集水區

集水區 Watershed
國立臺灣大學土木工程學系 周承彥

集水區即是指一塊所有的引流都會流向相同指定地的區域，通常以分水嶺作為其邊界。當降雨發生時，會有部分雨水會滲透土壤成為地下逕流，其餘則成為地表逕流。水往低處流，地表上的水沿著山坡匯集細流，再流入溪、河，最後至海。對於地面上任何一點而言，只要是降水能夠匯集到這點的區域，就是這個點的集水區。靠近分水嶺之小溪流的集水區通常很小，幾乎所有的引流都是直接來自它周圍的地區；反之，越接近中下游，集水區的面積則會越來越大。

對於一個集水區而言，它可以簡單的被視為是一個裝水的容器（圖一），其下方有孔隙可以讓水流出。在一個集水區面積範圍上之降雨為它的入流 (I)，而水流流過匯集的點繼續向下流則為出流 (Q)。入流減去出流 (I-Q)就會變成這個地區一定時間內儲存的水量 (S)。入流和出流兩者除了都與時間有關之外，入流也會影響到出流。透過降雨數據取得入流 (I)，以及觀察研究推測出不同的出流(Q)，對於集水區可以有幾種不同的應用，加入一些參數則可以延伸至水庫分析，災害防治，以及其他如灌溉測算等等。

圖一 集水區示意圖 (本文作者周承彥繪) 

集水區相關之應用

水庫分析：
最簡單的一個方式就是把水庫設為一個點，找出它的集水區，降雨是入流的部分，而出流的部分則變成是用水的供給。在水庫建設前做設計評估的時候，會先找出該地集水區的入流量，以及供水區域的民生、工業、農業用水量，以年為單位透過一些演算方法去找出該水庫最小需要多少容量才不會有缺水等等的情況發生，進而可以設計出壩體進行建設。

災害防治：
集水區在災害防治上的應用，可以包含從很概略的數值分析，到十分繁複的災害模擬等。首先，透過年平均雨量，可以計算出洪水頻率（以某個洪水的水量發生的頻率來區分其等級，如 50 年洪水、100 年洪水），而這會影響到水工構造物強度的設計（例如：堤防高度、河道強度）、以及周遭開發的環境評估。再者，如果把集水區內的地形套進去的話，可以比較下游水工構造物的建設與否對於中上游地區之影響，包含受影響之住戶數量、生態圈的破壞或改變等等。同時，如果往更下游去看的話，也可以比較其入流減少造成的影響。最後，將洪水頻率帶入集水區的環境地形以及一些城市相關因素，就可以去預測重大災害（例如：強烈颱風）發生時，所受影響最大的區域及其次的區域等，以利防災政策之制定及規劃，將損失降到最低。

以下將透過一範例簡單說明:
今天如果想要在三峽河下游（與橫溪交界處）蓋一堰來舒緩石門水庫缺水對新北地區造成之影響，首先需要的就是兩河流集水區的資料。透過現有資料與城市的輔助，可以找出兩集水區之面積，並且疊圖在地圖上以方便理解（圖二）。透過面積配合年雨量資料就可以得到上述的入流 (I)。其後，如果想知道在堰完成後嚴重水災來襲時對上游地區之影響，可以先循歷史資料找出洪水頻率，再藉由軟體分析帶入河道與地形資料進行水位模擬。隨後就可以得到如在 100 年洪水下水位上升的情形跟淹沒區域增加的狀況（圖三），進行疊圖後就可以確認受影響住宅、工廠。藉此，在建設前可以成為安全評估的依據，建設後也可以作為災害疏散之標準。

圖二 透過軟體ArcGIS所找出的集水區(三峽河與橫溪) (本文作者周承彥繪)

圖三 使用軟體HEC-RAS進行水位模擬得到的100年洪水下預想三峽堰對上游造成之影響 藍色為有水的部分(本文作者周承彥繪)

參考文獻

1. Maidment, D. R., & Mays, L. W. (1988). Applied hydrology. Tata McGraw-Hill Education.
2. 集水區 － 維基百科。 https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%9B%86%E6%B0%B4%E5%8C%BA