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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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中 華 大 學 碩 士 論 文

河川棲地多樣性與指標物種棲地面積之相關 研究-以烏溪大旗橋河段為例

Correlation between River Habitat Diversity and Weighted Usable Area of Indicator Species: A Case Study of Wu River’s Daqi Bridge Segment

系 所 別:土木工程學系碩士班 學號姓名:M09604037 柴家豪 指導教授:周 文 杰 博 士

莊 明 德 博 士

中 華 民 國 100 年 8 月

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i

誌謝

于中華大學的碩士學習生涯中,承蒙恩師 周文杰教授與 莊明德博士的悉心教導,

在學生研究過程有困惑時,不厭其煩的指導與協助,對論文提供協助與修正,故得以 順利完成碩士學業,謹此致上萬分的感謝。

感謝特有生物研究保育中心 李德旺老師與烏溪調查之研究團隊,在調查期間給 予幫助,協助學生量測所需資料,讓我能更快瞭解調查之方法與目的,並提供許多參 考訊息,使得現地調查能獲得準確且完整的資料,得以順利進行論文寫作。

感謝臺灣大學任秀慧老師口詴時特別撥空蒞臨指導及提供寶貴之意見,使論文更 加完整,在此致上最深摯的謝意。

感謝振欣學長的指導,宗儒同學的協助,政男、友聖、昇雨學弟的幫忙,讓我在 就讀碩士期間,不論是生活上、精神上皆有最佳的寄託。

感謝家人給我無掛心的求學環境、朋友的支持與鼓勵、綾晏的關心與包容。最後 再次感謝所有關心我、幫助我的人,並與你們分享我的喜悅。

柴家豪 謹誌於中華大學土木工程學系 2011 年 8 月

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摘要

過去台灣對於河川生態並不重視,只注重防洪、開發與利用,以保護下游之生 命財產及公共設施。卻常忽略河川生物的生息空間,不僅導致自然棲地品質逐漸劣化、

消失,亦對河川生物多樣性造成嚴重的衝擊。近來,生態保育日漸受重視,如何留給 河川生物基本生存所需的水量,營造適合、足夠的棲地環境,將是未來河川經營管理 不可忽視的一環。

本文研究河段為台中烏溪水系上游大旗橋河段,研究方法為:以河川棲地二維模 式(River 2D) 為演算核心,配合現地調查與集水區自動劃分(WinGrid)及河川水理模式 (HEC-RAS),建置烏溪大旗橋河段之數值高程模型、各斷面資料、集水面積、常流量 及頻率年洪峰流量作為模擬數據之基礎,探討不同流量下水工構造物之流況歧異度 (Habitat Diversity,H’)對指標魚種明潭吻鰕虎、台灣石魚賓棲地權重可用面積(WUA) 的影響,並探討其間之關係。研究結果顯示:

1. 常流量下原河道流況歧異度(H’)為 0.47;加設三丁壩後流況歧異度(H’)為 0.41;

加設1m攔河堰流況歧異度(H’)為 0.39;加設 2m 攔河堰流況歧異度(H’)為 0.26,

主要原因是加了構造物後,棲地內深潭變多,淺流變少,而使棲地環境較為單 調,不利指標魚種棲息。

2. 透過河川棲地二維模式(River 2D)模擬結果得知,加設丁壩除了可避免水流直 接衝擊河岸外,丁壩前後之水流流速較緩,可於洪水期提供一庇護場所。常流 量下,是加設2m 攔河堰可獲得最佳 WUA;5 cms 以內是加設 1m 攔河堰時可 獲得最佳的WUA;100 cms 以上因流量大增,幾乎都是原河道時 WUA 較佳;

10 年重現期距流量下,加設三丁壩可獲得最佳 WUA。

3. 結果顯示研究河段在高流量的情況下,原先岸邊灘地、沙洲、灌木叢因水位上 升,流速較主流槽緩,有形成新棲地的可能。

4. 模擬結果可以發現,流況歧異度(H’)越高,權重棲地可用面積(WUA)值越高。

不過,流量會影響流況分布,不同流況時,流況歧異度可能接近,如原河道流 況歧異度為0.5 時,明潭吻鰕虎 WUA 卻出現高低值相差約 300 m2的情況。

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iii

5. 四種模擬案例中,以加設 1m 攔河堰時 WUA 與 H’之線性關係最明顯,但加設 2m 攔河堰時由於棲地趨於單調,流況歧異度低,導致線性關係很不明顯,形 成非線性關係。

關鍵字:河川棲地二維模式、棲地權重可用面積、流況歧異度。

(5)

iv

ABSTRACT

In the past, Taiwan ignored the importance of river ecology and instead focused on flood control and the utilization and development of rivers in order to protect the safety of its citizens, their property, and public facilities. As a result, the natural habitat of river organisms has gradually deteriorated, and bio-diversity of rivers has been severely impacted. In recent years, however, ecological conservation has emerged as an issue of increasing significance. How to maintain the volume of river water required by organisms for survival and create a suitable habitat are vital concerns in the environmental management of rivers.

The river segment researched in this study was the Daqi Bridge segment in the upstream area of Wu River. The research methods were as follows: River 2D was used as the main computational software. This model was combined with on-site surveys, WinGrid, and HEC-RAS to construct a digital elevation model (DEM) of the Daqi Bridge segment. Data on catchment area, constant flow, and annual peak-flow frequency were used as a basis for simulation. The simulations were used to investigate how Habitat diversity (H’) under artificial structures affects the weighted usable area (WUA) of Rhinogobius candidianus and Acrossocheilus paradoxus, and examines the relationships among these elements.

Research findings were as follows:

1. Under constant flow, the Habitat diversity (H’) of the original river stretch was 0.47;

following the construction of three spur dikes, Habitat diversity (H’) was reduced to 0.41. The value of Habitat diversity (H’) was 0.39 after the construction of a 1m river weir and 0.26 after the construction of a 2m river weir. The main reason for these phenomena is that the addition of these structures led to an increase in deep pools of water and reduced shallow streams. This made the river environment less diverse, which was not beneficial to the organisms that were the subjects of this study.

2. The simulation results of the River 2D showed that construction of spur dikes not only deflected the current away from the river banks but also reduced flow velocity surrounding the dikes. This provides a protective area during periods of flooding.

Under a constant flow, the construction of a 2m river weir produced optimal WUA;

within a 5 cms flow, construction of a 1m river weir also produced optimal WUA.

Under a flow of 100 cm or more, the significant increase in flow meant that the

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v

WUA of the original river conditions was improved. Within a 10-year return period, constructing three spur dikes can produce optimal WUA.

3. Results showed that the increased water level caused by high river flow had submerged the sandbars and thickets originally on the river shore. However, the flow velocity in this new region of water was still lower than that of the main riverbed, which created the possibility of its development as a new habitat.

4. Simulation results showed that higher Habitat diversity (H’) implied higher WUA.

However, the flow rate affects the distribution of flow conditions. Under different flow conditions, Habitat diversity (H’) may still be similar. For example, when Habitat diversity (H’) was 0.5 under original river conditions, the WUA of

Rhinogobius candidianus showed a maximum-minimum difference of

approximately 300 m2.

5. In the four simulation cases, the linear relationship between WUA and Habitat diversity (H’) was the most significant under a 1m river weir. After the construction of a 2m weir, the habitat diversity was reduced and Habitat diversity (H’) decreased, which resulted in a non-linear relationship between WUA and Habitat diversity (H’).

Keywords: River 2D, weighted usable area, Habitat diversity

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vi

目錄

誌謝 ... I 摘要 ... II ABSTRACT ... IV 目錄 ... VI 圖目錄 ... IX 表目錄 ... XIV

第一章 緒論 ...1

1.1 研究動機及目的 ...1

1.2 本文架構 ...2

第二章 文獻回顧 ...4

2.1 河川棲地多樣性 ...4

2.2 生態基流量定義 ...4

2.2.1 生態基流量之評估方法...5

2.3 河川棲地模式及應用...7

第三章 理論分析 ... 15

3.1HEC-RAS 模式 ... 15

3.2RIVER 2D 模式 ... 18

3.2.1 River 2D 基本主要理論 ... 19

3.2.2 魚類棲地模式 ... 23

3.3 棲地類型與河床底質... 24

3.4 數值高程模型原理及應用 ... 27

3.5 棲地歧異度 ... 28

第四章 案例研究 ... 29

4.1 研究區域 ... 29

(8)

vii

4.1.1 烏溪簡介 ... 29

4.1.2 烏溪地質、氣象及水文... 30

4.1.3 研究河段現況 ... 37

4.2 河川魚類生態 ... 41

4.2.1 指標魚種選取 ... 41

4.3 研究方法 ... 42

4.3.1 水文流量分析 ... 44

4.3.2 HEC-RAS 模式建立 ... 46

4.3.3 River2D 模式建立 ... 47

4.4 模式驗證 ... 50

4.4.1 水理參數驗證 ... 50

4.4.2 WUA 模擬驗證... 55

4.5 魚類棲地適合度曲線... 57

4.5.1 底質類型 ... 61

4.6 河川棲地模擬方案 ... 63

第五章 結果與討論 ... 66

5.1 各方案之WUA 與 H’模擬結果 ... 66

5.1.1 常流量之 WUA 與 H’模擬結果 ... 68

5.1.2 2 年重現期距之 WUA 與 H’模擬結果 ... 77

5.1.3 10 年重現期距之 WUA 與 H’模擬結果 ... 86

5.1.4 25 年重現期距之 WUA 與 H’模擬結果 ... 95

5.1.5 小結 ... 104

5.2 各方案比較 ... 111

5.2.1 流況歧異度(H’)與流量(Q)關係... 111

5.2.2 權重棲地可用面積( WUA)與流量(Q )關係 ... 113

5.2.3 權重棲地可用面積(WUA)與流況歧異度(H’)關係 ... 117

5.3 生態基流量評估 ... 120

第六章 結論與建議 ... 121

(9)

viii

6.1 結論 ... 121 6.2 建議 ... 121 參考文獻 ... 122

(10)

ix

圖目錄

圖1.1 研究流程圖...3

圖3.1 能量方程式示意圖 ... 16

圖3.2 兩斷面間河段長示意圖 ... 17

圖3.3 動量方程式示意圖 ... 17

圖3.4 長方體之控制容積 ... 19

圖3.5 Elbow 河川中之底質參數資料來源:引用陳伸安(2006) ... 25

圖4.1 烏溪地水系圖(資料來源:經濟部水利署第三河川局) ... 30

圖4.2 烏溪流域地質及斷層分布圖 ... 33

4.3 北港溪大旗橋河段 ... 38

圖4.4 北港溪大旗橋河段示意圖 ... 38

4.5 北港溪大旗橋地形測量資料 ... 39

4.6 研究河段數值高程 ... 40

圖4.7 烏溪流域 2010 年 4-10 月漁獲組成 ... 41

圖4.8 大旗橋河段 2010 年 4、7 月 2011 年 1 月漁獲組成 ... 42

圖4.9 明潭吻鰕虎(陳靜怡攝,台灣魚類資料庫) ... 42

圖4.10 台灣石魚賓(蔡正一攝,台灣魚類資料庫) ... 43

圖4.11 大旗橋上游集水區模擬示意圖 ... 45

圖4.12 研究河段斷面劃分示意圖... 46

圖4.13 研究河段入流水位高程斷面 ... 46

圖4.14 研究河段出流水位高程斷面 ... 47

圖4.15 研究河段點位圖 ... 48

圖4.16 研究河段三角網格化 ... 48

圖4.17 研究河段斷面高程地形圖... 49

圖4.18 研究河段 River2D 示意圖 ... 49

圖4.19 研究河段穿越線示意圖 ... 50

圖4.20 現地測量水深、流速 ... 51

圖4.21 AEM1-D 流速儀 ... 51

(11)

x

圖4.22 R2D 模擬水深和實測水深對照圖 ... 53

圖4.23 R2D 模擬流速和實測流速對照圖 ... 53

圖4.24 常流量下模擬 WUA 與指標魚種數量比較圖-1(標準化-全部格位) ... 56

圖4.25 常流量下模擬 WUA 與指標魚種數量比較圖-2(標準化-去 0) ... 56

圖4.26 明潭吻鰕虎 流速 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 58

圖4.27 台灣石魚賓 流速 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 58

圖4.28 明潭吻鰕虎 水深 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 59

圖4.29 台灣石魚賓 水深 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 60

圖4.30 明潭吻鰕虎 底質 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 60

圖4.31 台灣石魚賓 底質 適合度曲線(農委會特有生物研究保育中心,2010) ... 61

圖4.32 研究河段底質分佈圖 ... 62

圖4.33 研究河段數值高程圖(原河道) ... 63

圖4.34 研究河段數值高程圖(右岸設 3 丁壩) ... 64

圖4.35 研究河段數值高程圖(設 1m 攔河堰) ... 64

圖4.36 研究河段數值高程圖(設 2m 攔河堰) ... 65

圖5.1 常流量之流速分布(原河道) ... 69

圖5.2 常流量之流速分布(加設三丁壩) ... 69

圖5.3 常流量之流速分布(加設 1m 攔河堰) ... 70

圖5.4 常流量之流速分布(加設 2m 攔河堰) ... 70

圖5.5 常流量之水深分布(原河道) ... 71

圖5.6 常流量之水深分布(加設三丁壩) ... 71

圖5.7 常流量之水深分布(加設 1m 攔河堰) ... 72

圖5.8 常流量之水深分布(加設 2m 攔河堰) ... 72

圖5.9 常流量明潭吻鰕虎之 WUA(282.96m2)分布(原河道) ... 73

圖5.10 常流量明潭吻鰕虎之 WUA(294.92m2)分布(加設三丁壩) ... 73

圖5.11 常流量明潭吻鰕虎之 WUA(318.14m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 74

圖5.12 常流量明潭吻鰕虎之 WUA(397.51m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 74

圖5.13 常流量台灣石魚賓之 WUA(115.50m2)分布(原河道) ... 75

圖5.14 常流量台灣石魚賓之 WUA(133.79m2)分布(加設三丁壩) ... 75

(12)

xi

圖5.15 常流量台灣石魚賓之 WUA(134.04m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 76

圖5.16 常流量台灣石魚賓之 WUA(135.37m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 76

圖5.17 模擬流量為 Q2 時之流速分布(原河道) ... 78

圖5.18 模擬流量為 Q2 之流速分布(加設三丁壩) ... 78

圖5.19 模擬流量為 Q2 之流速分布(加設 1m 攔河堰) ... 79

圖5.20 模擬流量為 Q2 之流速分布(加設 2m 攔河堰) ... 79

圖5.21 模擬流量為 Q2 之水深分布(原河道)... 80

圖5.22 模擬流量為 Q2 之水深分布(加設三丁壩) ... 80

圖5.23 模擬流量為 Q2 之水深分布(加設 1m 攔河堰) ... 81

圖5.24 模擬流量為 Q2 之水深分布(加設 2m 攔河堰) ... 81

圖5.25 模擬流量為 Q2 明潭吻鰕虎之 WUA(9.15m2)分布(原河道) ... 82

圖5.26 模擬流量為 Q2 明潭吻鰕虎之 WUA(0.85m2)分布(加設三丁壩)... 82

圖5.27 模擬流量為 Q2 明潭吻鰕虎之 WUA(4.84m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 83

圖5.28 模擬流量為 Q2 明潭吻鰕虎之 WUA(1.87m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 83

圖5.29 模擬流量為 Q2 台灣石魚賓之 WUA(0.18m2)分布(原河道) ... 84

圖5.30 模擬流量為 Q2 台灣石魚賓之 WUA(0.20m2)分布(加設三丁壩)... 84

圖5.31 模擬流量為 Q2 台灣石魚賓之 WUA(0.19m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 85

圖5.32 模擬流量為 Q2 明潭吻鰕虎之 WUA(0.20m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 85

圖5.33 模擬流量為 Q10 之流速分布(原河道) ... 87

圖5.34 模擬流量為 Q10 之流速分布(加丁壩) ... 87

圖5.35 模擬流量為 Q10 之流速分布(加設 1m 攔河堰) ... 88

圖5.36 模擬流量為 Q10 之流速分布(加設 2m 攔河堰) ... 88

圖5.37 模擬流量為 Q10 之水深分布(原河道) ... 89

圖5.38 模擬流量為 Q10 之水深分布(加丁壩) ... 89

圖5.39 模擬流量為 Q10 之水深分布(加設 1m 攔河堰) ... 90

圖5.40 模擬流量為 Q10 之水深分布(加設 2m 攔河堰) ... 90

圖5.41 模擬流量為 Q10 明潭吻鰕虎之 WUA(0.06m2)分布(原河道) ... 91

圖5.42 模擬流量為 Q10 明潭吻鰕虎之 WUA(21.6m2)分布(加設三丁壩) ... 91

圖5.43 模擬流量為 Q10 明潭吻鰕虎之 WUA(0.06m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 92

(13)

xii

圖5.44 模擬流量為 Q10 明潭吻鰕虎之 WUA(0.06m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 92

圖5.45 模擬流量為 Q10 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(原河道) ... 93

圖5.46 模擬流量為 Q10 台灣石魚賓之 WUA(5.73m2)分布(加設三丁壩) ... 93

圖5.47 模擬流量為 Q10 明潭吻鰕虎 WUA(0.00m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 94

圖5.48 模擬流量為 Q10 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 94

圖5.49 模擬流量為 Q25 之流速分布(原河道) ... 96

圖5.50 模擬流量為 Q25 之流速分布(加設三丁壩) ... 96

圖5.51 模擬流量為 Q25 之流速分布(加設 1m 攔河堰) ... 97

圖5.52 模擬流量為 Q25 之流速分布(加設 2m 攔河堰) ... 97

圖5.53 模擬流量為 Q25 之水深分布(原河道) ... 98

圖5.54 模擬流量為 Q25 之水深分布(加設三丁壩) ... 98

圖5.55 模擬流量為 Q25 之水深分布(加設 1m 攔河堰) ... 99

圖5.56 模擬流量為 Q25 之水深分布(加設 2m 攔河堰) ... 99

圖5.57 模擬流量為 Q25 明潭吻鰕虎之 WUA(0.00m2)分布(原河道) ... 100

圖5.58 模擬流量為 Q25 明潭吻鰕虎 WUA(5.9m2)分布(加設三丁壩) ... 100

圖5.59 模擬流量為 Q25 明潭吻鰕虎之 WUA(0.00m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 101

圖5.60 模擬流量為 Q25 明潭吻鰕虎之 WUA(0.00m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 101

圖5.61 模擬流量為 Q25 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(原河道) ... 102

圖5.62 模擬流量為 Q25 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(加設三丁壩) ... 102

圖5.63 模擬流量為 Q25 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(加設 1m 攔河堰) ... 103

圖5.64 模擬流量為 Q25 台灣石魚賓之 WUA(0.00m2)分布(加設 2m 攔河堰) ... 103

圖5.65 四種模擬案例 H’與 Q 關係圖(Qmax=100 cms)... 111

圖5.66 四種模擬案例 H’與 Q 關係趨勢圖 ... 112

圖5.67 明潭吻鰕虎 WUA 與 Q 關係圖 ... 113

圖5.68 Q=50 cms、Q=100 cms 明潭吻鰕虎 WUA 分布圖(原河道) ... 114

圖5.69 Q=50 cms、Q=100 cms 明潭吻鰕虎 WUA 分布圖(加設三丁壩) ... 114

圖5.70 台灣石魚賓 WUA 與 Q 關係圖 ... 115

圖5.71 Q=50 cms、Q=100 cms 台灣石魚賓 WUA 分布圖(原河道) ... 116

圖5.72 Q=50 cms、Q=100 cms 明潭吻鰕虎 WUA 分布圖(加設三丁壩) ... 116

(14)

xiii

圖5.73 四種模擬案例 明潭吻鰕虎 WUA/A 與 H’關係圖 ... 118 圖5.74 四種模擬案例 台灣石魚賓 WUA/A 與 H’關係圖 ... 119

(15)

xiv

表目錄

表2.1 河川棲地模式彙整表 ...9

表2.2 丁壩之應用 ... 12

表3.1 水域型態分類標準 ... 25

表3.2 研究區域河川棲地二維模式 River2D 使用之 n 值參考表 ... 26

表3.3 河床底質粒徑分類標準 ... 26

表4.1 99 年度氣象觀測資料 ... 34

表4.2 烏溪氣象資料 ... 34

表4.3 烏溪水文測站資料表 ... 34

表4.4 烏溪南崗大橋流量測站月流量表 ... 35

表4.5 烏溪南崗大橋流量測站流量分析表 ... 35

表4.6 烏溪烏溪橋水位測站月水位表 ... 36

表4.7 烏溪烏溪橋水位測站水位分析表 ... 36

表4.8 烏溪含砂量分析表 ... 37

4.9 研究河段流量延時曲線分析所得之超越機率流量值(cms) ... 44

表4.10 洪峰流量推估值 ... 45

表4.11 AEM 1-D 流速儀之規格... 52

表4.12 模擬結果 ... 52

表4.13 MAPE 評估標準(Lewis,1982) ... 52

表4.14 研究河段 2010 年 7 月份實測水理資料研究河段 ... 54

表4.15 河床底質粒徑分類標準 ... 61

表4.16 研究區域 River 2D 使用之粗糙高(Bed Roughness)參考表 ... 62

表5.1 模擬組合表 ... 66

表5.2 CASE1~CASE180 明潭吻鰕虎 WUA 量化結果表 ... 105

表5.3 CASE1~CASE180 台灣石魚賓 WUA 量化結果表 ... 107

表5.4 0.2cms ~ 1156.37cms 之流況歧異度量化結果表 ... 109

表5.5 四種模擬案例 流況歧異度與 WUA 最大值 出現之流量 ... 120

(16)

1

第一章 緒論

1.1 研究動機及目的

台灣地理環境特殊,地形落差大,川短流急,雨季時常有洪水氾濫,旱季又枯可 見底,致使雨量枯豐比甚大,水利單位為保障人民生命財產安全及水資源有效利用,

因此興建許多攔河堰、防砂壩,以減少災害發生,防止洪水氾濫成災。

過去對於河川工程規劃設計多以人為本位,注重防洪、開發與利用,卻常忽略河 川生物的生息空間,不僅使自然棲地品質逐漸劣化、消失,亦對河川生物多樣性造成 嚴重的衝擊。近年來河川生態保育意識高漲,河川生物的基本生存權與多樣性的維護,

已成為河川工程規劃設計與水資源開發利用時必頇正視的重要課題,如何留給河川生 物基本生存所需的水量,營造適合、足夠的棲地環境,將是未來河川經營管理不可忽 視的一環。故若要將生態保育納入河川整治工程中,除了應用傳統的水理計算功能外,

也頇兼顧生態棲地之模擬與評估。

河川棲地模式在80 年代逐漸發展為重要之河川管理工具。河川棲地模式藉由生 物對棲地環境(如流速、水深及底質等)的適合度曲線(Habitat Suitability Curve, HSC),

用來模擬不同條件時(如流量及河川斷面變化)水生物之權重可用棲地面積(Weight Usable Area,WUA)。河川棲地模式的優點是可真實反應出指標物種之棲地分布,唯必 頇要先建立指標物種的適合度指數;因此對於無適合度曲線資料的河段,應如何妥適 進行河川棲地分析,是亟頇探討的問題。

本研究將探討不同流量及水工構造物對指標魚種權重可用棲地面積(WUA)與河 川流況歧異度(Habitat Diversity,H’)的影響,並探討其間之關係,以作為河川棲地改善 及復育的參考。

(17)

2

1.2 本文架構

本文一共分成六個章節,各章節說明如下:

第一章緒論:

介紹研究起源與目的,並對本研究架構作介紹。

第二章文獻回顧:

蒐集河川棲地多樣性的研究、河川棲地模式及應用之相關文獻。

第三章理論分析:

對 HEC-RAS、River 2D、棲地類型與河床底質、數值高程模型原理及棲地 岐異度之理論做說明。

第四章案例研究:

本研究以烏溪之大旗橋段為研究案例,利用河川棲地二維模式配合 HEC-RAS 進行現場實測之流速水深模擬,驗證模擬資料是否合理,進而探討權重可用棲 地面積(WUA)與河川流況歧異度(H)之關係。

第五章結果與討論:

討論改變水工結構物的數量與配置後,其流況歧異度與棲地可用面積之變化 分布。

第六章結論與建議:

對以上所分析的結果,分別提出結論與建議。

(18)

3

研究流程圖

圖1.1 研究流程圖

(19)

4

第二章 文獻回顧 2.1 河川棲地多樣性

台灣因為中央山脈高聳,帄原狹小,河川從發源地到流入海中,最長不過百餘公 里,但期間的落差可高達數千公尺,所以在短短的河段中,形成非常複雜多變的棲地 環境,包括了澗道、瀑布、急瀨、帄瀨、淺灘、深潭(陳義雄等,1999)。

然而因為河川之流量會隨著不同時間、季節而有所變化,這些變化同時伴隨著集 水區地形及土地利用型態的多樣性將變得更為複雜。由於河川流量變化的複雜特性,

為影響河川生態系統的主要因素之一(Poff and Ward 1989, Sparks 1995),河川流量 變化的量值、頻率、延時、極端值發生時間及改變速率等因子影響了河川之水質環境、

能量來源、物理棲息地及生物間的交互作用,並結合這些特性,成為增進生態完整性 的重要因子(Poff et al. 1997)。

對於在河川生態系統的優劣評量上,應可將河川棲地的多樣性納入考量,所謂河 川棲地多樣性,是指河川形狀的變化以及河床底質的不同,產生多種不同組合型態,

在此不同的河川型態的誘因下,使更多種河川生物適合生存於此,而形成棲地的多樣 性(陳芳瑜,2007)。

2.2 生態基流量定義

1974年美國漁業及野生動物署提出河川內水流增量法( IFIM,Instream Flow Incremental Methodology)建議將魚類生態品質與河川內棲地品質建立關係, 依次以 定額水流增量,演算不同流量下適合魚類生息之水域面積,建立此魚類生息之水域面 積與流量之率定曲線,管理者經由此定量而非定性之描述,可從事河川生態基流量之 決策。

本研究將生態基流量定義為維持河川生態系統穩定與帄衡的基本流量。

(20)

5

2.2.1 生態基流量之評估方法

有關生態基流量評估方法,隨着考量因子的不同,已發展出數種評估方式, 一 般區分為歷史流量統計評估法(Historic flow methods)、水理評估法(Hydraulic methods)、棲地評估法(Habitat methods)、經驗法則等(陳峻淵,2004)。

1.歷史流量統計評估法(Historic flow methods)

歷史流量統計評估法之推估理念為依據研究地點在過去所發生之流量紀錄特性,

即可描述出該地生態系之運行狀態。學者認為維持現況河川生態的最低限度發展之流 量,就相當於歷史流量內之低流量記錄,故一般採用河川年帄均日流量MAF(Mean annual flow)之百分比、日流量延時曲線(Flow duration curve)之某個時間百分率,

來估算維護生態系統在某種保育標準下之流量。

2.水理評估法(Hydraulic methods)

水理評估法之基本理念為生態功能與某項水理參數具相對應之關係,例如呈現線 性關係或某種正比例關係。故經由建立這些水理參數與流量間之率定曲線,就可研判 維持生態之河川生態基準流量,此方法較常使用溼周(wetted perimeter) 長度為研 判生態表現之水理要素。

3.棲地評估法(Habitat methods)

棲地評估法源於河川內水流增量法則(IFIM),評估理念為生態品質與棲地品質 維持密切關係(成一正比例關係)。評估方法為估算對象物種可利用的棲地面積或稱 權重可使用棲地面積(Weighted Usable Area, WUA)隨流量增減而變化之率定關係後,

再按河川生態維護標準評選合適的可利用棲地面積數量, 其對應之流量即為河川生 態基準流量。由於本方法將水生生物對於棲地之喜好性納入考量,故較傳統之評估法 更能反映生物之特性與需求。

4.經驗法則

(1)日本既有水力發電事業維持流量經驗法則

日本建設省河川審議會為解決水力發電用水壩下游河道流量減少問題,於1988 年公告,水力發電事業於新設水壩或既有水力電廠發電水權申請更新時,必頇確保集 水面積每100帄方公里釋放0.1至0.3 m3/s 之義務放流量,該流量經學者評估定能滿足 水域生態所需之必要流量(中村俊六,1998)。

(21)

6

(2)彈性調整水權法

紐西蘭採取縮短水權檢討時限的做法,將長期水權登記和檢討縮短為每二至五年 必頇重新登記與檢討。此法可隨時調整河川生態基流量,以便察覺河川生態有任何變 化時,能夠彈性調整流量,適時保全重要的生態(曾晴賢,1997)。

然而因為世界各國之河川特性、生態不同,很難精確界定出標準,所以尚無評估 法可獲得各國一致採用。目前高度經濟發展地區之河川生態基流量評估較傾向採棲地 評估法,主因為其具量化指標,容易進行決策比較。然棲地評估法需多方分析資料佐 證,考慮層面複雜,限制條件亦多,因此歷史流量統計評估法依其使用的簡易性仍在 許多地區廣泛使用。

針對流速、水深的空間分佈進行研究,探討河川枯水流量下魚類生存空間,根據 生態基準流量評估法之歷史流量評估法,探討在Q90 法、Tennant 之 Q95 法與水污染 防制法第八條之 Q75 法所得流量,針對卑南溪的流速、水深的空間分佈進行研究,

其結果顯示在洪水流況下,2.0cms 為洪水中棲地流速上限(張楨驩等,2002)。

以烏溪九九峰地區同心橋上游至北港溪及南港溪匯流處下游河段之生態基準流量,

於低水流況下考慮地形特性,並以台灣石魚賓作為目標的物種。結果顯示建議本河段 之河川生態基準流量為 6cms,同時適當進行分流演算法以反應斷面地形特性(楊承 峰,2002)。

(22)

7

2.3 河川棲地模式及應用

河川棲地模式在80 年代逐漸發展為重要之河川管理工具。河川棲地模式藉由生 物對棲地環境(如流速、水深及底質等)的適合度指數,來模擬不同條件時(如流量 及河川斷面變化)水中生物可利用之棲地面積。PHABSIM 模式首先廣泛應用於北美 地區,歐洲地區則在90 年代用於河川復育規劃。其它河川棲地模式如 RHYHABSIM、

EVHA 及 Meso-HABSIM 則是修改自 PHABSIM 模式發展而來。CASIMIR 模式以模 糊理論建立生物適合度關係。近年來發展的河川棲地二維模式則有DIVAST 及 River 2D 等模式(如表 2.1) 。

棲地法:假設棲地面積與生態有密切的關係。先以水理方式計算各種不同流向下 之水位、橫斷面各個分區的流速分佈,再根據其資料與指標物種的生物棲地適合度曲 線,求出研究河段之權重可以使用面積(Weighted Usable Area, WUA)。

權重面積可用以下函數來表示:

i i i

i

i

F f V f D f C A

WUA

 ( ), ( ), ( )  式中

F[ ]為綜合棲地適合度指數(Composite Suitability Index, CSI) Ai 表示第 i 區之水域面積

f(Vi) 、f(Di) 、f(Ci)分別表示第 i 區之流速、水深及底質適合度指數。

乘積法(Product):乘積法假設所有參數的適合度指數影響力相等。在本研究中,

將流速參數(f(Vi))、水深參數(f(Di))及底質參數(f(Ci))依相乘方式計算獲得適合度指 數。

幾何帄均法(Geometric Mean):將所有參數依幾何帄均的方式計算獲得數值。在 本研究中,將流速參數(f(V))、水深參數(f(D))及底質參數(f(S))依幾何帄均方式計算獲 得適合度指數。

最小值法(Minimum):在流速參數(f(V))、水深參數(f(D))及底質參數(f(S))內取出 最小值,當做綜合棲地適合度指數(CSI)。

(23)

8

棲地評估法採用溪內流量增量法(Instrean Flow Incremental Methodology, IFIM)的 概念,逐漸增加流量計算不同流量之WUA。通常流量的決定在於 WUA 最佳下之流 量、維持帄均流量棲地面積之若干百分比、若干超越百分比流量、維持一定最小棲地 面積之流量、流量-棲地面積曲線之轉折點處。利用不同的生物棲地適合度曲線可以 檢視不同目標的物種在不同生命階段(帅期、成熟期)可利用的棲地面積變化,比起 歷史流量法與水理評估法在生態上具有更大的意義(陳伸安,2006)。

根據(田中章,2002)所整理出來的棲地適合度指數計算式有下列四種:

1. 幾何帄均法:

n

HSI HSI

CSIHSI

1

2

 .... 

n

2. 算術帄均法:

n

HSI HSI

HSI HSI

CSI HSI     

n

1 2 3 4

....

3. 限定要因法:

CSIHSI

1

or H SI

2

or HSI

3

or ... or H SI

n 4. 加算要因法:

CSIHSI

1

HSI

2

HSI

3

HSI

4

....  HSI

n 式 1 中各適合度性質為互相影響,以幾何帄均概念來呈現

式2 中以算術帄均數的概念所發展的計算式 式3 是取其相關性最高之影響因子來做代表

式4 中只是概念性的分類,實際頇視個別需要再加以變化。

根據資料整理乘積法、幾何帄均法及最小值法公式如下:

乘積法:F=f(vi)×f(di)×f(ci)

幾何帄均法:

F

3

f       v

i

f d

i

f c

i

最小值法:F=min〔f(vi),f(di),f(ci)〕

(24)

9

河川棲地模式 開發單位 備註

PHABSIM

( Physical Habitat Simulation System )

美國 地質調查所

( USGS, 1980 ) 1D模式 RHY-HABSIM

( RHABSIM )

加拿大 水及大氣研究所

( NIWA, 1996 )

修改PHABSIM 模式

EVHA

( Habitat Evaluation Software )

英國 河川生態研究室 ( LQHR, 1995 )

修改PHABSIM 模式

Meso-HABSIM

( Mesohabitat Simulation Model )

美國 東北河川棲地計畫 ( NEIHP, 2001 )

修改PHABSIM 模式

CASIMIR

( Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements )

英國 斯德格研究所

( Stuttgart Institute, 1990 ) 模糊理論 DIVAST

(Depth Integrated Velocity

and Solute Transport )

英國 格地夫大學

( Cardiff U., 1998 ) 2D模式

River 2D

加拿大 亞伯他大學

(Albert U. )

及 美國地質調查所

2D模式

資料來源:河川棲地二維模式之應用報告書(經濟部水利署,2008)

表2.1 河川棲地模式彙整表

(25)

10

因天然因素或人為開發的影響,造成河岸侵蝕與河床淘刷,治理野溪目的是防止 其繼續惡化,並有效控制土砂生產與移動,達到穩定流心,減少洪水與泥砂所帶來的 災害(陳宜清,2004)。國內早期治理河川所建造的水工結構物如固床工、防砂壩、

丁壩等,大多以混凝土構築,此剛性工程強調其安全及耐久性。在缺乏生態因素考量 下,導致工程常對河川棲地產生不利的影響。隨著國人生活品質提升,逐漸重視生態 環境,政府於整治河川時應採生態工法治理,應用生態工法時頇在安全無虞之前提下,

採因地制宜與就地取材之原則(張君瑋,2007)。

台灣本島因特殊地形環境,使得山高帄原少、河川短急、洪枯流量懸殊,加上地 質條件不佳,每每發生地震、颱風等等的自然災害,皆會導致山崩、土石流等現象,

導致河川夾雜大量泥沙,造成河道分歧、蜿蜒曲折之現象(張雅連,1998;李信孝,

2003)。隨著台灣經濟蓬勃發展,人民生活水準提高,導致人為活動過度開發,使集 水區環境品質惡化、河川水質污染嚴重等等的問題,對於本來就地形惡劣的台灣更加 的不樂觀(謝勝彥,2003)。

河川棲地模式能根據河川中的物理特性與化學機制,模擬出各種情況下棲地的動 態變化。其最大功用為針對各種水資源開發及水利工程建設對棲地環境造成衝擊前,

可事先有效加以防範或做妥善的措施規劃,避免造成無法彌補之傷害(吳富春,

1999)。

溪流治理上,常見於河岸之抗沖刷保護措施的丁壩為一橫向構造物,具有穩定流 心、束水整流且減少兩岸沖刷等功用。丁壩區附近也會產生流速較低的區域,因此對 生態環境之復育有正面的影響(福留脩文,2002)。若依結構形式可將丁壩分為透水 丁壩與不透水丁壩二種;若依材料則可分為蛇籠丁壩、混凝土丁壩、排樁丁壩、混凝 土塊丁壩及拋石丁壩等(張君瑋,2007)。

由配置不同間距的橫向堆石群,觀察不同流況與坡降條件下,其彎曲與直線渠道 中經水流作用床面泥沙後之幾何變化、流況歧異度變化、河床穩定性變化等,探討橫 向堆石群與溪流棲地環境間之關係。結果顯示橫向堆石群之設置能有效增加實驗區水 深,使相對流速與福祿數減小。於直線渠道間配置2~4 倍相對河寬所產生的河床與 水流型態有最大變化(林秉賢,2002)。

陳正昌(2003)利用擬似二維 NETSTARTS 演算模式及二維 TABS-2 水理輸砂演 算模式,模擬洪氾時期蘭陽溪下游段之水理流況和河床之演變,探討河道中配置丁壩

(26)

11

工與否,對魚類可用棲地面積之影響。結果指出丁壩影響區中,設置丁壩後可增加達 5 倍之 WUA。動床輸砂部份長期模擬指出,丁壩後方的緩流區底床有逐漸淤高的趨 勢,應建立丁壩緩流區清淤計畫。

周佳賢(2004)透過渠槽詴驗的方式,模擬混凝土丁壩、導流丁壩、樹根丁壩與 無結構物在直線段河道內的棲地圕造、河岸保護等功能,並以安全與生態因子作為比 較之依據。研究結果指出樹根丁壩在河岸保護能力、河床穩定度與棲地多樣性都有相 對優異的表現;導流丁壩河岸保護能力、河床穩定度都不好,僅於低流量時能圕造多 樣棲地。生態方面,以棲地多樣性來說,混凝土丁壩與無結構物隨著水流能力的增加,

歧異度也有增加的趨勢;樹根丁壩不論水流能力大小,棲地歧異度都有不錯的表現。

林岳葆(2006)在順直渠槽中設置系列丁壩,模擬丁壩種類及不同的配置條件下 之河床變化,藉由福祿數變化、挑流效果及束水整流等指標來判定丁壩之生態性及穩 定性。在考量生態、結構物安全及河岸穩定條件下,高壩(設置高度高出原始床面 3 公分)時以透水長丁壩且設置間距為 2.5 倍壩長之配置最佳;低壩(設置高度高出原始 床面1 公分)時以透水長丁壩且設置間距為 1.5 倍壩長之配置最佳。

(27)

12

分類 蛇籠丁壩 混凝土丁壩

優點

壩頭可隨河床刷深下沉而固著 河底。其設計施工簡便,如妥 當設計丁壩群之壩長及壩高,

對於挑流之效用顯著。

用在急流河川,堅固、耐久、

耐磨,可配合當地河性,對減 速、促進淤積及挑流效果均佳。

缺點

蛇籠鉛絲易生銹損壞,壽命不 長,歲修養護繁瑣。

混凝土本身不透水,所受壓力 大,易斷裂;丁壩周圍受沖刷 大,因而基礎或護坦未能經濟 有效的加強,導致傾倒流失而 失敗。

適用範圍 沖刷力特強,地形極易沖刷處。 滾石撞擊力強,地形變更較緩 處。

資料來源:河川生態工法實務手冊(水利署,2002)

Lacey and Milla(2004)利用河川棲地二維模式(River 2D),來評估溪內大型木 質殘株與拋石丁壩等棲地構造物的效益。研究河段位於加拿大英屬哥倫比亞省西南方 的奇力威河的支流,在研究河段設置11 座溪內復育構造物後,進行測量且建置一個 數值高程模型,以利於水力模組的局部流速、水深、沖刷、與棲地特性的預測。並在 秋天高流量季節中的一次滿岸流(洪水)事件後進行重新測量,了解洪水前與洪水後 的深潭分佈型態並加以比較。沖刷的測量比較資料用於預測剪應力與洪水前後指標魚 種(銀鱒與鐵頭鱒)的棲地指數,二維流體模式的流速與水深預測值與現地量測值進 行比較後,各具有24%與 6%的帄均標準差,其預測的強剪應力符合新形成的深潭位 置。在高水位時,魚類棲地指數(棲地權重可用面積)可增加 150%至 210%。使用 此水力模式可指出棲地在復育工作後的效益,並提供最佳規劃的評估方法。這項研究 不但評估了水力和型態的影響,還使用River2D 證明在河川側槽設置的結構物,可有 效改善當地棲地。River2D 目前已被廣泛拿來計算、模擬水力。River2D 魚類棲地分 析指出,溪內結構物減緩了洪水期的最大流量,並提供魚類可以棲息的地方。

吳富春等(1998)利用 PHABSIM 來評估集集攔河堰下游河段的生態基流量,以 埔里中華爬岩鰍作為標的物種,針對標的魚種棲地面積之改變進行探討,並與天然流 量狀況之棲地面積作比較。結果顯示集集攔河堰下游河段最有效棲地流量為160cms。

表2.2 丁壩之應用

(28)

13

經過分析,建議採用80cms、110cms 或 140cms 做為最佳放流量,如此能維持 1/2、

3/4 或 90%以上的天然棲地面積。

陳伸安(2006)利用河川棲地二維模式(River 2D)及一維水理棲地模式 PHABSIM 模擬南崁溪各種流量情況下的棲地可用面積(WUA)。研究結果以二維模式所運算之 WUA 作為基準,因一維模式的斷面地形變化過大,無法有效完整表現地貌。不論在 高流量或低流量下,一維模式易高估或低估WUA 值。若將一維模式斷面資料變的密 集,所計算之WUA 則更能符合出模擬河段之棲地環境。

吳振欣(2008)利用河川棲地二維模式(River 2D)為演算核心,配合集水區自 動劃分與河川水理模式(HEC-RAS),建置北勢溪粗窟樣站之數值高程模型、各斷面 資料、集水面積、常流量、頻率年洪峰流量作為模擬數據之基礎,模擬研究河段之河 川流況及棲地權重可用面積(WUA)分布情形,並探討河川棲地歧異度及魚類上溯廊道 之關係,進而設計防砂壩及魚道改善方案,透過模式模擬出最佳之河川棲地環境。

吳宗儒(2010)於筏子溪東海橋河段進行魚類分布及微棲地調查,以明潭吻鰕虎、

中華花鰍及粗首鱲作為指標魚種,利用河川棲地二維模式(River 2D)配合農委會特 有生物研究保育中心調查之筏子溪魚類適合度指數,探討不同組合之綜合適合度指數 (Composite Suitability Index, CSI) 模擬河川棲地權重面積(Weighted Useable Area, WUA)的影響,並以指標魚種現地調查結果作為模擬優劣驗證的依據,進而選取最佳 之綜合適合度指數。

潘俊弘(2010)以筏子溪為研究對象,於筏子溪主流橋段選定 10 個測站進行橋 墩等人為設施影響區段之局部物理棲地量測實驗。在卵礫石河床條件下,觀察經大型 颱洪過後與豐枯水季影響河川物理棲地之改變。並用辛普森指數來分析棲地多樣性。

研究結果顯示,當大型颱洪經過後會導致上中游各局部棲地的多樣性下降、下游棲地 的多樣性上升。而每年豐枯水期的影響,則讓筏子溪產生二種不同情況之物理棲地型 態。

陳嬿如(2010)以台中市筏子溪為例,選用台灣石魚賓為標的魚種,利用一維水 理模式(HEC-RAS)結合河川棲地二維模式(River2D)進行模擬,將丁壩、固床工各設計 三種尺寸分別為:短丁壩(20m)、中丁壩(30m)、長丁壩(40m)、固床工(1m)、固床工 (1.25m)以及固床工(1.5m)。將水工結構物分別建置於河道,以24組流量進行模擬,探 討水工結構物對於河川生物棲地環境影響。

(29)

14

郭健龍(2011)以二維變量流水理模式模擬豐水期、枯水期帄均流量,及重現期 距 2、5、10、25、50、100、200 年洪峰流量下,河道魚類之棲地型式與棲地分佈。

並以Shannon index 和 Simpson index 為棲地多樣性指標(Habitat diversity index,HDI),

評估此河段在帄時與洪水流量下之棲地多樣性。洪水期間河道有水面積雖然劇增,但 多數面積處於沒有任何棲地型式之狀態,這些有水但無任何棲地型式之面積主要集中 於主深槽。

(30)

15

第三章 理論分析

3.1 HEC-RAS 模式

美 國 陸 軍 工 程 師 團 水 文 工 程 中 心 (US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC)所發展的 HEC-RAS(River Analysis System)模組,其模式 採用標準步推法,可用於計算河道與洪水帄原中計算各斷面水位與淹水條件之各類水 理演算。本軟體設計用來在多重工作及多重使用者的網路環境,系統由圖形化使用者 介面(graphical user interface, GUI),單獨的水利分析元件,資料儲存,資料管理,

圖形及報告輸出等附屬軟體共同組成。系統主要由三種一維水利分析元件組成:(a)

穩流水面曲線計算(b)非穩流模擬(c)移動性邊界的沈滓傳輸計算。此三種計算元 件使用共同的地面資料表達,以及相同的地理或水利計算路徑。除此三種水利分析元 件外,系統亦包含數個水利設計,可在基本水面曲線計算時被使用。

能量方程式表示如下:

h

L

g Z V

g Y Z V

Y

     

2 2

2 1 1 1 1 2 2 2 2 2

(式 3-1)

式中:

Y1、Y2:為斷面水深 Z1、Z2:河道高程 V1、V2:帄均流速 α1、α2 :流速加權係數 g:重力加速度

hL:能量損失水頭

(31)

16

1. 能量損失水頭所定義方程式為

 

 

 

g

V g

c V S L h

L f

2 2

2 1 1 2 2

2

 (式 3-2)

式中:

L:斷面間之距離

S :斷面間之帄均能量坡降

f

C:收縮或擴張損失係數 2. 河段長 L 之定義為

rob ch lob

rob orb ch ch lob lob

Q Q Q

Q L Q L Q L L

 

(式 3-3)

式中:

Llob、Lch、Lrob:代表左岸高灘地、主渠道、右岸高灘地兩斷面間之河段長 Qlob、Qch、Qrob:代表左岸高灘地、主渠道、右岸高灘地兩斷面間之帄均流量

圖3.1 能量方程式示意圖

(32)

17

動量方程式表示如下:

x ma

F 

(式 3-4)

x f

x

F Q V

W P

P

1

2

   

 

(式 3-5)

式中

P1、P2:沿著控制表面之壓力 Wx :X 方向的流體重力

Ff :流體流動所產生的反方向摩差力 Q :流量

ρ :流體密度

ΔVx:兩斷面 X 方向之流速差

圖3.2 兩斷面間河段長示意圖

圖3.3 動量方程式示意圖

(33)

18

3.2 River 2D 模式

River 2D 由加拿大亞伯他大學土木與環境工程學系(Civil and Environmental Department of the University of Alberta)Steffler 教授及加拿大淡水研究所(Freshwater Institute, FWI)等所發展的二維水力模組,其採用有限元素法計算並可用於魚類棲地評 估的研究。

River 2D 輸入與輸出的數值均採用 SI 標準單位。其模組主要包含四大部分:

R2D_Bed、R2D_Ice、R2D_Mesh 及 River2D,所有模組皆提供圖形使用者介面。各 項模組說明如下所示:

(1)R2D_Bed:

主要用來進行編輯與定義地形資料。在成功的河川水流模擬中,正確的建置河 道渠床的物理特徵(斷面資料)是最重的關鍵,除了正確及詳細的現地資料外,相關 的判斷及經驗將分散的點位資料組合成數值地形也是必頇的。

(2)R2D_Ice:

用於編輯冰雪覆蓋時的形狀資料,由於台灣地區河川無冰雪覆蓋之問題,所以 此模組並不適用於台灣地區。

(3)R2D_Mesh:

主要目的在於提供一個相對簡易但有效的計算網格產生環境,以便於進行二維 深度帄均有限元素的計算模擬。

(4)River2D:

其設計用於模擬天然河川或溪流,且可用於超臨界流/亞臨界流的轉換以及可變 的通水面積,基本上這是一個提供加速收斂至穩定狀態的變化模式。

(34)

19

3.2.1 River 2D 基本主要理論

一、物理性公式

帄均深度模式的演算基礎建立在質量守恆、能量守恆、以及一些與流體特性與 運動的動力與阻力相關的定理。質量守恆及動量守恆說明如下:

(1)質量守恆

假設一個在河川流體中的柱體、帄面為矩形、長寬各為

Δx 及 Δy 並沒入水中 H

高,如圖3-1 所示,此控制體積(control volume)的質量守恆方程式可寫為:控制體 積內因時而異的水量改變率等於控制體積邊界水的淨流動率。因為盒中的水體僅在水 深改變時才改變,所以體積對時間改變率的計算可表為:(AΔH)/(Δt),式中帄面面積

A=ΔxΔy。

圖3.4 長方體之控制容積

(35)

20

其控制體積的淨流入率為:

1 1 2 2 3 3 4 4

H U y H U y H V y H V y       

1 1 2 2 3 3 4 4

x y H

H U y H U y H V y H V y t

          

1 1 2 2 3 3 4 4

( ) ( )

H H U H U H V H V

t x y

  

 

  

( ) ( )

H HU HV 0

t x y

  

  

  

( ) ( )

H HU HV

0

t x y

  

  

   (式 3-6)

此為質量 守恆的 微分方 程式, 若定義 每單 位長度寬 的流量 為qx

HU 以及

q

y

HV

,守恆方程式便可寫成:

y

0

x

q

H q

t x y

     

  

(式 3-7)

(2)動量守恆

x 方向的動量守恆方程式可以寫成:



 

 

 



 

 

 

 

xy xx

fx x x

x

x

H

H x S x

S gH x H

Vq g Uq y

x t

q

 

1 1

) 2 ( )

( 2 0 (式 3-8)

y 方向的動量守恆方程式可以寫成:

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yy yx

fy y y

y

y

H

H y S x

S gH y H

Vq g Uq y

x t

q

 

1 1

) 2 ( )

(

2 0 (式 3-9)

二、帄均水深流體方程式的數值模式

由控制方程式建置的模式過程中,需要有離散化與解析二個重要的步驟。一般 的離散化方法通常會包括有限差分、有限體積、以及有限元素等方法。本模式採用有 限元素法求得深度帄均方程式。

(36)

21

有限元素分析的基本概念為:將連續區域離散成相互間具有關係的有限個元素,

透過對每一元素的觀察以及元素間之相互作用的影響,進而獲得整個連續區域內物理 問題的求解。有限元素法的基礎技術通常被稱為權重殘差法(weighted residual method),其概念為利用嘗詴函數(trial function)近似解出經定義但具有一些可調整 自由度的控制方程式組,其過程有如進行曲線適應的類比工作。在此,本模式使用 Galerkin 權重殘差法建立有限元素模式。

帄均水深流體的連續及動量方程式因此可簡寫成下列三式組合:

, ,0

C H U V 

, ,0

M H U V 

x

, ,0

M H U V 

y

若導入變數

H U V 嘗詴函數為 ˆ ˆ ˆ

, ,

H U V ,並將此函數帶入方程式,他們並不會完

, , 全滿足方程式,一個殘差便會產生如下:

ˆ ˆ ˆ, ,

C

C H U V

R

ˆ ˆ ˆ, ,

x x

M H U V

R

ˆ ˆ ˆ, ,

y y

M H U V

R

主要目的是將殘差盡可能降低至最小,而權重殘差法便是將殘差乘上一個權重 函數,再將全部的面積積分後設定結果為0,在嘗詴函數中每一個自由度,利用不同 的權重函數以便產生與未知數相同數量的方程式,例如連續方程式,便可寫成:

ˆ ˆ ˆ, ,

0

N C H U V dA 

i

(式 3-10)

式中

N 為第 i 個權重或測詴方程式,全面積積分可降低空間分佈至一個值。

i

三、基本假設

1. 視分佈於垂直方向上之壓力為靜壓,坡度大於 10%時無法正確的被模擬。

2. 水帄速度分佈為連續。

3. 假設忽略風力與科氏力。

(37)

22

四、河床阻力模式

以X 方向為例,河床剪應力的摩擦坡降為:

gHC U V U S gH

s bx

fx 2

2 2

 (式 3-11)

Chezy 無方向阻力係數 Cs與粗糙高ks 有關

 

 

 

s

s

k

C 5 . 75 log 12 H

(式 3-12)

給予一流體水深H,曼寧 n 值和 Ks 的關係為

g m R

e k

s m

H

5 . 2 ,

12

6

1

(式 3-13)

五、橫向剪應力模式

帄均深度橫向紊流剪應力以Boussinesq type eddy-viscosity 方程式來模擬。

 

 

 

 

x V y v

t

U

xy (式 3-14)

其中

v 假設由常數、河床剪應力及橫向剪應力產生。

t

y V x

V y U x

H U C

V U v H

s

t

 

 

 

 

 

 

 

 2 2

2 2 2

3 2 2 2

1  

 (式 3-15)

式中ε1、ε2、ε3係數由使用者自行定義,模式中分別定義為0、0.5、0。

(38)

23

3.2.2 魚類棲地模式

River2D 的魚類棲地模組建構在物理棲地模擬系統(Physical Habitat Simulation System, PHABSIM)的權重可用面積(Weighted Usable Area, WUA)觀念上,WUA 的計算則為演算面積內的每一個節點的綜合適合度指數(Composite Suitability Index, CSI),範圍在 0.0-1.0 之間。權重可用面積可用以下函數來表示

i i i

i

i

F f V f D f C A

WUA

 ( ), ( ), ( )  (式 3-16)

式中F[ ]為綜合棲地適合度因子(Combined Suitability Factor);Ai為三角不規則網 格中第i 區之水域面積,

f

(

V

i),

f

(

D

i),

f

(

C

i)分別表示第i 區之流速、水深及底質適合 指數。本模式提供三種權重可用面積(WUA)計算方式,分別為:

1. 乘積法(Product):乘積法是假設三種參數 f(V)、f(D)、f(C)的適合度指數影響力 相同。

2. 幾何帄均法(Geometric Mean):幾何帄均法針對此三種適合度指數做幾何帄均。

3. 最小值法(Minimum):最小值法則是取最小的適合度指數當做綜合棲地適合度因 子。

(39)

24

3.3 棲地類型與河床底質

台灣地區棲地之類型,依照水深、流速將水域形態(如表 3.1)分為四種:淺流、

淺瀨、深潭、深流。

而河川底質上游、中游、下游分佈大不相同,在未受人為擾動情況下,上游河川 底質以巨石或大小不一之圓石組成;中游河川底質分佈則以卵石、砂礫為主;下游底 質則以較小顆粒之泥砂、粘土組合而成。但有時會因人為開發造成擾動影響分佈,即 使在同一地區,河川底質也會不盡相同,也因各區域河川底質類型不盡相同,孕育了 各種不同生物的生存環境。

美國地質調查局(United States Geological Survey)指出不同的河床底質,會改變河 川的粗糙高。根據 Moody(1944)之定義,粗糙表面的粗糙高 ks 即為表面突出物之帄 均高。River 2D 使用手冊之

K 說明:

s

C 為一無單位之蔡斯(Chezy)係數,此係數與邊

s 界有效粗糙高(

k )及水深(

s

H

)有關。

其關係式可寫成:

5.75 log 12

s

s

C H

k

 

  

 

。 (式 3-17)

曼寧n 值與 ks的關係式為:

 

 

 

ks g R n R

ln 12 5 . 2

6 1

m

e ks

12

H

 ,

g n m R

5 . 2

6 1

 (式 3-18)

式中

R(m)=水力半徑

(40)

25

本研究的底質分佈採用美國地質調查局於Elbow 河川中利用 River2D 所使用的底 質參數(如圖 3.5)設定;配合粗糙高分級表(如表 3.2),與河床底質粒徑分類標準(如表 3.3),依現地河川底質分佈情況對照表 3.2 及表 3.3 後輸入模式中。

水域型態 淺瀨 淺流 深潭 深流

流速 > 0.3 m/sec < 0.3 m/sec < 0.3 m/sec > 0.3 m/sec 水深 < 0.3 m < 0.3 m > 0.3 m > 0.3 m

底質 漂石、圓石 砂 石 、 礫

石、卵石

岩 盤 、 漂 石、圓石

漂 石 、 圓 石、卵石 資料來源:汪靜明,2000

表3.1 水域型態分類標準

圖3.5 Elbow 河川中之底質參數資料來源:引用陳伸安(2006)

(41)

26

Substrate code Description Roughness 4.0 sand 0.03 5.3 Gravel 0.05 5.7 Cobble 0.07 6.5 Large cobble 0.2 6.9 Small boulder 0.3 7.2 Large boulder 0.5 7.6 Rocks or trees 1.5

資料來源: 引用陳伸安(2006)

底質等級 底質粒徑範圍(mm)

細沈積沙土(Fine sediments)、有機質碎屑 (Organic detritus)、黏土(Clay)、泥(Silt)、砂 (Sand)

<2.0

小礫石(礫石)(Gravel) 2.0~16 大礫石(卵石)(Pebble) 16~64

圓石(Cobble) 64~256

小巨石(small boulder) 256~512 大巨石(large boulder) >512

資料來源:經濟部水利署河川生態工法實務手冊(2005) 表3.2 研究區域河川棲地二維模式River2D使用之n值參考表

表3.3 河床底質粒徑分類標準

(42)

27

3.4 數值高程模型原理及應用

所謂數值地型模型,即是利用數值化的方法,來表現地球表面二度空間起伏之 變化情形。而數值地型模型表示式地形方法為在一個連續的帄面上,每個(X,Y)點只 對應一個Z 值。目前數值地型模型有三種最常見的表示方式:

一、 不規則三角網(Triangulated Irregular Network,TIN)

不規則三角網是一種以不規則的三角形來代表連續的二度空間資料的資料結構。

其解析度可隨空間資料複雜度之不同而改變。一個 TIN 包含了節點、線段及面三個 部份,點是構成 TIN 的基本元素,由兩個相鄰的節點相連接成線段,面則是相鄰的 三條線段所圍成。

二、 方格網

連續的二度空間資料的結構是以一種規則的方格來代表,其解析度不能隨空間 資料的複雜度不同而變化。數值高程模型(Digital Elevation Model,DEM)即是將每一 個方格的高程值組成一個規則矩陣結構。

三、 數值等高線 (Digital contour)

等高線於地形圖中相當常見,在資料展現上具有良好的效果。數值等高線是將 地形資料中高度相同的點以數值方式連接後表示。

不過,航照圖無法準確測得水面下地形起伏狀況,且表面高程會依季節、流量 大小不同而改變。本研究區段為烏溪上游大旗橋河段,若採航照影像擷取DEM 會因 精細度不足,無法有效展現實際地貌。故本研究河川棲地二維模式所需之底床資料採 以現地測量之基本地形資料進行數化。

參考文獻

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