地球科學園地

一九九八◆六月夏季

《第六期》

 

 

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土石流

陳宏宇/台灣大學地質科學系

 

怎樣的現象是土石流?

  「土石流」是泛指土、石與水混合之後,進而產生集體運動的流動體。

  其中的「土」指的是砂、泥、黏土等土壤,「石」指的是岩石、礫石等獨立岩塊,「水」則是指雨水、地表水、地下水等所有水流。若粒徑小於2mm的地質材料所佔百分比超過50%時,則可稱為「泥流」;反之,則為土石流的通稱。因此,土石流的顆粒組成相當混雜,小至黏土,大至巨礫或岩塊粒徑大小不一者皆有之,也就是說,土石流的淘選度非常差。

土石流一詞的爭議

  土石流因地質材料組成不同及其本身流動的差異,在學理上便訂立了不同的名詞。

  根據教育部在民國72年頒布的《地質名詞》中指出,Debris flow一詞的譯文應該稱作「岩屑流」,而在民國78年由何春蓀先生撰著、國立編譯館出版的《普通地質學》大專教科書上,也將Debris flow譯為「岩屑流」。書中指出,岩屑流上部先發生的塊體運動,可能是由於崩移作用而形成半月形崩崖,在崩崖下堆積的地質材料會沿著坡度的傾斜向下流動,於外貌上形成狹長的舌狀。如果此流動體中地質材料有一半以上超過砂粒粒徑的大小(大於2mm),或含有多量粗礫(即岩石碎屑),此即為岩屑流。

  另外,何氏編著的教科書將「土石流」之英文名詞譯為Solifluction。文章中並指出,這種「土石流」一般多發生在高緯度、冬季寒冷的結冰地區,或是永遠結冰的永凍地區。在化冰時,溝谷內原本堆積的地質材料因浸水飽合的緣故,使溝谷內地質材料產生移動、流動,並沿著溝谷內地形的坡度慢慢向下滑移、流動,而稱為土石流。

  國內目前所使用之土石流一詞其實是源自於日本用語,在日文的字典中對於「土石流」的解釋詞句中,便是以漢字書寫這個名詞,在中國大陸則以「泥石流」統稱之。

 

 土石流的外觀特徵

  大抵上,土石流的地形可依其運動、堆積及侵蝕狀況,區分為「發生部」、「流動部」以及」堆積部」等三個區域。整體而言,溝谷產生土石流的發生部為碗狀或匙形,從流動部至堆積部的整體形狀則為伸長的舌狀。

 

 

●南投縣陳有蘭溪兩側的野溪,在暴雨過後形成的土石流外觀。(陳逸彥攝)


●南投縣出水溪上游V字形發生部的土石堆積狀況。

發生部

[一般位於整個溝谷或河谷流域之中、上游或源頭]

  發生部通常由周圍的山嶺環繞,形成只有一處出口的窪狀、匙狀或碗狀的地形。此出口處的坡度一般較陡峻,大致上多在15°至50°之間,出口處的橫剖面形狀則多為「V」字形。此外,發生部堆積的地質材料多為週遭谷壁崩坍所提供的,因此,相對的,谷壁四周的植生便顯得較稀少。
 


●南投縣出水溪中游U字形流動部堆積的土石。

流動部

[一般位於溝谷或河谷流域的中、下游地區]

  流動部橫剖面的谷形多為「U」字形,谷壁兩側的山坡相當陡峭,河床一般坡度多介於15°至 40°之間,而谷壁與河床中皆可發現土石流經過時遺留下來的沖刷、淘蝕的痕跡。在流動部的河床上常可見自從河谷兩岸崩落下來的崩積土層與崖錐堆積材料。
 


●南投縣郡坑地區土石流在堆積部大量堆積,景象相當壯觀。(陳逸彥攝)

堆積部

[多位於河谷下游的出口處]

  堆積部的地形較平緩,坡度一般在10°以下,通常為沖積扇狀的平坦地形。在溝谷內,堆積部表面與前緣多聚集有大顆粒的岩塊。
 

哪裡來這麼多土石?

  其實,在溝谷的上游、源頭或溝谷兩側的谷壁可以這樣大量的提供土、石地質材料,主要還是由於岩石內含有相當發達的不連續面的關係。岩石中的不連續面包括了層面、節理、片理、斷層面、解理等多種。而不連續面的出現主要是由於地層的逐序形成、板塊的碰撞、大地應力的擠壓籌諸多因素所造成。

  由於上述這些不連續面在岩石中構織出各種不同型式的破碎地層,便使本島的地質環境顯得相當脆弱。這個脆弱的地質環境若受到雨水的侵蝕、外力的風化等各種地質營力作用,原本已存在的破碎地層便會脫離原有的山坡而崩落,或堆積於河道中,造成溝谷內堆積的土石地質材料。

 

 土石流為什麼可怕?

  台灣常見的土石流,主要是因為溝谷內原本己堆積崩坍岩塊、土壤等地質材料,當大雨沖刷、侵蝕溝谷時,雨水或滲流水便和己堆積的岩塊、土壤等相互混雜,然後順著溝谷的坡度向下運動。由於土石流最大的特色為:搬運能力高、破壞能力強、啟動時間快、持續時間較短,發生的速度宛如迅雷,很難事先察覺或做預防,才會變成現今人人聞之色變的重大災害。

●南投信義鄉隆華國小西側的住家底樓受土石流淹埋。

  大抵上從民國70年起,國內便有若干土石流引發的災害文獻記載。從這些記錄可以發現,降雨應該是引爆土石流災害的真正因子,而降雨的來源主要以颱風所來的豪雨為主,不過近一、雨年來,即使降雨的雨量不大,也能引起土石流,非常值得警惕。另外,溝谷內的地形是堆積地質材料的最佳空間──溝谷內坡度平緩、存有發達的不連續面,以及出現不同岩性的地層,以上種種都是過去引發土石流災害中曾發現的特徵。

●南投信義鄉同富社區南側因為台大實驗林的保護,而倖免土石流的侵襲。(陳逸彥攝)

引爆衝擊力

  在土石流流動時,地質材料會彼此碰撞,粒徑越大的顆粒,由於所產生的剪切力與分散力越大,將較易集中於土石流的表面與前端,也就是說,大塊礫石多集中在土石流的頭部,並以滾動、滑動或跳躍的方式,凝聚高能量,並順著地形的坡度,快速向下滑動,即屬於一種連續性的流動形態,而且此流動體內部之地質材料在運動過程中,皆處於持續性的變形狀態。

 

為什麼會發生土石流?

必要條件一:有來源提供土、石等地質材料

  原本於溝谷或河谷上游之源頭就堆積了一些崩積土石,溝谷內河床上也會堆積鬆散土層。下雨時,因為雨水滲入,使原本己堆積的土石地質材料達到飽和,進而產生流動體的運動,形成土石流。

●大量的土石堆積,提供了土石流的材料來源。

  土石流從上游往下游,會順著地形坡度流動,並以直線運動的方式往前推進,一面侵蝕洱床基盤。另一方面,由於溝谷兩側具有發達不連續面的岩石邊坡,坡內的岩石己成高度破碎狀。當溝谷兩側岩石受到豪雨的侵蝕、浸潤,山坡內的岩石便會因水壓力的作用而崩坍(即山崩,詳見本期的《山崩》一文)。如果遇上土石流沖刷、淘蝕溝谷兩側谷壁時,崩塌下來的破碎岩石便會間接增加土石流的土石方量。

●賀伯颱風在台灣各地造成大量的溝谷沖蝕。

必要條件二:地形有適當的坡度

  坡度是指地表面的傾斜狀況,如果地表面有傾斜角度,表示此地形具有坡度,便可提供土石流往下沖刷的動力,坡度越大,當然整個沖蝕的動力便越大,一般土石流流動中溪床的坡度大都分布在15°以上。

●南投信義鄉隆華國小西側一號野溪,提供了土石流沖刷的適當坡度。

必要條件三:有充分水量

  如前所述,土石流為流動體,流動體中最主要的動力來源就是水流,也就是降雨。當雨水落入地面,雨水便會沖刷、侵蝕地表覆蓋的地質材料,使表面覆蓋土層因沖蝕而順著坡度往下流入低凹之處。

  當雨水較大時,也會滲入地表,弱化山坡岩層的力學強度,並會順著山坡內的不連續面產生側向水壓力以及上舉水壓力,使山坡在承受雙重水壓力之下產生崩移、破壞。而山坡容易產生破壞的地質環境包括順向坡、楔形坡、落石坡、翻覆坡以及崩積土坡等幾種,這些都是溝谷兩側谷壁最易形成山崩的山坡。

  綜合上述兩種現象,雨水不僅同時飽和了堆積溝谷的的土石地質材料,過量的地下水或滲流水也會順著溝谷中基盤底下的不連續面往上浮出,當整個浮出的水量大到足以抬升整個堆積的土石時,所有堆積體便會開始順著地形坡度向下流動、滑移。就是這樣經過雨水的催化,土石流也就這麼一觸即發了。

●南投信義鄉新興橋西側三號野溪中豐富的水流,提供了土石流主要的動力。
 

必要條件四:各種地質材料的穩定性

  包括溝谷兩側谷壁的穩定性,以及溝谷中堆積地質材料的穩定性。

 

如何調查土石流?

  為了了解災情,一般多採用以下兩種方法來進行。

比對航空照片

  由於土石流的延伸範圍較廣,為了掌握整體的分布狀況,便需要從小比例尺的航空照片中先了解地貌上的特性,以作為探討其整體地質環境的依據。

  航空照片的優點在於快速、便捷,而且涵蓋相當廣大的範圍,主要可以用來初步了大區域面積的概況,包括該區域內的地形分布、崩坍地的位置與範圍、侵蝕與堆積的狀況、岩層與土層的分布界限,以及地質構造的延伸等諸多項目。

  當某地發生了土石流,藉由判讀航空照片,可以了解整個土石流的形態、分布狀況以及其他地表資訊。此外,可以將過去的航空照片逐年、逐段重疊對比,來比較溝谷在不同年份、時間的堆積狀況。

  從重疊的對比可以發現溝谷地形、地貌有相當程度的變化,也就是可以追蹤溝谷發生部堆積的土石或溝谷兩側谷壁的崩坍量是否有隨時間增加的變化。不過也可能從逐年的航照對比中,發現其地形、地貌的變化不多,這些情形便必須藉助更深入的野外地質調查工作,才能確切了解現地地質環境的特徵。

●民國69年花蓮銅門地區航空照片圖
●民國74年花蓮銅門地區航空照片圖
●民國79年花蓮銅門地區航空照片圖

調查地質環境

  眾所週知,台灣位處歐亞大陸板塊及菲律賓海板塊碰撞之處,高山隆起、地形陡峭,由於受到板塊擠壓及大地應力作用的關係,島內斷層延伸多處,地層較為破碎,週遭地質環境也較為複雜。因此,若欲多了解土石流的發生原因,首要之務便是必須調查基地內地形與地貌的特徵、地質材料的組成、地質構造的特性,以及地下水的分布等幾個重點。

  在土石流的調查工作中,必須溯溪而上、進入土石流發生的危險溪谷的上游地區,沿途記錄並量測溝谷谷壁兩側岩石邊坡的特徵、岩性種類、地表水及滲流水之水流狀況、地質構造的延伸、溝谷地形地貌的變化、溝谷堆積物特性、邊坡植生狀況,以及土石流在溝谷中發生部、流動部及堆積部的地質材料分布狀況等。

●為了探討土石流災害,必須從整體地質環境的調查著手。

 

做好整治與防災工作

  目前,整治方面的工作主要是以工程施作為主,防災工作則可以從建立觀測系統來著手進行。此外,山嶺間多種植樹林,利用樹種之根、莖、樹葉來涵養水源,可避免集水區內地表沖蝕及溝谷間坍方等情形出現,這也是間接防止土石流的防災方法。

工程防治方面

  土石流的工程防治工作,通常因上游、中游以及下游的運動及堆積形態不同,而有不一樣的防治工作。

上游地區
[採用抑制工法,使用的方法包括潛壩、固床工及護坡等方式]

 儘量抑制溝谷的河床上與溝谷兩側的谷壁受到切蝕及側蝕作用,讓上游發生部減少堆積的地質材料,進而無法提供產生土石流的土石材料。

●護坡措施可以減少溝谷谷壁的切蝕作用。

中游地區
[採用攔阻工法,使用的方法包括使用梳子壩或攔砂壩等方式]

  由於土石流在流動過程中,前端的巨大石塊破壞力很大,並強烈地沖刷溪床,此法將可使流動的土石減少直接衝擊溝谷。

●攔砂壩可以蓄積沖蝕的土石。

下游地區
[採用疏濬工法,使用的方法包括渠道或導流堤等方式]

  土石流從上游至下游所攜帶的土石方量相當龐大,此法可誘導龐大的土石流沿著通暢可宣洩的方向流動,以避免發生災害。

●渠道可以加強疏濬的功能。

建立觀測系統

  觀測系統包括了雨量指標以及土石流動指標兩種。

  雨量指標需要以當地的雨量記錄為參考依據,再配合現地的地質環境狀況,來建立雨量基準的警戒值。

  土石流動指標則包括了現地土石震動或位移的參考數據,同樣配合現地地質環境狀況,來建立土石流動基準的警戒值。

  上述二種指標得到充足的資訊參考之後,才再進一步建立地區的預警系統,而預警系統成功與否,除了須考慮其系統本身的設計是否完善之外,最重要的,仍須作好民眾的宣導工作,以及完善的疏散措施,才能達到最大的效益。

作好國土利用規劃

  目前山坡地或其鄰近區域現階段的開發建設,都需要經過學者、專家們完整的評估考量,確定開發不會影響當地地質環境、生態、自然景觀、經濟、觀光等之後,才准許開發居住。

  但是,常有少數沒有遵循這些法律規章,處處濫砍、濫伐、恣意變更土地利用之名目,使得山坡中水土保持不良的情形持續惡化,山體內的水土流失更為嚴重,才埋下土石流災害的惡因。

  因此,儘速建立國土利用之相關規劃資訊,提供開發者或使用者一套完整的土地利用資訊系統,並且遵循法律規章和學者、專家們的意見,才能夠使土石流的災害減到最低。

重要法令

  根據政府的法令規定,屬於土石流危險區者,應該劃定為特定水土保持區,而特定水土保持區經劃定後,該區內是禁止任何開發行為的出現。

  土石流危險區是指溪床坡度15°以上,其上游集水區面積在10公頃以上,旦下游有聚落、重要公共設施、名勝、古蹟等須保護之重要對象經主管機關認定有必要劃定者。

  水土保持區的劃定主要是依據民國85年3月25日農委會所頒佈之「特定水土保持區劃定與廢止準則」第3條第6頂來執行,當然此準則也是根據水土保持法第17條第2項規定所訂定。

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