水庫排砂對策 - PDF 免费下载

MOEAWRA 0990360 氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) Reservoir Sediment Releasing Countermeasures Cope with Climate Change(1/2) 主辦機關 : 經濟部水利署執行單位 : 中興工程顧問股份有限公司中華民國 99 年 12 月

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) Reservoir Sediment Releasing Countermeasures Cope with Climate Change(1/2) 主辦機關 : 經濟部水利署執行單位 : 中興工程顧問股份有限公司中華民國 99 年 12 月

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄目錄目錄... i 表目錄... v 圖目錄... viii 摘要... 摘 -1 Abstract... A-1 結論興建議... 結 -1 第一章前言... 1-1 1.1 計畫緣起... 1-1 1.2 計畫目標... 1-1 1.3 工作範圍... 1-1 1.4 工作項目與內容... 1-4 1.5 工作進度... 1-5 1.6 本報告相關用語說明... 1-5 1.6.1 氣候變遷相關用語... 1-5 1.6.2 水庫防淤相關用語... 1-7 第二章工作流程與關鍵課題分析... 2-1 2.1 工作流程... 2-1 2.2 關鍵課題分析... 2-2 2.2.1 氣候變遷對水庫淤積的影響及因應對策... 2-2 2.2.2 水庫類型劃分... 2-6 2.2.3 水庫防淤對策發展經緯... 2-14 2.2.4 水庫土砂管理對策體系... 2-15 第三章國內水庫淤積與清淤探討... 3-1 3.1 國內已公告水庫基本數據... 3-1 3.1.1 中大型蓄水庫類型... 3-2 3.1.2 攔河堰 ( 壩 ) 類型... 3-8 3.1.3 人工湖或小型蓄水庫類型... 3-13 3.2 國內水庫淤積特性分析... 3-18 3.2.1 水庫淤積理論... 3-18 3.2.2 台灣水庫淤積分析... 3-26 3.2.3 各類型水庫淤積特性... 3-37 3.2.4 國內水庫形態特性分析... 3-39 i

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄 3.3 國內水庫淤積物來源與清淤調查... 3-41 3.3.1 淤積物來源... 3-41 3.3.2 水庫清淤量調查... 3-49 3.3.3 水庫來砂量估算... 3-53 3.3.4 水庫淤砂粒徑調查... 3-55 第四章氣候變遷及水庫防淤技術文獻... 4-1 4.1 氣候變遷文獻探討... 4-1 4.1.1 氣候變遷調適策略相關文獻探討... 4-1 4.1.2 國內水利建設因應氣候變遷調適文獻探討... 4-2 4.2 水庫防淤文獻探討... 4-4 4.2.1 國內水庫防淤文獻探討... 4-4 4.2.2 國外水庫防淤文獻探討... 4-7 4.3 國外水庫排砂對策與個案介紹... 4-8 4.3.1 日本水庫排砂對策應用概況... 4-8 4.3.2 中國水庫排砂對策應用概況... 4-19 4.3.3 瑞士水庫排砂對策應用概況... 4-30 4.3.4 中東地區水庫排砂對策應用概況... 4-35 第五章水庫供水及防洪減淤之探討... 5-1 5.1 淤積對公告水庫供水與防洪影響... 5-1 5.1.1 淤積對公告水庫供水影響... 5-1 5.1.2 淤積對公告水庫防洪影響... 5-3 5.2 水庫排砂清淤及淤泥處置等方法及法規探討... 5-5 5.2.1 現況水庫排砂方式探討... 5-5 5.2.2 現況水庫清淤方式探討... 5-17 5.2.3 淤泥處置方式探討... 5-19 5.2.4 法規探討... 5-21 5.2.5 現階段法規對水庫排砂操作機制探討... 5-29 5.3 國外排砂對策效益探討及其運用之排砂技術... 5-32 5.3.1 水庫土砂管理對策架構... 5-32 5.3.2 沖砂對策... 5-34 5.3.2 洩砂對策... 5-36 5.3.3 繞庫排砂對策... 5-38 ii

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄 5.3.4 異重流排砂對策... 5-40 5.3.5 水壓吸引排砂對策... 5-44 5.4 現階段國內水庫之淤積處置對策及其水庫排砂效益評估... 5-52 5.4.1 台灣水庫排砂與清淤遭遇的困難點... 5-52 5.4.2 減少土砂入庫對策... 5-55 5.3.3 促進來砂通過對策... 5-55 5.3.4 庫區淤砂排除對策... 5-57 5.3.5 水庫排砂效益評估... 5-58 第六章水庫排砂對策研擬... 6-1 6.1 水庫排砂的運用指標分析... 6-1 6.1.1 來水來砂條件參考指標... 6-2 6.1.2 水源運用競合參考指標... 6-7 6.1.3 水庫排砂對策參考指標... 6-9 6.2 水庫淤積因應對策研擬... 6-14 6.2.1 水庫淤積因應對策需要性探討... 6-14 6.2.2 淤積嚴重水庫因應對策分析... 6-15 6.2.3 水庫流木對策... 6-20 6.3 水庫排砂之調查的運用條件分析... 6-22 6.3.1 現有辦理排砂實施計畫水庫之觀測計畫... 6-23 6.3.2 辦理排砂觀測計畫... 6-24 6.4 水庫排砂效率評估方式研訂... 6-27 第七章氣候變遷對水庫淤積之衝擊評估... 7-1 7.1 國外氣候變遷之水庫排砂因應對策... 7-1 7.2 氣候變遷對水庫淤積之影響... 7-4 7.3 因應氣候變遷下水庫淤積之對策研擬... 7-12 第八章重要參考資料... 8-1 iii

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄附錄附錄一服務建議書會議審查及辦理情形...I-1 附錄二期初報告會議記錄與辦理情形... II-1 附錄三期中報告會議記錄與辦理情形... III-1 附錄四工作討論會會議紀錄... IV-1 附錄五期末報告會議記錄與辦理情形...V-1 附錄六期末報告書第 2 次會議記錄與辦理情形...VI-1 附錄七台灣已公告水庫基本資料蒐集成果...VII-1 iv

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄表目錄表 1.4-1 本計畫工作項目... 1-4 表 1.5-1 工作預定進度甘梯圖... 1-5 表 1.6-1 本節相關用語中英日語對照 ( 氣候變遷部分 )... 1-7 表 1.6-2 本節用語中英日用語對照 ( 水庫排砂部分 )... 1-20 表 2.2-1 蓄水建造物分級一覽表... 2-7 表 2.2-2 本計畫水庫劃分原則說明... 2-10 表 2.2-3 本計畫水庫型式劃分一覽表... 2-11 表 2.2-4 各類型水庫庫容統計... 2-12 表 2.2-5 本計畫建議之重要水庫一覽表... 2-13 表 2.2-6 本計畫建議之重要水庫相關數據一覽表... 2-14 表 3.1-1 台灣各分區水庫現況庫容統計... 3-1 表 3.1-2 中大型蓄水庫基本資料表... 3-4 表 3.1-3 中大型蓄水庫淤積現況... 3-5 表 3.1-4 中大型蓄水庫入 ( 出 ) 流量資料表... 3-6 表 3.1-6 攔河堰 ( 壩 ) 基本資料表... 3-9 表 3.1-7 攔河堰 ( 壩 ) 淤積現況... 3-10 表 3.1-8 攔河堰 ( 壩 ) 入 ( 出 ) 流量資料表... 3-11 表 3.1-9 人工湖或小型蓄水庫基本資料表... 3-15 表 3.1-10 人工湖或小型蓄水庫淤積現況... 3-16 表 3.1-11 人工湖或小型蓄水庫入 ( 出 ) 流量資料表... 3-17 表 3.2-1 阿公店水庫庫區淤積粒徑... 3-31 表 3.2-2 德基水庫庫區淤積粒徑... 3-31 表 3.2-3 石門水庫壩址庫區淤泥粒徑... 3-33 表 3.2-4 石門水庫 2008 年四場颱風之懸浮質粒徑... 3-35 表 3.2-5 美國與日本水庫形狀特性分類... 3-40 表 3.2-6 國內水庫形狀特性分類... 3-40 表 3.3-1 中大型蓄水庫集水區內崩塌地及土石流潛勢溪流面積所佔比例... 3-43 表 3.3-2 攔河堰 ( 壩 ) 集水區內崩塌地及土石流潛勢溪流面積所佔比例... 3-44 表 3.3-3 集水區不同土地使用下之沖蝕量 ( 坡度 15 )... 3-45 表 3.3-4 中大型蓄水庫淤積物來源調查表... 3-45 表 3.3-5 攔河堰 ( 壩 ) 淤積物來源調查表... 3-47 表 3.3-6 人工湖或小型蓄水庫淤積物來源調查表... 3-48 表 3.3-7 中大型蓄水庫清淤量一覽表... 3-50 表 3.3-8 攔河堰 ( 壩 ) 清淤量一覽表... 3-51 表 3.3-9 人工湖或小型蓄水庫清淤量一覽表... 3-52 表 3.3-10 本計畫水庫來砂量估算一覽表... 3-54 表 3.3-11 各水庫淤砂粒徑調查一覽表... 3-55 表 4.1-1 各國氣候變遷下水庫排砂或水庫土砂管理相關衝擊與對策... 4-2 表 4.1-2 水利建設因應氣候變遷策略... 4-3 表 4.1-3 強化綜合土砂管理策略... 4-3 表 4.1-4 永續水庫建設... 4-4 表 4.2-1 近年國內辦理之水庫排砂相關研究... 4-5 表 4.2-2 近年來國內各水庫辦理的水庫排砂相關計畫... 4-6 v

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄表 4.2-3 近年來國際水庫防淤文獻一覽... 4-7 表 4.3-1 黑部川出平壩與宇奈月壩水庫排砂設施諸元... 4-10 表 4.3-2 黑部川出平壩與宇奈月壩水庫排砂實施基準... 4-11 表 4.3-3 日本繞庫排砂案例水庫諸元... 4-14 表 4.3-4 黃河各河段水砂特性... 4-20 表 4.3-5 黃河歷年調水調砂相關數據 ( 小浪底樞紐 )... 4-23 表 4.3-6 黑松林水庫運用期間庫容變化... 4-24 表 4.3-7 不同來水文年泥砂調節運用情況... 4-25 表 4.3-8 恆山水庫各階段不同運用方式進出庫輸砂量沖淤量... 4-29 表 4.3-9 瑞士繞庫排砂案例一覽... 4-33 表 4.3-10 西菲羅水庫蓄水期間之異重流操作資料... 4-38 表 4.3-11 西菲羅空庫排砂效果... 4-39 表 4.3-12 尼羅河流域洩砂 (Sediment Sluicing) 操作水庫... 4-41 表 5.1-1 國內 26 座主要水庫庫容損失與運用比... 5-2 表 5.1-2 水庫淤積對防洪庫容影響... 5-3 表 5.2-1 為 30 座中大型水庫之排砂設施一覽表... 5-5 表 5.2-2 大埔水庫水力排砂實施成果... 5-9 表 5.2-3 各攔河堰 ( 壩 ) 之排砂設施情況... 5-16 表 5.2-4 各公告水庫清淤方式一覽... 5-17 表 5.2-5 淤泥處置方法彙整... 5-20 表 5.2-6 法規檢討範疇一覽... 5-22 表 5.2-7 水庫清淤與排砂相關法規內容... 5-23 表 5.2-8 現階段代表水庫排砂設施操作相關規定... 5-30 表 5.2-9 現階段代表水庫河道放水口排砂操作相關規定... 5-31 表 5.3-1 各種排砂對策特點比較... 5-33 表 5.3-2 水壓吸引排砂 ( 固定式工法 ) 一覽... 5-46 表 5.4-1 相關研究報告之水庫清淤單價... 5-53 表 6.1-1 本計畫水庫排砂採用指標一覽表... 6-1 表 6.1-2 巴基斯坦的庫容來砂比 ( 淤積指數 ) 分級... 6-3 表 6.1-3 水力排砂與庫容逕流比庫容來砂比關係... 6-4 表 6.1-4 主要水庫庫容逕流比庫容來砂比情況... 6-6 表 6.1-5 主要水庫水源利用率與水庫運用比概況... 6-8 表 6.1-6 國內外水庫長期庫容比資料一覽... 6-9 表 6.1-7 各國水庫排砂水砂比資料... 6-11 表 6.1-8 國內重要水庫底孔之 DDR 值... 6-13 表 6.2-1 水庫淤積因應對策研擬... 6-15 表 6.2-2 中大型蓄水庫排砂特性分析... 6-17 表 6.2-3 具有沖砂洩砂潛力之水庫一覽... 6-19 表 7.2-1 台灣地區 26 座重要水庫選用分析評估情形... 7-5 表 7.2-2 各氣候變遷假設條件下台灣水庫剩餘庫容變化情形... 7-6 表 7.2-3 台灣地區 10 座水庫庫容未來變化情形 ( 按建庫至今之趨勢成長 )... 7-7 表 7.2-4 台灣地區 10 座水庫庫容未來變化情形 ( 按歷史基期之趨勢成長 )... 7-7 表 7.2-5 台灣地區 10 座水庫庫容變化情形 ( 按近未來基期之趨勢成長 )... 7-8 表 7.2-6 台灣地區 10 座水庫庫容變化情形 ( 按洪水量增幅趨勢成長 )... 7-8 vi

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄表 7.2-7 台灣地區 10 座水庫庫容變化情形 ( 與洪水量 2 倍增幅趨勢成長 )... 7-9 vii

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄圖目錄圖 1.3-1 台灣地區主要水庫分佈概況 ( 本島興澎湖 )... 1-2 圖 1.3-2 台灣地區主要水庫分佈概況 ( 金門 )... 1-3 圖 1.3-2 台灣地區主要水庫分佈概況 ( 馬祖 )... 1-3 圖 1.6-1 沖砂期間的縱剖面圖... 1-9 圖 1.6-2 沖砂與洩砂示意圖... 1-10 圖 1.6-3 防洪水庫自由排砂操作示意圖... 1-12 圖 1.6-4 阿公店水庫蓄清排渾操作規線圖... 1-13 圖 1.6-5 繞庫排砂示意圖... 1-14 圖 1.6-6 日本清水繞道案例... 1-14 圖 1.6-7 異重流形成機制... 1-15 圖 1.6-8 異重流 / 渾水潭排砂機制... 1-16 圖 1.6-9 水力排砂類型... 1-16 圖 1.6-10 水壓吸引排砂工法概況... 1-19 圖 2.1-1 本計畫工作流程... 2-1 圖 2.2-1 台灣近百年來氣溫變化情況... 2-2 圖 2.2-2 台灣地區本世紀與上世紀雨量特性變化一覽... 2-3 圖 2.2-3 氣候變遷對水環境影響... 2-4 圖 2.2-4 氣候變遷對水庫衝擊及因應對策... 2-4 圖 2.2-5 世界水庫容量與淤積趨勢... 2-15 圖 3.2-1 水庫產生異重流且未形成渾水潭的情況... 3-19 圖 3.2-2 水庫渾水潭示意圖... 3-19 圖 3.2-3 水庫未形成異重流懸浮泥砂佈滿整個水深... 3-19 圖 3.2-4 水庫淤積縱向剖面分類... 3-20 圖 3.2-5 印度 Bhakra 水庫三角洲淤積剖面... 3-21 圖 3.2-6 日本本宮本砂防壩淤滿後河床升高過程... 3-22 圖 3.2-7 日本佐久間水庫淤積縱剖面... 3-22 圖 3.2-8 日本佐久間水庫庫區淤積粒徑級配... 3-24 圖 3.2-9 巴基斯坦 Tarbela 水庫三角洲頂點高程在最低運用水位附近... 3-25 圖 3.2-10 尼泊爾 Kulekhani 水庫操作水位使三角洲往下遊移動... 3-25 圖 3.2-11 小浪底水庫 2000-2006 年排砂前後之淤積縱剖面比較... 3-26 圖 3.2-12 翡翠水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-27 圖 3.2-13 曾文水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-27 圖 3.2-14 石門水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-28 圖 3.2-15 南化水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-28 圖 3.2-16 德基水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-29 圖 3.2-17 霧社水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-29 圖 3.2-18 谷關水庫淤積縱向剖面 ( 本計畫繪製 )... 3-30 圖 3.2-19 七個水庫淤積縱向剖面比較 ( 本計畫繪製 )... 3-30 圖 3.2-20 德基水庫 1980 年庫區淤積粒徑 ( 本計畫繪製 )... 3-32 圖 3.2-21 曾文水庫 1987 年庫區淤積粒徑 ( 本計畫繪製 )... 3-33 圖 3.2-22 石門水庫 2008 年庫區淤積粒徑 ( 本計畫繪製 )... 3-34 圖 3.2-23 石門水庫低孔流量 189.6cms 造成的渾水面下降速率... 3-36 圖 3.2-24 曾文水庫低孔流量 206cms 造成的渾水面下降速率... 3-37 viii

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄圖 3.2-25 七個水庫的 H-A 比較... 3-37 圖 3.2-26 中大型蓄水庫囚砂特性示意圖... 3-38 圖 3.2-27 攔河堰 ( 壩 ) 囚沙特性示意圖... 3-39 圖 3.3-1 各水庫入庫泥砂量與迴歸公式對照圖... 3-55 圖 4.3-1 日本水庫年平均淤積量分佈... 4-9 圖 4.3-2 出平壩宇奈月位置與排砂後成果... 4-11 圖 4.3-3 出平壩與宇奈月壩聯合排砂操作流程... 4-12 圖 4.3-4 日本神戶市布引壩繞庫排砂平面示意... 4-13 圖 4.3-5 旭壩繞庫排砂平面示意... 4-14 圖 4.3-6 美和壩繞庫排砂平面示意... 4-15 圖 4.3-7 益田川水庫自由排砂剖面... 4-16 圖 4.3-8 二瀨壩異重流排砂與水庫操作規線... 4-17 圖 4.3-9 蓮壩應用橫斷制流工法促進異重流發生... 4-17 圖 4.3-10 天龍川片桐壩帷幕異重流排砂... 4-18 圖 4.3-11 黃河流域概況... 4-21 圖 4.3-12 恆山水庫平面圖... 4-27 圖 4.3-13 瑞法跨國聯合排砂平面概況圖... 4-31 圖 4.3-14 沃博伊斯壩歷年空庫排砂操作紀錄... 4-32 圖 4.3-15 沃博伊斯壩排砂操作計畫... 4-32 圖 4.3-16 瑞士繞庫排砂水庫空庫排砂操作計畫... 4-34 圖 4.3-16 西菲羅水庫位置概況... 4-36 圖 4.3-17 西菲羅壩剖面... 4-37 圖 4.3-18 西菲羅防淤水庫規線... 4-38 圖 4.3-19 西菲羅排砂操作濃度... 4-38 圖 4.3-20 西菲羅水庫庫容變化... 4-39 圖 4.3-21 橫向沖蝕工法... 4-40 圖 4.3-22 羅瑟爾水庫洩洪排砂操作規線 ( 蘇丹 )... 4-42 圖 5.1-1 近年來水資源供應情況... 5-1 圖 5.2-1 西勢水庫排砂道剖面... 5-8 圖 5.2-2 西勢水庫取水塔剖面... 5-8 圖 5.2-3 德基水庫上游立面... 5-11 圖 5.2-4 谷關水庫上游立面... 5-12 圖 5.2-5 鏡面水庫上游立面... 5-13 圖 5.2-6 淤泥處置流程示意圖... 5-19 圖 5.3-1 水庫土砂管理對策框架... 5-32 圖 5.3-2 空庫排砂與洩降排砂... 5-35 圖 5.3-2 胡佛水庫異重流觀測資料與排砂資料... 5-40 圖 5.3-3 異重流排砂工法類型... 5-41 圖 5.3-4 異重流控制工法示意圖... 5-42 圖 5.3-5 Livigno 水庫 (Punt Del Gall Dam) 異重流控制工法佈置... 5-43 圖 5.3-6 中國田家灣水庫虹吸排砂示意圖... 5-45 圖 5.3-7 水壓吸引排砂通過壩體之方式... 5-46 圖 5.3-8 Hydro 工法... 5-47 圖 5.3-9 Sheet 工法... 5-47 ix

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 目錄圖 5.3-10 MHS 工法... 5-47 圖 5.3-11 水壓吸引工法操作流程... 5-48 圖 5.3-12Hydro J 移動工法... 5-49 圖 5.3-13 取水塔排砂工法... 5-50 圖 5.3-14 法國水壓吸引排砂案例... 5-51 圖 5.3-15 美國水壓吸引排砂案例... 5-51 圖 6.1-1 布崙囚砂曲線... 6-2 圖 6.1-2 水庫排砂適用對策參考圖... 6-4 圖 6.1-3 水庫排砂適用對策參考圖 ( 含各國水庫 )... 6-5 圖 6.1-4 台灣地區主要水庫之來水來砂特性圖... 6-5 圖 6.1-5 中國大陸水庫壅水排砂比... 6-12 圖 6.2-1 日本水庫淤積因應對策體系... 6-14 圖 6.2-2 各類防淤工法適用情形... 6-19 圖 6.2-3 益田川壩前流木捕捉工... 6-21 圖 6.2-4 益田川排砂底孔流木欄柵... 6-21 圖 6.3-1 瑞士水庫土砂觀測站分佈概況... 6-23 圖 6.3-2 日本水庫 PRO 入流與出流量觀測資料... 6-24 圖 6.3-3 日本天龍川結合防砂壩設置水砂觀測... 6-26 圖 7.2-1 未來庫容變化 ( 按現況趨勢成長 )... 7-9 圖 7.2-2 未來庫容變化 ( 按歷史基期趨勢成長 )... 7-10 圖 7.2-3 未來庫容變化 ( 按近 10 年趨勢成長 )... 7-10 圖 7.2-4 未來庫容變化 ( 按洪水量增幅趨勢成長 )... 7-11 圖 7.2-5 未來庫容變化 ( 按洪水量 2 倍增幅成長 )... 7-11 圖 7.3-1 石門水庫整體綱要計畫示意圖... 7-12 圖 7.3-2 日本天龍川壩再編計畫案例... 7-13 圖 7.3-3 鹿寮水庫更新改善平面圖... 7-14 圖 7.3-4 臺北自來水事業處原水系統概況... 7-15 圖 7.3-5 中庄調整池平面概況... 7-16 x

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要一計畫緣起摘要台灣地區山高坡陡, 河短流急 ; 雖雨量豐沛, 但豐枯懸殊因此, 水資源利用乃採用興建水庫方式來調豐濟枯, 然因地質條件欠佳, 山區地質鬆軟, 近年每逢颱風暴雨來襲, 坡地往往產生大量沖蝕崩塌, 進而流入水庫集水區導致蓄存水源的水庫嚴重淤積, 並使水庫有效容量大量減少, 減損水庫的供水功能為此, 在有限水資源條件下, 欲滿足現況及因應未來用水持續成長情境, 除須持續開發可利用水源外, 現有水庫功能之維持也同等重要, 尤以水庫防淤管理措施至為重要, 以避免既有水庫容量的損失和供水能力降低台灣未來可供興建水庫之優良壩址已逐漸減少, 水庫興建也日益困難, 故加強現有水庫保育, 維護既有功能, 必須雙管齊下強化水庫的減淤與排砂工作, 若加上氣候變遷的威脅, 未來水庫將面臨洪水量增加與來砂量增加的雙重挑戰 ; 爰此, 今後水庫排砂對策除了要解決目前水庫淤積的困境, 也要積極面對氣候變遷帶來之挑戰, 使水庫可以永續利用二計畫目標本計畫目標為研究在氣候變遷影響下, 確保現有水庫功能及延長水庫壽命的方法, 並評估氣候變遷可能帶來之衝擊與因應之道, 俾擬定我國因應氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略, 以供決策單位參考三工作範圍本計畫工作範圍列入民國 99 年 8 月最新公告之南溪壩, 目前已公告水庫增加至 96 座, 包括本島 67 座水庫與離島 29 座水庫四工項目與內容本計畫全期分 2 年 (99 年 ~100 年 ) 時間執行, 以完成因應氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略之研議依據招標文件規定, 本計畫之工作項目與內容可分列如表 1 所示摘 -1

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要表 1 本計畫工作項目民國 99 年度 1. 蒐集整理國內外相關氣候變遷及水庫防淤技術文獻廣泛蒐集國內外相關文獻及目前公告水庫淤積及執行防淤策略資料, 並就其資料內容型式格式及應用性等考量進行評估, 以作為評估參考並提出具體建議 2. 水庫供水及防洪減淤之探討 (1) 蒐集已公告水庫興建時間水庫完工及目前容量供水標的最大入 ( 出 ) 流量及平均年入 ( 出 ) 流量淤積物來源粒徑分佈淤積量清淤量及清淤方式等 (2) 公告水庫淤積造成供水及防洪影響探討, 水庫排砂清淤及淤泥處置等方法及法規探討 (3) 國外如日本及大陸地區排砂對策, 效益探討及其運用之排砂技術 (4) 現階段國內水庫之淤積處置對策及其水庫排砂效益評估 3 氣候變遷對水庫淤積之衝擊評估 (1) 分析氣候變遷下, 台灣地區短中長期目標年土砂量之變化情境, 並評估氣候變遷對水庫淤積之衝擊 (2) 國外如日本及大陸地區氣候變遷下如何處理水庫排砂提出歸納建議 4 辦理教育訓練講習 5 完成彙編氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 民國 100 年度 1. 氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂評估研擬在氣候變遷衝擊下, 國內水庫供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略對策 2. 訂定氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略參考手冊研擬不同類型水庫之建議淤積處理程式, 排砂建議對策及方案, 製作氣候變遷下供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略參考手冊 3. 辦理教育訓練講習 4. 完成彙編氣候變遷下水庫排砂對策研究 (2/2) 報告及總報告摘 -2

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要五國內水庫淤積與清淤探討表 2 台灣各分區水庫現況庫容統計設計總庫容 ( 百萬 m 3 ) 現況剩餘總庫容 ( 百萬 m 3 ) 總庫容所佔比例 (%) 總庫容淤積率 (%) 設計有效庫容 ( 百萬 m 3 ) 現況剩餘有效庫容 ( 百萬 m 3 ) 有效庫容所佔比例 (%) 有效庫容淤積率 (%) 北部 783.39 654.05 83.49 16.51 661.93 599.90 90.63 9.37 中部 837.64 601.75 71.84 28.16 713.57 528.79 74.11 25.89 南部 1240.36 785.35 63.32 36.68 1028.13 781.52 76.01 23.99 東部 1.62 0.55 34.00 66.00 1.40 0.55 39.28 60.72 離島 9.70 9.53 98.25 1.75 9.65 9.49 98.34 1.66 總計 2872.72 2051.23 71.40 28.60 2414.68 1920.25 79.52 20.48 由表 2 可知, 台灣地區水庫之總庫容尚餘 71%, 而在離島地區之已公告水庫總庫容均維持在 90% 以上南部地區設計總庫容最高, 為 1240.36 百萬立方公尺, 但因受到近年颱洪暴雨強度增加之影響, 造成水庫淤積現象逐年加劇, 目前南部已公告水庫之總庫容維持比例最低, 約佔 63% 另就淤積分佈來看, 台灣地區水庫之淤積量約為 8.2 億立方公尺, 其中呆庫容部分約為 2.3 億立方公尺, 而有效庫容淤積量則占 5.9 億立方公尺, 由此可知, 我國水庫的淤積量有 7 成以上集中在有效庫容部分, 此乃由於大部分水庫都是屬於高水位操作, 故淤積區位都集中在有效庫容部分六內水庫淤積物來源與清淤調查水庫於竣工完成開始蓄水後, 便開始發生淤積現象, 然而台灣自 921 地震後, 土砂災害即頻頻發生, 近 10 年來全台灣各水庫淤積量約在 2,000 萬立方公尺左右, 民國 98 年的莫拉克颱風更重創南部重要水庫, 對於長期之水資源運用恐發生不利影響, 故本計畫針對各集水區特性及水庫分類的不同, 探討主要水庫的淤積物來源與來砂特性, 進而對症下藥有效解決水庫淤砂, 本節茲就台灣地區主要水庫之淤積物來源及清淤辦理情形說明如次 : ( 一 ) 淤積物來源台灣地區山高坡陡, 河短流急, 雖雨量豐沛, 但因降雨時間及空間分佈不均勻, 故台灣地區常透過水庫興建, 採蓄豐濟枯方式運用水資源, 但由於台灣水庫上游集水區多屬沉積岩和變質岩層, 其岩性鬆脆, 極易高度風化, 故降雨時表土沖蝕顯著, 使下游河流含砂量大, 河道淤積快速, 加摘 -3

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要上每年汛期颱風豪雨降雨強度大, 水庫上游集水區洪水挾帶大量泥砂下移至水庫庫區, 進而影響水庫正常運轉及使用壽命一般而言, 水庫中的淤砂來源主要可分為自然因素及人為因素所造成, 自然因素所造成的淤砂主要與上游集水區地質土壤及上游崩塌地有顯著關係, 而人為因素造成之淤砂如上游集水區之土地超限利用道路施工或河道不當開採等行為息息相關若以土石流潛勢溪流占集水區比率為指標時, 排行前五名的中大型蓄水庫依序分別為 : 日月潭水庫明湖下池水庫榮華壩明潭下池水庫白河水庫石門水庫 ; 攔河堰 ( 壩 ) 之土石流潛勢溪流比率之前五大堰 ( 壩 ) 則為龍溪壩木瓜壩鳶山堰玉峰堰集集堰, 受土石流潛勢溪流影響之集水區面積比率較大綜上敘述結果可知, 北部地區中部地區之水庫營運管理, 主要多會遇到蓄水範圍邊坡崩塌地問題, 加上受到 921 地震之影響, 台灣各地水庫上游河道輸砂量均普遍偏高而影響庫容另以南化水庫及牡丹水庫為例, 根據民國 93 年水庫清淤之檢討與評估報告, 南化水庫區右岸順向坡坡腳之崩積物易受沖刷而加速水庫淤積 ; 而牡丹水庫集水區地質由頁岩及薄砂頁岩構成, 易滲水軟化, 造成沖蝕及崩塌, 河系中西北區岩性脆弱, 為水庫集水區淤砂之主要來源加上集水區不當利用, 常導致泥砂隨逕流流入庫中, 本計畫於後續在水庫淤積處置及排砂效益評估上, 須針對不同類型之水庫集水區產砂特性, 提出合適之因應對策 ( 二 ) 水庫來砂量估算根據經濟部水利署水利規劃試驗所, 於民國 99 年 4 月完成之永續 (Sustainable) 水庫規劃技術參考手冊 - 防淤篇 ( 草案 ) 可知, 在維持水庫庫容時, 上游砂源係指水庫尾端以上所有來砂, 包括源自集水區表土流失蝕溝沖蝕崩塌地及河床與岸坡沖蝕之泥砂等依泥砂運移原理, 來砂可分為細顆粒懸浮質 Qs(Suspended Load) 與粗顆粒推移質 Qb(Bed Material Load), 由於水庫集水區內懸浮質與推移質之來源可能有別, 其在水庫內之淤積部位及淤積量亦有所不同對水庫淤積而言, 顆粒較大的 Qb 通常便落淤於水庫壅水區, 形成所謂的淤積三角洲, 較細的 Qs 則可能在越過三角洲頂部後揚起成為懸浮質, 並在符合一定條件後形成異重流潛入庫區, 進而形成佔據水庫庫容之淤泥, 減少水庫壽命並增加無法正常營運之摘 -4

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要風險台灣地區水庫之淤砂粒徑調查資料較為零散, 而部分中大型水庫淤砂粒徑分佈 ( 例如德基石門曾文南化 ) 與日本水庫淤砂分佈頗為類似 ( 圖 3.2-26), 大致可分為三大群組 : 1. 沖瀉質 : 粒徑 D50 介於 0.01~0.001mm 2. 懸移質 : 粒徑 D50 介於 0.1~0.01mm 3. 推移質 : 粒徑 D50 大於 1~0.1mm 表 3 各水庫淤砂粒徑調查一覽表水庫名稱主要位置 D50 D90 士林攔河堰壩前左側 12.5mm 50mm 壩前右側 19mm 60mm 德基水庫庫區 0.0083mm - 晉元溪 13cm 26cm 佳陽溪 15cm 40cm 成武溪 14cm 35cm 劍陽溪 15cm 41cm 劍山溪 15cm 37cm 達盤溪 13cm 32cm 必坦溪 32cm 61cm 曾文庫區壩前段 0.0088~0.02mm - 庫區前坡段 0.008~0.13mm - 庫區頂坡段 0.015~0.047mm - 庫區尾部段 0.17~6.21mm - 馬鞍壩調整池河床 12.5mm 75mm 日月潭水庫壩前 0.0179mm 0.03mm 鯉魚潭流壁下游 24.98mm 314.15mm 大克溪出口 11.91mm 201.17mm 爽文溪 7.71mm 152.40mm 坪林溪 ( 電廠出口河段 ) 191.28mm 408.45mm 水庫庫區 ( 景連橋 ) 0.12mm 0.23mm 水庫庫區 ( 歸安橋 ) 0.02mm 0.09mm 石岡壩壩前 0.2mm 0.33mm 長庚橋上游 0.5mm 7.0mm 沙蓮溪匯流口 52.0mm 78.0mm 集集攔河堰壩前 0.1mm - 庫區中間 0.1mm - 庫尾 62.68mm - 高屏溪攔河堰壩前右岸 0.5mm 7.0mm 摘 -5

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要翡翠水庫水庫壩前 0.019mm 0.054mm 庫區中間 0.028mm 0.102mm 庫尾 0.034mm 0.089mm 永安 0.032mm 0.090mm 魚逮魚堀溪 1.802mm 7.513mm 北勢溪 6.10mm 11.795mm 金瓜寮溪 2.717mm 11.283mm 仁義潭壩前 -1 0.012mm 0.060mm 壩前 -2 0.016mm 0.052mm 石門七號沉澱池 0.0067mm 0.11mm 白河庫區 <0.062mm <0.1mm 阿公店 - <0.01mm <0.05mm 鏡面庫區 <0.04mm - 尖山埤庫區 0.05mm - 資料來源 :1. 各水庫管理單位提供 2. 98 年度水庫淤積潛勢評估, 經濟部水利署七氣候變遷及水庫防淤技術文獻有關國外氣候變遷及水庫防淤文獻探討, 本計畫主要蒐集世界大壩學會 (ICOLD) 以及日本中國等壩工經驗豐富國家的近 10 年的文獻為主要蒐集對象, 本計畫目前已蒐集之文獻可參見表 4 所示表 4 近年來國際水庫防淤文獻一覽國別文獻作者 ICOLD Management of Siltation In Existing And New ICOLD(2009) Q89 Reservoirs( 已建水庫和新建水庫泥砂淤積管理 ) ICOLD Upgrading Of Existing Dams( 大壩更新 ) ICOLD(2009) Q90 ICOLD Sedimentation control of reservoirs ICOLD, Bulletin 67 Guidelines(1989) ICOLD Dealing with reservoir sedimentation(1999) ICOLD, Bulletin 115 ICOLD Sediment transport and deposition in reservoirs ICOLD, Bulletin 140 大陸泥沙設計手冊水利水電規劃設計總院大陸水庫淤積韓其偉等美國 Reservoir Sedimentation Handbook(2009) Morris &Fan 美國 Erosion and Sedimentation Manual(2006) 內政部墾務局英國 Evacuation of sediments from reservoirs(2001) HR Wallingford: Rodney White 英國 The Feasibility of Flushing Sediment from HR Wallingford: E. Atkinson Reservoirs(1996) 日本ダムの堆砂対策技術ノート(2008) ダム水源地環境整備中心日本ダム貯水池の堆砂および濁水に関する調査報日本ダム工學會告 (2001) 日本ダム堆砂量推計の手引き( 案 ) 國土交通省治水. 環境課摘 -6

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要國別文獻作者日本ダムの排砂対策の現状と課題 (2001) 日本大ダム會議 (JCOLD) 日本貯水池の土砂動態検討およびダムの土砂調節日本大ダム會議 (JCOLD) 効果 (2007) 韓國氣候變遷對大壩之挑戰 (2009) 韓國大壩協會 (KNCOLD) 聯合國 Reservoir sedimentation: impact, extent and mitigation( 水庫淤積衝擊情況與減緩 ) 世界銀行 Mahmood K (1987) 聯合國 Reservoir sedimentation and the sustainable management of dams( 水庫淤積與水庫永續管理 ) 世界銀行 Palmieri A (1998) 聯合國 Method of computing sedimentation in Lake and Reservoirs UNESCO(1985) 八水庫供水及防洪減淤之探討 ( 一 ) 淤積對公告水庫供水與防洪影響淤積對水庫之影響主要為有效庫容的降低, 尤其台灣地區水庫多採高水位運轉, 三角洲形成區位多位在有效庫容區, 只有懸移載才落淤至壩前區域, 因此淤積對台灣水庫的蓄水庫容 ( 有效庫容 ) 影響甚大我國水庫總供水量約 44 億立方公尺 / 年, 佔整體供水量 21% 左右, 與現況水庫有效庫容 19.2 億立方公尺來看, 水庫運用比約 2.3, 故水庫淤積對於水庫供水功能, 將有直接的影響國內水庫淤積對水資源運用之影響為淤積區位分佈主要發生在有效蓄水區, 佔全國總庫容 98% 之 26 座重要水庫之淤積量共有 7.83 億立方公尺, 其中有效庫容淤積佔 4.6 億立方公尺 ( 佔 58.7%), 呆庫容淤積為 3.23 億立方公尺 (41.3%), 由此可知, 我國水庫因屬於高水位運轉, 淤積區位有一半落於有效庫容區, 故對水資源影響極大 ( 二 ) 淤積對公告水庫防洪影響另由於台灣地區目前以防洪為主要標的之水庫不多, 以 26 座重要中大型水庫來看, 有防洪功能之水庫只有 5 座, 包括翡翠石門大埔曾文阿公店水庫, 由水庫防洪庫容受到淤積影響來看, 其防洪庫容都發生減少之現象此一防洪庫容減少代表對洪水調滯空間的減少, 故會影響中小型洪水的調滯時間 ( 三 ) 水庫排砂清淤及淤泥處置等方法及法規探討國內具有排砂設施水庫, 扣除已遭泥砂淤塞的西勢水庫, 則只有 10 座, 其中與公共用水水源運用有直接相關者, 只有翡翠水庫與鏡面水庫, 摘 -7

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要其餘如榮華壩德基水庫谷關水庫明湖下池水庫明潭下池水庫等 5 座係屬於發電用水庫, 而大埔水庫阿公店水庫尖山埤水庫只有部分公共用水水源功能 ; 至於石門水庫鯉魚潭水庫白河水庫曾文水庫南化水庫牡丹水庫等水庫並無專用之排砂設施, 主要以取出水工或河道放水口放流部分渾水, 但由於取出水工 / 河道放水口之設計流量較低且底檻標高較高, 故只能在發生異重流時排放部分渾水, 減少沖潟載落淤且排砂比不高, 故只能作為輔助型的排砂設施各類水力排砂對策 - 包括沖砂洩砂繞庫排砂異重流排砂及水壓吸引排砂對策為本節主要討論之重點, 有關各種排砂對策之特性可參見表 5 所示表 5 各種排砂對策特點比較水庫排砂對策操作規則底孔要求排砂臨前狀況排砂特點沖砂洩砂空庫排砂出流量 > 入流量洩降排砂出流量 > 入流量洩洪排砂入流量 < 出流量滯洪排砂入流量 > 出流量同上底孔深度愈深愈佳底孔愈早打開效果愈佳底孔愈低效果愈佳須放空水庫水位儘可能降低於低水位操作時效果最佳自由排砂無閘門控制同上無限制繞庫排砂高含砂洪水愈低愈佳異重流排砂 / 渾水潭排砂高含砂洪水底孔必須設於異重流 / 渾水潭行經位置較佳汛期間, 水庫必要維持低水位低水位操作, 水庫需有一定滯洪空間進庫流量達到某一門檻值庫水深度足夠 1. 可排除底孔上游的前期淤砂, 並有溯源沖刷的效果 2. 地形水文條件配合, 可以維持長期庫容 1. 只能排除底孔前一定範圍的淤砂, 並形成沖刷坑 2. 汛期可結合異重流排砂, 減少來砂落淤 3. 須結合其他手段來維持長期庫容 1. 主要針對洪水來砂予以排除及部分前期淤砂 2. 配合蓄清排渾操作, 可以維持長期庫容 1. 壅水情況下, 可結合異重流排砂 2. 減淤為主, 排淤為次, 須結合其他方式來維持長期庫容 1. 不須閘門操作, 亦可維持蓄洪空間 2. 僅適用於防洪單目標水庫 3. 地形水文條件配合可維持長期庫容 1. 將高含砂洪水排至下游 2. 洪水量大於設計流量時, 含砂水流仍入庫 3. 隧道磨損需考量 1. 不須降低庫水位 2. 每座水庫發生異重流的機制不同, 且異重流需有一定臨前水深 3. 減淤為主, 排淤為次, 須結合其他排砂對策來維持長期庫容摘 -8

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要九水庫排砂之調查的運用條件分析我國水庫排砂對策仍處於起步階段, 雖然目前國內各重要水庫已陸續展開水庫排砂規劃, 但實際上各水庫集水區的水砂觀測資料, 除石門水庫近年來有較多觀測資料外, 其餘水庫的觀測資料仍顯不足, 包括水庫集水區土砂觀測資料的系統化, 水庫颱洪期間入庫與出庫水砂資料觀測水庫異重流觀測水庫淤積測量淤積土砂物性調查等都缺乏資料, 以致於國內水庫防淤規劃工作的排砂比計算, 仍採用與台灣水文與地文條件差異甚大的恆山水庫公式來推估, 尚無本土化的水庫排砂經驗公式美國水庫排砂專家摩里斯 (Morris) 曾在 1995 年, 針對開展中的印度水庫排砂工作提出三大發展策略, 對照今日台灣水庫排砂處境, 這三大策略可供我國加以採用 : ( 一 ) 篩選水庫針對國內發生土砂問題的水庫, 進行重點篩選, 選擇具有代表性與特殊性的水庫, 究其發生原因, 特別是具有土砂災害特別嚴重的集水區, 訂定分期計畫, 將經費集中在數座重點水庫, 並進行深入研究, 俟有成果後, 則可以整合為本土經驗, 並供有類似情況的水庫參考 ( 二 ) 成立重點水庫土砂試驗中心水庫土砂研究的關鍵問題多半出在基本水砂觀測資料不夠, 特別是水砂的運移特性, 致使我國目前的排砂工程規劃上, 產生沒有基本資料對於工程設計上的定量要求將產生困擾, 為此, 有必要針對重點水庫成立試驗站, 定期觀測並進行研究, 透過實際資料觀測, 才可能回饋到工程實務面與管理面 ( 三 ) 國際知識轉移針對國際上新的水庫排砂新知識, 水利業務部門應積極了解, 特別是與本土水庫有類似情形的國外案例, 整合國外智慧與本土智慧, 也可以強化本土水庫排砂經驗依據前述三大策略的精神, 本計畫建議可從強化重點水庫土砂資料分析 ( 針對要實施排砂計畫的水庫 ) 及排砂實際觀測 ( 已有排砂設施 ) 兩部分雙管齊下, 建立本土排砂知識十氣候變遷對水庫淤積之衝擊評估摘 -9

西元年氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 接要水庫來砂量變動趨勢, 本計畫係以下列 5 種變化條件下, 乘上囚砂率而得到各目標年之水庫淤積量, 茲就 5 種來砂量變化條件說明如次 : 1. 按建庫迄今的趨勢成長 : 各水庫依其建壩迄今的年來砂量進行預測 2. 按歷史基期之趨勢成長 : 各水庫依 1980 至 1999 年, 共 20 年統計平均之年來砂量進行預測 3. 按近未來基期之趨勢成長 : 各水庫依 2000 至 2009 年, 共 10 年統計平均之年來砂量進行預測 4. 按洪水量增幅之趨勢成長 : 本計畫假設洪水量與年最大日暴雨量增幅呈正比, 故水庫來砂量 ( Q ) 與洪水量 ( Q ) 成正比 s 5. 按洪水量 2 倍增幅之趨勢成長 : 假設年最大暴雨與洪水量的平方呈正比, 以首階分析 (First Order) 理論, 則水庫來砂量與洪水 2 倍增幅成正比計畫中選擇之 10 座重要水庫, 其總庫容佔全台灣 73%, 而雨量變化趨勢則以 10 座重要水庫為分析對象, 以推估氣候變遷下短 (2030 年 ) 中 (2050 年 ) 及長期 (2090 年 ) 水庫剩餘庫容台灣地區水庫剩餘庫容推估成果如表 6 所示, 針對未來全台灣水庫剩餘庫容受氣候變遷之影響, 本計畫選擇以近未來基期及與逕流量增幅之趨勢成長所得結果, 即受到氣候變遷之影響, 未來短中及長期全台灣剩餘庫容, 應分別為 1317.05~1406.31 百萬 m 3 (2030 年 ) 808.88~984.42 百萬 m 3 (2050 年 ) 及 500.27~519.14 百萬 m 3 (2090 年 ) 按建庫迄今之趨勢成長表 6 各氣候變遷假設條件下台灣水庫剩餘庫容變化情形單位 : 百萬立方公尺減少量按歷史基期之趨勢成長減少量按近 10 年淤減少量積之趨勢成長與逕流量增幅之趨勢成長減少量與逕流量平方增幅之趨勢成長減少量 2010 年 2052.93-2052.93-2052.93-2052.93-2052.93-2030 年 1604.92 448.01 1684.78 368.15 1317.05 735.88 1406.31 646.62 1257.63 795.30 2050 年 1233.16 819.77 1439.27 613.66 808.88 1244.05 984.42 1068.51 753.69 1299.25 2090 年 701.38 1351.55 1069.34 983.59 500.27 1552.66 519.14 1533.79 427.00 1625.94 摘 -10

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) ABSTRACT ABSTRACT Climate change cause the extreme hydrological characteristics, that is coastal storm surge erosion, increasing flood, sediment disaster, drought crisis and the deterioration of water environment. As to the reservoir, since the increased flood and increased sediment disaster, resulting in inadequate spillway capacity and higher sediment load, but also caused accelerated reservoir sedimentation, resulting in long-term water utilization crisis, and may result in water supply turbidity. To this end, in response to this challenge, our current reservoir operations management has to take account of the following strategies: 1. Strengthen the operation of flood mitigation Increased in response to climate change impact of the flood, so the amount of reservoir must be increased or the flood discharge capacity to cope with the impact of increased flooding, increased flood storage which may crowd out the capacity of the existing water allocation, and therefore to increase the discharge capacity on the implementation of more feasible. Strategies to increase spillway capacity may be another reservoir desilting operation with the same time, the reservoir can be side discharge, side of the row of sand, to reach a win-win. 2. Strengthen the operation of reservoir desilting Reservoir silting operations are mainly to prevent rapid sedimentation reservoir, as reservoir watershed increased sand production reasons, many reservoirs face the dilemma of decreasing capacity, and reservoir silting operations, can be divided to three parts: there are reduce sediment inflow strategy, promote sediment pass-through the reservoir and the removal of sediment deposition, respectively. The measure that uses the natural energy to evacuate sediment is namely hydraulic sediment releasing. This measure will be take account as the priority of reservoir desilting scheme because of its benefit on cast-saver than traditional dredging and excavation. However, the gap of hydraulic sediment releasing scheme has limited on hydrologic and topographic characteristics of each site. 3. Ensure the available capacity A-1

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) ABSTRACT The main measures to ensure that available capacity is to maintain long-term use of reservoir storage capacity, one way to achieve this in addition to enhanced reservoir desilting, the most common way for new water storage facilities to increase storage capacity, or redevelop the existing reservoir such as enhanced the height of reservoir. 4. Strengthen the water supply management of reservoir The more sediment inflow is increasing, the more water turbidity is increasing during the flood period. Therefore, it will affect the stability of water supply especially to the domestic water, the better solution to increasing alternative water source or increasing the redundant water facilities. A-2

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 結論與建議結論與建議一結論 ( 一 ) 我國水庫建設速度小於水庫淤積速度, 為求水資源能永續利用, 除了重要水庫須加緊進行水庫排砂對策外, 還要配合各種水資源策略雙管齊下, 以確保水庫的可用庫容 ( 二 ) 我國近 10 年來暴雨規模有增加的趨勢, 此對水庫的防洪與防淤影響甚大, 而水庫亦有可能在一場洪水中, 使水庫的庫容銳減, 故水庫排砂對策除了要面對氣候變遷, 也要能因應大型洪水 ( 三 ) 確保水庫庫容的排砂方法中, 只有空庫排砂與洩洪排砂有成功案例, 但其缺點為操作時須降低庫水, 影響水資源運用, 而單靠異重流排砂, 雖可在高水位操作, 但只能排洪水時之沖瀉載, 且必須配合推移質清淤與庫區浚渫, 才有可能維持長期庫容 ( 四 ) 考量氣候變遷因素, 並以 2030 年為目標年時, 未來水庫淤積量可能會新增 4~8 億立方公尺, 因此我國水庫機械清淤量必須提升至每年 2,000~4,000 萬立方公尺才能應付淤積潛勢, 若無法提升, 則必須考量其他水資源戰略 ( 五 ) 本計畫統計台灣地區 96 座公告水庫得知, 國內水庫設計總庫容為 28.7 億立方公尺, 設計有效庫容為 24.1 億立方公尺, 而最新一次測量資料顯示, 國內現況水庫總庫容為 20.5 億立方公尺, 現況有效庫容為 19.2 億立方公尺, 總淤積量為 8.2 億立方公尺, 其中有效庫容淤積量為 5.9 億立方公尺, 呆庫容淤積量為 2.3 億立方公尺, 顯示我國水庫因多屬高水位操作, 致大部分淤積落於有效庫容區 ( 六 ) 我國水庫因採高水位操作, 故淤積區位多發生在有效蓄水區, 因此水庫淤積直接影響到有效庫容, 對於水資源運用的影響頗大, 為此, 我國水庫防淤實克不容緩 ( 七 ) 台灣未來水庫的庫容維持可分成三種模式來看, 第一種為傳統水庫經營模式, 本類型水庫無排砂設施, 主要以機械清淤為主, 這些水庫主要適用於來砂量較小的水庫, 例如離島水庫 ; 第二種類型為部分土砂平衡類型, 本類型水庫因蓄水量較大, 為避免影響供水, 可能無法在低水位進行排砂 ( 如沖砂洩砂 ), 只能採取高水位結 -1

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 結論與建議二建議的異重流排砂 / 渾水排砂, 但此種排砂方式只能排除未落淤之細粒來砂, 無法排除淤砂, 故不足以維持長久有效庫容, 最後仍須配合執行機械清淤才能維持庫容 ; 第三類型則為完全土砂平衡, 本類型水庫庫容較小, 逕流條件佳, 可以在低水位排除來砂與淤砂, 故有機會可藉由水庫排砂來維持長久有效庫容 ( 一 ) 由中國的水庫調水調砂經驗可知, 要達到調水又調砂, 必須擁有大容量水庫與大洩量底孔, 而這 2 種條件, 國內水庫短期內尚難達到 ( 二 ) 近 10 年來國際上水庫排砂已出現新的工藝與思維, 例如異重流排砂的帷幕工法潛堰工法制流模工法, 這些新工法的費用相較於傳統工法較符工程經濟, 但亦有其適用之條件, 故建議國內水利業務單位可至國外考察相關新工藝, 並研究於台灣的適用性 ( 三 ) 水壓吸引排砂工法之優點為排砂效率高, 且可於高水位運轉時操作, 為此, 其理論雖是傳統的虹吸抽泥經驗, 但在吸引頭部的工藝已較以往成熟, 且發展相關的自動控制技術, 該工法對於我國水庫的防淤有一定的參考價值, 故建議國內水利業務單位可至國外考察此一新技術, 供相關部門參考 ( 四 ) 國內幾座與水資源有重要關係之水庫, 包括石門曾文南化烏山頭霧社水庫目前正辦理水庫排砂計畫中, 然除石門水庫的基本資料較多外, 其他水庫的資料較為欠缺, 建議為規劃設計需要與未來營運管理, 這些水庫有必要設置固定的水砂觀測站 ( 五 ) 國內共有 10 座水庫有排砂設施, 包括谷關水庫翡翠水庫榮華壩德基水庫明潭下池水庫明湖下池水庫鏡面水庫大埔水庫阿公店水庫尖山埤水庫等, 這些水庫之排砂操作種類包括空庫排砂洩降排砂洩洪排砂滯洪排砂等型態, 這些水庫所建立排砂觀測資料, 除了可以建立本土化排砂公式外, 對於我國水庫排砂事業的規劃與設計排砂操作規範之擬定, 都有很大幫助 ( 六 ) 國內共有 8 座水庫之河道放水口或取出水工有排砂功能, 包括石門水庫鯉魚潭水庫明湖下池水庫明潭下池水庫白河水庫曾文水庫南化水庫牡丹水庫, 這些水庫的排砂型態屬於渾水排砂, 本計畫建議這些水庫宜配合河道放水口或取出水工放流時, 同時量結 -2

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 結論與建議測流量與含砂濃度, 並且研究放流濃度與水庫泥砂入流濃度入流流量之關係, 以求得本土排砂相關經驗 ( 七 ) 現行水利法施行細則規定, 設有洩洪閘門之水庫, 於洪水期間水庫水位上升段, 其最高放水流量, 不得大於流入水庫之最高流入量 ; 水庫放水量之增加率, 不得超過該水庫流入量之最高增加率此一規定, 乃以水庫防洪為考量, 未來水庫排砂作業時, 可能會與水利法施行細則互相衝突, 建議可再研議相關規定, 以符未來之需要 ( 八 ) 各種水庫排砂對策中, 空庫排砂之排砂效率最佳, 但採取空庫排砂必須耗費大量水資源 ; 而繞庫排砂對於現有水庫的運轉影響最小, 但排砂隧道所費不貲 ; 而異重流排砂雖可在高水位下操作, 但只能排除來砂的沖瀉質而無法排除前期淤砂 ( 九 ) 實施水庫排砂最終都會影響既有水源運用功能, 建議可研議規劃北中南各區之備援水庫以補充重要水庫排砂期間失去之水資源 ( 十 ) 我國重要水庫集水區的水砂監測系統尚不完整, 建議宜儘速於水庫的上下游設置固定之水砂監測站, 以了解進出水庫的流量輸砂量 ( 懸移載與河床載 ) 特性, 確定水庫土砂收支平衡在時間與空間上之分佈特性, 作為水庫排砂對策與水庫防淤管理之參考 ( 十一 ) 在面對氣候變遷下的水庫防洪防淤議題上,2030 年目標年的短期水庫排砂對策上, 主要是以強化水庫防洪防淤策略, 以維持水庫庫容 ;2050 年 ( 中程 ) 或 2090 年 ( 長程 ) 的水庫排砂策略則要一併結合水庫的老化問題與更新改善問題, 進行整體考量結 -3

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 1.1 計畫緣起第一章前言經濟部水利署 ( 以下簡稱本署 ) 於 2009 年度完成氣候變遷對水環境之衝擊與調適研究計畫第 1 階段管理計畫, 規劃於後 4 年內 (2010~2013 年 ) 推動氣候變遷對水環境之衝擊與調適研究計畫科技研究發展專業計畫 ( 以下簡稱主計畫 ), 作為本署因應全球氣候變遷可能對水資源旱災防洪及海岸防護等掌理事項造成之衝擊及其調適策略研定之基礎台灣地區山高坡陡, 河短流急 ; 雖雨量豐沛, 但豐枯懸殊因此, 水資源利用乃採用興建水庫方式來調豐濟枯, 然因地質條件欠佳, 山區地質鬆軟, 近年每逢颱風暴雨來襲, 坡地往往產生大量沖蝕崩塌, 進而流入水庫集水區導致蓄存水源的水庫嚴重淤積, 並使水庫有效容量大量減少, 減損水庫的供水功能為此, 在有限水資源條件下, 欲滿足現況及因應未來用水持續成長情境, 除須持續開發可利用水源外, 現有水庫功能之維持也同等重要, 尤以水庫防淤管理措施至為重要, 以避免既有水庫容量的損失和供水能力降低台灣未來可供興建水庫之優良壩址已逐漸減少, 水庫興建也日益困難, 故加強現有水庫保育, 維護既有功能, 必須雙管齊下強化水庫的減淤與排砂工作, 若加上氣候變遷的威脅, 未來水庫將面臨洪水量增加與來砂量增加的雙重挑戰 ; 爰此, 今後水庫排砂對策除了要解決目前水庫淤積的困境, 也要積極面對氣候變遷帶來之挑戰, 使水庫可以永續利用 1.2 計畫目標本計畫目標為研究在氣候變遷影響下, 確保現有水庫功能及延長水庫壽命的方法, 並評估氣候變遷可能帶來之衝擊與因應之道, 俾擬定我國因應氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂之風險管理及調適策略, 以供決策單位參考 1.3 工作範圍本計畫工作範圍包括列入民國 99 年 8 月最新公告之南溪壩, 目前已公 1-1

氣候變遷下水庫排砂對策研究(1/2) 第一章前言告水庫增加至 96 座包括本島 67 座水庫與離島 29 座水庫如圖 1.3-1 與圖 1.3-3 所示圖 1.3-1 台灣地區主要水庫分佈概況(本島興澎湖) 經濟部水利署 Wa t e r R e s o u r c e A g e n c y, 1-2

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言圖 1.3-2 台灣地區主要水庫分佈概況 ( 金門 ) 圖 1.3-2 台灣地區主要水庫分佈概況 ( 馬祖 ) 1-3

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 1.4 工作項目與內容本計畫全期分成 2 年 (99 年 ~100 年 ) 時間執行, 以完成因應氣候變遷下水庫供水營運及防洪減淤排砂風險管理及調適策略之研議依據招標文件規定, 本計畫之工作項目與內容可分列如表 1.4-1 所示表 1.4-1 本計畫工作項目民國 99 年度民國 100 年度 1. 蒐集整理國內外相關氣候變遷及水庫防淤技術文獻 1. 氣候變遷下水庫供水廣泛蒐集國內外相關文獻及目前公告水庫淤積及營運及防洪減淤排砂執行防淤策略資料, 並就其資料內容型式格式及評估應用性等考量進行評估, 以作為評估參考並提出具體研擬在氣候變遷建議衝擊下, 國內水庫供 2. 水庫供水及防洪減淤之探討水營運及防洪減淤排 ( 1) 蒐集已公告水庫興建時間水庫完工及目前容砂之風險管理及調適量供水標的最大入 ( 出 ) 流量及平均年入 ( 出 ) 策略對策流量淤積物來源粒徑分佈淤積量清淤量及 2. 訂定氣候變遷下水庫清淤方式等供水營運及防洪減淤 ( 2) 公告水庫淤積造成供水及防洪影響探討, 水庫排排砂之風險管理及調砂清淤及淤泥處置等方法及法規探討適策略參考手冊 ( 3) 國外如日本及大陸地區排砂對策, 效益探討及其研擬不同類型水運用之排砂技術庫之建議淤積處理程 ( 4) 現階段國內水庫之淤積處置對策及其水庫排砂效式, 排砂建議對策及益評估方案, 製作氣候變遷 3 氣候變遷對水庫淤積之衝擊評估下供水營運及防洪減 ( 1) 分析氣候變遷下, 台灣地區短中長期目標年淤排砂之風險管理及土砂量之變化情境, 並評估氣候變遷對水庫淤積之調適策略參考手冊衝擊 3. 辦理教育訓練講習 ( 2) 國外如日本及大陸地區氣候變遷下如何處理水庫 4. 完成彙編氣候變遷下排砂提出歸納建議水庫排砂對策研究 4 辦理教育訓練講習 (2/2) 報告及總報告 5 完成彙編氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 1-4

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 1.5 工作進度本計畫履約期限自決標之次日至 99 年 12 月 15 日止, 預定工作進度如表 1.5-1 所示表 1.5-1 工作預定進度甘梯圖月次 1 2 3 4 5 6 7 工作項目年別 99 年月份.6.7.8.9.10.11.12 一蒐集整理國內外相關氣候變遷及水庫防淤技術文獻二水庫供水及防洪減淤探討三氣候變遷對水庫淤積之衝擊評估四教育訓練講習查核點期初 8/24( 期中 ) 11/10( 期末 ) 預定進度累計百分比 10 25 50 70 85 95 100 1.6 本報告相關用語說明本節主要針對本計畫相關的氣候變遷與水庫排砂相關用語進行說明, 由於國內近年相關研究報告所引用的文獻所採用的中文用語並未統一, 使國人在研讀上產生混淆不清, 而國外因氣候變遷或水庫排砂的研究歷史較我國為久, 且有相關學術單位整合, 故英文用語或日文用語的定義較中文明確, 故本節用語說明亦將臚列相關用語對應英日語, 茲分別說明如下 : 1.6.1 氣候變遷相關用語本節氣候變遷之用語說明主要引自國內氣象法世界氣象組織 (WMO) 日本國土交通省氣象廳之文獻, 有各相關用語對應的英文日文與中國用語, 可參見表 1.6-1, 各用語並說明如次 : 1. 氣象 (Meteorology): 指大氣諸現象 ( 氣象法第 1 條 ), 簡言之, 氣象指的就是指大氣裡的風雲雨雪霜露虹電雷等物理現象 2. 氣候 (Climate): 氣候指的就是某地區長時期的氣象狀況的特性, 也就是冷熱乾濕的平均值與變動狀態例如, 恆春四季如春基隆多雨 3. 天氣 (Wether) 天氣指的是短時間所發生的氣象現象, 例如今日天氣炎熱 1-5

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 4. 氣候異常 (Climatic Anomaly) 數十年發生一次的氣候現象, 或是人一生中很少經歷的現象, 換言之, 也就是某地方某時期的氣候現象, 與以往的氣候特徵不一樣, 例如夏天下雪冬天熱浪或連續 2 年以上的乾旱 5. 極端天氣 (Extreme Weather) 當某地某時的天氣嚴重偏離其平均狀態時, 則可意味發生了極端天氣 " 事件按世界氣象組織規定, 當氣候要素與 30 年平均值的差異超過了 2 倍標準差時, 則可將此歸類為極端天氣, 通常乾旱洪澇熱浪和寒害等事件都可以看成極端天氣 6. 氣候變遷 (Climate Change) 氣候變遷指的是氣候狀態的變化, 而這種變化可通過比較其特性的平均值與變動特性來判別 ; 但聯合國氣候變遷框架公約 (UNFCCC) 第 1 條將氣候變遷定義為在可比對時期內, 所觀測到的自然氣候變化之外的氣候特徵, 並可直接或間接歸因於人類活動, 所導致大氣成分改變所引來之氣候變化 ", 因此,UNFCCC 所指氣候變遷專指受人類活動影響的部分, 並與受自然原因所影響的氣候變化作出了明確的區分 7. 全球暖化 (Grobal Warming) 全球暖化指的是二氧化碳 (CO 2 ) 及其他溫室氣體, 等排放地球大氣層所造成的, 進而造成溫室效應, 故日光熱能困於地表, 造成地球的溫度上升 IPCC 第 4 次報告指出, 氣候變遷亟有可能受全球暖化所影響, 因此當大氣層的溫室氣體含量愈高, 氣候變遷發生可能性愈高 8. 情境 (Scenario) 為了適應未來氣候變遷的變化與不確定性, 故必須訂定未來溫室氣體的排放情境, 這些資料可從 IPCC 排放情境特別報告 (SRES, Special Report on Emission Scenarios) 中得知, 而各種不同排放情境所所造成的水環境影響也不盡相同 9. 基期 (Baseline) 由於氣候變遷的影響是長期性的, 故進行未來影響預測時, 必須選定過去一段時期 (20 年或 30 年 ) 的水文特性作為比較基礎, 而這段比較基礎的時期則稱為基期, 而未來氣候變遷下的水文預測成果, 則可藉由比較未來基期與歷史基期的平均值與變動特性, 得到氣候變遷的趨勢 1-6

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言本計畫之計算基期, 係參考主計畫氣候變遷對水環境之衝擊與調適研究計畫的基期設定, 採取與日本韓國相同的基期, 以 1980 年 ~1999 年 ( 民國 69 年 ~88 年 ) 共 20 年為分析的歷史基期, 來代表上世紀末 20 年為未受氣候變遷的基準期 ; 另以 2020 年 ~2039 年為氣候變遷短程的分析基期,2040 年 ~2059 年為氣候變遷中程的分析基期,2080 年 ~2099 年為氣候變遷長程的分析基期 10. 調適 (Adaptation) 為了適應氣候變遷所帶來的衝擊, 在無法改變氣候變化的趨勢下時, 自然或人類系統在實際或預期的氣候演變刺激下, 所採取的一種調整適應手段, 這種調適手段會降低氣候變遷的危害影響得到緩解, 並可能創造各種有利機會 11. 減緩 (Mitigation) 為了降低氣候變遷可能帶來的衝擊, 也就是採取節能低碳的策略, 並包括綠色能源與固碳等手段, 儘量減少溫室氣體的排放量, 進而減緩地球暖化, 來降低氣候變遷的影響表 1.6-1 本節相關用語中英日語對照 ( 氣候變遷部分 ) 項次本報告用語對應的英文用語日文用語中國用語 1 氣象 Meteorology 気象气象 2 氣候 Climate 気候气候 3 天氣 Weather 天気天气 4 氣候異常 Climatic Anomaly 異常気象气候异常 5 極端氣候 Extreme Weather 極端な天気极端气候 6 氣候變遷 Climate Change 気候変動气候变动 * 7 全球暖化 Global Warming 地球溫暖化地球暖化 * 8 情境 Scenario シナリオ情景 * 9 基期 Baseline 基準時期基期 10 調適 Adaptation 適応适应 * 11 減緩 Mitigation 緩和减缓註 : * 表中國大陸用語與台灣用語有差異 1.6.2 水庫防淤相關用語有關水庫防淤相關用語對應的英文日文與中國大陸用語, 可參見表 1.6-2 所示, 本報告的水庫防淤用語則分別參見以下之說明 : 1. 排砂 (Sediment Releasing) 排砂用語, 主要散見中國台灣日本韓國等國的文獻, 歐 1-7

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言美國家則較少使用, 英文用語則爰引中國水利水電工程技術術語標準, 稱為 Sediment Releasing 1, 中國大陸多半使用排沙用語, 台灣日本韓國文獻則使用排砂用語本計畫的水庫排砂所指的是水力排砂, 因此排砂的範疇包括沖砂 (Sediment Flushing) 洩砂 (Sediment Sluicing) 通砂 (Sediment Routing), 指的是利用水力方法, 將水庫的來砂與前期淤砂排除至水庫外 2. 沖砂 (Sediment Flushing) 沖砂是藉由打開壩體排砂底孔, 放空庫水或降低庫水位, 使底孔附近之流速加快, 進而使壩前淤積土砂可以重新啟動, 並在庫區內沖出一條河槽或洩降錐, 在洩放庫水同時, 前期的淤積土砂可通過壩體底孔帶往下游, 進而減少庫區內淤砂, 使庫容回復, 且底孔愈低愈大者的沖砂效果愈佳而依據水庫操作的時機與庫水條件, 沖砂可分為以下 2 種 : (1) 空庫排砂 (Empty Flushing) 本操作方式被摩里斯與范家驊 (Morris and Fan, 1998) 稱為完全洩降水位沖砂 (Complete Drawdown Flushing), 本操作方式通常是將水庫洩空後, 不予蓄水, 持續以逕流進行沖砂作業, 使庫區形成臨時性的河道水流, 若庫區為狹谷地形, 且來水量足夠, 且有一定坡降, 這時底孔上游會形成一個沖刷河槽, 並造成溯源沖刷作用, 減少淤積土砂, 參見圖 1.6-1(A) 空庫排砂的水流情況是將水庫的水理調整為河川水理情況, 故擁有最佳的排砂效果, 但由於空庫排砂操作時, 必須降低庫水位, 故對於水資源運用有不利之影響, 故本類型的排砂對策, 多於發電防洪或灌溉功能的水庫進行應用, 水源運用功能的水庫則鮮少採取空庫排砂對策空庫排砂可採取多年一次實施的方式, 而達到長時期內水庫之沖淤平衝, 然而空庫排砂的操作前提, 必須維持一段空庫的時段, 其對於水庫的水資源功能, 勢必大打折扣, 故並非每一個水庫都可以適用 1 另在摩里斯與范家驊 (1998) 的 Reservoir Sedimentation Handbook 也提到此一用語, 而國外文獻中, 亦有使用 Sediment Discharge 用語, 但因 Sediment Discharges 在 ICOLD 規範中另指輸砂量, 故本計畫仍採用 Sediment Releasing 1-8

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 (2) 洩降排砂 (Drawdown Flushing) 洩降排砂是在水庫未空庫時, 利用洩降水庫水位過程中所形成的水流沖刷力量, 來攪揚水庫內淤積土砂, 其與空庫排砂相同處為同樣利用壩體底孔來沖刷淤砂然因洩降排砂操作過程屬於孔口流狀態, 其有效沖刷範圍僅倨限於底孔附近, 其排砂效果有通常有限圖 1.6-1 沖砂期間的縱剖面圖 1-9

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言當洩降沖刷之水位低於庫尾高程時, 亦可增加庫尾的沖砂流速, 參見圖 1.6-1(B), 當大部分淤積土砂從庫尾被沖走, 再輸移至壩前, 最後操作沖砂底孔, 以形成沖刷錐並帶走壩前土砂, 參見圖 1.6-1(C) 所示洩降排砂並非將庫水洩盡方休, 因依賴儲水設施洩降排砂亦可視為進行空庫排砂或洩洪排砂操作的前奏, 因空庫排砂必須將水庫洩空, 而洩洪排砂操作則必須維持庫水於低水位洩降排砂雖沖刷範圍只侷限於底孔附近, 但許多水庫之底孔附近往往配置重要的進水口, 故洩降排砂仍可作為維護進水口正常操作的主要對策 3. 洩砂 (Sediment Sluicing) 洩砂通常於洪水時段操作, 先洩降庫水至某一程度, 使來洪在沒有壅水狀況下, 維持其流速, 將洪水期所挾土砂, 穿過壩體底孔, 排入下游河道, 而此種操作方式也能將庫內部分淤砂一併排除洩砂操作的基礎主要排除當次洪水狹帶之土砂, 在未落淤前予以排除, 故洩砂與沖砂最大不同處為洩砂主要針對洪水來砂, 而沖砂則是針對前期淤砂, 但因洩砂與沖砂的操作方式都是透過壩體底孔操作, 故馬哈穆德 (K. Mahmood, 1987) 阿特金森 (Atkinson, 1996) 將洩砂視為沖砂操作的特殊情況圖 1.6-2 沖砂與洩砂示意圖沖砂 (Sediment Flushing) 與洩砂 (Sediment Sluicing) 通常都是利用壩體的底孔進行操作, 圖 1.6-2 為日本黑部川水系的宇奈月壩與出し平壩兩座串聯水庫的沖砂 ( 日本原文稱排砂 ) 與洩砂 1-10

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言 ( 日本原文稱通砂 ) 的操作示意圖, 由上可知, 沖砂的主要對象是水庫的前期淤砂, 而洩砂的主要對象則是當場洪水的來砂洩砂操作時, 會因來洪條件與水庫臨前條件的不同, 會出現以下幾種情況 : (1) 洩洪排砂 (Flood Sluicing 2 ) 當洪水來臨時, 先洩降庫水至一定程度 ( 洩降排砂 ), 透過底孔進行洩洪與洩砂, 此種洩砂方式多於洪水來臨洩洪時操作, 故王文江 (1996) 稱此方式為洩洪排砂, 近年來中國學者韓其為 (2003) 近年在水庫淤積一書中, 則稱此種操作為敞泄排砂 3 (2) 滯洪排砂 (Detention Sluicing) 當洪水來量大於壩體底孔洩洪量時, 洪水必須於庫區內調滯, 且此時庫水產生壅水現象陝西省水利水土保持廳 (1989), 則稱此操作為滯洪排砂 4, 另中國學者韓其為 (2003) 則稱此種操作為壅水排砂 5, 而該作者亦提及受到水庫洪水臨前狀況與壅水作用, 滯洪排砂過程亦有可能出現異重流情況 (3) 自由排砂 (Uncontrolled Sluicing) 本操作方式主要應用於無底孔閘門的防洪水庫, 該類型水庫平時乾涸, 故歐美國家慣稱為 Dry Dam, 其壩體底部係設置無閘門排洪底孔, 其排砂過程綜合了前述洩洪排砂與滯洪排砂, 參見圖 1.6-3 所示由該圖可知, 洪水上升段 ( 圖 1.6-3A) 在來洪量小於底孔設計排洪量時, 此時會產生洩洪排砂與空庫排砂的綜合效果, 除將上游來砂排除也一併沖刷前期淤積 ; 當洪水量大於設計排洪量時 ( 圖 1.6-3B), 則轉變為滯洪排砂, 此時細粒料會隨洪水排出, 較粗粒料則落淤在三角洲頂部 ; 當洪水消退時 ( 圖 1.6-3C), 此時又會轉為洩洪排砂, 並將上游淤砂帶往壩前 2 Flood Sluicing 出自美國農業部 1943 年的 The Control of Reservoir Silting" 一書中 3 該書中提到行洪排沙 ( 洩洪排砂 ) 用語, 目前中國的泥沙設計手冊亦收錄敞泄排沙用語 4 滯洪排砂另一出處為 1962 年黃委會宣布, 黃河三門峽水庫從蓄水攔沙改為滯洪排沙的操作而得名 5 壅水排砂用語亦收錄在中國的泥沙設計手冊 1-11

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言圖 1.6-3 防洪水庫自由排砂操作示意圖 4. 蓄清排渾 (Storing Clear and Releasing Muddy) 本操作方式主要須配合改變水庫的操作規線, 使水庫在某一期間 ( 通常是汛期 ) 採取河流模式運轉 ( 稱之為排渾 ), 而非汛期則採取蓄水模式運轉 ( 稱之為蓄清 ), 排渾階段包括混合了前述的沖砂 (Sediment Flushing) 與洩砂 (Sediment Sluicing) 兩種類型的操作, 例如高雄的阿公店水庫, 每年 6 月 1 日至 9 月 10 日共 10 旬, 採取低水位的排渾操作, 其餘則為蓄清階段, 參見圖 1.6-4 所示國外有許多水庫的主要功能為防洪及河川流量調節, 因此可採取蓄清排渾方式運轉, 利用汛期洩洪排砂, 以恢復水庫庫容, 使水庫效益得以發揮, 中國黃河一般年份的汛期洪峰歷時約 4~5 旬, 其來砂量占汛期 (7~10 月 ) 之 70%~80%, 因此可以在汛期時採取低水位運轉, 在洪水量到達一定程度時, 再將全部閘門全部開啟洩洪排砂, 例如黃河的三門峽水庫萬家寨水庫小浪底水庫, 以及長江三峽水庫, 都是採取蓄清排渾來進行調水調砂, 使庫區內河道維持在沖淤平衡而日本的汛期洪峰歷時較短, 黑部川的宇奈月與出し平壩主要於每年 6~8 月採取低水位運轉, 而中東地區的蓄清排渾選擇於 10~2 月 ( 非灌溉期 ) 北非地區的蓄清排渾操作, 則以每年的 6~9 月採低水位運轉 1-12

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言圖 1.6-4 阿公店水庫蓄清排渾操作規線圖 5. 通砂 (Sediment Routing) 通砂主要指的是利用各種水庫操作方法, 使流入水庫的土砂可通過水庫, 並減少來砂在水庫落淤的一種方式, 基於此點, 通砂方法與清除前期淤砂的沖砂 (Sediment Flushing) 不能混為一談摩里斯與范家驊 (1998) 帕爾邁力等人 (Palmieri, 2003) 將通砂 (Sediment Routing) 分為通過 ( Pass-through ) 與繞過 ( Bypass ) 兩種方式, 其中通過包括洩砂 (Sediment Sluicing) 與異重流排砂 (Turbid Current Venting) 等, 而繞過則主要包括繞庫排砂與離槽水庫 ( 將清水繞過壩區 ) 而日本的相關文獻, 例如ダム工学会維持管理研究部会 (2006) 則將繞庫排砂洩砂與異重流排砂列為通砂, 而不包括興建離槽水庫 6. 繞庫排砂 (Sediment Bypassing) 6 繞庫排砂方式為於水庫上游興建分洪堰及排砂隧道至水庫下游端, 如此可將部份推移質及懸浮質經由此排砂隧道, 繞道 " 至水庫下游, 此方式之排砂比取決於排砂道之設計流量, 當入庫流量大於排砂道 6 國內亦有使用繞道排砂用語, 本報告參考經濟部水利署水利規劃試驗所之石門水庫防洪防淤整體綱要計畫之用語, 採用繞庫排砂用語 1-13

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言的排洪能力時, 部份挾帶泥砂之洪水仍會流入水庫而造成水庫的淤積有關繞庫排砂之示意可參見圖 1.6-5 所示圖 1.6-5 繞庫排砂示意圖 7. 清水繞道 (Sediment-Free Bypassing) 本方法與繞庫排砂操作方式相反, 主要引取較清水源蓄存, 如圖 1.6-6 所示, 清水繞道一般需在規劃期間進行, 國內之離槽水庫可以歸類為此一類型圖 1.6-6 日本清水繞道案例 8. 異重流排砂 (Turbid Current Venting) 1-14

氣候變遷下水庫排砂對策研究 (1/2) 第一章前言異重流排砂為利用壩體底孔, 將潛流至壩前的高含砂渾水 (sediment-laden flow) 排出庫外, 異重流發生時, 渾水的上層為較清的原本庫水, 兩者間有一介面, 異重流形成條件為修正福碌數 F ' v / gh / ' 0.78 上式中 v 與 h 為水庫為斷面平均流速與水深, g 為重力加速度, 為渾水與清水比重的差值, ' 為渾水比重由上式可看出渾水含砂量愈大, 流速愈小, 水深愈大, 愈有機會形成異重流而異重流形成尚需有源源不斷之渾水補充, 而入庫渾水一旦停止, 則庫內異重流很快停止運移, 而形成渾水潭有關異重流的形成機制, 可參考圖 1.6-7 所示異重流排砂與洩砂 (Sediment Sluicing) 的運轉特點為異重流排砂不須先降水位 ; 但異重流並非每次洪水均會發生, 因此只能排出部分來砂, 另外異重流所挾帶者均為細粒之懸浮質, 故只能作為輔助型的排砂方法, 一般水庫無法僅依賴此一方式長期維持有效庫容, 須另以其他方式配合水庫排砂防淤資料來源 :. Reservoir Sedimentation and Options for Its Regulation, an Overview, Qazi M. Anwarul Haque, Pakistan Engineering Congress, 1994. 圖 1.6-7 異重流形成機制 9. 渾水排砂 (Turbid Water Releasing) 渾水排砂與異重流排砂一樣, 都是屬於輔助型的排砂方法, 渾水排砂指的是異重流形成渾水潭 (Muddy Lake) 時, 因渾水係由懸浮載所形成不易沉降, 此時可將混濁之庫水排出, 以降低渾水於壩前淤積, 參見圖 1.6-8 所示 1-15