科技部補助專題研究計畫成果報告
期末報告
沖刷渠道分析與水庫空庫排砂之最佳化與永續管理
計 畫 類 別 ： 個別型計畫 計 畫 編 號 ： MOST 107-2116-M-006-009-執 行 期 間 ： 107年08月01日至108年07月31日 執 行 單 位 ： 國立成功大學水利及海洋工程學系（所） 計 畫 主 持 人 ： 王筱雯 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：楊恭長 碩士班研究生-兼任助理：許明湘 碩士班研究生-兼任助理：廖彥翔 博士後研究-博士後研究：郭偉丞中 華 民 國 108 年 10 月 28 日
中 文 摘 要 ： 台灣在高產砂與季節性水文變異大的環境下，水庫泥砂的管理顯得 尤為重要。然而，部分水庫所設計之排砂設施或所使用的排砂手段 各有其一定適用範圍與條件限制，加上水庫相關研究進展和工程進 度緩慢等原因，以及水庫設計者和管理單位較沒有意識到潛在的多 元水庫泥砂管理方法，造成許多水庫在泥砂管理雖有許多努力，但 仍待改善。由於水庫泥砂管理上的問題，大量的泥砂淤積造成蓄水 量的減少，進而威脅到供水與水力發電的功能，亟需要以永續泥砂 管理之思維進行操作，而空庫排砂技術是永續減緩水庫淤積的解決 方案之一，但需注意的是不定期的大量泥砂釋放，可能影響已適應 低含砂濃度的下游河道。本計畫兩個重點研究為：1.檢視空庫排砂 之效益以進一步最佳化維持長期水庫庫容之目標；2.探討空庫排砂 所釋放的泥砂對下游水生環境造成的影響並進一步調整空庫排砂之 操作與時機。 本計畫透過所建構之概念模型，定量支持水庫空庫排砂的操作規線 。並利用一維水理輸砂模式SRH-1D於不同空庫防淤期間、空庫防淤 期間的最高水位、最大調節性放水量及颱風事件期間水位等規劃設 計方案，檢視其排砂量與供水達成率。研究成果顯示，若調降空庫 防淤時期之水位，可逐漸提升其排砂量，但供水達成率卻會逐漸降 低。若冀於不影響供水的情形下增加水庫之排砂量，可將目前水庫 空庫時期之最高水位由31 m降至30 m，預估每年可增加約6,000 m3之排砂量，供水達成率僅微幅下降0.45%，往後若為因應更大的排 砂量需求，則可持續調降水位，但空庫期間之最高水位低於28 m，其增加之效益對排砂的效應則不明顯，空庫排砂時期維持之水位 調降至28 m較能平衡排砂量與供水達成率，相較於目前之操作規則 每年平均可增加24,500 m3之排砂量，相較現行操作規則下約提升近 60%。下游河道之水生環境變化方面，若以目前排砂操作方案進行操 作，10年後在下游阿公店溪斷面平均淤積深度為0.08公尺；而各方 案排砂操作方案，於下游河道沖淤位置相似，各斷面較現行方案之 變化介於淤積增加0.34公尺、侵蝕增加0.04公尺間，但整體平均僅 增加0.023公尺之淤積。於不同調節性放水量之方案，較大之放水量 將有助將泥砂帶往更下游的位置，且預計有較大之排砂量，下游淤 積河段其淤積厚度較小，侵蝕之河段侵蝕深度較深。經連續十年的 空庫防淤操作過後，雖預計下游河道將產生淤積，但經模式模擬結 果其仍可滿足100年重現期之洪峰流量。本計畫藉由操作規線概念模 型與一維水理輸砂模式SRH-1D，分析各空庫排砂方案之排砂量、供 水達成率及河道之沖淤變化，並進一步了解不同空庫防淤期間、空 庫防淤期間的最高水位、最大調節性放水量及颱風事件期間水位之 交互作用，並透過永續泥砂管理以達到減緩水庫淤積、延長水庫壽 命之目標。 中 文 關 鍵 詞 ： 沖刷渠道、水庫泥砂管理、排砂最佳化、概念模型、一維水理輸砂 模式SRH-1D
英 文 摘 要 ： This project resulted in advancing knowledge on the
interactions among flushing effectiveness and the timing of flushing, water level during empty flushing, the
pre-drawdown before typhoon and water level during a typhoon event. In addition, we produced a conceptual model and used
a sediment transport numerical model (SRH-1D) to simulate different designed scenarios. The result shows that lower water level comes with higher sediment discharge but less water-supply. It is hoped that the amount of sediment discharged from the reservoir will be increased without affecting the water supply. In addition, when testing the effectiveness of flushing at different initial water depths, it was found that when the maximum water level during the “empty period” can be reduced from 31 m to 30 m, it is estimated that the annual sediment discharge can be increased by about 6,000 m3, while only decreasing water-supply by 0.45%. In the future, if the demand for larger sediment discharge is required, the water level can be adjusted. It was found that maintaining the drawdown water level at 28 m is the most efficient at meeting sediment discharge and water supply goals. But, drawdowns to levels lower than 28 m were found to be inefficient for Agongdian Reservoir, as the amount of sediment able to be flushed was not worth the decreases in water-supply.
Compared with the current operating rules, flushing with an initial water level of 28 m can increase the annual average amount of sediment removal by 24,500 m3, which is about 60% higher than under the current operating rules.
We used long profile data of this river from 2008 to model what the riverbed would look like in 2017 if the reservoir was managed under different operation techniques. In terms of changes in the aquatic environment of the downstream, the average depth of sedimentation along the downstream after 10 years under the current operation is 0.08 meters. The average sedimentation increased by 0.023 meters under designed flushing scenarios. No matter the operation scenario, the model showed similar erosion and
sedimentation patterns in the downstream. In the different cases of pre-drawdown, the larger volumes of water will help to bring the sediment farther downstream, is expected to reduce sedimentation in the mid-downstream areas and increase the depth of erosion. After ten years of simulated operation (2008-2017), the downstream can still meet the requirements to manage flood peak flow of a100-year return period event.
The study analyzed the sediment discharge, water supply and river channel erosion and sedimentation changes under
different reservoir management techniques by using a
conceptual model and SRH-1D. Now, with a better understand of the interactions among different key factors, we know that it is possible to slow sedimentation and extend the life of Agongdian Reservoir through sustainable sediment management. We hope this research can shed light on the
importance and potential for flushing and modeling in identifying optimal strategies for sustainable reservoir management in Taiwan and abroad.
英 文 關 鍵 詞 ： Flushing channel; Management of reservoir sediment; Optimizing of flushing; Conceptual model; sediment transport numerical model
科技部補助專題研究計畫成果報告
期末報告
沖刷渠道分析與水庫空庫排砂之最佳化與永續管理
計畫類別：個別型計畫
計畫編號：MOST 107－2116－M－006－009－
執行期間： 107 年 8 月 1 日至 108 年 7 月 31 日
執行機構及系所：國立成功大學水利及海洋工程學系(所)
計畫主持人：王筱雯 副教授
計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理:楊恭長
碩士班研究生-兼任助理:許明湘
碩士班研究生-兼任助理:廖彥翔
博士後研究員-郭偉丞
報告附件：國際研討會發表論文及出席國際學術會議心得報告
期末報告處理方式：
1. 公開方式：非列管計畫亦不具下列情形，立即公開查詢
2.「本研究」是否已有嚴重損及公共利益之發現：否
3.「本報告」是否建議提供政府單位施政參考：否
中 華 民 國 108 年 10 月 23 日
目錄 目錄 ... I 一、計畫中文摘要 ... II 二、計畫英文摘要 ... III 三、報告內容 ... 1 (一) 前言 ... 1 (二) 研究目的 ... 3 (三) 文獻探討 ... 3 (四) 研究方法 ... 7 (五) 結果與討論 ... 16 (六) 結論 ... 32 (七) 參考文獻 ... 33 附件一：研討會投稿 ... 35
一、計畫中文摘要 台灣在高產砂與季節性水文變異大的環境下，水庫泥砂的管理顯得尤為重要。然而，部分水庫所 設計之排砂設施或所使用的排砂手段各有其一定適用範圍與條件限制，加上水庫相關研究進展和工程 進度緩慢等原因，以及水庫設計者和管理單位較沒有意識到潛在的多元水庫泥砂管理方法，造成許多 水庫在泥砂管理雖有許多努力，但仍待改善。由於水庫泥砂管理上的問題，大量的泥砂淤積造成蓄水 量的減少，進而威脅到供水與水力發電的功能，亟需要以永續泥砂管理之思維進行操作，而空庫排砂 技術是永續減緩水庫淤積的解決方案之一，但需注意的是不定期的大量泥砂釋放，可能影響已適應低 含砂濃度的下游河道。本計畫兩個重點研究為：1.檢視空庫排砂之效益以進一步最佳化維持長期水庫庫 容之目標；2.探討空庫排砂所釋放的泥砂對下游水生環境造成的影響並進一步調整空庫排砂之操作與 時機。 本計畫透過所建構之概念模型，定量支持水庫空庫排砂的操作規線。並利用一維水理輸砂模式SRH-1D於不同空庫防淤期間、空庫防淤期間的最高水位、最大調節性放水量及颱風事件期間水位等規劃設 計方案，檢視其排砂量與供水達成率。研究成果顯示，若調降空庫防淤時期之水位，可逐漸提升其排 砂量，但供水達成率卻會逐漸降低。若冀於不影響供水的情形下增加水庫之排砂量，可將目前水庫空 庫時期之最高水位由31 m降至30 m，預估每年可增加約6,000 m3之排砂量，供水達成率僅微幅下降0.45%， 往後若為因應更大的排砂量需求，則可持續調降水位，但空庫期間之最高水位低於28 m，其增加之效 益對排砂的效應則不明顯，空庫排砂時期維持之水位調降至28 m較能平衡排砂量與供水達成率，相較 於目前之操作規則每年平均可增加24,500 m3之排砂量，相較現行操作規則下約提升近60%。下游河道 之水生環境變化方面，若以目前排砂操作方案進行操作，10年後在下游阿公店溪斷面平均淤積深度為 0.08公尺；而各方案排砂操作方案，於下游河道沖淤位置相似，各斷面較現行方案之變化介於淤積增 加0.34公尺、侵蝕增加0.04公尺間，但整體平均僅增加0.023公尺之淤積。於不同調節性放水量之方案， 較大之放水量將有助將泥砂帶往更下游的位置，且預計有較大之排砂量，下游淤積河段其淤積厚度較 小，侵蝕之河段侵蝕深度較深。經連續十年的空庫防淤操作過後，雖預計下游河道將產生淤積，但經 模式模擬結果其仍可滿足100年重現期之洪峰流量。本計畫藉由操作規線概念模型與一維水理輸砂模式 SRH-1D，分析各空庫排砂方案之排砂量、供水達成率及河道之沖淤變化，並進一步了解不同空庫防淤 期間、空庫防淤期間的最高水位、最大調節性放水量及颱風事件期間水位之交互作用，並透過永續泥 砂管理以達到減緩水庫淤積、延長水庫壽命之目標。 關鍵字： 沖刷渠道、水庫泥砂管理、排砂最佳化、概念模型、一維水理輸砂模式SRH-1D
二、計畫英文摘要
In light of extraordinarily high sediment yields and highly seasonal hydrology, management of reservoir sediment in Taiwan is particularly important. While some dams can be designed to pass sediment, either through the dam or around the reservoir, a pairing of proven techniques is needed. Each potential solution is subject to a range of conditions. Flushing is one sustainable solution to remove deposited sediment, but a major impediment is potential impacts downstream due to the required periodic high volume and large sediment load releases in rivers that have become adapted to low-sediment conditions. In order to address these problems, this study uses Agongdian Reservoir in Kaohsiung, Taiwan as a case study to analyze potential for: 1) Optimization of flushing to maximize potential and preserve long-term capacity, and 2) Optimization of flushing to minimize impacts on the downstream aquatic environment.
This project resulted in advancing knowledge on the interactions among flushing effectiveness and the timing of flushing, water level during empty flushing, the pre-drawdown before typhoon and water level during a typhoon event. In addition, we produced a conceptual model and used a sediment transport numerical model (SRH-1D) to simulate different designed scenarios. The result shows that lower water level comes with higher sediment discharge but less water-supply. It is hoped that the amount of sediment discharged from the reservoir will be increased without affecting the water supply. In addition, when testing the effectiveness of flushing at different initial water depths, it was found that when the maximum water level during the “empty period” can be reduced from 31 m to 30 m, it is estimated that the annual sediment discharge can be increased by about 6,000 m3, while only decreasing water-supply by 0.45%. In the future, if the demand for larger sediment discharge is required, the water level can be adjusted. It was found that maintaining the drawdown water level at 28 m is the most efficient at meeting sediment discharge and water supply goals. But, drawdowns to levels lower than 28 m were found to be inefficient for Agongdian Reservoir, as the amount of sediment able to be flushed was not worth the decreases in water-supply. Compared with the current operating rules, flushing with an initial water level of 28 m can increase the annual average amount of sediment removal by 24,500 m3, which is about 60% higher than under the current operating rules.
We used long profile data of this river from 2008 to model what the riverbed would look like in 2017 if the reservoir was managed under different operation techniques. In terms of changes in the aquatic environment of the downstream, the average depth of sedimentation along the downstream after 10 years under the current operation is 0.08 meters. The average sedimentation increased by 0.023 meters under designed flushing scenarios. No matter the operation scenario, the model showed similar erosion and sedimentation patterns in the downstream. In the different cases of pre-drawdown, the larger volumes of water will help to bring the sediment farther downstream, is expected to reduce sedimentation in the mid-downstream areas and increase the depth of erosion. After ten years of simulated operation (2008-2017), the downstream can still meet the requirements to manage flood peak flow of a100-year return period event.
The study analyzed the sediment discharge, water supply and river channel erosion and sedimentation changes under different reservoir management techniques by using a conceptual model and SRH-1D. Now, with a better understand of the interactions among different key factors, we know that it is possible to slow sedimentation and extend the life of Agongdian Reservoir through sustainable sediment management. We hope this research can shed light on the importance and potential for flushing and modeling in identifying optimal strategies for sustainable reservoir management in Taiwan and abroad.
三、報告內容 (一) 前言 水資源管理是世界各國所面臨的關鍵議題，其中水壩和水庫的蓄水量佔很大比例。由於理想的壩 址難尋，因此隨著泥砂淤積而造成水庫庫容減少的問題愈來愈受到關注。Sumi 等人(2004)年報告指出 全球總庫容量約為 6,000 km3，年水庫淤積率約為 31 km3 (0.52%)，到 2100 年全球水庫庫存量將減少 一半。Annandale (2013)估計全球淨庫存量由於泥砂淤積速率超過新水庫的建設，水庫庫容已從 1995 年的 4,200 km3高峰開始下降。隨著對人類對水庫的需求不斷增加以及可用的新水庫不多，現有水庫 的容量損失將威脅到未來供水的穩定性。 隨著水庫淤砂不斷增加，將縮短水庫可使用年限並影響水庫功能(White, 2001)，淤滿後甚至對下 游河防安全產生威脅(Wang and Kondolf, 2014)。現今大多數水庫所進行的可行性研究並沒有考量到大 壩達設計年限時退役和泥砂管理的成本，但在許多情況下這些都是高額的成本。此外，新水庫的可用 的壩址不多，加上氣候變遷影響下，水庫蓄水量減少的速度可能更快，使得維持現有的水庫庫容的必 要性更高。如圖 1 顯示，若水庫可靠度曲線移動可能導致更多的可用水損失，氣候變遷影響下，乾旱 將更加嚴重，降雨將更加強烈。許多當局已經認知實施泥砂管理以維持水庫儲存能力的潛在效益 (ICOLD, 1989; Morris and Fan, 1998; Palmieri et al., 2003; Kawashima et al., 2003)，但目前僅有少數水庫 實施中。隨著許多堰壩已達到其原始設計使用年限的終點(Doyle et al., 2003)，對現存的水庫以及在設 計新水庫時中引入合適的泥砂管理措施，已成為水庫管理中日益重要的問題。
圖 1 庫容減少對蓄水的衝擊
永 續 泥 砂 管 理 可 以 藉 由 不 同 的 策 略 來 實 現 ( 圖 2; Morris and Fan, 1998; Harada et al., 2000; Kawashima et al., 2003; Morris, 2015)，目的皆在於維持水庫庫容。而不同泥砂管理策略的效率和可行性 取決於水庫操作的兼容性、上游來砂條件、用水需求、維持水庫庫容的有效性、滿足必要的基礎設施 和水力條件的能力，以及其他因素等等。
圖 2 多元泥砂管理策略(Morris, 2015) 台灣位於亞熱帶氣候與環太平洋地震帶上，颱風、降雨事件及地震等自然災害發生頻繁且愈趨極 端。在台灣特殊的氣候、地理條件下，於颱風期間之強風挾帶豪雨使大量泥砂運移，在世界土地面積 僅佔 0.024%的台灣，估計約每年生產 3.84 億噸懸浮泥沙，約佔世界懸浮泥沙總量的 1.9%，這也意謂 著臺灣水庫的淤積速率遠高於世界各地的水庫(Dadson et al., 2003)。目前，台灣有 61 個主要水庫(共 96 個；如圖 3)，總庫容約 22 億 m3，其主要目的是為台灣 2300 萬居民提供生活、農業和工業用水。到 2011 年，這些水庫的因泥砂淤積而損失將近 30%原始庫容(水利署，2011)，最嚴重的水庫淤積率更達 80%以上。台灣每年的水庫容量損失範圍從 149×103 m3到 44,580×103 m3。台灣在高產砂與季節性水 文變異大的環境下，水庫泥砂管理顯得尤為重要，並亟需要以永續泥砂管理之思維進行操作。
(二) 研究目的 空庫排砂是永續減緩水庫淤積的解決方案之一，本計畫兩個重點研究為：1.檢視空庫排砂之效益 以進一步最佳化維持長期水庫庫容之目標; 2.探討空庫排砂所釋放的泥砂對下游水生環境造成的影響 並進一步調整空庫排砂之操作與時機。本計畫選取目前台灣唯一持續進行空庫排砂的阿公店水庫為本 研究之重點研究對象，並在空庫排砂效果與空庫排砂時間之間的相互作用有進一步了解。此外，將透 過所建構之概念模型，定量支持水庫空庫排砂的操作規線，即透過永續泥砂管理以達到延長水庫壽命 之目標。 (三) 文獻探討 1. 水力排砂-沖砂 沖砂最適合被運用在小型水庫、庫區幾何為狹長型的水庫，或具明顯的季節性流量差異的水庫 (White, 2001)。沖砂可分為洩降排砂(Drawdown Flushing)與空庫排砂(Empty Flushing)，洩降排砂會在
壩前形成沖刷錐，並保持放流口能正常運作，水庫不需要低水位操作，此通常為空庫排砂的前置策 略，洩降水庫水位，但排砂效果不佳；而空庫排砂相較於洩砂，主要是針對沖刷以及再次懸浮淤積 的泥砂並運往下游。若要有效的實施空庫排砂，必須使水庫完全空庫，並透過低孔閘門的開啟，使 上游到壩形成自然河流流動的型態( 圖 4)，並使流量保持在運移泥砂的門檻值之上，但若在洪水期間，水庫入流量超過底孔最大放流 量而產生庫區滯流情形，則不能有效地沖砂。Kondolf et al. (2014)指出若要成功地實施沖砂，建議庫容 與平均年流量的比例不能超過 4%，因庫容若太大，水庫將無法輕易的將水位降低，且在排砂結束後的 入流量無法使水庫回升至足夠運用的水位。 圖 4 沖砂示意圖(Kondolf et al., 2014) 空庫排砂之國內外案例如下： (1) 黑松林水庫(中國) 黑松林水庫具有高流量時含砂濃度高的特點。因此枯水年蓄水為主，排砂為輔，汛期攔洪，必要 時異重流排砂；豐水年則排砂為主，宣洩有限的水(仍用於引洪淤灌)，以換取較大容量。根據每年汛期 初期、主汛期、汛期末期的不同水砂特點，合理蓄洩。汛期初期(6 月~7 月上旬)雖有洪水，但洪峰一 般較小，砂量有限，宜降低水位進行異重流排砂；主汛期(7 月中旬~8 月底)洪水頻繁，且洪峰高，含 砂量大，則採用低水位運用或並實施滯洪排砂或空庫排砂(夏邁定、程永華，1997)。 (2) 恆山水庫(中國) 恆山水庫建成後水庫運用可分為三個階段：(a)蓄水運用階段(1966~1967 年)；(b)蓄水排砂階段
(1968~1973 年)；(c)多年調節空庫(1974 年~)排砂階段。水庫初期營運階段，以異重流排砂為主，由於 僅異重流排砂難以維持蓄水容量，水庫在 1973 年底總淤積量達到 3,271 萬 m3，多年平均淤積量約為 40.9 萬 m3，總淤積量佔總容量的 24.6%。為此，恆山水庫在 1974 年改變操作模式為「水砂多年調節， 集中空庫沖刷」的運用方式，以維持水庫長久容量(焦恩澤等，2008)。 (3) Sefid-Rud 水庫(伊朗) Sefid-Rud 水庫建於 1959~1962 年，於 1963 年正式運轉，位於伊朗德黑蘭西北部 250 km 處，壩體 為混凝土支橔重力壩(Buttress Type concrete gravity dam)，壩高 106 m，頂部壩長 425 m，初始庫容 17.6 億 m3，水庫壩體設有 5 門底孔(E.L.193.8 m)，與發電放水口 5 孔(E.L. 210.1 m)，水庫集水面積為 56.2
萬 km2，依據 Sefid-Rud 防淤委員會之統計(Sefid-Rud Reservoir desiltation committee, 2005)，該水庫年
均逕流量約 48.35 億 m3，每年可為 25 萬 ha 的農田提供 28 億 m3的灌溉用水。其水庫的排砂對策主要 分成兩大階段，第一階段(蓄水攔砂)係採取異重流排砂與機械清淤(1963~1980 年)，其主要透過發電取 水口與底孔進行異重流排放，當該水庫在上游入流泥砂濃度達 13,000 ppm 時，排砂比會超過 20%，但 若上游來砂濃度不高，雖啟動發電取水口排砂，但排砂比不高，除浪費水資源外，也造成水庫逐漸淤 積。為此，Sefid-Rud 水庫在 1980 年後更改排砂策略為空庫排渾，亦即為了減輕泥砂淤積，在非灌溉 季節(10~2 月)進行空庫排砂，大大減輕了水庫泥砂淤積(Toloui et al., 1993)。 (4) 宇奈月壩與出平壩(日本) 日本北陸地區黑部川的宇奈月壩與出平壩為沖砂、洩砂案例，由於黑部川年沖蝕深度約 4 mm/year(蘆田，1976)，且該水系年降水量達 4,000 mm，且春、夏有穩定的融雪水源，目前宇奈月壩於 每年的 6 月 1 日至 8 月 31 日時，實施所謂的「連攜排砂通砂」。出平壩於 1985 年完工，比宇奈月壩 (2001 年完工)早了 16 年，故從 1991 年~2000 年出平壩採取單獨空庫排砂，由於宇奈月壩位於出平壩 下游，考量避免出平壩排出土砂都堆積在宇奈月庫區，故在宇奈月壩完工後，兩壩即開始實行聯合排 砂，來維持兩壩的長期容量(JCDOLD, 2006)。 (5) 大埔水庫(台灣) 大埔水庫位於新竹縣峨眉鄉中港溪支流峨眉溪上，為一混凝土重力壩，主要是供應農業灌溉及工 業用水。由歷年運轉資料知大埔水庫平均於 5 月中旬水庫之水位降至最低點，而 5 月下旬至 6 月下旬 期間之逕流量相當豐沛，故於 5 月中旬開始將水庫蓄水放空，使溢洪道閘門、排砂閘門及灌溉引水口 閘門等處於開啟狀況，保持水庫於空庫狀態，並利用隨後而來之逕流量進行排砂(水利署，2009)。 (6) 尖山埤水庫 尖山埤水庫由台灣糖業股份有限公司於 1938 年興建，供應新營總廠製糖工場冷卻用水及農場蔗 園灌溉用水，而水庫完工 5 年後 1943 年 5 月發現淤砂問題嚴重，當時曾設計添增虹吸管以增加排砂 功能，但未見成效。1951 年 2 月，台糖公司有感於尖山埤水庫淤泥問題日愈嚴重，於 1955 年 5 月完 成目前之排砂隧道工程，以解決淤砂問題之困擾。並經由水工模型進行排砂試驗，先後共作十次靜水 與空庫沖刷排砂工作(水利署，2009)。證明空庫沖刷排砂方法，如開關閘門控制得當，對尖山埤淤砂之 排除確有相當之效果，持續於 1955~1989 年的 5~7 月間進行空庫排砂操作(圖 5)，水庫在汛期時前 2.5 個月進行完全空庫，讓高入流量運移泥砂並沖刷前期淤砂，汛期結束前，放流閘門關起並開始蓄水， 11 月至隔年 4 月能灌溉甘蔗，執行期間因排砂操作成效良好，使水庫淤積情形趨緩，惟 1991 年之後 因觀光需求未再持續行空庫排砂操作，水庫淤積情形日趨嚴重(1955~1992 年均淤積量約為 1.34 萬 m3， 而 1992~2012 年均淤積量為 7.77 萬 m3)，圖 6 為水庫淤積及空庫排砂率關係。
圖 5 尖山埤水庫季節性操作(Huang ,1994)。
圖 6 尖山埤水庫淤積率及空庫排砂率 2. 沖刷渠道
水庫於洩降或沖砂期間，於出流孔前產生錐狀之泥砂沖刷，並藉由向源侵蝕一路往上游延伸，於 原先庫區內所形成的河道即稱為沖刷渠道(Lai and Shen, 1996; Morris and Fan, 1998)，通常在水庫淤積 三角洲能觀察到此現象(Kantoush et al., 2010)。水庫暫時恢復為河道樣貌，並藉由此渠道將懸浮載與沉 積之泥砂帶至下游，使水庫能有效維持長期庫容。但其沖刷效率受沖刷渠道的寬度及深度(圖 7)影響， 渠道寬度可能受原先入流口之寬度、水流特性及幾何因子影響(Kantoush and Schleiss, 2009)。狹長型水 庫能保持一定流速(Morris and Fan, 1998)，將泥砂帶往水庫放流口，但在寬廣型之水庫，僅有沖刷渠道 沿程受影響(Annandale et al., 2016)，Lai and Shen (1996)則認為在寬廣型之水庫可能需要借助二維或三 維模式以確認其側向侵蝕之程度。
資料來源 : Annandale et al., 2016 圖 7 沖刷渠道斷面示意圖
3. 水力排砂對下游影響
水力排砂可能對下游生態、社會、經濟、安全等面向造成衝擊。生態方面，水力排砂所排出的高 濃度含砂水流可能導致水中溶氧減少、影響到水生動植物呼吸的功能、降低水中能見度和光線的穿透 力(Morris, 2014)，而這些改變是造成水中的魚類大量死亡的原因之一。舉例來說，1996 年 9 月 26 日 在科羅拉多的 Halligan 水庫排出了數千立方公尺+不同大小分布從細砂至卵石的粒料到下游，導致了 在壩下游 12 km 內大量的沉積，根據統計，至少 4,000 尾魚於該次排砂中死亡(Wohl and Cenderelli, 2000)。而若排放的泥砂以細粒料泥砂組成為主，也可能在下游產生細粒料填縫現象(Fine Sediment Infiltration)，即細粒料泥砂淤積在下游的河床中，並入滲底床粗粒料間的孔隙，如圖 8 所示。在一般 的河川生態中，魚類通常會在可提供保護的礫石間產卵，若過量的細砂入滲將會大量減少礫石間的孔 隙，導致其存活率降低(衛紀淮，2013)，除此之外，過多的細粒料入滲，也會使魚類食物的主要來源(無 脊椎動物)的生產力減低，間接影響魚類的生存(Gammon, 1970; Brusven and Prather, 1974; Bjornn et al., 1977)。 資料來源:Wooster et al., 2008 圖 8 細砂或細粒料填縫示意圖 社會與經濟面向，排砂期間水變得混濁，因此要在處理後才能取用河川中的水；而對於取用溪水 來作灌溉的居民來說，由於有些灌溉渠道在設計時並未考慮到泥砂的問題，因此排砂可能會造成灌溉 渠道的堵塞；對於居住在和川邊的居民而言，排砂也降低河川育樂上的功能；對漁民來講，排砂可能 影響到河溪中的魚類生態，間接或直接的影響到他們的生計。安全面向，水力排砂可能造成底床抬升 或是河道變窄等河相改變，使得通洪面積下降，造成在洪水管理上的困境。在往年，排砂在對下游的 影響是不被重視的，然而在近幾年內，不少關於排砂的研究逐漸開始重視排砂對下游環境下所造成的 影響(Morris，2014)。
(四) 研究方法 1. 研究區域 阿公店水庫(1953 年~)位於高雄市的燕巢區，其主壩高為 31 m，設計庫容為 3670 萬 m3，為一以 防洪為主，並兼具灌溉和公共給水之多目標水庫。阿公店水庫集水區之青灰泥岩地形質地鬆軟且吸水 易化，大量沉滓於颱風豪雨時期運移入庫，自 1953 年水庫開始運轉以來，平均每年增加 50 萬 m3的 淤積量。截至 1991 年，水庫淤積率已超過 49%，不僅影響灌溉和給水，防洪功能亦也僅能應付 50 年 重現期的洪水，因此影響到水庫下游居民以及重要設施的安全。為了改善上述問題，經濟部水利署於 1997 年辦理阿公店水庫之更新改造計畫，包含：(a)水庫陸挖清淤 1,160 萬 m3，逐漸提升有效容量；(b) 將豎井溢洪管自原高程(34.5 m)降至庫床附近(27 m)，管內徑為 2.8 m，最大排洪量可達 85 cms；(c)改 建灌溉管以輔助排淤最大通洪能力增加 15 cms；(d)興建越域引水路於非汛期逕流量明顯不足時，引進 旗山溪水源補充因應，以滿足灌溉用水與公共給水需求，其引水路全長約 14.9 km，包括 15 座隧道與 14 座暗渠；(e)增設越域排洪道，使水庫滿足 1 萬年重現期洪水設計標準；(f)規劃每年 6 月 1 日到 9 月 10 日實施空庫防淤操作，以永續維持水庫之有效容量。在水庫更新工程計畫初期，為探討水庫更新改 造計畫之防淤功能，藉由空庫防淤操作試驗以三年長期模擬空庫操作方式，並以灌溉管輔助防淤功能， 其試驗成果顯示水庫更新後初期防淤功能可達 65.34%。歷年之水庫有效容量與淤積量變化如圖 9 所 示。 圖 9 阿公店水庫庫容和淤積量變化圖 2. 資料蒐集 自 2006 年水庫更新完成後，經濟部南區水資源局持續辦理空庫防淤觀測成效評估及阿公店水庫 暨阿公店溪之測量計畫，為進一步分析水庫防淤之操作策略和建置阿公店水庫概念模式，本研究蒐集 水庫集水區及下游河道相關資料，整理如表 1。 表 1 水庫集水區及下游河道相關資料 調查資料 資料位置 調查時間 資料來源 水庫運轉報表1 阿公店水庫 2007~2016 年 阿公店水庫管理中心 水庫地形測量1 阿公店水庫 2010~2016 年 99 年至 105 年度阿公店水庫暨阿公店溪空庫防淤 測量報告書
泥砂濃度1 白嶺箱涵、斗姥 廟、溢洪管 2009~2016 年 98 年至 105 年阿公店水庫空庫防淤泥砂觀測及成 效評估報告書、國立成功大學防災研究中心 雨量1, 2 阿公店溪集水區 2007~2016 年 水利署地理資訊倉儲中心 阿公店溪河道斷面量測2 阿公店溪 2008、2010~2016 年，各年 10 月份 97 年、99 年至 105 年度阿公店水庫暨阿公店溪空 庫防淤測量報告書。 阿公店溪水位資料2 阿公店溪前洲橋 2007~2016 年 水利署地理資訊倉儲中心 阿公店溪河床質粒徑調查2 阿公店溪 2012 年 101 年阿公店溪治理規劃檢討-治理規劃報告 土庫排水單位歷線2 土庫排水與阿公 店溪匯流處 1981 年 阿公店溪防洪調查報告 備註: 1: 阿公店水庫概念模式使用；2. SRH1D 水理輸砂模式使用 3. 概念性模式 為分析與探討阿公店水庫在不同水庫操作策略下對排砂量和供水的影響，本研究使用 2007 年至 2016 年水庫運轉報表之水位及出流量紀錄、雨量資料，並參考阿公店水庫操作規線和水門操作規則， 建置阿公店水庫概念模式。模式中假設：(a)模擬的過程中水庫之沉積忽略不計，意即水位和庫容之關 係不變；(b)當模擬水位小於水庫規線和歷史操作水位時，供水量折減 30%；(c)進入水庫的泥砂只從溢 洪道排出。 概念模式之建置、操作規線、溢洪道放流規則、模擬之方案和評估指標說明如下： (1) 模式建置 根據質量守恆，水庫演算之連續方程式可表示為： I – O =𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 其中，I為水庫之入流量，包含了阿公店水庫上游的濁水溪和旺萊溪之流量，由於阿公店水庫上游 至今尚未設置流量站，因此本研究使用水庫運轉紀錄之水庫出流量和水位變化，配合圖 10 水庫水位 與庫容之關係，回推得到每小時之入流量(𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖)；O為水庫之出流量，包含了水庫下游的溢洪管和取水 塔之出流量，其流量𝑄𝑄𝑆𝑆和𝑄𝑄𝑇𝑇表示；𝑑𝑑為阿公店水庫之庫容，t 為時間，在模式中採用一小時為計算時距。 因此水庫之連續方程式可寫成： 𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖– (𝑄𝑄𝑆𝑆+ 𝑄𝑄𝑇𝑇) =𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 水庫之最大放流量𝑄𝑄𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀和𝑄𝑄𝑆𝑆𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀則是由水庫水位所控制，水位所對應之最大放流量如圖 10 所示。 在阿公店水庫概念模式中，溢洪管放流量(𝑄𝑄𝑆𝑆)和取水塔放流量(𝑄𝑄𝑇𝑇)設定為不得超過在前一小時水庫水 位(H)所對應之溢洪管最大放流量(𝑄𝑄𝑆𝑆𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀)與取水塔最大放流量(𝑄𝑄𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀)。
圖 10 水庫水位與庫容、最大出流量關係圖 在水庫出砂量之計算上，本研究使用 2010 年至 2017 年之溢洪道出口處泥砂採樣資料進行分析， 各水位區間輸砂量與流量之率定曲線式如下： 𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆 = ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎧ 0.003𝑄𝑄𝑆𝑆1.0274 , when 27 ≤ 𝐻𝐻 < 29 m 0.0013𝑄𝑄𝑆𝑆1.16 , when 29 ≤ 𝐻𝐻 < 30 m 0.003𝑄𝑄𝑆𝑆0.7356 , when 30 ≤ 𝐻𝐻 < 31 m 0.0008𝑄𝑄𝑆𝑆1.0412 , when 31 ≤ 𝐻𝐻 < 32 m 0.0002𝑄𝑄𝑆𝑆1.4561 , when 32 ≤ 𝐻𝐻 < 33 m 0.00005𝑄𝑄𝑆𝑆1.517 , when 33 ≤ 𝐻𝐻 < 34 m 0.0014𝑄𝑄𝑆𝑆0.8541 , when 34 ≤ 𝐻𝐻 < 35 m 0.0031𝑄𝑄𝑆𝑆0.7188 , when 35 ≤ 𝐻𝐻 < 36 m 0.0004𝑄𝑄𝑆𝑆1.308 , when 36 ≤ 𝐻𝐻 < 38 m 其中𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆為溢洪管之排砂量，單位為公噸/小時(ton/hr)，H 為水庫之水位，根據不同水位會對應到不同 率定曲線，進行排砂量的計算。 (2) 水庫運用規線 根據 2016 年之規線，訂定阿公店水庫自豐水期的 6 月 1 日到 9 月 10 日為空庫防淤時期，在水庫 中維持低水位以實施排砂操作；空庫防淤時期結束後至翌年空庫防淤期前依照規線供水，為蓄水利用 時期，現行之阿公店水庫規線如圖 11 所示。其中空庫防淤期又可分為 6 月 1 日至 8 月 31 日和 9 月 1 日至 9 月 10 日兩個階段，6 月 1 日到 8 月 31 日為空庫防淤期的前半段(圖 11，第 16 旬~24 旬)，在 2016 年最新修訂的阿公店水庫運用要點中規定最高蓄水位為 31 m，以使水庫能夠維持在低水位，利 於空庫排砂之操作；9 月 1 日到 9 月 10 日則為空庫防淤時期後半段(圖 11，第 25 旬)，水位以 32 m 為 原則，以使水庫庫容回升，滿足下半年的供水需求。 阿公店水庫概念模式中，在供水量設定上有三種狀況：(a)當模擬水位在運用規線或是歷史運轉水 位紀錄以上時，則根據歷史供水量供水；(b)當模擬水位在運用規線之下，但於歷史運轉水位紀錄以上 時，則根據歷史供水量供水；(c)但若水庫水位低於運用規線，同時比歷史運轉水位紀錄低時，供水量 將折減為原本的 70%，不足部分則為缺水量。
資料來源 : 阿公店水庫運用規線，2016 圖 11 阿公店水庫規線圖 (3) 溢洪管操作規則 於阿公店概念模式中，出流量為溢洪管和取水塔流量的總和，其中取水塔的流量採用 2007~2016 年之歷史資料為目標供水量，溢洪管的放流量則是參考阿公店水庫規線和水門操作規則(水利署網站)。 溢洪管的開啟可以分成調節性放水(於維修、空庫防淤需要或防洪運轉時)、防洪運轉(颱風或豪雨時)和 緊急運轉(特殊洪水或災變時)三種狀況。依照阿公店水庫運用要點，中央氣象局發布海上陸上颱風警 報或豪雨(包括大豪雨、超大豪雨)特報，本水庫集水區列入警戒區域者，即進入颱風或豪雨情況，此時 可實施防洪運轉以達成防洪或是排砂等目標。本研究參考南水局(2016)報告書，模式中將防洪運轉分 為兩個階段，其操作原則為圖 12 所示： (a) 第一階段為調節性放水，在洪水來臨前進行預先洩降使水庫達到較低之水位以提高排砂效 率，操作時間自進入防洪運轉到洪水來臨之前。在概念模式中設定颱風警報發布且集水區 納入警報範圍時到入流量超過 15 cms。2016 年所頒定之水庫操作要點中，將其放水量設定 最高不能超過 35 cms，而當未來下游河道整治完成後，放水量將可提高到 90 cms。此階段 之放水量可隨著操作的需求有所調整，若該水位下的溢洪管最大放流量無法達到此值，則 此時放流量以該水位對應之最大放流量。 (b) 第二階段為洪水來臨時，在模式中將其定義為自流量超過 15 cms 之時到颱風警報解除，若 此時水庫水位高於操作的目標水位，此時水庫以前小時進水流量進行放水，若該水位下最 大放流量無法達到此值，則此時放流量以該水位對應之最大放流量。 圖 12 阿公店水庫防洪運轉操作
(a) 水庫在蓄水利用時期且發生颱風警報 若水位高於 32 m 和水庫運用規線，此時進入防洪運轉階段，而在入流量尚未超過 15 cms 前，以調節性放水量進行放水，直至空庫，而在入流量超過 15 cms 後，若此時水庫水位高 於操作的目標水位，溢洪管全開進行放水但不超過前一小時之入流量，直至防洪運轉解 除。 (b) 水庫在蓄水利用時期且無發生颱風警報 溢洪管不放水。 (c) 水庫在空庫防淤時期且發生颱風警報 進入防洪運轉階段，而在入流量尚未超過 15 cms 前，以調節性放水量進行放水，直至空 庫，而在入流量超過 15 cms 後，若此時水庫水位高於操作的目標水位，溢洪管全開進行放 水但不超過前一小時之入流量，直至防洪運轉解除。 (d) 水庫在空庫防淤時期且無發生颱風警報 若水位低於空庫防淤時期限制之水位則不放水，若高於空庫防淤時期限制之水位以 15 cms 進行洩降，直至水位低於空庫防淤時期限制之水位。 (e) 在防洪運轉時，若水庫水位在 37 m 以下，出流量不得超過 90 cms，而若水庫水位超過 37 m 時，為確保水庫之安全啟動緊急運轉，此時溢洪管以及取水塔全開進行放水以使水位盡速 下降，總放水量可超過 90 cms。 (4) 水庫操作方案 本研究使用阿公店水庫概念模式模擬在不同操作方案下之排砂和供水的情形，以現行(2016 年)操 作規則做為比較基準方案(Case 0)，在操作方案上共分為四個面向之調整，包含了不同空庫排砂期間(方 案類型 A)、空庫排砂期間維持不同水位(方案類型 B)、防洪運轉時期以不同調節性放水量進行預先洩 降(方案類型 C)、防洪運轉期間洪水來臨後維持的不同水位進行排砂(方案類型 D)，方案設計表及相關 參數設定如表 2 方案設計表所示。針對不同防淤期間的設計方案，參考南水局(2016)報告中對於月眉 堰對下游供水能力之分析，結果說明在目前空庫排砂期之前的 5 月中旬和 5 月下旬以及空庫排砂期之 後的 9 月中旬和 9 月下旬仍有剩餘水量，搭配阿公店水庫越域引水之水量，可供給下游之需水量，因 此設計自 5 月中旬、5 月下旬、6 月上旬為空庫排砂之起始旬，8 月下旬、9 月上旬、9 月中旬和 9 月 下旬為空庫排砂之結束旬，共計十二種方案，模擬之相關參數設定如表 2 所示。在空庫防淤期的維持 不同水位的設計方案上，本研究針對其最高蓄水位進行調整，調整範圍自空庫的 27 m，每隔 1 m 進行 模擬，共模擬水位 27 m、水位 28 m、水位 29 m、水位 30 m、水位 31 m 和水位 32 m 共計六組方案， 模擬之相關參數設定如表 2 所示。 (5) 評估指標 模式中將模擬在不同操作規則下，水庫排砂和供水的成效並在各方案間作比較，其中在供水成效 上採用供水達成率作為評估指標，其意義為在各方案下與歷史供水狀況做比較，各方案能達到歷史供 水量的比率。定義如下式所示: 供水達成率 = 各方案操作下之供水量 歷史操作紀錄之供水量× 100% 而在水庫排砂的成效評估上，則以概念模式中，如表 2 所示的各方案操作結果下，計算的出砂量作為 比較。因此在每組操作結果下，會得到不同的供水達成率以及出砂量。本研究即以此二指標進行方案 評估，比較各操作下所得之結果，可供當局作為水庫操作之參考。
表 2 方案設計表 空庫防淤期間 防洪運轉 方案編號 期間 最高水位 調節性放水 最大放水量 颱風事件期 間操作水位 起 始 Case0 6 月 1 日 9 月 10 日 31 35 30 A1 5 月 10 日 8 月 31 日 31 35 30 A2 5 月 10 日 9 月 10 日 A3 5 月 10 日 9 月 20 日 A4 5 月 10 日 9 月 30 日 A5 5 月 20 日 8 月 31 日 A6 5 月 20 日 9 月 10 日 A7 5 月 20 日 9 月 20 日 A8 5 月 20 日 9 月 30 日 A9 6 月 1 日 8 月 31 日 A10 6 月 1 日 9 月 20 日 A11 6 月 1 日 9 月 30 日 B1 6 月 1 日 9 月 10 日 27 35 30 B2 28 B3 29 B4 30 B5 32 C1 6 月 1 日 9 月 10 日 31 15 30 C2 90 D1 6 月 1 日 9 月 10 日 31 35 27 D2 28 D3 29 D4 31 D5 32 4. 數值模式 (1) 模式簡介
SRH-1D(Sedimentation and River Hydraulics-one dimension)為美國墾務局所發展之一維水理輸砂模 式，前身為 GSTAR-1D 模式，在 2007 年更名為 SRH-1D，發展至今已廣泛運用在國內外許多實際河 道之模擬與分析，可模擬穩態(亞臨界流)和非穩態流(亞臨界流、超臨界流和過渡臨界流)、穩態泥砂傳 輸和非穩態泥砂傳輸、凝聚和非凝聚性泥砂，以及側向入流等條件(Huang and Greimann, 2012)。由於 SRH1D 為一維模式，所以模擬無法反應二次流、側向擴散和泥砂橫向的運移。模式中採用了許多輸砂 方程式，這些方程式在推導的過程中或多或少都有簡化的情形，因此計算結果和現地實際情況會有所 不同，同樣的也會對本模式模擬的結果產生影響，因此需要藉由模式的率定與驗證來降低模式的不確 定性。
SRH1D 模式的建置需根據實際狀況，輸入參數以及資料，包括模式參數、上游邊界條件、下游邊 界條件、內部邊界條件、側向入流、渠槽形狀以及水理因子、泥砂模式參數、上游泥砂邊界條件、側 向泥砂入流、底床泥砂材料、水溫、侵蝕與淤積限制、泥砂運輸參數、凝聚性泥砂參數、塊石參數等 十五組參數。根據阿公店溪河道現地環境狀況，模式建置中不考慮內部邊界條件、側向入砂及塊石參 數，其餘參數輸入說明如下： (a) 模式參數 由於將進行長期的模擬，所以時間步幅需同時滿足模式的穩定度以及求解的效率，本研究將 使用率定的過程來選定適當的時間步幅，在率定過程中將測試 0.0005、0.001、0.005 和 0.01 小時 共計四組時間步幅參數，而模擬的時間自 2007 年到 2016 年，總計 11 年，共計 96423 小時，本研 究中採用非穩態流與非穩態泥砂運輸方程式進行運算，模擬之最小流量為 5 cms。 (b) 上游邊界條件 在上游邊界條件中選用時間與流量之序列，即為每小時都會對應到一筆流量資料，模擬中使 用阿公店水庫概念模式計算之溢洪管出流量為 SRH1D 模式之上游邊界條件，位置設定在最上游 的編號 59 斷面(圖 13)，出流量會隨著阿公店概念模式使用不同的操作方案有所變動。 圖 13 阿公店溪斷面位置圖(南水局，2016) (c) 下游邊界條件 模擬中下游邊界的位置設定在阿公店溪的前洲橋，約在斷面 15 的位置(如圖 13)，下游邊界條 件中選用流量和水位之率定曲線關係，如下式所示： H = a𝑄𝑄𝑏𝑏+ 𝑐𝑐 其中，H為水位(m)，Q為流量(cms)，a、b、c為常數，在模擬中a = 0.3026，b = 0.3477，c = 0。 下游邊界條件根據 2012~2016 之實測水位做為下游邊界條件，藉由一維模式模擬在各時刻的水位 -流量時間序列，並加以迴歸分析，得出流量與水位關係。 (d) 側向入流 模式中考慮土庫排水為側向入流，入流的位置約在前洲橋的上游，斷面編號 16 的位置(圖 13)， 由於缺乏流量資料，本研究參考南水局 2006 年之報告，使用單位歷線配合雨量資料計算。 (e) 渠槽形狀與水理因子 在河道斷面資料使用上本研究採用民國 104 年南水局量測結果為底床之初始條件，河道斷面
位置如圖 13 所示，模擬範圍由於河口受到潮汐影響較大且並無水位站設立，較難求得下游邊界 條件，故模擬範圍自溢洪管出口(斷面 59)到前洲橋(斷面 15)為止，總計 45 個斷面。曼寧係數設置 參考民國 103 年之阿公店治理規劃檢討所設置，斷面 36 到溢洪管出口設置為 0.03，前洲橋到斷 面 35 設置為 0.028。 (f) 泥砂模式參數 泥砂模式參數控制了河床的層數以及影響了泥砂運輸上的計算，參數的設定上本研究採用預 設值，河床層數設為 3，泥砂計算之時間步幅設為 1，泥砂組成共分成十個群組，粒徑由小至大分 別為 0.001 mm、0.0625 mm、0.125 mm、0.25 mm、0.5 mm、1 mm、2 mm、4 mm、8 mm、16 mm、 32 mm。 (g) 上游泥砂邊界條件 在上游邊界條件中選用時間與泥砂出流量之序列，即為每小時都會對應到一筆泥砂出流量資 料，模擬中使用溢洪管之出砂量為上游邊界條件，出砂量會隨阿公店概念模式模擬方案不同而有 所不同。 (h) 泥砂底床材料 模式中底床每秒可被侵蝕厚度將由率定參數決定，其值建議為 5~14 倍的𝐷𝐷90，共率定 0.01、 0.05 和 0.14 三組參數，底床粒徑的設定上則參考 2014 年之阿公店溪治理規劃檢討，設定如表 3 所示。 表 3 模式中河川斷面粒料設定表 斷面編號 群組 1 群組 2 群組 3 群組 4 群組 5 群組 6 17 40 35 25 0 0 0 19 65 10 10 10 5 0 23 45 10 25 20 0 0 26 70 15 15 0 0 0 30 35 5 20 20 15 5 36 45 25 15 15 0 0 45 60 15 15 10 0 0 48 55 20 20 5 0 0 49 40 10 40 10 0 0 單位(%) (i) 水溫 模式中水溫設定為20℃。 (j) 侵蝕與淤積限制 雖然阿公店溪目前河道多有堤防，但經過測試的結果，模擬過程中並無側向侵蝕的情況，各 河段中侵蝕和淤積皆在主河道發生，因此並未特別對兩岸堤防位置之侵蝕和淤積做限制。 (k) 泥砂運輸參數
表 4 泥砂運輸參數表 參數 代號 預設 率定範圍 控制因子 懸浮載沉積因子 ∝𝑑𝑑 0.25 0.05-1 調適長度 懸浮載挾砂因子 ∝𝑆𝑆 1 0.05-1 調適長度參數 𝑏𝑏𝑙𝑙 0 0.5-2 主動層厚度參數 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑑𝑑 2 0.5-2 底床混合 底床權重參數 𝑥𝑥 - 0-1 (l) 泥砂運輸參數 參考阿公店水庫淤泥沖刷啟動之研究(賴進松，1998)之結果，阿公店底床乾重約 0.8 t/𝑚𝑚3，並 加以率定後表層臨界剪應力設為 2 N/𝑚𝑚2 ，塊體侵蝕臨界剪應力則參考 Otsubo 和 Muraoka (1998) 渠槽實驗之結果，底床和塊體臨界剪應力關係如下式。 𝜏𝜏𝑐𝑐1= 0.27𝜏𝜏10.6 𝜏𝜏𝑐𝑐2= 0.79𝜏𝜏10.6 其中，𝜏𝜏𝑐𝑐1為表層臨界剪應力(𝑁𝑁/𝑚𝑚2)；𝜏𝜏𝑐𝑐2為塊體臨界剪應力(𝑁𝑁/𝑚𝑚2)；𝜏𝜏1為賓漢流體初始啟動 剪應力(𝑁𝑁/𝑚𝑚2)，由前述表層侵蝕剪應力 2 N/𝑚𝑚2進行換算，塊體侵蝕剪應力設為 18.2 (𝑁𝑁/𝑚𝑚2)。 而表層侵蝕常數則設為 1 倍之𝐷𝐷90，根據各斷面粒徑調查結果有所不同。顆粒沉積臨界剪應力與塊 體沉積剪應力應小於表層侵蝕臨界剪應力，本研究經由率定設為 1.95(𝑁𝑁/𝑚𝑚2)，平衡濃度以 30g/ml 設定。 (3) 模式率定與驗證 模式的率定過程可分為水理率定以及輸砂率定，水理率定主要以決定曼寧係數 N 為主，輸砂率定 則是決定泥砂運輸之參數。 模式率定是以 2011 年 10 月量測之阿公店溪河道為初始底床，模擬時間由 2011 年 10 月至 2012 年 10 月，模式計算完成後以 2012 年量測之底床比較其誤差，以決定適用的參數；模式驗證則是以 2015 年 10 月量測之河道底床為初始條件，模擬時間由 2015 年的 10 月到 2016 年的 10 月。 (4) 參數敏感度分析 本研究以 SRH1D 模式模擬排砂前後的地形變化，在率定過程中將以模擬之底床高程與實際量測 之底床高程比較，為檢定模式之計算結果，本研究以均方根誤差(RMSE)輔以計算，均方根誤差說明如 下式所示: 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑑𝑑𝑅𝑅 = �(∑𝑖𝑖𝑖𝑖=1𝑅𝑅𝑜𝑜𝑏𝑏𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑀𝑀𝑜𝑜𝑖𝑖𝑜𝑜𝑖𝑖𝑛𝑛𝑛𝑛𝑚𝑚𝑏𝑏𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛− 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙𝑀𝑀𝑜𝑜𝑜𝑜𝑑𝑑)2 其中，numbers為斷面之數目，𝑅𝑅𝑜𝑜𝑏𝑏𝑠𝑠𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑀𝑀𝑜𝑜𝑖𝑖𝑜𝑜𝑖𝑖為河道底床之實地量測高程，𝑅𝑅𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠𝑙𝑙𝑀𝑀𝑜𝑜𝑜𝑜𝑑𝑑為模式模擬所 得之河道底床高程，方均根(RMSE)值越小代表模擬結果越接近現地量測之結果。 (5) 河道通洪能力計算 為評估在各方案下排砂對河道安全的影響，本文利用排砂前後的河道斷面計算通洪流量，並與 50 年與 100 年設計洪峰流量進行比較計算通洪能力的方法使用曼寧公式，如下式所示。 Q =1𝑛𝑛 × 𝐴𝐴 × 𝑅𝑅2/3× 𝑑𝑑1/2 其中，Q 為流量(cms)，n為曼寧係數，A為河道斷面通洪面積(𝑚𝑚2)，R 為水力斷面(m)，S為坡度。
(五) 結果與討論 1. 阿公店概念模式 (1) 模式測試 以 2016 年在現行操作規則下的水文歷線作為防洪運轉案例的說明，圖 14 為模擬 2016 年的水位與時 間關係圖，期間共歷經尼伯特颱風、莫蘭蒂颱風和梅姬颱風三場有在阿公店水庫集水區發布颱風警報 的事件，本研究以尼伯特颱風和莫蘭蒂颱風做為在不同時期進行防洪運轉的案例說明。 圖 14 以現行操作方案模擬下 2016 年之水文歷線 (a) 空庫防淤時期且發布颱風警報 以 2016 年的尼伯特颱風於現行操作規則下之操作情形，概念模式中流量歷線如圖 15 所示。 尼伯特颱風在阿公店集水區發布警戒的時間為 2016 年 7 月 7 日 15:00，解除颱風警報的時間為 7 月 9 日 6:00，並於 7 月 8 日 10:00 入流量超過 15 cms。該颱風警報發生時間為水庫的空庫防淤時 期，因為發生颱風事件進入防洪運轉的操作。在警報發布初期至洪水來臨時(入流量超過 15 cms)， 水庫以調節性放水量 35 cms 進行放水，使水庫水位降低，而在 7 月 8 日 10:00 入流量超過 15 cms 後，水位並未高於操作目標水位的 30 m，因此不開閘門，而到 7 月 8 日的 10:00 颱風警報解除， 至此由於入流量不高，水位皆位高於 30 m 因此閘門皆為關閉狀況。
(b) 蓄水利用時期且發布颱風警報 以 2016 年的莫蘭蒂颱風在現行操作規則下的操作情形，概念模式中流量歷線如圖 16 所示。 莫蘭蒂颱風在阿公店集水區發布警戒的時間為 2016 年 9 月 13 日 12:00，解除颱風警報的時間為 9 月 15 日 3:00，並於 9 月 14 日 16:00 入流量超過 15 cms。該颱風警報發生時間為水庫的蓄水利 用時期，但因為水位已超過 32 m，所以進入防洪運轉的操作。在警報發布初期至洪水來臨時(入 流量超過 15 cms)，水庫以調節性放水量 35 cms 進行放水，使水庫水位降低，而在 9 月 14 日 16:00 入流量超過 15 cms 後，水位同時也高於操作目標水位的 30 m，因此以該水位下對應之最大放流 量進行放水，但由於水利法規的限制，放水量不超過前一小時的入流量以免在下游造成人工洪水， 到 9 月 15 日 3:00 颱風警報解除後，停止放水。 圖 16 莫蘭蒂颱風操作歷線圖 (2) 比較基準方案(Case 0) 以 Case 0 方案進行模擬之水位隨時間變化如圖 17 所示，圖中黑線為模擬之水位結果，藍線為操 作規線，綠線則為過去實際運轉之水位資料，副坐標軸的紅線則表示方案模擬下和歷史供水量的差值， 其值以負值表示。由圖 17 可見當模擬之水位低於操作規線和過去實際運轉水位時，會有減量供水的 情形，而比較模擬之水位成果與過去實際運轉水位，可以發現在空庫防淤期水位差異較大，原因為實 際操作時防洪運轉有人為考量所致，且十年模擬中歷經兩次(2011、2016 年)操作規則上之變更，而在 2011 年後的 1 月至 6 月較無颱風時，模擬水位大致與歷史操作水位相同。 圖 17 概念性模式 Case 0 方案模擬水位成果圖
(3) 模擬方案 本研究使用阿公店水庫概念模式模擬在不同操作方案下之排砂和供水的情形，其中以方案 Case0 表示參考現行操作規則的方案，在操作方案上共分為四個面向之調整，包含了不同防淤期間的測試(方 案類型 A)、防淤期間維持不同的水位(方案類型 B)、在防洪運轉時期以不同調節性放水量進行預先洩 降(方案類型 C)、在防洪運轉期間洪水來臨後以不同水位進行排砂(方案類型 D)，共四種不同方向之調 整以設定操作方案，方案之編號如表 5 所示。 表 5 水庫操作策略方案模擬成果 空庫防淤期間 防洪運轉 排砂量 (萬立方 公尺) 供水達 成率(%) 方案 編號 期間 最高水位 調節性放水 最大放水量 颱風事件 期間水位 起 始 Case0 6 月 1 日 9 月 10 日 31 35 30 40.76 99.88 A1 5 月 10 日 8 月 31 日 31 35 30 42.07 99.54 A2 5 月 10 日 9 月 10 日 40.8 99.54 A3 5 月 10 日 9 月 20 日 39.6 99.39 A4 5 月 10 日 9 月 30 日 40.5 98.82 A5 5 月 20 日 8 月 31 日 41.98 99.54 A6 5 月 20 日 9 月 10 日 40.7 99.54 A7 5 月 20 日 9 月 20 日 39.49 99.39 A8 5 月 20 日 9 月 30 日 40.32 98.82 A9 6 月 1 日 8 月 31 日 42.05 99.88 A10 6 月 1 日 9 月 20 日 39.62 99.73 A11 6 月 1 日 9 月 30 日 40.6 99.15 B1 6 月 1 日 9 月 10 日 27 35 30 67.64 93.3 B2 28 65.15 94.8 B3 29 53.54 97.63 B4 30 46.59 99.43 B5 32 38.74 99.88 C1 6 月 1 日 9 月 10 日 31 15 30 39.94 99.88 C2 90 40.56 99.81 D1 6 月 1 日 9 月 10 日 31 35 27 42.28 99.88 D2 28 42.28 99.88 D3 29 41.67 99.88 D4 31 40.33 99.88 D5 32 40.55 99.88
(a) 不同空庫防淤期之比較 模擬不同空庫防淤期方案 A1~A11 的成果如表 5 所示，討論調整防淤期對供水達成率的影響，若 比較同一起始日期之空庫防淤，如方案 A1~A4、A5~A8 和 A9~A11，可以發現空庫防淤期結束越晚， 整體來說供水達成率有下降的趨勢，而如果比較同一結束之空庫排砂日期，如方案 A1、A5 和 A9，方 案 A2、A6 和 Case0，可以發現防淤期越往前供水達成率也較低，但降低的幅度較防淤期往後延小， 而比較自五月十日和五月二十日開始的防淤期，發現兩者有同樣的供水達成率，是由於在此案例中空 庫防淤期之水位平常無颱風事件時皆維持在 31 公尺，相較原本規線高，因此在供水上不受影響。 討論調整空庫防淤期對排砂量的影響，可以發現調整空庫防淤期對排砂量之影響並不大，排砂量 變動範圍自 39.49 萬立方公尺到 42.07 萬立方公尺，調整空庫防淤期平均來說每年對排砂量影響約在 2500 立方公尺以內，且隨著空庫防淤期間長短的變化並無明顯之規律性，這是因為在此空庫防淤期比 較案例中空庫防淤期維持之水位較高，和原本規線水位差異較小所致。 而為更全盤考量不同防淤期的影響，除了原本方案表中的案例之外，本研究模擬空庫防淤期在維持不 同水位(27 公尺~31 公尺)的情形下調整空庫防淤的期間，模擬結果如表 6 所示。 調整空庫排淤期對於供水的影響，可以發現在各水位的操作下，皆有空庫防淤期的時間越長供水 達成率越低的趨勢，比較同一起始日期之空庫防淤期之方案，空庫防淤期結束越晚可以發現供水達成 率也隨之下降，比較同一結束日期之方案的情況下，也可發現若空庫防淤期越提前供水達成率越低。 其中若水位在 30 公尺以下時，比較排砂時間為同樣旬數的情形下將空庫防淤期提前和延後之方案， 可以發現將空庫防淤期延後會對供水達成率產生較大的影響。舉例來說，在同為將空庫防淤期由現今 的 10 旬增加到 11 旬的情況下，將空庫排砂期由目前的 6 月 1 日到 9 月 10 日向後延一旬更改為 6 月 1 日到 9 月 20 日，比起將原本的空庫排砂期更提前一旬變為 5 月 20 日到 9 月 10 日，供水達成率是較 低的。 討論調整空庫防淤期對排砂量之影響，除了空庫防淤期維持在 31 公尺的水位之外，在其餘水位 的操作下皆可以看出增加空庫防淤期的時間可增加排砂量，比較同一起始日期之空庫防於期間方案， 如方案 A1~A4、A5~A8 和 A9~A11，可以發現隨著空庫防淤期間延後排砂量也隨之上升。比較同一結 束日期之空庫防淤期間方案，如方案 A1、A5 和 A9，方案 A2、A6 和 Case0，可以發現空庫防淤之起 始日期越提前，排砂量也隨之增加，整體而言空庫防淤期如果越長，則會有較高之排砂量。
綜合上面對空庫防淤期影響排砂和供水的討論，在水位 30 公尺以下若欲增加排砂量以達成水庫 之永續，可將空庫排砂期增加 1~2 旬，即從目前的六月一號到九月十號的空庫排砂期共 10 旬增加到 11 旬或者 12 旬，以增加到 11 旬做討論，共計 A1、A6 和 A10 三個方案可供選擇，其中 A10 供水達 成率和排砂量皆較低故不考慮，而 A1 有較高的排砂量但供水達成率較 A6 方案低，A6 有最高之供水 達成率，但排砂量較 A1 方案低，因此可根據排砂和供水的需求在 A1 和 A6 兩方案中做選擇；以增加 空庫防淤期時間到 12 旬做討論，共計 A2、A7 和 A11 三個方案可供選擇，其中方案 A7 之供水達成率 最低但排砂量比較另外兩個方案並無明顯提升因此先剔除考量，相比 A2 與 A11 方案，雖然 A11 有稍 大之排砂量但在供水達成率降低的幅度較大，因此若需將空庫防淤期增加到 12 旬以調整到 A2 會較另 外兩個方案為佳。
表 6 空庫防淤期間不同水位情形下調整空庫防淤期間成果表 防淤期間水位 27 公尺 防淤期間水位 28 公尺 防淤期間水位 29 公尺 防淤期間水位 30 公尺 防淤期間水位 31 公尺 方案編 號 防淤期 空庫 防淤 旬數 溢洪管 排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達 成率 (%) 溢洪管 排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達 成率(%) 溢洪管 排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達 成率(%) 溢洪管 排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達 成率(%) 溢洪管 排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達 成率(%) A1 5/10~8/31 11 72.65 92.01 69.78 93.57 56.69 96.60 48.49 98.77 42.07 99.54 A2 5/10~9/10 12 75.22 91.69 72.14 93.39 57.27 96.69 48.13 98.90 40.80 99.54 A3 5/10~9/20 13 79.70 89.57 76.35 91.41 59.63 94.87 48.78 98.17 39.60 99.39 A4 5/10~9/30 14 83.81 88.80 80.17 90.78 61.89 94.37 50.35 97.47 40.50 98.82 A5 5/20~8/31 10 69.49 92.81 66.90 94.22 55.32 96.90 47.80 98.77 41.98 99.54 A6 5/20~9/10 11 72.04 92.49 69.26 94.03 55.89 97.00 47.42 98.90 40.70 99.54 A7 5/20~9/20 12 76.45 90.32 73.39 92.00 58.31 95.14 48.12 98.17 39.49 99.39 A8 5/20~9/30 13 80.37 89.49 76.98 91.33 60.36 94.58 49.62 97.46 40.32 98.82 A9 6/1~8/31 9 65.13 93.65 62.83 94.99 52.97 97.55 46.96 99.27 42.05 99.88 Case0 6/1~9/10 10 67.64 93.30 65.15 94.80 53.54 97.63 46.59 99.43 40.76 99.88 A10 6/1~9/20 11 71.90 91.17 69.16 92.83 55.75 95.81 47.24 98.68 39.62 99.73 A11 6/1~9/30 12 76.49 90.38 73.44 92.16 58.30 95.26 48.63 97.99 40.60 99.15
(b) 空庫防淤期維持不同水位之比較 在空庫防淤期以不同水位進行操作之方案 B1~B5 的模擬成果如表 7 所示，整體而言在空庫防淤 時期維持的水量越低會有較高的排砂量，但供水達成率也會較低，模擬空庫防淤期維持水位由空庫的 27 m 到 32 m 之各方案，排砂量變化的區間在 39 萬 m3到 68 萬 m3之間，供水達成率皆在 93%以上。 比較不同水位對於排砂量之影響，由圖 18 可以看出將水位由 32 m 降至 31 m 和將水位由 28 m 降 至 27 m 對排砂量的影響是較小的，前者約增加了 5%的排砂量後者則是約只增加了 4%的排砂量。若 以年排砂量來表示相當於每年只增加了約 2,000 m3的排砂量。若將水位由 31 m 降至 30 m、30 m 降至 29 m、29 m 降至 28 m 則對排砂量有較大的變化，分別增加了 14.3%、14.9%和 21.7%的排砂量，若以 每年排砂量計算則分別增加了 5,890 m3、6,950 m3和 11,610 m3的排砂量。 比較調整水位對供水量的影響，由圖 18 可以看出當水位在 30 m 以上時，調整水位對供水之影響 較小，將水位自維持 32 m 調整到 31 m 時，供水達成率皆為 99.88%。若將維持水位自 31 m 降至 30 m 時，供水達成率則減少約 0.5%。供水影響隨著維持水位降至 30 m 以下而增加，如將維持水位由 30 m 調降至 29 m 時，供水達成率下降了約 1.8%；由 29 m 調降至 28 m 時，供水達成率下降約 2.8%；由 28 m 再調降至 27 m 時，供水達成率下降約 1.5%。 綜合比較調整水位影響排砂量和供水量之結果，若欲在較不影響供水的情形下增加水庫之排砂量， 可將目前水庫空庫時期之最高水位由 31 m 降至 30 m，應可增加每年約 6,000 m3之排砂量，供水達成 率減少量也較小，而後若為因應更大的排砂量需求，可持續將水位調降，但自 28 m 持續下調對排砂的 效應則不明顯，若將空庫排砂時期維持之水位調降至 28 m，比較目前之操作規則每年平均可增加 24,500 m3之排砂量，相較原本操作規則下每年 40,700 m3的排砂量，提升了約有 60%。 表 7 空庫防淤期不同水位操作成果表 案例編號 空庫防淤期之維 持水位(m) 溢洪管排砂量(萬 𝑚𝑚3) 供水達成率 (%) B1 27 67.64 93.3 B2 28 65.15 94.8 B3 29 53.54 97.63 B4 30 46.59 99.43 Case0 31 40.76 99.88 B5 32 38.74 99.88 圖 18 空庫防淤期不同水位操作成果圖
(c) 不同調節性放水量之探討 在颱風事件時期以不同調節性放水量進行操作之成果如表 8 所示，除了原本設計的 C1 和 C2 方 案之外，為更顯著看出調整調節性放水對於供水和排砂的影響，另外加入 25cms、45cms、60cms 和 75cms 進行模擬。可以從表中發現，調整不同調節性放水量對供水的影響有限，比較各方案供水達成 率皆在 99%以上，排砂量介於 39.94 ~ 40.76 萬立方公尺之間，整體來說調節性放水量增加時會有稍大 之排砂量，調整調節性放水量自 15cms 到 35cms 時對於排砂量增加較為明顯，若繼續往上調升對於排 砂量則無明顯增加，35cms 的調節性放水量即能在洪水來臨前將水庫放至目前操作策略的目標 30 公 尺，故再往上調升調節性放水量對增加排砂量幫助不大，而在供水方面將調節性放水量上調供水達成 率則下降，但下降幅度極小。 表 8 颱風來臨前以不同調節性放水量操作成果表 案例編號 調節性放水量 (萬𝑚𝑚3) 溢洪管排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達成率 (%) C1 15 39.94 99.88 25 40.28 99.88 Case0 35 40.76 99.88 45 40.60 99.87 60 40.28 99.81 75 40.21 99.81 C2 90 40.56 99.81 (d) 颱風事件時期維持不同水位排砂 在颱風時期以不同水位進行排砂模擬之成果如表 9 所示，整體而言若在颱風時期維持較低水位會 有較高之排砂量，但維持不同水位對供水之影響並不顯著，而在水位 27 公尺和 28 公尺排砂量相同的 原因主要有二：一是實際在模擬防洪運轉之操作過程中對於放水量有一定之限制，在颱風事件中當洪 水來臨時水位往往瞬間達 28 公尺，因此較難實際達成在颱洪事件時期水位 27 公尺的操作目標；而另 一原因為現行颱風來臨前調節性放水量定為不能超過 35cms，難以在洪水來臨前將水庫放空，又洪水 來臨後水位向上攀升，因此實際在操作上較難達成颱風事件期間空庫之操作。 表 9 颱風時期維持不同水位操作成果表 (調節性放水量 35cms) 案例編號 颱風時期之維持水 位(m) 溢洪管排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達成率 (%) D1 27 42.28 99.88 D2 28 42.28 99.88 D3 29 41.67 99.88 Case0 30 40.76 99.88 D4 31 40.33 99.88 D5 32 40.55 99.88
為使模擬上能在颱風時期達到空庫之水位以比較各水位操作下的影響，假設在未來整治完成後調 節性放水量可達到 90cms，以模擬颱風時期在不同水位下操作之結果，如表 10 所示。由表中可見在 颱風時期使用較低水位進行排砂的確會達成較大之排砂量，而各方案之供水達成率仍在 99%以上，說 明調整颱風時期排砂之不同水位對供水影響極小。 表 10 颱風時期維持不同水位操作成果表 (調節性放水量 90cms) 颱風時期之維持 水位(m) 溢洪管排砂量 (萬𝑚𝑚3) 供水達成率 (%) 27 42.56 99.81 28 42.55 99.81 29 41.89 99.81 30 40.56 99.81 31 40.19 99.80 32 40.2 99.81 (4) 不同排砂操作策略對水庫庫容探討 為計算在不同操作策略下水庫庫容之變化，需要先了解阿公店水庫於目前排砂操作策略下之年淤 積量。如圖 9 所示，阿公店水庫在 2005 年更新改善計畫完成後，蓄水空間由 1,717 萬立方公尺增加 至 1,837 萬立方公尺，而後經過十年的淤積後，在 2016 年的庫容為 1,612.8 萬立方公尺，平均每年淤 積量約為 20 萬立方公尺，即為現況操作方案下之年淤積量。 本研究以排砂方案 Case0 模擬目前排砂操作之排砂量，並計算其它方案排砂操作下與 Case0 之每 年可排放泥砂差異量，以進一步推得在不同方案排砂操作下的年淤積量，並以 2016 年的 1,612.8 萬立 方公尺水庫庫容計算水庫之剩餘壽命，計算成果如表 11 所示。從表中可見，若維持目前之排砂操作 方案，水庫剩餘壽命為 80.3 年，即水庫將在 2097 年淤滿，比較各方案調整下之剩餘庫容，若調整空 庫防淤期，水庫剩餘壽命介於 79.9 年到 80.9 年之間；考慮調整空庫防淤期之水位，水庫剩餘壽命介於 79.5 年到 92.8 年之間；調整調節性放水量，水庫剩餘壽命介於 80 年到 80.3 年；考慮在颱風時期以不 同水位進行操作，水庫剩餘壽命介於 80.3 年到 81 年，而相較目前之排砂操作策略，以 B1 方案策略操 作下會有最長之水庫剩餘壽命，為 92.8 年，但增加的壽命仍有限，水庫會在 2109 年淤滿。 2. 數值模擬 (1) 水理率定 本研究案例以水位和流量之率定曲線作為下游邊界條件，因此在水理率定上用前洲橋實測水位做 比較，SRH1D 在水理率定上主要檢定的參數為曼寧n值，驗證時間自 2012 年的 6 月至同年的 9 月， 其中共歷經泰利颱風和天秤颱風兩場颱風事件，模擬之時間步幅為 0.001 小時，曼寧n值之設定參考 2014 年水利署阿公店溪治理規劃檢討，方案設定如表 12 所示。各方案設定差異不大，但其中以方案 三有最低之 RMSE 值(0.3415 m)，故以此組曼寧n值作為後續泥砂參數的率定所使用。 表 11 曼寧n值方案設計表 斷面 59~36 斷面 36~15 方案一 n=0.03 n=0.025 方案二 n=0.03 n=0.028 方案三 n=0.035 n=0.03
(2) 輸砂參數率定 研究探討排砂對下游河道之影響，故選定實際量測之河道縱斷面做為輸砂參數率定所使用，模擬之 初始底床為 2011 年 10 月量測之河道斷面資料，模擬時間一年，以 2012 年 10 月量測之河道斷面資 料做比較，輸砂參數率定如表 13，最終使用參數組合模擬成果，如圖 19 所示。 (a) 輸砂公式 選定 RMSE 值最低(0.5785 m)之 Wu(2003)所發展之輸砂公式作為後續模擬使用。 (b) 時間步幅 時間步幅為影響模擬結果以及效率的重要參數之一，在此選擇 0.01、0.005、0.001、0.0005 小時共 四組參數進行分析，模擬結果得知時間步幅越小會有較小之 RMSE 值(0.5781 m)，因此選定時間步幅 為 0.0005 小時為後續模擬使用。 (c) 懸浮載沉積因子 懸浮載沉積因子的預設值為 0.25，本研究參考 Maria 等人(2017)之模式率定過程，將率定範圍設 為 0.05~1，根據模擬結果 RMSE 最低值(0.5669 m)發生在懸浮載沉積因子為 1 時，因此將此參數設定 為 1 最為後續分析所使用。 (d) 懸浮載挾砂因子 懸浮載挾砂因子的預設值為 1，本研究以 0.05~1 為率定範圍進行分析，根據模擬結果 RMSE 最低 值(0.5669 m)發生在 1 時，即為預設值，因此使用此預設值作為後續分析使用。 (e) 調適長度係數 模式中調適長度係數之預設值為 0，在率定過程中嘗試調大係數值，發現隨係數值增大 RMSE 值 也隨之增大，因此最後採用預設值 0 作為後續模擬所用。 (e) 主動層厚度參數 主動層厚度參數之預設值為 2，模式中將此值乘上泥砂粒徑最大區間中的平均粒徑即為主動層厚 度，本研究以 0.5~2 為率定範圍進行分析，發現隨此值增大 RMSE 也隨之增加，因此最後採用 0.5 為 後續模擬所用。 (f) 主動層厚度參數 模式建議值為 0~1 之間，為在沉積過程中由表面層轉換到下表層的比例，經由率定過程中發現此 參數敏感性較低，因此將其設為 0。
