3)，並記錄崩塌末端是否已經進入河道等等的屬性資料。 2. 疊上自中油公司嘉義圖幅數化的地質圖，將崩塌的屬性加入地層以及距離構造線的距離。上邊坡中邊坡下邊坡. 圖 1-3 崩塌發生區的邊坡位置示意圖(虛線表示崩塌的位置). (三)崩塌的變遷 1. 利用前後兩次事件之崩塌地圖層進行疊圖分析，將同一位置在後一版航照上可判釋出崩塌，但在前一版沒有，視為「新增」的崩塌地；前後兩版航照上均可判釋出崩塌時，歸類為「重疊」，範圍可能是擴大或縮小； 8.

(16) 前一版有崩塌，後一版沒有判釋出崩塌時，則視為崩塌地「復原」(圖 1-4)。 2. 對於上述三個種類的崩塌進行統計，分析其崩塌特性。 A.新增. C.復原. B.重疊. 圖 1-4 崩塌在兩事件間的變遷分類(灰階為前一事件，橫線為後一事件). (四)記錄河道的土石侵淤狀態 1. 利用立體鏡以及數值航照系統判釋河道內河床上的堆積狀況。利用河床高度與邊坡的相對高度來記錄不同年度間，河床中土石移動的相對狀況，並記錄侵蝕與埋淤的河段位置分布(圖 1-5)。 2. 製作各子集水區各年度河道侵淤分布圖，以利比較與分析討論。. 圖 1-5 航照判釋河道侵淤狀況示意圖(B 圖箭號位置因河中洲受掩埋，記錄為「淤埋」). 9.

(17) 問題形成文獻蒐集研究資料取得. 河道部分. 崩塌部分. 3 個子集水區. 航照判讀轉繪圖層. 估計河道侵淤狀態繪製子集水區各年度的侵淤河段分布圖. 套疊 DTM、地質圖崩塌屬性坡向、坡度、坡長、地層、位置. 比較空間差異主要控因探討內部因子崩塌位置崩塌規模河道底岩控制河道坡降. 結論. 圖 1-6 研究流程圖. 10. 外部因子事件序列的影響事件強度與規模.

(18) 第四節研究區概況和社溪流域位在濁水溪支流陳有蘭溪流域的西南隅，位處阿里山脈與玉山山脈交界處，最低點約 750 公尺，最高點為鹿林前山 2862 公尺，屬於源流型的集水區，地形起伏甚大。它的流域面積約 92 平方公里，主流長約 17 公里，主流坡降 8.5％，為一河流等級 4 級的山地型河川 (張瑞津， 1997) (圖 1-1)。本流域內包含 14 個低等級河的子集水區，分別是左岸的一號溪、二號溪、三號溪、四號溪、松山溪、六號溪、七號溪(學界另有愛玉仔溪的說法(林基源等，2009、何幸娟等，2010))、郝馬戛班溪(又稱霍薩溪)及右岸的出水溪、愛玉仔橋溪、頭坑溪及八號溪。其中，一級河及二級河各佔 42％，松山溪及郝馬嘎班溪為三級河。流域坡度在 30-35 度之間，反應了山地型河川陡峭的環境特性。河長的部分多在 5 公里以下，流路短，對事件反應較為快速，易觀察變動情況(表 1-2)。大多數溪溝谷口有土石流扇發育，這些也是本區之聚落、房舍分布相對密集的地點。在地質上，本區位於西部麓山帶的東側邊界，出露的地層主要是新第三紀中新世的岩層(圖 1-6)。南港層(和社層)分布在和社至神木沿線野溪及郝馬嘎班溪及出水溪的下游，主要由暗灰色至暗黑色緻密頁岩或厚層粉砂岩構成。頁岩多成球狀風化，較大岩塊易崩解成小岩塊，粉砂岩則抗蝕性較強，會出現瀑布或陡壁的現象(謝有忠，1999)。南莊層則為淺灰色細粒厚層砂岩為主，略成馬蹄形，多分布在研究區的中上游段，厚層砂岩常風化成大岩塊，本區河道中多巨石，大部分都由南莊層風化而成。關刀山砂岩段由細粒至中粒的淡青色砂岩組成，夾少許深灰色頁岩，由於砂岩多呈厚層塊狀，在地形上常見陡壁，分布在松山溪上游地區。區內有多條構造線，通過和社溪的斷層由北向南有神木斷層、十八折坑斷層及兒玉斷層。前兩者切過關刀山砂岩段、南莊層及南港層，兒玉斷層則切過南莊層及南港層並為兩地層的界線。和社背斜與同富山向斜被三個斷層截切。顯示本研究區地質構造多，岩體較為不穩定，由大部分溪流中下游的露頭可見大 11.

(19) 量崩積層及河道豐富的土石堆積，都可顯示本區各子集水區地質的破碎狀況。在氣候上，依據望鄉測站資料顯示，年平均雨量為 2509.4mm (1961-2002 年)，雨量集中 5-9 月份，佔了全年雨量的 76％，主要的大型降雨為春雨(5-6 月)及颱風雨(7-9 月)其中颱風雨的雨量及強度又超過春雨。冬季每月平均降雨量不及 50mm，為乾濕分明的流域。本研究利用經濟部水利署位於流域外下游側的望鄉測站 (1961 年設立)，用以統計本區的長期降雨趨勢；以及交通部氣象局位於流域內的神木村測站(1999 年設立)，可作為 2000 年後之雨量比較(表 1-3)。. 12.

(20) 表 1-2 子集水區流域特性表河名. 流域面積 (km2) 河長 (km) 河流坡降 (。) 流域坡度(。) 河流等級. 一號溪二號溪三號溪四號溪松山溪六號溪七號溪郝馬嘎班溪 1 郝馬嘎班溪 2 郝馬嘎班溪 3 出水溪愛玉橋溪頭坑溪八號溪. 1.65 0.61 3.14 2.45 15.89 2.07 4.08 1.46 10.48 12.82 8.57 7.01 4.42 1.72. 1.64 1.32 3.88 3.21 6.36 2.50 3.37 2.96 5.05 4.91 5.08 4.27 3.74 1.63. 16.9 13.8 11.7 12.7 9.0 10.6 9.5 13.6 8.6 11.3 11.3 13.3 14.2 12.9. 31.5 34.2 37.5 35.5 36.0 29.1 37.0 32.0 32.53 33.48 34.8 36.8 33.0 32.8. 註：河流名稱依據經建版第一版二萬五千分之一地圖上所載. 表 1-3 和社溪流域內的雨量站列表測站編號站名 01H390 望鄉 C0H9A0 神木村 C1I070 和社 C1I340 新興橋. 海拔高度設站年代測站性質 2200m 1961/8/1 自動雨量站 1595m 1999/2/1 自動氣象站 825m 1992/7/1 自動雨量站 897m 2002/8/1 自動雨量站. 13. 所屬單位經濟部水利署中央氣象局中央氣象局中央氣象局. 1 1 1 2 3 1 2 1 2 2 2 2 2 1.

(21) 圖 1-7 研究區地質圖. (整理自中油地質圖－嘉義圖幅，1986、謝有忠，1999). 14.

(22) 第二章文獻回顧本研究區域在幾次事件之後，河道沈積物輸入和輸出頻繁。為了想了解河道形態如何透過侵蝕、埋積的過程達到平衡、河道形態的改變又會受到哪些流域內部因素和外部事件的影響？在這些外部事件的發生後，河道要如何回到平衡的狀態，或者，進入另一個地景循環的週期？流域反應事件的過程，又可以提供給河道整治什麼樣的想法呢？臺灣的土石流研究又有哪些面向？以下就這些概念進行國內外的文獻回顧。. 一、河道反應與地景回復的概念陳述 (一)河道調整的定義自然的河流可被視為能量與物質流入與流出的開放系統(Leopold and Langbein, 1962)。這種觀點強調河流行為的重要性，包括對加諸在系統身上的外在限制或控制(external constraints)，以及系統以調整內部幾何形態 (internal geometry adjustments)作為對這些控制的反應。地形學者尤其對調整是否有趨向系統均衡(system equilibrium)有著濃厚的興趣。因有效外部事件(跨越界檻值，通常指降雨形成的洪水)的影響而有地形作用 (geomorphic work)，使河道形態有所改變，河道將會在隨後的外部事件中進行調整，回復之前的河道狀態。至於地形作用的定義有兩種說法：1. 洪水所搬運的懸浮質的量(Wolman and Miller, 1960)；2. 地景的變動，又作地形有效性 (geomorphic effectiveness) ，或作回復時間 (recovery or relaxation time)的長短(Wolman and Gerson, 1978)。台灣的山區河流遇大型外部事件地景變動快速，較適合第二種定義。所謂的有效的外部事件，根據 Kochel(1988)的定義，指再現頻率(recurrence interval)超過 50 年頻率的洪水。河道調整的主因為流量與沉積物負載(sediment load，尤其指底質)，同時須配合氣候、植被、土壤、地質、流域的自然特性(Knighton, 15.

(23) 1998)。 (二)均衡的概念如上所述，地景經過調整是否趨向均衡，是地形學家所關注的問題。對河道調整的短期研究(10-100 年)中，近期較為關注的焦點為河道橫剖面及河道形態回復均衡的動態調整過程。均衡的定義有許多分類： Knighton(1998)提出穩定均衡(stable equilibrium)及不穩定均衡(unstable equilibrium)，前者即為地形系統受到干擾後，會回到接近事件前的相對穩定的狀況，干擾因子會被去除；後者則由系統一個形態的改變會引發其他形態的改變，使系統處於不穩定的狀態。Renwick(1992)將均衡分三類：均衡(equilibrium)、不均衡(disequilibrium)、非均衡(non-equilibrium)。 1. 均衡：非靜止狀態，但在調整過程中，回復時間短，很快回復穩定狀態。 2. 不均衡：河道持續向均衡狀態調整，但反應時間長，在下一次事件來臨前，可能沒有時間回到均衡。 3. 非均衡：沒有朝向均衡的趨向，因而無法判定其特徵。 Knighton(1998)則從河道反應(channel response)來看河道均衡的動態過程，提出 5 種狀態。其中 state1,2 通常在潮濕氣候的沖積河道中出現，對事件不反應或快速回復。state3 則是在半乾燥地區，因為水流能較不穩定，會延遲回復的時間。state4,5 則是單一或連續事件超越內部界檻值，無法回復，只好到另一個新的均衡狀態，其中 state5 通常 TF>1，沒有足夠的時間回復之前的狀態。(TF = 平均回復時間 / 平均事件再現時間). 二、影響河道回復的控因影響大洪水後的地形反應與河道回復有許多因素，包括影響河道與氾濫原外部(external)的流域因素(drainage basin factors)、河道自然特性內部控制的河道因素 (river channel factors) ，再加上洪水的時間序列 (temporal ordering of floods) (Kochel,1988)，最後為沉積物的輸入。 16.

(24) （一）流域因素 1. 氣候要素(climate)：山區及沿海發生的大規模、歷時短及高強度降雨，都有可能形成洪水，配合低強度但高頻率的降雨，可改變地景或協助河道回復。 2. 水文要素(hydrologic factors)： a. 有效集水面積：流域面積越大，洪水的相對規模越小，因此對洪水的地形作用力控制有限，但若雨場遍佈全流域，會有相當驚人的作用力。流域面積較小的流域，由於逕流的路徑較短，在一次大的降雨中會出現 flash-flood，可能超越界檻值而有明顯的河道變動。 b. 洪峰流量與 FFMI(flash-flood magnitude index)：對河道調整的有效水流有許多學者討論。Baker(1977)認為在邊界抗力大 (底岩)、高流量環境下，罕見的大洪水為有效的水流。Pickup and Warner(1976)則認為比較頻繁(但要大於滿岸水流)，約 3-5 次/年的水流才是有效的水流。Ashmore and Day(1988)、 Nash(1994)and Batalla and Sala(1995)則認為有效的水流需視流域內不同河段流量及沉積物而有相當的變異。 Carling(1988)認為當床質加粗時，搬運的界檻提高，大洪水相形重要。 Kochel(1988) 根據 Wolman and Miller(1960) 及 Baker(1977)的研究，前者為潮濕地區要在大洪水(最大洪峰> 平均)時，才有明顯地形改變，調整則在滿岸水流或小規模等常經歷的事件中發生；後者是提到半乾燥的地區只有大洪水才有可能改變形態，但長期處於連續洪水下，小規模的降雨也會有河道的調整，提出了峰流量 / 平均年流量的比值比洪水的峰流量來的有意義，並以 FFMI 來說明此一概念。【FFMI = X2/N –1 (最大流量-平均流量)/ 記錄年份】 17.

(25) 3. 流域形態(basin morphology) a. 流域形狀：圓形比長形流域易生 flash-flood。 b. 崎嶇數(ruggedness number)加上流域規模加上一級河的水流頻度可用以解釋相似氣候及地勢，不同流量原因。 c. 植被覆蓋：比例越高，逕流集中趨勢越低，沉積物產出也較少。 (Hooke, 2003) d. 土壤厚度：土壤越薄，易生 flashy flood，洪峰流量也會較高。（二）河道因素 1. 河道坡降及床質：主要受地質因素的影響，岩性較堅硬，河道坡降較高，搬運粗粒的能力越高，加上有粗顆粒的床質作為磨蝕的工具，地形會有比較明顯的變化。山區河流只要有陡的河床坡降、豐富的粗顆粒，不管氣候或植被狀況都可能會發生明顯的地形反應(Nolan and Marron, 1995)。 2. 河道幾何形態：洪水影響河道變動能力的因素有水深及流速 (Kochel, 1988)。在底岩河道，水受限在河道中，水深、流速增加(以德州 1954 年洪水為例，河水深達 25 公尺，流速達每秒 12 公尺)，會產生巨大的渦流，對底岩、巨石堆積的下游側及不規則的河床、谷壁上作用，這樣的渦流可以搬運巨石，造成河道大規模的改變。在半乾燥區因後續的小洪水無法重新搬運作用後的河道，回復時間需要很久或無法回復(state4)。潮濕地區則在幾次大洪水後就會回復，達到之前的均衡。（三）洪水的時間序列 1. 過去：比較不同氣候、不同流域。Wolman and Gerson(1978)認為洪水的時間序列是不同氣候區不同回復速率的主要控因，潮濕地區在洪水中變化有限，容易恢復；乾燥地區則會有劇烈的變化，需要百年以上的時間才會恢復。 18.

(26) 2. 近期：比較同一流域不同事件的河道反應及調整。Kochel(1980) 提出德州的 Pecos 河，經歷 1954 及 1974 年大洪水，前者變化很大，後者只有一點侵淤，因為間隔只有 20 年，前者的事件未調整完，沒有新的物質進入河道，後者不會有明顯的變化。Newson(1980) 則是討論 1973 及 1977 年的洪水，前者崩塌多，變化少，後者相反。1973 年很久沒洪水，邊坡風化程度高，崩塌很多，但 1977 年崩塌雖少，卻有 73 年物質可進行再作用，變化很大。Bevan(1981) 則提出事件的序列對兩種系統有重要的影響。1.TF>1 的流域，2. 對降雨的反應強烈受內部界檻影響的系統。 Calver and Anderson(2004)也提到 1952 年洪水所發生的明顯地形變化在維持 50 年後改變有限，就是因為 50 年來沒有與 1952 年同等規模的洪水發生。（四）沉積物由邊坡輸入至河道 1. 主要發生在山區型的河流，由於邊坡為流域沉積物的主要來源，因此與邊坡的關係非常密切，且受大顆粒(large particles)的影響深，巨石的堆積可能造成水流能的消散，而影響地形的變化程度。且邊坡與河道的耦合程度也會影響崩積物是否進入河道作用的重要因素(Schrott L. etc.,2003)。 2. 大型洪水也會造成邊坡的不穩定，產出大量崩塌物質輸入河道，使流量與沉積物負荷的比率(discharge-load ratio)會隨河段有很大的差異。該次洪水的效應將隨沉積物輸入量的增加而持續更久，後續洪水無法沖走崩塌物中較大的顆粒，而形成 state4 或 state3(如果有恢復)。Wohl(1992)舉出澳洲北部的例子，極端事件可以移動 5 公尺以上的巨石，後續洪水無法繼續移動這些巨石，使環境無法恢復，而到達 state4 的新狀態。 3. 即使是在大家普遍認同回復快速的潮濕地區，都會因為大量沉積物 19.

(27) 的輸入而延遲其回復時間(Nolan and Marron, 1995)。Hassan 等人 (2004)以加州西北海岸溪流為例，說明這些未立即輸出的沈積物儲存在河道中，沙或細礫在低水流就會移動，比表面中徑還大的顆粒在高流量時也不一定移動，推遲了回復的時間。 4. 大流域的山崩來源比較多，接收許多一級河川的沈積物質，土石流發生的間隔比較短。相對的，小流域要累積一段時間才發生土石流，重現期比較長(May and Gresswell, 2004)。. 三、山區河道回復的河床指標地形及其應用河道在高頻率、低規模的一般水流調整時，會有選擇性的搬運，一般水流可以搬運粒徑較小的顆粒，造成床質加粗(bedload coarsing)或甲冑化 (armouring)的現象，增加河床搬運的界檻值，河道暫趨穩定，要在下次大洪水才會被搬運，反應河道在短期是平衡的。若形成 pavement(半永久的堆積，覆瓦緊密)，需大於 100 年再現頻率的洪水才能搬運，反應的是河道在此期間是不平衡的(Richards and Clifford, 1991)。在底岩河道中，河床及谷壁的底岩出露(bedrock exposure)比例增高都說明了上次大洪水存在河道中的記憶被消除，達到穩定均衡的狀態(Kasai et. al, 2004)。梯狀潭 (step-pool)的出現也代表了河道相對穩定的狀況。梯狀潭的形成多是主體巨石因坡度或河寬而停滯在河中(debris obstacle)，小巨石或粗礫填充其間或在後面覆瓦排列，為陡峭山區河流的代表(Korup, 2005)。梯狀潭只會在極端事件(再現期>50 年)、沉積物供應減少、寬深比降低時才會移動。就因其穩定的特色，梯狀潭為一個有效的均衡地形指標(Knighton, 1998)，但若深潭填滿大量細粒物質，會削弱其消散能量的角色，反而會加速侵蝕、流速增加，進而成為不穩定的地形代表(Richards and Clifford, 1991)。台灣的山區河道有沉積物負荷多，河道坡降陡峭，流能集中的特色，因此每遇到高強度降雨時，河道都會有高濃度的挾沙水流或土石流的發生， 20.

(28) 尤以後者造成的地形變動最大。雖然伴隨大量沈積物的產出，但因颱風季節的高強度降雨及春雨期間高頻低規模的降雨，使河道的回復時間較短，回復行為也較容易觀察。河道調整的過程會有如上述相應的河道地形出現，如果在工程應用前先做好河流基礎調查，利用簡單的航照判讀及指標地形的確認加以挑選適合的解決方法，應可讓工程應用達到最大的效益。 Thorne 等人(1996)提及將地形分類為 3 類，1. 不穩定(unstable)，表示有連續的侵淤，河寬的調整、平面形態的改變，容易造成災害。2. 動態穩定 (dynamic stable)，河道形態會隨各種變數的變化而誘發動態的營力—反應機制。3. 穩靜穩定(Moribund stable)，在過去高能量期形成，經過時間削夷，成為低坡降、能量的環境，有抗蝕的河床及河岸。其中動態平衡的變化通常超過工程的時間尺度，常在施作時，誘發系統的回應不穩定；穩靜穩定不會劇烈反應人類的干擾行為，但若施作大量工程，地景將永遠不會回復。若在工程施作前，先有完善的地形考察(橫剖面的測量等)，透過河道形態的觀察、測量並推論其作用營力，進而分辨河道的穩定狀態(stability status)，可以增加工程的效益，維持地景的穩定性。Page 等人(1998)對澳洲 Tarcutta 溪所做的調查，將河道分為侵蝕段及堆積段，發現不同的工程方法對不同性質河段會有相當不一樣的效果，其中蓄意的河道調整，如對沼澤進行排水、移除大量有機碎屑，反而引起河道急遽下切、洪峰流量急遽增加等影響下游工程穩定性的反效果。. 四、以河道剖面測量論河道恢復行為 (一) Kasai, Marutani and Brierley(2004)以 Oyabu 河上游源頭區約 3 公里 (上游公里為 B 河段，其下游 2 公里為 O 河段)範圍在 1993 年颱風後大量堆積後的河床調整為主題進行研究，並比較之前在 1954， 1971 年發生的颱風影響。 1. 方法： 21.

(29) (1) 比較歷次橫剖面的體積變化 Vk={Ak+Ak+1+(AkAk+1)0.5}Lk / 3 (AkAk+1 為橫剖面積，Lk 為兩剖面間的距離) (2) 河床形態： (i) 縱剖面：取每點與回歸線的殘差之標準差相加，得粗糙度 (ii) 底岩出露百分比：表示已到侵蝕的極限 (3) 河床形態改變敏感性＝(V+-V-) / (LwΣ(t=1-n)Ft) (分母代表水流能，分子為累加沈積物變化值) 2. 結果與討論： (1) 物質的直徑大小與數量會影響沈積物搬運的門檻(河床粗糙程度、甲冑化、巨石阻擋的力量)，因此對降雨的反應會有空間上的變異。 (2) 大量堆積時，粗糙度降低，系統變的敏感，在低規模、高頻率事件下有效作用。當中強規模事件發生，大量搬運儲存物質，敏感度下降，水流選擇性搬運，床質加粗、灘潭或梯狀潭系統發育，底岩逐漸出露。系統趨於穩定，之後的搬運需大事件才會作用。 (3) 河段連結：集水面積較小，搬運力較低，需要流能大的事件才會回復(大颱風或長期降雨)。流能大而大量搬運的河段，發育灘潭系統及底岩出露。但在大事件作用下搬運，會進入「供應限制 (supply-limited)」，之後不管事件規模多大，輸沙量都會降低。 (4) 由 1954，1971，1993 的大規模堆積推測，河道劇烈變化有 20 年的循環(才有足夠的風化物質)，大規模加積後需 7 年的回復時間。但若有大規模伐木等活動，時間會被重設，系統原有的地形記憶會消失。. 22.

(30) (二)加州 Eel 河及其支流對 1955，1964 及 1997 事件的反應與回復 Sloan 等人(2001)藉由對上述溪流在三次事件中河道寬度、侵淤狀況的改變及其回復的情形，欲獲得控制河道恢復的因素，並加以估計現今以流量為主的真正的影響程度。以下就基本資料及結果加以簡述： 1. 方法： (1) 航照等歷史資料(3-7 年一次)：繪出河寬與河道位置 (2) 橫剖面：說明河道、河階與河岸的關係 (3) 河階表面：縱剖面 (4) 樹輪：推洪水後重新植被的時間 (5) 粒徑分布 (6) 流量資料 2. 結果與討論： (1) 已知氣候狀態下，源頭區高坡降、粗粒物質的特性會有地景明顯的改變。 (2) 主支流地形效應展現在不同的部分。主流為河道加寬。另提及階地受侵蝕程度不同，而侵蝕能力與水深及坡度的乘積成正比，因此比高較低侵蝕較明顯。 (3) 主流的回復就河寬而言需數十年，因降雨與逕流都有很高的季節性差異，回復的營力不是連續的。加上洪水堆積物的粗粒易透水特性，使植物不易在乾季時生長，影響了河道的回復。 (4) 支流洪水期的演育：支流為河道形態及位置的變化(近源頭與崩塌地點，顆粒較粗)，河口有大量且快速的堆積與下切。在暴雨時期，大量物質由邊坡進入支流，當主流水位上升超過支流水位，堵塞支流造成支流口堆積，主流水回淤造成憩水(slackwater)堆積。當主流水位下降至新堆積物質之下，支流隨即下切，形成兩岸不對稱的 23.

(31) 階地。 (5) 支流的回復：谷床地形主要還是罕見、大規模的洪水事件產物。植物需要穩定的河床面才能生長，因此由樹輪可以判定河道在後續洪水持續調整作用的時間，但支流一直未達均衡，而以下切與遷急點等形態表現，1997 年更重新引起河道調整作用。因為三次洪水之間距離太近，沒有足夠時間回復；中度洪水無法搬運粗粒，因此會維持到下次大事件來臨。 (6) 水後的回復速率慢是因為大量堆積物的輸入，細粒可在小規模高頻率的水流中搬運，但崩塌的粗粒則需要大至中度的洪水才能搬運。因此，地景回復的速率與「流量」的關係不明顯，反而與「邊坡破壞的規模與頻率」較有關係。 (三)於瑞士阿爾卑斯山區從事崩塌與河道的十年尺度監控。 Schuerch, P., Densmore, A.L., McArdell, B.W., and Molnar, P.(2006) 監控瑞士中部阿爾卑斯山上的崩塌長達 11 個月，並作了一次河道的縱剖面測量。 1. 方法： (1) 在崩塌上裝上數個感應器，追蹤邊坡物質移動的速率與方向。 (2) 利用河床投影高度，以公式估算崩塌物質的體積。 (3) 比較 1993、2004 年兩次河道縱剖面，但兩次河道剖面的測量方法不同。 2. 結果： (1) 以十年尺度而言，河道是呈現堆積的狀態。 (2) 河道沈積物的搬運是在夏天高水流時期搬運，但研究期間水量較少，搬運能力較差，崩塌物質多堆積在河床上。十年內加積約 1500m3。其中兩區加積最明顯的位置，與崩塌的位置一致。 24.

(32) (3) 舊崩塌的再度復發，可能與坡腳的崩積層被移除有關。. 五、系統歷史的相關研究 1. 過去的環境干擾會影響河道型態，因而影響對未來干擾的反應。也會受地質、氣候與極端事件的影響，使得預測河道反應以及解釋現有河道變遷複雜且困難。因此，河道的反應受子集水區的歷史影響變的複雜且獨特。(Buffinton,2012) 2. 地景的多樣性會因集水區曾經歷的歷史(當代的環境控制)而有其獨特性。在任何河段的變化都可能進一步影響整個地景。(Philips,2007) 3. 歷次事件下，因為流域的自然環境、流域內部特徵不同，因而有不同的反應，造就每一條河的獨特性，個別差異。此外，每一次事件後，改變過後的環境，會成為下一次事件的初始環境，而初始環境的改變，會影響流域在下一次事件中的反應(Brierley and Fryirs,2005)。. 六、臺灣的土石流研究崩塌與土石流的議題在 1996 年賀伯颱風發生後廣泛受到重視，國內各種研究學門投入相關研究，研究成果大致可分為以下 6 類： 1. 土石流發生機制應用水槽試驗及數值模擬方式探討土石流發生的機制，發現河流沖刷邊坡所產生的崩塌物質在河床坡度及河水達到臨界水深的影響下開始運動(陳俞旭，2008；薛祖淇，2001；彭成邦，2003)。討論不同的地形因子與臨界雨量的關係，進以建立個案地區發生土石流的降雨指標(范正成等，2001；許斐芳，2006)，更明確指出在集集地震後臨界降雨量明顯降低(范正成等，2001；周憲德等，20022；鄭胥智，2002)。探討降雨強度與雨水入滲造成土體孔隙水壓激增，進而破壞土體穩定性所造 25.

(33) 成的土石流動為土木學門著重的重點(林美聆、王幼行，1999；洪鳳儀、林美聆，2000；曾泓儒，2001；莊鴻榜，2002；張守陽等，2005)。透過航照比對及現場材料分析強調地質條件與降雨強度對土石流發生的影響(陳宏宇等，1999；紀怡光，2001)。 2. 崩塌及土石流發生的控因此類研究多為個案研究，就已發生的崩塌或土石流討論發生的空間特性，再以統計方法檢視各項因子的重要性。重要的因子包括集水區的地層與構造、規模、坡度、坡向、起伏比及粗糙度、集水區內崩塌地面積、植生狀態，降雨強度及延時，形狀係數，沖積扇的有無、土地利用等等(林銘郎等，1996；林銘郎，2003；林昭遠等，2000；林佑勳，2000；劉雲漢，2000；鄒恬慈，2001；蔡添成，2001；何明憲，2003；柯明淳， 2003；林俊全等，2003；郭芳吟，2003；陳崇華，2004；陳文福等， 2005)。 3. 崩塌、土石流危險度劃分此類研究多以因素分析、判別分析等統計方法來判定上述崩塌或土石流的控因的權重，對集水區進行分類，再將已發生的崩塌與土石流事件與判定的危險溪流進行比對(林美聆等，2000；廖偉民，2001；謝東良， 2001；楊凱均、黃宏斌，2002；張維訓，2003)。亦有多篇論文透過模糊理論及類神經網路分析來處理各項控因，判斷危險溪流的危險等級，再加以驗證(陳明棠，2002；林信亨等，2002；林正道，2003；蕭震洋， 2003；陳正文，2004；黃筱芳，2004)。也有利用謝正倫(1993、2000) 發展指標進行不同地區危險溪流調查的研究(蘇明道等，1999；羅偉等， 2001；張東炯等，2002)；利用土石流發生機率進行分級(詹錢登等， 1999；楊育瑄，2010)。 4. 利用降雨、水文的資料，進行土石流預警界檻值的劃定或雨場切割研究 (陳振杰，1999；李毅宏，2003；曾奕超，2004、黃婷卉，2002)。 5. 崩塌或土石流的空間分布利用的研究工具主要為航照判讀、衛星影像判 26.

(34) 釋與 GIS 套疊等技術(雷祖強等，2001；蔡光榮等，2003；廖凰卿，2003)。再採用類神經網路及統計分析方法加以分析解讀(陳樹群等，2005)。有針對單一事件的調查報告及因應對策(曾建貴等，2002；賴建信等，2001；陳天健等，2001；姚嘉耀等，2004)，也有利用多年資料比較多次事件地景變遷的研究(張子瑩等，2004；王景平等，2005)。大多是對對單一次颱風事件對地景造成的影響進行分析，找出地形變化發生的主因；比對多次事件的崩塌、土石流的空間分布，找出該區自然環境對事件的反應模式，或歸納出地景系統對降雨事件產生反應的界檻值。. 27.

(35) 第三章歷年崩塌與土石流的特性與發生本研究判讀 1993 年、1996 年、1999 年、2001 年及 2004 年的航照，數化各年度的崩塌分布(圖 3-2~3-7)，分析各年度的崩塌形態與其分布特色。此外，比較前後年度發生的崩塌，藉以瞭解歷年崩塌的變遷特性，在分析地震及大豪雨等事件對崩塌的影響。. 第一節崩塌的形態與特色本節將判讀崩塌的成果加以歸納分析，就崩塌的個數、規模，以及崩塌發生的區位，包括邊坡位置以及地層的關係。一、崩塌個數、規模和社溪流域在 1993 至 2004 年間，崩塌地個數由賀伯颱風前的 132 個，在桃芝颱風後至最高峰 717 個，敏督利颱風後略降為 679 個；崩塌地面積由賀伯颱風前的 154.7 公頃，在集集地震/桃芝颱風後超過 500 公頃，敏督利颱風後明顯下降為 315.2 公頃 (表 3-1)。崩塌頻度表示單位面積內崩塌的個數，可以了解流域內崩塌的破碎程度。五次事件中以敏督利颱風的崩塌頻度最高，每平方公里達 7.4 個崩塌，桃芝颱風的 7.2 個與敏督利颱風時的崩塌相近，集集地震則是 5.5 個(表 3-1)。崩塌密度則可以了解流域內崩塌的分布密集程度，可以看出崩塌的嚴重程度。五次事件中，集集地震與桃芝颱風的崩塌密度最高，分別是每平方公里有 5.5 公頃及 5.2 公頃的崩塌面積，其次為賀伯颱風，也有 4.8 公頃的崩塌密度，賀伯颱風前最低。從研究期間的五次崩塌地資料歸納，本流域的崩塌地有 6 成以上不到 1 公頃 (表 3-2、圖 3-1)，崩塌面積小，與臺灣其他地區崩塌規模趨勢一致 (簡碧梧，1995)，其中敏督利颱風的比例最高，近 9 成都是 1 公頃以下的崩塌，集集地震與桃芝颱風的崩塌也多在 1 公頃以下。面積大於 1 公頃的崩塌地，以賀伯颱風時比例最高，不論崩塌個數或崩塌面積都可達該次事件的一半(表 3-2)。就崩塌地形狀而言，賀伯颱風時的崩塌很多是屬於塊狀的崩塌，相對的，集集地震後則增加了許多長條型的山崩溝，使得集集地震時的崩塌個數比賀伯颱風 26.

(36) 時增加了 1.5 倍。但由於集集地震後新增的崩塌多在 1 公頃以下，即使個數大增，發生崩塌的範圍也比賀伯颱風時廣泛，面積僅增加 10％。. 表 3-1 歷年崩塌統計表. 崩塌. 個數頻度(個/km2) 面積(ha) 密度(ha/km2). 賀伯颱風前賀伯颱風集集地震桃芝颱風敏督利颱風 132 201 517 717 679 1.4 2.1 5.5 7.2 7.4 154.7 468.3 514.9 470.7 315.2 1.7 4.8 5.5 5.2 3.4. 表 3-2 歷年崩塌面積分類表崩塌面積(ha) 賀伯颱風前賀伯颱風集集地震桃芝颱風敏督利颱風. 0-0.5 個數 % 79 59.85 56 27.86 320 61.90 470 65.55 500 73.64. 0.5-1 個數 % 21 15.91 42 20.90 91 17.60 137 19.11 107 15.76. (a). 1-5 個數 27 79 88 98 67. % 20.45 39.30 17.02 13.67 9.87. >5 個數 5 24 18 12 5. % 3.79 11.94 3.48 1.67 0.74. 總計. (b). 圖 3-1 各年度崩塌面積累積次數百分比統計圖((a)崩塌個數；(b)崩塌面積). 27. 132 201 517 717 679.

(37) 圖 3-2 賀伯颱風前和社溪崩塌分布圖(1993 年). 28.

(38) 圖 3-3 賀伯颱風和社溪崩塌分布圖(1996 年). 29.

(39) 圖 3-4 集集地震和社溪崩塌分布圖(1999 年). 30.

(40) 圖 3-5 桃芝颱風和社溪崩塌分布圖(2001 年). 31.

(41) 圖 3-6 敏督利颱風和社溪崩塌分布圖(2004 年). 32.

(42) 圖 3-7 和社溪流域五個時期的崩塌分布疊圖 (註：裸露岩層指流域內長期裸露的陡峭邊坡。本研究判釋時可透過亮度判釋邊坡作用與否。). 33.

(43) 二、崩塌之邊坡位置 (一)崩塌的平均坡度本研究先將五次事件崩塌與坡度圖疊合，計算每一個崩塌的平均坡度值(圖 3-8)。平均坡度值是一般研究普遍使用的指標，可與其他崩塌研究成果相比較。發現大多數的崩塌發生在 35－45。之間，集集地震和桃芝颱風的崩塌平均坡度(40-60。)明顯較賀伯颱風的崩塌(35～50。)高。表示集集地震後崩塌的坡度相較之前的賀伯颱風有增加的趨勢，桃芝颱風的崩塌中有 13.25%是集集地震的崩塌向上邊坡延伸，因此平均坡度也較賀伯颱風高；敏督利颱風的平均坡度則較桃芝颱風緩，但仍比賀伯颱風時高(圖 3-8)。賀伯颱風前的崩塌平均坡度 35。以上的比例較高，是因為有幾個發生在陡坡的老崩塌，若除去這些老崩塌，其餘的崩塌大都集中在 35。以下。 (%) 35. 賀伯颱風前集集地震敏督利颱風. 30 25. 賀伯颱風桃芝颱風. 20 15 10 5 0 0-10. 10-20. 20-25. 25-30. 30-35. 35-40. 40-45. 45-50. 50-60. >60. (度). 圖 3-8 歷年崩塌的平均坡度分布圖 (二)崩塌發生的邊坡位置崩塌出現的邊坡位置 (圖 3-9)，在賀伯颱風前，崩塌個數在各邊坡位置的分布較為平均，約各佔 30 - 40%。位於上邊坡之崩塌在桃芝颱風後接近 6 成；位在下邊坡之崩塌地的比例在集集地震和桃芝颱風後低至 2 成，敏督利颱風後上升至 3 成以上(雖然崩塌地仍以上邊坡的比例最高)。仔細比較事件之間的崩塌邊坡位置的差異，可以發現賀伯颱風在上、中、下邊坡都是崩塌面積變動最大的事件；崩塌個數增加以集集地震增加比例最明顯，以中上邊坡為主(表 3-3)，顯示出地震所誘發的崩塌區位特色(Chang et al., 2007)。 34.

(44) 桃芝颱風上邊坡的崩塌面積雖然較集集地震少，但崩塌個數的變化仍達到 62%(表 3-3)，顯示桃芝颱風在上邊坡增加許多小規模的山崩溝。桃芝颱風的崩塌區位比較接近地震形態，雖是降雨造成的崩塌，卻因地震生大量的裂隙，導致崩塌，受集集地震影響明顯(Lin et al.,2003)。賀伯颱風與桃芝颱風發生時，位於中邊坡的崩塌個數雖較少，面積卻增大(圖 3-9)，可能與山腰地區孔隙水壓較大，邊坡在水的弱化之下，易發生崩塌(徐美玲，1995)。敏督利颱風時，中、上邊坡的崩塌面積相較於桃芝颱風都呈現負成長，僅位於下邊坡的崩塌面積增加，與其屬於長延時，高強度的降雨事件較相關(陳樹群等，2012)。表 3-3 崩塌在各邊坡位置個數變化表(上排：個數和面積的變化值，下排：百分比變化值). 賀伯颱風後～前. 上邊坡中邊坡下邊坡 (%). 集集～賀伯. 桃芝～集集. 敏督利～桃芝. 個數. 面積(ha). 個數. 面積(ha). 個數. 面積(ha). 個數. 面積(ha). 47. 221.16. 150. 31.24. 149. -29.31. -134. -168.58. 112%. 204%. 169%. 9%. 62%. -8%. -35%. -48%. -6. 44.52. 84. 13.37. 14. 9.08. 19. -23.47. -13%. 147%. 200%. 18%. 11%. 10%. 18%. -20%. 19. 25.53. 83. 15.36. -6. -8.5. 103. 13.80. 45%. 160%. 136%. 37%. -4%. -15%. 78%. 33%. 70 60 50. 賀伯颱風前. 賀伯颱風. 集集地震. 桃芝颱風. 敏督利颱風. 40 30 20 10 0 上邊坡. 中邊坡. 下邊坡. 圖 3-9 崩塌之邊坡位置統計圖 35.

(45) 三、崩塌與出露地層之間的關係崩塌在各出露地層的分布狀況，也有時間上的變化。在賀伯颱風前，崩塌出現在南莊層及南港層，密度與頻度都比之後的事件低(表 3-4)。賀伯颱風之後，關刀山砂岩層的崩塌密度上升，集集地震為高峰，至敏督利颱風明顯下降。南莊層與關刀山砂岩層的崩塌密度與頻度在敏督利颱風後明顯下降，崩塌現象趨於緩和。南港層的崩塌密度自集集地震以來持續增加，以敏督利颱風時增加幅度較為明顯，且多為發生在下邊坡的河岸侵蝕。Lin et al.(2008)提到地震前到地震後和社層 (南港層)崩塌密度逐漸低降，而南莊層的比例則為逐漸升高，與本研究的發現不盡相同。這可能與兩個研究區內出露地層之比例不同有關：就陳有蘭溪流域整體而言，南莊層分布面積較廣，南港層在和社聚落以下，僅出露於陳有蘭溪主流沿線，而在和社溪流域內其出露面積所佔比例，相對遠較其在陳有蘭溪流域之比例為高，因此造成兩地區崩塌密度趨勢不同。因此，本研究顯示的地層空間差異性，說明在潛勢分析中，不同地層的權重應隨研究區域中地層比例而有所不同。此外，該篇文章利用衛星影像判釋崩塌地，卻不包含本區為數眾多的山崩溝的側蝕及深層崩塌，與本研究的定義有所出入，因而造成崩塌母群體的根本差異，也是結果不同的主因。表 3-4 各地層之崩塌頻度及密度表賀伯颱風前密度 (ha/km2). 頻度 (個/ km2). 賀伯颱風密度 (ha/km2). 集集地震. 頻度 (個/ km2). 密度 (ha/km2). 頻度 (個/ km2). 桃芝颱風密度 (ha/km2). 頻度 (個/ km2). 敏督利颱風密度 (ha/km2). 頻度 (個/ km2). 沖積層. －*. －. －. －. －. －. －. －. －. －. 台地層. －*. －. 0.2. 0.3. －. －. 0.1. 0.3. 0.9. 4.7. 關刀山砂岩. 0**. 0. 17.6. 4.0. 36.6. 12.7. 24.3. 24.2. 6.0. 13.5. 南莊層. 2.3. 1.8. 5.2. 1.9. 6.1. 5.8. 6.0. 7.1. 3.0. 5.7. 南港層. 1.0. 1.1. 3.8. 2.4. 2.9. 5.1. 3.0. 7.0. 3.6. 9.0. 註：* 判釋時受限照片拍攝角度與品質，未判釋出崩塌。** 雖有裸露岩壁，但未判釋崩塌發生。. 36.

(46) 第二節崩塌的歷年變遷本研究為了細分各次崩塌間的關係，將前後兩次事件的崩塌相比，將崩塌細分成三種類別：新增、重疊及復原。若兩次崩塌所發生的崩塌面積有 50%以上的重疊，就視為重疊的崩塌，而該次崩塌可能是重疊後擴大或縮小，本研究暫不討論。1993 年至 2004 年間五次事件中，崩塌地的新增、重疊和復原的判釋結果，如表 3-5 所示。表 3-5 崩塌個數及面積統計表賀伯颱風集集地震桃芝颱風敏督利颱風新增個數(比例(%)) 157(78.1) 400 (77.4) 406(56.6) 370(54.5) 新增面積(比例(%)) 229(49.0) 215(41.8) 147(31.1) 105(33.3) 重疊個數(比例(%)) 44(21.9) 117(22.6) 311(43.4) 309(45.5) 一、新增崩塌 (一)新增崩塌的個數與面積兩兩事件比較後，集集地震與桃芝颱風的崩塌新增個數最多。賀伯颱風及集集地震所造成的新增崩塌個數占該事件崩塌超過 3/4，變動最大。其中，賀伯颱風因數個大面積崩塌發生，新增面積最高(圖 3-10、表 3-5)；但集集地震崩塌以小規模的山崩溝為主，因此新增面積比例約 4 成(表 3-5)。桃芝颱風與敏督利颱風的崩塌則有近 5-6 成屬於新增崩塌，崩塌仍以小規模為主，僅佔總崩塌面積 3 成左右。 (%) 80. 新增個數百分比. 70. 新增面積百分比. 60 50 40 30 20 10 0. 賀伯颱風. 集集地震. 桃芝颱風. 圖 3-10 新增崩塌個數及面積統計圖 37. 敏督利颱風.

(47) (二)新增崩塌發生的邊坡位置上邊坡新增的崩塌比例以集集地震與桃芝颱風最高(表 3-6)；下邊坡則以賀伯颱風與敏督利颱風為高。同樣是颱風事件，桃芝颱風上邊坡新增的崩塌比例 (55.6%)大於賀伯颱風 (40.9%)(表 3-6)，較符合 Chang et al. (2007)所言之大地震的效應，與颱風造成之崩塌多集中在中下邊坡的狀況不同。筆者進一步統計本研究區在桃芝颱風後的崩塌有 13.3%是集集地震時的舊有崩塌向上邊坡延伸的產物，更明確的顯示出此次事件受集集地震的影響程度。表 3-6 新增崩塌的邊坡位置統計圖上邊坡賀伯颱風前後(%) 40.9 集集賀伯(%) 48.2 桃芝－集集(%) 55.6 敏督利－桃芝(%) 33.6. 中邊坡 22.7 23.6 20.2 25.8. 下邊坡 36.4 31.0 24.2 40.7. 二、重疊與復原的崩塌面積 5 公頃以上的崩塌重複發生機率達 50％以上，1 到 5 公頃的崩塌也有 30% (圖 3-12)。桃芝、敏督利兩次颱風的崩塌重疊的個數較高，達 4 成以上(表 3-5)；且重疊的面積比例都在七成左右。若以歷次事件重疊的崩塌比例來反映舊崩塌的復發狀況，表示這兩次事件與集集地震的關係相對重要。五次事件中，復原的崩塌之面積多小於 1 公頃(表 3-7)，小規模的崩塌在歷次事件都有 5 成以上的復原程度。這類崩塌從航照上觀察多屬於淺層崩塌，植物容易生長。此外，復原的崩塌也和坡度有關，以賀伯颱風等四個事件後的平均狀況而言，坡度越低的崩塌越容易復原 (圖 3-13~14)，30。以下的崩塌有 6-7 成的機會在下一年度已被植被覆蓋，裸露面消失。這應該與坡度低，風化物質較豐富，植物容易著生，坡面逕流的流速相對較慢，沖蝕能量較弱有關。值得注意的是，雖然賀伯颱風 38.

(48) 後的復原崩塌被植被覆蓋，但若是風化物質豐富的地區，即使集集地震沒有出現，有些崩塌會在桃芝颱風時再重新發生新的崩塌。在 50。以上的陡坡地區，復原的崩塌其面積多不超過 1 公頃。. (%) 50 40. 重疊個數百分比重疊面積百分比擴大面積百分比. 30 20 10 0 賀伯颱風. 集集地震. 桃芝颱風. 敏督利颱風. 圖 3-11 重疊的崩塌個數及面積統計圖 (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 賀伯前後賀伯~集集集集~桃芝桃芝~敏督利. <0.5. 0.5-1. 1~5. >5. (ha). 圖 3-12 崩塌規模與重複崩塌百分比關係圖. 39.

(49) 表 3-7 歷年復原的崩塌規模統計表崩塌面積 (ha) <0.5 0.5-1 1-5 >5 總數. 賀伯颱風前 (1993 年) 個數* (%) 61/79 77 10/21 48 9/27 33 1/5 20 81/132 61. 賀伯颱風 (1996 年) 個數* (%) 33/56 59 30/42 71 31/79 39 6/24 25 100/201 50. 集集地震 (1999 年) 個數* (%) 213/320 67 36/91 40 16/88 18 0/18 0 265/517 51. 桃芝颱風 (2001 年) 個數* (%) 324/470 69 74/137 54 31/98 32 1/12 8 429/717 60. (註：「*」後一事件發生時，前一事件已復原的崩塌個數與該年度該等級崩塌總個數關係的表示法). (%) 100.00 賀伯颱風前集集地震. 80.00. 賀伯颱風桃芝颱風. 60.00 40.00 20.00 0.00 10~20. 20~30. 30~35. 35~40. 40~45. 圖 3-13 復原崩塌之坡度分布與該年度坡度分布統計圖. 圖 3-14 歷次事件不同坡度之復原崩塌比例統計圖. 40. 45~50. 50-60 (度).

陳有蘭溪源流區之崩塌與土石流發生特性與空間差異： 以和社溪流域為例

陳有蘭溪源流區之崩塌與土石流發生特性與空間差異：以和社溪流域為例