壩體改善對河道與物理棲息地變遷的數值模擬分析

曹文明 王福良

摘 要：本文以二維動床模式CCHE2D仿真某溪一號防砂壩改善方式對河道型態可能造成的影響，經模式參數檢定及驗證后，模擬在歷史流量事件下，壩體維持原狀與四種壩體改善方式對于河道溯源沖蝕、流心線變動、泥砂變化量、福祿數變化及棲息地多樣性進行探討。

關鍵詞：壩體改善 CCHE2D 數值模擬

1.研究動機

近年來隨著人們環保意識的增強，除了原有河川治理工程外，還須擬定保護生態環境措施，為使河川生態廊道得以連貫，壩體改善是近年使用較多的措施，壩體改善對環境影響亦受到關注，有些壩體改善后會對河床型態造成劇烈變化，有些則沒有顯著影響，有些則會衍生出其他問題，因此壩體改善工作必需審慎評估。

2.案例分析

2.1某溪集水區基本資料

集水區面積約31平方公里，高程介于1689m至2827m，平均高程2178m，平均坡度31.4度，土壤以板巖石質土為主。該區域12個月平均降雨量皆超過100mm，其中9月份406.5mm，1月份114.3mm。該溪主流長約12.8公里，一號壩位于陵農收費站旁，壩體上游已成淤滿情形，河道平緩，壩體下游粒徑明顯比上游大，壩體上游約有200米壩前直線段河道，直線段河道直至右彎轉彎處為一蜿蜒河段。一號壩建于1979年，壩體溢流口高約7 m，上方厚度約4.2 m，長度24.5 m，上游坡降約1.4%，下游坡降約2.8%。

2.2 CCHE2D 模式構建

2.2.1 構建模式模型

本文研究的現地河道寬度較窄，兩岸樹遮現象較明顯，模擬河段高程最高點為 1763.47 m，最低點為1706.5 m，地形建置完成后，輸入其邊界條件，入流輸入流量歷線及泥砂懸移質、推移質歷線；出流輸入水位歷線。

2.2.2 模式檢定與驗證

本研究以2016年9月鲇魚臺風加上11月降雨進行模擬，并以2016年3月、10月及2017年1月實測地形進行地形沖淤量變化趨勢比較，入流、出流輸入數據為鲇魚臺風與11月23日降雨兩場洪水事件相加成一連續歷線進行模擬。將檢定所得第六組參數（Ls，b=1000、α=0.01）帶入模式驗證仿真。在3月至10月的變化及2016年10月至2017年1月中，實測與模擬結果皆呈現淤積量大于侵蝕量，模擬結果沖淤量都稍大于實際結果，但模擬與實際的沖淤趨勢相同。

2.3 情境模擬

本研究模擬10年凡亞比臺風、15年蘇迪羅及杜鵑臺風再次發生的情況，對模擬情境產生的溯源沖蝕現象、河道流心線改變、平均福祿數變化、河床沖淤變化及棲息地變化等進行探討，最后評估各情境的優劣。

2.3.1情境說明

（a）維持現狀：一號防砂壩維持現狀不做壩體改善。

（b）全部改善：將一號防砂壩溢洪口降低7米，即將防砂壩全部改善至底部。

（c）改善右岸10m：將一號防砂壩改善近右岸1/2部分，即將右岸10m部分改善至底部。

（d）改善左岸10m：將一號防砂壩改善近左岸1/2部分，即將左岸10m部分改善至底部。

（e）改善中間10m：將一號防砂壩改善中間 1/2 部分，即將中間10m部分改善至底部。

2.3.2壩體未做改善模擬臺風事件的影響

因一號防砂壩已有淤滿情形，壩上游約兩百米直線河段在洪水事件上并無明顯改變，直至壩上游約兩百米處蜿蜒河道段才有較明顯沖刷產生，其中以杜鵑臺風侵蝕總量最高，達 1777.54 m3，且侵蝕距離最遠，達204.2 m；平均河床改變量為侵蝕28.59cm，其中三場臺風以重現期兩年、洪峰流量最小的凡亞比臺風呈現淤積情形，但并不明顯，其余兩個臺風皆呈侵蝕情況。壩下坡降約為2.8%，河床粒徑明顯較壩上大，且兩岸皆為巖盤形成峽谷束縮段，上游泥砂輸移至此河段不易沉降淤積于此，且有些許侵蝕現象產生。三場臺風后的流心線變動，以蘇迪羅臺風產生11.96 m的最大偏移距離，而平均偏移距離最大的為杜鵑臺風，1.71 m。

2.3.3河道變化模擬分析

（1）溯源沖蝕。

溯源沖蝕距離越大表示河道變動越大，利用 CCHE2D 模式仿真完成后將仿真后地形與原始地形相比較，計算出溯源沖蝕距離如圖1所示，本研究溯源沖蝕以壩體高（H=7m）為單位，全部的模擬情境數據詳見如表1。

（2）溯源沖蝕泥砂改變量。

泥砂改變量越大表示河道變動越大。泥砂改變量就杜鵑臺風而言，全部改善方式下最大，侵蝕2576.7m3，改善左岸10m方式最小，侵蝕1139.5m3；就蘇迪羅臺風而言，改善左岸10m方式最大，侵蝕1648.5m3，改善右岸10m方式最小，侵蝕995.9m3；就凡亞比臺風而言，全部改善方式最大，侵蝕599.9m3，改善右岸10m方式最小，侵蝕333.8m3。

（3）流心線變化。

平均偏移距離越大代表河道變動越大，以CCHE2D模式仿真完成后地形取等距離橫斷面，再將各橫斷面內最低點取出后，以ArcGIS相連后得流心線，各情境流心線與原始地形相比較可得最大偏移距離及平均偏移距離。

就蘇迪羅臺風而言最大偏移距離及平均偏移距離最大皆為全部改善方式，最大偏移距離12.64 m，平均偏移距離2.8m；就凡亞比臺風而言，最大偏移距離為改善左岸10m方式為 11.83 m，平均偏移距離為改善中間10m方式為1.56 m；就杜鵑臺風而言，最大偏移距離為全部改善方式達11.89m，平均偏移距離為改善中間10m方式為2.07m。

（4）河道橫斷面變化。

本研究在壩址處及上下游10m處共設3處斷面。以全部改善方式而言，最大變化深度為蘇迪羅臺風在壩址處產生8.13m侵蝕，平均變化深度則為蘇迪羅及凡亞比臺風在壩址處皆產生3.61m侵蝕；以改善右岸10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為杜鵑臺風在壩上游10m處產生，最大變化深度6.49m，平均變化深度2.62 m；以改善左岸10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為蘇迪羅臺風在壩上游10m處產生，最大變化深度7.31m，平均變化深度2.6m；以改善中間10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為蘇迪羅臺風在壩上游10m處產生，最大變化深度7.23m，平均變化深度2.49m。

（5）福祿數變化。

仿真前原河道平均福祿數0.22、壩上游為0.15、壩下游為 0.46。各情境模擬后發現壩體上游其平均福祿數都大于仿真前平均福祿數，壩下游也幾乎全部呈現減小的情形。

凡亞比及杜鵑臺風經模擬后以改善右岸10m方式有較高的深潭棲息地比例，而蘇迪羅臺風以全部改善方式最高，四種壩體改善方式于凡亞比臺風的數值皆大于另兩場臺風。

（6）棲息地多樣性變化。

在三場臺風影響，以全部改善及改善左岸10m方式的棲息地多樣性指標比其他改善方式大；若以壩上游河段棲息地多樣性而言，則以改善左岸10m方式其棲息地多樣性指標較大；壩下游則是以全部改善方式其棲息地多樣性指標較大。

3 .結論

借凡亞比、杜鵑及蘇迪羅三場臺風模擬河道變化結果，并以溯源沖蝕距離、泥砂改變量、流心線偏移、平均福祿數及棲息地多樣性指針等項目評估，改善中間10m部分方式效果不好，改善左岸10m部分方式效果不錯，較適合于現地地形。而一號防砂壩目前的結構狀況良好，并無安全性問題，故進行壩體改善模擬以拓展生物棲息地為目標，其設定的壩體改善方式皆設定為改善至底部方式。

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