濁水溪輸砂特性及推移質觀測研究

摘要 一、 計畫緣起及工作內容 (一) 計畫緣起及目的 目前水利單位對於河川流量站輸砂量之觀測，均僅侷限於懸移質之觀測調查，推移質部分則付之闕如，因此對於河川整體輸砂量之評估造成影響，故未來如何辦理該部分之觀測調查工作，實有必要針對國內外河川傳統推移質之觀測方法進行蒐集與比較評估。有鑑於以往泥砂觀測的方式以人工取樣為主，惟此法後續處理步驟不但費時，且取樣時間受天候狀況限制，造成許多洪水時期的泥砂資料無法採集，而且威脅取樣人員的安全性，因此研發自動化之泥砂觀測技術。 (二) 計畫目標及工作範圍 於彰雲橋以下河段，評估選取適當觀測地點，進行颱風豪雨現場水理、輸砂特性及河床沖淤變化調查。 (三) 計畫目標與工作流程 本計畫主要工作內容如下：本計畫工作項目劃分為七大項： (1)計畫區域背景資料調查分析；(2)泥砂觀測相關資料彙整評估；(3)自動化推移質觀測方法建立；(4)規劃建置自動化觀測試驗站；(5)自動化觀測與人工觀測關係驗證；(6)一維水砂數值模擬與率定驗證；(7)評估濁水溪下游河段水理、輸砂特性及沖淤變化等關係分析河道之穩定性。本研究工作流程圖1所示。 二、 計畫區域基本資料蒐集分析 (一) 濁水溪主流長約186.6 km，為單一河槽入海之狀態，因降雨集中、流量大其輸砂量大、水流沖刷破壞力極強，堤前河床淘刷劇烈；流經二十一鄉鎮，並有20座橋梁於濁水溪主流上。 (二) 歷年水位-流量率定曲線資料，因河川底床沖淤或河床變動之影響，一年內之水位-流量關係可大致分為2至3個群組，計畫區河段屬分段型河川。 (三) 歷年河道變動趨勢顯示，濁水溪河床高程有至90年全面禁止開採砂石後河床嚴重下降情形已不復見，並從96年開始河床出現回淤之現象。 (四) 濁水溪為多砂河川，因集水區內80 %屬山坡地，坡度陡峭、河流短急、斷層分佈多、地質脆弱，且為地震集中區，表層土質鬆軟而易沖蝕，年輸砂量約3,000萬m3到6,000萬m3不等。 (五) 97～99年颱洪災害調查，致災颱風包括卡玫基、辛樂克、薔蜜及莫拉克颱風，其中莫拉克颱風災實損情況較為嚴重，造成彰化地區多處淹水，河道多處河堤、護岸及固床工遭沖毀。 三、 泥砂觀測方法評估與分析 (一) 蒐集相關懸移質泥砂觀測方法原理，並對其優缺點及量測範圍進行比較。 (二) 針對推移質觀測研究，蒐集傳統式推移質觀測方法，大致分為兩大類： 1. 直接採樣法：依據設計原理、構造及操作方法，現行推移質採樣器可歸納為籃式 (basket‐ type)、淺盤式 (pan‐type)、壓差式 (pressure‐difference‐type) 及槽坑式 (slot‐type or pit‐type) 等四類。 2. 間接取樣法：淤積斷面量測法(sedimentation process)、砂丘追蹤法(dune tracking)及示蹤劑法(tracker method)。 總體而言，推移質直接取樣法雖然能夠直接採集河床泥砂樣本，能夠較可靠的反應底床推移質的運移數量 (三) 國內自動化推移質相關觀測研究方法較缺乏，就自動化推移質觀測方式蒐集國外相關研究成果進行探討。 1. 地音探測器：整個河道斷面設置2 m埋深、混凝土保護層厚度1 m的巨積塊體，其上鑲嵌地音探測器觸發鋼板，為了比對及校正地音探測器撞擊訊號，另設置不同類型的推移質取樣器，試驗站全部共設置40個防水的地音探測器。經記錄個別地音探測器接收撞擊數與時間及於空間分佈之資料後，再與河川流量紀錄結合分析，最後建立流量與推移質輸砂量關係曲線，其結果呈正相關趨勢。 2. 壓電式推移質影響傳感器(PBIS)：利用推移質對儀器PBIS產生振動(顆粒直徑大於20mm)並且記錄每一次振動的總量為一筆數據。推移質運動的速度對於傳感器的影響在每單為時間上成正比顯示。 上述兩種自動化推移質觀測方式是有效且具潛力的長期自動化觀測設備，評估其優缺點如下列幾點所示： 優點： 缺點： 1.可完全自動化； 2.具時間與空間高解析度； 3.可測得起始運動。 1.試驗站與實驗室間仍須進行校核； 2.目前單一試驗站之設置費用高昂； 3.試驗站屬固定式設備，不具機動性。 (四) 台灣地區豐枯水季流量變化極大，平時部分河床雖有乾涸的時期，但颱洪期間的大流量常造成河床劇烈變化，評估地音探測器及壓電式推移質感測器其觀測方式及優缺點，國內並無相關之研究，在相關技術承接上有所難度，考慮計畫區域河段河床高程變動量較大，無適當施工地點且較為不易，上述兩種方式設站費用較為昂貴並不適用。 (五) 根據相關文獻得知，振動式測砂儀具備即時、連續性及自動化觀測功能之優點。於懸移質濃度觀測具有良好趨勢，將此觀點聯想到推移質的觀測上，振動管受到推移質的負載，亦因載荷大小的改變而影響頻率，因此可以建立推移質濃度與共振頻率兩者間的關係，達到推移質觀測之目的。 四、 聲學式測砂儀試驗規劃與分析 (一) 本計畫研發規劃推移質測砂儀雛型，以碰撞引起聲學振動之原理進行推移質即時觀測方法與試驗研究，並於試驗室進行相關試驗分析探討。分別計對(1)單顆粒撞擊；(2)渠道坡度大小；(3)多顆粒撞擊；(4)渠道糙度粗細及(5)淤砂高度等試驗條件進行試驗。5種試驗條件試驗之結果如下： 1. 單顆粒撞擊試驗：渠道坡度固定條件下，玻璃珠顆粒愈大所測得能量值愈大；在相同珠璃珠大小固定條件下，渠道坡度愈陡所測得能量值愈大，其線性關係皆呈正相關趨勢，R2值達0.90以上。 2. 多顆粒撞擊試驗：在相同粒徑條件下，撞擊顆粒數愈多所測得能量值愈大；在相同顆粒數不同粒徑條件下，其線性關係皆呈正相關趨勢。 3. 渠道糙度試驗：在相同顆粒大小坡度試驗條件下，渠道糙度愈粗糙所測得能量值愈低，其線性關係呈負相關趨勢，R2值達0.83；說明在相同條件下，渠道糙度與能量呈反比。 4. 淤砂高度試驗：隨著淤砂高度增加，所測得能量值愈低，其 線性關係呈負相關趨勢，R2值達0.84；顯示聲學式測砂儀可利用此特性推估集砂坑淤滿時間點，進而估算推移質輸砂量。 (二) 根據試驗室不同大小玻璃珠及不同顆粒數撞擊振動管，模擬現地非均勻推移質撞擊振動管所測得能量值與單寬輸砂率之關係，試驗能量值愈大相對單寬輸砂率愈大，R2達0.97，顯示單寬輸砂率與能量呈正相關趨勢，於現地進行觀測應具有此關係特性。 (三) 經由試驗室振動管相關試驗結果得知，振動管能量與撞擊顆粒大小、顆粒數多寡、渠道坡度大小呈正相關趨勢，與淤砂高度呈負相關，此方法具有良好的物理特性。 五、 現地水砂、沖淤及推移質觀測 (一) 水砂觀測作業方面，主要以鉛魚、手持式微波雷達表面流速儀及雙口式泥砂採樣器等儀器，量測水位、流速及泥砂等現地資料，藉以推估出河川流量及懸移質輸砂量。本計畫已於溪州大橋進行三次、彰雲橋進行五次流速、水位及水砂觀測採樣工作，時間分別為6月28日、7月19日、9月1日、9月30日及10月21日。根據本年度懸移質泥砂濃度與流量觀測結果，可換算懸移質輸砂量值，溪州大橋站懸移質輸砂量約介於2,241～142,202公噸/日；彰雲橋站懸移質輸砂量約介於415～1,912,197公噸/日。將本年度水砂觀測值點繪入歷史資料所繪製成流量與懸移質輸砂量結果，並以相同流量代入溪州大橋站及彰雲橋站點繪前後率定曲線換算輸砂量結果發現，輸砂量值差異不大，表示本年度輸砂特性與歷史資料無太大差異。 (二) 沖淤調查作業方面，本計畫經多次現勘並比對96年與99年度計畫區域斷面資料，發現濁水溪彰雲大橋下游河道河段整體沖刷趨勢較不顯著，但其中以斷面80、83及85具有較嚴重沖刷之情形 (三) ，評估三斷面資料與現勘結果，於民國100年7月6日分別於斷面85左右岸二處進行沖刷磚埋設斷面85進行沖刷磚埋設。埋設深度左岸336公分，右岸300公分。刷磚埋設完成後至今濁水溪流域僅發生一次較大的水文事件，為民國99年8月27～31日南瑪都颱風所挾帶外圍環流影響濁水溪流域甚劇。本計畫於民國99年9月29日進行沖刷磚調查。調查結果顯示，斷面85左岸僅沖刷掉2塊磚頭(12 cm)無回淤現象；右岸沖刷總共沖刷掉27塊(162 cm)並回淤66公分。濁斷85左岸河床高程並無明顯變動，相對之下，右岸河床高程變動較為明顯，河床有下刷之趨勢產生，主深槽流路有偏向左岸之情形。 (四) 民國100年9月15日另於溪州大橋下P40及P41號橋墩下游約 200公尺處設置一固定式囚砂坑，以做為聲學式測砂儀集砂坑比對之用。依溪州大橋歷年最大瞬時流量計算囚砂坑大小，囚砂坑尺寸上頂項8 m、下頂寬2m、，高2m，長15 m；設置完成後濁水溪流域並無重大水文事件發生，於民國100年10月21日進行囚砂坑調查，囚砂坑體積大小形狀並無有所變化。 (五) 聲學式測砂儀觀測方面，於100年8月28日現地儀器安裝完成後立即進行現地相關試驗，試驗結果如下： 1. 單顆粒撞擊試驗：試驗條件固定下，隨著撞擊顆粒愈重所測得能量愈大，重量與能量呈正相關趨勢，R2達0.92。 2. 多顆粒撞擊試驗：隨著撞擊的顆粒數愈多所測得能量值愈大，顆粒數與能量呈正相關趨勢，R2達0.96。 3. 撞擊高度試驗：隨著撞擊高度愈高，所測得能量值愈大，撞 4. 非均勻砂撞擊試驗：在固定試驗條件下，隨著非均勻砂撞擊重量愈重，相對量愈大，非均勻砂重量與能量呈正相關趨勢，R2達0.97。 5. 淤砂高度試驗：隨著埋砂高度增加，能量與淤砂高度呈負相關趨勢，R2達0.91，藉此特性可判斷集砂坑淤滿時間點。 (六) 本計畫安裝於溪州大橋自動化測砂儀因受限於氣候因素，無法量測相關推移質數據資料。有鑑於此，本計畫規劃於集集攔河堰進行相關試驗做為替代方案之選擇。共進行三日11次觀測結果如下： 1. 能量-流量率定曲線呈正相關趨勢R2達0.97。 2. 能量-輸砂量率定曲線呈正相關趨勢R2達0.92。 由上述觀測結果顯示，聲學式測砂儀在推移質觀測具有莫大的發展潛力，於試驗站建立其完整相關曲線資料，未來只需量測其能量值亦可反推流量及輸砂量多寡。 六、 一維水砂數值模擬與率定驗證 (一) 水位檢定驗證：目前已完成NETSTARS模式於溪州大橋站之水位檢定工作，由模擬結果整體顯示，模擬水位值與實測水位值趨勢相當一致，而後續模擬之成果亦應有其代表性。 (二) 敏感度分析：以Case13之主控參數模擬結果較佳，參數包括：Meyer-Peter & Muller輸砂公式、沖刷深度倍數Alt=0.01、流管數Tube=7及△t=1，為NETSTARS模式河床沖淤變化之主控參數。 (三) 河道變動趨勢模擬分析：以99年底床在單一洪水不同重現期距年流量作用下探討其變化情形，模擬不同重現期距年流量分別為Q10、Q25、Q50及Q100。由於為單一洪水事件，其流量對其造床作用時間較短，模擬結果變化幅度較小。整體河道大致沖淤互現，沖淤變化大致約在-0.13～0.27公尺之內，其中西濱大橋及中沙大橋上游處斷面具有沖刷情形，最大沖刷發生在斷面55，隨重現期距流量愈大其河床變化增大。並以長期流量(5、10及15年)進行河道沖淤變化模擬，根據濁水溪歷年河床沖淤情勢變化得知，96年～99年彰雲大橋至河口河段整體斷面幾近呈現淤積狀態，斷面61以上淤積情況較為明顯，而在西濱大橋上游、斷面21、23及32、中沙大橋上游、斷面60及79有沖刷情況產生；長期(10及15)流量下，中沙大橋下游河段呈沖淤互現之情況，中沙大橋以上呈淤多沖之情況，由長期流量模擬結果顯示，在這幾個特定斷面有相同的趨勢產生，如斷面10～12與斷面52～54仍有沖刷情況。隨長期流量模擬時間愈長，彰雲大橋下游河段淤積情況愈明顯。 七、 輸砂量推估 本計畫透過流量延時曲線及流量-輸砂量率定關係推求各測站之年輸砂量變化。推估結果顯示，溪州大橋站推估年輸砂量高達11,620萬噸/年與利用機率加權相加計算平均年輸砂量QA：7,523萬噸/年相差甚鉅；而彰雲橋站流量延時曲線推估年輸砂量11,070萬噸/年，比機率加權相加計算推估彰雲橋站年輸砂量6,346萬噸/年值高；兩種輸砂量推估結果擁有相同的趨勢，溪州大橋站年輸砂量大於彰雲橋站，顯示此河道有沖刷趨勢產生，但依96 ～99年河道沖淤變化得知此河段主深槽大部分有淤積情況，推測此河段為橫向沖刷。 八、 河道穩定指標分析 (一) 槽偏量分析：將以96年及99年大斷面量測資料為主，計算變遷型態之量化指標，並據以分析變遷程度明顯之河段。河口至斷面69大部分河床皆成上升情形，呈淤多沖少情況，斷面70至斷面87河床皆成下降情形，其中以斷面84下降幅度最大。本計畫濁水溪計畫河段96年至99年河口段深槽大體偏向右岸，中下游河段河槽變化幅度較大，呈南北岸變動之趨勢，中上游河槽較為穩定。 (二) 縱、橫斷面穩定指標穩定分析：勞哈金數(f1)值顯示，民國93年彰雲橋至河口斷面垂向河床穩定度，大部分呈穩定狀態，但斷面37～斷面28屬不穩定河段；民國93年與99年勞哈金數比對結果，斷面69至河口趨向不穩定狀態，斷面70至斷面80河床垂向變化為穩定，斷面81至斷面87趨向不穩定。阿爾圖寧(K1)值顯示，斷面5至河口河段橫向變化相較整體河段較不穩定，與槽偏量分析中得知河口斷河槽橫向變化較不穩定；比對民國96年與99年阿爾圖圖寧(K1)結果，整體河段大部分趨向不穩定狀態，由其上游斷面64～87變化幅度較大，顯示濁水溪為多變型河川型態。