土砂災害與防治

緒論
臺灣地區位居環太平洋地震帶，因板塊擠壓而造山運動發達，使得中央山脈和海岸山脈地殼每年以30～40mm的速度上升（蔡義本等，2004），同時位處西北太平洋地區颱風侵襲的主要路徑，屬於極易受到天然災害影響的地區，而主要水系上游又多穿過容易破碎崩蝕或滑動的板岩地層，更增加了坡地的不穩定性，往往在一次暴雨的作用下，迅速匯集大規模洪水侵蝕坡面和河川邊界，頻頻引發山地洪水、土石流、崩塌、地滑、河道激烈沖淤等坡地水砂災害，加上地震、洪澇等其他類型災害，使臺灣地區已成為全世界災害之高風險地區（行政院科技部，2014）。近年來，臺灣地區各種自然災害頻傳，災害範圍愈來愈廣，災害規模愈來愈大，雖然各項減災工程已發揮部分實效，但加劇各種自然災害的直接原因是氣候變遷極端降雨因素，已是不爭的事實。因此，開展對自然災害認識及防治相關課題之研究，無論在理論上還是在災害防救、生態維護及社會經濟等都具有指標性的重要意義。
1-1 暴雨災害
自然災害（natural disaster）係地球上各種自然現象在短時間內的異常變化或極端化所導致的負面衝擊，其中也包括人類活動誘發的異常變化，包括旱災、暴雨、水災、風災、暴潮、寒害、地震、地層下陷、崩塌、土石流、農林病蟲害及森林火災等。根據行政院災害防救白皮書引用聯合國緊急災難資料庫（EM-DAT）對2013年全球天然災害人員傷亡的統計結果，造成嚴重死亡人數之主要災害類型，包括颱風災、水災和地震等，如表1-1所示。表中，因暴雨引發的災害（以下稱為暴雨災害，disaster by rainfall）是發生頻率最高，危害最嚴重的一種自然災害，造成的損失占全球每年自然災害損失的比重也最大，其中各種天然災害損失前十大之中，就有四件為暴雨災害。反觀臺灣地區，如以1999年921地震作為分界，從1950年代至1999年921地震前颱風暴雨災害發生頻率約每10年發生一次，但921地震之後不僅颱風暴雨災害數量激增，而且成災型態也從以暴雨洪災為主，質變為水、砂災害，單獨或共伴產生的災害型態，如圖1-1所示。當然，災害型態的質變與921地震影響地層的穩定性關係極為密切；此外，2000年以後重大颱風暴雨災害頻率及強度也持續地增加，也被認為是與全球氣候變遷引發極端降雨事件直接有關。

1-2 暴雨與土砂災害
相對於下游都市的暴雨洪災，河川上游集水區土砂災害（sediment disaster）的影響範圍往往是位於人口密度較低的山坡地，對都市環境的直接影響是比較小的，且常常是包含在其他自然災害中，不易為人所注意。蘆田和男等（1987）認為，人類為了提高本身的生活水平，擴大生活空間，不斷地對大自然進行各種方式的開發行為，這種開發活動又促進了集水區土壤侵蝕和流失，給人類生活帶來一定的影響，如圖1-2所示；另一方面，人類為了防止、減輕因土砂而引起的災害，修建了安全的防災設施。在這一體系中，一旦集水區土砂流失或生產量體超越人類的防災設施所具有的防禦能力時，就會給人類的生命財產或生活品質帶來一些威脅和影響，謂之土砂災害。景可及李鳳新（1999）提出，凡是致災因子是土砂，或由土砂誘發其他載體給人類的生活、生產、生態及物質文明建設帶來危害，這樣的土砂事件就構成了土砂災害。日本數字大辭泉給出了土砂災害的解釋，即受到集中降雨或地震作用而伴隨土石流、坡面崩壞及地滑等現象，以及因火山噴發引發的熔岩流、火山碎屑流、火山泥流等，並直接或間接威脅保全對象之生命及財產者，謂之。洪如江（1999）也特別提出，坡地因其地形、地質、水文、植被等自然條件，易因颱風、暴雨、地震及人為不當開墾等因素，發生土壤侵蝕、崩塌、地滑或是土石流等現象；一旦發生前述之現象，不但會使坡地上之建設或是房舍受到不同程度之損害，亦會造成山坡下鄰近地區房舍及各項設施之損害及人命傷亡，此種現象稱之為坡地災害（hillslope disaster）。
發生在河川上游集水區內的土砂災害類型，基本上可以概分為崩塌（含山腹崩塌、河岸崩塌、大規模崩塌等）、地滑、土石流、河道強烈沖刷與淤積等，如圖1-3所示。其中，由連續豪雨作用導致邊坡岩（土）體失穩崩塌，或崩塌土體滑落河道促發土石流、堰塞湖或水庫淤砂等，均為典型河川上游集水區的一些土砂災害事例。但是，依據致災因子的不同，土砂災害亦有原生（direck disaster）與衍生災害（indireck disaster）之分。凡是因土砂變動而直接受災者，屬於土砂原生災害，如崩塌、地滑、土石流等皆屬之；由土砂促使其他載體引發的災害者，如因崩塌及土壤侵蝕引致水庫淤積、濁度上升問題，以及中、下游河道底床高程不斷淤積抬升而降低河道排洪能力，即便在較小的降雨條件下亦能引發洪水氾濫成災等，這些皆可定義為土砂衍生災害。例如，由土砂淤積導致的外水溢淹致災事件，表面上是超過設計標準的洪水所引起的災害，但實質上也是土砂導致的衍生災害。2009年莫拉克颱風引發高雄旗山地區淹水災害，主要是山區降下超大雨量，導致許多坡地崩塌災情產生，這些大量崩落之土石被洪水沖刷至河道中、下游，引發嚴重淤積而縮小其通水斷面積，使可確保安全之通水量減少而造成洪水溢淹情形；此外，林邊溪潰堤導致淹水災情嚴重，潰堤後泥砂淤積整個村落及排水系統，不僅加劇淹水險情，亦使災後復原工作更加困難（國家災害防救科技中心，2010）。由此看來，採取適當的防砂措施，減少河川上游集水區土砂的流失與生產，促進其保土蓄水功能，乃是河川下游治水之根本。
在自然界中，水流和土砂的運動是相互作用和影響的，而它們引發災害的關鍵有時是由土砂作為直接致災因子，水流作為間接致災因子；有時是由水流作為直接致災因子，土砂作為間接致災因子。例如，坡面上降雨和地表水流對表層土壤之侵蝕作用，造成水土流失、土地貧瘠化；河道中洪流對河岸側蝕造成邊坡土體崩塌或土地流失，而威脅沿岸保全對象生命財產之安全；洪水溢淹後殘留大量淤砂破壞居住環境品質，造成民眾生活上的不便和環境衛生問題；水庫上游泥砂大量進入庫區，使得原水濁度上升，庫容減小等，皆為水流引發土砂災害的一些例子。但是，危害更大的則是土砂災害加劇洪水致災規模，例如集水區崩塌裸露面積增加，不僅引起集水區水源涵養能力下降，因地表逕流流速加快，集流時間縮短，造成洪峰流量出現時間的提前和峰型尖化；河道中、下游河段大量土砂淤積，造成的同流量下的洪水水位抬高；流出下游的大量土砂，可能磨蝕或衝擊堤岸而導致防洪構造物損壞等。換言之，暴雨引發的水砂災害通常具有群發性和伴生性，它主導災害的發生並引發其他災害，形成複合型災害。例如，暴雨引發邊坡岩（土）體崩塌，崩塌土體阻塞河道形成堰塞湖災害，接著堰塞湖潰決，大量洪流集中流出而造成下游河道排洪負荷，終至發生溢堤而潰決成災。
1-3 河川上游集水區水砂環境與災害特性
臺灣山坡地環境具有坡度陡、水流湍急、地質脆弱等自然特徵，加上降雨強度大且集中之水文特性，使得集水區單位面積的產砂量及產流量高居世界之最，如表1-2所示。其中，極高的單位面積產流量，除了反映了經常性的集中降雨特性外，也表徵上游集水區有限的水源涵養能力，使河川洪水流量具有暴漲猛落之特性；偏高的單位面積產砂量，則表明河川上游集水區因表土侵蝕、崩塌、地滑、土石流等土砂生產型態的高度發育，使得河川長期處於多砂環境，導致河床激烈沖淤變動、河岸邊坡土體滑崩、流路擺盪不穩等問題。
一、季節性
水砂災害事件通常發生在汛期，並與汛期的降雨量相關。臺灣地區每年汛期為5～11月，特別是在主汛期（7～9月）屬於颱風降雨事件頻發期間，為水砂災害的集中期。在同一集水區，甚至同一年內有可能發生多次大規模的水砂災害事件，故具有季節性強與頻率高之特徵。不過，由於颱風降雨分布涵蓋區域範圍很大，甚至全島都會遭到同一場颱風降雨的影響，使得水砂災害多屬廣域分布，沒有特別集中在某些特定區域，僅與降雨集中程度有關。
二、突發性
河川上游集水區因坡面和溪流調蓄水流能力小，河道坡陡水急，洪水歷時較短，水位漲幅大，且洪峰流量高。降雨產流迅速，一般只需數十分鐘，而從產生流量到出現洪峰流量僅需1至幾個小時，其洪水特徵是暴漲猛落，使得暴雨激發之坡地水砂災害事件，具有形成快、歷時短及運移迅速等突發性的特徵。
三、破壞性
以土石流為例，其發生與前期降水和暴雨強度有著密不可分的關係。土石流因瞬間流量相當大，具有流速快、沖刷力強、含砂量高，以及破壞力大等運動特徵，並對聚落、水利、交通、電力，以及通信等基礎設施造成嚴重的破壞。此外，由於長時間持續降雨所衍生之大規模崩塌，實為極端降雨下毀滅性的水砂災害。以高雄市甲仙區小林村為例，依據中央氣象局甲仙雨量站觀測資料顯示，莫拉克颱風侵襲其間之累積總雨量達1,911mm，且單日最大雨量達1,073mm，因而引發獻肚山大規模崩塌造成小林部落滅村事件。
四、群發性
當降雨具有時間集中、強度大及範圍廣等特性時，經常會導致各種水砂災害在不同的地點同時發生。以民國98年莫拉克颱風為例，因長時間且大範圍之持續強降雨，造成濁水溪、曾文溪、高屏溪、林邊溪，以及太麻里溪等流域，幾乎在同一時間群發嚴重的水砂災害。
五、複合性
由於降雨型態的改變，極端降雨所引發的災害類型亦由過去單純之洪水或土砂災害，轉為因瞬時強降雨所導致侵蝕、大規模崩塌、堰塞湖，以及洪水等序列性的災害。如山洪暴發時，引發河岸崩塌，崩落河床的土體與河川水流混合轉化成為土石流，自一些支流攜出大量土砂，或形成堰塞湖，或淤積河道造成水流及河床嚴重的變形。

緒論
臺灣地區位居環太平洋地震帶，因板塊擠壓而造山運動發達，使得中央山脈和海岸山脈地殼每年以30～40mm的速度上升（蔡義本等，2004），同時位處西北太平洋地區颱風侵襲的主要路徑，屬於極易受到天然災害影響的地區，而主要水系上游又多穿過容易破碎崩蝕或滑動的板岩地層，更增加了坡地的不穩定性，往往在一次暴雨的作用下，迅速匯集大規模洪水侵蝕坡面和河川邊界，頻頻引發山地洪水、土石流、崩塌、地滑、河道激烈沖淤等坡地水砂災害，加上地震、洪澇等其他類型災害，使臺灣地區已成為全世界災害之高風險地區（行政院科技部，2014）。近...

臺灣各河川集水區之泥砂生產量位居世界之冠，全世界六大陸塊之泥砂年平均生產量約為201.6億噸，其中亞洲占79%，為159.1億噸，以此產量而言，換算成單位面積生產量的話，黃河為每平方公里3,090噸，在臺灣的濁水溪卻高達每年每平方公里16,000噸，在南部的二仁溪更高達每年每平方公里43,000噸，由此可見臺灣集水區單位面積的土砂生產量是居於世界第一。超高的集水區泥砂生產量雖也造就了臺灣西部狹窄卻是我們2,300萬人類以生存發展的寶貴平地，但其每年隨同颱風豪雨間帶給我們的土砂災害卻也是我們生存於臺灣的同胞們的宿命。平均而言，北部地區之集水區浸蝕，以年侵蝕深度而言，北部地區約為2毫米至5毫米，中部地區則增加至5～15毫米，南部地區更高達20～36毫米，如與美國最有名的TVA，田納西峽谷集水區之侵蝕深度每年僅0.25毫米比較，臺灣治水同時間肩負的土砂重負是很難想像的。
對一個一生從事於與水有關工作的人而言，手邊能有一本相關的參考書是比什麼都重要的事情，記得民國40年代初到當時的臺灣省水利局第六工程處上班，當時的臺灣省水利局業務包山包海，水土保持局尚未成立，即使山地農牧局也是40年代後期的事情，各河川局的水文站也剛剛在設立初期，當時受命建立南部重要河川的水文站，每個月必須三次到各站測量流量，也必須取的水樣，分析含砂量，年底依規定必須編撰年報，想找一本可供參考的工具書而不可得，只好依照自己的想像編撰提教。今天欣悉逢甲大學連惠邦教授利用課餘時間，歷經多年的辛苦，將其研究成果，教學及實務經驗彙整編篆《土砂災害與防治》一書，內容豐富實用，理論及實務並重，想想當時從事於河川集水區之泥砂生產測量調查，如能有這一本書做為案頭的參考不知有多好。1970年代在美國進修時，有關泥砂的書籍，有關河川泥砂「Sediment Transport」的著作不少，集水區泥砂生產相關如「Engineering」也均以美國的集水區為案例，連惠邦教授能將理論與實務彙編，並詳述臺灣的實例，真的讓從事此項工作的同行們有福了。謹此祝福本書之發行必可對年青學子及從事於實務工作者有莫大的助益。

行政院國家發展委員會顧問　黃金山

臺灣各河川集水區之泥砂生產量位居世界之冠，全世界六大陸塊之泥砂年平均生產量約為201.6億噸，其中亞洲占79%，為159.1億噸，以此產量而言，換算成單位面積生產量的話，黃河為每平方公里3,090噸，在臺灣的濁水溪卻高達每年每平方公里16,000噸，在南部的二仁溪更高達每年每平方公里43,000噸，由此可見臺灣集水區單位面積的土砂生產量是居於世界第一。超高的集水區泥砂生產量雖也造就了臺灣西部狹窄卻是我們2,300萬人類以生存發展的寶貴平地，但其每年隨同颱風豪雨間帶給我們的土砂災害卻也是我們生存於臺灣的同胞們的宿命。平均而言，北部地...

集水區在不同區位發生各種類型的土壤侵蝕、崩塌及地滑現象，並引起河道不同程度的沖淤變形，為河道孕育出水砂災害發生的有利環境，一旦土砂沖淤達到一定的限度，就會通過劇烈的土石流或洪災表現出來。只是土壤侵蝕、崩塌、地滑及土石流等土砂災害與下游都市的暴雨洪災比較起來，其災害影響範圍多位於人口密度較低的山坡地，對都市環境的直接影響比較小，而未受到應有的重視。但是，在氣候變遷極端降雨事件頻發的現今環境下，包括土石流、崩塌、地滑、河道沖淤、洪水泛濫、水庫淤積等水砂問題，以及它們所引發的複合型災害，已直接或間接威脅了下游都市地區人民生命和財產之安全。
於是，基於治水先治砂、水砂兼顧的基本思維，本書蒐集彙整了國內、外土砂災害的相關研究成果，分別從定義、特徵、發生發展機理、力學機制、時間與空間分布預測、致災行為等諸多面向，探討土壤侵蝕、地滑、崩塌（含大規模崩塌）、土石流、山地洪流及河道沖淤等各種土砂災害型態的特殊屬性，嘗試建構它們之間的一些關聯特性。然而，土砂災害成因複雜，影響因素眾多，不同區域成災過程和後果不一，甚至不存在統一的變化規律。鑑此，本書結合了物理模型與數值模式提出嶄新的分析模型，配合現地長期的水位及斷面觀測資料，用以模擬和推演集水區土砂運移的基本規律，以及在人為構造物介入下土砂變遷的各個環節。
不過，在編寫期間令作者感觸良深的是，國內有關集水區各種類型土砂運移問題的研究雖然很多，惟多顯得零散而未有系統性的研究成果，尤其是基本環境資料及現地調查數據的極度欠缺，使得可以舉出的實際案例實在相當有限，因而僅能以個人多年經驗和心得加以整理，盼能起到拋磚引玉之弘效，引起更多的討論和研究。
由於本書所關注的課題面向極廣，現象又相當複雜，限於作者的專業領域和水平，有些課題沒有納入（如崩塌、地滑防治對策），部分課題也寫得還不夠深入，甚至有些現象還沒有獲得統一的看法，使在見解上可能存在一些主觀，內容疏漏及錯誤亦在所難免，懇請讀到這本書的前輩、同業對書中不足之處給予批評指正。
在編寫本書的過程中，得到研究生韓宜霖、蔡坤廷、鍾昕育、呂博弘及蔡建瑋等人協助繪圖、打字和整理文稿，同事陳昶憲教授詳細審閱了第三章，並提出寶貴的修改意見，以及一直在身旁默默支持的家人和摯友，使本書得以順利完成。此外，承蒙行政院經濟部水利署黃前署長金山博士，以及農業委員會水土保持局李局長鎮洋惠賜序言，特此致謝。

集水區在不同區位發生各種類型的土壤侵蝕、崩塌及地滑現象，並引起河道不同程度的沖淤變形，為河道孕育出水砂災害發生的有利環境，一旦土砂沖淤達到一定的限度，就會通過劇烈的土石流或洪災表現出來。只是土壤侵蝕、崩塌、地滑及土石流等土砂災害與下游都市的暴雨洪災比較起來，其災害影響範圍多位於人口密度較低的山坡地，對都市環境的直接影響比較小，而未受到應有的重視。但是，在氣候變遷極端降雨事件頻發的現今環境下，包括土石流、崩塌、地滑、河道沖淤、洪水泛濫、水庫淤積等水砂問題，以及它們所引發的複合型災害，已直接或間接威...

第一章　緒　論
1-1 暴雨災害
1-2 暴雨與土砂災害
1-3 河川上游集水區水砂環境與災害特性
1-4 莫拉克風災的水砂災害問題
1-5 土砂災害研究意義
第二章　集水區地形地貌與水砂特性
2-1 集水區地形地貌特徵
2-2 河溪種類與級序
2-3 河川水流及其泥砂運移特性
2-4 河川地形
2-5 河流泥砂特性
2-6 山地河川與平原河川之異同
第三章　水文觀測與分析
3-1 降雨逕流過程
3-2 水文觀測與分析
3-3 設計水文量
3-4 設計暴雨
3-5 設計洪水演算
3-6 小型集水區設計洪水量計算
第四章　土壤侵蝕
4-1 土壤侵蝕涵義
4-2 土壤侵蝕、流失與生產
4-3 土壤侵蝕程度
4-4 土壤侵蝕類型
4-5 土壤侵蝕過程
4-6 水力侵蝕型態及其影響因子
4-7 雨滴飛濺侵蝕
4-8 坡面漫地流侵蝕
4-9 紋溝侵蝕
4-10 溝狀侵蝕
4-11 土壤流失量推估
4-12 水力侵蝕量量測
第五章　地滑、大規模崩塌與淺層崩塌
5-1 斜面塊體運動分類
5-2 地滑
5-3 大規模崩塌
5-4 淺層崩塌
5-5 河岸崩塌
第六章　土石流與山地洪流
6-1 土石流定義及其基本特徵
6-2 土石流危害方式
6-3 臺灣歷年重大土石流事件
6-4 土石流分類
6-5 土石流發生條件
6-6 土石流流動特性
6-7 土石流淤積特性
6-8 土石流泥砂體積濃度
6-9 土石流發生模式
6-10 土石流力學機構
6-11 土石流流速經驗公式
6-12 土石流流量計算
6-13 土石流流出土砂量推估
6-14 土石流撞擊力推估
6-15 山地洪水
第七章　山地河川河床沖淤趨勢與推估
7-1 山地河川河床沖淤演變趨勢
7-2 河道沖刷
7-3 河道土砂淤積
第八章　集水區產砂規律模擬
8-1 集水區產砂過程與土砂收支方程
8-2 集水區產砂量推估模型
8-3 集水區產砂規律的數值模型
8-4 案例模擬分析
第九章　集水區土砂管理模式
9-1 集水區土砂管理模式
9-2 案例模擬分析
9-3 集水區土砂流失抑制效益
9-4 防砂設施調砂效益
第十章　山地河川工程治理
10-1 挾砂洪流治理原則與工程對策
10-2 土石流防治原則與工程對策
10-3 防砂工法
10-4 整流工法
10-5 淤積工法
第十一章　土石流非工程防護措施
11-1 土石流潛勢溪流判釋
11-2 土石流潛勢溪流影響範圍劃設
11-3 土石流觀測
11-4 土石流預報與雨量警戒
索　引

第一章　緒　論
1-1 暴雨災害
1-2 暴雨與土砂災害
1-3 河川上游集水區水砂環境與災害特性
1-4 莫拉克風災的水砂災害問題
1-5 土砂災害研究意義
第二章　集水區地形地貌與水砂特性
2-1 集水區地形地貌特徵
2-2 河溪種類與級序
2-3 河川水流及其泥砂運移特性
2-4 河川地形
2-5 河流泥砂特性
2-6 山地河川與平原河川之異同
第三章　水文觀測與分析
3-1 降雨逕流過程
3-2 水文觀測與分析
3-3 設計水文量
3-4 設計暴雨
3-5 設計洪水演算
3-6 小型集水區設計洪水量計算
第四章　土壤侵蝕
4-1 土壤侵蝕涵義
4-2 土壤侵蝕、...