地球科學園地

一九九八◆九月秋季

《第七期》

 

 

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台灣的洪水災害

郭振泰/台灣大學土木工程學系

 

  中國古代的人認為「洪水猛獸」最可怕;對現代人來說,猛獸已不再那麼可怕,甚至還可以馴服牠們。但是,至今人類仍無法制止洪水的發生,洪水的災害對人類而言,仍是很可怕的,因此我們應該了解洪水的成因,即使我們無法完全防止洪水的發生,但應學習如何減少洪水帶來的損失。

  台灣由於地形陡峻,河川坡度大,河川上游的集水區地質脆弱,表土沖蝕量顯著,因此河川之泥砂運移量十分可觀,容易造成河道及水庫淤積,不利於洪水之宣洩。

  再加上台灣每年的梅雨及颱風雨不但雨量強度高,而且總雨量往往十分驚人,河道陡急,水流移動速度快,洪水挾帶大量泥砂往河川下游快速移動,自然容易造成洪災。

  此外,台灣的人口密集,人民勤奮,上山開墾,使集水區遭受破壞,製造更多泥砂,甚至形成土石流(詳見第六期《土石流》),帶來災害。在河川上游的集水區如此,在河川下游的城鎮及城市,也因為人口增加而大興土木,積極開發外圍及鄰近的山坡地,不僅砍伐森林並舖上柏油路面,結果減少了雨水入滲的機會,大量增加了地面逕流,也增加了洪患機會。

  例如去年8月18日溫妮颱風過境,除了造成台北縣汐止林肯大郡房屋倒塌的大災難,也引來台北市內湖大湖山莊的水患。

  本文首先將介紹台灣地區發生過的大洪水及其災害程度,接著對發生洪災的原因及防洪的方法作分析討論,另外簡要地介紹淡水河防洪計畫與工程,以了解防洪工程的複雜性與重要性。

 

過去的洪水災害

  台灣發生過的大洪水及災害,包括了中部地區民國48年的「八七」水災,民國49年的「八一」水災;北部地區民國76年10月24日的琳恩颱風,民國85年7月31日的賀伯颱風,民國86年8月18日的溫妮颱風;南部地區則有民國83年「八一二」水災。這些水災,指造成生命及財產極大的損失。台灣地區近年來因經濟成長快速,若發生水患,其損失金額也相對地提高(見表一),因此吾人應更加重視防洪工程與措施,才能使洪災減至最低程度。

《表一》歷年來台灣之洪災損失及防洪投資金額(以下金額均以民國81年幣值計算)取自吳建民,民國84年。
期間(民國) 年平均洪災損失(億元) 年平均防洪投資(億元)
1∼31 3.4 1
35∼46 5.5 2.7
47∼64 42.9 5.2
50∼80 55.0 23.4
◆ 民國50年至80年間,平均每年的天然災害損失為110億元,佔國民生產毛額的0.5%,其中水災的損失約佔一半,約55億元。
◆ 「八七」水災造成的損失金額高達167億元
◆ 賀伯颱風造成的損失金額高達300億元

「八七」及「八一」水災

  在民國48年及49年,由於中部台中、彰化等地區連續下雨數日,總雨量達歷年平均年雨量之半(見表二),災害損失影響當時台灣的經濟發展至深。

「八一二」水災

  民國83年的南部地區,在岡山地區總雨量達2,018公厘,超過平均年雨量1,841公厘,暴雨之大實在十分驚人,因而造成大淹水,中山高速公路的交通也隨之中斷,損失慘重。

《表二》台灣歷年大水災降雨量之比較(吳建民,民國84年)
雨量站
站名
歷年平均
年雨量
(mm)
「八七」水災
民國48年8月l~11日
「八一」水災
民國49年7月31日~8月10日
「八一二」水災
民國83年8月1~15日
雨量(mm) 占歷年% 雨量(mm) 占歷年% 雨量(mm) 占歷年%
高雄 1738.7 536.0 31 196.1 11 1300.0 75
小港 1543.0 573.0 37 207.8 13 1692.7 110
鳳山 1612.4 604.3 37 272.8 17 1701.8 106
楠梓 1872.6 563.0 30 229.4 13 1643.4 88
岡山 1841.6 412.7 22 186.0 10 2018.1 110
竹子湖 1892.1 537.8 28 242.0 13 1616.5 85
台南 1741.1 523.8 30 463.7 27 1472.0 85
嘉義 1684.6 507.1 30 316.4 19 816.0 48
日月潭 2360.1 664.0 28 904.6 38 709.4 30
阿里山 4060.6 1144.4 28 1349.5 33 910.5 22
台中 1709.3 843.1 49 713.2 42 500.8 29
彰化 1374.6 669.7 49 654.5 48 247.3 18
集集 2140.9 667.4 26 822.5 34 469.7 19

琳恩颱風

  民國76年10月24日的琳恩颱風過境,台北市基隆河的水門一時無法關閉,造成淡水河水大量流入市區,使台北民生東路一帶嚴重淹水,損失慘重。

賀伯颱風

  民國85年7月31日的賀伯颱風帶來驚人的雨量(見表三),在阿里山的總雨量竟高達1,994公厘,而連續24小時最大降雨量達1,748公厘,接近全球之紀錄。賀伯颱風造成之災情是台灣近30年來最嚴重的,包括台北地區之社子島及板橋、中和一帶嚴重積水,還有南投地區之土石流災害,全台灣損失金額高達300億元。

《表三》賀伯颱風降雨量分析(許銘熙,民國86年)
測站 逐日雨量(mm) 總計
7/30 7/31 8/1 8/2
基隆 7.5 168.0 28.9 0.0 204.4
淡水 12.9 209.9 23.2 0.0 246.1
台北 22.2 203.3 21.6 0.0 247.1
竹子湖 24.6 439.3 60.7 0.0 524.6
鞍部 30.5 482.1 48.5 0.0 561.1
大屯山 0.0 0.0 13.0 1.8 14.8
新竹 31.3 237.4 86.2 2.1 357.0
台中 17.8 269.0 227.8 3.2 517.8
梧棲 23.0 148.9 234.1 8.4 414.4
澎湖 0.0 28.6 156.0 13.1 197.9
日月潭 4.8 193.8 454.3 0.7 653.6
阿里山 0.5 1094.5 892.0 7.0 1994.0
玉山 3.1 448.2 259.0 4.0 714.3
嘉義 11.5 122.5 282.5 0.0 416.5
台南 2.5 101.5 110.0 1.5 215.5
高雄 0.5 85.5 97.7 8.0 191.7
恆春 0.5 60.5 81.0 0.0 142.0
宜蘭 16.0 274.0 84.0 0.0 374.0
蘇澳 23.1 190.9 95.7 1.0 310.7
花蓮 1.5 22.5 134.7 0.0 158.7
成功 1.8 3.7 52.5 18.3 76.0
台東 0.5 2.6 62.0 24.5 89.6
大武 0.3 37.4 148.8 13.1 199.6
蘭嶼 4.5 13.9 28.3 0.0 46.7
彭佳嶼 1.6 146.0 44.0 0.0 191.6
東吉島 0.0 39.5 179.0 7.5 226.0
永康 4.5 105.5 132.0 0.5 242.5

溫妮颱風

  民國86年8月18日的溫妮颱風,造成的洪患雖然不是特別嚴重,但卻造成慘絕人寰的「林肯大郡」災害,奪走28條人命,造成台北市大湖山莊水患,至今大家仍記憶猶新。

 

洪災的原因

  洪水發生的主要原因為暴雨,以及其他如泥砂量大、河道短促等不利的自然條件,再如上許多人為因素的影響,往往使得災害程度加重。故洪災往往是「天災」加上「人禍」的結果,而不是單一因素造成的,茲將洪災的重要原因介紹於後。

天然因素一:雨量驚人

  台灣為島嶼國家,每年五、六月的梅雨及六月至十月的颱風,往往帶來十分驚人的雨量。尤其每小時之雨量強度大,更是形成洪水的主因。

天然因素二:河道坡度大

  台灣的集水區及河道坡度大,河道無法大量積蓄水量,上游的溪流在短時間內便會流至下游,造成洪水。

  由圖一可知,一場暴雨後,集水區若是陡峻,則下游某一地點之洪峰(最大瞬時洪水量,以秒立方公尺來表示)(A點),會比緩坡集水區的洪峰(B點)提早來到,而且流量尖峰值較高。

《圖一》一場暴雨後下游河川之流量歷線

天然因素三:表土沖蝕量大

  台灣的集水區土壤脆弱,平均每年土壤沖蝕率為2至20公厘,是中國黃河流域之5至70倍、美國密西西比河流域之30至300倍。大量的泥砂隨著洪流而下,沈積在河道內,自然會影響河道排洪能力。

人為因素一:與水爭地

  許多大都市均沿著河川發展,往日河川的洪泛區(洪水來臨時所淹沒的土地)被大量開墾利用,甚至蓋起大樓,與水爭地的結果,便是洪水來臨,即容易遭受水患。許多窪地、濕地原本是儲存地表逕流的地區,一旦被填平利用,洪水只好到處流竄,若防洪排水系統做得不完善,即易造成洪患。

人為因素二:都市化及集水區的開發

  某個地區一旦都市化,森林、草地會減少,代之而起的是柏油馬路、不透水的人行道及停車場,使得大多數的降雨無法入滲到地下,只好在都市地面流動,造成地面逕流量增如,引起水災的機會也自然提高許多。都市化後(見圖二),也使得水流在路面及雨水下水道內流速比未開發前之林地、草地還快,增加了都市下游河川的洪峰,集流時間變短,增加下游洪泛機會。這樣的情形同樣可由圖一來解釋,若未開發前之流量歷線為b,則都市化後為a,A點之水位顯然比B點要高。


 
都市排水不良造成的淹水。
《圖二》取自Kibler,1982,表示都市化程度對逕流量增加之影響。100%都市化(開發程度)之後,若下水道之普及率也高(100%),則產生的逕流量可達未開發前的6倍之多。

  同樣的道理,如果河川上游的集水區開發成農場、果園、社區、高爾夫球場等,則會產生類似都市化的情形,下雨後的入滲水量將減少,地表逕流量一旦增加,河川的洪峰便跟著提前到達。

人為因素三:破壞水土保持

  台灣的集水區上游有不少濫墾、濫伐及超限利用的情況,水土的流失情況嚴重,泥砂產量也增加,使下游河川及排水道淤積,不利於洪水之宣洩。社區、高爾夫球場的開發,若做好沈砂池、調洪池等水土保持設施,雖然可以減少對下游的影響,但是真正治本的方法,仍應保持集水區原有的林木覆蓋情況,不做開發利用,所謂「種樹救水源」及保有「青山綠水」,即是這個道理。

  集水區被被壞後,入滲並補充地下水的量將減少,在乾季不下雨時,河川之基流量將顯著降低,影響水資源之利用。上游集水區若能保持原貌,將有一個「活水源頭」,源遠而流長。

人為因素四:其他

  人類因為與水爭地而居住於河邊或利用洪泛區、闢地開墾,故築堤防以防洪水。

  但是大雨來時,河川洪水位仍有可能比堤防還高,但這些土堤、防洪牆均有一定的設計標準,能保護的程度畢竟有限(淡水河防洪工程是200年洪水標準,防範平均200年一遇的洪水;一級主要河川是100年標準),著碰上極端異常的暴雨及洪水,仍會發生洪患,堤防一旦潰決,財產、生命的損失往往比未築堤防還嚴重。

  例如濁水溪下游因為泥砂淤積嚴重,河床不斷升高,保護河川兩岸的堤防也需跟著加高,但是堤防太高,洪水來時潰堤的機會就會增加,對堤防內的農地、村莊造成莫大的威脅。

  在都市地區,與水爭地的情況更為嚴重,因此都市外圍必須築起高高的混凝土防洪牆,而且都市雨水下水道收集的雨水也得依賴抽水站才能排往河川。一旦防洪牆潰決或抽水站功能不彰,損失程度往往十分慘重。

  都市的雨水下水道及抽水站等排水設施,因為都市的雨水下水道容易淤積、沈陷,使功能喪失,導致淹水。另外,抽水站若操作不當或維修不妥,也會導致水量積湧,無法及時宣洩,而造成都市積水。

河川洪水造成堤防損毀。

 

防洪的方法

  防治洪水的方法有不少,但是一條河川其最經濟、最佳之防洪工程,往往是以下各工程項目之組合,而非僅採用一項而已。

工程上的防洪設施一:堤防

  在郊區,堤防大都為土堤,因為土堤需較多的地來興建,而郊區地價較低,而且土堤容易綠化、較美觀。而在市區,由於土地昂貴,且混凝土設施較堅固,所以以防洪牆為主。

●風險:興建堤防並不是一勞永逸的方法,原因是堤防把水流聚集在縮小的河道內,會抬高洪水位,讓淹水的風險重新分配至河道上下游其他地方。另一方面水流被約束在兩岸的堤防中間,使水流速度加大,沖刷力增加,尤其在彎道的河岸更顯著,增加了堤防被沖壞的機會。

台南鹽水溪堤防,水泥建築破壞了美感。
堤防的防護工用來防止洪水的沖蝕。

工程上的防洪設施二:水庫

  水庫可預留某些空間儲存洪水,減少下游發生洪患的機會,以保護城鎮、都市的安全。

●代價高昂:在台灣興建水庫的成本高昂,水庫容量一般不大,何況水庫給水的功能與防洪衝突。對給水功能而言,水庫平日需儘量蓄滿,以便旱季時放水供下游使用,所以沒有空間可以儲洪,因此水庫不易有太大的防洪功能。例如石門水庫在雨季時(每年5月至10月期間)就有部份防洪的功用,水庫最高蓄水位規定比其它時間還低,以備儲洪水之用。

水庫可以儲存部份洪水,但往往與供水目標的使用互相衝突。

工程上的防洪設施三:河道疏濬

  河道疏濬工程包括浚渫河川或整理河川,以增加排洪的斷面面積與排洪能力。

工程上的防洪設施四:疏洪道

  疏洪道(或稱分洪道)能夠使一部份洪水經由疏洪道排入本流下游或排至其他流域,因此有分散洪水的效果。

工程上的防洪設施五:都市排水設施

  都市的排水設施包括雨水下水道和抽水站的設置,可迅速將都市的地面逕流排走,減少路面、街道的積水。

●下游的影響和補救辦法:將都市的水排入河川之後,卻會使得位於都市下游的河川流量增加,洪峰提前來臨。補救的方法例如,可以設置調洪池(即蓄洪池),先將洪水暫存起來,過一段時間後再排走。另外,也可以設法增加地面逕流下滲到地下的機會,減少雨水下水道及河川的負擔。山坡地開發,也應設置蓄洪池,使下游的逕流不會比未開發前還大,另外需再設置沈砂地,使沖蝕的泥沙不會往平地移動而造成災害。

調洪池可以暫時儲存洪水,減少下游河川的洪水量,圖為新店市的青山鎮。

其他防洪方法

  其他非工程手段來達到防洪效果的方法,包括洪水平原管制,管制人為的開發活動,以及建立防洪預警、疏散制度,實施防洪保險制度等。其他像都市透水性路面的設置,綠地的保存,濕地、窪地的保留也都是很好的方法。這些非工程上的防洪方法,其重要性並不亞於工程上的方法,值得加強實施,以減少洪患損失。

  台灣許多河川因為盜採砂石而使河床被刷深、河道改變,除了橋樑的安全受到威脅外,堤防也受到沖蝕的影響。許多鄉鎮把垃圾、廢土往河床上任意棄置,減少河道排洪能力,增加水患機會,因此也應該嚴禁盜採砂石及傾倒廢土。

如何將洪水發生的頻率運用在防洪工程設計?

  洪水發生的原因主要為暴雨,故往往把洪水發生的頻率以暴雨發生的頻率來計算,嚴格來說,其實二者不同。如果能選擇合適的洪水發生的頻率,進而計算出對應的洪峰量,在防洪工程設計上,便能依照這個頻率,設計出能達到防洪標準的設施。

  台灣的主要河川其防洪工程,例如堤防,它的設計是以100年發生一次的洪水為標準去設計的,也就是可以防範平均每100年發生一次的洪水(Q100)。在水文的頻率分析,此洪水的重現期距為一百年,在中國大陸又叫這種洪水為「百年一遇」。

「百年一遇」代表每年河川發生大於或等於此洪水量(Q100)之機率為1/100(0.01),每年發生小於Q100的機率為0.99,100年內均不發生Q100的機率(可靠度)為(0.99)100=0.366,故100年之內發生至少一次大於或等於Q100的機率(風險)為1-0.366=0.634。即使堤防發揮了它應有的功能,在100年之內發生大於Q100的洪患風險仍高達0.634;故吾人不能高枕無憂,對洪水的防備應以「未雨綢繆」的態度來看待。

  頻率為100年的洪水並不是100年後才會發生,有可能明年一場大暴雨後即來臨,也有可能往後50年會發生2次,而再往後150年均不發生。所謂「養兵千日,用於一時」,防洪設施即是在應付不常發生但偶而會來的洪水,主政者及民眾必須了解防洪的重要性,平時應加強防洪及排水設施投資。

  至於都市排水系統的設計,由於都市排水系統超過負荷而淹水時造成的損失,不像河川洪水溢堤或潰堤流至市區那麼嚴重,因此都市排水系統的設計頻率一般比河川防洪的還低。例如台北市的都市排水設施(雨水下水道、抽水站),其設計標準為五年頻率的暴雨。若排水設施發揮應有的功能,則市區內淹水的機率為平均五年一次,五年內均不會淹水的機率為0.33,五年內會淹水的風險為0.67。

 

以大台北地區的防洪計畫為例

  台北地區在三百年前為沼澤、湖泊,先天的自然環境就比較低窪,目前台北盆地聚集了數百萬人,而且大都居住於淡水河下游地區。為了防範淡水河洪水的災害,政府乃投資了上千億元於大台北防洪計畫(分三期施工),經過數十年來的規劃、施工,各項防洪工程大都已完成。


《圖三》表示淡水河200年頻率各支流及主流之設計洪峰流量(取自顏清連,1988年)
大漢溪為13,200秒立方公尺
新店溪為10,300秒立方公尺
基隆河口為2,700秒立方公尺
淡水河關渡以下為25,000秒立方公尺。二重疏洪道的關鍵即在發揮分洪功能,可以排除9,200秒立方公尺的設計洪水。但受近年來淡水河採砂的影響,河床下降,目前的分洪效果已減少為6,500秒立方公尺。

  大台北防洪工程設施包括堤防、防洪牆、堤內排水設施、抽水站等,甚至包括基隆河截彎取直工程,以及大台北防洪預報中心。美中不足的是,台北外圍高高的堤防,阻隔了民眾親水的機會,未來應美化堤防,進一步營造民眾親水的設施,如華江橋雁鴨自然公園、河濱公園等。配合目前淡水河汙染整治工程之實施,希望不久的將來,淡水河能恢復往日清澈、美麗的景象,使民眾喜愛接近,除了在平日發揮遊憩的功能,一旦洪水來臨,這些堤防、疏洪道、抽水站也能正常運作,保護民眾的安全。


淡水河的防洪牆有的地方高達10公尺以上
,降低了親水的機會。

抽水站是都市防洪排水的重要設施。

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