碩士論文 Department of Civil Engineering National Ilan University Master Thesis 國立宜蘭大學土木工程學系

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國立宜蘭大學土木工程學系 碩士論文

Department of Civil Engineering National Ilan University

Master Thesis

FLO-2D 沖淤模式應用於土石流影響範圍分析之研究 -以宜蘭縣頭城鎮桶盤崛溪為例

The Application of FLO-2D Scour and Deposition Model on Debris-flow Influence Zone Analysis - Study on the Tong-Pan-Jei

Creek

,

Ilan County

指導教授:游棫誠博士 Y. C. You

,

Ph. D.

研究生:林芝岩

Chih Yan Lin

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摘要

台灣地區位於菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊交接處,因板塊運動影響 岩質脆弱、地震頻繁、地形陡峻,近年來更因經濟快速發展,部分山坡地 遭不當開發,故於颱風豪雨發生時,高降雨強度及累積雨量常造成坡地土 壤沖刷流失、山崩地滑的災情,更有甚者形成土石流災害。

本研究以宜蘭縣頭城鎮桶盤崛溪(土石流潛勢溪流編號宜蘭 A120)作 為研究對象,此溪流於民國八十九年象神颱風時,因極高降雨量引發土石 流,挾帶大量土石沖淤阻斷省道台二線及北迴線鐵路造成宜蘭對外交通中 斷數日。

研究分析中採用象神颱風於頭城地區之降雨紀錄為依據,探討桶盤崛 溪發生土石流當時,於下游谷口處造成之沖淤深度及堆積範圍。首先應用 FLO-2D 程式模擬土石流發生前降雨對土石沖淤程度的影響後,選用最合理 之土石流發生前降雨延時,隨後再以不同土石流體積濃度代表上游坡面鬆 動土石材料的多寡,亦即模擬現地構築坡地穩定工程設施之成效,另亦於 分析中模擬導流及沉砂設施,比較分析結果以瞭解坡面穩定工程與導流、

沉砂等工程設施對土石流沖淤範圍的影響,並據以評估對下游谷口處保全 對象威脅之舒緩效益。以 FLO-2D 二維有限差分程式分析土石流沖淤,可 評估土石流影響的區域範圍與沖積扇分布,其結果除可做為土石流防災避 難路線規劃參考外,亦可提供增設整治工程設計時參考,以期達最佳工程 效益並降低下游保全對象生命及財產的威脅。

關鍵字:土石流、FLO-2D、土石流沖積扇、土石流整治

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ABSTRACT

According to the Theory of Plate Tectonics, Taiwan is located at the boundary of Philipines Sea Plate and the Euro-Asia Continent Plate. Through the influence from plate collision, the geological condition in Taiwan is considered to be harsh with complex geologic structures as well as steep terrain and frequent earthquakes. In recent years, the rapid economical growth in the region caused improper hillside developments over some steep slopes. As a result, severe soil scouring and landslides occurred very often during the heavy rainfall brought in during Typhoon season. Furthermore, debris flow hazards induced by high intensity rainfall along with huge cumulated precipitation were reported to cause fatal impact on human lives and assets.

In this research, the Tong-Pan-Jei Creek (numerated as the Potential Debris Flow Creek Yilan-A120) was studied for its disaster history. In fall 2000, Typhoon Shan-Shen hit Taiwan with extremely high rainfall which induced the occurrence of several debris flows in the area and damaged both No. 2 Provincial Highway and the North Railway. As the result, Yilan County was isolated for more than a week due to the shutdown of outward transportations.

In the incident, debris flow of Tong-Pan-Jei Creek played a major role.

Rainfall records of Tou-Chen city during Typhoon Shan-Shen were used as the basic data in analyzing the scouring and deposition effects of debris flow in Tong-Pan-Jei Creek at the time. Numerical scheme FLO-2D was introduced through the analysis and various remedial schemes were simulated to evaluate their efficiency in preventing further debris flow. Before other simulations, the effective rainfall period previous to the occurrence of debris flow was determined comparing the results from both numerical calculation and reports at the debris flow site. Different sediment concentrations were then introduced in the numerical scheme to represent the effectiveness of slope stability and soil conservation measures of the watershed basin. In addition, flow channel along with check dams and sediment containment basin were also modeled into the simulation scheme to evaluate the possible extent of the debris flow sediments.

Results from this research will provide the area of influence from the Tong-Pan-Jei Creek debris flow as the basic information in the local evacuation and rescuing route planning for debris flows. Besides, the methodology developed in this research could be used in evaluating the effectiveness and benefit for the rehabilitation of potential debris flow creeks.

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謝 誌

這篇論文的完成,有無限的感恩充滿著我心,最感謝的是指導教授游 棫誠老師的提攜與包容,在學生研究、課業與生活上的指導與關懷,讓我 能順利完成學業。

特別感謝黃賢統教授、趙紹錚教授於論文口試時,提供諸多建議與斧 正,使本文更趨於完善。在研究過程中黃成良老師在水文相關知識上的細 心教導。歐陽慧濤老師於 HEC-HMS 與 Geo-HMS 上的指導與建議。使學生 得以順利如期完成論文,在此表達誠摰之感謝。

感謝罐頭學長、阿謙學長、小羅學長、小盧學長、力維學長、小鄭學 長、小黃學長、穎賜學長等,在研究時給予指導與生活上的關心,幫我解 開一些研究上的難題,並提供軟體技術上的教導,使得整個研究得以順利 完成。

同時很高興在碩士班的生涯中,能有一群像老朱、祺惟、小美、 阿胖、

祥儀、阿和、阿斌、卓君等的好同學相互協助與勉勵,以及一位在台北時 常鼓勵我的好友阿村,陪我一起度過這兩年的光陰。

在碩二時有了學妹明惠及仕群的加入,使我在整個研究所的生涯中又 多添加了許多的歡笑。

最後,謹以此文獻給親愛的爸爸、媽媽、大姊、二姊,在我漫長的求 學生涯給我最大的支持與包容,感恩之心溢於言表,非常感謝你們。

謹誌於 宜大土木研究所 2007.07

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目 錄

第一章 緒 論 ...7

1-1 前言...7

1-2 研究動機與目的...7

1-3 研究方法與步驟...8

第二章 文獻回顧 ... 11

2-1 土石流之定義 ... 11

2-2 土石流發生的原因... 11

2-3 土石流堆積特徵...13

2-4 二維土石流數值模擬...14

2-4-1 FLO-2D 介紹 ... 14

2-4-2 控制方程式 ... 15

2-4-3 流變方程式 ... 17

2-4-4 假設與限制 ... 20

第三章 研究區域 ...24

3-1 地理位置 ... 24

3-2 氣候 ... 24

3-3 集水區概述 ... 25

3-4 土石流立體像對...26

3-5 地質及土壤 ... 26

3-5-1 地質 ... 26

3-5-2 土壤 ... 26

3-6 水文...27

第四章 數值模擬使用參數 ...39

4-1 數位地形模型...39

4-2FLO-2D 數值模擬參數... 40

4-2-1 流變參數 ... 40

4-2-2 體積濃度參數 ... 40

4-2-3 土石比重 ... 40

4-2-4 層流阻滯係數 ... 41

4-2-5 曼寧係數 ... 41

水文分析...41

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第五章 案例分析與討論... 62

5-1 體積濃度與出砂量關係...62

5-2 清水流歷線...63

5-3 桶盤崛溪坡面整治對土石流影響模擬結果...63

第六章 結論與建議... 99

6.1 結論...99

6.2 建議...100

參考文獻 ... 101

(7)

表目錄

表 2-1 層流阻力係數建議使用值(Woolhiser,1975) ...21

表 2-2 α 值及β值建議使用值(O’ Brien,1985) ...21

表 3-1 頭城鎮石城里境內土石流潛勢溪流現況調查表...29

表 4-1 土石流體積濃度建議使用值(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)...49

表 4-2 土石流體積濃度參數...49

表 4-3 土石流體比重參數...49

表 4-4 曼寧係數建議值(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)...50

表 4-5 SCS 係數參考表...51

表 5-1 坡面整治程度與體積濃度對照表...68

表 5-2 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度出砂量...68

表 5-3 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(全區)...68

表 5-4 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(上游) ...69

表 5-5 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(中游) ...69

表 5-6 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(下游) ...69

表 5-7 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(上游) ...70

表 5-8 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(中游) ...70

表 5-9 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(下游) ...70

表 5-10 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力 (上游) ...71

表 5-11 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力 (中游) ...71

表 5-12 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力 (下游) ...71

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圖目錄

圖 1-1 研究架構...10

圖 2-1 剪切率與剪應變關係圖(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)...22

圖 2-2 體積濃度與動力黏滯係數關係(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)...22

圖 2-3 體積濃度與降服應力關係(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)...23

圖 3-1 頭城鎮石城里地理位置...30

圖 3-2 頭城鎮雨量站位置...31

圖 3-3 頭城鎮地區北關測站(2000-2005)月平均雨量 ...31

圖 3-4 HEC-GeoHMS 分析架構 ...32

圖 3-5 石城里土石流分布位置及集水區範圍...33

圖 3-6 桶盤崛溪集水區高程圖...33

圖 3-7 桶盤崛溪集水區坡度分析...34

圖 3-8 桶盤崛溪集水區坡向分析...35

圖 3-9 宜蘭 A120 正射影像立體像對(正視圖) ...36

圖 3-10 宜蘭 A120 正射影像立體像對(上視圖) ...36

圖 3-11 宜蘭 A120 正射影像立體像對(俯視圖) ...37

圖 3-12 石城里地質圖...37

圖 3-13 研究區域土壤分布圖...38

圖 4-1 土石流流入點位置...52

圖 4-2 桶盤崛溪土石流入流點位置...53

圖 4-3 桶盤崛溪河道現況...53

圖 4-4 HEC-HMS 分析架構...54

圖 4-5 HEC-HMS 水文分析元件視窗...55

圖 4-6 HEC-HMS 流域模組分析方法視窗...55

圖 4-7 SCS Curve No.輸入參數視窗 ...56

圖 4-8 Clark 輸入參數視窗 ...56

圖 4-9 Baseflow 輸入參數視窗...57

圖 4-10 氣象模組中之 Hyetograph 法視窗 ...57

圖 4-11 頭城地區象神颱風雨量組體圖 ...58

圖 4-12 HEC-HMS2.2.2 模擬清水流歷線(初始入滲=10mm)...58

圖 4-13 FLO-2D 模擬土石流(模擬時間 1 小時)深度圖(單位:m) ...59

圖 4-14 FLO-2D 模擬土石流(模擬時間 37.4 小時)深度圖(單位:m) ...59

圖 4-15 FLO-2D 模擬土石流(模擬時間 19.3 小時)深度圖(單位:m) ...60

圖 4-16 FLO-2D 模擬土石流(模擬時間 1.2 小時)深度圖(單位:m) ...60

圖 4-17 FLO-2D 模擬土石流(模擬時間 2.0 小時)深度圖(單位:m) ...61

圖 5-1 現地六座固床工(1)...72

圖 5-2 現地六座固床工(2)...72

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圖 5-3 現地八座防砂壩(1)...73

圖 5-4 現地八座防砂壩(2)...73

圖 5-5 省道台 2 線涵洞通水斷面(1)...74

圖 5-6 省道台 2 線涵洞通水斷面(2)...74

圖 5-7 HEC HMS2.2.2 模擬清水流歷線(初始入滲=46.95mm) ...75

圖 5-8 研究區域上、中、下游分區圖...75

圖 5-9 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之堆積深度圖(單位:m)...76

圖 5-10 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之堆積深度圖(單位:m)...76

圖 5-11 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.494 之堆積深度圖(單位:m)...76

圖 5-12 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.467 之堆積深度圖(單位:m)...77

圖 5-13 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.423 之堆積深度圖(單位:m)...77

圖 5-14 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之堆積深度圖(單位:m)...77

圖 5-15 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之堆積深度圖(單位:m)...78

圖 5-16 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之堆積深度圖(單位:m)...78

圖 5-17 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之堆積深度圖(單位:m)...78

圖 5-18 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之堆積深度圖(單位:m)...79

圖 5-19 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之堆積深度圖(單位:m)...79

圖 5-20 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.494 之堆積深度圖(單位:m)...79

圖 5-21 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.467 之堆積深度圖(單位:m)...80

圖 5-22 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.423 之堆積深度圖(單位:m)...80

圖 5-23 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之堆積深度圖(單位:m)...80

圖 5-24 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之堆積深度圖(單位:m)...81

圖 5-25 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之堆積深度圖(單位:m)...81

圖 5-26 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之堆積深度圖(單位:m)...81

圖 5-27 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之流速圖(單位:m/s) ...82

圖 5-28 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之流速圖(單位:m/s) ...82

圖 5-29 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.494 之流速圖(單位:m/s) ...82

圖 5-30 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.467 之流速圖(單位:m/s) ...83

圖 5-31 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.423 之流速圖(單位:m/s) ...83

圖 5-32 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之流速圖(單位:m/s) ...83

圖 5-33 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之流速圖(單位:m/s) ...84

圖 5-34 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之流速圖(單位:m/s) ...84

圖 5-35 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之流速圖(單位:m/s) ...84

圖 5-36 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之流速圖(單位:m/s) ...85

圖 5-37 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之流速圖(單位:m/s) ...85

(10)

圖 5-41 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之流速圖(單位:m/s) ...86

圖 5-42 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之流速圖(單位:m/s) ...87

圖 5-43 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之流速圖(單位:m/s) ...87

圖 5-44 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之流速圖(單位:m/s) ...87

圖 5-45 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...88

圖 5-46 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...88

圖 5-47 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.494 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...88

圖 5-48 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.467 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...89

圖 5-49 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.423 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...89

圖 5-50 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...89

圖 5-51 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...90

圖 5-52 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...90

圖 5-53 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...90

圖 5-54 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...91

圖 5-55 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.524 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...91

圖 5-56 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.494 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...91

圖 5-57 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.467 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...92

圖 5-58 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.423 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...92

圖 5-59 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.379 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...92

圖 5-60 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.328 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...93

圖 5-61 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.268 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...93

圖 5-62 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之衝擊力圖(單位:N/m2) ...93

圖 5-63 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(上游) ...94

圖 5-64 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(中游) ...94

圖 5-65 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度淤積深度(下游) ...94

圖 5-66 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(上游) ...95

圖 5-67 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(中游) ...95

圖 5-68 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度流動速度(下游) ...95

圖 5-69 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之堆積深度圖(中游段)...96

圖 5-70 未設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之堆積深度圖(中游段)...96

圖 5-71 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.55 之堆積深度圖(中游段)...97

圖 5-72 設置導流、沉砂構造物,體積濃度 0.196 之堆積深度圖(中游段)...97

圖 5-73 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力(上游) ...98

圖 5-74 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力(中游) ...98

圖 5-75 設置導流、沉砂構造物前後不同坡面整治程度衝擊力(下游) ...98

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第一章 緒 論

1-1 前言

台灣位於菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊之交接處,因板塊運動影響,

地質脆弱、地震頻繁、地形陡峻、岩層膠結不良。近年來宜蘭地區因經濟 快速的發展,造成平原的土地不敷使用,所以逐漸朝山坡地發展及利用。

不當的山坡地開發往往造成地表原有植被的破壞及土壤流失,導致颱風豪 雨來襲時,造成山崩、地滑、 土石流等土砂災害問題。以民國八十九年象 神颱風為例,因為高降雨強度及長降雨延時於頭城地區造成了嚴重的災 情。根據行政院農業委員會水土保持局「頭城沿海集水區整體治理調查規 劃」報告中指出,自大里溪以北至石城漁港間之土石崩積量總計約為 33,000m3,並造成省道台二線及北迴鐵路交通中斷數日。所以建立土石流災 害防治機制及其效益評估方式做為整治方案參考,實為刻不容緩之事。

1-2 研究動機與目的

前人研究發現,土石流發生時其影響範圍及堆積深度受土石流溪流的 地形、區域環境、上游堆積材料性質、土石流流量等因素影響。其中材料 參數一般須經現地的採樣及實驗室試驗決定。但由於採樣的粒徑限制,所 以仍會造成與現地土石流有所差異。有鑑於此,為期能較快速推估土石流

(12)

適當的簡化及假設,對於土石流影影響範圍進行研究。前人研究中,所針 對者主要為未經整治狀況下之土石流,對於已有工程整治之土石流潛勢溪 流,則少有整治後之效益評估。本研究嘗試以相同分析原則,分別對涵括 不同整治工程之狀況進行模擬,以期建立合理之整治效益評估模式,其所 得之土石流影響範圍亦可提供土石流防災避難路線規劃報告。

1-3 研究方法與步驟

本研究採用 O’Brien 於 1993 發表之 FLO-2D 數值模擬程式,配合網格 化之數值地形模型(DTM)與土石流流量資料來模擬土石流發生時對下游 之影響。分析結果除可提供土石流潛勢溪流整治工程設施設計參考的依據 外,同時亦可在災害發生前推估土石流沖淤影響範圍。本研究方法分為以 下四個部分,分析流程如圖 1-1 所示。

一、現地資料蒐集

資料蒐集包括頭城鎮石城里桶盤崛溪流域之地形與地質等自然環境資 料、象神颱風時頭城地區的降雨紀錄、當地居民訪談所得之災變發生後土 石流堆積深度及堆積範圍等相關資料。

二、土石流數值模擬模式建立

根據象神颱風於頭城地區之雨量紀錄,配合數值地形模型,以美國陸 軍工兵團之 HEC-HMS 程式模擬清水流歷線,然後以 FLO-2D 程式模擬桶

(13)

盤崛溪發生之土石流。首先模擬土石流發生前之降雨對模擬結果的影響 後,找出合理之土石流前清水流模擬時距。隨後採用水土保持局公告土石 流警戒之累積雨量值做為判斷土石流發生時間點依據後模擬土石流發生過 程。比對分析結果與現地訪談資料,並參考前人研究採用之各項分析參數 構建 FLO-2D 數值分析模型。

三、案例分析與討論

應用前述構建之數值分析模型,加入整治工程設施(包括集水區坡地穩 定及水土保持設施、導流設施、防砂壩、沉砂池等)於分析模型中,進行 土石流模擬。所得各種設施對土石流沖淤範圍影響之變化,經比較探討後 可用以評估其工程整治效益,而所得沖淤範圍亦可提供防災避難路線規劃 參考。

四、以地理資訊系統套疊圖層展示

係利用 ESRI 公司之 Arc GIS、ARC VIEW 及美國海軍部之 MicroDEM 等 GIS 應用軟體將模擬結果與五千分之一彩色正射航照圖套疊後,展示土 石流沖淤分布位置及影響範圍。

(14)

圖 1-1 研究架構 研究開始

選定研究範圍

文獻收集 現地資料收集

建立數值模式

參數的選定

與現地災害歷史比較分析

GIS 圖層套疊

結論與建議

研究結束

不符合

符合

模擬整治工程設施效益

(15)

第二章 文獻回顧

2-1 土石流之定義

依據「水土保持技術規範」第 69 條定義:土石流係指泥、砂、礫及巨 石等物質與水之混合物,以重力作用為主,水流作用為輔之流動體。

在台灣地區於颱風、梅雨季節或豪雨期間山區驟降之雨量,常造成溪流上 游集水區之地表逕流無法適時排出,此時若上游坡面存有豐富鬆散的土石 以提供土石流所需的固態物質,則於足夠陡坡度時土石即具足流動的動 力,合此三要素即會形成土石流。一般而言土石流的流動特徵為流速快、

泥砂濃度高、沖蝕力及衝擊力大等,常會造成下游極大的災害及損失。

2-2 土石流發生的原因

根據邱禎龍(2002)將過去的台灣從事土石流研究的專家學者現勘結果 彙整後,整理以下七點土石流特性:

1.因為受到地質、地震、風化程度等之影響,所以土石流組成材料中石 材粒徑分布之顆粒粒徑自數公尺至 0.01 公釐以下,粒徑分布範圍十分廣泛。

2.土石流屬間歇性之流動,流動時單位體積重量約在 1400kg/m3~2300 kg/m3。當前端流體受阻而停止時,其後續部分會因慣性作用而產生堆高,

(16)

在後續部分,其中央則成凹下形狀。

4.土石流前端部分成波浪狀,並常有石材、礫石及漂流木集中於前端之 現象;相對於土石流前端部分大量之巨石,其後續部分礫石之大小及濃度 等皆有減小之趨勢。

5.土石流具直進性,且於河道轉彎處內外兩岸會有超高現象。

6.土石流常在溪谷、坑溝出口等坡度緩、寬度大之地點形成扇狀堆積地。

7.土石流發生地點之坡度大約在 15°~30°之間為最多;而堆積地點之坡 度在 3°~6°之間為最多。

根據謝正倫等(1992)調查本省花東地區之土石流危險溪流發現花蓮縣 之危險溪流中溪床的坡度大都集中於 10°~25°之間,而以 15°~20°之間的 坡度為最多。而在台東縣危險溪流中溪床的坡度大都集中於 10°~20°之 間,而以 10°~15°之間的坡度為最多。統計之後發現危險溪流 10°~25°約 佔總數的 87%,而其中危險溪流 15°~20°則佔總數的 34%。經整理分析在 花東地區曾誘發土石流之暴雨資料發現,在花東地區之時雨量超過

27mm/hr,且總雨量超過 360mm 時則有誘發土石流的之可能性。故稱降雨 為發生土石流之直接誘因。

根據李三畏(1981)指出,降雨量多且強度集中乃誘發土石流之主因。

民國 70 年 5 月在桃竹苗地區之一場集中性豪雨引發了土石流,其一日的降 雨量高達 247mm 而降雨強度為 88 mm/hr。

(17)

根據林銘郎與李順敏(2002)將發生土石流的地形分區描述如下:

1.發生區(上游)或稱形成區

大多發生在三面環山,一面出口支半圓形寬闊地段,周圍山勢陡峻(30

°~60°)或稱畚箕型地形。坡面上常有侵蝕溝、地滑發育、陡坡上常缺乏 植生覆蓋,有利匯集坡上的水流及固體物質,坡下則為崩積土或崖錐。形 成區的面積越大,侵蝕溝及坍方越多、坡度越陡,則土石流的規模越大,

作用越迅速猛烈。

2.流動區(中游)或稱輸送區

多為狹窄而深切的峽谷,谷壁陡峻常呈 U 型溪床,且多為自然跌水。

土石流在本區因斷面縮小、流速增大,因此沖刷能力強(包括刷寬及刷深), 常造成兩岸邊坡崩坍,越發增長土石流之能量規模。

2-3 土石流堆積特徵

林銘郎(2002)指出土石流堆積的場所(下游)。一般位於河(溝)口 或山麓邊緣形成扇型、錐型或帶狀堆積。土石流形成之沖積扇與洪水作用 所形成的沖積扇在地貌上的不同是扇面坡度較陡、起伏不平。

Pierson(1986)指出當土石流流動過程中,較大粒徑土石會匯集至前端,

而無法懸浮之礫石則會形成高含砂水流。最前端的孔隙是由基質漿體所填

(18)

象。

游繁結(1999)將下游土石流堆積特徵描述如下:

1.其堆積地形多呈扇狀堆積,且粗粒徑之礫石多分佈於扇狀邊緣的附近。

2.後續流之小粒徑土砂會越過土石流堆積扇,而在下游面廣泛堆積成低 平之堆積面。此等後續流因材料較細,且含水比例較高,亦有稱之為土砂 流。

3.坡地型土石流發生而停止時,可形成鱗狀堆積地形或舌狀堆積地形。

4.由整體扇狀堆積表面觀之,扇心部之粒徑較扇緣部之粒徑偏小,但於 垂直剖面上,則無明顯之粒徑分級現象,有異於一般沖蝕所特有之分篩堆 積特性。

2-4 二維土石流數值模擬

FLO-2D 為 O’Brien(1993)所提出之二維洪水與土石流模擬軟體,此

軟體可應用於災害管理、洪水平原管理、工程風險設計、都市淹水、不規 則河道與橋樑涵洞水理演算、漫地流、都市水文、泥流及土石流等問題,

並能夠模擬流體流動的流速及堆積深度、合理推估掩沒面積,作為災害影 響範圍推測之工具。

2-4-1 FLO-2D 介紹

FLO-2D 軟體使用非牛頓流體模式與中央有限差分(central finite

(19)

difference scheme)數值方法,解出流體運動控制方程式,以求取水平面上 之 x 軸、y 軸方向之平均流速 u 與流動深度 h。

分析中採用之數值地形模型為規則之方格格點元素系統,每個元素只給 單一高程值、粗糙係數、流動面積與寬度之折減因子(考慮河堤影響流路 部分),為分析使用之地文因子系統。由方格點元素系統計算流動深度以求 得流量;質量守恒則是考慮整個方格點系統內,水與土石流中之土石兩者 體積之維持,即在每個時間差分間隔裡,分析模式依據各格點元素土石流 之體積濃度改變,計算各格點元素內水與土石之體積改變,但其總和體積 不變。經由上述計算方法,可使高濃度且已停淤之土石流在後續遇到低濃 度之流量通過時,會重新發生流動。在 O’Brien et al. (1993) 說明 FLO-2D 水 力學計算正確性驗證中指出,本程式模擬渠道穩態流結果,和現地實測資 料與 HEC-2 計算結果比對,所得之流動深度與流速,有相當一致性的結果。

2-4-2 控制方程式

本研究採用 FLO-2D 軟體模擬土石流沖淤深度與影響範圍,求解 x 軸 及 y 軸方向之平均流速 u 與流動深度 h 這兩個變數時須考慮三控制方程式:

1.連續方程式:

hU i hU

t h

y y x

x =

+

+

( ) ( )

式(2-1)

(20)

式中,h:流動深度 t:時間

Ux:x 軸方向之平均流速 Uy:y 軸方向之平均流速 i= dl

dh:水力坡降 (m/m)

2.運動方程式:

(1)動力波模式(dynamic wave model):

y g U U x g U U t g

U x S h

Sfx bx x x x y x

= 式(2-2)

y g U U x g U U t g

U x S h

Sfy by y x y y y

− ∂

− ∂

−∂

−∂

= 式(2-3)

(2)擴散波模式(diffusion wave model):

x S h Sfx bx

= 式(2-4)

x S h Sfy by

= 式(2-5)

(3)運動波模式(kinematic wave model):

Sfx =Sbx 式(2-6)

Sfy =Sby 式(2-7)

式中,SfxSbx:x 軸方向之摩擦坡降及底床坡降 SfySby:y 軸方向之摩擦坡降及底床坡降 g:重力加速度

(21)

在式 2-2 及式 2-3 中為力平衡之動量方程式,表示成無因次化以討論加 速度的影響。在式中由左而右分別表示為:摩擦坡降、底床坡降、壓力梯 度、慣性力中對流加速度項及局部加速度項。在運動方程式中共分為上述 動力波、擴散波、運動波三種模式。FLO-2D 可以使用動力波及擴散波模式 進行模擬。依據美國陸軍兵工團(US ARMY Corps of Engineers)研究指出 沖積扇堆積區適合以擴散波模式來模擬,但根據蘇立明(2003)以 FLO-2D 進行分析時發現,不論以動力波或擴散波進行模擬,所得流速與流深模擬 結果皆相同,故本研究採用擴散波模式進行土石流模擬。

2-4-3 流變方程式

土石流的流動現象為泥、砂、礫及巨石等固態物質碰撞及摩擦,再與 周圍流體間的交互作用,其剪切率與剪應變關係如圖 2-1 所示與一般的牛頓 流體極為不同。國內外學者將流變模式分為下列幾種:牛頓流體模式、賓 漢流體模式、冪定理模式、二項式模式等。本研究中 FLO-2D 所使用的二 項式流變模式是一種考量塑性、黏性、碰撞、及紊動的模式。O’Brien and Julien(1985)指出,高濃度的土砂流(hyperconcentratrated sediment flow)

其總應力τ由以下五項剪應力構成的:

d t v mc

c τ τ τ τ

τ

τ = + + + + 式(2-8)

(22)

式中,τc:凝聚性降服應力 τmc:莫爾-庫倫剪應力 τv:黏滯剪應力 τt:紊流剪應力 τd :擴散剪應力

O’ Brien(1993)指出剪應力τ 可由下式表示之:

( ) ( )2 dy C du dy du

y + +

=τ η

τ 式(2-9)

式中,τy:降服應力

η:動力黏滯係數

dy

du:流體正壓力方向的速度梯度

其中,τy =τc +τmc 式(2-10)

C =Pml2 +aipsλ2ds2 式(2-11)

式中,C:紊流-離散參數 Pm:土石流密度 l:Prandtl 長度係數

ai:Bagnold 經驗係數(趨近於 0.01)

ps:土石流體中固體密度 ds:泥砂顆粒粒徑

(23)

式(2-11)中 O’ Brien(1993)引用 Bagnold(1954)對λ之定義,如下式:

1 3 1

* 1

⎥⎥

⎢⎢

⎟⎟ −

⎜⎜ ⎞

= ⎛ Cv

λ C 式(2-12)

式中,C*:泥砂顆粒靜止時最大體積濃度 Cv:體積濃度

式(2-9)中之體積濃度、動力黏滯係數及降服應力之間的關係如圖 2-2 及 圖 2-3 所示。

式(2-9)以坡降方式表示為:

3 4 2 2

8 2

h u n h

u K S h

S S S

m m

y td v y

f = + + = + +

γ η γ

τ 式(2-13)

其中,τy =α2eβ2Cv 式(2-14)

η =α1eβ1Cv 式(2-15)

式中,Sy:降服坡降

Sv:黏滯坡降

Std:紊流-擴散坡降 γm:土石流體的單位重 K:層流阻滯係數 n:曼寧係數

(24)

式(2-13)中之 K 值採用 Woolhiser(1975)建議使用值如表 2-1,式(2-14)

與式(2-15)的α 值、β值,根據 O’ Brien(1985)建議使用值如表 2-2 所 示。

2-4-4 假設與限制

FLO-2D 分析模擬基於以下五點假設條件並有兩點限制。

1. 假設條件:

(1) 假設水壓分布為靜水壓的分布

(2) 差分計算之時間間隔中假設保持為穩態流

(3) 假設滿足穩態流之阻滯方程式

(4) 假設每一個網格點僅單一的高程及曼寧值

(5) 假設網格點內之渠道斷面及粗糙度為均值 2. 限制條件:

(1) 由於分析模型為定床模式故本模式無法模擬原始河道刷深現象

(2) 無法模擬水躍及波浪的現象

(25)

表 2-1 層流阻力係數建議使用值(Woolhiser,1975)

表面 建議使用 K 值

混凝土/瀝青 24-108

裸露砂土 30-120

表層級配 90-400

被侵蝕的裸露泥土-被侵蝕的壤土 100-500

稀疏植被 1000-4000

矮草原地 3000-10000

早熟禾草地 7000-50000

表 2-2 α值及β值建議使用值(O’ Brien,1985)

Cv

y αeβ

τ = (dynes/cm2) η =α eβCv(poises) Source

α β α β

Aspen Pit 1 0.181 25.7 0.0360 22.1

Aspen Pit 2 2.72 10.4 0.0538 14.5

Aspen Natural Soil 0.152 18.7 0.00136 28.4

Aspen Mine Fill 0.0473 21.1 0.128 12.0

Aspen Watershed 0.0383 19.6 0.000495 27.1 Aspen Mine Source Area 0.291 14.3 0.000201 33.1

Glenwood 1 0.0345 20.1 0.00283 23.0

Glenwood 2 0.0765 16.9 0.00648 6.20

Glenwood 3 0.000707 29.8 0.00632 19.9

Glenwood 4 0.00172 29.5 0.000602 33.1

Relationships Available from the Literature

Iida(1938) - - 0.0000373 36.6

Dai et al.(1980) 2.60 17.48 0.00750 14.39 Kang and Zhang(1980) 1.75 7.82 0.0405 8.29

0.00136 21.2 - -

Qian et al.(1980)

0.050 15.48 - -

Chien and Ma(1958) 0.0588 19.1-32.7 - -

0.166 25.6 - -

Fei(1981)

(26)

圖 2-1 剪切率與剪應變關係圖(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)

圖 2-2 體積濃度與動力黏滯係數關係(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)

(27)

圖 2-3 體積濃度與降服應力關係(FLO-2D Users Manual Version 2006.01)

(28)

第三章 研究區域

3-1 地理位置

桶盤崛溪(土石流潛勢溪流編號宜蘭 A120)位於台灣的東北部宜蘭縣 頭城鎮石城里(如圖 3-1 所示),根據水土保持局公告資料顯示,頭城鎮境 受土石流的影響村里共有石城里、大里里、合興里、更新里、外澳里、拔 雅里、二城里等 7 個村里。

頭城鎮位在宜蘭縣最北端,其西側有雪山山脈,東臨太平洋。雪山山 脈為台灣北部的主要山脈之一,是宜蘭與台北、桃園及新竹三線的縣界,

穿越其中頭城鎮著名的草嶺古道就是早期先民從宜蘭對外的主要聯絡道路 之一。頭城也因為擁有極長的海岸線,其海岸線由北端岩岸至平原段之砂 岸,變化也極具多樣性,古有「開蘭第一城」蘭陽門戶之稱,在清代即扮 演著重要的角色,為當時的商業重鎮。

3-2 氣候

臺灣地區西北邊是歐亞大陸,東邊是太平洋,四周海洋環繞,位處副 熱帶季風氣候區;宜蘭縣也深受此影響,成為氣溫適中的地方。然而「竹 風蘭雨」這一句話,訴說出宜蘭地區是個雨水多的地方,也是全省水資源 最不虞匱乏的地區。頭城鎮年均溫約 22.2℃,年平均雨量 3076.5mm ,年 降雨量天數平均高達 206 天 ,月平均相對濕度 78~87% ,氣候屬東亞亞熱

(29)

帶季風氣候之迎風帶、夏季炎熱潮濕、冬季多陰雨。依據水利署北關測站

(圖 3-2)月平均降雨量統計資料(2000-2005,圖 3-3)所示。其中以 2005/9 月份平均雨量最高,達到 424.5 公釐,年平均累積雨量亦達 2615.2 公釐。

另因台灣山區之降雨常受颱風豪雨影響,故除東北季風所造成之雨季外,

颱風時期之高暴雨強度亦是造成土石流之主要原因。

3-3 集水區概述

根據現地勘察結果配合美國陸軍工兵團發展之 Arc view 3.2 擴充模組 HEC-GeoHMS 進行地形及水文分析,分析架構如圖 3-4。水文分析所得各 集水區中,根據水土保持局公告資料顯示,石城里境內共有六條土石流潛 勢溪流(如表 3-1 所示),分布於北部濱海公路往台北方向之公路上邊坡(編 號宜蘭 A119、宜蘭 A120、宜蘭 A121、宜蘭 A122、宜蘭 A123、宜蘭 A124),

並且直交鐵、公路注入太平洋,其位置分布及集水區範圍如圖 3-5 所示。

本研究針對桶盤崛溪(編號宜蘭 A120)分析其集水區高程圖(圖 3-6)、坡 度分析結果如圖 3-7,其中一級坡 7.6%、二級坡 20.46%、三級坡 32.65%、

四級坡 25.67%、五級坡以上約佔 13.62%,區內大部分為陡坡。坡向分析 結果如圖 3-8 所示,其中坡向向南 12%、東南向 33%、西南向 4%,以本 集水區所在緯度而言,本研究區域日照時間良好。

(30)

3-4 土石流立體像對

本研究為明確判讀目標區宜蘭 A120 土石流潛勢溪流之範圍及影響,乃 利用本校吳至誠老師所自行分析所得之 30m×30m 網格數值地形模型

(Digital Terrain Model,DTM),內差為 5m×5m 的網格點後與農林航測所 出版之五千分之一正射航照影像圖以 MicroDEM 程式套疊製作出紅、藍立 體像對。以本論文後所附之紅藍眼鏡觀看具有立體效果、明顯可見高低起 伏的土石流潛勢溪流集水區,流動段及堆積區(如圖 3-9~3-11)。研究中所 有數值模擬,亦皆以此數位地形模型做為進行分析之基本資料。

3-5 地質及土壤

3-5-1 地質

套疊中央地質調查所地質圖與石城里里境可知範圍內均為乾溝層,如圖 3-12 所示,地層特性根據地質圖說明:乾溝層(Kk)之岩性在南北向的變 化極大,到了蘭陽平原之西北側,板劈理發育良好,厚層且層理不明的板 岩為最主要的岩性,粉砂岩及砂岩夾層甚少,即使在露頭良好的河岸,亦 難以觀察到層理,應為本地岩層之最佳描述。

3-5-2 土壤

根據中央地質調查所土壤分布圖與本研究區域套疊出結果,本研究區 域多為幼黃壤,如圖 3-13 所示。

(31)

3-6 水文

一、降雨定義

根據交通部中央氣象局 93 年 11 月 25 日修訂之「大雨」及「豪雨」定 義如下:

1.大雨(heavy rain):

指 24 小時累積雨量達 50mm 以上,且其中至少有 1 小時雨量達 15mm 以上之降雨現象。

2.豪雨(extremely heavy rain):

指 24 小時累積雨量達 130mm 以上之降雨現象。若 24 小時累積雨量達 200mm 以上稱之為大豪雨(torrential rain);24 小時累積雨量達 350mm 以上 稱之為超大豪雨(extremely torrential rain)。

二、集流時間

集流時間(tc)係指逕流自集水區最遠一點到達一定地點所需時間,一般 為流入時間與流下時間之和。集流時間與集水區形狀、大小、坡度、河道 物理特性、降雨強度等有關,集水區集流時間的估算方法採用水土保持技 術規範第 19 條之建議如下:

tc= t1 + t2 式(3-1)

(32)

式中,tc=:集流時間

t1:流入時間(雨水經地表面由集水區邊界流至河道所需時間) t2:流下時間(雨水流經河道由上游至下游所需時間)

l:漫地流流動長度

ν :漫地流流速(一般採用 0.3~0.6 m/s)(本研究計算採用 0.5)

流下速度之估算,於人工整治後之規則河段,應根據各河斷面、坡度、

粗糙係數、洪峰流量之大小,依曼寧公式計算;天然河段得採用下列芮哈 (Rziha)經驗公式估算:

芮哈(Rziha)公式:

t2=L/W 式(3-3)

其中,W=72(H/L)0.6 式(3-4)

式中, t2:流下時間(小時)

W:流下速度(公里/小時) H:溪流縱斷面高程差(公里) L:溪流長度(公里)

漫地流流動長度之估算,在開發坡面不得大於一百公尺,在集水區不 得大於三百公尺。

(33)

表 3-1 頭城鎮石城里境內土石流潛勢溪流現況調查表

名 稱 土石流潛勢溪 流編號(註)

整治 情況

影響保全

住戶程度 影響程度與原因

集水區 面積 (公頃)

集水區 平均坡度

(S)

1 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A119 未整治 無立即危險 中,潛勢範圍內植

生不良且無整治 52.99 34.6%

2 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A120 已整治 無立即危險

中,潛勢範圍距居 民住宅有段距離,

但河道有土石堆積 需清理

29.17 29.3%

3 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A121 已整治 無立即危險 低,潛勢範圍距居

民住宅有段距離 28.41 34.7%

4 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A122 已整治 無立即危險 低,但需清理河道

內植生 21.06 30.7%

5 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A123 已整治 無立即危險 低,但需清理河道

內植生及土石 25.71 29.1%

6 土石流潛

勢溪流 宜蘭 A124 已整治 無立即危險 低,但需清理河道

內植生 10.72 47.5%

(34)

圖 3-1 頭城鎮石城里地理位置

(35)

圖 3-2 頭城鎮雨量站位置

頭城地區雨量圖

0 100 200 300 400 500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

月份

公釐

(36)

圖 3-4 HEC-GeoHMS 分析架構 製造研究區域數值地形模型 DTM 資料

定義水流方向 Flow Direction

定義水流匯流 Flow Accumulation

產生流域水系 Stream Definition

流域水系分割 Stream Segmentation

集水區劃分 Watershed Delineation

產生流域聚集面積 Watershed Aggregation

集水區向量化處理 Watershed Polygon Processing

水系向量化處理 Stream Segmentation

Processing

(37)

圖 3-5 石城里土石流分布位置及集水區範圍

(38)

宜蘭A120坡度分析

7.60%

20.46%

32.65%

25.67%

11.46% 2.16% 0-10度

10-20度 20-30度 30-40度 40-50度 50度以上

圖 3-7 桶盤崛溪集水區坡度分析

(39)

宜蘭A120坡向分析

1% 5%

19%

33% 21%

12%

4% 4%

1% Flat

North Northeast East Southeast South Southwest West Northwest

圖 3-8 桶盤崛溪集水區坡向分析

(40)

圖 3-9 宜蘭 A120 正射影像立體像對(正視圖)

圖 3-10 宜蘭 A120 正射影像立體像對(上視圖)

(41)

圖 3-11 宜蘭 A120 正射影像立體像對(俯視圖)

(42)

圖 3-13 研究區域土壤分布圖

(43)

第四章 數值模擬使用參數

應用 FLO-2D 模擬頭城鎮石城里桶盤崛溪時,必須決定選用數值模擬 所需輸入的參數。限於本研究對各相關參數並未進行現地實驗,故首先蒐 集前人研究使用之參數代入本研究區域進行模擬,所得沖淤結果與現地調 查結果比較,於模擬結果與現地調查結果不儘相符時,微調參數至可接受 之數值後使用於後續分析。

4-1 數位地形模型

本研究所使用的 DTM 資料係以本校吳至誠老師自行分析所得之

30m×30mDTM 資料,以 Arc GIS9.0 程式裡 Arc Toolbox 中的 Resample 功能 使用 nearest points 法進行內差成 5m×5m 網格資料,再以 Clip 功能切割出 所需模擬的流域範圍。因 FLO-2D 程式中所必須的地理位置及地形資料為 文字檔格式,故將所切割出的 DTM 網格依其所相對應的座標、高程匯出成 FLO-2D 所接受之 ASCII 格式數值地形資料。

FLO-2D 程式模擬土石流時須輸入土石流流入點位置以進行沖淤模擬,

此流入點之選定本研究此採用農委會水土保持局所公布之全台灣 1420 條土 石流潛勢溪流影響範圍圖中宜蘭 A120 溪流圖層套疊其沖積扇頂點並於現 地勘察驗證後找出土石流流入點位置(如圖 4-1 及圖 4-2 所示),做為模擬

(44)

4-2 FLO-2D 數值模擬參數

4-2-1 流變參數

因為本研究區域並未進行現地土樣之實驗室分析,故其流變參數參考 詹錢登(1997)以管式流變計對南投縣神木村出水溪土壤試樣的流變特性,

α2 =0.811β2 =13.72α1 =0.00462β1 =11.24,代入式(2-14)及式(2-15)

中即完成下列關係式做為分析模擬之用。

其中,τy =0.811e13.72Cv 式(4-1)

η =0.00462e11.24Cv 式(4-2)

4-2-2 體積濃度參數

彙整 FLO-2D 手冊及以往研究中對土石流體積濃度所做估計及分析所 使用的參數如表 4-1、4-2,本研究採用 FLO-2D 使用手冊所建議的體積濃度 使用值 0.55。

4-2-3 土石比重

彙整先前研究對土石流體土石比重所使用的參數如表 4-3。本研究所採 用的土石比重則參考現地狀況較接近之林美聆等(1999、2000、2001、2003)

採用為 2.73。

(45)

4-2-4 層流阻滯係數

層流阻滯係數 K 值於 Woolhiser(1975)建議使用值之表 2-1 中選用,本 研究模擬分析時採用 K 值為 2285。

4-2-5 曼寧係數

參考 FLO-2D 使用手冊對曼寧係數的建議值表(如表 4-4 所示),配合 現地勘查本研究所欲模擬的桶盤崛溪結果,發現目前河道植生不良且河道 堆積直徑約 5~10 公分(如圖 4-3 所示),故曼寧係數選用 0.2。

4-3 水文分析

水文分析模式為土石流模擬之基礎,故先期進行水文分析,得到清水 流之流量歷線後始能進行土石流模擬。其中,因受限於分析模擬之軟硬體 設備,亦對土石流發生前降雨對整體影響範圍進行探討。所得之沖淤現象 與現勘及訪談結果比較,提出符合實務需求之分析模式後,始能將工程設 施納入分析模式,用以評估整治工程之效益。

4-3-1 清水流量歷線

本研究中清水流歷線分析係採用美國工兵團水文工程中心(Hydrologic Engineering Center, HEC)所研發之物件導向化模式 HEC-HMS 模擬桶盤崛溪 集水區於降雨事件後所得到之清水流歷線變化。首先利用前處理程式- Arc

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為分析的依據,延時採用 89 年 10 月 31 日 0 時至 89 年 11 月 2 日 23 時止。

HEC-HMS 進行清水流歷線分析之分析架構如圖 4-4 所示,此模式包含 雨量和流量資料庫以及流域模型(Basin model)、氣象模型(Meteorologic model)、控制設定(Control specification) 等三單元模組。各模組內容說明如 下:

一、流域模型

本模組可選用降水損失法(Subbasin Loss Methods)、直接逕流轉換法

(Subbasin Transform Methods)與基流量法(Subbasin Baseflow Methods),其目 的在建立集水區之地文環境狀況、水文參數、水文流域系統之各項元件 (Hydrologic elements)。本研究所使用(如圖 4-5 所示)水文元件為集水區

(Subbasin)(程式模組 )、匯流點(Junction)( )兩項,其餘支流 (Reach)、分流(Diversion)、源流(Source)、堰(Reservoir)與沉流(Sink)等其他 七項本研究範圍內未使用。分析中另需依不同水文元件選擇適當模擬方法 及輸入各水文元件所需之參數。

(一)集水區(Subbasin)

本研究採用 SCS 法(SCS curve No.)模擬其降雨損失法,同時採用直接 逕流轉換之單位歷線法(clark)法並假設現地無基流量(No Baseflow),程式輸 入視窗如圖 4-6 所示。

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1.降雨損失之 SCS curve No.法

本方法表示初始入滲、截留與窪蓄損失,其餘損失則參考表 4-5 配合現 地狀況選用係數。然而地表逕流是須於起始損失完成後才能產生,故初始 損失可被視為土壤最後的入滲量。模擬所需要的參數為初始入滲(初始模 擬假設為 10mm)、SCS 係數值、未開發地區之不透水率。而由於所模擬的 土石流潛勢溪流集水區範圍都幾乎為未開發區域所以不透水率設為 0,輸入 視窗如圖 4-7 所示。

2.直接逕流轉換之單位歷線法(Clark,s Unit Hydrograph Method)

Clark,s 單位歷線法使用瞬時單位歷線之線性水庫和線性渠道的概念,

當降雨流過集水區到達出口時,該方法清楚地代表超滲降雨的轉移和減 少。轉移是由於對稱的時間-面積曲線與集流時間,減少是線性水庫之模式。

採用此法時需要輸入之參數為集流時間(Time of Concentration)及蓄水係數

(Storage Coefficient),輸入視窗如圖 4-8 所示。本研究依據水保技術規範第 19 條計算集流時間(Time of Concentration)與蓄水係數(Storage Coefficient)。

3.基流選用無基流(No Baseflow)

一般降雨-逕流模式都將觀測流量與基流分開考慮,而入滲率則以分開 後的直接逕流量決定,之後將計算直接逕流量加上分開的基流量,以得到 逕流量的模擬值。然而當無基流量時,基流計算值視為零。由現勘結果可

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二、氣象模組

本模組主要在設定集水區內降雨-逕流模擬所須之雨量資料。其分析方 法有雨量組體圖法(User Hyetograph Method)、雨量站權重法(User Gage Weighting Method)、雨量站與距離平方倒數的權重法

(Inverse-Distance-Square Gage Weighting Method)、網格降雨法(Gridded precipitation Method)、頻率暴雨法(Frequency Storm Method)、SCS 假設性 暴雨法(SCS Hyetograph Storm Method)、標準計畫性暴雨法(Standard Project

Storm Method)。本研究採用雨量組體圖法(User Hyetograph Method) (輸入 視窗如圖 4-10 所示),將中央氣象局頭城雨量站所得到的象神颱風的之降雨 紀錄輸入至氣象模組中即可繪製出降雨組體圖(如圖 4-11 所示)。

三、控制模組

本模組主要在設定模擬的起始與結束時間以及控制時間間距(Time step) 等,其間距可選用依使用需求自 1 分鐘至 24 小時不等。本研究所採用 6 分鐘(0.1 小時)間距為模擬時間。

依前述方式輸入所需要使用參數後以 HEC HMS 模擬即可得到清水流 流量歷線。但因為在象神颱風造成桶盤崛溪土石流災害時,並無確切的土 石流發生時間及歷時紀錄,故以水土保持局警戒雨量(一日累積雨量達到 300mm)做為假設土石流發生的時間,由前人的研究發現土石流的歷時時 間通常為 1 小時~2 小時,因為本研究區域為一陡坡,所以假設歷時為 1 個

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小時,由雨量歷線可估計時間約為 10 月 31 日 22 時 30 分至 10 月 31 日 23 時 30 分。輸入視窗如圖 4-12 所示。此清水流歷線即為 FLO-2D 進行土石流 模擬分析之基本資料。

4-3-2 土石流量歷線

將上節所得之清水流量歷線乘以放大因子 BF(bulking factor)模擬土 石流流量歷線。BF 為體積濃度之函數,其關係式為:

cv

BF = 1

1

4-1 式 由現勘及地形資料於 FLO-2D 內判斷決定出流點位置,河道於此點下 游假設只有土石停淤而沒有溪床刷深的現象。此土石流出流點位置通常可 能發生在河道轉彎處、溪流坡度驟降處、河道斷面突寬處、地形開闊處等 處。

4-4 土石流發生前降雨之影響

參考文獻中以 FLO-2D 進行土石流模擬者,皆僅由土石流發生時間點 開始模擬,亦即假設土石流發生時現地並無漫地流亦無渠道流。此一假設 與土石流發生現況稍有不符,因為土石流通常發生於累積雨量達一定程度 時,而非降雨之初。故土石流啟動時,地表應已有清水流之逕流流場,此 初始清水流流場會沖淡土石濃度及流速,因而改變模擬出之土石停淤狀

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本研究嘗試以 FLO-2D 採用不同之土石流發生前降雨時距作以下四種 模擬,以期歸納合理之土石流發生前降雨時間對桶盤崛溪土石流停淤現象 的影響,並減少所需之電腦模擬時間。

模擬一、僅模擬土石流發生之時間段:於 HEC-HMS 所分析出的清水 流歷線中,擷取出土石流發生之 1 小時之流量歷線進行模擬,模擬降雨時 間為 1 小時,模擬結果之土石堆積深度如圖 4-13 所示,為完全不考慮清水 流之模擬。

模擬二、將象神颱風降雨記錄完全納入模擬:以前述 HEC-HMS 所分 析出的全部清水流歷線,於假設土石流發生時間考慮體積濃度,其餘清水 流時假設體積濃度則為 0,模擬降雨時間為 37.4 小時,完整模擬結果之土 石堆積深度分布如圖 4-14 所示,土石流結束時之土石堆積深度如圖 4-15 所 示,此完整模擬於本系電腦共花費 240 小時執行時間。

模擬三、模擬土石流發生前後各小段清水流:擷取出土石流發生的 1 個小時的流量歷線,並於前後加入 6 分鐘清水流,模擬時間為 1.2 小時,模 擬結果的堆積深度如圖 4-16 所示,此模擬少量清水流對土石流停淤之影響 尺度,其結果可提供判斷合理之清水流時間。

模擬四、模擬土石流發生前 1 小時清水流後發生土石流:擷取土石流 發生前 1 小時的清水流歷線及土石流發生之 1 小時的歷線進行模擬,於土 石流發生時間結束即停止模擬,時間共計 2 小時,模擬結果的堆積深度如

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圖 4-17 所示,此模擬方式為不影響土石流停淤影響分析結果又不需耗時全 程模擬之建議分析模式。

前述四種模擬結果探討比較後可知:

一、比較模擬一(無清水流)及模擬二(全程模擬)之停淤範圍及厚 度如圖 4-13 及圖 4-14 所示,明確可知土石流發生前、後之清水流造成土石 流搬運速度較快且沖淡其濃度,造成多數土石快速通過入海,淤積攤平。

故清水流亦應於土石流模擬時納入考量,始能得較接近實況之結果。

二、為釐清土石流發生前之清水流對土石流沖淤影響,比較模擬一(無 清水流)與模擬二(模擬全程土石流發生前清水流至土石流結束止)(圖 4-13 及圖 4-15),結果可知土石流發生前之清水流已在現地造成一地表漫流之流 場,此一流場賦予土石流較高之初始流速,故於土石流停止時其所造成之 淤深較僅模擬土石流時為淺。但因為模擬土石流發生後之清水流沖淡及帶 走土石之效應,故其土石堆積較全程模擬結果為深。然而若以防災觀點言 之,此時掩埋土石厚度應是造成最大災害主因之一,較有參考價值。

三、前述全程模擬雖較接近實況,雖其所需要電腦執行時間過常不符 實際應用效益,故執行模擬三(土石流前後短期清水流)。比較模擬三與模 擬一、模擬二結果(圖 4-16 及圖 4-13、圖 4-15),可知其淤積已有改變,

然而能為接近全程模擬結果,應再加長模擬時間。

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水流)之結果(圖 4-17),與模擬二至土石流結束之淤積(圖 4-15)相比較,

可知其淤積深度範圍已甚接近。此結果顯示土石流發生前 1 小時之清水流 已足以於現地形成一完整的流場,所提供之初始流速已與全程模擬相當,

而其所花費之電腦執行時間 7 小時,遠較全程模擬少,故本研究採用模擬 土石流發生前先模擬 1 小時清水流之分析模式進行後續之整治效益評估模 擬。

數據

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參考文獻

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