研究實績

一、計畫緣起與目的

台灣西部河川之河道沖刷與穩定工法為近年有關單位持續關注之重要議題，特別是堰壩下游劇烈沖刷行為導致岩盤裸露，危及相關水工及防洪構造物安全。台灣目前常見之動床模式，多以一維或二維為主。對於複雜三維流場與局部沖刷問題，如橋墩、丁壩、固床工等，多採用一維或二維模式計算，因其對於水深方向之平均假設，成果常有其限制或不確定性，須藉由更精進之三維模式以獲得更客觀之評估成果。由於三維模式之開發與應用較具有技術門檻，台灣本土模式大多仍在研發階段，有鑑於目前亟需解決之河工治理問題頻仍，考量模式應用之迫切性與現地模擬之可靠度，仍須藉助於國外先進三維動床模式。

本計畫分三年進行，旨在引進美國NCCHE之CCHE3D模式，用以解決國內遭遇之河工問題。本年度工作重點著重在劇烈沖刷河段之河道穩定方案三維模擬，以濁水溪集集堰下游河道為例，進行河道穩定方案之探討、研擬與模擬，提出相關建議與河道穩定方案，最後，邀請NCCHE相關研究人員來台技術移轉及教育訓練，落實模式之引進與應用研究。

二、軟岩沖刷與河岸拓寬模擬

本年度以濁水溪集集堰下游河段為研究範圍，針對集集堰下游河道之劇烈沖刷河段，進行軟岩沖刷與河岸拓寬之模擬，瞭解未來河道變遷情形，以作為沖刷防治方案評估之參考。

因應軟岩沖刷與河岸拓寬之模擬，本計畫於第二年度建置流功門檻軟岩沖蝕機制，以及軟岩河岸拓寬模組，本年度根據現地補充調查與檢核之軟岩參數，以103年之洪水事件(麥德姆颱風等)進行模式檢定，再以98年莫拉克颱風事件進行模式驗證，考慮軟岩沖刷與河岸拓寬模組，模擬結果與實測趨勢相近，完成檢定驗證之CCHE3D模式將作為後續河道穩定方案模擬之數模工具。

三、劇烈沖刷河段之河道穩定方案研擬

根據集集堰下游河道相關基本資料之收集與彙整分析，集集堰尾檻至斷面116區域，有遷急點沖刷潛勢，上下游約有20公尺之高程落差，坡度約為0.0412；斷面116 ~ 111之河床近年以坡度0.0057之趨勢均勻沖刷；而斷面109 ~ 108區域有遷急點沖刷發生；斷面108至名竹大橋上游處，因河幅較寬，莫拉克颱風後，近年河床坡度大致維持為0.0028之沖刷趨勢。

現況斷面116下游為Y型溯源沖刷槽溝之遷急點處，目前溯源沖刷已相當逼近集集堰尾檻約300公尺，有設置固床工或其他工程措施保護之需求；斷面115、113、111，根據歷年深槽縱斷面變化，係軟岩持續均勻沖刷之河段，有設置序列式固床工之需求；斷面109 ~ 108，係原沖積層與軟岩之交界處，目前已深槽化，並有遷急點沖刷情形，為本河段沖刷防治之最下游點，有設置固床工或其他工程措施保護之需求。劇烈沖刷河段河道穩定方案固床工之布置，係自左岸深槽向右岸高灘地延伸約200公尺，上下游以0.0057之坡度布置，直至斷面109位置。深槽橫方向之拓寬，以複式斷面形式挖填，左側底床略高於右側底床1.5公尺，使水流偏向右側以避免沖刷富州堤防，作為本計畫研擬之河道穩定方案。

四、劇烈沖刷河段之河道穩定方案三維模擬

根據完成檢定驗證之CCHE3D模式，進行河道穩定方案之三維模擬，相關結果將作為河道穩定方案成效檢討之依據。河道穩定方案之三維模擬分為兩部分進行，一為針對過去有關單位提出之相關布置方案或概念，進行三維模擬，以探討相關布置之效果與影響；二為針對本計畫所提出之綜合性河道穩定方案，進行短期與長期模擬。最後，彙整過去有關單位提出之相關布置方案，進行河道穩定方案之綜合成效檢討與建議。

短期模擬以近10年最大洪水莫拉克颱風事件作為數模分析基礎，其洪峰流量為12,582 cms，約接近本河段10年重現期距流量。長期模擬挑選近五年之洪水進行模擬，其中包括數場規模約兩年重現期距流量之颱洪事件，以及一場規模約十年重現期距流量之颱洪事件，應具有長期模擬之代表性。

本計畫河道穩定方案，深槽拓寬將有助於深槽流速之減緩，降低水流作用於軟岩河床之流功。根據短期模擬底床縱斷面圖，名竹大橋上游至斷面109仍持續沖刷，但相對零方案尚可減緩5.6%，比較零方案最大沖刷深度位置斷面115下游，本方案約可減緩45%之沖刷量。

五、河道穩定方案成效檢討與建議

中水局103年之布置方案，數模分析結果顯示水流進入弧型跌水工區域後，受到上下游高程落差產生跌水之影響，副壩前深潭之水流有消能作用，弧型跌水工至下游副壩區域之流速有明顯減緩效果，流速約可減少50%，通過副壩後，水流再匯合集中於下游深槽中流動。總結來說，弧型跌水工與副壩對於本河段之消能效果較為明顯，惟對河道穩定之成效僅集中於堰址下游1.5公里範圍。

四河局104年於斷面111處布置之固床工，數模分析結果與現場觀察顯示，因布置規模較小，對整體河道如集集堰下游Y型槽溝之溯源沖刷、下游深槽斷面115 ~ 111之均勻沖刷等，改善效果有限。此外，根據104年11月之現勘，現況水流於固床工右側通過，固床工下游端之鼎塊有些許坍陷情形，固床工實際效果有限，後續可再進行相關改善工程。

本計畫對於劇烈沖刷河段河道穩定方案之建議，考慮固床工頂面高程依近年河床均勻沖刷之穩定坡度(S=0.0057)布置，未來固床工上游回淤坡度將為原河床坡度之一半(S=0.0028)，接近名竹大橋上游河床之坡度。現況深槽進行複式斷面形式之拓寬，可採右岸開挖回填左岸之形式，複式斷面左側底床略高於右側底床1.5公尺，使水流集中右側以避免左岸富州堤防之沖刷。固床工橫跨河床約200公尺進入右岸岩盤與高灘地，固床工之下游面與各固床工區間，根據水流強度與起動粒徑分析，建議至少填補粒徑大於30公分以上之塊石，以保護固床工下游避免局部沖刷。

六、模式庫建置及模式使用手冊編撰

本計畫針對水規所96 ~98年開發之「CCHE水理及輸砂模式庫網」進行CCHE3D模式庫之建置，以及功能擴充與維護，並進行CCHE3D模式使用手冊之編撰，包括模式理論、操作說明、格網產生、示範案例等，模式庫網址為http://cche-123.wrap.gov.tw/。完成建置後之模式庫包含計畫簡介瀏覽、模式簡介瀏覽、模式理論瀏覽、模式案例瀏覽與模式資源等，期能利用模式庫網站使水利署學員更迅速學習使用CCHE3D模式。

七、相關研究人員來台技術移轉與教育訓練

本計畫將三年間之相關模擬案例、模組檔案、輸入與輸出檔、教育訓練教材、教育訓練影片等，彙整至CCHE水理與輸砂模式庫網站，並移交水規所之種子學員，以讓後續相關研究可持續推動，完成技術轉移工作。本年度於期中辦理兩天之種子學員模式教育訓練，針對水規所內部之種子學員進行CCHE3D模式教學。期末教育訓練為期一天，邀請美國NCCHE賈亞非副主任、張耀新博士來台，進行CCHE3D模式之教育訓練與上機操作示範教學，參與人數約47人，成果頗為豐碩。

本計畫模式授權範圍為水利署暨所屬附屬機關皆可使用，模式控管須由申請單位檢送電腦主機機器碼ID、模式使用權申請書、主管簽核切結書。申請者自「CCHE水理與輸砂模式庫網站」中之「模式使用權申請」下載並填寫申請表，經所屬單位主管簽核後，送交水規所申請表，再由水規所彙整各電腦主機之機器碼資料，提供美國NCCHE研究人員索取模式認證序號。