應用 GeoWEPP 進行南化水庫集水區土砂沖淤模擬

DOI: 10.29417/JCSWC.202109_52(3).0006

應用 GeoWEPP 進行南化水庫集水區土砂沖淤模擬

林晉守 ^[1]* 何幸娟 ^[1] 林伯勳 ^[1] 張哲益 ^[2] 蔡明發 ^[2] 高伯宗 ^[2]

摘 要

土壤沖蝕造成地表土壤流失、及下游淤積等問題，對集水區之水土保持規劃、及水庫庫容影響甚 鉅。目前土壤沖蝕量之估算，多採用經驗公式、及人工現地調查等方式進行推估，惟前者僅能推估年土壤沖 蝕量；後者則受時間及空間限制。為解決上述遭遇問題，本文採用 GeoWEPP 建立南化水庫集水區水文及地文 模型，進行土砂沖淤模擬，並與現地監測結果、及水庫新增淤積量實測資料進行驗證，模擬誤差約為 19~25%，

顯示是項分析確屬可行，可做為集水區水土保持規劃及沉砂容量之設計依據。

關鍵詞：

土壤沖蝕、水庫淤積、GeoWEPP。

Using the Geo-Spatial Interface for WEPP to Simulate Erosion and Deposition of Sediments in the Nanhua Reservoir Watershed

Chin-Shou Lin

Hsing-Chuan Ho

Bor-Shiun Lin

Je-Yi Jhang

Ming-Fa Tsai

Po-Tsung Kao

ABSTRACT Soil erosion causes topsoil loss and downstream siltation, which has an adverse effect on the soil and water conservation of the watershed area and also reduces the reservoir capacity. Soil erosion estimation is commonly performed using empirical formulas and manual on-site surveys. However, empirical formulas can only be used to estimate the annual soil erosion, and on-site surveys are limited by time and space. To address the aforementioned problems, this study used the Geo-spatial interface for WEPP (GeoWEPP) to establish a hydrological model of the Nanhua reservoir watershed area in Taiwan, then simulated sediment erosion and deposition, and finally, validated the modeled output with the on-site monitoring and measurement of the new siltation amount in the reservoir. The results indicated that the error between the simulation and measurement data was 19%–25%, which can be used as the basis for soil and water conservation measures and sediment capacity control of the watershed area

Key Words: Soil erosion, Reservoir siltation, GeoWEPP.

一、前 言

土壤運動一般可分沖蝕、搬運以及堆積。而土壤沖蝕依 營力來源不同，可區分自然界外力引致自然沖蝕 (natural erosion)，以及人為因素引致加速沖蝕 (accelerated erosion)；

就自然沖蝕而言，降雨造成的水蝕為相當重要因素，當降雨 發生時，雨滴直接或間接撞擊土壤，造成表層土粒與土體分 離，產生飛濺冲蝕 (splash erosion)；隨著降雨持續進行，地 表土壤含水能力達到飽和，水體逐漸匯集成為逕流，造成層 狀侵蝕 (sheet erosion) 、紋溝侵蝕 (rill erosion)、及蝕溝侵 蝕 (gully erosion) 等不同侵蝕型態；水流最後逕流匯集至河 川，於河道邊坡造成衝擊而形成河岸侵蝕 (stream bank ero- sion)。此一系列侵蝕現象源均始於降水，皆稱為水蝕作用 (water erosion) (水利署，2006)。其中，土壤沖蝕量其受降雨 量及降雨強度之影響，且具有於時空間分布不均之特性，因

此土壤沖蝕量問題存在著許多不確定性，過去沖蝕量推估方 式多採用經驗式計算，其多為整體集水區均化後之結果，無 法得知局部區域之土壤沖蝕程度，為解決上述問題，相關研 究者藉由現地試驗、化學追蹤劑以及攝影量測技術，並定期 或颱風事件，赴野外直接或間接採集土壤沖蝕資料，或是藉 由物理模型如 EUROSEM、CASC2D、KINEROS 等，進行 土壤沖蝕量之推估(許振崑等人，2012)。

二、 GeoWEPP 發展及基本理論

目前國、內外廣為使用通用土壤流失公式 (USLE) 進行 土壤沖蝕量之推估，其主要考量地形、土壤成分、土地利用 等影響土壤沖蝕行為之自然營力因子；惟 USLE 係以經驗 公式進行年平均土壤沖蝕量計算，無法反映不同降雨狀況下 土壤沖蝕量變化，且難以模擬沖蝕過程中，流失土砂於集水

〔1〕財團法人中興工程顧問社

Sinotech Engineering Consultants, Taipei 280, Taiwan, R.O.C.

〔2〕行政院農委會水土保持局

Soil and Water Conservation Bureau, Nantou 540, Taiwan, R.O.C.

* Corresponding Author. E-mail: [email protected]

區之沖淤分布情形 (何幸娟等人，2016)。因此，為克服前述 USLE 使用限制，美國農業部於 1985 年以水文學和沖蝕理 論為基礎，開始發展水蝕模型 (Water Erosion Prediction Pro- ject, WEPP)，其可模擬不同土地利用類型 (農耕地、草地、

林地、建築工地及城市等) 對逕流和沖蝕的影響，林俐玲等 人 (1997) 曾應用 WEPP 模型進行坡地茶園沖蝕評估，成果 顯示其應用於小區域的土壤沖蝕推估具有高度的可行性；林 伯勳等人 (2019) 亦用於預測水庫集水區坡面沖蝕量，並回 饋至水庫集水區保育治理規劃。2003 年，WEPP 模型與地理 資訊模型 GIS 相結合，開發 GeoWEPP 模型 (the geo-spatial interface for WEPP) 。其優點在於能直接利用各種數值化地 理資訊 (數值高程模型及地形圖等等) 生成集水區水文模 型，並進行集水區土砂沖淤分布情形之境況模擬， Zhang et al.,(2015) 曾應用 GeoWEPP 模型進行紅土丘陵地形集水區 土壤沖蝕量預測；楊尚霖等人 (2016) 亦應用 GeoWEPP 模 型於建構曾文水庫集水區土壤沖蝕經驗式，經多年發展後，

GeoWEPP 模型至今已成為一成熟且具可信度之集水區沖淤 推估模式之一。

GeoWEPP 程式目前為地理資訊系統軟體 ArcGIS 之安 裝套件，其彙整「TOPAZ」、「PRIsM」、「WEPP」等三 種子套件，分別針對地形模型、氣象模型、以及沖蝕水文模 型進行運算，如圖 1 所示，茲就各項子套件功能分述如下：

圖 1 GeoWEPP 程式框架

Fig.1 The framework of GeoWEPP

1. TOPAZ：讀取 DEM 數值地形進行地形評估，流域切割、

規劃流徑。

2. PRIsM：讀取與編輯現有氣候數據，並生成模擬所需之氣 象模型。

3. WEPP：將前述數值地形切割出之坡面幾何參數，結合土 壤參數、土地利用參數進行大量模擬沖蝕運算。其中，參 考，WEPP 之計算原理，係以穩態連續方程式描述坡面土 砂運動 (Foster et al., 1989、林伯勳等人，2019)，其方程 式如下：

(1) 式 1 中 x 為某點沿下坡方向距離 (m)；G 為輸砂量[kg/(s．

m)]； 為紋溝沖蝕速率[kg/(s．m

)]； 為紋溝間泥砂輸送 至紋溝的速率[kg/(s．m

)]。

當水流剪力大於臨界土壤剪力，且輸砂量小於泥沙搬運 量時，沖蝕狀態以沖蝕-搬運為主 (如式 2 至式 3) 所示。

1 (2)

(3) 式中 為紋溝水流撥離能力[kg/(s．m

)]； 為紋溝間泥

砂運移能力[kg/(s．m)]； 為紋溝可蝕性參數 (s/m)； 為水 流剪切壓力(Pa)； 為臨界剪切力(Pa)。

反之，當輸砂量大於泥沙搬運量時，則以侵蝕-堆積過程 為主，如式 4 所示。

(4) 式中 V

為有效沉積速率 (m/s)；q 為單位寬度水流量

(m

/s)；β 為雨滴擾動係數。

三、GeoWEPP 沖淤模擬分析

1. 分析流程

應用 GeoWEPP 進行集水區坡面沖蝕模擬之流程如圖 2 所示，主要可分為「資料準備」、「資料輸入」、「資料分 析」、「資料驗證」等四個部分，詳細說明如下：

(1) 資料準備：集水區模型需包含 ASCII 格式之數值高程 地形、土壤分布、土地利用等圖資，並需針對土壤分 布以及土地利用個別編輯描述檔，供 WEPP 進行模擬 沖蝕運算時讀取相關參數設定。除外，需蒐集一鄰近 集水區流域之氣象站資料作氣候模擬資料來源。

(2) 資料輸入：輸入數值高程、土地利用分布、及土壤分 布圖層，透過 TOPAZ 計算集水區之流域面積及生成 流徑，並透過土壤分布、及土地利用分布描述檔進行 參數設置，完成集水區模型建立。

(3) 資料分析：輸入鄰近集水區流域之氣象站資料，並選 擇沖蝕預測模式，其中包含流徑模式及流域模式，相 關特性彙整如表 1 所示，後續依不同坡面單元搭配對 應之 WEPP 土壤參數、土地利用參數進行模擬沖蝕運 算，並生成集水區土砂沖淤數據庫。

(4) 資料驗證：以 GeoWEPP 模型推估坡面沖蝕量之運算 結果，可求得年逕流量、年土壤流失量、年土砂產量 等， 其可透過實際水庫之年淤積量加以驗證模型之合 理性；而土砂收支分析、水文站等河道土砂運移監測 數據則可驗證子集水區之坡面沖蝕行為是否符合實際 情況。

表 1 沖蝕預測模式說明表

Table 1 Description of erosion prediction model

預測模式 流徑模式 流域模式

運算範圍 所有徑流 每個流域取代表性坡面

計算時間 較長 較短

計算精度 較高 較低

特性 可得土砂運移變化

之空間分布 可得年降雨量及土砂生產量

2.土壤參數與靈敏度分析

GeoWEPP 程式除利用 PRISM 與 TOPAZ 定義分析樣區 之氣象站資料與坡面幾何參數外，尚需利用 WEPP 定義土壤 參數、土地利用參數，茲就各項參數定義及範圍分述如下：

(1) 土壤參數：

WEPP 土壤參數彙整如表 2 所示，參考林伯勳等

人 (2019) 針對各項土壤參數進行靈敏度分析，結果

顯示在一固定坡面、氣候條件下，若以模擬坡面逕流

量而而言，敏感度最高為有效水力傳導度，其次為初

始飽和度，而紋溝間侵蝕度、紋溝侵蝕性、臨界剪切

力、土壤反照率及陽離子交換能力斜率皆為零，與預

測結果無直接影響，若就土壤流失量而言，臨界剪切 力與紋溝侵蝕性最大，接續為有效水力傳導度、初始 飽和度、土層深度、紋溝間侵蝕度，而土壤反照率及 陽離子交換能力影響不大，有鑑於此，土壤之有效水 利傳導度、初始飽和度、臨界水切應力與紋溝侵蝕性 參數率定需格外謹慎。

(2) 土地利用參數：

彙整如表 3 所示，由於其各項參數量化不易，且 內建土地利用參數涵蓋領域廣泛，包含道路、不同植 生、裸露面等，因此本文皆使用內建土地利用參數作 為建立集水區模型輸入參數。此外，土地利用參數之 改變，可運用於山坡地土地利用計畫前後坡面土壤沖 蝕量變化之評估。

圖 2 GeoWEPP 分析流程示意圖

Fig.2 The procedure of running GeoWEPP

圖 3 WEPP 土壤參數敏感度分析 (林伯勳等人，2019)

Fig.3 Sensitivity analysis of WEPP soil parameters

表 2 WEPP 土壤參數彙整表 (林伯勳等人，2019) Table 2 Soil parameter list for WEPP

名詞 代號 單位 參數說明/經驗公式 適用範圍

初始飽和度 (Initial Saturation Level)

Initial SAT.

- 為模擬開始時最初土壤含水量，建議設為70 %，也可依公式計算:

Initial SAT.=SAT×POR×RFG×DG

*SAT：飽和度，POR：土層孔隙率，RFG:土層中岩石之孔隙率，DG:土層厚度

0~100

反照率 (Albedo)

percent - 為被反射回大氣的太陽輻射的百分比，用於估計到達土壤面的淨輻射。

乾土，裸土建議為5~20 %

0~100

紋溝間侵蝕性 (Interrill Erodibility)

Kg*s/m

砂含量>30 %： 2728000 192100

砂含量<30 %： 6054000 55130

2*106~11*106

紋溝侵蝕性 (Rill Erodibility)

s/m 砂含量>30 %：K

=0.00197+0.0003*VFS+0.03863e

砂含量<30 %： 0.0069 0.134

*若黏土含量<10 %，使用含量10 %為 之黏土含量參數

-

臨界剪切力 (Critical Shear)

τ N/m

砂含量>30 %：Τ 2.67 0.065 0.058 砂含量<30 %：τ 3.5

1~6

有效水力傳導度 (Effective Hydraulic con-

ductivity)

mm/h 黏土含量<40 %： 0.265 0.0086 SAND

11.46

黏土含量>40 %： 0.0066 exp

-

各向異性比 (Anisoto-phy)

- - 為橫向與垂直向水流動的差異比，建議設為25。 1~ 1000

表 3 WEPP 土地利用參數彙整表 (林伯勳等人，2019) Table 3 Land use parameter list for WEPP

名詞 參數說明 範圍

土壤擾動 Surface Area Disturbed

由耕作所受干擾的土壤表面積的量，用於確定土壤表面粗度，也進而影響了耕作後土壤

的可蝕性。 -

總體密度 (g/cm

) Bulk Density

為土壤耕作後的體機密度，依乾土質量除以占據的體積而得，若不確定其值，可輸入0，

將以預設值預估。 0.8~1.5

初始紋溝間覆蓋率 (%)

Initial Interrill Cover 代號為IRCOV，由紋溝頂部觀察，殘留物所覆蓋於紋溝間之百分比。 0~100 耕作深度

Tillage Depth 為操作工具的平均耕作深度，其值導致WEPP重新計算土壤擾動天數之現有數值。 - 生質能源比

Biomass Energy Ratio 生質能源比是將植物參數轉換成生質能源，為改變微生物增殖速度的主要變量。 - 冠層覆蓋率 (%)

Canopy cover coefficient

代號為BB，用於計算冠層覆蓋做為乾物質營養參數(VDM)。

Canopy cover=1-exp(BB*VDM) -

最大根深度 (mm) Max Root Depth

為植物最大根之深度可根據最大根深度和當前生長程度天數的比值計算出深層土壤水分

流失程度。 -

三、研究樣區分析

本文以南化水庫集水區作為應用 GeoWEPP 程式進行土 砂沖淤模擬之研究樣區，其屬曾文溪支流後堀溪之在槽水 庫，水源除後堀溪另由高屏溪支流旗山溪的甲仙攔河堰越域 引水，其詳細地文特性及水文特性分述如下：

1. 地文特性

本文係參考水保局 (2015) 所彙整國土測繪中心公布之 土壤分布圖資、土地利用圖資，以及內政部地政司公布之數 值地形高程圖資，作為建立集水區模型之基礎。整體而言，

南化水庫集水區地形由西南向東北方向逐漸升高，高程介於 120m 至 1,200m 間，如圖 4 (a)；土壤類型主要為沖積土，崩 積土及石質土等，如表 4 及圖 4(b) 所示；土地利用以農業 與林業為主，其中闊葉林占比例最高，約占 46 %，主要分布 於中下游處，而果園及竹林次之，約占比 33 %地附近，分布

如圖 4(c) 所示。此外，由於 GeoWEPP 模型需建立所需輸入 參數眾多，因此本文以相似土壤組成成分(質地、粒徑分布)、

以及土地利用類型對應之內建參數作為輸入，彙整如表 5 所 示。

2. 水文特性

南化水庫之集水區面積約為 108.30 km

，水系分布詳見 圖 4(d)，南化本流長度約 28 km，主要水系包含羌黃坑、滴 水坑、草人坑、亞美坑等，並區分為木瓜坑、平坑仔、竹子 山及庫區等四治理分區。年平均氣溫為 23.9℃，年平均蒸發 量為 1,299.4 mm。參考水保局 (2017) 彙整南化水庫集水區 年降雨量紀錄並且繪製年平均降雨趨勢如圖 5，由圖可知，

南化水庫集水區年平均降雨量變化呈現逐漸增強之趨勢，且 近 10 年之年平均降雨量約為過去之 1.08 至 1.13 倍；此外，

其年平均降雨量明顯大於臺灣年平均降雨量。

表 4 南化水庫集水區土壤組成百分比 (水保局，2015)

Table 4 Percentage of soil composition in Nanhua reservoir watershed

土壤類別 石質土 沖積土 紅壤 崩積土 黃壤 雜地 無母質 總計

面積 (ha) 7,332.13 514.86 13.43 2,648.15 33.79 287.64 - 10,830.00 比例 (%) 67.71 4.75 0.12 24.45 0.31 2.66 - 100.00

表 5 GeoWEPP 選用參數彙整表

Table 5 Soil and Land use parameter list for GeoWEPP

土壤類別 石質土 沖積土 紅壤 崩積土 黃壤 雜地 無母質

選用內建參數 Forest sandy loam

Sandy loam

forest buffer forest loam Sandy loam

forest buffer forest loam forest clay loam Sandy loam forest buffer

土地利用類別 針葉林 闊葉林 草生地 道路/建築 茶園/果園 崩塌地 其他

選用內建參數 Forest Forest Perennial grass-lawn Road-outsloped

rutted corn-no till fallow grass-lawn

(a) 地形及地勢圖 (b) 土壤圖

(c) 土地利用圖 (d) 水系分布圖

圖 4 南化水庫集水區空間地理資訊圖 (水保局，2015)

Fig.4 Environmental Information of Nanhua reservoir watershed

圖 5 南化水庫集水區歷年年平均降雨趨勢圖 (水保局，2017)

Fig.5 Annual average rainfall trend chart of Nanhua reservoir watershed

四、分析結果與驗證

1. 模擬結果

本文以既有民國 107 年完整氣象資料及淤積量測資料 為優先選用，作為年降雨事件輸入，並應用 GeoWEPP 針對 南化水庫集水區進行土砂沖淤模擬，其模擬年降雨量為 2927.5 mm；推估年逕流量為 1.5 億 m

、年土壤流失量為 218 萬 m

，其中，以 GeoWEPP 內建 TOPAZ 套件考量地形、坡 向及流量所切割之流域單元如圖 6(a) 所示；以流域模式所 模擬之土壤流失量如圖 6(b) 所示；以流徑模式模擬之土砂 沖淤分布如圖 6(c) 所示。模擬結果顯示，南化水庫集水區經 歷民國 107 年之整年降雨事件後，該集水區之年土壤流失量 以各子集水區之上游最多、且靠近河道處皆有堆積現象發 生，尚屬自然現象。

2. 資料驗證

(1) 年降雨量驗證

民國 107 年度北寮氣象站之年累積降雨量為 2955.5 mm，與本文透過 GeoWEPP 模擬年降雨量

2927.5 mm 之實際誤差為 0.9 %，顯示 GeoWEPP 能針 對不同之氣象資料進行境況模擬，且符合實際情況。

(2) 年土砂入庫量驗證

本文應用 GeoWEPP 於南化水庫集水區所推估之 土砂沖淤量為 155.7 萬 m

，而 107 年度南化水庫新增 淤積量為 192.6 萬 m

，其誤差約 19.2 %，屬合理誤差 範圍內

(3) 與坡面表土流失監測資料驗證

水保局曾於 108 年 4 月至 9 月期間於南化水庫集 水區中，應用 IOT 技術分別於木瓜坑治理分區、平坑 治理分區、竹子坑治理分區、及羌磺坑治理分區佈設 4 處坡面沖蝕監測點位，其中各治理分區監測之總累 積降雨量正規化單位降雨量下平均沖蝕深度，如表 6 所示，並與 GeoWEPP 所推估之平均沖蝕深度 (如表 7) 進行比較，其結果顯示，南化水庫集水區實際單位 降雨量下平均沖蝕深度為 0.0119mm/mm，GeoWEPP 程式所推估之平均沖蝕深度為 0.009mm/mm，兩者誤 差為 25.2 %，屬合理誤差範圍內 (Moriasi et al., 2007)。

表 6 坡面沖蝕監測資料彙整表

Table 6 Slope erosion monitoring data

監測區域 累積降雨量 (mm) 累積深度 (mm) 單位降雨量下平均沖蝕深度 (mm/mm)

木瓜坑治理分區 720 10.8 0.0151

平坑治理分區 720 5.6 0.0078

竹子坑治理分區 633 8.2 0.0129

平均 0.0119

表 7 GeoWEPP 模式推估平均沖蝕深度彙整表

Table 7 Average erosion depth calculated by GeoWEPP

計算項目 結果

模擬累積降雨量 (mm) 2,927.5

模擬流域面積 (ha) 8,234.62

土壤流失量 (萬m3) 216.9

累積深度 (mm) 26.34

單位降雨量下平均沖蝕深度 (mm/mm) 0.009

(a) 流域單元 (b) 流域單元土壤流失量

(c) 坡面單元土砂沖淤分布 圖 6 南化水庫集水區坡面沖蝕模擬結果圖

Fig.6 Simulation results of soil erosion in Nanhua reservoir watershed

五、結論與建議

本文應用 GeoWEPP 所建立之南化水庫集水區模型，能 準確生成其水庫集水區之溪流分布，且能透過年度降雨事件 反映實際土砂入庫情形，若能透過實際坡面沖蝕監測資料相 互驗證及滾動式率定水庫集水區模型參數，且以不同回歸週 期之降雨事件進行境況模擬，其模擬結果可作為水土保持治 理之參考及依據，為達上述分析目的，建議改善方向與精進 課題，條列如下：

1. 由於 GeoWEPP 程式具有計算單一流域之限制，故其入流 點以下之集水區 (如羌黃坑治理分區等) 皆不在計算範 圍內；建議若遇流域分散之情形，應個別進行模擬，並再 進行水庫集水區整體性之評估。

2. 利用 GeoWEPP 所推估之土壤流失量，並無考量降雨引致 崩塌料源生產量，惟南化水庫集水區每年皆有降雨引致 崩塌發生；建議可結合打荻經驗式進行降雨引至新增崩 塌量之推估，使其土壤流失量計算更為準確。

3. 針對分析區域，若能透過其它現況調查、或室內試驗加以 率定土壤參數，使其具有區域性，除能更接近實際狀況 外，亦可降低使用者輸入參數時之疑惑。

參考文獻

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2020 年 11 月 27 日 收稿 2021 年 02 月 02 日 修正 2021 年 04 月 09 日 接受