拆壩後河道變動

拆壩後河道變動(The Channel Evolution after Dam Removal)
國立臺灣大學土木工程學系碩士 朱家駒

水庫對於近代文明的發展有很重要的地位，除提供我們一般民生用水，有些還具有灌溉、發電、或是防洪等功能，石門水庫就是一座多功能的水庫。水庫庫容因淤積的關係會逐漸降低， 泥砂淤積讓也因為土壓力的關係使壩結構的安全性下降；另一方面，壩體的存在阻斷當地生物連結，因此近年來逐漸有移除壩體的案例與需求出現，若是移除壩體後對上下游河道的影響有一定的效益而不會無法接受的負面影響，拆壩就會是可以考慮恢復原有河川樣貌的重要手段。

拆壩會對河道造成什麼影響呢？前面說到水庫中會有泥砂淤積的現象，在拆壩後，這些淤砂會因為沒有壩體攔阻，被水流從庫區帶至下游，通常水庫淤砂的體積都十分可觀，這些大量的泥砂在拆壩後初期將對下游河道造成明顯的河道高程變化；而在庫區部分，因為淤砂被帶至下游，也就是說初期庫區會出現侵蝕的現象。

一般來說，研究拆壩後河道的變動除了可以將水流與泥砂的連續方程式與動量方程式聯立並利用數值模式 (numerical model) 求得數值解，但此方法需要較長的計算時間；若經過簡化，則可以將河道底床隨時間和空間變動的行為以較簡單的數學方程式來表達，Begin (1981) 曾將底床泥砂運移的連續方程式 (continuity equation) 在某些條件下進一步推導成以下擴散方程式 (diffusion equation)：

$$\displaystyle\frac{\partial z(x,t)}{\partial t}=D\frac{\partial^2z(x,t)}{\partial x^2}~~~~~~~~~(1)$$

其中 $$z(x,t)$$、$$t$$、$$x$$ 分別為底床高程、時間、及河道空間上的位置，而 $$D$$ 是一個和河道流量成正比的函數，配合適當的邊界條件 (boundary condition) 與起始條件 (initial condition) 可以解出滿足此式之底床高程 $$z(x,t)$$ 的解析形式，如圖一所示。

圖一 底床在不同時間下高程分布。（本文作朱家駒繪）

注意到式 (1) 等號右邊為高程對空間做二次微分，也就是底床坡度對空間的變化量，由此方程式可以知道河道高程在較大流量或是坡度變化量時會有較大的「局部變動」，可以想像在大洪水或是地形變化較明顯之區域，泥砂淤積或是侵蝕的速度會比小流量或是單調地形處來的明顯許多。

藉由上述說到的方程式，我們可以瞭解到若是真的執行拆壩作業，但想維持在最低限度的影響，適當的執行時間應該選在河川的枯水期，並且應多加注意壩址附近之地形隨時間之改變量，因為壩址附近在短距離內出現巨大高程落差，往往是整個河道在大尺度觀察下地形隨空間變化最劇烈的地方。

雖然人們可以大概預測壩體移除之後的底床變動行為，但因為拆壩和環境生態與社會經濟等議題息息相關，讓拆壩作業必須多考慮在工程執行面之外的影響因子，舉例來說，如何協助當地生物克服拆壩初期壩趾附近強烈水流造成之混濁棲地，或是找尋其他替代原本水庫之取水工以繼續供應該地正常需水量，也是人們需要考量的課題；基於各種考量之下，世界上其他國家各自有執行拆壩的例子，如美國、加拿大、法國、日本等。

台大研究團隊曾經針對石門水庫上游的巴陵壩潰壩，七家灣溪 1 號攔砂壩拆除及石岡壩模擬拆壩案進行研究，並推動執行其中七家灣溪 1 號攔砂壩拆除工作，為台灣實際拆壩經驗並由國家公園管理處長期監測，其主要為了台灣國寶魚—櫻花鉤吻鮭之棲地保育而進行， 當地目標物種的復育情形相當良好，其數量在 2011 年移除一號壩當年年底達到約五千四百尾，遠大於兩年前的三千尾。目前有關壩體移除的研究皆是以低矮壩體為主，因為拆除大壩的影響範圍遠大於低矮壩，故需要更多仔細的評估才能執行，而隨著水庫壽命隨時間削減，台灣勢必須要有更完整的相關技術及研究，以完善執行不論是低矮壩堰抑或大型壩體的移除工作，以讓河川風貌得以永續維持。

參考文獻

1. Begin, Z. E. B., Meyer, D. F., & Schumm, S. A. (1981). Development of longitudinal profiles of alluvial channels in response to base‐level lowering. Earth Surface Processes and Landforms, 6(1), 49-68.
2. Cantelli, A., Wong, M., Parker, G., & Paola, C. (2007). Numerical model linking bed and bank evolution of incisional channel created by dam removal. Water Resources Research, 43(7).
3. International Rivers Network (IRN) (2002). Reviving the world’s rivers: the global view of dam removal. — International Rivers. https://www.internationalrivers.org/files/attachedfiles/damremovalbrochure.pdf Viewed: 30 October, 2015.