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系統識別號 U0002-2607201611300700
中文論文名稱 曾文水庫集水區土壤沖蝕經驗式建構及土壤流失預測研究
英文論文名稱 A Study on Soil Erosion Empirical Model and Prediction of Soil Loss for Tseng-wen 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 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 楊尚霖
研究生英文姓名 Shang-Lin Yang
學號 603380147
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-29
論文頁數 185頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-洪勇善
委員-林伯勳
委員-張德文
中文關鍵字 土壤沖蝕  雨場切割  多項式回歸  WEPP  GeoWEPP 
英文關鍵字 soil erosion  cutting method  WEPP  GeoWEPP  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 曾文水庫由於長年淤積影響水庫正常供水,本研究探討其集水區土壤沖蝕和土砂來源,以供後續管理應用參考。研究係以土壤沖蝕經驗式建置為主,考量水文及地文等影響因子,建構特定雨場或連續降雨下之沖蝕深度經驗式;另假設坡面尺度並使用經驗式及物理模式(WEPP)推估坡面土砂變化,並配合經驗模式與年超越機率,建構機率性土壤沖蝕經驗模式;同時採用GeoWEPP程式模擬氣候環境變化,結合土地利用、數值地形及土壤類型,由降雨逕流、土砂生產、土砂運移、土砂堆積等輸送過程,由坡面尺度推演至集水區尺度,以模擬整個集水區土砂運移量。研究主要成果如下:
1. 土壤沖蝕量:建置適用於曾文水庫集水區的土壤沖蝕估算式,用於推估單一降雨事件或多年的降雨的土壤沖蝕量,並與物理模式進行比較,結果顯示:
(1). 經驗模式比物理模式 (WEPP) 相對保守,但預測結果差異不大;惟應用時經驗模式需加入標準偏差,物理模式需將坡度放大,以利保守推估。
(2). 機率性土壤沖蝕經驗模式可掌握該預測該區降雨所引致土壤沖蝕深度和年超越機率,以推估水庫入流點土砂產量。研究觀察重現期及對應沖蝕深度關係為2年0.34cm、5年0.37cm、10年0.39cm、20年0.41cm和100年0.44cm。
2. 水道輸砂量:利用該區降雨特性,針對單一降雨事件及逐年降雨推估整個區域土砂產量,以掌握河道輸砂量變化,結果顯示:
(1). 以土砂預測程式(GeoWEPP)預測2011年南瑪督颱風事件及2012年天秤颱風事件所產生之泥砂產量,透過流動路徑模式預測各子集水區、溪流、邊坡,乃至邊坡植生及土壤之土砂總流失量,在流域面積與最小流域長配置下,可達到與實際值相對誤差6.7%之最佳模擬。
(2). 利用土砂收支系統,由坡面土砂流失量和土砂遞移率乘積,可計算水庫集水區蓄水範圍以上子集水區出流點的土砂流出總量。
英文摘要 The long year’s siltation of Tsengwen Reservoir affects the normal water supply severely. This study is aimed to evaluate soil erosions and sediments at corresponding watersheds, in which the management can be easily accessed. Regression analysis was conducted to predict the soil erosions where the hydrological and physiographic factors were considered for a specific rainfall site and/or the cases of continuous raining. Additionally with the presumed slope dimensions and the application of empirical formula and physical mode (WEPP) to predict soil changes along the slope, the probabilistic model of soil erosion can be established. Furthermore, GeoWEPP program was conducted to simulate climate change. With land reclamation, digital topographic map and soil files, the amount of sand transports at the watersheds can be predicted based on the information of rainfall and transports of soil formations. Both slope and watershed levels’ assessment can be suggested.
1. Soil erosions:
(1) Empirical formulas are conservative compared to the physical mode WEPP. There difference is not very significant. When using the regression formulas, one standard deviations of plus and/or minus are suggested. When using physical model, the dimensions of slope is better to be large in order to provide suitable predictions..
(2) The probabilistic soil erosion model can be used to provide soil erosion in correspondence with the annual exceednace of rainfall. It can be used to predict the sediment yield at the reservoir inflow station. It is suggested that the relationships of the return period and the soil erosion depth is two years-0.34cm、five years 0.37cm、ten years-0.39cm、twenty years-0.41cm and one hundred years-0.44cm.
2. Sand transports at watercourse:
(1) Using the sand prediction program GeoWEPP to predict the sediment yields by typhoon Nanmadol in 2011 and Typhoon Tembin in 2012, with the flowpath model which predicts each watershed, river, natural and protected slopes and total amount of soil lost, as well as proper source area and channel length, an error of 6.7% can be found in the prediction.
(2) Use sand sediment balance system, the soil loss of the reservoir watershed at the inflow stations can be computed by multiplying the soil loss of the slope with the sediment delivery ratio.
論文目次 目錄 I
表目錄 III
圖目錄 VII
第壹章 緒 論 1
§1-1 研究動機與目的 1
§1-2 研究流程 3
§1-3 內容章節安排 6
第貳章 文獻回顧 7
§2-1 土壤沖蝕影響因素 7
§2-2 土壤沖蝕量測 12
§2-3 土壤沖蝕推估 16
§2-3-1 土壤沖蝕經驗模式 16
§2-3-2 土壤沖蝕物理模式 23
§2-4 水文機率模式建立 31
§2-5 雨場切割方法 33
§2-6 降雨雨型 34
§2-7 極端水文事件 36
第參章 研究對象與資料蒐集 39
§3-1 研究區域 40
§3-2 土壤沖蝕量測資料 47
§3-3 鄰近雨量站時雨量資料 54
§3-4 代表性雨量站權重 56
§3-5 雨場切割方法選定 64
§3-6 歷次雨場統計 69
第肆章 土壤沖蝕經驗模式建立 73
§4-1 經驗模式建立流程與架構 73
§4-2 水文及地文影響因素考量 79
§4-3 單參數土壤沖蝕回歸式 81
§4-4 多參數土壤沖蝕回歸式 90
§4-5 各經驗回歸式適用性探討 100
§4-6 水文機率性土壤沖蝕模式建立 104
第伍章 土壤沖蝕流失模式建立 111
§5-1 土壤沖蝕物理模型建立 111
§5-2 集水區模型建立 127
第陸章 案例驗證 134
§6-1 案例樣區 134
§6-2 坡面模擬 135
§6-2-1 經驗模式 135
§6-2-2 WEPP模式 141
§6-3 集水區模擬 144
§6-3-1 集水區淤積資料 144
§6-3-2 GeoWEPP模式 146
§6-4 綜合討論 153
第柒章 結論 161
§7-1 結論 161
§7-2 未來展望 163
參考文獻 164
附錄 170

表目錄
表2-1-1 土壤沖蝕程度之分級標準(摘自 水土保持手冊,2005) 11
表2-2-1 不同量測尺度的土壤沖蝕量測對象及量測儀器分類表 13
表2-3-1-1 USLE各項參數簡介 16
表2-3-1-2 土壤參數對照表 (摘自 水土保持手冊,2005) 18
表2-3-1-3 C值對照表(摘自 水土保持手冊,2005) 20
表2-3-1-4 國內相關經驗公式之研究 21
表2-3-2-1 WEPP 輸出 27
表2-4-1 水工結構物設計重現期距 31
表2-4-2 機率紙定點方法種類(摘自 王如意,1979) 32
表2-5-1 雨場切割方法 (摘自賴銘峰,2010) 33
表3-1-1 曾文水庫集水區地質岩性特徵表 (整理自 水保局,2011) 42
表3-2-1 大埔及新美治理分區土壤沖蝕資料表(整理自水保局,2011) 48
表3-2-2 樂野、里佳及達邦治理分區土壤沖蝕資料表(整理自水保局,2011) 48
表3-2-3 茶山治理分區土壤沖蝕資料表(整理自水保局,2011) 49
表3-2-4 曾文水庫集水區坡度分布比例表 49
表3-2-5 大埔集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 50
表3-2-6 新美集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 51
表3-2-7 茶山集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 51
表3-2-8 樂野集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 52
表3-2-9 里佳集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 52
表3-2-10 達邦集水區降雨引致土壤沖蝕資料表 53
表3-3-1 曾文水庫集水區鄰近雨量站資料表 (整理自 水保局,2011) 55
表3-4-1 測站相對於子集水區權重表 63
表3-5-1 各雨場切割方法之雨場參數 68
表3-6-1 新雨量分級定義與警戒事項之關聯(摘自 中央氣象局,2015) 69
表3-6-2 大埔集水區降雨特性 71
表3-6-3 新美集水區降雨特性 71
表3-6-4 茶山集水區降雨特性 71
表3-6-5樂野集水區降雨特性 72
表3-6-6里佳集水區降雨特性 72
表3-6-7達邦集水區降雨特性 72
表4-1-1 沖蝕影響因子相關表 75
表4-3-1 回歸參數代號 81
表4-3-2 整治邊坡坡向回歸經驗式 81
表 4-3-3整治邊坡坡度分級回歸經驗式 83
表4-3-4整治邊坡地質岩性回歸經驗式 84
表4-3-5 裸露邊坡坡向回歸經驗式 85
表 4-3-6裸露邊坡坡度分級回歸經驗式 87
表4-3-7裸露邊坡地質岩性回歸經驗式 88
表4-3-8 降雨季節回歸經驗式 89
表4-4-1 整治邊坡回歸經驗式 90
表4-4-2 整治邊坡坡向回歸經驗式 91
表4-4-3 整治邊坡坡度分級回歸經驗式 93
表4-4-4 整治邊坡地質岩性回歸經驗式 94
表4-4-5 裸露邊坡回歸經驗式 95
表4-4-6 裸露邊坡坡向回歸經驗式 96
表4-4-7 裸露邊坡坡度分及回歸經驗式 97
表4-4-8 裸露邊坡地質岩性回歸經驗式 98
表4-4-9 降雨季節回歸經驗式 99
表4-5-1 整治邊坡及裸露邊坡 坡向R2比較 100
表4-5-2整治邊坡及裸露邊坡 坡度R2比較 101
表4-5-3整治邊坡及裸露邊坡 岩性R2比較 102
表4-5-4降雨季節R2比較 103
表4-6-1 機率雨量計算表(i=55) 104
表4-6-2 重現期所對應之日雨量表 105
表4-6-3 頻率雨量分析 106
表4-6-4 降雨危害度曲線及降雨引致土壤沖蝕深度曲線方程式 107
表4-6-5 1日重現期距之雨量(以阿里山測站為例) 110
表5-1-1各子集水區土壤物性及強度材料參數(摘自 水保局,2011) 118
表5-1-2曾文水庫集水區土壤取樣點位及現場照片(摘自 水保局,2011) 118
表5-1-3東西坑溪(沖蝕監測點位EA02)裸露邊坡年沖蝕深度 119
表5-1-4龍蛟溪(沖蝕監測點位EB02)裸露邊坡年沖蝕深度 120
表5-1-5樂野3號野溪(沖蝕監測點位EE01)裸露邊坡年沖蝕深度 121
表5-1-6 東西坑溪(監測點位EA02)近年年平均土壤沖蝕深度 122
表5-1-7 龍蛟溪(監測點位EB02)近年年平均土壤沖蝕深度 123
表5-1-8樂野3號野溪(監測點位EE01)近年年平均土壤沖蝕深度 124
表5-2-1 土壤沖蝕預測模式之優劣 133
表6-2-1-1 裸露邊坡經驗回歸式 135
表6-2-1-2 颱風事件 136
表6-2-1-3 東西坑溪(沖蝕監測點位EA02)案例試算結果比較表 137
表6-2-1-4 龍蛟溪(沖蝕監測點位EB02)案例試算結果比較表 138
表6-2-1-5 樂野3號野溪(沖蝕監測點位EE01)案例試算結果比較表 139
表6-2-1-6 獨立降雨事件 140
表6-2-2-1東西坑溪(沖蝕監測點位EA02)裸露邊坡年沖蝕深度 141
表6-2-2-2東西坑溪裸露邊坡(沖蝕監測點位EA02)監測表 141
表6-2-2-3龍蛟溪(沖蝕監測點位EB02)裸露邊坡年沖蝕深度 142
表6-2-2-4龍蛟溪裸露邊坡(沖蝕監測點位EB02)監測表 142
表6-2-2-5樂野三號野溪(沖蝕監測點位EE01)裸露邊坡年沖蝕深度 143
表6-2-2-6樂野三號野溪裸露邊坡(沖蝕監測點位EE01)監測表 143
表6-3-1-1 曾文水庫歷年泥砂淤積量表 144
表6-3-2-1 2011年曾文水庫泥沙產量模擬結果 147
表6-3-2-2 2012年曾文水庫泥沙產量模擬結果 148
表6-3-2-3 2011年及2012年流動路徑模式下水庫土砂模擬結果 149
表6-3-2-3 河道驗證比較結果 152
表6-4-1 東西坑溪經驗模式與物理模式比較 153
表6-4-2 龍蛟溪經驗模式與物理模式比較 154
表6-4-3 樂野三號野溪經驗模式與物理模式比較 155
表6-4-4 經驗模式與物理模式優劣比較 156
表6-4-5 水土保持治理對策一覽表(摘自 水保局,2010) 159
表6-4-6 與前期研究之比較 160

圖目錄
圖1-2-1 研究流程圖5
圖2-1-1 土壤沖蝕過程示意圖(摘自李鎮洋等人,2015)7
圖2-1-2 影響土壤沖蝕之水蝕因子關係圖(摘自Li Zhang et al, 1996)8
圖2-1-3 土壤沖蝕類型(摘自:Broz et al, 2003)11
圖2-3-1沖蝕針示意圖(摘自Haigh, 1977)12
圖2-3-2 沖蝕針布設流程(摘自許振崑等人,2009)15
圖2-3-2-1 WEPP操作模式25
圖2-3-2-2 WEPP操作介面25
圖2-3-2-3 WEPP程式操作流程圖25
圖2-3-2-4邊坡參數介面26
圖2-3-2-5 氣候參數介面26
圖2-3-2-6 坡面植生參數介面27
圖2-3-2-7 邊坡土壤參數介面27
圖2-3-2-7GeoWEPP操作模式29
圖2-3-2-8 GeoWEPP各功能按鈕29
圖2-5-1 雨場切割示意圖(水保局,2005,土石流災後現地調查規範之訂定)33
圖2-6-1 六種雨型分布(修改自石棟鑫,2001)35
圖2-7-1 個年份的極端降雨事件日數(摘自龔楚媖等人,2015)36
圖2-7-2 各月份的極端降雨事件日數(摘自龔楚媖等人,2015)37
圖2-7-3 各類天氣影響下的極端降雨事件比例(摘自龔楚媖等人,2015)37
圖2-7-4 水文事件常態分布(摘自水利署,2012)38
圖2-7-5 1990至2010年間各侵台颱風事件與最大總雨量示意圖38
圖3-1-1 曾文水庫地形地勢(摘自水保局,2011)40
圖3-1-2 曾文水庫地理位置(摘自水保局,2011)41
圖3-1-3 曾文水庫地質分布(摘自水保局,2011)42
圖3-1-4 曾文水庫土壤分布圖(摘自水保局,2011)43
圖3-1-5 曾文水庫集水區水系分布圖(摘自水保局,2011)44
圖3-1-6 曾文水庫歷年淤積趨勢圖(摘自水保局,2011)46
圖3-2-1 沖蝕針點位分布圖47
圖3-3-1 曾文水庫雨量站相對位置示意圖54
圖3-4-1 徐昇氏切割流程圖57
圖3-4-2 建立雨量測站及曾文水庫集水區圖資58
圖3-4-3 徐昇氏多邊形切割法59
圖3-4-4 ArcGIS選取切割範圍59
圖3-4-5 徐昇氏法切割各雨量測站所影響多邊形範圍60
圖3-4-6 建立子集水區資料庫61
圖3-4-7 Clip方法切割62
圖3-4-8 identify功能展示62
圖3-5-1 莫拉克颱風事件降雨概況64
圖3-5-2 莫拉克颱風事件警報發布概況(摘自中央氣象局,2012)64
圖3-5-3 降雨切割法165
圖3-5-4 降雨切割法265
圖3-5-5 降雨切割法366
圖3-5-6 降雨切割法466
圖3-5-7 降雨切割法567
圖3-5-8 降雨切割法667
圖4-1-1 經驗模式建立流程圖73
圖4-1-2 建置沖蝕因子資料庫74
圖4-1-3 相關性判斷步驟174
圖4-1-4 相關性/顯著性計算75
圖4-1-5 選取非線性多項式回歸選項76
圖4-1-6 非線性回歸設定介面76
圖4-1-7 非線性方程式生產視窗77
圖4-1-8 輸入非線性回歸方程式77
圖4-1-9 correlation分析78
圖4-1-10 繪製回歸曲線78
圖4-2-1 曾文水庫地文因子影響因素分類80
圖4-2-2 八大方位坡向示意圖80
圖4-3-1 坡向北及坡向西之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖82
圖4-3-2坡向西北及坡向西南之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖82
圖4-3-3坡向東及坡向東北之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖82
圖4-3-4坡向東南之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖83
圖4-3-5一級坡及二級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖83
圖4-3-6三級坡及四級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖84
圖4-3-7六級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖84
圖4-3-8長枝坑層及隘寮腳層之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖85
圖4-3-9沖積層之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖85
圖4-3-10坡向北及坡向西之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖86
圖4-3-11坡向西南及坡向東之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖86
圖4-3-12坡東北及坡向南之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖86
圖4-3-13三級坡及四級坡之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖87
圖4-3-14五級坡及六級坡之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖87
圖4-3-15長枝坑層及隘寮腳層之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖88
圖4-3-16糖恩山砂岩層及鹽水坑頁岩層之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖88
圖4-3-17汛期及非汛期之降雨季節沖蝕深度與累積雨量之關係圖89
圖4-4-1整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖90
圖4-4-2 坡向北及坡向西之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖91
圖4-4-3坡向西北及坡向西南之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖92
圖4-4-4坡向東及坡向東北之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖92
圖4-4-5坡向東南之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖92
圖4-4-6一級坡及二級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖93
圖4-4-7三級坡及四級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖93
圖4-4-8六級坡之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖94
圖4-4-9長枝坑層及隘寮腳層之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖94
圖4-4-10沖積層之整治邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖95
圖4-4-11 裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖95
圖4-4-12坡向北及坡向西之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖96
圖4-4-13坡向西南及坡向東之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖96
圖4-4-14坡向東北及坡向南之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖97
圖4-4-15三級坡及四級坡之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖97
圖4-4-16五級坡及六級坡之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖98
圖4-1-17長枝坑層及隘寮腳層之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖98
圖4-4-18糖恩山砂岩層及鹽水坑頁岩層之裸露邊坡沖蝕深度與累積雨量之關係圖99
圖4-4-19汛期及非汛期之降雨季節沖蝕深度與累積雨量之關係圖99
圖4-5-1整治邊坡及裸露邊坡之相關係數與坡向比較圖100
圖4-5-2整治邊坡及裸露邊坡之相關係數與坡度比較圖101
圖4-5-3整治邊坡及裸露邊坡之相關係數與岩性比較圖102
圖4-5-4汛期及非汛期之相關係數與降雨季節比較圖103
圖4-6-1 阿里山年雨量超越機率105
圖4-6-2 水文機率性土壤沖蝕模式107
圖4-6-3台灣各地年降雨概況(摘自經濟部水利署,2015)108
圖4-6-4 曾文水庫集水區1日暴雨雨型分配圖(摘自中興社)110
圖5-1-1 WEPP操作流程111
圖5-1-2 東西坑溪在不同坡度下之土壤沖蝕深度119
圖5-1-3 龍蛟溪在不同坡度下之土壤沖蝕深度120
圖5-1-4 樂野3號野溪在不同坡度下之土壤沖蝕深度121
圖5-1-5 近年年平均土壤沖蝕深度趨勢圖125
圖5-1-6 東西坑溪各坡型近年年平均土壤沖蝕深度125
圖5-1-7 龍蛟溪各坡型近年年平均土壤沖蝕深度126
圖5-1-8 樂野3號野溪各坡型近年年平均土壤沖蝕深度126
圖5-2-1 集水區產砂量分析流程127
圖5-2-2 DEM、土壤圖、土地利用圖書入參數介面128
圖5-2-3 NoData修正方法示意圖129
圖5-2-4 GeoWEPP工具欄129
圖5-2-5 CSA、MSCL設定視窗,CSA默認值5,MSCL默認值100130
圖5-2-6描繪溪流示意圖131
圖5-2-7 子流域劃定示意圖131
圖5-2-8 氣候檔案選擇視窗介面132
圖5-2-9 選擇Cligen氣候站介面132
圖5-2-10 設定分析模式介面133
圖5-2-11 分析成果示意圖133
圖6-1-1 案例區域地理位置圖134
圖6-2-1-1 裸露邊坡回歸曲線135
圖6-2-1-2 天秤颱風路徑圖136
圖6-2-1-3 啟德颱風路徑圖136
圖6-2-1-4 海葵颱風路徑圖137
圖6-3-2-1 數值高程地形圖、土壤圖、土地利用圖146
圖6-3-2-2 選取最終河道匯流口及流動路徑模式146
圖6-3-2-3 2011年曾文水庫集水區土砂流失模擬示意圖150
圖6-3-2-4 2012年曾文水庫集水區土砂流失模擬示意圖150
圖6-3-2-5 曾文水庫集水區河道斷面量測空間分布圖151
圖6-3-2-6 曾文溪河道主流縱斷面量測結果分布圖152
圖6-3-2-7 曾文溪R01處及R20處之土砂流失範圍模擬圖152
圖6-4-1 土壤沖蝕分析應用流程圖157
圖6-4-2 綜合治水基本理念(摘自水利工程技術規範-河川治理篇)158
參考文獻 參考文獻
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