壩體改善對(duì)河道與物理?xiàng)⒌刈冞w的數(shù)值模擬分析

曹文明 王福良

摘 要：本文以二維動(dòng)床模式CCHE2D仿真某溪一號(hào)防砂壩改善方式對(duì)河道型態(tài)可能造成的影響，經(jīng)模式參數(shù)檢定及驗(yàn)證后，模擬在歷史流量事件下，壩體維持原狀與四種壩體改善方式對(duì)于河道溯源沖蝕、流心線變動(dòng)、泥砂變化量、福祿數(shù)變化及棲息地多樣性進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：壩體改善 CCHE2D 數(shù)值模擬

1.研究動(dòng)機(jī)

近年來(lái)隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，除了原有河川治理工程外，還須擬定保護(hù)生態(tài)環(huán)境措施，為使河川生態(tài)廊道得以連貫，壩體改善是近年使用較多的措施，壩體改善對(duì)環(huán)境影響亦受到關(guān)注，有些壩體改善后會(huì)對(duì)河床型態(tài)造成劇烈變化，有些則沒(méi)有顯著影響，有些則會(huì)衍生出其他問(wèn)題，因此壩體改善工作必需審慎評(píng)估。

2.案例分析

2.1某溪集水區(qū)基本資料

集水區(qū)面積約31平方公里，高程介于1689m至2827m，平均高程2178m，平均坡度31.4度，土壤以板巖石質(zhì)土為主。該區(qū)域12個(gè)月平均降雨量皆超過(guò)100mm，其中9月份406.5mm，1月份114.3mm。該溪主流長(zhǎng)約12.8公里，一號(hào)壩位于陵農(nóng)收費(fèi)站旁，壩體上游已成淤滿情形，河道平緩，壩體下游粒徑明顯比上游大，壩體上游約有200米壩前直線段河道，直線段河道直至右彎轉(zhuǎn)彎處為一蜿蜒河段。一號(hào)壩建于1979年，壩體溢流口高約7 m，上方厚度約4.2 m，長(zhǎng)度24.5 m，上游坡降約1.4%，下游坡降約2.8%。

2.2 CCHE2D 模式構(gòu)建

2.2.1 構(gòu)建模式模型

本文研究的現(xiàn)地河道寬度較窄，兩岸樹遮現(xiàn)象較明顯，模擬河段高程最高點(diǎn)為 1763.47 m，最低點(diǎn)為1706.5 m，地形建置完成后，輸入其邊界條件，入流輸入流量歷線及泥砂懸移質(zhì)、推移質(zhì)歷線；出流輸入水位歷線。

2.2.2 模式檢定與驗(yàn)證

本研究以2016年9月鲇魚臺(tái)風(fēng)加上11月降雨進(jìn)行模擬，并以2016年3月、10月及2017年1月實(shí)測(cè)地形進(jìn)行地形沖淤量變化趨勢(shì)比較，入流、出流輸入數(shù)據(jù)為鲇魚臺(tái)風(fēng)與11月23日降雨兩場(chǎng)洪水事件相加成一連續(xù)歷線進(jìn)行模擬。將檢定所得第六組參數(shù)（Ls，b=1000、α=0.01）帶入模式驗(yàn)證仿真。在3月至10月的變化及2016年10月至2017年1月中，實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果皆呈現(xiàn)淤積量大于侵蝕量，模擬結(jié)果沖淤量都稍大于實(shí)際結(jié)果，但模擬與實(shí)際的沖淤趨勢(shì)相同。

2.3 情境模擬

本研究模擬10年凡亞比臺(tái)風(fēng)、15年蘇迪羅及杜鵑臺(tái)風(fēng)再次發(fā)生的情況，對(duì)模擬情境產(chǎn)生的溯源沖蝕現(xiàn)象、河道流心線改變、平均福祿數(shù)變化、河床沖淤變化及棲息地變化等進(jìn)行探討，最后評(píng)估各情境的優(yōu)劣。

2.3.1情境說(shuō)明

（a）維持現(xiàn)狀：一號(hào)防砂壩維持現(xiàn)狀不做壩體改善。

（b）全部改善：將一號(hào)防砂壩溢洪口降低7米，即將防砂壩全部改善至底部。

（c）改善右岸10m：將一號(hào)防砂壩改善近右岸1/2部分，即將右岸10m部分改善至底部。

（d）改善左岸10m：將一號(hào)防砂壩改善近左岸1/2部分，即將左岸10m部分改善至底部。

（e）改善中間10m：將一號(hào)防砂壩改善中間 1/2 部分，即將中間10m部分改善至底部。

2.3.2壩體未做改善模擬臺(tái)風(fēng)事件的影響

因一號(hào)防砂壩已有淤滿情形，壩上游約兩百米直線河段在洪水事件上并無(wú)明顯改變，直至壩上游約兩百米處蜿蜒河道段才有較明顯沖刷產(chǎn)生，其中以杜鵑臺(tái)風(fēng)侵蝕總量最高，達(dá) 1777.54 m3，且侵蝕距離最遠(yuǎn)，達(dá)204.2 m；平均河床改變量為侵蝕28.59cm，其中三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)以重現(xiàn)期兩年、洪峰流量最小的凡亞比臺(tái)風(fēng)呈現(xiàn)淤積情形，但并不明顯，其余兩個(gè)臺(tái)風(fēng)皆呈侵蝕情況。壩下坡降約為2.8%，河床粒徑明顯較壩上大，且兩岸皆為巖盤形成峽谷束縮段，上游泥砂輸移至此河段不易沉降淤積于此，且有些許侵蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)后的流心線變動(dòng)，以蘇迪羅臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生11.96 m的最大偏移距離，而平均偏移距離最大的為杜鵑臺(tái)風(fēng)，1.71 m。

2.3.3河道變化模擬分析

（1）溯源沖蝕。

溯源沖蝕距離越大表示河道變動(dòng)越大，利用 CCHE2D 模式仿真完成后將仿真后地形與原始地形相比較，計(jì)算出溯源沖蝕距離如圖1所示，本研究溯源沖蝕以壩體高（H=7m）為單位，全部的模擬情境數(shù)據(jù)詳見如表1。

（2）溯源沖蝕泥砂改變量。

泥砂改變量越大表示河道變動(dòng)越大。泥砂改變量就杜鵑臺(tái)風(fēng)而言，全部改善方式下最大，侵蝕2576.7m3，改善左岸10m方式最小，侵蝕1139.5m3；就蘇迪羅臺(tái)風(fēng)而言，改善左岸10m方式最大，侵蝕1648.5m3，改善右岸10m方式最小，侵蝕995.9m3；就凡亞比臺(tái)風(fēng)而言，全部改善方式最大，侵蝕599.9m3，改善右岸10m方式最小，侵蝕333.8m3。

（3）流心線變化。

平均偏移距離越大代表河道變動(dòng)越大，以CCHE2D模式仿真完成后地形取等距離橫斷面，再將各橫斷面內(nèi)最低點(diǎn)取出后，以ArcGIS相連后得流心線，各情境流心線與原始地形相比較可得最大偏移距離及平均偏移距離。

就蘇迪羅臺(tái)風(fēng)而言最大偏移距離及平均偏移距離最大皆為全部改善方式，最大偏移距離12.64 m，平均偏移距離2.8m；就凡亞比臺(tái)風(fēng)而言，最大偏移距離為改善左岸10m方式為 11.83 m，平均偏移距離為改善中間10m方式為1.56 m；就杜鵑臺(tái)風(fēng)而言，最大偏移距離為全部改善方式達(dá)11.89m，平均偏移距離為改善中間10m方式為2.07m。

（4）河道橫斷面變化。

本研究在壩址處及上下游10m處共設(shè)3處斷面。以全部改善方式而言，最大變化深度為蘇迪羅臺(tái)風(fēng)在壩址處產(chǎn)生8.13m侵蝕，平均變化深度則為蘇迪羅及凡亞比臺(tái)風(fēng)在壩址處皆產(chǎn)生3.61m侵蝕；以改善右岸10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為杜鵑臺(tái)風(fēng)在壩上游10m處產(chǎn)生，最大變化深度6.49m，平均變化深度2.62 m；以改善左岸10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為蘇迪羅臺(tái)風(fēng)在壩上游10m處產(chǎn)生，最大變化深度7.31m，平均變化深度2.6m；以改善中間10m方式而言，最大變化深度和平均變化深度皆為蘇迪羅臺(tái)風(fēng)在壩上游10m處產(chǎn)生，最大變化深度7.23m，平均變化深度2.49m。

（5）福祿數(shù)變化。

仿真前原河道平均福祿數(shù)0.22、壩上游為0.15、壩下游為 0.46。各情境模擬后發(fā)現(xiàn)壩體上游其平均福祿數(shù)都大于仿真前平均福祿數(shù)，壩下游也幾乎全部呈現(xiàn)減小的情形。

凡亞比及杜鵑臺(tái)風(fēng)經(jīng)模擬后以改善右岸10m方式有較高的深潭棲息地比例，而蘇迪羅臺(tái)風(fēng)以全部改善方式最高，四種壩體改善方式于凡亞比臺(tái)風(fēng)的數(shù)值皆大于另兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)。

（6）棲息地多樣性變化。

在三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)影響，以全部改善及改善左岸10m方式的棲息地多樣性指標(biāo)比其他改善方式大；若以壩上游河段棲息地多樣性而言，則以改善左岸10m方式其棲息地多樣性指標(biāo)較大；壩下游則是以全部改善方式其棲息地多樣性指標(biāo)較大。

3 .結(jié)論

借凡亞比、杜鵑及蘇迪羅三場(chǎng)臺(tái)風(fēng)模擬河道變化結(jié)果，并以溯源沖蝕距離、泥砂改變量、流心線偏移、平均福祿數(shù)及棲息地多樣性指針等項(xiàng)目評(píng)估，改善中間10m部分方式效果不好，改善左岸10m部分方式效果不錯(cuò)，較適合于現(xiàn)地地形。而一號(hào)防砂壩目前的結(jié)構(gòu)狀況良好，并無(wú)安全性問(wèn)題，故進(jìn)行壩體改善模擬以拓展生物棲息地為目標(biāo)，其設(shè)定的壩體改善方式皆設(shè)定為改善至底部方式。

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