:::主要內容區

土石流防災監測技術新思維

水保局 尹孝元‧陳振宇‧陳信成

一 . 前言

  由於全球氣候變遷,各地降雨紀錄屢創新高,加上民國 88 年台灣發生 921 大地震,大量鬆散的土方堆積在坡面或山谷間,造成 90 年桃芝颱風後台灣地區土石流災害發生的次數急遽上升,導致人民生命財產的重大損失。土石流是一種水、泥砂與土石充分混和受重力作用的流動體,外型與一般常見之混凝土砂漿極為相似,因此常被稱為「天然預拌混凝土」,土石流大多發生在山區野溪沿溪谷奔流而下,由於其具有向下及向兩側的強烈侵蝕作用,再加上本身強大的衝擊力及破壞力,因此常造成下游及沿岸居民的重大災害。基本上土石流的發生主要有三個要素,即充足的降雨、豐富的土石材料與適當的溪流坡度;由於台灣位於環太平洋地震帶,其構造運動相當頻繁,因此地勢陡峭及河流劇烈的下切作用提供了適當的溪流坡度,地質材料脆弱提供了豐富的土石材料,而季節性颱風豪雨則帶來了豐沛的雨量,上述台灣特有之地質、地形及氣象條件均符合土石流的發生要素,顯 示台灣本島仍處於激烈的地形演化階段,而土石流的危害在大地震後也將進入一段高峰期,其影響層面正逐步擴大,甚至牽動山坡地生態體系的平衡與發展。由於台灣土石流問題日益嚴重,為了完整蒐集現場土石流觀測資料,以做為防砂工程構造物的設計、土石流發生警戒基準值的訂定、減災及避災措施的研擬、土石流運動特性的探討及防災監測技術的研發等,農委會水土保持局自 91 年起陸續辦理土石流觀測站建置及相關科技研發工作,目前全台灣已完成 17 座固定式及 3 組行動式土石流觀測站,用以量測並記錄土石流發生時各項參數,掌握其動態及發展過程,提升台灣土石流防災監測技術。

二 . 固定式土石流觀測站

  台灣目前現有 17 座固定土石流觀測站址係由農委會水土保持局於全台灣 1552 條土石流潛勢溪流裡從中挑選曾經發生大規模土石流災害之重點區域進行兩階段的建置規劃,第一階段自 91 年開始共費時 3 年時間陸續完成 13 座固定式之自動化土石流觀測站;而在 98 年的 88 風災期間,因全區域高強度、長延時降雨,加上堰塞湖潰決與複合型災害同步發生等影響,造成南部與東部地區嚴重水患及土砂災害,因此水土保持局於 99 年起邁入第二階段土石流觀測站建置工作, 99 年優先在南部與東部地區新增 4 處固定式土石流觀測站,分別位於臺南縣南化鄉玉山村羌黃坑、高雄縣杉林鄉集來村火山橋、屏東縣來義鄉來義村以及臺東縣大武鄉大鳥村,各觀測站分布位置如圖 1 所示。

  固定式土石流觀測站之架構主要可分成 4 大部份,包括了觀測儀器、資料接收中心(儀器屋)、傳輸系統及網際網路展示系統等,分述如下:

(一)觀測儀器

  目前在世界上應用於現場土石流觀測之儀器甚多,而農委會水土保持局早期在土石流觀測站採用之觀測儀器包括雨量計、攝影機、鋼索檢知器、地聲檢知器及超音波水位計等,其中雨量計主要為了能正確量測土石流發生現場即時雨量資訊,校正現行土石流發生降雨警戒基準值;攝影機則可拍攝現場土石流運動的畫面,並可從中進行影像分析以估算土石流流動時的流量、流速及流深等參數;鋼索檢知器是目前使用最廣泛的土石流觀測儀器,具有構造簡單、安裝便利及價格低廉等優點,通常將鋼索架設於河道固定斷面處,一旦土石流通過將鋼索扯斷即可發出警訊;超音波水位計則用以判斷土石流發生時水位高度;地聲檢知器則是用以量測土石流流動時巨礫撞擊底床產生的地表振動訊號(又稱土石流地聲),以判斷土石流的發生與否。近年來為因應全球氣候變遷並水土保持局於 97 年起在各觀測站陸續增加氣候觀測儀器,包括日照度計、溫度計、濕度計、土壤水份計、風力風向計等,以了解極端氣候對台灣坡地災害造成的影響。此外土石流觀測站相關計畫亦配合國科及其它相關學術研究單位共同進行各種新興監測技術的研發及現場測試的工作。

(二)資料接收中心(儀器屋)

  當前端觀測儀器啟動運作後立即將量測所得的資料傳送至現場資料接收中心(儀器屋)。現場儀器屋為鋼筋混凝土構造,內部分為資訊設備及電源裝置兩間獨立機房,其中資訊設備包括工業級電腦、影像伺服器、螢幕、電子切換器、集線器和機架等,其主要功能為將現場觀測儀器量測所得的類比訊號首先轉成數位訊號後將其完整備份在硬碟中容日至現場取出,此外電腦同時針對複雜的訊號進行初步的運算和處理,以縮減資料量並節省訊號傳輸頻寬。另外土石流觀測站運作所需的電力則由儀器屋中的電源裝置提供,電源裝置包括市電( 110V )線組、不斷電系統( UPS )、兩組並聯之電池組(每組可提供 110V 之電壓)、電源自動切換開關( ATS )、柴油發電機( 5KW )、 100 公升油箱(含柴油)及計時器( timer )等,觀測站平時以市電供電,停電時則透過 timer 的設定及 ATS 的切換由 UPS (含電池組)及發電機交替供電,經歷年來現場測試的經驗,電力系統可全負載供電至少 96 小時以上,避免因市電中斷造成系統停止運作。

(三)傳輸系統

  土石流觀測站其資料傳輸系統主要採用 VSAT 小型衛星通訊系統為主,其具有涵蓋面廣、不受地形限制及多點(各觀測站)對單點(水土保持局)傳輸等優點,通訊頻率則以 C 頻段為主,較能抵抗訊號因大雨造成衰減的情形,可有效提升觀測資料的品質,目前衛星傳輸速率為 256K bit/ 秒;實際運作時除上述衛星通訊為主要傳輸系統外,另有備援通訊機制,一旦衛星通訊中斷時,系統會立即啟動預設的備援通訊—行動通訊( GSM/GPRS )或市話系統( PSTN ),一般而言啟動備援通訊時資料傳輸的速率會大幅下降,此外若觀測站附近可連接 ADSL (非對稱數位用戶線路)網路系統的話,則優先選用 ADSL 為備援通訊,常見的方式為透過高功率 802.11b 無線網路將觀測資料由現場儀器屋傳送至 ADSL 所在地點,再透過 ADSL 傳送資料回位於南投中興新村的水土保持局。

(四)網際網路展示系統(土石流防災資訊網)

  現場傳回水土保持局的觀測資料首先儲存在後端資料庫,配合 ASP 動態網頁技術將觀測資料加值處理成圖形介面即時展示在水土保持局的土石流防災資訊網( http://246.swcb.gov.tw ),影像自動撥放模式、儀器配置、即時觀測資訊、儀器功能解說及三維地貌飛行模擬等,提供一般社會大眾及各級防災單位現場土石流資訊的參考。

三 . 行動式土石流觀測站

  行動式土石流觀測站的概念,係利用行動式觀測站機動化特性,延伸了土石流觀測系統的範圍,針對颱風侵襲路徑上選擇土石流高潛勢溪流進行現地觀測作業,並且透過即時傳輸系統將現場資料直接傳回災害應變中心;同時行動式土石流觀測站僅需在可能發生事件時期出勤,平時可在廠內環境維護待命,因此可減少如固定式土石流觀測站的定期維護時程與費用與避免因長期暴露在外減少儀器設備的運作壽命,提高土石流發生時觀測系統的妥善率。基本上行動式和固定式土石流觀測站的架構大同小異,包括觀測儀器、車裝儀器平台(同固定站之儀器屋)、傳輸系統( VSAT 衛星)及網際網路展示系統(土石流防災資訊網)等 4 大部分。其中觀測儀器主要配備 1 組雨量計、 2 組 CCD 攝影機(附迴轉台及投射燈,分別針對日間及夜間使用)及 1 組地聲檢知器等;另外行動觀測站上各項資訊及電力設備均經過特別設計使其具有重量輕、體積小及防震等功能。

四 . 模組化觀測儀器

  為了現場觀測的範圍及現行有線線路傳輸距離的限制,水土保持局自 94 年起應用無線傳輸技術研發各式土石流觀測儀器之模組化系統,其可同時和固定式及行動式土石流觀測站相互配合以提高觀測效能,目前發展成熟者包括模組化雨量計、攝影機及鋼索檢知器 3 種。模組化雨量計及綱索檢知器所需傳輸的資料量較少,主要搭配無線電傳輸系統,具有耗電量低、穩定性高及傳輸距離長等優點,其在山區崎塸地形中仍可達 2 公里的傳輸距離;模組化攝影機由於影像資料量較大,因此採用較高功率的 1 對 1 影音傳輸器將資料傳送至後端,有效傳輸距離為 1 公里, 上述模組化系統電力供應則以高效能蓄電池及太陽能板共同組成,經過現場實際測試證實可獨立運作至少 96 小時以上。

五 . 系統運作特性

  現行土石流觀測系統針對現場狀況設定兩種運作模式—正常模式( normal mode )及事件模式( event mode ),平時觀測站運作皆為正常模式,此時系統處於休眠狀態,一旦現場觀測雨量超過預先設定的門檻—降雨強度大於 10m m/hr 或單日累積雨量超過 100m m 時,系統自動切換成事件模式,各項設備立即開始運作並以簡訊通知相關人員,此外為能隨時掌握各站實際情況,系統另具備遠端搖控的功能,工作人員可籍由遠端搖控軟體從水土保持局直接控制現場觀測設備,包括電腦重新開機、調整 CCD 攝影機鏡頭遠近和對焦、旋轉附有迴轉台的攝影機角度、啟閉投射燈及強制切換觀測站運作模式等,由於觀測站規劃時已考慮系統的擴充性,因此其為開放平台的設計,未來可配合相關科技研發成果增加不同的新興監測儀器,擴大現場觀測的項目和範圍。

六 . 結語

  農委會水土保持局在全台灣建置的 17 處固定式、 3 組行動式土石流觀測站及配備無傳輸功能的模組化觀測儀器為目前國內規模最大之自動化土石流監測系統,其利用各種量測儀器在土石流發生現場觀測並記錄其發生、流動、淤積及停止等各階段運動特性,再透過衛星傳輸將土石流現場資料傳送回水土保持局土石流防災資訊網,使相關決策人員可即時掌握土石流發生之動態資料,提供各級防災單位擬定有效的應變措施,此外記錄完整的現場觀測資訊不僅在土石流防災工作上是重要的訊息來源,其亦可提供政府部門擬定土石流整治措施參考及學術研究之用,可大幅提升台灣在土石流防災監測之技術。

本網站刊載之「農政與農情」其所有內容,包含文字、圖像等皆可轉載使用,惟須註明出處。
  • 回上一頁
  • 99-05-18:14,023