旗山溪河川區域種植密度評估

李昱廷　翁儷容　施恒益　許盈松

摘要：旗山溪位于臺灣南部，往年每逢大雨，居民便擔心河道溢流造成區內外嚴重淹水，其中高莖作物的種植為爭議之一。水利主管部門為考量社會需求及河川管理實務需要，擬適度放寬高莖作物種植申請許可，特制定“河川區域種植規定”。“河川區域種植規定”依據河寬、平均坡降、平均流速及高灘地水深計算值，配合權重計算分數后得到評估等級，并依據橋梁限制等綜合評估后進行等級調整。此方法雖可利用評估分數與水位抬升率回歸分析值對照表，快速由評估等級推求種植密度，但并非適用于每條河川，故利用HEC-RAS模型仿真種植區域，借由調整模型糙率系數增加值，來評估水位抬升率（水位增加值占出水高1.5 m之百分比），在“河川區域種植規定”中最大水位抬升率不得大于12%規定下，可進一步對照糙率系數增加值與灌木種植密度關系表，得到容許種植密度。結果顯示：根據水位抬升率計算的容許種植密度應可高于“河川區域種植規定”之限制，因此目前“河川區域種植規定”中對容許種植密度的要求趨于嚴格。

關鍵詞：河川區域種植規定；高莖作物；水位抬升率；種植密度；旗山溪

1研究區概況

旗山溪位于臺灣南部，其流域廣布高雄原有縣轄區旗山區而得名。主流河長118 km，流域面積842km2，為高屏溪主流（含著濃溪）之外的最大支流。

旗山溪發源于玉山主峰西南坡高程約2 700 m處，集水區高山聳立，懸崖峭壁，溪流瀉急，沿著高雄市及嘉義縣交界向西南流，至那瑪夏附近轉向南南西流入高雄市境。旗山溪由東北往西南流，與著濃溪匯流后為高屏溪，見圖1。

2高莖作物爭議

20世紀六七十年代，臺灣曾有“香蕉王國”的美譽，而高雄的旗山地區因為有著得天獨厚的氣候與環境優勢，這里所出產的香蕉質量絕佳，口感與香氣都首屈一指，當時全臺灣輸出至日本的香蕉，旗山就占了總量的六成。因此素有“香蕉之城”或是“香蕉的故鄉”稱號。然而旗山香蕉開創的黃金歲月從1974年開始逐漸衰退，受到菲律賓低價香蕉的沖擊，加上黃葉病肆虐臺蕉，臺灣“香蕉王國”的稱號日漸不保而轉為由他人戴冠。

旗山地區又為受2009年莫拉克臺風重創之災區，往年每逢大雨，居民便擔心河道溢流造成區內外嚴重淹水，其中高莖作物的種植即為爭議之一。雨水在短時間大量匯集，高莖作物會阻礙水流，使得堤防在激烈水流的沖刷下遭到破壞甚至潰堤，加上相關單位未處理旗山溪高灘地占用問題，造成嚴重淹水，因而要求河川局必須清理旗山溪兩岸高灘地的高莖作物；但當地農民認為高灘地種植高莖作物由來已久，長久以來賴以為生的芒果、棗子、蓮霧乃至于使旗山聞名世界的香蕉等作物，并非淹水的主要成因，而是因為高灘地尚有其他構造物，例如農作倉庫或廟宇等。作物面臨被鏟除的境地，并禁止在高灘地種植。

水利主管部門為考量社會需求及河川管理實務需要，依相關法律規定，特制定《河川區域種植規定修正規定》（以下簡稱“河川區域種植規定”），在河防安全前提下，適度放寬高莖作物種植申請許可，以解決旗山溪高莖作物種植之爭議。

根據最新衛星影像與近年河川公地調查資料判斷，旗山溪目前大范圍種植區域大致位于河口至新旗尾橋，故本研究以河口至新旗尾橋（斷面1至斷面22）為研究范圍，見圖2。另根據近年旗山溪河川公地種植種類調查資料，香蕉依然為旗山溪種植之最大宗，為高莖作物爭議之一，河川公地種植種類分布見圖3。

3高莖作物種植對水位變化的影響

因高莖植物對河川之糙率會有改變，進而影響洪水位的變化，故搜集有關高莖作物與河川糙率系數之關系以及高莖作物種植狀況對水位變化影響之文獻。

蔡宗憲以水位模型CWSC演算高屏溪河口至斷面27河段，調查各植物直徑、樹高、冠寬、密度等參數后，以Kouwen and Li公式及日本河川樹木管理手冊之公式估計糙率系數n，發現現地栽植密度最大為香蕉，糙率系數n則以種植芭樂為最高（0.444），造成此結果原因為糙率系數n受植物直徑、樹高、冠寬、栽植密度及水深等因素影響相當大，栽植密度最大并不一定糙率系數n就會最大。由于種植植物種類多，且各有不同之糙率系數，目前各種種植種類無法估計，因此計算水位時高莖作物之糙率系數采用較保守值0.444，低莖作物之糙率系數采用0.035，低水流路之糙率系數則采用0.030-0.032。依照實測河道大斷面計算100 a一遇洪水位，依次以種植100、200、300、400、500、600、700 m寬之高莖作物代入公式計算不同栽植寬度之洪水位。根據“河川區域種植規定”最大水位抬升率不得大于出水高（堤頂高出計劃洪水位所預留之高度）之12%，高屏大橋下游出水高為2 m，則其最大抬升水位為0.24 m，以內差法估算高莖作物最大種植寬度為464 m。

水利規劃試驗所針對4條案例河川（高屏溪、濁水溪、蘭陽溪、急水溪），以HEC-RAS模型進行一維水力模擬，在河床糙度系數n為固定值的條件下，計算各河段斷面參數（河寬、平均流速、平均坡度及高灘地水深）與該河段水位抬升率之關系（以種植寬度占河寬30%為例），并通過回歸分析計算各參數與水位抬升率間之相關系數。結果表明，平均流速和平均坡度對水位抬升有顯著影響，此兩項參數列為重要之評估參數，各賦權重30%；而河寬和高灘地水深相關系數較小，可視為次要之評估參數，各賦權重20%。按照此4項參數（河寬、平均流速、平均坡度及高灘地水深）加權評分后得到各河段平均總分，對不同種植寬度及不同河床糙率系數增加值與各河段水位抬升率作關系圖（水位抬升率即水位增加值占出水高1.5 m之百分比），并回歸分析評估分數與水位抬升率之關系，見圖4至圖6。由水工模型試驗成果（植生材料以直徑2.2cm、高10 cm木圓株加葉冠共計高20 cm，在兩種比降1/500、1/1 000及不同種植密度方案試驗中，量測斷面水深及流速。再利用曼寧公式反推算其相對糙率系數n值），回歸得到糙率系數增加值與種植密度對應關系，見表1。種植密度為種植區域內栽植之遮蔽率，即所有樹木有效阻水寬度之投影，種植密度計算公式：（灌木有效阻水寬度×種植寬度內總株樹）/種植寬度，有效阻水寬度=冠寬×（樹冠高/樹高）+胸徑×（枝下高/樹高）。從而整理得到各評估分數之河段，不同種植密度時，其水位抬升率之回歸分析值。如此可得到一簡易評估方法：已知某一河段在不同種植寬度占河寬比例及不同種植密度下，其可能之水位抬升率，憑此評估該河段河川區域種植對防洪之影響，見表2。

4河川區域種植密度評估流程

4.1水力演算

為了探討旗山溪作物種植是否會對河川水流造成影響，水力演算模型采用美國陸軍工程師團水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，U.S.Army Corps of Engineers）提出的計算水面線數值模型——HEC-RAS模型。其為現行水利行業普遍認可之一維水力模型。模型可仿真恒定流及非恒定流，在恒定流部分其模擬演算系利用能量方程式以標準步推法推求各斷面之水位、流速等。

把2014年旗山溪大斷面數據代入模型，并以旗山溪斷面1設計洪水位34.11 m作為起算水位進行仿真。另根據河床質采樣及糙率系數n值檢定分析，依現狀河床植生覆蓋情況、河床坡降等特性及各斷面河道兩岸高灘地利用狀況，將河道斷面分為深水槽及高灘地復式斷面。深水槽之n值取0.04，兩側高灘地多為草生地或林地，其n值取0.07。

依據水文分析結果之各河段各重現期之洪峰流量，作為水力演算之流量。旗山溪設計流量采用100 a重現期，各河段100 a重現期流量見圖7。

4.2種植區域等級分級

以HEC-RAS仿真旗山溪種植區域范圍，根據“河川區域種植規定”，種植區域斷面與斷面間采用上游斷面河寬、平均坡降、平均流速及高灘地水深計算值，配合權重計算分數后可得等級，將高灘地可種植區域劃分為5個等級。河寬B系指以欲評估種植區域河段上游橫斷面于設計洪水位時之水面寬度；平均坡降Js系指欲評估種植區域河段上游橫斷面上下游各約2.5 km范圍之平均坡降；平均流速V系指欲評估種植區域河段上游橫斷面在設計流量下之平均流速：高灘地水深h指欲評估種植區域在設計洪水位時之平均水深。分級劃設區域以河川區域線范圍內為主，其參數評估基準見表3。本研究以2015年衛星影像判斷現狀種植寬度，以此寬度為高灘地評估種植區域等級分級之高灘地水深。

依表3評估分數在8分以上者，其種植區域等級為第一級；分數在6分以上未達8分者，其種植區域等級為第二級；分數在4分以上未達6分者，其種植區域等級為第三級；分數在2分以上未達4分者，其種植區域等級為第四級；分數未達2分者，其種植區域等級為第五級。

根據“河川區域種植規定”。橋梁或河床下之水管或取水口等構造物上、下游各1 000 m范圍，其種植區域等級則為第五級：但河寬未滿500 m經河川局與構造物管理機關協商后，可以縮減至構造物上、下游各500 m范圍。

4，3水位抬升率評估

除表3評估旗山溪種植區域等級分級外，本研究通過調整模型糙率系數（n值）模擬種植植生對河川高灘地產生糙率變化之影響。利用2015年衛星影像判斷現狀種植寬度，以此為HEC-RAS模型高灘地n值調整之寬度。

在不同種植寬度占河寬比例下，分別模擬n值不變（維持原治理規劃采用之糙率系數）、n值增加0，01、n值增加0，03、n值增加0，05、n值增加0，07、n值增加0，09等，以一維恒定流進行水位壅高之探討。分析不同種植寬度占河寬比例下，n值增加程度（△n）對水位抬升率之影響。

4，4種植密度評估方法

依據表3進行河川區域評分、分級，優點是可快速由等級推求容許種植密度，但各條河川狀況不同，故本研究另外利用模型仿真旗山溪種植區域，通過調整模型糙率系數增加值，來評估水位抬升率，由此得到容許種植密度。以下介紹此兩種方法如何推求容許種植密度。

其中一種方法可由種植區域等級分級得知。由表3評估種植區域等級后，比對表2，按照“河川區域種植規定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，據表2內差出水高后即可反推容許種植密度，容許種植密度從第一級至第五級趨向稠密。而種植累計寬度占河寬比例30%以上，則以30%進行計算。目前“河川區域種植規定”以此方法評估容許種植密度。

另一方法為利用調整模型糙率系數增加值評估水位抬升率。評估水位抬升率后，按照“河川區域種植規定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，得到容許之高灘地糙率系數增加值（An），比對表1內差An后，即可反推容許種植密度。

5河川區域容許種植密度比較

5.1種植區域等級分級結果

針對旗山溪目前有作物種植之斷面進行等級分級評估，評估基準見表3，采用等級則依據橋梁限制等綜合評估后進行調整，種植區域等級分級結果見表4。因斷面1-22河寬皆大于500 m且種植區域位于每座橋梁上下游各1 000 m之范圍內，故根據“河川區域種植規定”必須采用第五級，由此可知旗山溪種植區域采用等級趨向嚴格。

5.2水位抬升率評估成果

由2015年衛星影像可知，現狀旗山溪種植寬度與河寬比例見表5。目前旗山溪種植寬度占河寬比例下游河段較大，大致位于新旗尾橋下游至旗山溪匯流處，斷面2-6、斷面11、斷面15-17及斷面19-20總種植寬度占河寬比例在50%以上。

利用模型仿真旗山溪在現狀種植面積下n值增加程度對水位抬升率之影響，結果見表6。由表6可知，斷面4、斷面12-14及斷面16-20在增加糙率后水位抬升率大于12%。由此可知，雖然某些斷面種植寬度較大，但不一定會造成斷面水位抬升率較大，原因是斷面與斷面間會互相影響。因此根據模型仿真，可知種植情形對于水位影響之空問分布，比起利用水力參數評估等級，更能直接了解種植是否會對水位造成影響。

5.3容許種植密度評估成果

根據水位抬升率與“河川區域種植規定”中種植區域等級分級標準得到容許種植密度，結果見表7。根據水位抬升率推算的容許種植密度，旗山溪評估等級大部分應為第一級，無論150 cm以下還是150-250cm作物，其容許種植密度皆大于由“河川區域種植規定”所推得的容許種植密度。因此，旗山溪種植區域容許種植密度應可大于“河川區域種植規定”中對于木本植物栽植之限制。

6結論

（1）根據水力計算，雖然某些斷面種植寬度較大，但不一定會造成斷面水位抬升率較大，原因是斷面與斷面間會互相影響。根據水理模型仿真，可知種植情形對于水位影響之空間分布，比起利用水力參數評估等級，更能直接了解種植是否會對水位造成影響。

（2）根據水位抬升率與“河川區域種植規定”等級分別計算容許種植密度，可知無論150 cm以下還是150～250 cm作物，根據水位抬升率所推得容許種植密度皆大于由“河川區域種植規定”所推得容許種植密度，故旗山溪種植區域容許種植密度應可大于“河川區域種植規定”中對于木本植物栽植之限制。

（3）根據水位抬升率計算所得容許種植密度推算，旗山溪評估等級大部分應為第一級，但根據“河川區域種植規定”評估結果均為第五級，由此可知目前“河川區域種植規定”中因橋梁上下游種植區域等級限制，造成對容許種植密度的要求趨于嚴格。故建議可由水力模型評估水位抬升，由此更精確地判斷此區域種植是否會對橋梁造成影響。