第〸一章、防洪與排水

• 第一節、積水、淹水與排水• 第二節、堤防、防洪與排水• 第二節、容易淹水的區位• 第四節、地面水開發與環境變化

第一節、積水、淹水與排水

一、發生淹水的基本條件

• 1.積水(water accumulation)• 天然及常態的積水稱為窪蓄；非常態的積水稱為淹水(inundation)；淹水的程度危害到人類生命及財產安全，時稱為氾濫或水災(flood)

• 2.淹水(inundation)的條件• (1)過多的降雨量；• (2)地勢相對低窪；• (3)(淹水地區)下游有水流受阻的瓶頸• 臺北盆地為容易淹水之典型區域。

二、河流洪水的來源

• 1.基流(base flow)：地下水滲出• 2.地中流(subsurface flow)：• (1)管狀流(pipe flow)：飽和即未飽和管狀流• (2)推壓流(piston flow)：空氣壓縮• 3.飽和漫地流(saturated overland flow)• 4.超滲漫地流(rainfall excess overland flow)• 5.直接落到行水區的逕流• 6.支流匯入之內水

坡地逕流模式

第二節、堤防、防洪與排水一、河川下游平原區或都會區內水氾濫與外水氾濫的差異

• 1.內水氾濫：堤內保護區人住的地方的排水溝或支流的氾濫。主要有三種情況：

• (1)排水受阻回堵積水。• (2)雨勢過大，超過區域排水系統的防洪設計標準。

• (3)抽水站之抽水機運作失常，回堵積水。• 2.外水氾濫：行水區之水的氾濫• (1)潰堤或堤防破洞—人禍• (2)行水區洪水量超過防洪設計標準—天災

二、水歷線

河川下游之水歷線

三、都市地區河川或排水溝集水區瞬間排洪能力的估算

• 1.以曼寧式或經驗數值計算平均流速• 流速一般可用假設值替代：• 大河流以3.5∼2.1m/sec估算。• 下水道中管內，在平坦地取0.9∼1.0m/sec；坡降較大處以1.15∼1.26m/sec；

• 支線取0.6∼0.9m/sec估算。• 2.以流速－面積法(Q＝VA)求河流或排水溝之最大排洪能力。

• 3.以合理式求洪峰流量(過於粗糙)、以洪水頻率(歷年之經驗數據—最常用)或電腦模擬法、水工試驗法等推算洪峰流量(m3/sec)。

四、合理式(Rational formula)• 用以估算雨後下水道或河川之洪峰流量(peak

flow)，一般使用於集水面積小於100km2較適合，且以用於下水道之排水設計最適當。

• Qp＝(1/3.6)×CIA………………………(1)• ＝0.2778CIA• Qp：洪峰流量(m3/sec）• C：逕流係數(無因次)：以查表決定。• I：集流時間內的最大平均降水強度(mm/hr)• A：流域面積(km2)

四、曼寧式(Manning formula)： 計算平均流速

• Vm＝(1/n) × (R)2/3S1/2 …...…(2)• 若水面寬度遠大於水深H時，R≅H⇒• Vm ≅(1/n) × (A/p)2/3S1/2 ………….(3)• A：水流橫剖面積(m2)• R：水力半徑(m)• p：潤邊(m) • n：粗糙係數(無單位) • H：逕深(m)• S：水面坡度(%)，排水溝亦可以底床坡度代替• Vm：平均流速(m/sec)。

五、河流或排水溝之最大排洪能力估算

• Q＝A × Vm ………………………(4)• Q＝A × (1/n)(R)2/3S1/2……………… (5)• Q：排洪能力(m3/sec) • A：河床橫剖面積(m2)• Vm：可用曼寧式計算，也可直接以經驗數據。矩形水渠之橫剖面積(A)≅橋墩寬度(W) ×橋面至河床的高度(D)…………..(6)

• W：公尺，水流方向垂直的河寬• D：公尺

六、解決淹水的方法（防洪規劃）• 利用曼寧式，合理式，流速—面積法，洪水緩衝區等相關原理即可作研判。

• 1.增加河床橫剖面積：• (1)加高堤防：效果有限• (2)建疏洪道、分洪道：耗費土地成本• (3)拓寬水流瓶頸：若能確實執行則效果最佳。• (4)截彎取直：負面影響未可知。• 2. 減低洪峰流量與(堤內地)洪峰流速：• (1)維持大面積高入滲率的土地利用，增加入滲。• (2)水庫蓄洪：必須精算洩洪時機。• (3)都市防洪的最後一招：預留洪水緩衝區以阻滯洪水：如臺北盆地之洪水緩衝區選擇淡水最下游

• (3)疏洪道分洪並削弱洪峰流量的能量。• 3.提高河道或排水溝之洪峰流速迅速排洪• (1)河道截彎取直：提高洪峰流速的效果；但通常會減少洪水緩衝區的面積。

• (2)減低河道粗糙係數：低粗糙係數河床(水泥排水溝)、河道截彎取直、行水區禁植高莖作物。

• 4.感潮河段(tidal reach)設立防潮閘門。• 5.降低整體流域內的逕流係數及提高粗糙係數• 6.都市防洪的最後一招：預留洪水緩衝區以蓄存洪水：如臺北盆地防洪計畫選擇淡水最下游之社子、關渡平原、五股三處(按：均為主支流交會點附近，地勢最低窪，蓄存洪水效果最佳)作為洪水緩衝區

七、流域(集水區)形狀

• 1.以實驗模擬：• 洪峰流量大小：半圓形＞正方形＞正三角形＞短矩形＞菱形＝＞倒三角形＞長矩形

• 2.漲水到洪峰的時間的情況類似• 可見類似流域面積的河川中，流路相對短的河川，漲水較快，洪峰流量較大，所造成的災害亦較大。

第三節、容易淹水的區位

• 一、曲流地形的河岸邊

• 二、舊河道

• 三、後背濕地

• 四、沖積扇及土石扇之扇面

• 五、河口及三角洲地帶

• 六、古潟湖區的乾拓地

• 七、海岸平直的沿海地帶

• 八、水流瓶頸處上游部

• 九、易產生土壤液化及地層下陷作用的地區

• 十、灌溉水圳改為排水溝的段落

• 一、曲流地形的河岸邊

• 二、舊河道

• 三、後背濕地

曲流示意圖 曲流橫剖面圖

河流基蝕坡面的側蝕

新店溪右岸（汀州路段）河成地形橫剖面示意圖

淡水河下游水系示意圖

四、沖積扇及土石扇之扇面

敏督利颱風摧殘下之臺中松鶴部落

沖積扇上聚落的宿命—桃芝颱風之花蓮大興村

水槽實驗河道類型和河床坡度、曲率關係圖

花東縱谷上河川之網流

五、河口及三角洲地帶

2004年8月24-25日艾利颱風侵襲頭前溪口地帶淹水之範圍

六、古潟湖區的乾拓地

冬山河下游之五結防潮閘

八、水流瓶頸處上游部

樟江橋附近北二高的橋墩(橋墩過多造成水流瓶頸)

基隆河2004.09.11豪雨淹水情形(汐止長安橋附近)

十、灌溉水圳改為排水溝的段落

第四節、地面水開發與環境變化一、水庫興建• 1.水庫興建的經濟效益• (1)農地水田化，增加地下水補注量。• (2)提高農業產值。• (3)穩定民生用水與工業用水的給水量。• (4)防洪與發電功能。• 2.水庫改變自然環境• (1)水庫上游堆積物增加，形成加積作用

(aggradation)。• (2)水庫蓄水池因迴水(Back water)的作用，使流速減小產生淤沙；迴水影響範圍的流速減小，使上游河床上升，常引起洪水氾濫

• (3)大壩蓄水區地下水位上升，甚至形成濕地，周圍岩層孔隙水壓的增加，坡面安全係數(Safety coefficient)降低，誘發崩塌。

• (4)水庫上游所形成的三角洲。• (5)庫水原本處於靜水狀態，水多澄清，當濁水流入時，形成密度流。

• (6)庫水水位變化不穩定，危急水中生物與岸邊生物，造成對生物棲地的巨大衝擊。

• (7)水庫興建初期，因土壤有機質的溶解，使藻類與浮游生物繁殖，其後逐年下降，生物量(Biomass)大幅降低。

• (8)水庫下游減少河床堆積量，形成減削作用(degradation)。水庫放水的水量通常較大，掃流力侵蝕河床，產生河床的下切作用，使本流河床下降。

• (9)河床的下切作用也將誘發側蝕作用與促進曲流的發達。

• (10)本流河床下降，迫使支流河床相繼下降，支流河床下降，支流侵蝕基準下降，長期以往將提高山崩的機率。

• (11)水庫下游河床下切，河道由原來地下水補注區轉變為流出區的，河岸地下水位下降，淺井乾涸、水圳取水困難，河岸一帶濕地性的生態系統改變。

• (12)水庫下游河沙的供給量減少，使河川盜、濫採砂石的環境問題益形嚴重。

• 3.水庫興建使河道流量減少，對環境的影響• (1)水庫上游流域區的輸水路徑重新分配，不僅河道流量減少，也改變逕流型態。

• (2)下游污水稀釋能力不足：污水稀釋能力不足導因於河道流量的減少。

• (3)河道流量的減少與水質的劣化，減少人們親水的機會。

二、都市化對流量的影響• 1.森林在水文上的機能• (1)蓄存水源機能：• •有利條件：增加地下水逕流、積雪緩慢融解、形成地下水及泉水流出。

• •不利條件：增加截留損失、蒸發散損失(小雨影響較大)。

• (2)減輕洪水災害：• •有利條件：減少直接逕流量，及洪峰到達時間。• •不利條件：增加雨量(甚少)• 2.都市化與水文• (1)都市化改變水文環境：• •改變熱平衡，增加水汽和降雨：產生熱島效應。• •闢地砍樹，減少植被作用，增加直接逕流。• •減低粗糙係數，增加直接逕流，縮短集流時間。

• •增加不透水面積和直接逕流。• •增設排水設施，增加直接逕流，縮短集流時間。

• •與河爭地，減少緩衝區的氾濫原。• •都市環境污染，增加空中水汽凝結核。• (2)都市化改變水循環機制：• •水汽：增加飽和水汽壓，促進蒸發。• •降水：增加凝結核，促進降雨。• •地面水：減小河川係數。• •地下水：補注量減少，使地下水源減少。• (3)都市化對河川流量影響的模式：• •縮短洪水集流時間。• •增加逕流係數。• •增加洪水頻率。• •增加洪峰流量﹔增加水歷線的減退係數。

三、地面水開發對水質的影響• 地面水開發，一方面減少天然流量；另一方面增加受污染放流水量。一旦污染物濃度遠超過河川自淨能力(Self-purification)時，即對環境產生負面衝擊

• 1.重金屬污染量增加：製造業用酸洗滌工業半成品、成品，增加放流水之溶解重金屬濃度(使水質變酸性)。

• 2.有機污染量增加：來自家庭污水與工業污水(以造紙業最嚴重) (家庭污水通常使水質變鹼性)。

• 3.優養化(eutrophication)：人類活動產生的有機物進入水體，提供過量肥料，使藻類及浮游生物過於繁茂則成為優養，藻類繁殖週期短，死亡後分解作用將溶氧消耗殆盡，使水中動物死亡。當原生動物及細菌爆發性繁殖使海水變紅色，稱為紅潮，造成養殖漁業的損失。

• 3.厭氣環境下產生的亞硝酸鹽是致癌物，將危及人類飲用水安全。