坝体改善对河道与物理栖息地变迁的数值模拟分析

曹文明 王福良

摘 要：本文以二维动床模式CCHE2D仿真某溪一号防砂坝改善方式对河道型态可能造成的影响，经模式参数检定及验证后，模拟在历史流量事件下，坝体维持原状与四种坝体改善方式对于河道溯源冲蚀、流心线变动、泥砂变化量、福禄数变化及栖息地多样性进行探讨。

关键词：坝体改善 CCHE2D 数值模拟

1.研究动机

近年来随着人们环保意识的增强，除了原有河川治理工程外，还须拟定保护生态环境措施，为使河川生态廊道得以连贯，坝体改善是近年使用较多的措施，坝体改善对环境影响亦受到关注，有些坝体改善后会对河床型态造成剧烈变化，有些则没有显著影响，有些则会衍生出其他问题，因此坝体改善工作必需审慎评估。

2.案例分析

2.1某溪集水区基本资料

集水区面积约31平方公里，高程介于1689m至2827m，平均高程2178m，平均坡度31.4度，土壤以板岩石质土为主。该区域12个月平均降雨量皆超过100mm，其中9月份406.5mm，1月份114.3mm。该溪主流长约12.8公里，一号坝位于陵农收费站旁，坝体上游已成淤满情形，河道平缓，坝体下游粒径明显比上游大，坝体上游约有200米坝前直线段河道，直线段河道直至右弯转弯处为一蜿蜒河段。一号坝建于1979年，坝体溢流口高约7 m，上方厚度约4.2 m，长度24.5 m，上游坡降约1.4%，下游坡降约2.8%。

2.2 CCHE2D 模式构建

2.2.1 构建模式模型

本文研究的现地河道宽度较窄，两岸树遮现象较明显，模拟河段高程最高点为 1763.47 m，最低点为1706.5 m，地形建置完成后，输入其边界条件，入流输入流量历线及泥砂悬移质、推移质历线；出流输入水位历线。

2.2.2 模式检定与验证

本研究以2016年9月鲇鱼台风加上11月降雨进行模拟，并以2016年3月、10月及2017年1月实测地形进行地形冲淤量变化趋势比较，入流、出流输入数据为鲇鱼台风与11月23日降雨两场洪水事件相加成一连续历线进行模拟。将检定所得第六组参数（Ls，b=1000、α=0.01）带入模式验证仿真。在3月至10月的变化及2016年10月至2017年1月中，实测与模拟结果皆呈现淤积量大于侵蚀量，模拟结果冲淤量都稍大于实际结果，但模拟与实际的冲淤趋势相同。

2.3 情境模拟

本研究模拟10年凡亚比台风、15年苏迪罗及杜鹃台风再次发生的情况，对模拟情境产生的溯源冲蚀现象、河道流心线改变、平均福禄数变化、河床冲淤变化及栖息地变化等进行探讨，最后评估各情境的优劣。

2.3.1情境说明

（a）维持现状：一号防砂坝维持现状不做坝体改善。

（b）全部改善：将一号防砂坝溢洪口降低7米，即将防砂坝全部改善至底部。

（c）改善右岸10m：将一号防砂坝改善近右岸1/2部分，即将右岸10m部分改善至底部。

（d）改善左岸10m：将一号防砂坝改善近左岸1/2部分，即将左岸10m部分改善至底部。

（e）改善中间10m：将一号防砂坝改善中间 1/2 部分，即将中间10m部分改善至底部。

2.3.2坝体未做改善模拟台风事件的影响

因一号防砂坝已有淤满情形，坝上游约两百米直线河段在洪水事件上并无明显改变，直至坝上游约两百米处蜿蜒河道段才有较明显冲刷产生，其中以杜鹃台风侵蚀总量最高，达 1777.54 m3，且侵蚀距离最远，达204.2 m；平均河床改变量为侵蚀28.59cm，其中三场台风以重现期两年、洪峰流量最小的凡亚比台风呈现淤积情形，但并不明显，其余两个台风皆呈侵蚀情况。坝下坡降约为2.8%，河床粒径明显较坝上大，且两岸皆为岩盘形成峡谷束缩段，上游泥砂输移至此河段不易沉降淤积于此，且有些许侵蚀现象产生。三场台风后的流心线变动，以苏迪罗台风产生11.96 m的最大偏移距离，而平均偏移距离最大的为杜鹃台风，1.71 m。

2.3.3河道变化模拟分析

（1）溯源冲蚀。

溯源冲蚀距离越大表示河道变动越大，利用 CCHE2D 模式仿真完成后将仿真后地形与原始地形相比较，计算出溯源冲蚀距离如图1所示，本研究溯源冲蚀以坝体高（H=7m）为单位，全部的模拟情境数据详见如表1。

（2）溯源冲蚀泥砂改变量。

泥砂改变量越大表示河道变动越大。泥砂改变量就杜鹃台风而言，全部改善方式下最大，侵蚀2576.7m3，改善左岸10m方式最小，侵蚀1139.5m3；就苏迪罗台风而言，改善左岸10m方式最大，侵蚀1648.5m3，改善右岸10m方式最小，侵蚀995.9m3；就凡亚比台风而言，全部改善方式最大，侵蚀599.9m3，改善右岸10m方式最小，侵蚀333.8m3。

（3）流心线变化。

平均偏移距离越大代表河道变动越大，以CCHE2D模式仿真完成后地形取等距离横断面，再将各横断面内最低点取出后，以ArcGIS相连后得流心线，各情境流心线与原始地形相比较可得最大偏移距离及平均偏移距离。

就苏迪罗台风而言最大偏移距离及平均偏移距离最大皆为全部改善方式，最大偏移距离12.64 m，平均偏移距离2.8m；就凡亚比台风而言，最大偏移距离为改善左岸10m方式为 11.83 m，平均偏移距离为改善中间10m方式为1.56 m；就杜鹃台风而言，最大偏移距离为全部改善方式达11.89m，平均偏移距离为改善中间10m方式为2.07m。

（4）河道横断面变化。

本研究在坝址处及上下游10m处共设3处断面。以全部改善方式而言，最大变化深度为苏迪罗台风在坝址处产生8.13m侵蚀，平均变化深度则为苏迪罗及凡亚比台风在坝址处皆产生3.61m侵蚀；以改善右岸10m方式而言，最大变化深度和平均变化深度皆为杜鹃台风在坝上游10m处产生，最大变化深度6.49m，平均变化深度2.62 m；以改善左岸10m方式而言，最大变化深度和平均变化深度皆为苏迪罗台风在坝上游10m处产生，最大变化深度7.31m，平均变化深度2.6m；以改善中间10m方式而言，最大变化深度和平均变化深度皆为苏迪罗台风在坝上游10m处产生，最大变化深度7.23m，平均变化深度2.49m。

（5）福禄数变化。

仿真前原河道平均福禄数0.22、坝上游为0.15、坝下游为 0.46。各情境模拟后发现坝体上游其平均福禄数都大于仿真前平均福禄数，坝下游也几乎全部呈现减小的情形。

凡亚比及杜鵑台风经模拟后以改善右岸10m方式有较高的深潭栖息地比例，而苏迪罗台风以全部改善方式最高，四种坝体改善方式于凡亚比台风的数值皆大于另两场台风。

（6）栖息地多样性变化。

在三场台风影响，以全部改善及改善左岸10m方式的栖息地多样性指标比其他改善方式大；若以坝上游河段栖息地多样性而言，则以改善左岸10m方式其栖息地多样性指标较大；坝下游则是以全部改善方式其栖息地多样性指标较大。

3 .结论

借凡亚比、杜鹃及苏迪罗三场台风模拟河道变化结果，并以溯源冲蚀距离、泥砂改变量、流心线偏移、平均福禄数及栖息地多样性指针等项目评估，改善中间10m部分方式效果不好，改善左岸10m部分方式效果不错，较适合于现地地形。而一号防砂坝目前的结构状况良好，并无安全性问题，故进行坝体改善模拟以拓展生物栖息地为目标，其设定的坝体改善方式皆设定为改善至底部方式。

参考文献：

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