科技部補助專題研究計畫成果報告 期末報告
崩塌引發的振動現象與其地表變化之相關性研究（3/3）
計 畫 類 別 ： 個別型計畫
計 畫 編 號 ： MOST 105-2116-M-006-005- 執 行 期 間 ： 105年08月01日至106年07月31日 執 行 單 位 ： 國立成功大學地球科學系（所）
計 畫 主 持 人 ： 林冠瑋
計畫參與人員： 碩士級-專任助理：顏心儀
碩士班研究生-兼任助理：陳亮谷 碩士班研究生-兼任助理：吳昱杰
報 告 附 件 ： 出席國際學術會議心得報告
中 華 民 國 106 年 10 月 31 日
中 文 摘 要 ： 由極端降雨事件造成的大規模土砂災害已經成為近年防災工作的新 挑戰，但是礙於過去的觀測紀錄不足，及大規模崩塌確切的發生時 間難以獲得，所以無法進行降雨條件的分析。利用寬頻地震站所記 錄到大規模崩塌引發的地表振動訊號，可以從中擷取出崩塌發生時 間及運動歷時等基本資訊，將可應用於雨量資料收集與促崩降雨條 件分析。本研究針對2005年至2014年間的19個颱風、豪雨事件，收 集事件期間地表振動訊號，並經由人工判釋的方式搜尋大規模崩塌 的地動訊號特徵圖形，從中篩選出由崩塌作用所產生之地動訊號。
藉由地動訊號對應崩塌發生的時間資訊，進行大規模崩塌發生之降 雨資料的收集與統計分析。分析結果也與淺層崩塌促崩降雨條件進 行比較，可以得知引發淺層崩塌的降雨型態多為高平均強度但相對 低的有效降雨量，而引發大規模崩塌的降雨型態則為長降雨延時及 高有效累積雨量。
中 文 關 鍵 詞 ： 大規模崩塌、淺層崩塌、地動訊號、促崩雨量、降雨因子
英 文 摘 要 ： The large-scale landslide disaster caused by the extreme rainfall event has become the new challenge of the disaster prevention work in recent years. However, due to the
insufficient observational records in the past, and the difficulties to obtain exact timing of large-scale
landslide collapsed, analyzing the rainfall conditions are fairly obstruct. The occurrence time and duration of mass movement could be extracted from the ground motion signal recorded by the seismic stations. The study collected the seismic records of the Broadband Array in Taiwan for
Seismology (BATS) to identify the ground motions triggered by the landslides during 2005-2014. Several landslide- triggered seismic signals were interpreted and located. The landslide-triggered seismic signals provided the accurate time of landslide initiation to assess the rainfall
conditions for large-scale landslides. The results about critical rainfall for large-scale landslides includes：The I-D method rainfall threhould is I =71.9D-0.47 ( D>24 ).
And it is found that the average rainfall intensity can better reflect the rainfall conditions needed for large- scale landslide. Consequently, the combination of rainfall conditions will be used as a basis for the development of large-scale landslide warning model, and achieve good results.
英 文 關 鍵 詞 ： large scale landslide, seismic signal, rainfall threshold
1. 前言
近年來，因為極端降雨事件的發生頻率較以往提高，世界各地造成大規模的土砂災害事件數量也 隨之增加，這些大規模的土砂災害不只造成龐大的經濟損失，時常伴隨著生命的傷亡。然而現今對於 大規模崩塌的定義並沒有一個明確的基準，本研究參考各國對於大規模崩塌地的篩選標準之後，將大 規模崩塌定義為新生面積大於 0.1 平方公里的崩塌地。而引發大規模崩塌的原因現今也沒有確切的定 論，而在觸發大規模崩塌的眾多條件中，降雨被認為是最主要的影響因子，為了要減少大規模崩塌造 成的損失，期望可以找出觸發大規模崩塌的降雨條件，利用降雨門檻值當作警戒標準，已達到防災減 災的效果。
然而在過去的研究中，因為缺乏大規模崩塌的準確發生時間的資訊，在雨量門檻值的分析上，將 會產生難以估計的誤差。但在近期的研究中(Kanamori et al., 1984；Surin ̃ach et al., 2005；Lin et al., 2010)，
大規模崩塌的塊體運動過程會產生一連串的低頻訊號，而這些訊號若被寬頻地震站記錄下來，使得大 規模崩塌的震動資訊有機會被精確的判讀分析。且於Ekstro ̈m and Stark (2013)研究中也證實，寬頻地 震網可紀錄到大規模崩塌產生之地表振動，並且藉由訊號的分析了解其運動過程中的物理機制。而藉 由這個方式，將可以獲得大規模崩塌發生的精確時間。
而各項降雨因子進行統計分析是現今普通被應用於探討山崩發生條件的方法之一。如 Caine(1980)、
Saito et al. (2010)及 Chen et al. (2015)使用降雨強度及降雨延時界定出雨量門檻曲線公式，而這些降雨門 檻公式對於防災減災的應用提供有價值的參考資訊。本研究期望利用寬頻地震網記錄到的山崩地動訊 號，搭配衛星影像得到確切的大規模崩塌時間及位置，藉此可以統計出適用於大規模崩塌的雨量門檻 值。
2. 研究方法
延續 103 年度及 104 年度大規模崩塌之研究，本年度(105 年度)的研究計畫將綜合分析 2005 年 至 2014 年期間，大規模崩塌之地表振動訊號特徵，並且比對崩塌運動行為及規模，提出 10 年期的 促崩降雨基準。主要研究方法包括：(1)山崩造成的地表振動判釋、(2)崩塌地判釋，以及(3)集水區 水文資料統計分析。
(1) 山崩造成的地表振動判釋
本研究將採用台灣寬頻地震網(BATS)的地震資料，來進行崩塌地的偵測及定位(圖1)。因此，必 須先排除掉(1)中央氣象局所公告的地震記錄，(2)美國地質調查所(USGS)公告鄰近台灣區域的遠震 記錄，(3)區域型的地震訊號，以及(4)人為產生的訊號。其中，中央氣象局所公告的地震和區域型的 地震訊號特徵極為相似，不同的測站記錄到的時間會有些許差異，距離略遠的地震可從原始波形明 顯看到P波及S波的訊號，且訊號的能量消散的很快，訊號記錄的長度往往不超過1.5分鐘。而美國地 質調查所(USGS)公告的遠震記錄，在時間-頻率圖上可看出各測站偵測到訊號的時間幾乎完全一樣，
初期訊號消散的很快，但長週期震波訊號延續的時間長，一次遠震記錄約可達到5分鐘左右。另外，
要分辨人為產生的訊號，最顯著的特徵則是其訊號具有單一性，也就是說單一測站所記錄到人為產 生的訊號與周圍其他站的訊號不具關聯性。
根據前人的研究 (La Rocca et al., 2004; Favreau et al., 2010; Burtin et al.,2009; Kao et al., 2012)以 及小林村的崩塌訊號，大致上可以歸納出三項規則來篩選崩塌產生的地動訊號：(1)訊號長度約在數 秒鐘至3分鐘之間，(2)頻率範圍約介於1~3 Hz之間，(3)時間-頻率圖訊號的高強度區呈現三角形的形 狀(圖2)，且與崩塌運動方向一致的地動訊號會較為清晰。將崩塌的地動訊號篩選出來之後，再依照 各測站所記錄到訊號的時間差，並搭配速度構造演算，來做定位的處理，可以精確的獲得崩塌地動 訊號的來源。本研究的定位誤差設定為3 km的範圍內，當區域內同時存在2個崩塌定位點時，很可 能會導致判釋的失誤，因此必須再配合崩塌運動方向之地動訊號的篩選，才可以逐一判斷出崩塌地 的真正位置，計畫中地動訊號分析流程如圖3。
圖1 (a)台灣地震站及雨量站分布圖、(b-d)遠震、區域型地震及小地震之頻譜圖、(e)小林村崩塌地 表振動之頻譜圖
圖2 UTC 2010/04/25 06:29 國三3.1k崩塌所產生之地表振動時頻圖，圖中可見三角形的高 強度區。
圖3 地動訊號分析流程 (2) 崩塌地判釋
本研究將利用衛星影像來進行崩塌地的判釋，首先根據影像的色彩來進行基本的地貌特 徵分類，然後再圈繪出莫拉克颱風後的崩塌地。初步判釋的結果並配合中央地質調查所提供 的五千分之一的地形圖，篩選出判釋所產生誤判之區域，並予以刪除。
從地動訊號顯示出可能出現大型崩塌地之訊息，再進一步利用50 cm解析度的正射影像 來確實了解崩塌地內各不同區位的地形及幾何特徵，包括了崩塌源頭(source)、崩塌塊體運動 停止點(stop point)、塊體運動距離在水平面上投影、崩塌影響範圍的面積(A)，以及崩塌源頭 的平均寬度(W)等5個部分(圖4)。其中塊體的運動距離(Drunout)定義為崩塌源頭的幾何中心點 至塊體運動停止點的距離，而崩塌源頭平均寬度(W)則定義為通過崩塌源頭幾何中心，且與 塊體運動方向垂直的寬度。由於在正射影像中，多數崩塌地已難以判釋出塊體堆積範圍，因 此無法以堆積部的質量中心作為塊體運動停止點，本研究以崩塌可能的最遠堆積處為崩塌塊 體運動停止點(stop point)。這些資料再搭配台灣30 m的數值地形模型(DTM)來進行高程分析，
便可以獲得崩塌源頭的高程，以及塊體運動停止點之高程。藉由塊體運動的垂直投影距離與 高程差，便可計算出塊體的運動距離(Drunout)，以及崩塌邊坡的平均坡度(θslope)。
除了應用遙測影像及數值地形模型進行崩塌地的地形地貌分析，本研究計畫也將實際前 往野外，進行崩塌地鄰近地區的地質探勘，包括當地岩石特性、區域構造、崩塌類型的調查 與確認，並且將這些調查結果與地動訊號特徵進行比對分析，嘗試從中找出其相關性。
圖4 崩塌地貌判釋示意圖 (3) 集水區水文資料統計
為了分析崩塌發生時的降雨狀況，本計畫將根據地震訊號所指出之崩塌地，收集距離崩 塌地5公里範圍內的雨量站資料，以作為分析該崩塌地之降雨資料。若該崩塌地5公里範圍內 無雨量站，則採取最接近的3個雨量站資料，以克利金法的內插方式來求得該崩塌地之降雨資 料。本計畫有關降雨特性的分析，包括了崩塌地發生時的小時降雨量，以及累積降雨量等兩 大部分。其中，以每小時降雨量超過4mm為降雨事件的開始，連續6小時降雨量小於4 mm為 降雨事件的結束，利用這個方式來統計累積降雨量。本研究將統計各崩塌發生時之降雨強度、
累積降雨量及降雨延時等，並進一步分析大規模崩塌發生之降雨條件(圖5)。
圖5 崩塌發生時之降雨強度、累積降雨量、降雨延時及土壤雨量指數作圖
3. 研究成果
3.1 大規模崩塌地形及單因子分析
由大規模崩塌雨量統計結果顯示，2005 年至 2014 年間，台灣山區共有 686 處新生面積大於 0.1 平 方公里的崩塌事件(圖 6)。在這些大規模崩塌事件中，大部分的事件發生面積集中於 12 至 15 公頃之間，
而崩塌發生的坡度集中於 30°至 40°之間，而 2010 年之後坡度 40°的邊坡數量提高，極可能是因為 2009 年的事件將低角度的邊坡材料帶走，也造成坡度較陡的邊坡材料變得較不安定，因此在之後幾年的事 件中，大規模崩塌發生的邊坡角度角度才會提高。大規模崩塌發生的高程集中在 1000 公尺至 2000 公 尺之間，但在崩塌地最高高程和最低高程的分布狀況顯示，大規模崩塌的垂直運動距離大多數都超過 500 公尺，表示大規模崩塌地的影響範圍遍布中高海拔山區到中海拔山區之間。
經由地動訊號判釋結果，總共得到 62 處大規模崩塌事件的準確時間。其中有 41 處崩塌發生時的 累積有效雨量超過 1000 mm，而降雨強度的統計結果則顯示超過半數的大規模崩塌發生於降雨強度低 於 20 mm/hr 的狀況下，另外，分別統計崩塌發生前三小時以及前六小時的平均降雨強度 ，其結果顯 示大部分的大規模崩塌發生前六小時的降雨強度高於前三小時的降雨強度，表示多數大規模崩塌發生 在雨勢開始減緩之後，也可以說大規模崩塌發生的時間往往在尖峰降雨之後。而在降雨延時的統計中，
只有 7 個事件發生的降雨延時低於 24 小時，而這 7 個事件的降雨延時也都在 10 小時以上。由單因子 分析的結果顯示，引發大規模崩塌的降雨條件受到累積雨量及降雨延時的影響相較其他類型的坡地災 害較為顯著，而崩塌發生時的降雨強度並不是引發大規模崩塌的主要影響條件。
圖 6 大規模崩塌分布圖
3.2 雨量門檻值分析
降雨因子統計結果顯示，使用降雨強度和降雨延時得到的 I-D 法降雨門檻值為 I =7.73D-0.244 ( D>24 )，
本研究另將 2005 年至 2012 年間發生之淺層崩塌或是小型崩塌(Small Scale Landslide, SLS)得到的降雨 資訊和大規模崩塌進行比較(圖 7)，可以發現由 I-D 法得到的降雨門檻值似乎也適用於淺層崩塌的事件，
而從資料的降雨延時分布狀況發現，淺層崩塌事件主要分布在降雨延時為 3 到 70 小時區之間，而大規 模崩塌之降雨岩時則大部分都大於 20 小時；但在降雨強度的部分則無法有效的將兩者區別，在相同的 降雨延時條件下，甚至有許多淺層崩塌事件的降雨強度高於大規模崩塌。這個結果充分的說明使用崩 塌發生當時之降雨強度計算的 I-D 降雨門檻值，若要作為崩塌降雨門檻，將無法區分出大規模崩塌及 小規模崩塌，導致無法評估災害規模的狀況。
本研究採用平均降雨強度 Iave 與降雨延時 D，界定出引發大規模崩塌的 I-D 降雨門檻線：Iave = 71.9D-0.47 ( D>24 )，此一門檻線為 95%下界的 I-D 降雨門檻線，因此其中有 3 處崩塌資料點低於此門檻 線。(圖 8)。圖中資料點面積大小與崩塌面積之比例相同，藉此可以發現多數大面積的崩塌地都集中於 降雨延時超過 50 小時的條件下，但在平均降雨強度的分布上，和崩塌面積大小並沒有發現任何的相關 性。由資料分佈可以發現，小規模崩塌之平均降雨強度在短延時的時候相當高，甚至有接近 100 mm/hr 的事件存在，但在長延時的事件中，平均降雨強度多數都低於大規模崩塌事件，因此本研究認為大規 模崩塌發生時需要的降雨條件，相較於淺層崩塌的短延時的強降雨事件，應為長延時而且連續的高強 度降雨較有機會引發大規模崩塌。
另外將本研究得到的 I-D 降雨門檻值和其他前人研究的 I-D 降雨門檻值進行比較(圖 9)，其中 Caine(1980)及 Guzzetti et al. (2008)為全球尺度的淺層崩塌及土石流事件；Guzzetti et al. (2008)以 Bernoulli 機率統計方法分析全球山崩的降雨門檻；Jan & Chen (2005)則是針對土石流事件分析降雨門檻值；Chen et al. (2015)利用台灣的 263 筆土石流及淺層崩塌資料分析降雨門檻值。經比較之後發現本研究分析的 大規模崩塌門檻值較其他研究淺層崩塌或是土石流事件的門檻值要高出許多，這個結果說明了大規模
崩塌發生的所需降雨門檻值明顯較一般小型或淺層邊坡災害更高。
圖 7 I-D 法降雨門檻值分析結果。
圖 8 Iave –D 降雨門檻值分析結果
圖 9 I –D 降雨門檻值與前人研究之比較
本研究同時利用有效雨量 Rt (mm)和降雨延時 D (hr)對大規模崩塌的降雨條件進行統計分析，其結 果顯示，發生累積機率為 5%之 Rt 與 D 之乘積值為 12773 mm×hr (圖 10)，該降雨門檻值遠大於淺層崩 塌的 5%累積發生機率(487 mm×hr)。而屬於完全新生的大規模崩塌中，有超過 41 處的累積雨量超過 1000 mm，在高於此累積雨量的條件下有較高機率發生大規模崩塌。而由圖 10 中也可以發現，淺層崩 塌發生的所需有效雨量大多在 500 mm 以下，和大規模崩塌的所需有效雨量多為 1000 mm 以上有相當 大的差異，由門檻值的差距及有效雨量的資料分布，可以確定 R-D 分析法可以有效地將淺層崩塌與大 規模崩塌做出區別。
若從平均降雨強度(Iave)與有效雨量(Rt)的關係中探討大規模崩塌發生的降雨條件，最終得到涵蓋 資料百分比為 5%的 I 與 Rt 乘積值為 5640 mm2/hr (圖 11)，這個門檻值並不如 R-D 門檻值一樣遠高於 淺層崩塌的 I-Rt 門檻值(1541 mm2/hr)，但仍然可以和淺層崩塌做出區別。而 I-Rt 門檻值表示當累積雨 量達 1000 mm 時，涵蓋資料百分比為 5%之降雨強度為 5.6 mm/hr。相對來說，當降雨強度超過 10 mm/hr 時，涵蓋資料百分比為 5%之有效雨量為 564 mm。
另外將大規模崩塌和淺層崩塌的資料分布比較，可以發現大規模崩塌發生的有效降雨量遠大於淺 層崩塌的案例。因此本研究認為引發淺層崩塌的降雨型態為高平均降雨強度但相對低的有效降雨量，
而引發大規模崩塌的降雨型態則為長降雨延時及高有效累積雨量。
圖 10 R-D 法降雨警戒值
圖 11 I-Rt 法降雨警戒值 4. 結論
本研究藉由寬頻地震網紀錄分析大規模崩塌訊號，成功得到崩塌發生的確切時間，並以崩塌實際 發生時間分析大規模崩塌的雨量門檻值。並根據已辨識出且配對成功的 62 處大規模崩塌地，進行地面 雨量站降雨資料的收集，藉由大規模崩塌發生時間的各項降雨因子特性，分析促發大規模崩塌的可能 降雨條件，包括累積雨量大於 1000 mm，降雨延時結果 24 小時，降雨強度大於 17.5 mm/hr。並且利用 I-D 法、Rt-D 法、I-Rt 法進行降雨門檻的分析後，可獲得幾項不同因子觸發大規模崩塌之降雨門檻值：
(1) I-D 法：I = 71.9 D-0.47 (D>24 hr)；(2) Rt-D 法：Rt > 1000mm，D>12 小時；(3) I-Rt 法：I > 5.6 mm/hr，
Rt > 1000mm。
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科技部補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告
日期：2017 年 05 月 22 日
計畫編號 MOST 105－2116－M－006－005－
計畫名稱 崩塌引發的振動現象與其地表變化之相關性研究(3/3) 出國人員
姓名
林冠瑋 顏心儀
服務機 構 及職稱
國立成功大學助理教授 國立成功大學專任助理
會議時間
2017 年 04 月 23 日 至
2017 年 04 月 28 日
會議地點 奧地利維也納
會議名稱
(中文)2017 歐洲地質科學年會
(英文)European Geosciences Union General Assembly 2017
發表題目
(中文)藉由地動記錄建立大規模崩塌之降雨門檻 (英文) Building rainfall thresholds for large-
scales landslides by extracting occurrence time of landslides from seismic records
一、參加會議經過
歐洲地質科學年會(European Geosciences Union General Assembly 2017) 在奧地利維也納舉行，會議時間由 2017 年 04 月 23 日至 28 日，共有 107 個國家，14,496 人參與，研究發表部分有 4,849 個口頭演講與 11,312 個海 報張貼。相關資訊可參考網址 http://www.egu2017.eu/。會議中的主題包含 了地質科學、大氣科學、海洋科學，以及天文科學等多項學門，提供了一 個相當好的知識交流平台，各國學者專家可以藉由研究發表或是參與會議 期間與其他學者彼此交換意見。
本次會議，本人與助理顏心儀一同以海報的方式，在 Natural Hazards
主題發表了研究論文「Building rainfall thresholds for large-scales landslides
2
by extracting occurrence time of landslides from seismic records」，發表內容 為本年度科技部專題研究計畫的成果，將利用地震站紀錄所獲得之大規模 崩塌發生時間資訊，應用於分析該類崩塌的發生條件。這也是台灣近年來 重大的民生及環境保護議題，因此在 04 月 25 日海報展示當天，也有許多 與會專家學者與我進行討論，彼此交換意見，收穫頗多。
二、與會心得
在此特別感謝科技部專題計畫中提供了參加國際研討會之經費，使本 人能前往 參與今年的歐洲地質科學年會，不僅能將自己的研究成果在國際 上發表，也同時能吸收世界上相關領域之研究資訊，對日後進一步的研究 有極大的幫助。
三、發表論文摘要
Understanding the rainfall condition which triggers mass moment on hillslope is the key to forecast rainfall-induced slope hazards, and the exact time of landslide occurrence is one of the basic information for rainfall statistics. In the study, we focused on large-scale landslides (LSLs) with disturbed area larger than 10 ha and conducted a string of studies including the recognition of landslide-induced ground motions and the analyses of different terms of rainfall thresholds. More than 10 heavy typhoons during the periods of 2005-2014 in Taiwan induced more than hundreds of LSLs and provided the opportunity to characterize the rainfall conditions which trigger LSLs. A total of 101 landslide-induced seismic signals were identified from the records of Taiwan seismic network. These signals exposed the occurrence time of landslide to assess rainfall conditions.
Rainfall analyses showed that LSLs occurred when cumulative rainfall
exceeded 500 mm. The results of rainfall-threshold analyses revealed that it
is difficult to distinct LSLs from small-scale landslides (SSLs) by the I-D
and R-D methods, but the I-R method can achieve the discrimination.
3
Besides, an enhanced three-factor threshold considering deep water content was proposed as the rainfall threshold for LSLs.
四、建議
本次會議的與會者中，35 歲以下的比例高達 53%，可以看到各國均 有許多研究生參與，表示地球科學研究在各國均已向下扎根。其中歐美國 家研究生以口頭發表最多，我國雖非英語系國家，但應可積極推廣研究生 以口頭演說方式參與相關的國際研討會，以提升研究生之表達能力。
五、相關照片
105年度專題研究計畫成果彙整表
計畫主持人：林冠瑋 計畫編號：105-2116-M-006-005- 計畫名稱：崩塌引發的振動現象與其地表變化之相關性研究（3/3）
成果項目 量化 單位
質化
（說明：各成果項目請附佐證資料或細 項說明，如期刊名稱、年份、卷期、起 訖頁數、證號...等）
國 內
學術性論文
期刊論文 0
研討會論文 3 篇
1. 郭賢立、林冠瑋(2017)地震觀測技術 應用於建立邊坡災害警戒雨量之研究
，中華民國地球物理學會與中華民國地 質學會106 年年會暨學術研討。
2. 林冠瑋(2017)Critical rainfall triggering large-scale landslides by extracting time information from landslide-induced seismic
signals，2017大規模崩塌防治技術交流 工作坊。
3. 林冠瑋、郭賢立、顏心儀(2017)台灣 地震網於坡地崩塌災害警戒資訊應用之 研究，105年度水土保持計畫成果發表會
。
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專書論文 0 章
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外 學術性論文
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已投稿題目為「Assessing critical rainfall for large scale landslides by viewing event time against
seismic records」文章至 Geomorphology(SCI)
研討會論文 3 1. Hsin-Yi Yen and Guan-Wei Lin (2017) Building rainfall thresholds
for large-scales landslides by extracting occurrence time of landslides from seismic records, 2017EGU, Austria.
2. H.L. Kuo, G.W. Lin, C.Y. Lee, H.Y. Yin, S.K. Lee (2017) Assessing rainfall thresholds for large-scale landslide, 2017GEDMAR.
3. Kuo Hsien-Li and Guan-Wei Lin (2017) Assessing Rainfall Threshold for Large-scales Landslide by
Exacting occurrence Time of Landslides from Seismic Records, the 4th Slope Tectonics Conference, Japan.
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參 與 計 畫 人 力
本國籍
大專生 1
人次
成大地科系大四生唐振勛
碩士生 5 成大地科系碩士生吳昱杰、陳亮谷、張
簡意縫、張珈銘、黃淳銘
博士生 0
博士後研究員 0
專任助理 1 顏心儀
非本國籍
大專生 0
碩士生 0
博士生 0
博士後研究員 0
專任助理 0
其他成果
（無法以量化表達之成果如辦理學術活動
、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國 際影響力及其他協助產業技術發展之具體 效益事項等，請以文字敘述填列。）
