水庫排砂操作

水庫排砂操作 (Reservoir Operation for Sediment Flushing)
國立臺灣大學土木工程學系水利工程組 林郁雯

臺灣降雨十分豐沛，每年主要由梅雨及颱風季節供給大量水源。根據統計，臺灣地區的年降雨量為世界平均值之 2.6 倍，然而我們的水資源卻十分匱乏。主要原因在於降雨之時間與空間分布極不均勻，梅雨一旦不明顯或是颱風所帶來的雨量鮮少，將可能引發缺水危機；再加上臺灣地形陡峭，使得河川坡陡流急，造成水資源使用更加困難。為增加可用水源，臺灣主要興建水庫截蓄水源以供利用。然而經過長年開發，再加上先天地形限制，能新建水庫之位址已相當缺乏，再加上近年環保意識高漲，水庫興建更顯困難。也因此，現今政策多由新建水庫、開拓水源轉向現有水庫的更新與有效利用。

泥砂淤積一直是水庫永續利用之最大挑戰。隨著氣候變遷、極端降雨事件頻繁，使得水庫上游土石崩落、水流常攜帶大量泥砂流入水庫，造成水庫淤砂日益嚴重，大幅減低水庫使用效益並減少水庫壽命。針對淤積於水庫內部之泥砂問題，現在臺灣主要的清淤方式為機械清淤，可分為開挖與浚渫兩種，前者利用機具（如挖土機）清除露出水庫水面之淤砂，後者則是利用抽泥船等方式清除水面下之淤泥（圖一）。

圖一 石門水庫抽泥船（本文作者林郁雯攝，2015）

而世界公認較為有效且經濟之方式則為水力排砂，可分為三種類型：空庫排砂、洩降排砂以及異重流排砂。空庫排砂顧名思義為放空水庫以進行排砂，利用長時間水流自然沖刷庫底淤泥來清除淤砂。洩降排砂則是利用降低水庫水位、使水流沖刷淤砂表面以帶走淤泥。在臺灣較難施行此兩種方式，原因在於臺灣乾季時並無足夠降雨或穩定的入流供給水源，水庫若將大量蓄水用來排砂，會導致乾季時無水可用之窘境。異重流是由於進入水庫之水流夾帶大量泥砂形成密度較高之水流，流入水庫後因比重較水庫中原本所蓄存的水大而沉於庫底流動，當異重流來到水庫排水口時便能將高濁度之水排出，達到排砂之目的。然而異重流之形成並不固定，也無法保證每次所形成的異重流能夠流到水壩放水口處。由此，可了解水力排砂方法於臺灣施用之困難。那麼，臺灣難道就沒有其他可用之有效排砂方法了嗎？

圖二 入流濃度與流量關係圖 (C-Q relations) (Williams, 1989)

其實，臺灣可以利用颱風時進行適當水庫操作來達到排砂之目的。現行的水庫操作主要著重於防洪，依循水庫操作規範及根據過去操作經驗來放水。每每颱風來臨，水庫常需在事前放水，或隨水庫入流大小而排出相應水量，雖然可以達到防洪之目的，卻浪費了水源。若水庫操作時能將「排砂」納入考量，在適當時機才放水，則可大大減少水庫淤砂，延長水庫使用壽命。過去，學者 Shen 曾針對一場洪水事件之水庫排砂操作提出觀點，表示最佳之放水操作時段應介於入砂量達到最大以後、入流量達到最大之前，而排砂效果之好壞會受到入流－入砂之間的關係所影響。

早在三十年前便有許多學者進行入流－入砂之關係之相關研究，其中著名學者 Williams 於 1989 年提出五大類入流－入砂關係（圖二）。可惜近年來之研究雖逐漸轉向水庫排砂操作，但多數仍著重於水庫每一年之操作規則（如 Chang 等人），卻鮮少針對單一場洪水事件提出適當的操作規則，或是針對入流－入砂之間的關係對水庫操作的影響進行深究。在筆者的研究中，主要針對單一場颱風、洪水事件提出水庫排砂操作策略，並確保水庫蓄水量在颱風事件結束之後仍能達到一定水位。結果發現，入流－入砂關係會影響到進行排砂的時間早晚與排砂效益，不過水庫排砂操作仍依循以下策略：集中於水庫濃度達到最大時開啟放水口進行排砂操作可得到最佳之排砂效果。

目前颱風季節之水庫實際操作是根據操作歸線 (rule curve) 及經驗進行，而操作目的主要仍在於防洪。若將排砂一同納入操作考量將能大大提升清淤效果、延長水庫使用壽命。雖然水庫操作受法律規範之限制，但其操作規則仍可加以修繕，以利水庫之永續。

參考文獻

1. Chang, F. J., Lai, J. S., & Kao, L. S. (2003). Optimization of operation rule curves and flushing schedule in a reservoir. Hydrological Processes, 17(8), 1623-1640.
2. Williams, G. P. (1989). Sediment concentration versus water discharge during single hydrologic events in rivers. Journal of Hydrology, 111(1), 89-106.
3. Wen Shen, H. (1999). Flushing sediment through reservoirs. Journal of Hydraulic Research, 37(6), 743-757.
4. 中興工程科技研究發展基金會 (2011)。水利土木科技資訊季刊-54期。