野溪治理

Week16Week16野溪治理野溪治理資料來源：行政院農業委員會、中華水土保持學會編印，「水土保持手冊」，2005年。1.1.前言前言野溪治理係指在平時流量甚小或無水流，但豪雨時因地表逕流快速匯集，而使流量暴增之溪流，該溪流本身之自然條件不佳，大流量時溪流水容易使溪岸或溪床容易發生侵蝕、淘刷、崩塌、土石淤積及流路不穩定之河道，經治理後可消除或減少前述問題，已達成減免災害之目的。2.2.野溪之界定與特徵野溪之界定與特徵「野溪(Torrent)」一般係指位於河系中、上游之小溪流，以河川級序(StreamOrder)來判斷，通常多屬於最初級河系，其主要特徵如下:2.1長度短野溪通常位於河川之源頭，或沿河川兩側發育而成，就完整發育之整條河川長度而言，野溪通常僅佔河川長度之一小部分。2.2溪床坡降陡1.野溪因發育於集水區源頭，或河川兩側坡面，受坡面傾斜之影響，其溪床坡度通常均較陡。2.野溪流量變化大，在雨季時，流量大、流速快，容易造成河床下切作用。2.3溪床變動大由於平時與降雨時的流量差異甚明顯，故輸送土砂量差異亦大，而使溪床因沉積與沖刷作用之交互出現，故溪床經常變動，不易保持穩定。2.4溪床多岩塊或巨礫軟細小土砂容易往下輸送，故溪床上殘留的岩塊或巨礫特別顯著。2.5溪流水量變化大野溪一般不屈於常流性河川，因流短坡陡，又位於河川之源頭，平時流量少，甚至有河道乾枯的現象；而在降雨時，匯流時問短，流量急速增加，雨後退水也快。3.3.野溪災害之種類野溪災害之種類在野溪地區常發生的災害種類，大概可區分為兩大類:3.1洪水災害(1)洪水氾濫野溪水位變化起伏範圍大，多位於河川之最上游，或河川兩側陡急的山坡地，屬於降水之地表逕流匯集區，一旦降雨來臨，逕流匯集速度快，流量增加迅速，此結果除了容易加速河床淘刷，造成縱向、橫向侵蝕以外，溪水常因溪床淤積或斷面不足而宣洩不及，而溢出兩岸氾濫成災。(2)溪流改道由於野溪河道變化範圍廣而不確定，溪床土砂粒徑變化大，溪床斷面不穩定，水流方向經常改變，造成流心不穩，容易向兩側溪岸侵蝕，形成新流路。3.2土砂災害(1)水資源之影響降雨時，野溪匯集坡面逕流除使其流量暴增之外，坡面表土沖蝕所帶下之土壤與肥份等一併匯入野溪，同時溪流流量大增，流速加快，而造成溪床、溪岸之淘刷，使得溪水含砂量大增，直接影響到溪流水質。且為水庫淤積提供土砂來源，減少水庫蓄水量，嚴重影響水資源之利用。此外河川砂源亦為下游海岸砂源之主要來源，對於沙灘海岸特性有決定性之影響。(2)崩塌發生由於溪水作用，使得兩側溪岸逐漸淘刷，而成較陡之岸坡，未降雨時，亦可能造成崩塌，產生更大量的土石堆積，下次降雨時，輕者土石漸漸被輸送至下游；重者則形成土石流等大量往下游移動，此可能嚴重影響下游溪岸旁作物生長及民眾居住環境。4.4.野溪沖蝕之種類野溪沖蝕之種類野溪之沖蝕依水流作用與位置之不同，大致可分下列三種沖蝕作用形式:4.1縱向沖蝕當降水匯集於野溪中，其流速不但因時因地發生變化，即使同一橫斷面流速亦不相同。概言之，水流與溪床及兩岸之接觸面，因摩擦之影響，其流速較為緩慢，水面則因受表面張力之影響，流動亦受阻滯，故最大流速常在溪床上水深5/8處。若溪流橫斷面為規則形狀，在直線河槽線對稱軸兩邊的速率應相等，惟一般野溪之斷面形狀極不規則。如將各橫斷面之最大流速點連成一縱曲線，稱為急流線或槽線(channelline)；另將各橫斷面之最深點連成一縱曲線，稱為深水線或谿線(thalwegline)，則低水位時槽線與谿線相符，洪水期時，槽線較低水位時期為短，大致位於溪床斷面中央，谿線仍會隨河身彎曲，忽左忽右。在彎曲處，因流線向下，溪床受位能、動能與壓能之作用，故沖蝕逐漸加深。在兩個反向彎曲相接處，因流線向上，水流動能減少，故產生淤積，使溪床變淺，此種沿溪流縱斷面之沖刷變遷之現象稱為縱向沖蝕。4.2橫向沖蝕溪水上漲時，河心之流水面高於河岸之水面，形成橫流，呈迴轉式前進，此時橫流沖擊兩岸，部份水流滲入溪岸之土壤，引起土壤結構破壞，唯因橫流產生之壓力作用，暫無崩坍發生，惟仍有溪岸土砂遭水流沖刷。退水時，河心之水面低於兩岸之水面，發生反向橫流，因作用於土壤之壓力解除，滲入溪岸之水份源源自上中排出，故溪岸崩潰發生，河床增寬，此種溪岸土壤沖刷之現象稱為橫向沖蝕。4.3漩流沖蝕當流水發生橫流時，水中形成壓力分配不均的現象，因而產生漩流，漩流強度愈強所產生的速度愈快，連帶破壞力愈強，對岸趾及溪床之沖蝕力愈大，終造成溪床或岸壁土壤流失，形成深淵，此種現象稱為漩流沖蝕。河道彎曲處，如有突出石塊，則凹岸處常產生壓力漩流，凸岸處常產生吸力漩流。5.5.影響野溪改變之因素影響野溪改變之因素野溪治理之目標，乃在針對造成野溪變化之各因素，採取對應措施，因此如何掌握各野溪之環境因子，乃野溪治理之必要工作，茲將影響野溪改變之主要因素分述如下:5.1溪床比降溪流之比降可分為兩種，一為溪床比降(gradientofchannelbed)，即溪床之縱向降坡;一為水面此降(gradientofwatersurface)，即水面之縱向降坡，受流量與流速的影響而產生變化。洪水期因河水上漲，槽線變直距雜縮短，此時水面比降較溪床比降大，流速急，兩相反彎曲中間之淺灘變為洪水槽線，該處容易發生沖蝕。原有彎曲處之深槽，則變為迴流集中地，洪水前期彎曲處為深槽，而反向曲線相交處為淺灘。洪水後期水面比降下降，流速減低，原有淺灘處之流速較深槽處之流速先行減低，因此先形成淤積，緊接著深槽處亦因水面比降下降，流速減低，拖引力減少，開始淤積，此時河床開始發生輕微之變化。低水位時，水面比降與河床比降大致一致，此時淺灘淤積之泥砂發生分離作用，小顆粒者下移，大顆粒者留於原處，不再受沖蝕，因而形成河床之深槽與淺灘相間之現象。5.2流速河道中之流水，於單位時間內流動之平均距雜稱為流速。流速之大小因水分子流動狀態而有所不同。水分子流動狀態可分為層流亂流介於二者之間之漸變流凡水分子流動路線不變，流線規則時稱為層流(laminarflow)，其流速小，根據Reynolds氏研究，層流之流速僅2-3cm/sec，河道中甚少有此種流速，對沖蝕影響亦小。當水分子流動路線紊亂，流線不規則時稱為亂流(turbulentflow)，其流速大，常會引起沖蝕現象。當流速由一種流況轉變為另一種流況時，期間轉類點之流速稱為臨界流速(criticalvelocity)，據R.GKennedy氏試驗於臨界流速時，無淤積亦無沖蝕現象發生。流速之大小影響溪流沖擊力，由水動力學知，直線段流水作用於某物體之衝擊力等於該物體使流水發生的動量變化率，因此可用下式表示：F=ρQ(V1-V2)式中，F為沖擊力，Q為單位時間的流量，ρ為水的密度，V1、V2為撞擊前後之流速。5.3流量流水於單位時間內，通過任一水道斷面之體積稱為流量(discharge)。流量、流速與水道橫斷面面積之關係，如下式所示:Q=AV式中，Q為流量(cms)，A為水道之橫斷面面積(m2)，V為流速(m/sec)。流水能量可分為動能、壓能及位能，其總能量可以下式表示，即：W：若定義為單位體積之水重，則其單位為WZWdgVWE22333sec/mmkgmN式中，E為總能量(kg-m)，V為平均流連，g為重力加速度，d為水深，Z為底床在基準面上的高度。由上式可知流量愈大，所產生之總能量愈高，沖蝕將愈嚴重，故洪水期改變溪床之動力甚大。5.4荷載荷載(load)俗稱含砂量，乃是水流攜帶泥砂量之總稱，而此等泥砂量係集水區坡面或溪岸與溪床遭受沖蝕而產生。依荷載於流水中運動型態之不同，可分為溶解荷載(dissolvedload)、懸浮荷載(suspendedload)及河床荷載(bedload)溶解荷載為溶於水之物質，常可增加水之比重，使流水之能量增加，助長河道改變作用。懸浮荷載為懸浮水中移動之物質，而河床荷載為沿河床移動之物質，其運動之型式有滑動、滾動及跳躍等。懸浮荷載與河床荷載間並無明顯之界線，概言之，懸浮荷載多半體積小重量輕，如細砂、泥土等;河床荷載多半體積大重量大，如礫石等，兩者常因流量及流速之變化而有變異。當流量多，流速快時，部份河床荷載常變為懸浮荷載；反之，流量少，流速低時，部份懸浮荷載又將轉變為河床荷載，甚至下沈淤積。當懸浮荷載與河床荷載於水中移動時，其所需之動能與其大小有關，移動後質量大者所具備之能量亦大，對河岸或溪床之破壞力愈強，造成之沖蝕愈嚴重；反之，質量小者所具備之能量亦少，對河岸或溪床之破壞力亦稱，所引起之沖蝕亦輕。5.5地質與土壤溪流兩岸之土壤或岩層，若因組織鬆散、岩性軟弱、岩層破碎等因素，在岸趾遭受沖蝕後，岸坡易發生崩坍，如崩坍量大時，泥砂不能及時變為懸浮荷載或河床荷載隨水流輸送時，將會堆積於河道中，而影響水流排出，甚至阻斷水流而形成所訴之堰塞湖。若堆積高度大，蓄積水量多時，一旦堆積土體潰決，將引起大洪水，或是土石流等災害，並危及下游。6.6.規劃設計原則規劃設計原則野溪因流量與輸砂來源不穩定而特異於一般常流性河川，因此可能造成的災害自然不同於一般河道，同時其治理方法亦應針對現地較易形成之災害種類來進行規劃。其規劃設計原則可分述如下:6.1治理區域之確定先對現地進行實地調查，再依據調查資料將沖蝕或嚴重崩塌地區、泥砂堆積區、潛在危險地區及預定保護區列為評估對象，並參照當地社會、經濟、環境等需求劃定治理區域，尤其須將野溪對下游民眾生命財產影響程度的評估，加入考量。治理區域之選定與工程之投資、效益、施工及維護關係密切，亦應詳加調查、分析及研判。6.2治理計畫應具整體性治理計畫應以集水區為單元，應用系統觀念及原理，研擬對上中及下游影響評估之整體性治理計畫。除了納入自然條件、社會經濟、財務、資源、土地利用現況及區域規劃、工程重要性、及施工難易、交通等要素之外，研擬可行處理方案。6.3治理計畫應按其重要性排定優先順序針對集水區內野溪所產生之災害進行評估，在雨季來臨時，何者會立即發生、其影響區域範圍如何、其影響程度如何、何項治理工程能收到立即的成效…等，均需列入考量，且依據各項考量，安排施工順序，以免事倍功半。此不但會造成施工費用提高，更可能發生嚴重之災害。6.4治理計畫與鄰近集水區之關聯性應予以考量為了能達到治理功效，應對鄰近集水區納入考量範圍，進行效益評估，以免不適宜之野溪治理，造成浪費公帑，或是無法達到治理目標。7.7.方法及措施方法及措施由於野溪災害因子複雜，其治理方法除需符合治理目標外，尚需參酌當地之自然環境、工程環境及社會經濟狀況，來選定適當之治理工法。茲將災害之治理對象與相關治理工程列表於下，以供規劃參考。災害治理對象與相關治理工程滯洪壩、堤防、護岸、疏濬7.洪氾地區源頭處理、防砂壩、固床工、沉砂工程、梳子壩6.土石流地區防砂壩、固床工、潛壩5.縱向沖蝕河段防砂壩、潛壩、沉砂工程、土壩、疏浚4.淤砂嚴重河段潛壩、整流工程、防砂壩、堤防、丁壩3.亂流河段防砂壩、固床工、潛壩、護岸、丁壩、植生、排水2.坡岸崩塌造林、植生、蝕溝治理、縱橫向排水、坡面保護工、節制壩1.坡面沖蝕，沖蝕溝發達地區相關治理工程治理對象以上各項治理方法對集水區野溪治理工程而言，很難以單項處理而達成預期之治理成效，為期發揮構造物之最大功效，應依其治理目的，採用多項治理工程相互配合應用。7.1治理工法之選定與配置1.各項工程之設置位置，應根據調查資料分析研判，並參酌地形、地質、溪流特性及興建之目的，予以妥適之選定。2.在溪床坡度陡峻，溪幅狹窄之溪流，不宜設計較高之防砂壩(超過五公尺)，應採用連續低壩群之設計較經濟。3.實施整流工程時，最上游宜配合興建防砂壩或潛壩，最下游應設置固床工及消能設施，同時應對下游地區之安全進行嚴謹的檢討，以能配合下游河川治理工程最為理想。陡峻溪床應配合固床工，將河床調整為階梯狀。4.丁壩以配合堤防、護岸為原則，溪幅寬度小於三十公尺之溪段，不宜設置丁壩。