1、山坡地开发水文容受力之探讨摘 要本文引用总量管制之观念，以新店市之山坡地为研究范围，针对水文因子进行坡地开发容受力之评估分析，配合雨水下水道系统、相关河川治理规划报告等，依地形、水系划分成若干集水分区，再依据各集水分区之水文特性(包括暴雨量、雨型、流域坡度等) ，模拟演算不同土地开发程度所造成的径流量变化，并引用美国水土保持局之 SCS 径流曲线法，估算降雨损失，透过 CN 值之变化，可得知基地开发前、后径流量之变化。再以集水区下游排水出口既有或计划中之容许流量定为流量上限值，则可以此探讨其开发程度的上限，作为坡地开发总量管制之参考。一、前言为因应不断增加的人口对土地的需求，土地开发势必在所难
2、免，但台湾地狭人稠，如何在开发建设与自然生态维护之间取得平衡点，以求都市永续发展，实为当前最重要的课题之一。目前国内对坡地安定之评估，大多由地质安定程度作为评估考虑，但对影响坡地安定性最明显的因子水并未作充分之评估。因此本文希望利用排水路径分析、地下水流分析、现有排水设施之可容纳总量等项目，对于水文数据作整合性的规划。二、研究区域现况分析新店市地势南高北低，全境除新店溪、安坑溪、青潭溪两岸所形成之冲积平原外，其余多属 30 度以上之山坡地，地形颇富变化。新店市都市计划区域及现已发展地区均分布在新店溪、景美溪、安坑溪、青潭溪之沿岸平地，北新路沿线平原倾斜坡度约 0.3%，目前市区排水以此路为分水
3、岭向新店溪及景美溪渲泄。新店市雨水下水道系统规划，系根据民国六十八年早期台湾省住宅及都市发展局编制之新店镇雨水下水道系统规划报告 。报告中降雨强度规划原则，市区部份采用三年频率暴雨强度，安坑溪及青潭溪采用十年频率暴雨强度，至于新店溪及景美溪则配合台北地区防洪计划。三、研究方法与分析本研究首先针对研究区域，配合雨水下水道系统、相关河川治理规划报告等，依地形、水系划分成若干集水分区，详如图一及表 1。再依据各集水分区之水文特性(包括暴雨量、雨型、流域坡度等)，模拟演算不同土地开发程度所造成的径流量变化。上述演算成果可纳入GIS 系统，建置成为可供查询各集水分区的水文评估量化表之数据库。由于土地利用
4、方式影响集水区径流量变化甚巨，本研究乃引用美国水土保持局之 SCS 径流曲线法，估算降雨损失，其中 CN 值(径流曲线系数) 变化，正可反应出土地之开发程度。一般而言，CN 值越大，表示开发程度越高。若有了上述各集水分区的水文评估量化表，只要透过分析 CN 值变化，即可查询得知任何开发行为前、后径流量之变化。而以集水区下游排水出口既有或计划中之容许流量定为流量上限值，则可以此探讨其开发程度的上限，作为总量管制之依据。以下就水文因子评估准则之建立及分析逐一说明：(一)雨量测站计划区域及其邻近雨量站，以市镇为单位，经选用数据记录较完整之雨量站概况，如表 2所示。新店市选用隶属于台电之粗坑及龟山两个
5、雨量站。(二)日暴雨量频率分析利用上述各雨量站最大一日暴雨统计数据，进行频率分析。频率分析选取之机率分布，分别为极端值第 I 型分布、二参数对数常态分布、三参数对数常态分布、对数皮尔逊第三型分布及皮尔逊第三型分布。针对回归周期为 5、10、25、50、100、200 年，计算最大一日暴雨量，分析结果如表 3 所示。上述五种机率分布对所有样本数列并不具有绝对的最佳适合性，故以标准误差(SE)做密合度检讨比较，选择标准误差(SE) 最小之机率分布频率分析结果。依据水土保持技术规范(民国 89 年 6 月) ，及非都市土地开发审议规范 (民国 88 年9 月)等相关规定，山坡地开发排水系统应按 25
6、 年发生频率之暴雨强度设计，故本文乃采用 25 年频率之暴雨量作为评估水文因子之基准。从表 3 频率分析结果得知，新店粗坑与龟山两站 25 年频率日暴雨量几乎相同，故采用平均值为 377mm。(三)雨型分布引用台北地区设计暴雨之研究(王如意等，民国 82 年) 报告中，粗坑站之 Horner 降雨强度公式分析。Horner 降雨强度公式如下：(粗坑站)式中：25 年频率降雨延时 t 内平均降雨强度 (mm/hr)t ：降雨延时(min)推求 24 小时雨型之步骤如下：1. 依下列原则选择雨型之单位时间刻度D ，6hrTcD=1.00hr3hrTc6hrD=0.80hr1hrTc3hrD=0.4
7、0hrTc 1hrD=0.15hrTc(集流时间)采美国加州公路局经验公式推算，其公式如下：(小时)式中 L：流长，以公里计H：高程差，以公尺计2. 以该强度公式求出各场暴雨延时(D、2D 、.、24D) 之降雨强度，其对应之各延时降雨量为各延时降雨强度乘以降雨延时的乘积，再将各延时降雨量相减，即得 24 小时雨型之每个单位时间降雨量。3. 将每个单位时间降雨量除以 24 小时总降雨量，可得每个单位时间降雨量占全部降雨量之百分比。再依中间最大，其次按右大左小排列，即为设计雨型。推求完成之 24 小时雨型如图二。(四)降雨损失估计集水区开发后不透水面积增加，降雨之渗漏损失减少(即有效降雨量增加)
8、 ，造成总径流量之增加。本文降雨损失之估计将采用美国水土保持局(U.S. Soil Conservation Service)开发之SCS 径流曲线法估算。兹将此估算方法说明如下：美国水土保持局利用多次降雨与超渗降雨纪录，作成累积有效降雨量与累积降雨量之相关曲线图(详图三)，其计算公式如下：式中 ：累积有效降雨量(mm)：累积降雨量(mm)：土壤最大滞流量(mm)，由径流曲线系数 CN 求得。：径流曲线系数，由土壤种类、地表覆盖、土地利用与临前降雨等条件决定。(五)径流曲线系数 CN 值分析CN 值为径流曲线系数(无单位， 0CN 100)，完全不透水铺面之 CN=100，自然土壤之CN100
9、，美国 SCS 建议 CN 值可由土壤分类及土地使用情况决定之，本文参考美国 SCS之 CN 值所拟订之台北县地区径流曲线系数 CN 值详表 4。本研究采用农委会林务局之土地利用型图及土壤图电子文件，并配合像片基本图分析，便可求算各集水分区现况之 CN 平均值。(六)三角形单位历线三角形单位历线在海岛型小集水区之暴雨径流历线分析为一切合实际且颇为简便之分析方法，其方法系假设单位时间有效降雨量所形成之流量历线呈三角形，其形状依美国水土保持局（U.S. Soil Conservation Service）之经验公式推定。经验公式如下：式中 ：历线基期(hr)：历线洪峰时间(hr)：集流时间(hr)
10、：集水面积(km2)：单位降雨量(mm)：洪峰流量(cms)：单位降雨延时(hr)依据民国 82 年水利处三角型单位历线参数之研究报告，水利处以全省之无因次单位历线，推得台湾地区平均之三角形单位历线 Tb=3.277Tp，故本研究乃采用 Tb=3.277Tp 修正上述经验公式中之 Tb=2.67Tp，推导得该集水分区之三角形单位历线，如图四。(七)水文评估量化表之建立由前述日暴雨量及选用雨型，可得知各时间单位之降雨量，今假设不同的 CN 值，再依SCS 径流曲线法估计降雨损失，即可估计各时间单位之有效降雨量。再配合三角形单位历线的迭加演算，即可得不同 CN 值对应的尖峰流量及径流历线。整个计算
11、流程如图五所示，每个集水分区均可依此计算模式，将成果建立成一个不同 CN 值对应不同尖峰流量的水文评估量化表 。(八)水文可开发空间评估采用农委会林务局之土地利用型图及土壤图电子文件，并配合像片基本图分析，可依表 4之原则，求算得各集水分区现况之 CN 平均值。再查对前述所建立之水文评估量化表 ，可得到一 25 年频率之尖峰流量，此尖峰流量与下游排水出口计划流量作一比较，详如表5。利用排水出口计划流量减去 25 年频率尖峰流量，再除以排水出口计划流量所得之百分比，可代表此集水分区水文可开发空间的大小。从比较表 5 中得知，水文可开发空间呈现负百分比的，新店地区有 3 个集水分区，而其中比较严重
12、的地区，即水文可开发空间20的集水分区 07。四、结论与建议1. 目前对山坡地开发产生径流量变化的规范，在非都市土地开发审议规范及水土保持技术规范中，明订基地开发后之洪峰流量不得大于开发前之洪峰流量。但是滞洪池之功能是滞洪并非全等于蓄洪 ，假设滞洪池功能完全发挥，紧邻基地下游对外之排放洪峰流量虽然不会增加，但是总径流体积还是会增加，除非此增加的径流体积被蓄存起来，否则对更下游的排水系统容量而言，并无法保证其不受影响。故就总量管制的观点，本研究拟以一个涵盖基地开发范围，更大尺度的集水分区、更下游的排水出口容量来限制开发，而暂时忽略小尺度各开发基地滞洪池本身的效应。本研究之水文评估模式中，虽然未将滞洪池效应纳入，但是有总量管制在先， 水土保持技术规范在后，两者双管齐下、相辅相成，仍可从点到面达到管制山坡地开发之目的。2. 近年来参考国外案例，有些专家学者提出所谓零增流量观念，就是在开发新小区时，要求居民在屋顶用容器蓄水，或建造蓄洪池，在小区中就把水蓄起来。本研究之水文评估模块中，所求算得到的开发前、后总径流体积的差异，恰可视为是因开发行为所增加的径流体积。此增加的径流体积，建议将成为规划蓄洪池容量大小之主要依据。
