專題討論(一) 河川沖刷災害資料庫 建置之研究 學生：趙俊恩 學號：59842108 授課老師：林昭遠教授 指導教授：鄭皆達老師 國立中興大學水土保持學系(碩專研一) 2009年12月27日

簡 報 大 綱 1、摘要 2、前言 3、研究方法 4、研究結果分析 5、結論與後續研究建議

摘要 國土保安(法規) 水土保持(農藝、植生、工程) 坑溝野溪河川治理(含農、林、礦等) 鋪路造橋(交通) 規劃→設計→施工→養護→用路人行的安全 道路興建與水土保持 線、面、體破壞 崩塌地處理 土砂沖刷災害

前言 臺灣本島的河川，大多起源於中央山脈，由於山勢高峻陡峭，平原面積狹小，使得河川都具有流速急、坡度大和長度短的特色，再加上地質脆弱，表面土壤沖刷劇烈，以致於河川含沙量偏高，洪颱期間往往造成重大土石災害。 斷橋事件頻頻 傷亡人數累增 天災人禍

研究方法 河相變化 研究 方法 建置資料庫 量測方法 斷面圖繪製

河相變化 河流水理特性 水文分析 沖刷機制 定義 水文頻率分析 頻率分析通用公式 設計雨型分析 設計洪水流量分析 沖刷現象 沖刷型態 評估沖刷深度資料 一般沖刷

水文學定義 廣義水文學，依據1959年美國聯邦科學技術委員會(U.S.Federal council for Science and technology)之定義：「水文學為研究地球上有關水之發生、循環、分布、物理特性、及其對環境之影響，包含其生物影響之科學。」，故水文學為水土保持工程學之基礎學科，為水保工程規劃、設計之基本學理依據。而相關區域性水文現象之分析與研究，包含水文頻率分析、降雨型態分析、降雨逕流分析。

水文頻率分析 水文頻率分析乃探討某一地區，大於或等於某一特定大小水文量之水文事件，在統計學的觀點上取樣，檢定抽樣分布，並推估其在一定時間發生之可能性，或由已知之重現期距，推求該水文事件之大小。 頻率分析方法一般須採用二種以上之機率分布，相關分布之詳細理論推導，見於水利暑「水文設計應用手冊」。

KT：頻率因子，視機率分布及重現期距而定 頻率分析通用方程式 XT=X+KT‧SX XT：重現期距T年之水文量 X：選用資料之平均值 SX：選用資料之標準偏差 KT：頻率因子，視機率分布及重現期距而定

設計雨型分析 設計降雨量通常利用降雨量資料做頻率分析。除降雨總量外，尚需設計雨型來分配降雨總量，而設計雨型常用的方法有： 交替區塊法 水利局經驗法 無因次平均法 級序平均法 無因次移動平均法 其他公認之設計雨型分析法 設計雨型應採取兩種以上方法，同時至少採5場以上記錄完整之暴雨資料加以分析。 詳細分析方法見「水文設計手冊」。

設計洪水流量分析 頻率分析所得之雨量經分配至設計雨型之後，即獲得設計降雨量，接著再配合降雨逕流模式即可得設計流量歷線，再將設計流量歷線之尖峰流量作為設計流量。一般工程常用之降雨逕流模式有： 單位歷線法 儲蓄函數法 水筒模式法 HEC-1模式法 分布型模式及其他公任之合理分析模式 流量模式分析應採取兩種以上方法分析比較，至於模式驗證則可將模擬及觀測之流量歷線繪圖比較。

沖刷現象 河道設置結構物會擾動原先河流狀態，使水流產生紊亂，造成結構物周圍區域沖蝕現象，稱為沖刷(scouring)過度劇烈沖刷會危及結構物的安全，因此控制沖刷程度為設計時的重要考量。 沖刷程度與水流強度、泥砂特性、植生、坡度等因子有關，水流強度最常以流速或水流底床剪應力來表示，流速或水流底床剪應力則又與水深、能量坡度、流體密度、黏滯度、泥砂特性等有密切關係。 泥砂特性係包括河床質的形狀、密度、尺寸及內凝聚力等性質。

沖刷型態 (一)局部沖刷 (二)束縮沖刷 (三)一般沖刷 人為採砂 砂石補充觀點 (1)清水沖刷(clear-water scour)上游水流無挾砂輸送至下游沖刷嚴重。 (2)濁水沖刷(sediment-transport scour or live-bed scour)上游水流有挾砂輸送至下游。

評估沖刷深度所需資料(一) (一)水文資料 (1)流量 (二)地文資料 (1)河床質粒徑組成 (2)河床質組成之標準偏差 (3)泥砂比重 (4)河道特性資料(河寬、坡度、斷面測量資料等)

評估沖刷深度所需資料(二) (三)水力資料─由水理計算求得 (1)流速 (2)水深 (3)福錄數 (4)泥砂臨動臨界流速 (5)臨界底床剪應力 (6)底床剪應力 (7)曼寧係數

評估沖刷深度所需資料(三) (四)結構物幾何資料 (1)結構物形狀 (2)結構物與水流夾角 (3)結構物尺寸(長度、寬度、直徑等) (4)結構物設計圖

一般沖刷 河道之一般沖刷深度分析必須計算河川水流、水深分布及輸砂量計算，實用上多以數值模擬方式進行，可應用的程式甚多，工程師在進行河道沖蝕數值模擬時，可以選擇適合、可靠的程式計算分析。另外，河道之長期沖刷趨勢可經由歷年河床高程變動情形協助研判，人為採砂因素亦應考量在內。

洪汛期間 洪汛後 河床淘刷

河相斷面圖

斷面水深量測 河相斷面水深測量 設備 方法 測深桿 聲納測深儀 測深錘 重錘採用標準 水深校正 研究開發與創新改良 橋樑安全性測量裝置

研發動機   河相資料庫之建置 為因應洪水或災損發生前，即能根據河川沖刷之相關歷史資料與河相現況，得到潛勢災因分析與評估，而對具有沖刷潛勢之河川予以快速研擬因應對策，以達防微杜漸的防災目的；或於災害發生後，可快速查詢相關河相資料，迅速研擬並採行最佳化之救災修復與因應對策。 資料庫則是將一群相關的資料作有效的組合，以最佳型態提供多數使用者以一定的方法存取資料，因此，建置河相資料庫可讓使用者有效率的查詢某河川之完整基本資料及具歷史性的災害記錄、保護工法的改變、河道的變遷、..等，經由資料庫前後比對，可得知河相多層面之變動差異性，並可比較各種保護工法之成效，及河道養護管理之參考、..等，對後續之養護工作進行是一實用之參考依據。

研發背景 動態災害管理機制 目前國內對於河川沖刷災害事件處理，大都仍然偏重於災害搶救工作，而災害搶救僅為災害防救整體系統之一部份。然而安全管理除了災害中之緊急應變與搶救工作外，亦應在災害發生前進行檢測與分析可能發生災害之潛勢，以及災害發生後之復建處理工作。 再者，安全管理應在觀念上改變過去單一災害的防災準備及狹隘的救災作法，並擴大涵蓋各類災害型態，以及災害發生之生命週期的各階段，包括災前之減災、備災、災害中之應變、及災後之復建等策略與措施之選擇與應用。其中，階段性之處理觀念係源自於災害事件均有其生命週期，災害事件並非突然出現，而是因為有災害風險的存在，經過一些狀況或偶然因素之觸發，始轉變為災害事件。 因此，安全管理的基本原則之一，即係針對災害發生前、中、後，採取適當階段性處理策略，以因應不同階段之災害事件處理需要。

斷面水深測量(重錘採用標準) 重錘 最大流速(m/sec) 操作設備 (kg) 無輔助索道 有輔助索道 7 1.5 3.5 人力 14 2.5 4.5 流速儀架、人力 23 5.5 流速儀架、捲揚器 34 5 6 45 電動絞車

斷面水深測量(水深校正) (a)已知測點至水面高度H，測錘線長度Lt與測錘線夾角@，此時水面下測錘線長度Lw為Lw = Lt - La = Lt – H/cos@ (b)垂直水深D可經由測錘線修正求得。D = Lw – K K 為水面下測錘線與垂直水深差值(查表)

（本說明書格式、順序，請勿任意更動，※記號部分請勿填寫） 發明、新型、新式樣 發明專利說明書 （本說明書格式、順序，請勿任意更動，※記號部分請勿填寫） 申請案號： 申請日： ※I P C 分類： 一、發明名稱：（中文/英文） 河相量測裝置及其量測方法 二、中文發明摘要： 本發明所提供之一種河相量測裝置及其量測方法，包括有選定測點()、測定流速、選定鉛錘(10)、啟動測具((m))、控制煞車裝置((6))、自由落體垂降以及判讀量測高程等步驟；經由鋼索(9)上之刻度判讀水深、淘刷深度以及出水高等各高程，並加以紀錄，可機動快速地取得量測數值；另外，藉與該結構物(樑、墩、柱、沉箱)原設計高程比對，據以作為該結構物之風險管理參考數值，並據以繪製歷線、河相斷面圖，建置河川沖刷災害資料庫。   三、英文發明摘要：

研究開發與創新改良 河相量測裝置及量測方法，其用途及優點有： 1.構造簡單，易維護，成本低。 2.材質堅固，耐震、抗拉、抗壓強度佳。 3.安裝操作簡易，校正、操作快速，量測精度準確。 4.機動隨機多點分散採樣，可量測範圍廣。 5.可為學術研究、工程設計規劃、公共設施維護等提供最佳量測工具及資料庫建置與查詢。

河相斷面圖繪製

以實測數據建置資料庫 台13線大甲溪(后豐大橋) 2009/08/06 台1線濁水溪(溪州大橋) 2009/08/20 台61線西湖溪(西湖溪橋) 2009/09/15 台61線後龍溪(觀海大橋) 2009/09/15 台61線中港溪(玄寶大橋) 2009/09/15 台63線烏溪(烏溪橋) 2009/10/08

台灣地區橋樑統計表

建置資料庫 建置資料庫 水理資料 沖刷資料 結構物幾何資料 水文資料 地文資料 水力資料 河相沖刷檢測 主河道河床下降 主河道結構物裸露 河相沖刷評估

研究結果分析 未完成

結論與後續研究建議 未完成

結語 通常集水區逕流水文資料分析時，因欠缺水長年的水位及流量觀測資料，在推估洪水量時，會採用合理化公式或經驗法則求得，然而在重要工程規劃設計時，透過河川沖刷災害資料庫之建置，則可以提供較精確的資料來計算洪水量。期使集水區經營、河川治理等水土保持構造物在規劃設計時，透過河川沖刷災害資料庫之建置與研究，提供最佳安全設計並降低工程費用；讓抽象的知識變成有用的技能，使其運用在水土保持工作上，期推動整體性治山防災，維護山坡地蓄水保土功能，以減少土石災害發生，達到國土保安之目的。 知識—技能—應用

參考文獻 1、水文設計應用手冊(水利署) 2、橋樑水理特性及水位觀測實務(龔誠山) 3、橋樑檢測契約編製要領(陳添宇) 4、跨河橋樑基礎洪水沖刷之安全檢測與因應作為(林呈) 5、流體力學原理與應用(黃立政) 6、機電整合(郭興家、邱弘興) 7、台灣公路工程(交通部公路總局) 8、台灣中部河口飛砂特性之調查與研究(林昭遠) 9、機械元件設計(朱敏德) 10、土木工程概論(丁大均、蔣永生)

台61線後龍溪(觀海大橋) 2009/09/15

台63線烏溪(烏溪橋) 2009/10/08

林呈教授及其外籍博士研究生 參觀本研究測試成果

報告完畢 惠請指教