極端氣候變遷下高屏溪流域水文與地文環境之變異性調查分析 ·...

－45－鑛冶 58/1

極端氣候變遷下高屏溪流域水文與地文環境之變異性調查分析Analysis on the Variation of Hydrologic and Geomorphologic Environment for Kaoping Watershed Management Under Extremely Climate Change in Taiwan

蔡光榮1 ■ 陳穎慧2 ■ 江介倫3 ■ 陳怡睿4 ■ 陳昆廷5

K.J. Tsai, Y.H. Chen, J.L. Chiang, Y.R. Chen, K.T. Chen

2009年 8月 Morakot颱風挾帶超大強降雨襲擊台灣南部地區，嘉義縣、高雄市山區累積最大降雨量高達 2,900公厘以上，而南投、臺南及屏東三縣亦超過 1,500公厘，因此造成南台灣坡地嚴重山崩、土石流、洪患與土砂災害。依據水土保持局之衛星影像判釋分析顯示，高屏溪流域計有 10,904處崩塌，總面積達 18,113公頃 (3)。鑑於此，本研究應用GPS/GIS/RS科技就受災集水區在極端降雨變異條件下，其自然環境受創產生劇烈變化後之災害發生特性進行分析探討，並考量極端氣候變異之外在條件改變下之水土災害發生機制，以及水文與地文環境變異之調查分析，進而提出災害防治策略，同時也配合水文及地文變異條件，重新調整坡地經營管理，以提昇集水區環境之耐災力與抗災性，本研究選取莫拉克風災受創嚴重之南台灣高屏溪流域作為空間研究區域，並選取近 10年之重要颱風暴雨衍生之極端降雨事件為對象，探討極端氣候變異下高屏溪流域內、水文及地文變異衍生區域環境災害之最大可能影響範圍，最後提供相關單位作為研擬集水區永續經營治理策略及其防救災體系改善方案之參考。

關鍵字：極端氣候、土砂災害、集水區經營

Extreme rainfall intensities were brought by Morakot typhoon in August, 2009. The accumulated rainfall amount in Chia-yi & Kaohsiung area was more than 2,900mm within continuous 3 days during typhoon period. Landslide, debris flow, flooding and sediment related disaster were seriously induced by this event in Kao-Ping area. This research, mainly focuses on applying field investigations integrated with GPS/GIS/RS techniques to analyze the mechanism of sediment related disaster. According to the satellite image analysis project conducted by Soil and Water Conservation Bureau after Morakot indicated that more than 10,904 sites of landslide with total sliding area of 18,113ha were found by this project. At the same time, the compound disasters are also characterized based on their disaster type, scale, topography, geologic structures during the period of this research. Characteristics of debris flows, and landslides are collected from Kaoping watershed Study on the variation of hydrological environment under extreme climate change become an important issue concerned by Taiwan. This project was conducted by the researcher from different academic aspect on sediment related disaster induced by the Morakot event in Taiwan. Also, Kaoping watershed was selected as a major study area due to its seriously damaged by Morakot typhoon. The change of hydrological & geomorphologic environment under climate change during the past 10 years would be recognized by this research.

Key words: climate change, sediment related disasters, watershed management

*一○二年十月二十五日在本會一○二年宣讀之論文長榮大學土地管理與開發學系　

1講座教授　

2助理　

4教授

1Distingished Chair Professor, 2Assistant, 4Professor, Department of Land Management and Development, Chang Jung Christian University國立屏東科技大學水土保持系　

3副教授

3Associate Professor, Department of Soil and Water Conservation, National Pingtung University of Science and Technology國立成功大學水利及海洋工程學系　

5博士候選人

5Ph. D. Candidate, Department of Hydraulic and Ocean Engineering, National Cheng Kung University

－46－一○三年三月

一、前　　言

2009年 8月莫拉克（MORAKOT）颱風挾帶超強度降雨量侵襲南台灣，尤其在嘉義縣與高雄市之山區累積最大降雨量高達 2,900公厘以上，而南投縣、臺南縣、屏東縣亦超過 1,500公厘之雨量，造成中南部地區嚴重山崩、土石流與洪患災害。依據水土保持局（2012）(3)之衛星

影像判釋分析成果顯示，高屏溪流域即有多達 10,904處崩塌，總面積達 18,113公頃。又依據中央研究院分析過去 45年台灣地區之降雨資料顯示颱風暴雨與超大豪雨等極端降雨事件大幅增加，其受極端氣候影響程度遠超過全球平均值 (6,7)。因此，如何考量在極端氣候變異條件下，進

行水土災害發生機制探討與集水區內之水文與地文環境變異分析 (4,5)，進而提出集水區土砂災害

防治策略及土地再利用方案，同時配合土地使用強度，重新調整集水區經營治理策略，強化其

環境耐災力，進而達到國土保育利用，降低坡地土砂災害和掌控區域內水文與地文環境變異趨

勢，乃為本研究之重點。鑒於此，本研究乃以莫拉克風災受創嚴重之高屏溪流域作為空間調查

區，且以近 10年來重要颱風暴雨衍生之極端降雨事件為對象結合GPS/GIS/RS之科技整合 (1)，

探討極端氣候變異下之流域水土災害發生機制與水文地文環境變異趨勢之關係 (4,12,13)，最後整

合GPS/GIS/RS科技，提出水土災害防患對策與土地再利用策略，以強化高屏溪集水區之整體經營治理效益與其環境之耐災力。

二、研究區域環境

2.1 地理地形

高屏溪流域地處台灣西南部，流域總面積達 3,257平方公里，流域內地形大致由東北向西南遞減，高程落差近 4,000公尺。其標高在 1,000公尺以上者，佔流域總面積 47.45%，在 1,000公尺至 100公尺之間者，約佔 32.38%(8)，地形高程最低為高雄、屏東平原，標高在 100公尺以下，則佔其總面積之 20.17%（如表 1）。高屏溪流域在美濃以北，茂林至三地門一線以東地區屬於山地地形，荖濃溪以西屬於阿里山山脈，荖濃溪以東則屬關山山塊，兩山體主要稜線均呈

北北東－南南西方向延展（如圖 1）。

表 1　高屏溪集水區地形高程分布情形

高程 (m) 面積 (ha) 百分比 (%)

<100 71,229 21.87

100~500 50,189 15.41

500~1000 51,679 15.87

1000~2000 96,899 29.78

>2000 55,704 17.10

總和 325,700 100.00

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2.2 氣象水文

依流域歷年平均年降雨量等值圖（如圖 2）及資料顯示，流域內各測站年平均降雨量介於1,980~4,350公厘之間，其分布趨勢靠近中央山脈地區降雨量較大，平地及沿海地區則較小。以屏東 (5)雨量測站之資料顯示每年降雨多集中在 5至 9月之豐水期，約佔全年年平均降雨量之 90%，主要皆因颱風及西南氣流所挾帶之豪降雨所致，而每年 8月為流域內單月降雨最多之月份。另由流域內之杉林大橋流量觀測站獲悉其平均年逕流量約為 2,152百萬立方公尺，其中豐水期約佔 84%，與雨量分布比例大致相同。唯因流域內之降雨時間與空間分布極不平均，遂造成流量豐枯明顯。水流含砂量由里嶺大橋流量觀測站得知其年平均河川輸砂量達 1,100萬公噸。

2.3 流域水系

高屏溪主流全長約 171公里，為台灣本島第二長之河川，流域面積達 3,257平方公里，北起南投縣信義鄉南側之玉山南坡，南至北大武山，東以關山、卑南山、出雲山所構成的稜線為

分水嶺。其流經之行政區域範圍涵蓋南投縣信義鄉南端、嘉義縣阿里山鄉東半部、台東縣延平

鄉與卑南鄉西端部份、及高雄市與屏東縣等 24個鄉鎮市。以荖濃溪及旗山溪為其兩大主要支流（如圖 3）；荖濃溪發源於玉山主峰東北坡，向東北流經八通關山崖附近轉向蜿蜒南流，縱貫高屏溪流域之中心位置；沿線曲流地形發達，陸續納入拉庫音溪、拉克斯溪、清水溪、寶來

溪、濁口溪、隘寮溪後，在嶺口北方與旗山溪交匯。旗山溪發源於玉山主峰西南坡，大致平行

圖1　高屏溪流域數值地形圖圖2　高屏溪流域歷年平均年降雨量等雨量線圖


流域西緣向南流，至嶺口北側與荖濃溪匯流後，在沖積平原上續往南流，形成高雄市與屏東縣

之縣界，故名為高屏溪。

2.4 交通系統

高屏溪流域受到天然地形限制，流域內山區之交通條件較差；主要為沿流域西側支流旗山

溪修築之台 21線穿越流域西緣大部分區域，以及大致沿荖濃溪而行之台 20線，可連接旗山溪畔的甲仙與荖濃溪畔之荖濃，並沿荖濃溪往東北方穿過流域東北山區，再轉往東南行，通達台

東縣之池上地區；另台 24線則可自三地門通達霧臺一帶。除上述三條主要道路之外，高屏溪流域之東半部高山地區，僅局部山區有林道可通達。流域西南部之丘陵及沖積平原地區，則有

國道、省道以及密集鄉縣道路共同構成便捷之交通路網。

2.5 地質土壤

高屏溪流域之地層與地質構造大致呈北北東—南南西走向延伸。流域內出露地層以土壠灣

斷層與潮州斷層連線後，概略可劃分為兩大區塊，斷層線以東出露地層以脊樑山脈帶之變質岩

地層為主，包含大南澳片岩、十八重溪層、達見砂岩、畢祿山層、佳陽層以及廬山層或其相

當地層，其中以畢祿山層與廬山層出露面積最廣，岩性以板岩夾變質砂岩為主；斷層以西出

露地層則屬西部麓山帶之沈積岩地層，計包括南港層、南莊層、桂竹林層、古亭坑層與頭嵙山

層之相當地層，岩性以砂岩、粉砂岩、頁岩與泥岩為主，另在河谷兩側常見全新世階地堆積層

分布，沖積平原區則堆積有大量的現代沖積層（如圖 4）。流域內主要斷層構造均呈北北東—南南西走向延伸，其中旗山斷層與潮州斷層目前被歸類為活動斷層。另流域內坡地土壤分布主

圖3　高屏溪流域水系位置圖

4

國歸屬土壤分類標準(7th Approximation)，可將其歸為幼育土(Entisols)及化育土(Inceptisols)，分別占總流域面積之 18.2 %及 17.7 % (水土保持局，1995)，其中 50.1 %屬高山地區，目

前未作調查，其餘依所佔比例由大至小分別為雜地 (5.5%)、淡色崩積土 (5.3%)、黃壤(2.4%)及暗色崩積土(0.8%)。

408土砂災害"

高屏溪流域涵蓋面積廣濶，地形坡度陡峭，每逢颱風暴雨極易造成山區及中下游地區

發生重大土砂災害及洪患水災，近年來，不論國內外因遭受多次重大颱風豪雨事件侵襲，

以致集水區內崩塌與土砂問題日益嚴重者處處可見(9)(10)(14)，如 2007 年之聖帕颱風侵台期

間，隘寮溪上游好茶村受到土石流掩埋，荖濃溪上游寶來溫泉區發生土石流及洪害，受創

十分嚴重。

圖 1 高屏溪流域數值地形圖圖 2 高屏溪流域歷年平均年

降雨量等雨量線圖圖 3 高屏溪流域水系位置圖

圖 4 高雄市行政區圖圖 5 高屏溪流域地質圖圖 6 高屏溪流域坡地土壤圖

● 流量站 ▲ 雨量站

km10 0 10

®高雄縣圖例

三民鄉

仁武鄉

內門鄉

六龜鄉

大寮鄉

大樹鄉

大社鄉

岡山鎮

彌陀鄉

旗山鎮

杉林鄉

林園鄉

桃源鄉

梓官鄉

橋頭鄉

永安鄉

湖內鄉

燕巢鄉

田寮鄉

甲仙鄉

美濃鎮

茂林鄉

茄萣鄉

路竹鄉

阿蓮鄉

鳥松鄉

鳳山市

高雄市圖例

三民區

前金區

前鎮區

小港區

左營區

新興區

旗津區

楠梓區

苓雅區

鹽埕區

鼓山區

高雄縣行政區域

高雄市行政區域

圖4　高雄市行政區圖

● 流量站▲ 雨量站

4



408土砂災害"





十分嚴重。





km10 0 10

®高雄縣圖例

三民鄉

仁武鄉

內門鄉

六龜鄉

大寮鄉

大樹鄉

大社鄉

岡山鎮

彌陀鄉

旗山鎮

杉林鄉

林園鄉

桃源鄉

梓官鄉

橋頭鄉

永安鄉

湖內鄉

燕巢鄉

田寮鄉

甲仙鄉

美濃鎮

茂林鄉

茄萣鄉

路竹鄉

阿蓮鄉

鳥松鄉

鳳山市

高雄市圖例

三民區

前金區

前鎮區

小港區

左營區

新興區

旗津區

楠梓區

苓雅區

鹽埕區

鼓山區



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要以沖積土及石質土為主（如圖 5），其土壤剖面化育不明顯，依美國歸屬土壤分類標準（7th Approximation），可將其歸為幼育土 (Entisols)及化育土（Inceptisols），分別占總流域面積之 18.2%及 17.7%（水土保持局，1995），其中 50.1%屬高山地區，目前未作調查，其餘依所佔比例由大至小分別為雜地（5.5%）、淡色崩積土（5.3%）、黃壤（2.4%）及暗色崩積土（0.8%）。

2.6 土砂災害

高屏溪流域涵蓋面積廣濶，地形坡度陡峭，每逢颱風暴雨極易造成山區及中下游地區發生

重大土砂災害及洪患水災，近年來，不論國內外因遭受多次重大颱風豪雨事件侵襲，以致集水

區內崩塌與土砂問題日益嚴重者處處可見 (9,10,14)，如 2007年之聖帕颱風侵台期間，隘寮溪上游好茶村受到土石流掩埋，荖濃溪上游寶來溫泉區發生土石流及洪害，受創十分嚴重。

而 2008年卡玫基及辛樂克颱風，更在高雄市甲仙、荖濃、寶來、桃源等地區，造成重大崩塌及土石流災害，南橫（台 20）及新中橫（台 21）沿線也因大規模土砂移動（Soil mass movement）影響而造成多處中斷，皆為近年來高屏溪最為嚴重的土砂災情。除此之外，高屏溪中下游也多次傳出洪患災情，如 2005年之 0612豪雨，其下游美濃、旗山、岡山、鳳山等地區，皆因嚴重淹水而傳出災情， 2008 年的卡玫基颱風再次造成下游鄉鎮多處淹水災情。而 2009 年之莫拉克颱風與 2010凡那比颱風，更為高屏溪流域帶來歷年有記錄以來之最大颱風豪雨事件，全流域之平均降雨量達 1,803毫米，山區區域之平均降雨量更高達 2,200 毫米以上，流域內之地形地貌亦因大規模土砂運動而產生劇烈改變。近七年內之高屏溪流域所產生之土砂

災害彙整如表 2所示 (5)。

圖5　高屏溪流域地質圖

4



408土砂災害"





十分嚴重。





km10 0 10

®高雄縣圖例

三民鄉

仁武鄉

內門鄉

六龜鄉

大寮鄉

大樹鄉

大社鄉

岡山鎮

彌陀鄉

旗山鎮

杉林鄉

林園鄉

桃源鄉

梓官鄉

橋頭鄉

永安鄉

湖內鄉

燕巢鄉

田寮鄉

甲仙鄉

美濃鎮

茂林鄉

茄萣鄉

路竹鄉

阿蓮鄉

鳥松鄉

鳳山市

高雄市圖例

三民區

前金區

前鎮區

小港區

左營區

新興區

旗津區

楠梓區

苓雅區

鹽埕區

鼓山區



圖6　高屏溪流域坡地土壤圖

4



408土砂災害"





十分嚴重。





km10 0 10

®高雄縣圖例

三民鄉

仁武鄉

內門鄉

六龜鄉

大寮鄉

大樹鄉

大社鄉

岡山鎮

彌陀鄉

旗山鎮

杉林鄉

林園鄉

桃源鄉

梓官鄉

橋頭鄉

永安鄉

湖內鄉

燕巢鄉

田寮鄉

甲仙鄉

美濃鎮

茂林鄉

茄萣鄉

路竹鄉

阿蓮鄉

鳥松鄉

鳳山市

高雄市圖例

三民區

前金區

前鎮區

小港區

左營區

新興區

旗津區

楠梓區

苓雅區

鹽埕區

鼓山區




表 2　高屏溪流域歷年重大土砂災害之颱風歷史紀錄統計表

災害事件發生時間事件發生時間 (月 /日 ) 流域平均雨量 (毫米 )

敏督利颱風 (MINDULLE) 200406/28 至 07/06(含七二水災 )

886

0612豪雨 2005 06/12 至 06/16 1,017

海棠颱風 (HAITANG) 2005 07/16 至 07/20 1,384

0609豪雨 2006 06/09 至 06/12 876

聖帕颱風 (SEPAT) 2007 08/16 至 08/19 637

卡玫基颱風 (KALMAEGI) 2008 07/16 至 07/18 708

莫拉克颱風 (MORAKOT) 2009 08/06 至 08/10 1,803

凡那比 (FANAPI) 2010 09/18 至 09/20 1,127

資料來源：中央氣象局 2011 & 江介倫 2012

三、地表地貌變遷分析

本研究採用 2004年 10月 SPOT衛星影像之XS1、XS2、XS3、XS4等 4波段，即紅光、綠光、藍光及短波紅外光等波段為分類特徵快速獲取研究區內之地表植生覆蓋資訊（如圖 7），並將地表覆蓋特徵細分為裸露地、建物、農地、林地、水體等五種土地利用模式。經最大概似法

之NDVI值分類獲知結果列如圖 8及表 3所示 (12)，其總體正確率可達 99.7%，Kappa=99.50%；其中裸露地（5.21%）、建物（7.52%）、農地（31.54%）、林地（54.15%）及水體（1.58%）。另經由影像中NDVI值計算結果列如圖 9所示。另比較 2004年 10月與 2007年 11月之 SPOT衛星之地表地貌影像變遷分析後，獲知區域內之地景變遷面積約佔全區 4%（詳圖 10~13）。

圖7　高屏溪流域SPOT衛星影像(2004年10月)

圖8　地表覆蓋影像分析分類圖

6

圖 7 高屏溪流域 SPOT 衛星影像(2004 年 10 月) 圖 8 地表覆蓋影像分析分類圖

圖 9 研究區 SPOT 衛星影像常態化植生指標

(NDVI)分析圖圖 10 以 2 倍標準差為門檻值所得之地表地貌

變遷點(4%變遷) 表 3 研究區內之地表覆蓋衛星影像分析分類結果

裸露地建物

農地

林地水體總和使用者正確率%

裸露地 168 2 0 25 1 196 85.71

建物 0 317 1 0 0 318 99.69

農地 0 0 6091 23 0 6114 99.62

林地 0 0 0 13274 0 13274 100.00

水體 0 0 0 0 822 822 100.00

總和 168 319 6092 13322 823 20724 生產者正確率% 100.00 99.37 99.98 99.64 99.88

總體正確率% 99.7

Kappa=99.50% (XS1、XS2、XS3、XS4 等 4 種光譜 )

分類類別

實際類別

10.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 1

6





裸露地建物

農地


裸露地 168 2 0 25 1 196 85.71

建物 0 317 1 0 0 318 99.69

農地 0 0 6091 23 0 6114 99.62

林地 0 0 0 13274 0 13274 100.00

水體 0 0 0 0 822 822 100.00

總和 168 319 6092 13322 823 20724 生產者正確率% 100.00 99.37 99.98 99.64 99.88



分類類別

實際類別

10.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 1

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表 3　研究區內之地表覆蓋衛星影像分析分類結果

實際類別

分類類別裸露地建物農地林地水體總和

使用者

正確率%

裸露地 168 2 0 25 1 196 85.71

建物 0 317 1 0 0 318 99.69

農地 0 0 6091 23 0 6114 99.62

林地 0 0 0 13274 0 13274 100.00

水體 0 0 0 0 822 822 100.00

總和 168 319 6092 13322 823 20724

生產者

正確率%100.00 99.37 99.98 99.64 99.88

總體

正確率%99.7

Kappa=99.50% (XS1、XS2、XS3、XS4等 4種光譜 )

四、水文環境變遷分析

4.1 河川水理分析模式

本研究採用美國陸軍工兵團所研發之HEC-RAS河川水理分析系統，進行亞臨界流、臨界流及混合流之河川網路穩態流水剖面計算。整個系統經由圖表之使用者圖形介面 (GUI: Graphic User Interface)執行資料記憶與管理裝置、水理分析及分析報表輸出等功能。HEC-RAS之主要功能包括；(1)定量流水位剖面線演算、(2)非定量流模擬分析及 (3)可移動邊界動床輸砂量演算等三組子系統，其功能分述如下；

圖9　研究區SPOT衛星影像常態化植生指標(NDVI)分析圖

圖10　以2倍標準差為門檻值所得之地表地貌變遷點(4%變遷)

6





裸露地建物

農地


裸露地 168 2 0 25 1 196 85.71

建物 0 317 1 0 0 318 99.69

農地 0 0 6091 23 0 6114 99.62

林地 0 0 0 13274 0 13274 100.00

水體 0 0 0 0 822 822 100.00

總和 168 319 6092 13322 823 20724 生產者正確率% 100.00 99.37 99.98 99.64 99.88



分類類別

實際類別

10.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 1

6





裸露地建物

農地


裸露地 168 2 0 25 1 196 85.71

建物 0 317 1 0 0 318 99.69

農地 0 0 6091 23 0 6114 99.62

林地 0 0 0 13274 0 13274 100.00

水體 0 0 0 0 822 822 100.00

總和 168 319 6092 13322 823 20724 生產者正確率% 100.00 99.37 99.98 99.64 99.88



分類類別

實際類別

10.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 1

－52－一○三年三月7

(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像

圖 11 自動判釋之變遷位址 I

(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像

圖 12 自動判釋之變遷位址 II

(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像

圖 13 自動判釋之變遷位址 III

7

(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


7

(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


(a)判釋得變遷位址 (b)2004/10 影像 (c)2007/11 影像


圖11　自動判釋之變遷位址 I

圖12　自動判釋之變遷位址 II

圖13　自動判釋之變遷位址 III

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1.定量流水位剖面線演算此模式系統之計算流程係建構於解析一維能量方程式之河川水理特性，而能量損失則取決

於河床之摩擦阻抗力及河流斷面之突擴突縮變化狀況；對於河川水流動量變異之分析演算，則

依據其水位剖面線之河段變化情況；包括水躍發生處、橋墩流場、河川匯流處及各種橋樑、箱

涵、攔水壩、潛壩、固床工等治河工程結構物之佈設而設定不同情境進行模擬分析。

2.非定量流模擬分析此子系統功能旨在針對非定量流之一維網狀河川流況作模擬分析，且以河川斷面、橋樑、

涵洞、固床工及攔水壩等不同型態之河工構造物佈設位置進行河川水理特性變異分析。

3.可移動邊界模式動床之輸砂演算HEC-RAS模式在此子系統之功能著重於模擬分析一般洪水事件時，現況設定為一維模式

(One-Dimension)河床底質 (Bed Load)輸砂過程中之沖積、運移及堆積狀況下，進行邊界移動之水理特性演算。其主要功能包括；網絡河川系統、疏浚後河道及堤岸變化等不同河況之分析模

擬演算列如式 1至式 8：2 2

2 2 1 12 2 1 12 2 e

V VY Z Y Z hg g

α α+ + = + + + ............................................................................................式 (1)

式中：

Y：斷面水深Z：主河道轉化高程g：重力加速度V：平均速度 (總流量 /總通水面積 )α：能量係數h ε：上下游斷面間之總能量損失水頭

2 22 2 1 1

2 2fe

V Vh LS Cg g

α α= + − .......................................................................................................式 (2)

式中：

L：流量權重之河段長度Sf：上下游斷面間代表之摩擦坡降

C ：突擴或突縮能量損失係數另流量權重之河段長度 L 可以式 (3)求算之

lob ch rob roblob ch

roblob ch

L Q L Q L QLQ Q Q

+ +=

+ +..................................................................................................式 (3)

式中：

Llob，Lch，Lrob ：分別為左溢岸、深槽及右溢岸斷面河段長度Qlob，Qch，Qrob ：分別為左溢岸、深槽及右溢岸斷面間流量算術平均值斷面摩擦坡降可由公式 4求得


2

fQSk

=

..................................................................................................................................式 (4)

至於HEC-RAS模式之河川水理特性演算中代表摩擦坡降以模式預設之平均通水坡降（式5）、平均摩擦坡降（式 6）、幾何平均坡降（式 7）及調整平均坡降（式 8）等。

2

1 2

1 2f

Q QSK K

+= +

..................................................................................................................................式 (5)

Sf Sf1Sf2 .............................................................................................................................式 (6)

2

Sf Sf1Sf2............................................................................................................................式 (7)

Sf 2Sf12Sf2 ...................................................................................................................式 (8)Sf1Sf2

4.2 水文環境分析模式

本研究採用Richter（1996）所提出之變異範圍法（RVA，Range of Variability Approach）及水文改變指標（IHA，Indicator of Hydrologic Alteration）作為研究區內之水文環境變異分析模式(18)，RVA與 IHA早期被應用於河川流量在水利設施興建後之河川水文特性變異評估分析，並據以量化河川流量受水工構造物興建之影響程度，因此應用變異範圍法（RVA）中之 32個水文改變指標及水文改變度D值（degree of hydrologic alteration）評估河川水流特性受水利設施興建前後之影響已成為目前之科技發展趨勢。因此美國大自然保護協會（The Nature Conservancy）在Richter帶領下，於 1996年提出利用河川月平均流量、年極端流量、流量變化增減率等 32個水文參數評估受水利設施興建影響之河川流量改變狀態，此 32個參數稱之為水文改變指標（IHA），並將其概分為五組分別探討水文環境改變對河川流況及生態系統的影響 (18)；第一組

為一到十二月平均流量對動物與棲地之關係，第二組以年最小及最大 1、3、7、30、90日流量平均值說明動植物繁殖及其對環境變異之容忍程度，第三組以年最小及最大一日流量發生時間

說明生命體對於繁殖場後之行為機制，第四組則以高低流量發生時間及降雨延時變化說明動植

物在環境變遷之存活適應機會，第五組以流量平均增減率（即反轉次數）探討生物對環境變遷

之和容忍度。至於演算 IHA受影響後之自然環境改變程度則以式 9之水文改變度D值（%）進行評估：

D NoNe

100% .............................................................................................................式 (9)Ne

D：水文改變度 (%)No：觀測年數，指水利設施興建後指標仍落於RVA標的內之年數Ne：預期年數，以 r×NT評估式中 r為水利設施興建前之 IHA落於RVA標的內之比例，若以各 IHA之 75%及 25%作為

RVA標的，則 r=50%，而NT為水利設施興建後受影響流量紀錄之總年數。Richter（1996）建議D值若介於 0-33%間可歸屬於無影響或低度改變；介於 33-67%間則屬

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中度改變；而 67-100%間歸屬於河川流況與生態系呈現已高度改變 (18)。Cheng（2004）曾建議以下列 IHA之D值演算進行河川特性變異之整體評估 (12)：若 32個 IHA之D值均為低度改變時則歸類為整體低度改變。若至少有 1個 IHA-D值屬於中度改變時，但無任何 IHA高度改變時，則歸類為整體中度改變。當至少有 1個 IHA-D值屬於高度改變時，則將其歸類為整體高度改變。以此方法作為整體評估水利設施對河川水域 IHA-D值環境之影響，不僅計算簡單且可立即獲知因 IHA-D值之各種變化趨勢，而據以分析河川水文環境之變異度，應屬較具學理客觀性之量化依據，而易為多數專家學者所認同 (11)(14)。

4.3 河川含（輸）砂量推估模式

全球氣候變遷衍生極端降雨事件之相關研究已廣泛引起各國重視。由於地球溫度上升及極

端降雨變化，直（間）接影響坡地逕流沖蝕 (19)、河川流量變化及水文環境變異，進而造成河川

懸浮載傳遞量之改變 (2,17)。台灣豐（枯）水期流量相差懸殊，每當颱風豪雨來時，常挾帶豐沛

且集中的高強度雨量，河川上游之崩坍土砂受水沖刷隨著流失運移至河川中下游，形成河川之

懸浮載含量供應來源。而河川懸浮載含量可視為地表逕流侵蝕速率指標 (4,10)，其可透過河川流

量歷線和懸浮載含量濃度間之關係加以演算推估 (16)。傳統常見的流量與懸浮載關係模式均為乘

冪模式，近年來因類神經網路模式之快速演算分析，而衍生以統計學原理為推論基礎之支持向

量機（SVM, Support Vector Machine）資料探勘技術發展成熟 (15)，其在空間數據分析之準確度評

估，較類神經網路佳。Twarakavi et al.（2006）方證實支持向量機（SVM）結構風險最小化原則在空間數據分析確實優於類神經網絡的經驗風險最小化原則 (20)。

本研究以 2000~2010年高屏溪流域內 10個流量測站之流量與懸浮載資料進行分析，據以建立流量與懸浮載含量關係模式。因此本研究先將所有流量資料依枯水期（11月 ~隔年 4月 )與豐水期（5月 ~10月）作分割，並以豐水期之觀測流量與懸浮載紀錄資料，以支持向量機（SVM）、類神經網路（ANN: Artificial Neural Network）、線性迴歸（Linear Regression）及乘冪迴歸模式 (Exponent Regression)等四種理論建立流量與懸浮載之關係模式。並以均方根誤差估算評估各模式之適用性 (如式 10)。

RMSE n

Σt=1

(Q̂tQt)2) ....................................................................................................式 (10)n

Q̂t：時刻懸浮載推估值

Qt：t時刻懸浮載觀測值

n：觀測資料與模擬資料的個數。

五、調查分析結果

5.1 降雨頻率分析變化

本研究之水文環境變遷分析係取高雄氣象站連續 30年之降雨資料進行研究區域內之降雨量變異平均值及標準偏差變化趨勢分析顯示，若以不同降雨延時對流域內年雨量平均值與雨量

標準偏差值作交叉分析，對於在 4種不同短降雨延時（1、3、6&12hr）產生較劇烈之變化趨勢（如圖 14所示）。另以皮爾森第三型及對數皮爾森第三型進行區域內之降雨頻率變化趨勢分析


結果列如圖 15(a)~(f)及圖 16(a)~(f)所示。依分析結果顯示，區域內之降雨頻率變異性有逐年升高之趨勢，亦即在不同降雨重現期之分析結果獲知，在不同降雨延時情況下，隨著不同降雨重

現期之設定，重現期愈長者降雨頻率變動性愈顯著，尤其降雨頻率重現期 25年以上者即產生顯著性變化趨勢，10年以下者變化趨勢較趨緩和，尤其以重現期 200年在各不同降雨延時下之年平均降雨量變化趨勢更加顯著。

5.2 水文改變指標

理論上天然河川之流量特性分析應包括流量、時間、頻率、期距、含砂量、輸砂比及變化

率等據以而延伸發展為變異範圍法 (RVA)基本要件，並將其整合應用河川於水文環境之變化特性之分析後，據以建立河川水理 (文 )特性管理系統。近年來，水文改變指標 (IHA)已廣泛被應用於氣候變遷致使水文環境變異之分析探討。一般常用之基期分界點多以 1990 年為界線而劃分為兩個不同時期，再進而比較此二時期水文量之變異。本研究分別以流域內之三地門及杉林

大橋二流量站流量資料分析旗山溪與隘寮溪之 IHA五組 32項指標計算，顯示其 IHA受影響之改變程度，並採Richter(1996)建議之水文改變度D值評估；表 4及圖 17中所列之 IHA-D值顯示，介於 0-33%的指標有 17個屬低度改變；介於 33-67%者有 7個屬中度改變；介於 67-100%者則有 8個屬高度改變。尤其在年極端流量發生時間之 IHA-(D值 )變化及流量變化增減率之D值變異程度最為顯著，據此可推知近 10年來因極端降雨量之發生事件確實對高屏溪流域之水文環境變異特性影響至鉅。因此本研究目前受評估河段之水文環境改變度大多因為人為受河工

結構物空間佈設影響所致，與未設任何河工結構物者之分析結果顯然有高度差異，此可作為未

來高屏溪流域之治河工程結構物規劃設置前後作一比對分析，而據以因應極端氣候變遷下高屏

溪流域經營管理策略之擬定。

圖14　研究區域內之降雨量變化趨勢圖

(a)平均值變化趨勢

(b)標準偏差變化趨勢

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圖15　皮爾森第三型各重現期降雨量之變化趨勢

(e)皮爾森第三型重現期 100年 (f)皮爾森第三型重現期 200年

(c)皮爾森第三型重現期 25年 (d)皮爾森第三型重現期 50年

(a)皮爾森第三型重現期 5年 (b)皮爾森第三型重現期 10年


圖16　對數皮爾森第三型各重現期降雨量之變化趨勢

(e)對數皮爾森第三型重現期 100年 (f)對數皮爾森第三型重現期 200年

(c)對數皮爾森第三型重現期 25年 (d)對數皮爾森第三型重現期 50年

(a)對數皮爾森第三型重現期 5年 (b)對數皮爾森第三型重現期 10年

－59－鑛冶 58/1

表 4　三地門與杉林大橋流量站之 IHA分析結果

IHA組別水文改變度 (D值：%)

隘寮溪三地門旗山溪杉林大橋

第

一

組

月流量平均值

1月：29.4 7月：5.92月：17.6 8月：29.43月：5.9 9月：5.94月：17.6 10月：41.25月：17.6 11月：5.96月：5.9 12月：17.6

1月：50 7月：252月：50 8月：03月：50 9月：04月：25 10月：505月：25 11月：506月：0 12月：100

第

二

組

年極端流量值

5.9 (min 1dy) 52.9 (max 1dy)5.9 (min 3dy) 52.9 (max 3dy)5.9 (min 7dy) 5.9 (max 7dy)17.6 (min 30dy) 5.9 (max 30dy)17.6 (min 90dy) 5.9 (max 90dy)Q(min 7dy) / Q(yr)：17.6

25 (min 1dy) 0 (max 1dy)25(min 3dy) 25 (max 3dy)25 (min 7dy) 0 (max 7dy)50 (min 30dy) 0 (max 30dy)0 (min 90dy) 25 (max 90dy)Q(min 7dy) / Q(yr)：75

第

三

組

年極端流量發生時間年最小一日：52.9年最大一日：29.4

年最小一日：75年最大一日：50

第

四

組

高與低流量之次數及延時

每年發生低流量之次數：64.7每年發生高流量之次數：5.9低流量平均延時：41.2高流量平均延時：64.7

每年發生低流量之次數：100每年發生高流量之次數：25低流量平均延時：75高流量平均延時：25

第

五

組

流量變化之增減率及逆轉次數

流量平均減少率：5.9流量平均增加率：17.6每年流量逆轉次數：29.4

流量平均減少率：75流量平均增加率：75每年流量逆轉次數：75

備註： D=0~33%(低度改變 )，D=34~67%(中度改變 )，D=68~100%(高度改變 ) min:年最小流量，max:年最大流量，Q(min 7dy) / Q(yr): 年最小 7日流量平均值對年平均流量比值

六、結論與建議

6.1 結論

1. 高屏溪流域內之地質岩性構造確實影響因極端降雨事件造成坡地土石崩塌流失所產生之河床覆土層理化特性，其土壤質地多屬含泥質較高之砂質土 (Sand)、砂礫石土 (Sand & Gravel)及砂質粘壤土 (Sand Clayey Loam)，此乃因流域中上游板岩區岩層風化所挾帶之含泥量所致，易造成河川水質濁度提升。

2. 流域內之河床質富含較高之有機磷 (Organic P)，皆因流域中上游地區有農牧經營行為，唯在中下游區之土壤質地常因大量有機質及交換性塩基離子受極端降雨後產生之地表逕流

沖刷流失，導致其土壤肥力降低，失去農耕價值，依美國土壤分類 (7th Soil Approximation)之分類基準區分，其土壤性質大多為幼育土 (Entisols)及化育土 (Inceptisols)，含石量偏高，若依台灣坡地土壤分類多可歸屬為石質土及沖積土。


3. 依聯合國氣候變遷委員會 (IPCC)之大氣環流模式模擬分析高屏溪之水文變異度 (IHA-D值 )結果顯示，高屏溪不論在豐 (枯 )水期之河川流量及河中懸浮載含量均有顯著遞增趨勢，其中豐水期之懸浮載含量普遍增加約 25~33%，而枯水期亦有 5~8%之遞增趨勢，據此顯示高屏溪流域之水文環境變異性，確已受近 10年來之極端氣候變遷影響而作改變，加以高屏溪中上游大規模崩塌與河岸沖刷之土砂供應源充足，致使河川含砂量增加，造成河川水質劣化，影響民

生用水至鉅。

4. 經由不同時期之 SPOT衛星影像判釋分析流域內之地景地貌等地文環境變異度分析結果獲知，高屏溪流域之地文環境受極端降雨事件影響所造成之影響區域面積約佔流域總面積

325,700ha之 4%(約 13,028ha)，此乃因極端降雨造成坡地崩塌形成之大規模裸露地後，再遭受極端降雨沖刷流失而產生地貌之改變。

6.2建議1. 高屏溪流域內之 IHA演算分析所得之水文環境改變度D值顯示有 8個評估區段呈現高

度改變，且大多受為因應極端降雨事件而規劃佈設之河工構造物相關，建請未來高屏溪流域經

營治理方案研擬時，應可考量先作河工結構物施作前後之水文環境變異度模擬分析後，再據以

研擬治河 (災 )工程構造物之規劃配置方案。

圖17　水文改變指標之變異範圍

(a)隘寮溪 -三地門

(b)旗山溪 -杉林大橋

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2. 高屏溪流域中上游地區因受極端降雨事件 (如莫拉克颱風豪雨等 )之影響，導致中上游

坡地大規模崩塌，充分提供河川輸砂之土砂供應來源，致使河川中下游之含砂量增加，尤其是

懸浮質 (Suspending Load)之急劇增加，嚴重影響河川之水質與水量，建請未來對於高屏溪中上

游之崩塌地治理、河岸沖刷防治和土地利用形態與強度之管控，均必須予以強化，尤其離牧農

耕行為之輔導，更應積極介入，以維護水源水質水量之優質化。

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極端氣候變遷下高屏溪流域水文與地文環 境之變異性調查分析 ·...

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