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系統識別號 U0002-2108201415092200
中文論文名稱 石門水庫集水區土壤沖蝕與水文地文影響因子研究
英文論文名稱 A Study on Soil Erosion and Influential Hydrologic and Geographic Factors for Shihmen Reservoir Watershed
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 林韋成
研究生英文姓名 Wei-Cheng Lin
學號 601380552
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-02
論文頁數 213頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-林伯勳
委員-洪勇善
中文關鍵字 土壤沖蝕  雨場切割  WEPP  Minitab  多項式回歸 
英文關鍵字 soil erosion  cutting method  WEPP  Minitab  polynomial regression 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究以石門水庫集水區水文與地文資料以及土壤沖蝕監測資料為主,考量不同雨場代表特性,分析土壤沖蝕量之相關因子,並依據觀察結果建立土壤沖蝕經驗式。該經驗式可模擬不同降雨境況,並用於預測該水庫集水區可能之土壤沖蝕量。研究首先蒐集2008~2011年間石門水庫各區雨量資料,並將各子集水區內之降雨測站資料以徐昇氏法合成集水區內降雨情形,再透過合宜的雨場判定方法,萃取出各集水區內降雨特性。其次再以集水區內現地沖蝕針資料及地理資訊系統資料,透過Minitab統計軟體進行敏感度分析及多項式迴歸分析,得到不同坡面狀況之土壤沖蝕經驗公式。最後再利用本研究所迴歸之土壤沖蝕經驗式、通用土壤流失公式(USLE)、水保局經驗式及水蝕預估模式程式(WEPP),配合代表性之子集水區沖蝕數據進行比較驗證。

研究結果顯示:1.植生程度將影響邊坡的年平均沖蝕量。依其植生程度而不同,裸露邊坡沖蝕量約自然植生邊坡之1.3倍,約人工整治邊坡之1.6倍,坡面的附蓋率及人工整治能有效抑制土壤沖蝕行為。2.本研究將可能影響土壤沖蝕量之相關因子進行檢定,以篩選相關因子,研究發現水文因子以雨場次數、降雨動能、降雨延時及累積雨量較能反映沖蝕量,地文因子則以坡度為主要影響因子。對土壤沖蝕深度敏感度以累積降雨量為最高,其次降雨延時,再者為雨場發生次數,最後則為邊坡坡度。3.降雨季節的迴歸分析可區分為颱風季節、春雨季節及梅雨季節。春雨季節模擬最好,R2值達0.837;颱風季節次之,R2值達0.605,梅雨季節迴歸模擬因降雨強度不高,降雨延時長,分析關聯性不高。該項觀察和雨場判定方式有關,本研究係以詹錢登(2002)所建議者為主。4.若以WEPP模擬沖蝕量,在相關參數的決定上,尤為困難;其考慮的參數多,結果將相對準確。由於本研究除氣候資料是由中央氣象局取得外,土壤參數皆為集水區平均值,若能進一步掌握當地鑽探資料,應能更準確預測土壤沖蝕深度。5.在案例比較中發現:(1) 植生邊坡迴歸式估算坡度超越20度之邊坡時,有低估沖蝕之情況,建議在經驗式上依集水區加入不同標準偏差進行土壤沖蝕深度之修正,以使結果能滿足所需。(2) 依據水保局建議所採用的USLE經驗式模擬結果在案例分析中顯示其過度保守,預測結果約為實測值之2至5倍間。(3) 氣候變遷導致年平均雨量有上升的趨勢,採WEPP模擬近年平均土壤沖蝕深度發現,近兩年的土壤沖蝕深度約為近十年的1.4~2倍之間,約為近五年的1.2~1.5倍之間。
英文摘要 This study mainly takes the hydrology and physiographic factors, as well as the soil erosion pins data of Shihmen Reservoir watershed to analyze the soil erosion related factors by considering the characteristics of different raining sites, and to establish the soil erosion empirical formula based on the observation results. This empirical formula can not only simulate various rainfall conditions, but also predict the possible amount of soil erosion in Shihmen Reservoir watershed. The study firstly collects the rainfall data in Shihmen Reservoir during the period of 2008-2011, and composes the rainfall condition of the watershed based on Thiessen method and by using the data collected at the rainfall prediction station of each sub watershed. Moreover, it extracts the characteristics of rainfall in each sub watershed by appropriate cutting method. After that, it conducts sensitivity analysis and polynomial regression analysis with Minitab statistical software and based on current erosion indicators and GIS data within the watershed, so as to obtain the empirical soil erosion regression formula for different slope conditions. Finally, with the soil erosion data in representative sub watershed, it conducts comparison and validation of the empirical soil erosion regression formulas with other prediction methods such as USLE and WEPP.

The study shows that:1. Planting will affect the amount of soil erosion on the slope. Dependent on planting conditions, the amount of soil erosion on bare slope is about 1.3 times of that of vegetation slope, and 1.6 times of that of artificial remediation slope. It shows that coverage and remediation can effectively inhibit soil erosion. 2. The study tested the related factors that might possibly affect the soil erosion, so as to screen out the related factors. The soil erosion amount could be reflected by such hydrologic factors as the rainfall frequency, rainfall energy, duration and cumulative rainfall; in terms of the geographic factors, the slope gradient shows the major influence. As for the sensitivity of the soil erosion depth, the cumulative rainfall takes the first place, followed by duration and rainfall frequency, and slope gradient takes the last place. 3. Regression analysis of rainfall seasons can be distinguished as the typhoon season, spring season and plum rains season. The regress simulation in spring season obtains the best result, with the R2 value reaching 0.837. It is followed by typhoon season, with the R2 value reaching 0.605. Due to low rainfall intensity and long duration, the correlation of analysis is relatively low for the plum rains season. The observation is correlated to the cutting method. The study mainly employs the method recommended by Zhai Qian-Deng (2002). 4. If WEPP is used to simulate the soil erosion amount, it will be quite difficult to determine the related parameters. By taking a lot of parameters into account, it will obtain accurate results. Except for the weather data obtained from the Central Weather Bureau, the study takes the mean values in the watershed as the soil parameters. Thus, it will be able to predict the soil erosion depth more accurately if local drilling data were available. 5. The case comparison shows that: (1) When the regression formula of planting slope estimates the slope gradient is higher than 20 degrees, the simulation might underestimate the erosion. It is suggested that the soil erosion depth could be corrected by adding different standard deviations into the empirical formula, so as to make the results satisfy the demands. (2) The simulation results of the USLE empirical formula as suggested by Water Conservation Bureau show that it is overly conservative, the prediction results are 2~5 times of the measured ones. (3) The climate change leads to the increase of annual average rainfall. By simulating the average soil erosion depth in recent years with WEPP, it is found that the soil erosion depth in the last two years is about 1.4~2 times of that in the last decade, and about 1.2~1.5 times of that in the last five years.
論文目次 目錄
中文摘要
英文摘要
第壹章 緒 論 1
§1-1 研究動機與目的 1
§1-2 研究流程架構 6
§1-3 內容章節安排 8
第貳章 文獻回顧 9
§2-1 前言 9
§2-2 土壤沖蝕分類 12
§2-3 土壤沖蝕推估方法 18
§2-3-1 土壤流失方程式(Universal Soil Loss Equation, USLE) 21
§2-3-2 水蝕預報 (Water Erosion Prediction Project, WEPP) 30
§2-4 土壤沖蝕量測方法 34
§2-4-1 沖蝕針試驗 36
§2-5 徐昇式切割法 39
§2-6雨場切割方法 42
第參章 研究對象與資料蒐集 47
§3-1 研究區域 48
§3-2 歷史土壤沖蝕量測資料 58
§3-3 鄰近雨量站資料蒐集 63
§3-4 代表性雨量站權重 65
§3-5 調查時間雨場編號及建置 81
§3-6 降雨沖蝕指數Rm 86
§3-7 降雨引致土壤沖蝕資料庫建置 105
第肆章 土壤沖蝕與地文降雨關聯分析 112
§4-1 前言 112
§4-1-1 土壤沖蝕量與地質條件之關係 114
§4-2 分析軟體簡介 116
§4-3 經驗回歸式之建立 118
§4-4 各邊坡在不同條件下之回歸式 125
第伍章 案例比較 143
§5-1比較試區介紹 143
§5-2 Cligen程式生成 144
§5-3 WEPP程式模擬案例 148
§5-3-1 WEPP程式模擬探討近年土壤沖蝕深度 154
§5-4 比較驗證 159
第陸章 結論與建議 166
§6-1結論 166
§6-2未來展望 170
參考文獻 171
附錄 180



表目錄
表2-2-1 自然沖蝕及人為沖蝕因素區分 14
表2-2-1 土壤沖蝕程度之分級標準 17
表2-3-1 USLE各項參數簡介 21
表2-3-2 土壤參數對照表 24
表2-3-3 C值對照表 27
表2-3-4 USLE的應用與誤用 29
表2-4-1 各土壤沖蝕方法簡介 35
表2-5-1石門水庫集水區雨量站資料表 39
表2-5-2 石門水庫子集水區占總面積比例 40
表2-6-1 雨場切割方法 43
表3-1 石門水庫集水區地質岩性特徵表 53
表3-2-1 庫區集水區土壤沖蝕資料表 61
表3-2-2玉峰集水區土壤沖蝕資料表 61
表3-2-3白石集水區土壤沖蝕資料表 62
表3-2-4泰崗集水區土壤沖蝕資料表 62
表3-2-5三光集水區土壤沖蝕資料表 63
表3-2石門水庫集水區鄰近雨量站資料表 65
表3-4-1 測站相對於子集水區權重表 77
表3-4-2 子集水區對應相同測站 78
表3-4-3 子集水區中心點對應代表性雨量測站距離 81
表3-5-1 庫區集水區降雨特性 84
表3-5-2玉峰集水區降雨特性 84
表3-5-3白石集水區降雨特性 85
表3-5-4泰崗集水區降雨特性 85
表3-5-5三光集水區降雨特性 86
表3-6-1 義興溪Rm相關參數 比較表 88
表3-6-2 匹亞溪Rm相關參數 比較表 89
表3-6-3 寶里苦溪Rm相關參數 比較表 90
表3-6-4蘇樂溪Rm相關參數 比較表 91
表3-6-5卡拉溪Rm相關參數 比較表 92
表3-6-6 沙崙仔溪Rm相關參數 比較表 93
表3-6-7抬耀2號野溪Rm相關參數 比較表 94
表3-6-8 泰平溪Rm相關參數 比較表 95
表3-6-9下文光溪Rm相關參數 比較表 96
表3-6-10 下田埔溪Rm相關參數 比較表 97
表3-6-11秀錦溪Rm相關參數 比較表 98
表3-6-12延老溪Rm相關參數 比較表 99
表3-6-13 泰崗2號溪Rm相關參數 比較表 100
表3-6-14 萱源溪Rm相關參數 比較表 101
表3-6-15 新興溪Rm相關參數 比較表 102
表3-6-16 15子集水區Rm相關參數 比較表 103
表3-6-17 颱風資料庫 104
表3-7-1 邊坡簡述 106
表3-7-2 庫區集水區 降雨引致土壤沖蝕資料表 108
表3-7-3 玉峰集水區 降雨引致土壤沖蝕資料表 109
表3-7-4 白石集水區 降雨引致土壤沖蝕資料表 110
表3-7-5 泰崗集水區 降雨引致土壤沖蝕資料表 111
表3-7-6 三光集水區 降雨引致土壤沖蝕資料表 112
表4-1-1 經驗模式與物理模式優劣比較 113
表4-3-1 沖蝕影響因子相關表 122
表4-3-2 邊坡定義表 125
表4-4-1 回歸參數代號 126
表4-4-2 自然植生邊坡回歸式 127
表4-4-3 自然邊坡坡向回歸 128
表4-4-4自然植生邊坡坡度分級回歸 130
表4-4-5自然植生邊坡岩性地質回歸 132
表4-4-5 自然裸露邊坡回歸式 133
表4-4-6 裸露邊坡坡向回歸 134
表4-4-7裸露邊坡坡度分級回歸 135
表4-4-8自然裸露邊坡岩性地質回歸 136
表4-4-9 整治邊坡回歸式 138
表4-4-10 人工整治邊坡坡向回歸 139
表4-4-11人工整治邊坡坡度分級回歸 140
表4-4-12人工整治邊坡岩性地質回歸 142
表5-1-1各子集水區自然植生邊坡基本資料 144
表5-3-1各子集水區自然植生邊坡基本資料 149
表5-3-2 抬耀2號EF01自然植生邊坡年沖蝕深度 151
表5-3-3 延老EK05自然植生邊坡年沖蝕深度 152
表5-3-4蘇樂ED01自然植生邊坡年沖蝕深度 153
表5-3-1-1抬耀2號EF01近年年平均土壤沖蝕深度表 156
表5-3-1-2延老EK05近年年平均土壤沖蝕深度表 157
表5-3-1-1蘇樂ED01 近年年平均土壤沖蝕深度表 158
表5-4-1 自然邊坡經驗回歸式 160
表5-4-2 USLE參數計算結果 160
表5-4-3抬耀2號EF01經驗回歸式計算結果 161
表5-4-4延老EK05經驗回歸式計算結果 162
表5-4-5延老EK05 加入標準偏差計算結果 162
表5-4-6經驗回歸式計算結果 164
表5-4-7自然植生邊坡回歸式加入1倍σ比較 165
表5-4-8自然植生邊坡回歸式加入2倍σ比較 165


圖目錄
圖1-1 水保局歷年地表沖蝕量調查點位分布圖 4
圖1-2 研究流程圖 7
圖2-1-1 道路沖刷坍方示意圖 9
圖2-2-1 土壤沖蝕過程示意圖 12
圖2-2-2 各沖蝕型態發展示意圖 16
圖2-3-1 WEPP操作模式 32
圖2-3-2 WEPP邊坡系統 32
圖2-3-3 WEPP運算結果報告書 33
圖2-4-1 沖蝕針埋設示意圖 37
圖2-4-2 沖蝕針施作步驟 38
圖2-6-1降雨切割法1 44
圖2-6-2降雨切割法2 44
圖2-6-3降雨切割法3 45
圖2-6-4降雨切割法4 45
圖2-6-5降雨切割法5 46
圖2-6-6降雨切割法6 46
圖3-1-1 石門水庫地形地勢 51
圖3-1-2 石門水庫地理位置 52
圖3-1-3 石門水庫地質分布 54
圖3-1-4 石門水庫土壤分布圖 55
圖3-2-1 沖蝕針點位分布圖 60
圖3-2 石門水庫雨量站相對位置示意圖 64
圖3-4-1雨量資訊網 66
圖3-4-2 excel雨量資料 67
圖3-4-3 徐昇氏切割流程圖 69
圖3-4-4 建立雨量測站及石門水庫集水區圖資 70
圖3-4-5 徐昇氏多邊形切割法 71
圖3-4-6 Arcgis選取切割範圍 72
圖3-4-7 切割各雨量測站所占多邊形範圍 73
圖3-4-8 建立子集水區資料庫 74
圖3-4-9 Clip方法切割 75
圖3-4-10 identify功能展示 75
圖3-4-11 篩選集水區流程圖 78
圖3-4-12 集水區對應相同測站 79
圖3-4-13 Features to point 79
圖3-4-14Measures工具展示 80
圖3-6-1 義興溪Rm相關參數Calendar Chart 88
圖3-6-2 匹亞溪Rm相關參數Calendar Char 89
圖3-6-3 寶里苦溪Rm相關參數Calendar Chart 90
圖3-6-4 蘇樂溪Rm相關參數Calendar Chart 91
圖3-6-5 卡拉溪Rm相關參數Calendar Chart 92
圖3-6-6沙崙仔溪Rm相關參數Calendar Chart 93
圖3-6-7 抬耀2號野溪Rm相關參數Calendar Chart 94
圖3-6-8 泰平溪Rm相關參數Calendar Chart 95
圖3-6-9下文光溪Rm相關參數Calendar Chart 96
圖3-6-10 下田埔溪Rm相關參數Calendar Chart 97
圖3-6-11 秀錦溪Rm相關參數Calendar Chart 98
圖3-6-12 延老溪Rm相關參數Calendar Chart 99
圖3-6-13 泰崗2號溪Rm相關參數Calendar Chart 100
圖3-6-14 萱源溪Rm相關參數Calendar Chart 101
圖3-6-15 新興溪Rm相關參數Calendar Chart 102
圖3-6-16 15子集水區Rm相關參數Calendar Chart 103
圖3-6-17 颱風侵台路徑圖 105
圖4-1-1 分類式石門水庫經驗公式 114
圖4-1-1-1 邊坡分級與年平均沖蝕量之關係 115
圖4-1-1-2 坡向與年平均沖蝕量之關係 116
圖4-1-1-3 邊坡分類與年平均沖蝕量之關係 116
圖4-2-1 Unusual data及large residuals 報告書 118
圖4-3-1經驗回歸式建立流程圖 119
圖4-3-2 建置沖蝕因子資料庫 120
圖4-3-3 相關性判斷步驟1 121
圖4-3-4相關性判斷步驟2 121
圖4-3-5 建立多變量回歸步驟1 123
圖4-3-6 建立多變量回歸步驟2 123
圖4-3-7 非線性方程式產生 124
圖4-3-8 correlation 分析 124
圖4-3-9 繪製回歸曲線 125
圖4-4-1 自然植生邊坡回歸式 127
圖4-4-2 自然植生邊坡 坡向北 128
圖4-4-3 自然植生邊坡 坡向西 128
圖4-4-4 自然植生邊坡 坡向西北 129
圖4-4-5 自然植生邊坡 坡向東 129
圖4-4-6 自然植生邊坡 坡向東北 129
圖4-4-7 自然植生邊坡 坡向東南 129
圖4-4-8 自然植生邊坡 坡向南 129
圖4-4-9 自然植生邊坡2級坡 130
圖4-4-10 自然植生邊坡 3級坡 130
圖4-4-11 自然植生邊坡4級坡 131
圖4-4-12 自然植生邊坡 5級坡 131
圖4-4-13 自然植生邊坡6級坡 131
圖4-4-14 自然植生邊坡 巴陵層 132
圖4-4-15 自然植生邊坡打鹿頁岩層 132
圖4-4-16 裸露邊坡回歸式 133
圖4-4-17 自然裸露邊坡 坡向北 134
圖4-4-18 自然裸露邊坡 坡向西 134
圖4-4-19 自然裸露邊坡 坡向東北 134
圖4-4-20 自然裸露邊坡 坡向西南 134
圖4-4-21 自然裸露邊坡 坡向南 135
圖4-4-22 自然裸露邊坡 坡向東南 135
圖4-4-23 自然裸露邊坡 4級坡 135
圖4-4-24 自然裸露邊坡 5級坡 135
圖4-4-25 自然裸露邊坡 6級坡 136
圖4-4-25 自然裸露邊坡 大寮層 136
圖4-4-26 自然裸露邊坡 巴陵層 136
圖4-4-27 自然裸露邊坡 木山層 137
圖4-4-28 自然裸露邊坡 打鹿頁岩層 137
圖4-4-29 自然裸露邊坡 石底層 137
圖4-4-30 人工整治邊坡回歸式 138
圖4-4-31 人工整治邊坡 坡向西 139
圖4-4-32 人工整治邊坡 坡向-西北 139
圖4-4-33 人工整治邊坡 坡向東 140
圖4-4-34 人工整治邊坡 坡向-東北 140
圖4-4-35 人工整治邊坡 坡東南 140
圖4-4-36 人工整治邊坡 坡向-南 140
圖4-4-37 人工整治邊坡 2級坡 141
圖4-4-38 人工整治邊坡 3級坡 141
圖4-4-39 人工整治邊坡 4級坡 141
圖4-4-41 人工整治邊坡 6級坡 141
圖4-4-42 人工整治邊坡 大寮層 142
圖4-4-43 人工整治邊坡 巴陵層 142
圖4-4-44 人工整治邊坡 木山層 142
圖4-4-45 人工整治邊坡 打鹿頁岩層 142
圖4-4-46 颱風季節沖蝕量回歸 143
圖4-4-47 枯水春雨沖蝕量回歸 143
圖4-4-48 梅雨季節沖蝕量回歸 143
圖5-2-1 Cligen 生產流程圖 145
圖5-2-2 氣象資料文字檔 146
圖5-2-3 txt 轉換為GDS 146
圖5-2-4 輸入氣象站座標及高程 147
圖5-2-5 依GDS資料篩選氣象站 147
圖5-2-6 PAR資料檔生產 148
圖5-2-7 Cligen 程式生成 148
圖5-3-1 邊坡土壤數據輸入 149
圖5-3-2 WEPP 邊坡模擬操作介面 150
圖5-3-3 各邊坡在不同坡度下之情形 154
圖5-3-1-1 Cligen 2年雨量特性預測par.檔案 155
圖5-4-1-1 各式坡型及回歸式與坡度改變圖 166

附錄目錄

附錄一 義興溪降雨參數 180
附錄二 匹亞溪降雨參數 182
附錄三 寶里苦溪降雨參數 184
附錄四 蘇樂溪降雨參數 186
附錄伍 砂崙仔溪降雨參數 188
附錄陸 抬耀2號野溪降雨參數 190
附錄柒 泰平溪降雨參數 192
附錄捌 下文光溪降雨參數 194
附錄玖 下田埔溪降雨參數 196
附錄拾 秀錦溪降雨參數 198
附錄拾壹 延老溪降雨參數 200
附錄拾貳 泰崗2號溪降雨參數 203
附錄拾参 卡拉溪降雨參數 205
附錄拾肆 萱源溪降雨參數 207
附錄拾伍 新興溪降雨參數 210
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