護 生 態 環 境 維 護 資 源 運 用 等 環 境 永 續 議 題 既 有 的 水 庫, 由 於 開 發 時 間 較 早, 於 規 劃 設 計 中 之 永 續 觀 念 與 想 法 僅 有 簡 單 雛 形 近 年 來 台 灣 水 庫 面 臨 問 題 不 斷, 包 含 淤 積 問 題 日 益 嚴 重

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1 臺 灣 水 利 第 62 卷 第 4 期 民 國 103 年 12 月 出 版 Taiwan Water Conservancy Vol. 62, No. 4, December 2014 同 時 考 量 土 砂 防 洪 及 水 資 源 之 永 續 水 庫 規 劃 研 究 Study on Sediment, Flood Mitigation and Water Resources of Sustainable Reservoir Planning 陳 榮 松 RONG-SONG CHEN 國 立 中 興 大 學 土 木 工 程 學 系 教 授 * 蔡 展 銘 CHAN-MING TSAI 國 立 中 興 大 學 土 木 工 程 研 究 所 博 士 生 陳 弘 凷 HONG-KUAI CHEN 水 利 署 水 利 規 劃 試 驗 所 所 長 摘 要 水 資 源 為 國 家 產 業 發 展 重 要 資 源, 亦 為 重 要 限 制 因 子 為 建 構 國 家 永 續 發 展, 水 庫 開 發 及 管 理 應 考 量 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 及 優 質 水 源 維 護 等 5 方 向, 並 符 合 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 等 3 面 向, 達 永 續 發 展 之 願 景 故 本 文 草 擬 一 永 續 水 庫 規 劃 作 業 程 序 與 標 準 流 程 另 案 例 研 究 方 面, 本 文 以 荖 濃 溪 流 域 ( 高 屏 溪 上 游 支 流 ) 之 土 壠 灣 水 庫 為 例 為 例, 初 步 探 討 其 流 域 系 統 防 洪 土 砂 運 移 以 及 水 資 源 調 配 分 析 等 項 目, 並 得 於 未 來 持 續 對 上 述 3 方 向 進 一 步 探 討 分 析, 並 納 入 河 川 生 態 保 育 與 優 質 水 源 維 護 之 分 析, 以 利 循 序 建 構 永 續 水 庫 關 鍵 詞 : 永 續 水 庫, 土 砂, 防 洪, 水 資 源 ABSTRACT To construct the sustainable development of the country, the development and operation of the reservoir should contain five directions, including flood mitigation, watershed sediment management, regional water resources allocation, environment and ecology protection and water quality maintenance, and in accordance with environmental protection, economic development and social justices to achieve the sustainable development vision. We complete the case study of Tulon reservoir by simulation of flood mitigation, watershed sediment management and regional water resources allocation. Keywords: Sustainable reservoir, Sediment, Flood control, Water resources. 一 前 言 水 庫 與 人 類 生 活 及 文 明 發 展 有 密 切 的 關 係, 為 了 滿 足 社 會 發 展 對 於 穩 定 農 業 灌 溉 與 民 生 用 水 之 供 給 需 求 防 洪 需 求 發 電 需 求 等, 而 開 發 水 庫 進 行 水 資 源 蓄 豐 濟 枯 颱 洪 期 間 的 調 節 洪 峰 與 水 力 發 電 等 功 能, 藉 以 滿 足 社 會 發 展 所 需 當 社 會 完 成 基 礎 發 展 之 後, 進 一 步 的 開 始 關 心 環 境 保 * 通 訊 作 者, 國 立 中 興 大 學 土 木 工 程 研 究 所 博 士 生,50059 彰 化 市 辭 修 路 217 號,jimmy471201@gmail.com ( 29 )

2 護 生 態 環 境 維 護 資 源 運 用 等 環 境 永 續 議 題 既 有 的 水 庫, 由 於 開 發 時 間 較 早, 於 規 劃 設 計 中 之 永 續 觀 念 與 想 法 僅 有 簡 單 雛 形 近 年 來 台 灣 水 庫 面 臨 問 題 不 斷, 包 含 淤 積 問 題 日 益 嚴 重 導 致 水 庫 容 積 持 續 減 少, 缺 水 風 險 增 加 ; 颱 風 帶 來 之 豐 沛 雨 量 使 水 庫 集 水 區 產 生 崩 坍 地, 大 量 泥 砂 進 入 庫 區 使 原 水 濁 度 飆 高 ; 水 質 方 面 則 持 續 面 臨 優 養 化 之 問 題, 另 如 近 年 因 水 庫 入 流 量 不 穩 定 進 而 導 致 供 水 不 穩 定 之 情 形 產 業 經 濟 發 展 使 用 水 需 求 增 加 水 庫 設 施 安 全 老 化 功 能 不 足 導 致 安 全 相 關 問 題, 甚 至 氣 候 變 異 而 產 生 極 端 水 文 事 件 對 水 庫 造 成 之 衝 擊 及 社 會 經 濟 及 人 民 生 命 財 產 損 失 等 等, 皆 顯 示 出 台 灣 水 資 源 面 臨 捉 襟 見 肘 供 不 應 求 之 窘 境 隨 著 各 地 產 業 與 人 口 發 展, 對 於 水 資 源 之 需 求 仍 是 與 日 俱 增, 國 內 可 用 壩 址 多 數 已 進 行 水 庫 開 發, 而 具 備 成 為 水 庫 壩 址 天 然 條 件 之 區 域 十 分 稀 少, 若 水 庫 淤 滿 欲 另 尋 新 壩 址 興 建 水 庫 替 代 原 水 庫 功 能, 事 實 上 並 不 容 易 在 此 情 況 下, 既 有 水 庫 之 功 能 維 持 亦 成 為 一 重 要 課 題 對 台 灣 地 區 而 言, 水 庫 為 持 續 支 持 社 會 經 濟 發 展 與 穩 定 下 游 生 態 環 境 保 育 之 重 要 水 利 設 施, 因 此 台 灣 目 前 既 有 水 庫 是 否 可 永 續 利 用 與 新 建 水 庫 是 否 具 有 永 續 性 便 成 為 目 前 台 灣 地 區 水 資 源 待 解 決 之 重 要 議 題 但 如 何 評 估 一 座 水 庫 是 否 具 有 永 續 性, 如 何 選 擇 或 建 立 適 合 台 灣 地 區 水 庫 特 性 之 評 估 方 式, 新 建 水 庫 與 既 有 水 庫 間 之 永 續 性 評 估 時 又 有 何 差 異, 這 些 資 訊 都 必 須 為 清 楚 掌 握 並 建 立 量 化 評 估 指 標 與 分 析 方 法 為 評 估 環 境 水 資 源 或 是 生 態 環 境 是 否 具 有 永 續 性, 目 前 各 個 領 域 亦 建 立 多 種 指 標, 包 括 台 灣 永 續 發 展 指 標 系 統 水 資 源 永 續 發 展 指 標 系 統 生 態 永 續 發 展 指 標 等 其 中 在 水 庫 永 續 利 用 指 標 上, 亦 發 展 石 門 水 庫 永 續 指 標 及 水 庫 集 水 區 永 續 指 標 進 行 評 估 然 而 過 去 水 庫 之 永 續 利 用 指 標, 多 以 歷 史 資 料 計 算 評 估 目 前 水 庫 永 續 性 指 標 但 以 過 去 資 料 進 行 評 估, 僅 能 得 知 現 今 水 庫 評 估 結 果, 若 未 來 氣 候 發 生 改 變 或 是 水 庫 系 統 的 功 能 擴 增 亦 或 是 水 庫 下 游 設 施 改 善 甚 或 下 游 需 水 量 增 加 等 情 況, 則 無 法 評 估 未 來 水 庫 是 否 仍 符 合 永 續 利 用 因 此, 基 於 永 續 利 用 的 概 念, 新 建 水 庫 除 需 兼 顧 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 環 境 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 優 質 水 源 維 護 社 會 公 平 正 義 與 經 濟 發 展 等 永 續 發 展 考 量 外, 必 須 能 具 備 足 夠 之 排 砂 設 施, 確 保 水 庫 可 持 續 達 成 其 功 能 目 標, 既 有 水 庫 亦 應 研 究 其 排 砂 設 施 改 善 方 式, 藉 以 維 持 其 庫 容 與 功 能 根 據 聯 合 國 世 界 環 境 與 發 展 委 員 會 於 1987 年 我 們 共 同 的 未 來 報 告 中 對 永 續 發 展 (Sustainable Development) 之 定 義, 永 續 發 展 為 對 資 源 之 利 用, 不 僅 能 滿 足 當 代 需 求, 同 時 必 須 不 損 及 未 來 世 代 福 祉 在 世 界 的 進 步 國 家 中, 永 續 發 展 的 概 念, 已 使 人 們 改 變 對 水 資 源 利 用 的 看 法, 水 資 源 永 續 利 用 應 本 著 瞭 解 環 境, 善 用 資 源 為 出 發 點, 妥 善 運 用 水 資 源 達 到 兼 顧 人 類 自 身 發 展 與 維 護 環 境 生 態 品 質 的 理 想 為 符 合 當 前 世 界 各 國 戮 力 於 永 續 發 展 之 願 景, 水 庫 開 發 及 管 理 應 有 全 面 性 及 系 統 性 之 前 瞻 思 維 永 續 水 庫 (Sustainable Reservoir), 以 求 水 庫 經 營 管 理 達 永 續 發 展 之 願 景 本 文 爰 建 構 整 體 研 究 規 劃 工 作 構 想 如 圖 1, 整 個 構 想 從 何 謂 永 續 水 庫 研 訂 其 定 義 以 界 定 工 作 範 疇, 並 依 定 義 研 擬 規 劃 研 究 架 構, 再 加 以 探 討 規 劃 決 策 及 推 動 執 行 策 略, 同 時 輔 以 案 例 探 討, 俾 利 滾 動 回 饋 檢 討, 以 利 後 續 得 據 依 推 動 實 施 參 考 圖 1 永 續 水 庫 規 劃 研 究 整 體 工 作 構 想 永 續 水 庫 即 水 庫 開 發 及 管 理 應 考 量 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 及 優 質 水 源 維 護 等 5 方 向, 並 符 合 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 等 3 面 向, 以 達 永 續 發 ( 30 )

3 展 之 願 景 即 包 含 在 槽 水 庫 離 槽 水 庫 人 工 湖 及 地 下 水 庫 等 之 開 發 興 建 與 既 有 水 庫 更 新 改 善 及 操 作 營 運 管 理 等 且 可 再 細 分 為 結 構 物 永 續 庫 容 永 續 及 水 資 源 河 川 與 海 岸 環 境 永 續 本 研 究 短 ( 近 ) 程 目 標 為 庫 容 永 續, 即 以 優 質 水 源 之 維 護 區 域 水 資 源 調 配 流 域 整 體 土 砂 管 理 為 導 向, 中 長 程 目 標 為 水 資 源 河 川 及 海 岸 環 境 永 續, 即 以 系 統 防 洪 及 河 川 生 態 保 育 為 導 向 至 於 結 構 物 永 續 部 分, 則 依 既 有 相 關 規 定 辦 理 為 利 永 續 水 庫 規 劃, 爰 依 前 述 定 義, 以 層 級 關 係 而 言, 應 先 以 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 優 質 水 源 維 護 等 5 個 方 向 進 行 規 劃, 進 而 評 估 是 否 符 合 整 體 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 等 3 面 向, 若 未 符 應 重 新 修 訂 5 方 向 開 發 內 容 或 營 運 管 理 方 式, 永 續 水 庫 規 劃 層 級 示 意 如 圖 2 另 以 競 合 關 係 而 言,5 大 方 向 間 互 有 競 合 或 先 後 順 序 之 關 係, 例 如 流 域 整 體 土 砂 管 理, 若 採 用 水 力 排 砂 以 維 持 庫 容 及 穩 定 下 游 河 道 及 海 岸 土 砂, 惟 勢 必 會 對 區 域 水 資 源 調 配 有 降 低 供 水 量, 造 成 穩 定 供 水 負 面 影 響, 同 時 亦 較 不 利 於 系 統 防 洪 另 亦 可 於 河 道 建 構 系 列 串 聯 低 矮 壩, 蓄 存 豐 水 期 過 剩 的 洪 水, 以 利 翌 年 枯 水 期 區 域 調 配 挹 注 ; 諸 如 此 類 趨 吉 ( 供 水 ) 與 避 凶 ( 防 洪 )1 次 到 位 先 後 完 成 的 做 法 即 兼 顧 系 統 防 洪 與 區 域 水 資 源 調 配, 惟 係 以 前 者 ( 防 洪 ) 優 先 於 後 者 ( 供 水 ), 故 5 大 方 向 環 環 相 扣 並 有 競 合 關 係 ; 同 樣 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 亦 同, 故 永 續 水 庫 規 劃 要 全 面 性 有 系 統 之 考 圖 2 永 續 水 庫 規 劃 層 級 示 意 圖 圖 3 永 續 水 庫 規 劃 系 統 示 意 圖 量 才 得 以 達 成, 永 續 水 庫 系 統 示 意 如 圖 3 永 續 水 庫 可 行 性 規 劃 階 段 除 一 般 傳 統 水 庫 開 發 規 劃 工 作 外, 為 落 實 永 續 水 庫 願 景, 本 研 究 依 前 揭 5 方 向 研 訂 目 標, 並 研 擬 規 劃 應 調 查 分 析 評 估 之 主 題, 另 期 望 能 對 各 目 標 量 化, 亦 初 步 研 訂 指 標, 惟 目 前 所 訂 指 標 係 為 初 步 構 想, 其 詳 實 之 研 訂 應 於 未 來 規 劃 決 策 研 究 中 探 討 研 析 5 方 向 之 目 標 指 標 及 調 查 分 析 評 估 主 題 彙 整 如 表 1 二 文 獻 回 顧 2.1 永 續 水 庫 定 義 國 際 水 壩 委 員 會 (International Commission on Large Dams, ICOLD) 主 張 水 資 源 永 續 發 展 之 目 的, 應 將 焦 點 關 注 於 水 庫 水 壩 設 施 的 環 境 社 會 及 安 全 面 向, 同 時 以 不 影 響 未 來 世 代 環 境 資 源 之 前 提 下, 追 求 水 資 源 需 求 與 環 境 保 護 的 平 衡 點 目 前 世 界 上 許 多 國 家 已 著 手 推 行 綜 合 水 資 源 之 管 理 計 畫, 其 中 包 含 現 有 水 壩 管 理 與 新 建 水 壩 施 工 準 則 規 範 之 制 訂, 而 為 考 量 先 前 水 庫 興 建 與 管 理 之 經 驗 技 術, 並 納 入 國 家 與 國 際 組 織 的 相 關 標 準 規 範 與 法 規, 同 時 追 求 水 庫 設 施 的 永 續 發 展,ICOLD 提 出 3 個 主 要 發 展 標 準 :1. 技 術 經 濟 與 財 政 可 行 性,2. 永 續 發 展 與 環 境 相 容 性,3. 社 會 與 政 治 接 受 度 經 濟 部 水 利 規 劃 試 驗 所 ( 民 國 97 年 ) 針 對 永 續 ( 31 )

4 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 表 1 永 續 水 庫 規 劃 目 標 指 標 及 主 題 彙 整 表 方 向 目 標 指 標 主 題 1. 水 庫 防 淤 分 析 2. 水 庫 清 淤 分 析 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 優 質 水 源 維 護 1. 維 持 庫 容 2. 穩 定 下 游 河 道 及 海 岸 土 砂 消 洪 減 洪 流 域 生 態 保 育 1. 水 資 源 合 理 分 配 2. 穩 定 供 水 良 好 水 質 1. 水 庫 壽 命 2. 下 游 河 道 穩 定 1. 洪 峰 消 減 量 2. 洪 峰 延 時 1. 生 物 多 樣 性 2. 河 川 水 體 水 質 3. 生 態 流 量 1. 缺 水 指 數 2. 供 水 風 險 1. 河 川 水 質 2. 優 養 化 3. 水 庫 下 游 河 道 及 海 岸 沖 淤 影 響 評 估 規 劃 1. 水 庫 防 洪 分 析 2. 河 道 防 洪 分 析 1. 河 川 生 態 保 育 2. 庫 區 生 態 保 育 1. 標 的 間 水 資 源 調 配 2. 區 域 內 水 資 源 調 配 3. 區 域 間 水 資 源 調 配 集 水 區 水 源 水 質 污 染 防 制 與 改 善 水 庫 之 定 義 為 : 水 庫 開 發 及 管 理 應 考 量 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 及 優 質 水 源 維 護 等 5 方 向, 並 符 合 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 等 3 面 向, 以 達 永 續 發 展 之 願 景 而 本 文 參 考 相 關 文 獻 及 各 方 專 家 學 者 之 意 見, 定 義 永 續 水 庫 之 願 景 如 下 : 永 續 水 庫 在 促 進 整 體 利 用 上 必 須 以 流 域 為 系 統 範 圍, 滿 足 目 前 與 未 來 之 社 會 需 求, 同 時 維 持 其 生 態 環 境 與 水 文 之 良 好 狀 態 2.2 永 續 水 庫 評 估 指 標 根 據 水 利 規 劃 試 驗 所 ( 民 國 97 年 ) 定 義, 永 續 水 庫 為 水 庫 開 發 及 管 理 應 考 量 流 域 整 體 土 砂 管 理 系 統 防 洪 河 川 生 態 保 育 區 域 水 資 源 調 配 及 優 質 水 源 維 護 等 5 方 向, 並 符 合 環 境 保 護 經 濟 發 展 及 社 會 正 義 等 3 面 向, 以 達 永 續 發 展 之 願 景 因 此 水 庫 之 開 發 及 規 劃 均 應 考 量 上 述 各 方 向 及 各 面 向 之 需 求, 本 文 就 水 庫 規 劃 設 計 時 主 要 考 量 之 防 洪 土 砂 及 水 資 源 等 方 向 指 標 進 行 資 料 蒐 集, 並 分 述 如 下 系 統 防 洪 系 統 防 洪 主 要 考 量 水 庫 及 河 道 防 洪 能 力 水 庫 安 全, 以 達 消 洪 減 洪 其 中 有 關 水 庫 安 全 部 分 在 傳 統 水 庫 規 劃 時 均 會 考 量, 而 既 有 水 庫 一 般 有 水 庫 安 全 評 估 之 機 制, 故 本 文 系 統 防 洪 著 重 於 水 庫 及 河 道 防 洪 能 力 之 評 析 以 減 洪 層 面 而 言, 希 望 保 有 或 增 加 減 洪 空 間, 然 就 供 水 層 面 而 言, 可 能 因 淤 積 或 氣 候 變 遷 導 致 流 量 改 變, 而 發 生 供 水 不 足, 希 望 保 有 有 效 蓄 水 量 或 降 低 減 洪 空 間 永 續 水 庫 規 劃 先 以 系 統 防 洪 為 考 量, 在 各 水 庫 規 模 情 境 下 探 討 研 擬 相 關 排 洪 ( 砂 ) 道 斷 面 設 計, 進 行 各 水 文 事 件 模 擬 演 算, 特 別 針 對 水 庫 排 砂 操 作 之 排 放 水 量, 不 能 超 過 下 游 河 道 保 護 標 準 之 限 制, 以 選 擇 合 適 的 防 洪 運 轉 水 庫 規 模 並 能 確 保 出 流 水 量 符 合 下 游 河 道 防 洪 標 準 之 排 洪 ( 砂 ) 道 斷 面 評 估 水 庫 系 統 防 洪 功 能 時, 需 針 對 水 庫 本 身 對 下 游 地 區 的 防 洪 能 力 進 行 評 估, 此 外 亦 須 考 量 水 庫 及 下 游 河 道 防 護 能 力, 確 保 水 庫 減 洪 功 能 之 維 持 一 般 來 說, 河 道 所 能 提 供 的 通 水 量 是 固 定 的, 當 水 量 過 大 時, 將 會 造 成 溢 堤 的 情 況 產 生, 因 此 上 游 水 庫 的 洩 洪 量 造 成 河 川 流 量 過 高, 而 導 致 溢 堤 的 可 能, 故 針 對 堤 防 之 防 護 能 力 也 需 加 以 考 量, 此 外 當 外 水 位 過 高, 是 否 可 能 使 得 內 水 無 法 排 出, 亦 需 加 以 考 量 針 對 前 述 說 明 參 採 以 往 相 關 成 果, 研 提 脆 弱 度 減 洪 比 稽 延 時 間 安 全 洪 水 量 比 等 4 項 指 標, 做 為 系 統 防 洪 功 能 評 估 之 候 選 指 標, 經 考 量 指 標 尺 度 化, 所 需 資 料 特 性 及 取 得 難 易 性, 計 算 方 式 複 雜 度, 運 用 模 式 取 得 難 易 程 度, 本 文 之 系 統 防 洪 指 標 採 減 洪 比 進 行 評 估 減 洪 比 係 由 水 庫 操 作 計 算 得 水 庫 出 流 洪 峰 流 量, 並 與 入 流 洪 峰 流 量 比 較, 分 析 水 庫 可 能 的 減 洪 比 例 (( 入 流 洪 峰 流 量 - 出 流 洪 峰 流 量 )/ 入 流 洪 峰 流 量 ) 藉 由 水 庫 調 蓄 後, 可 降 低 下 游 地 區 洪 峰 流 量, 並 延 緩 洪 峰 流 量 到 達 時 ( 32 )

5 間, 以 此 減 洪 比 的 觀 念 計 算 來 分 析 水 庫 的 防 洪 功 能 流 域 整 體 土 砂 管 理 流 域 土 砂 問 題 除 了 對 水 庫 或 下 游 河 川 造 成 影 響 之 外, 水 庫 上 游 集 水 區 治 理 除 設 施 設 置 與 管 理 工 作 將 增 加 社 會 成 本, 並 可 能 採 用 限 制 其 土 地 利 用 型 態 之 管 制 作 為, 容 易 衍 生 社 會 正 義 問 題 ; 而 水 庫 泥 砂 淤 積 將 減 少 水 庫 蓄 水 空 間, 導 致 水 庫 使 用 年 限 與 功 能 降 低, 影 響 供 水 穩 定 性 與 滯 洪 功 能, 將 對 經 濟 發 展 與 社 會 發 展 產 生 負 面 影 響 ; 而 水 力 排 砂 設 施 將 增 加 對 蓄 水 量 或 入 庫 流 量 之 需 求, 將 可 能 對 其 供 水 能 力 產 生 影 響, 並 增 加 水 庫 操 作 決 策 難 度 ; 河 床 嚴 重 下 刷 將 可 能 改 變 河 川 流 況, 影 響 既 有 水 域 生 態 系 統, 亦 將 導 致 水 工 結 構 物 之 破 壞, 如 橋 樑 攔 河 堰 堤 防 等, 增 加 社 會 防 災 投 資 成 本, 此 外 河 川 砂 源 減 少, 將 可 能 發 生 海 岸 沖 蝕, 進 而 改 變 沿 海 土 地 利 用 型 態, 將 對 經 濟 發 展 與 社 會 發 展 產 生 負 面 影 響 流 域 整 體 土 砂 管 理 之 規 劃 理 念 在 於 上 游 集 水 區 減 少 泥 砂 生 產, 中 游 及 庫 區 促 進 泥 砂 通 過 水 庫 而 減 少 落 淤, 對 於 已 淤 積 於 水 庫 之 泥 砂 以 水 力 或 機 械 抽 泥 搬 運 至 下 游, 促 進 泥 砂 回 歸 河 道, 減 少 水 庫 攔 阻 之 泥 砂, 水 庫 因 庫 容 維 持 而 得 以 永 續 利 用 參 採 以 往 相 關 成 果, 研 提 集 水 區 土 砂 產 量 集 水 區 土 砂 運 移 量 入 庫 泥 砂 量 水 庫 庫 容 維 持 度 河 川 海 岸 泥 砂 供 給 穩 定 度 河 床 穩 定 指 標 海 岸 沖 淤 分 析 等 7 項 指 標, 做 為 流 域 整 體 土 砂 管 理 評 估 之 候 選 指 標 水 庫 營 運 的 設 計 年 限 中, 水 庫 庫 容 將 因 泥 砂 淤 積 而 逐 漸 減 少, 亦 即 表 示 水 庫 可 利 用 蓄 水 空 間 減 少, 若 淤 積 速 率 或 淤 積 量 超 過 原 先 預 期, 將 可 能 影 響 其 原 有 之 功 能, 可 採 用 水 庫 容 量 維 持 度 反 應 此 一 現 象 當 水 庫 興 建 後, 泥 砂 的 搬 運 ( 人 為 或 自 然 ) 都 不 可 能 與 水 庫 未 興 建 時 相 同 在 維 持 良 好 土 砂 環 境 與 確 保 水 庫 功 能 的 考 量 下, 首 先 應 訂 定 有 多 少 的 土 砂 量 可 允 許 輸 送 之 水 庫 下 游, 作 為 穩 定 下 游 河 道 環 境 與 海 岸 沖 淤 之 砂 源, 其 允 許 搬 移 土 砂 量 應 利 用 河 道 穩 定 分 析 與 海 岸 沖 淤 分 析 成 果, 並 參 考 維 護 河 川 生 態 系 統 需 求, 進 行 訂 定 與 調 整 經 考 量 指 標 尺 度 化, 所 需 資 料 特 性 及 取 得 難 易 性, 計 算 方 式 複 雜 度, 運 用 模 式 取 得 難 易 程 度, 本 文 流 域 整 體 土 砂 管 理 指 標 採 水 庫 庫 容 維 持 度 進 行 分 析 水 庫 庫 容 維 持 度 依 據 水 庫 庫 容 變 化 進 行 分 析, 本 指 標 中 之 水 庫 原 始 庫 容 (V 0 ) 以 及 水 庫 疏 浚 量 (V d ) 可 由 既 有 測 量 資 料 或 其 他 相 關 資 訊 取 得 後 進 行 設 定, 而 水 庫 淤 積 量 (V s ), 為 影 響 水 庫 庫 容 維 持 度 指 標 之 重 要 因 子, 本 模 式 係 以 ( 水 庫 入 砂 量 - 水 庫 排 砂 量 + 水 庫 疏 浚 量 ) 關 係 式 求 得, 水 庫 入 砂 量 以 入 流 量 與 其 對 應 泥 砂 濃 度 迴 歸 得 集 水 區 輸 砂 量 公 式 進 行 推 估, 常 見 輸 砂 公 式 形 式 為 Q s = a Q b, 其 中,Q s 為 年 輸 砂 量,Q 為 流 量,a b 則 為 待 定 參 數 水 庫 排 砂 量 則 以 水 庫 溢 流 量 排 砂 濃 度 進 行 推 估 區 域 水 資 源 調 配 水 資 源 調 配 為 水 庫 重 要 的 工 作 項 目 之 一, 以 石 門 水 庫 為 例, 石 門 水 庫 1 年 需 要 操 作 4 次 才 能 滿 足 水 庫 下 游 的 需 水 量, 因 此 若 因 為 氣 候 變 遷 造 成 水 庫 入 流 量 不 足 影 響 供 水 因 人 口 增 加 或 產 業 需 水 量 成 長 使 供 水 系 統 供 不 應 求 或 是 水 質 受 泥 砂 影 響 造 成 水 庫 濁 度 過 高, 自 來 水 廠 無 法 取 得 原 水 時, 都 有 可 能 對 下 游 供 水 產 生 影 響 然 而, 臺 灣 受 限 於 地 形 因 素 影 響, 無 法 與 大 陸 型 國 家 一 樣 可 以 將 儲 蓄 多 年 的 水 資 源 提 供 做 為 某 一 特 別 乾 旱 之 年 度 使 用, 因 此 在 水 庫 的 供 水 能 力 及 區 域 水 資 源 的 調 配 能 力 上 須 特 別 注 意, 以 確 保 區 域 水 資 源 之 永 續 性 參 採 以 往 相 關 成 果, 考 量 水 庫 供 水 之 穩 定 程 度 及 水 資 源 於 各 標 的 間 是 否 合 理 分 配, 以 減 供 比 供 需 比 及 SWSI 等 3 項 指 標, 做 為 區 域 水 資 源 調 配 評 估 之 候 選 指 標 經 考 量 指 標 尺 度 化, 所 需 資 料 特 性 及 取 得 難 易 性, 計 算 方 式 複 雜 度, 運 用 模 式 取 得 難 易 程 度, 本 文 有 關 區 域 水 資 源 調 配 指 標 採 減 供 比 減 供 比 以 對 水 庫 供 應 水 量 與 水 庫 設 計 之 初 預 計 提 供 水 量 進 行 分 析 比 較, 藉 由 模 擬 供 水 系 統, 結 合 缺 水 指 標 評 估 供 水 系 統 現 況 與 水 庫 計 畫 供 水 量 之 差 異, 探 討 水 庫 是 否 能 夠 滿 足 原 始 設 計 規 劃 之 供 水 量, 得 作 為 評 估 其 供 水 穩 定 度 之 指 標 三 分 析 案 例 基 本 資 料 及 模 擬 分 析 原 則 台 灣 位 處 亞 熱 帶 地 區, 颱 風 頻 仍, 川 陡 流 急, 地 質 破 碎 不 穩 定, 造 成 水 庫 上 游 集 水 區 大 量 ( 33 )

6 崩 塌 及 泥 砂 產 出, 加 上 全 球 氣 候 變 遷, 侵 襲 颱 風 數 量 於 西 元 2000 年 前 後 分 別 為 4 個 及 7 個 颱 風 侵 台 為 改 善 水 庫 泥 砂 淤 積 問 題, 經 常 採 取 水 力 排 砂 作 為 有 效 之 改 善 策 略, 惟 無 論 是 異 重 流 排 砂 或 空 庫 排 砂, 皆 需 使 用 相 當 之 排 砂 水 量, 因 而 影 響 水 庫 之 供 水 能 力, 故 如 何 兼 顧 系 統 防 洪 排 砂 效 率 與 供 水 之 潛 能 為 本 研 究 之 課 題 3.1 基 本 資 料 概 述 土 壠 灣 水 庫 壩 址 位 於 高 屏 溪 支 流 荖 濃 溪 中 游, 台 灣 南 部 高 雄 縣 六 龜 鄉 興 龍 村 東 北 約 1.5 公 里, 台 電 土 壠 灣 電 廠 舊 取 水 口 上 游 處 如 圖 4, 集 水 區 面 積 約 840 平 方 公 里 土 壠 灣 水 庫 集 水 區 雨 量 豐 沛, 平 均 年 雨 量 超 過 3,000 毫 米, 在 時 間 上 之 分 佈 懸 殊, 主 要 集 中 在 夏 季 豐 水 期 為 每 年 5~10 月 雨 量 佔 全 年 之 90%,11~4 月 為 枯 水 期 記 量, 由 河 口 往 上 游 推 算 得 各 控 制 點 須 放 流 之 水 量, 直 到 壩 址 為 止 土 壠 灣 水 庫 壩 址 各 月 之 下 游 水 權 保 留 量 如 表 2 所 示 表 2 土 壠 灣 水 庫 壩 址 下 游 水 權 保 留 量 表 月 份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 分 配 量 月 份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 分 配 量 在 壩 址 除 了 應 釋 放 下 游 水 權 量 外, 亦 須 放 流 生 態 基 流 量 ( 河 川 基 流 量 ), 一 般 多 以 壩 址 發 生 機 會 95% 之 河 川 逕 流 量 為 生 態 基 流 量 ( 河 川 基 流 量 ) 利 用 土 壠 灣 水 庫 壩 址 自 西 元 1959~2006 年 日 流 量 延 時 曲 線 (duration curve), 求 得 發 生 機 會 95% 之 河 川 逕 流 量 為 8.90 秒 立 方 公 尺 如 圖 5 圖 5 土 壠 灣 水 庫 壩 址 日 流 量 延 時 曲 線 圖 圖 4 高 屏 溪 支 流 荖 濃 溪 土 壠 灣 水 庫 位 置 圖 土 壠 灣 水 庫 壩 址 流 量 以 上 游 之 新 發 大 橋 站 推 估, 新 發 大 橋 站 集 水 區 面 積 約 812 平 方 公 里, 記 錄 年 限 為 西 元 1956 年 4 月 迄 今 因 其 與 土 壠 灣 水 庫 壩 址 間 並 無 使 用 水 權 且 兩 者 相 距 甚 近, 故 逕 利 用 比 面 積 法 求 得 壩 址 處 年 平 均 流 量 ( 且 扣 除 上 游 曾 文 越 引 量 ) 約 億 立 方 公 尺 壩 址 下 游 保 留 水 量 之 計 算 方 法, 採 各 控 制 點 對 應 集 水 面 積 的 相 對 比 例, 將 下 游 各 河 段 水 權 登 依 據 前 經 濟 部 水 資 會 美 濃 水 庫 可 行 性 規 劃 報 告 之 調 查, 荖 濃 溪 河 道 在 六 龜 下 游 之 河 段, 河 川 逕 流 量 大 幅 減 少, 原 因 可 能 為 土 壠 灣 斷 層 通 過 荖 濃 溪 河 道 所 致 其 滲 漏 水 量 將 補 注 至 下 游 之 地 下 水 源, 故 水 庫 亦 須 放 流 該 下 游 滲 漏 量 依 壩 址 與 六 龜 堰 址 集 水 面 積 之 比 例 (840/899), 估 計 土 壠 灣 水 庫 壩 址 須 放 流 至 下 游 之 河 道 滲 漏 水 量, 如 表 3 所 示 曾 文 越 域 引 水 計 畫 荖 濃 堰 位 於 土 壠 灣 水 庫 壩 址 上 游 桃 源 鄉 勤 和 村 河 段, 該 計 畫 已 開 始 執 行, ( 34 )

7 表 3 土 壠 灣 水 庫 壩 址 下 游 河 道 滲 漏 保 留 量 表 月 份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 滲 漏 量 月 份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 滲 漏 量 為 保 障 其 權 益, 水 庫 對 於 荖 濃 堰 引 水 量, 須 予 保 留 依 曾 文 水 庫 越 域 引 水 工 程 計 畫 - 輸 水 工 程 可 行 性 規 劃 成 果 檢 討 及 設 計 - 水 源 運 用 方 式 檢 討 報 告 之 引 水 量 分 析 成 果 顯 示, 年 平 均 約 2.31 億 立 方 公 尺 當 水 庫 進 行 水 資 源 運 用 演 算 時, 逕 流 量 須 扣 除 保 留 給 下 游 之 水 權 量 生 態 基 流 量 滲 漏 水 量 及 上 游 計 畫 引 水 量, 剩 餘 之 河 川 逕 流 量 即 為 可 引 用 水 量, 惟 實 際 運 用 時 尚 需 考 慮 蒸 發 量 損 失 3.2 模 擬 分 析 原 則 土 壠 灣 水 庫 調 水 調 砂 模 擬 演 算 流 程 如 圖 6 所 示, 首 先 假 設 水 庫 設 置 規 模, 包 含 排 砂 ( 洪 ) 隧 道 及 溢 洪 道, 進 行 系 統 防 洪 演 算 分 析, 使 排 洪 設 施 滿 足 溢 洪 道 不 溢 頂, 且 控 制 排 洪 量 不 超 過 下 游 河 道 保 護 標 準 經 不 同 排 洪 規 模 ( 壩 高 排 砂 ( 洪 ) 隧 道 閘 門 大 小 溢 洪 道 設 置 ) 排 列 組 合 決 定 水 庫 設 置 規 模, 如 無 法 滿 足 上 述 條 件 則 重 新 檢 討 修 正 其 次, 依 據 上 述 水 庫 設 置 規 模 分 析 空 庫 排 砂 效 率, 分 別 計 算 不 同 排 砂 道 設 置 規 模 及 空 庫 排 砂 條 件 下 之 水 庫 排 砂 效 率 與 水 庫 壽 命, 如 排 砂 效 率 不 佳 則 重 新 檢 討 最 後 進 行 水 資 源 調 配 分 析, 評 估 不 同 空 庫 排 砂 期 間 條 件 下 之 最 大 可 用 水 量, 並 藉 由 區 域 間 水 資 源 調 配 以 達 供 水 穩 定, 並 找 出 最 佳 空 庫 排 砂 時 期 如 能 同 時 滿 足 系 統 防 洪 土 砂 管 理 及 水 源 調 配 條 件 即 為 最 適 規 劃 前 兩 者 之 分 析 係 依 颱 風 暴 雨 事 件 之 時 流 量 演 算, 惟 最 後 者 則 按 歷 年 日 流 量 序 列 進 行 模 擬 四 水 庫 防 洪 運 轉 4.1 系 統 防 洪 演 算 原 則 本 研 究 防 洪 演 算 分 析 採 單 位 歷 線 法 推 估 各 重 現 期 入 庫 洪 水 時 流 量 並 以 波 爾 斯 法 (The Puls Method) 進 行 防 洪 演 算 ( 運 轉 流 程 圖 如 圖 7), 然 由 於 土 壠 灣 水 庫 壩 址 無 流 量 站 設 置, 以 最 近 壩 址 之 上 游 新 發 大 橋 流 量 站 資 料 利 用 比 面 積 法 加 以 推 估 以 波 爾 斯 法 (The Puls Method) 作 水 庫 演 算 公 式 如 后 Start Yes Yes Yes End No No No 圖 6 永 續 水 庫 系 統 防 洪 土 砂 管 理 及 水 源 調 配 之 聯 合 操 作 流 程 圖 7 水 庫 防 洪 運 轉 演 算 流 程 ( 35 )

8 ( I I ) t + t + t t 1 + St Ot t = St + t + Ot + t t 2 (I t, I t + Δt ) 演 算 前 後 水 庫 入 流 量 ( 秒 立 方 公 尺 ) (O t,o t + Δt ) 演 算 前 後 水 庫 出 流 量 ( 秒 立 方 公 尺 ) (S t, S t + Δt ) 演 算 前 後 水 庫 蓄 水 量 ( 秒 立 方 公 尺 ) Δt: 演 算 時 距 ( 小 時 ) 其 中 I t, I t + Δt, O t, S t 為 已 知 ;O t + Δt, S t + Δt 待 定 4.2 防 洪 演 算 基 本 資 料 土 壠 灣 水 庫 位 於 高 屏 溪, 依 據 高 屏 溪 治 理 規 劃 檢 討 報 告 以 單 位 流 量 歷 線 法 推 估 各 重 現 期 洪 水 量, 其 中 新 發 大 橋 流 量 站 資 料 最 大 二 日 暴 雨 如 表 4, 單 位 歷 線 如 圖 8, 設 計 雨 型 以 荖 濃 溪 流 域 二 日 暴 雨 雨 型 如 圖 9, 將 前 述 各 重 現 期 最 大 二 日 暴 雨 量 套 入 代 表 雨 型 並 扣 除 入 滲 量 每 小 時 4 毫 米 後, 以 單 位 歷 線 法 推 算 新 發 大 橋 站 之 各 重 現 期 洪 水 歷 線, 再 以 比 面 積 法 推 估 土 壠 灣 水 庫 壩 址 之 流 量 歷 線, 重 現 期 為 及 10,000 年 之 洪 峰 流 量 分 別 為 9,560 10,302 及 13,598 秒 立 方 公 尺 4.3 防 洪 運 轉 分 析 成 果 圖 8 新 發 大 橋 站 單 位 流 量 歷 線 圖 水 庫 設 置 規 模 以 設 計 壩 頂 滿 水 位 高 程 及 390 公 尺 等 4 種 庫 容 規 模, 一 座 自 由 溢 流 溢 洪 道 ( 溢 洪 道 堰 頂 寬 度 L = 100 m) 及 5 種 不 同 尺 寸 大 小 之 排 洪 閘 斷 面 設 計 ( 閘 門 直 徑 及 25 公 尺 ), 固 定 排 砂 ( 洪 ) 隧 道 排 洪 量 以 閘 門 中 心 高 程 310 公 尺 進 行 防 洪 運 轉 演 算 以 重 現 期 10,000 年 (Q10,000 = 13,598 cms) 洪 水 為 入 流 條 件, 並 限 制 下 游 排 洪 量 小 於 重 現 期 100 年 (Q100 = 9,560 cms) 且 不 溢 頂 條 件 下, 進 行 防 洪 演 算 經 分 析 結 果 在 水 庫 滿 水 位 條 件 下, 考 慮 溢 洪 道 及 排 砂 道 排 洪, 防 洪 運 轉 結 果 可 削 減 洪 峰 ( 減 洪 比 ) 達 30%, 如 表 5, 灰 色 區 塊 顯 示 水 庫 規 模 通 過 入 流 量 Q10,000 = 13,598 cms 出 流 量 小 於 Q100 = 9,560 cms 之 防 洪 限 制 條 件 ; 在 經 濟 考 量 下 設 計 壩 高 採 水 庫 滿 水 位 高 程 350 公 尺, 並 以 此 規 模 作 為 調 砂 演 算 基 準 五 水 庫 空 庫 防 淤 分 析 5.1 空 庫 排 砂 演 算 原 則 依 據 水 庫 防 洪 運 轉 成 果 決 定 設 計 水 庫 設 置 規 模, 並 據 以 決 定 水 庫 之 壩 高 通 水 斷 面 及 水 庫 長 度 曲 線 圖 (H.A.L curve)( 如 圖 10), 分 別 計 算 不 同 排 砂 道 設 置 規 模 ( 同 防 洪 演 算 規 模 ) 進 行 演 算 水 庫 排 砂 效 率, 進 而 推 求 不 同 空 庫 排 砂 期 間 之 水 庫 壽 命, 流 程 如 圖 11 演 算 程 序 如 下 : 圖 9 新 發 大 橋 站 二 日 暴 雨 雨 型 分 配 圖 表 4 高 屏 溪 流 域 新 發 大 橋 站 年 各 重 現 期 距 最 大 二 日 暴 雨 量 表 重 現 期 距 ( 年 ) ,000 雨 量 (mm) ,269 ( 36 )

9 溢 洪 道 堰 頂 寬 度 ( 公 尺 ) 排 砂 道 閘 門 中 心 高 ( 公 尺 排 砂 道 直 徑 ( 公 尺 ) 排 砂 道 面 積 ( 平 方 公 尺 ) Qp 表 5 滿 水 位 條 件 各 規 模 ( 溢 洪 道 + 排 砂 道 ) 防 洪 運 轉 結 果 一 覽 表 Hp (m) 水 庫 滿 水 位 ( 規 模 ) (m), 空 庫 起 始 水 位 310 m Tp (hr) 通 過 Qp Hp (m) Tp (hr) 通 過 Qp Hp (m) Tp (hr) 通 過 Qp Hp (m) Tp (hr) 通 過 ) , No 12, No 11, No 5, No , No 11, No 10, No 3, Ok , No 11, No 9, No 2, Ok , No 10, No 8, Ok 7, Ok , No 10, No 8, Ok 8, Ok , No 9, No 8, Ok 8, Ok , No 9, Ok 9, Ok 9, Ok , No 9, No 9, No 9, No No 10, No 10, No 10, No 圖 10 水 位 距 離 通 水 面 積 關 係 圖 (H.A.L. curve) 1. 將 擬 用 於 淤 砂 演 算 之 代 表 日 流 量 轉 換 為 完 整 的 連 續 的 以 及 與 該 代 表 日 流 量 相 當 的 水 文 歷 線, 本 研 究 分 別 以 日 流 量 延 時 曲 線 法 及 單 位 歷 線 法 計 算 之 2. 以 庫 區 實 際 資 料, 建 立 排 砂 道 中 心 以 上 水 位 與 水 庫 橫 斷 面 縱 斷 面 關 係 曲 線 (H-A-L curve) 3. 建 立 高 程 蓄 水 面 積 體 積 關 係 曲 線 (H-A-V curve) 以 供 洪 水 演 算 4. 將 步 驟 1 所 得 流 量 歷 線, 分 別 投 入 水 庫 系 統 中 作 洪 水 演 算, 求 出 洪 水 過 庫 時 間 逕 流 體 積 ΔS 平 均 流 速 V a 各 時 段 攜 運 比 V a / V t 等 資 料 圖 11 空 庫 排 砂 防 淤 演 算 流 程 5. 泥 砂 過 庫 百 分 比 (PS) 可 分 別 以 邱 吉 爾 曲 線 (Churchill's curve) 及 黃 氏 公 式 分 析 求 得 ( 37 )

10 V = a S PS 100 V V t 式 中 ; PS: 泥 砂 過 庫 不 淤 百 分 比 V a : 滯 留 時 間 水 庫 內 平 均 流 速, 如 果 以 一 組 控 制 斷 面 檢 討 時, 則 為 各 該 斷 面 之 平 均 流 速 V t : 某 種 泥 砂 粒 徑 時 之 攜 帶 流 速, 如 依 美 國 農 業 部 試 驗 資 料, 流 速 大 於 0.8 秒 公 尺 以 上 時, 顆 粒 1.2 毫 米 以 下 之 泥 砂 將 可 被 水 流 攜 走 ΔS: 即 為 洪 水 演 算 內 之 計 算 項 目 (I-Q)Δt, 亦 即 為 庫 內 滯 留 之 逕 流 體 積 V: 代 表 日 流 量 之 全 部 逕 流 體 積 6. 根 據 以 上 計 算 之 泥 砂 過 庫 百 分 比, 配 合 進 庫 日 流 量 延 時 曲 線, 計 算 排 砂 效 率 7. 排 砂 效 率 求 得 之 後, 分 別 計 算 不 同 空 庫 時 間, 對 水 庫 容 量 減 少 之 影 響, 以 利 進 而 推 估 水 庫 壽 命 5.2 來 砂 量 ( 水 庫 進 砂 量 ) 估 計 入 庫 的 泥 砂 量 可 區 分 為 Q b 推 移 載 (Bed Load) 與 Q s 懸 浮 載 (Suspended Load)2 種, 本 研 究 以 日 流 量 延 時 曲 線 (duration curve) 配 合 新 發 大 橋 流 量 站 懸 浮 載 輸 砂 率 定 曲 線 (rating curve) 推 估 土 壠 灣 水 庫 年 懸 移 質 輸 砂 量, 並 依 台 灣 西 部 河 川 輸 砂 量 推 估 研 究 報 告 指 出, 台 灣 地 區 推 移 質 約 佔 總 輸 砂 量 5%~25% 之 間, 本 研 究 假 設 推 移 質 輸 砂 量 佔 總 輸 砂 量 10%, 合 計 土 壠 灣 水 庫 年 進 砂 量 為 萬 立 方 公 尺 5.3 空 庫 排 砂 壽 命 分 析 成 果 土 壠 灣 水 庫 規 劃 壩 址 之 年 平 均 進 砂 量 依 本 研 究 前 文 所 述 為 萬 立 方 公 尺 年 逕 流 量 係 依 比 面 積 自 新 發 大 橋 站 推 估 而 得, 約 為 197,896 萬 立 方 公 尺 無 排 砂 條 件 下 採 用 布 侖 (Brune) 囚 砂 公 式, 估 算 每 階 段 水 庫 剩 餘 容 積 淤 滿 所 需 年 數 即 為 水 庫 壽 命 達 69.7 年 空 庫 排 砂 分 析 係 假 設 以 適 當 排 砂 閘 門, 讓 洪 水 以 明 渠 形 式 很 快 出 庫, 減 少 泥 砂 淤 積 於 庫 區 之 構 想 進 行 演 算, 水 文 歷 線 設 計 分 別 以 單 位 歷 線 法 ( 如 圖 12) 及 日 流 量 延 時 曲 線 法 ( 如 圖 13) 進 行 洪 水 圖 12 單 位 歷 線 法 泥 砂 過 庫 率 分 析 圖 13 日 流 量 延 時 曲 線 法 泥 砂 過 庫 率 分 析 演 算, 以 求 空 庫 排 砂 之 計 算 參 數 ( 如 平 均 通 水 斷 面 積 滯 洪 時 間 平 均 流 速 等 ) 經 比 較 單 位 歷 線 法 計 算 之 泥 砂 過 庫 率 均 較 日 流 量 延 時 曲 線 法 計 算 者 小, 且 為 與 系 統 防 洪 採 用 標 準 一 致, 本 研 究 採 單 位 歷 線 法 做 為 水 庫 淤 砂 演 算 之 流 量 依 據 水 庫 壽 命 分 析 分 別 以 邱 吉 爾 曲 線 法 及 黃 氏 公 式 法 推 估, 黃 氏 公 式 法 計 算 之 泥 砂 過 庫 率 較 邱 吉 爾 曲 線 法 計 算 者 保 守 ( 如 圖 14), 本 研 究 爰 採 前 者 據 以 進 行 水 庫 淤 砂 演 算 本 研 究 之 水 文 歷 線 設 計 採 單 位 歷 線 法, 水 庫 壽 命 分 析 採 黃 氏 公 式, 並 依 據 防 洪 運 轉 成 果 以 滿 水 位 高 程 350 公 尺 排 砂 閘 門 直 徑 採 20 公 尺 ( 面 積 314 平 方 公 尺 ) 設 計 時, 排 砂 效 率 達 95.5% 空 庫 排 砂 期 間 越 久, 可 減 少 豐 水 期 泥 砂 淤 積, 延 長 水 庫 壽 命 越 顯 著 依 黃 氏 公 式 模 擬 土 壠 灣 水 庫 在 豐 水 期 (5~10 月 ) 空 庫 排 砂 時 間 由 1~15 旬 可 延 長 水 庫 壽 命 分 別 2.4~204.5 年, 但 豐 水 期 結 束 前 若 無 ( 38 )

11 蓄 存 洪 水 將 影 響 枯 水 期 水 資 源 運 用, 為 考 慮 下 游 地 區 用 水 需 求, 初 步 建 議 空 庫 排 砂 時 間 可 調 整 為 6~12 旬 (5/1~8/31), 屆 時 水 庫 壽 命 由 原 不 排 砂 之 69.1 年 分 別 延 長 為 101.2~184.9 年, 分 析 結 果 如 表 6 及 圖 15 水 庫 庫 容 維 持 度 以 第 100 年 之 剩 餘 庫 容 計 算 為 44.16%, 分 析 結 果 如 表 水 庫 運 用 模 擬 原 則 圖 14 泥 砂 過 庫 率 分 析 六 水 資 源 利 用 土 壠 灣 水 庫 經 滿 足 前 2 項 ( 防 洪 防 淤 ) 永 續 水 庫 指 標 確 立 水 庫 規 模 後, 進 行 水 資 源 利 用 分 析 ( 即 為 調 水 規 劃 ), 但 初 步 研 判 如 無 其 他 水 源 挹 注 排 砂 期 間 所 耗 水 量, 供 水 能 力 必 然 劇 降 ( 經 粗 估 排 砂 3 旬 降 低 91%), 因 此 本 項 ( 水 源 運 用 ) 規 劃 遂 表 6 空 庫 排 砂 時 間 與 水 庫 壽 命 關 係 表 排 砂 時 間 6 旬 9 旬 12 旬 水 庫 壽 命 ( 年 ) 不 排 砂 水 庫 壽 命 ( 年 ) 空 庫 排 砂 增 加 水 庫 壽 命 ( 年 ) 空 庫 排 砂 增 加 水 庫 壽 命 (%) 圖 15 空 庫 期 間 水 庫 壽 命 分 析 採 與 隔 鄰 曾 文 溪 上 游 支 流 後 堀 溪 上 之 南 化 水 庫 ( 庫 容 相 當 且 為 營 運 中 之 離 槽 水 庫 ) 並 聯 操 作, 依 兩 水 庫 蓄 水 率 供 水, 當 水 庫 蓄 水 不 足 或 進 行 排 砂 時, 再 由 另 一 個 水 庫 補 充 供 應, 當 供 水 量 無 法 滿 足 設 定 之 計 畫 供 水 量 時 視 為 缺 水, 評 估 水 庫 聯 合 運 用 時 之 供 水 潛 能 一 般 而 言, 在 實 際 操 作 時 聯 合 運 用 的 整 體 供 水 能 力 受 到 下 游 送 水 管 路 輸 水 能 力 及 淨 水 設 施 處 理 能 力 等 因 素 限 制 本 計 畫 暫 不 第 幾 年 水 庫 容 量 (C) ( 萬 立 方 公 尺 ) C/I* 表 7 土 壠 灣 水 庫 空 庫 排 砂 操 作 剩 餘 容 量 推 估 囚 砂 率 (%) 年 入 庫 砂 量 ( 萬 立 方 公 尺 ) 年 排 砂 量 ( 萬 立 方 公 尺 ) 實 際 囚 砂 量 ( 萬 立 方 公 尺 ) 剩 餘 容 量 ( 萬 立 方 公 尺 ) ( 39 )

12 表 8 土 壠 灣 水 庫 蒸 發 量 表 月 份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 蒸 發 量 (mm) 月 份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 蒸 發 量 (mm) 式 中, SA i :i 年 缺 水 量 ;DA: 年 計 畫 供 水 量 ; N: 分 析 年 數 (1) 本 計 畫 採 計 之 標 準 均 以 SI = 1 為 原 則 (2) 年 計 畫 供 水 量 : 計 畫 日 供 水 量 之 年 計 值, 但 不 包 含 水 庫 應 放 流 至 下 游 各 項 保 留 水 量 (3) 年 缺 水 量 : 日 缺 水 量 之 年 計 值, 但 不 包 含 前 項 (2) 各 項 保 留 水 量 之 缺 水 量 8. 水 庫 單 獨 運 用 時, 空 庫 排 砂 期 間, 水 庫 蓄 水 量 不 列 入 營 運 模 擬 ; 但 聯 合 運 用 條 件 下, 水 庫 蓄 水 量 仍 列 入 營 運 模 擬 圖 16 空 庫 排 砂 供 水 能 力 分 析 模 擬 流 程 考 慮 下 游 設 施 的 管 路 通 水 能 力 或 水 場 淨 水 能 力 限 制, 即 僅 供 水 潛 能 進 行 評 估, 流 程 如 圖 16, 在 考 慮 排 砂 的 情 況 下, 依 下 述 原 則 進 行 水 源 運 用 模 擬 演 算 1. 模 擬 演 算 期 間 自 西 元 1959~2006 年, 計 48 年 2. 演 算 時 距 以 日 為 單 位, 逐 日 模 擬 水 庫 蓄 水 供 水 及 排 砂 操 作 3. 水 庫 呆 容 量 不 參 加 模 擬 營 運 4. 水 庫 模 擬 運 用 期 距 由 西 元 1959 年 1 月 水 庫 蓄 滿 後 開 始 演 算, 至 西 元 2006 年 12 月 5. 水 庫 入 流 量 為 壩 址 逕 流 量 扣 除 上 下 游 保 留 水 量 後 之 剩 餘 流 量 ( 即 為 前 揭 可 引 用 水 量 ), 不 考 慮 伏 流 水 迴 歸 水 等 之 流 入, 並 且 尚 須 扣 除 後 文 ( 表 8) 之 蒸 發 損 失 6. 水 庫 模 擬 運 用 時 暫 不 考 慮 水 公 司 慣 用 供 水 比 率, 並 假 設 計 畫 供 水 量 為 一 定 值 7. 缺 水 評 估 指 標 採 用 缺 水 指 數 (SI, Shortage Index): 100 SI = N N i = 1 2 SAi DA 6.2 水 庫 運 用 基 本 資 料 土 壠 灣 水 庫 高 程 面 積 容 量 關 係 如 圖 17, 庫 面 蒸 發 損 失 量 依 據 平 均 月 蒸 發 量, 乘 以 0.7 ( 蒸 發 皿 係 數 ) 及 庫 面 面 積 而 得 圖 17 土 壠 灣 水 庫 高 程 面 積 容 積 關 係 圖 6.3 空 庫 排 砂 水 資 源 運 用 模 擬 (m) (km2) (m 3 ) (m 3 ) ,600 1, ,700 6, ,900 14, ,100 22, ,300 29, ,500 49, ,200 62, ,000 74,900 模 擬 土 壠 灣 水 庫 在 豐 水 期 (5~10 月 ) 空 庫 排 砂, 供 水 能 力 如 表 9, 若 考 慮 僅 由 土 壠 灣 水 庫 單 獨 供 水, 超 過 3 旬 之 後, 供 水 能 力 遽 減, 幾 乎 無 水 可 供 應 使 用 若 考 慮 與 鄰 近 南 化 水 庫 聯 合 運 ( 40 )

13 期 間 月 / 日 ~ 月 / 日 情 境 表 9 土 壠 灣 水 庫 空 庫 期 間 ( 不 同 旬 別 ) 計 畫 供 水 量 與 水 庫 壽 命 之 關 係 表 土 壠 灣 水 庫 單 獨 運 用 (A) 計 畫 供 水 量 ( 萬 CMD) (B) 減 供 水 量 (%) (C) 聯 合 運 用 供 水 量 ( 萬 CMD) 土 壠 灣 與 南 化 水 庫 聯 合 運 用 (D) 土 壠 灣 水 庫 可 供 水 量 ( 萬 CMD) (E) 減 供 水 量 (%) 水 庫 壽 命 ( 年 ) 5/1~5/10 (1 旬 ) /1~5/20 (2 旬 ) /1~5/31 (3 旬 ) /1~6/30 (6 旬 ) /1~7/31 (9 旬 ) /1~8/31 (12 旬 ) /1~9/31 (15 旬 ) 說 明 : 1. 不 排 砂 條 件 下, 土 壠 灣 水 庫 南 化 水 庫 供 水 量 分 別 為 萬 CMD 2. (B) = [1 - (A)/99] 100% 3. (D) = (C) (E) = [1 - (D)/99] 100% 轉, 即 空 庫 排 砂 期 間 由 南 化 水 庫 供 水, 空 庫 排 砂 時 間 最 長 可 延 至 15 旬, 惟 為 考 慮 下 游 地 區 用 水 需 求, 建 議 空 庫 排 砂 時 間 可 調 整 為 6 旬 至 12 旬 (5/1~8/31) 較 為 妥 適, 減 少 供 水 率 ( 減 供 比 ) 為 35~71% 七 結 語 7.1 以 系 統 防 洪 及 空 庫 排 砂 規 劃 水 庫 規 模 以 往 水 庫 開 發 以 最 大 開 發 規 模 或 經 濟 開 發 規 模 為 考 量 因 子, 然 最 大 開 發 規 模 對 生 態 環 境 影 響 甚 劇, 經 濟 開 發 規 模 則 有 防 洪 安 全 之 虞, 加 上 台 灣 位 處 亞 熱 帶 颱 風 地 震 頻 仍, 地 質 破 碎 集 水 區 泥 砂 生 產 量 極 高 需 考 量 排 砂 以 求 庫 容 之 永 續 本 研 究 經 土 壠 灣 水 庫 系 統 防 洪 結 合 空 庫 排 砂 規 劃 出 最 經 濟 開 發 規 模 下, 滿 水 位 採 EL.350 公 尺, 排 砂 閘 門 直 徑 20 公 尺 ( 面 積 314 平 方 公 尺 ) 容 納 重 現 期 10,000 年 之 洪 水, 並 控 制 下 游 排 洪 量 不 超 過 下 游 河 道 重 現 期 100 年 之 防 洪 標 準, 可 削 減 洪 峰 達 30% 其 排 砂 效 率 達 95%, 減 少 逕 流 泥 砂 落 淤 庫 區, 為 儘 量 降 低 水 資 源 利 用, 應 透 過 水 庫 聯 合 運 轉 操 作, 空 庫 排 砂 6 旬 ~12 旬 可 延 長 水 庫 壽 命 32~115 年 7.2 區 域 水 資 源 調 配 利 用 台 灣 地 區 降 雨 豐 枯 十 分 明 顯, 為 使 水 資 源 得 以 有 效 利 用, 需 透 過 水 庫 進 行 調 蓄, 惟 於 現 今 之 自 然 及 社 會 環 境 之 條 件 下, 水 庫 開 發 實 屬 不 易, 故 如 何 延 長 水 庫 之 壽 命 成 為 值 得 深 入 探 討 之 課 題, 為 延 長 水 庫 壽 命 可 透 過 水 力 排 砂 方 式, 且 須 同 時 兼 顧 水 庫 之 供 水 能 力, 確 保 水 庫 開 發 之 經 濟 價 值, 則 可 透 過 水 庫 聯 合 運 用 方 式 進 行 排 砂 水 源 挹 注 經 本 研 究 模 擬 土 壠 灣 水 庫 於 單 獨 運 用 時, 僅 能 空 庫 排 砂 超 過 3 旬, 供 水 能 力 遽 減, 但 聯 合 運 用 時, 可 延 長 水 庫 空 庫 排 砂 時 間, 對 供 水 能 力 及 水 庫 壽 命 有 極 大 助 益, 未 來 相 關 水 庫 規 劃 防 洪 及 防 淤 操 作 時, 建 議 應 朝 區 域 性 水 庫 聯 合 調 配 運 用, 以 達 永 續 經 營 之 目 標 7.3 土 砂 防 淤 水 資 源 防 洪 及 調 配 利 用 之 競 合 本 研 究 係 以 防 淤 及 防 洪 之 前 提 考 量 水 資 源 之 調 配 利 用, 即 前 兩 項 權 重 優 於 第 3 項, 惟 於 其 他 水 庫 案 例 或 有 不 同, 建 議 後 續 應 將 各 方 向 ( 防 淤 防 洪 及 水 源 利 用 ) 賦 予 優 先 順 序 或 權 重, 以 符 實 務 應 用 7.4 未 來 推 動 方 向 永 續 水 庫 規 劃 係 將 永 續 經 營 之 概 念 納 入 工 程 規 劃 中, 相 較 於 傳 統 水 庫 之 規 劃, 永 續 水 庫 注 重 環 境 經 濟 及 社 會 等 各 面 向 均 衡 考 量, 使 整 體 水 庫 之 規 劃 方 案 更 為 完 備 且 符 合 永 續 觀 念, 且 透 過 流 域 整 體 土 砂 管 理 之 評 估, 規 劃 之 水 庫 可 有 效 維 持 庫 容 並 延 長 水 庫 壽 命 ( 41 )

14 未 來 水 庫 在 規 劃 時 可 依 據 各 指 標 永 續 性 綜 合 評 估 後, 其 永 續 性 不 佳 者 列 為 退 場 考 量, 而 既 有 水 庫 則 據 以 研 提 改 善 或 更 新 建 議, 至 於 各 指 標 權 重, 得 依 個 案 需 要 重 新 調 查 建 立 或 依 專 家 決 策 方 式, 直 接 調 整 指 標 權 重 惟 針 對 各 永 續 水 庫 規 劃 考 量 方 向 之 指 標 權 重, 不 同 時 空 可 能 權 重 會 有 所 不 同, 可 再 作 進 一 步 研 討 參 考 文 獻 1. 黃 巧 雲 (2003): 台 灣 地 區 重 要 水 庫 集 水 區 永 續 指 標 建 立 與 評 量 2. 台 灣 省 水 利 局 規 劃 總 隊 (1980): 水 庫 防 淤 規 劃 研 究 ( 感 恩 水 庫 防 淤 研 究 ), 第 頁, 台 中 3. 經 濟 部 水 利 署 水 利 規 劃 試 驗 所 (2007) : 士 文 水 庫 可 行 性 規 劃 (6)- 五 綜 合 專 題 - 水 力 排 砂 之 可 行 性 評 估 ( 永 續 水 庫 觀 念 ), 第 3-1~3-53 頁, 台 中 4. 經 濟 部 水 利 署 水 利 規 劃 試 驗 所 (2008): 永 續 水 庫 規 劃 研 究 (96 年 度 工 作 報 告 )- 土 壠 灣 水 庫 水 力 排 砂 初 步 研 究, 第 頁, 台 中 5. 經 濟 部 水 利 署 水 利 規 劃 試 驗 所 (2008): 高 屏 溪 治 理 規 劃 檢 討, 第 頁, 台 中 6. 經 濟 部 水 利 署 水 利 規 劃 試 驗 所 (2009): 永 續 水 庫 規 劃 研 究 (97 年 度 工 作 報 告 ), 第 頁, 台 中 7. 經 濟 部 水 利 署 南 區 水 資 源 局 (2006): 高 雄 縣 荖 濃 溪 土 壠 水 庫 初 步 評 估, 第 3-2~3-17 頁, 台 中 8. 經 濟 部 水 利 署 南 區 水 資 源 局 (2006): 曾 文 水 庫 越 域 引 水 工 程 計 畫 - 輸 水 工 程 可 行 性 規 劃 成 果 檢 討 及 設 計 - 水 源 運 用 方 式 檢 討 報 告, 台 中 9. 經 濟 部 水 資 會 (1985): 台 灣 西 部 河 川 輸 砂 量 推 估 研 究, 台 北 10. Daryl B. Simons and Fuat Şentürk (1997): Sediment Transport Technology, Water Resources Publications, pp Kumambala et al. (2008): Water resources sustainable decision making. 12. Loucks D.P. and John S. Gladwell (1999): Sustainability Criteria for Water Resource Systems. 13. World Commission on Environment and Development (WCED), Xiao, S. C. (2008): 水 資 源 安 全 性 永 續 評 估 系 統 收 稿 日 期 : 民 國 103 年 02 月 20 日 修 正 日 期 : 民 國 103 年 11 月 16 日 接 受 日 期 : 民 國 103 年 11 月 28 日 ( 42 )