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防砂壩興建與拆除後對河床質的影響
作者:蔡亦睿、郭上琳、郭偉丞、王筱雯 (國立成功大學)

人們賦予防砂壩許多重要的任務,其中最主要的功能為攔阻河床砂石以及減緩河床坡度,當防砂壩興建後,被河流帶下來的泥砂逐漸被攔蓄在庫區,防砂壩上游河道坡度逐漸減緩,流速逐漸降低,細顆粒泥砂較易沉積於壩上游河段,造成河床質平均粒徑變小,壩下游河段則因泥砂來源中細顆粒泥砂供給不足,而造成河床質平均粒徑變大。而在當今多數壩體的使用年限已近的環境背景下,包括壩體老舊的安全顧慮,或原有功能喪失時的配套,以及是否提供洄游性魚類通道或擴增魚類棲地等,拆除防砂壩成為環境改善選項之一。當防砂壩拆除後,河道坡度將再度調整,河道中泥砂粒徑組成又將如何變化呢?

●河道輸砂的動態平衡
以河相的角度,壩的興建將改變河流縱向的連續性,且打斷泥砂自然輸送的過程。美國學者Lane於1955年提出數學比例式,如下式:

Q_w*S∝Q_s*D_50

其中,Q_w為河川流量,S為底床坡度,Q_s為河川輸砂量,D_50為泥砂中值粒徑。
此數學關係式被稱作「水砂天秤」,天秤兩側的乘積值成正比關係,當一邊數值變動,會使另一邊數值跟著改變,以便達到平衡。假設公式中流量Q_w及輸砂量Q_s不變,當坡度S變小,則中值粒徑D_50變小;反之,當坡度S變大,則中值粒徑D_50變大,河川中的水砂處於一個動態平衡的狀態。

●建壩前後的河床質變化
在建壩以前,河川因不受橫向水工構造物的干擾,因此河道的坡度不會有明顯差異,河床底質粒徑為均勻分佈的情況;當建壩後,壩體上游將會隨著時間的推移慢慢淤滿,造成上游坡度減緩、流速變小以及沖刷能力減弱,導致上游河段從原本的沖蝕轉變成淤積的現象,因流速變緩將使得小顆粒更容易堆積在河道,使得該河段的平均粒徑變小,造成河床質細化。

反之,在壩體的下游因為泥砂受到壩體的攔截,使得河床砂源供應量減少,造成河川侵蝕能力大於淤積能力,產生向下侵蝕的現象,又因下游坡度變陡且沖刷能力增強的關係,容易把填縫在大顆粒中的小顆粒沖刷至更下游段,造成下游河段的平均粒徑變大,造成河床質粗化。

●拆壩後的河床質變化
防砂壩拆除後,泥砂的運移與傳遞的過程,將又再一次的影響河床坡度與泥砂粒徑分佈空間上的變化。拆壩後,上游的泥砂會受到溯源侵蝕與縱向侵蝕的影響,導致河床坡度變陡,同時原本淤積在上游的細顆粒,將更容易被帶往下游堆積,造成上游河床顆粒粗化、下游細化的現象。

●以七家灣溪一號壩為例
七家灣溪位於大甲溪上游,雪霸國家公園武陵地區域內,七家灣溪主流上有一高度13公尺的七家灣一號壩,因為壩體基腳被水流掏刷破壞,有安全上的顧慮,且七家灣溪又為國寶魚-台灣櫻花鉤吻鮭的天然棲地,壩體阻隔鮭魚洄游與繁殖的去路,基於經濟與生態考量,雪霸國家公園管理處已於2011年五月底拆除七家灣溪一號壩的左岸三分之一之壩體。

成功大學王筱雯教授團隊於2010年七月(壩體拆除前)及2011年七月(壩體拆除後)至七家灣一號壩上下游一公里範圍內進行明坑採樣。明坑採樣是指挖取1立方公尺的河床質,以進行篩分析得到粒徑分布曲線,藉以得知河床質的粒徑組成變化。壩體拆除後一個月,七家灣溪經歷了一場米雷颱風,將原來攔蓄於壩體後方的泥砂帶往下游,上下游河床質粒徑組成重新調整,以下游五百公尺處明坑結果為例(如圖1),中值粒徑已由9.5mm細化至4.75mm,另由採樣點位附近河道環境現場照片比對(如圖2),壩體拆除前河道上多巨石,壩體拆除後細顆粒淤積於兩岸,亦可佐證下游的細顆粒泥砂已得到補充。

壩體拆除後將重新找回河流原本的連續性,但由於河川為一動態的平衡模式, 後續的持續監測工作更顯得重要。 

 

「七家灣一號壩下游500公尺處明坑採樣粒徑分析結果」的圖片

圖一、七家灣一號壩下游500公尺處明坑採樣粒徑分析結果

「下游五百公尺壩體拆除前之河道環境(向上游拍攝)」的圖片

圖二、下游五百公尺壩體拆除前之河道環境(向上游拍攝)

「下游五百公尺壩體拆除後之河道環境(向上游拍攝)」的圖片

圖三、下游五百公尺壩體拆除後之河道環境(向上游拍攝)

最後更新日期:2016-05-27 資料負責單位:系統管理
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