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規劃成果回顧

經濟部水利署

水利規劃試驗所

Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs
水利規劃試驗所
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堰塞湖危害度評估

台灣地處板塊接觸帶,地震頻繁,而降雨多集中於颱風季,且常以暴雨型態出現,尤因地質脆弱,故經常發生因暴雨或地震引起之地滑、崩塌及土石流,其嚴重者會堵塞河道形成堰塞湖,其中以1999年九月二十一日集集地震所引發的草嶺及九份二山堰塞湖最具代表性。形成堰塞湖的土體,往往會引起上游迴水淹沒及可能潰決造成下游洪水氾濫等二次災害,因此評估堰塞湖天然壩安定性,研擬具體之防治對策及原則,並對其存廢問題作一深入探討,為重要之研究課題。

天然壩形成、潰決過程及所引發之土石流及挾砂洪水的運動過程複雜,涉及科學領域廣泛。目前台灣地區僅有少數介紹堰塞湖災害案例成果,理論分析和定量評估研究不足。經濟部水利署水利規劃試驗所有鑑於國內以往對於堰塞湖之成因、預測、及堰塞湖形成後之監測、預警及處理尚無有系統之研究,自九十一年至九十三年有系統性地針對堰塞湖引致災害防治對策之相關研究。整個研究架構以堰塞湖形成機制與類型出發,探討堰塞湖形成原因、天然壩分類及堰塞湖形成預測及預警設施研討。分析天然壩穩定性,並考慮破壞機制形成對主河下游之土石流洪水等二次災害之研究,堰塞湖處理可能引致災害防治對策的研擬,並制訂救災避難具體作業模式。

隨著對堰塞湖認知及處置不斷累積經驗,認為堰塞湖所造成災害具有突發性災害(潰壩洪水)及緩慢性災害(土砂、河道淤積問題)特性。其中突發性災害活動階段相當短暫,這類災害的評估主要是天然壩形成後(災前)的危險度和潰壩後的危害度,以防災減災工作角度,災前危險之危害度評估尤為重要,乃為堰塞湖防災的工作和研究重點。因此對堰塞湖形成後危險度、危害度快速評估方法建立加以深入研究後提出運用於堰塞湖形成初期危險度快速分析與評估方法。

該分析與評估工作包括:(1)及時取得足夠清晰之正射化遙測影像,判釋堰塞湖位置;(2)配合數值地形模型獲得天然壩之幾何資訊(壩頂高程、壩長、壩寬、壩高)以及上游集水區面積;(3)根據數值地形資料繪製水位高程-湖水體積圖,並利用多期衛星影像搭配數值地形模型進行堰塞湖水位高程監測;(4)估計淨入流流量、溢流時間以及上游淹沒範圍與時間之關係;(5)利用地形指標或統計模型以評估天然壩下游之危險度。

對於天然壩形成後下游危險度評估方法,建議利用DBI指數、鑑別分析與邏輯斯迴歸模型,定量評估天然壩之危險度,以提供決策者主觀與客觀資訊。以下分別說明DBI指標、鑑別分析統計模式以及邏輯斯迴歸統計模式三種評估天然壩穩定性之方法:

  1. 無因次阻塞指標

    Ermini and Casagli (2003)利用全球84筆堰塞湖案例,提出無因次阻塞指標 分析堰塞湖之穩定性。其關係式為式(1):

    `DBI=log((A_b×H_d)/V_d )`……………………………………………(1)

    其中`V_d`為壩體體積、`A_b`為集水區面積、`H_d`為壩高。當 `DBI<2.75` 時天然壩屬穩定;`DBI>3.08` 時天然壩屬不穩定;若 `2.75< DBI <3.08` 則因天然壩穩定或不穩定之機會大致相當,無法區別天然壩穩定性。

  2. 鑑別分析模式

    Dong et al. (2009)提出預測壩體穩定性之多變量分析模式為式(2)與式(3):

    `D_s=-2.94log(P)-4.58log(H)+4.17log(W)+2.39log(L)-2.52`……………………(2)

    `D_s=-2.62log(A)-4.67log(H)+4.57log(W)+2.67log(L)+8.26`……………………(3)

    其中`P`(cms)為尖峰流量,流量站的尖峰流量(治理計畫流量),可藉由面積比例推估壩體處之尖峰流量。`°`若該流域沒有流量站,可以藉由鄰近流域內之流量站以同樣方法推估。`A`(m2)為集水區面積、`H`(m)為壩高、`W`(m)為壩寬(沿著河道)、`L`(m)為壩長(跨越河道)、`D_s`為鑑別分數,當鑑別分數小於0時代表天然壩屬不穩定;大於0時代表天然壩屬穩定。

  3. 邏輯斯迴歸模式

    Dong et al. (2009,2010)建立邏輯斯迴歸模式(式(4)與式(5))如下:

    `L_s=-2.55log(P)-3.64log(H)+2.99log(W)+2.73log(L)-3.87`……………………(4)

    `L_s=-2.22log(A)-3.76log(H)+3.17log(W)+2.85log(L)+5.93`……………………(5)

    其中`P`(cms)為尖峰流量、`A`(m2)為集水區面積、`H`(m)為壩高、`W`(m)為壩寬(沿著河道)、`L`(m)為壩長(跨越河道)、`L_s`為邏輯斯分數(logit),當邏輯斯分數小於0時代表天然壩屬不穩定;大於0時代表天然壩屬穩定。

    邏輯斯模型除了可獲得壩體穩定與否外,亦可用來評估天然壩體破壞機率 如下式(童煜翔,2008):

    `P_f=1-P_s=e^(-L_s )/(1+e^(-L_s ) )`……………………………………………(6)

    其中,`P_s`為壩體安全機率;`1- P_s`即為壩之破壞機率 。當`L_s`大於0時,天然壩破壞機率小於50%,反之,如果`L_s`小於0時,天然壩破壞機率則大於50%。

    根據天然壩破壞機率將危險度分為五個等級,包括:極高度危險、高度危險、中度危險、低度危險、極低度危險。

    對於天然壩潰決後下游危害度評估方法則採製訂淹水危害度矩陣來評估其風險。矩陣橫軸為危險度指標,代表堰塞湖形成後之危險度等級劃分;矩陣縱軸亦分為五個部分,為堰塞湖形成後可能造成淹水程度。矩陣表格內則為對上游淹沒區與潰決對下游淹水所帶來之生命財產淹水損失之危害風險程度,其下游地區之淹水危害度分為七級,包括:極高危害度、高危害度、中-高危害度、中危害度、中-低危害度、低危害度以及極低危害度。其中,天然壩潰決後淹水程度分級標準採用Paul et al.(1999)所建議之分級劃分,並考量到淹水程度分級、脆弱人口、與土地利用之經濟損失。