水庫清淤

1. 目的
水庫在蓄水時往往也將集水區的泥砂攔阻於水庫內,使得水庫下游缺乏泥砂補充,亦使河床河岸加速沖刷,並導致海岸線內移等副作用。水庫清淤的目的為維護水庫之有效容積、延長水庫的使用年限及保護下游土砂平衡,庫容之維護可經由各種水庫操作方法或者排淤措施的運用來達成。
 
2. 方法與原理
(1) 沖砂、洩砂聯合操作:
係藉由兩水庫聯合運作排砂避免泥砂淤積於下游水庫,以達到水庫清淤之效用,「洩砂」與「沖砂」 最大不同處為洩砂主要針對“洪水來砂”,而沖砂則是針對 “前期淤砂”,但因洩砂與沖砂的操作方式都是透過壩體底孔操作,故馬哈穆德(K. Mahmood, 1987)、阿特金森(Atkinson, 1996)將洩砂視為沖砂操作的特殊情況。「沖砂」(sediment flushing)與「洩砂」(sediment sluicing)通常都是利用壩體的底孔進行的。而操作沖砂、洩砂聯合操作共分為三個步驟,首先先將水庫水位先行洩降以達到壓力洩降排砂之效用,之後利用河川坡度進行低水位之排砂,最後進行清水沖刷使下游河道恢復正常生態機能。
 
(2) 繞庫排砂:
繞庫排砂一般都於水庫迴水區以上佈設分流堰,進行分水分砂,故相較於空庫排砂、洩洪排砂等水力排砂對策而言,其影響相對較小。由於繞庫排砂除分流堰外,尚需興建排砂隧道,以瑞士經驗來看,若水庫地形有佳條件,可降低隧道開挖的數量,例如排砂隧道長度小於1公里,則繞庫排砂可列為最佳方案;若排砂隧道大於1公里者,則尚需與其他水力排砂方案競合比較。繞庫排砂坡度一般都控制在1/100以上,故排洩渾水之水理為射流狀態,故對於隧道摩損在日後水庫之經營也格外重要。
 
(3) 空庫排砂:
本操作方式被摩里斯與范家驊(Morris and Fan, 1998)稱為「完全洩降水位沖砂」(complete drawdown flushing),本操作方式通常是將水庫洩空後,不予蓄水,持續以逕流進行沖砂作業,使庫區形成臨時性的河道水流,若庫區為狹谷地形,且來水量足夠,且有一定坡降,這時底孔上游會形成一個沖刷河槽,並造成溯源沖刷作用,減少淤積土砂。
 
(4) 高渠拉砂(橫向沖蝕):
本法屬於配合沖砂 (sediment flushing)的強化工法(enhancement),主要是用來加強水庫沖砂之效果的輔助工法。當蓄水區域地形並非良好的峽谷地形,且沖砂底孔因洩量受限,所形成深槽寬度不足,此時則可配合人工方式在灘地預先挖渠並導水,使灘地受溝蝕或管湧作用,使土砂崩落於深槽內並擴大深槽寬度,來加強水庫沖砂之效果。
 
3. 案例介紹
(1) 沖砂、洩砂聯合操作:
日本北陸地區黑部川由於水源豐沛,位於黑部川上的出し平壩於1985年完工,在宇奈月壩尚未完工以前出し平壩是採單獨空庫排砂,位於下游處得宇奈月壩在2001年完工後,考量避免出し平壩排出土砂都堆積在宇奈月庫區,則與出し平壩則採沖砂、洩砂聯合操作,使得水庫淤砂在每年的汛期期間得以排出,以此維持兩壩的長期的水庫容量。在操作的過程中每次排砂均須配合當次汛期,大致上總操作時間為1至2天,其中包括先行洩降水位時間出し平壩約8小時,宇奈月壩約18小時,低水位排砂時間約為一天,最後避免淤砂淤積於下游河段還會進行12小時的清水放流,使下游河段維持正常的生態機能。
 
(2) 繞庫排砂:
瑞士Runcahez Dam位於Rein da Sumvitg River上,興建於1961年,其繞庫排砂的設施為馬蹄形隧道尺寸為17.1平方公尺、長度572公尺、坡度1.4%、隧道流量110 cms及隧道中流速9 m/s,操作繞庫排砂的頻率為一年四天。
 
(3) 空庫排砂:
伊朗西菲羅水庫建於1959-1962年,於1963年正式運轉,位於伊朗德黑蘭西北部250公里處,壩高106m,頂部壩長425m,初始容量17.6億立方公尺,每年可為25萬公頃的農田提供28億立方公尺的灌溉用水(大部分為稻田),裝機容量87.5MW,該水庫壩體設有5門底孔,位於高程193.8公尺處,與發電放水口5孔。西菲羅水庫在1980年後更改排砂策略為空庫排渾,亦即為了減輕泥砂淤積,在非灌溉季節(10~2月)進行空庫排砂,大大減輕了水庫泥砂淤積,1980~1990期間之排砂,空庫排砂期間之來砂濃度與排砂濃度,經過10年的空庫防淤操作,該水庫於1990年恢復其長期容量要求(12.44億之立方公尺)。
 
(4) 高渠拉砂(橫向沖蝕):
1979年正式在黑松林水庫應用此工法,所謂“高渠拉砂”即高渠洩水沖刷,其基本作法是:在庫區上游設低壩(簡易渠首),將河水攔截引入庫周修建的低壩內,利用高灘深槽所形成的橫向大比降,依靠水力沖刷及重力侵蝕作用,對高灘的泥砂淤積進行溝蝕和輸送,從而達到清淤出庫的目的,自1979年以來,黑松林水庫實施“高渠拉砂”,依靠0.2~0.3cms的沖刷流量,沖灘排淤,恢復容量,與“蓄清排渾”方式相輔相成。
 
4. 代表性照片與圖說
圖1為日本出し平壩與宇奈月壩聯合排砂操作流程,可以從圖中看到出し平壩與宇奈月壩沖砂時的情況,圖2為瑞士繞庫排砂水庫空庫排砂操作計畫,下方黑色粗的虛線為隧道,藉由隧道將水砂以射流的方式排出,伊朗西菲羅壩剖面如圖3所示。
 
圖1 出し平壩與宇奈月壩聯合排砂操作流程
(修改自國土交通省北陸地方整備局(2008))


圖2瑞士繞庫排砂水庫空庫排砂操作計畫


圖3西菲羅壩剖面
 
5. 台灣推動可行性評估
6. 參考文獻
  • 「堆砂対策特集号」,リザバ Vol.10,(財)ダム水源地環境整備センター, 平成17年8月
  • 瑞士大壩委員會Swiss Committee On Dams
  • http://www.swissdams.ch/index.php/en/
  • “Desilting of Deposited Sediment at the Upstream of the Dez Reservoir in Iran”, Samad Emamgholizadeh and Hosien Samadi, Journal of Applied Sciences in Environmental Sanitation, 3 (1): 25-35. Iran, 2008.
  • 「水庫調水調沙」,焦恩澤、繆鳳舉、林秀芝,黃河水利出版社,2008年


上稿日期:2015-11-19 更新日期:2015-11-19