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92年5月(第131期)

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土石流監測系統之建構與成果


水土保持局坡地監測科 王晉倫‧尹孝元

一、前言

  台灣由於先天地質條件不佳再加上颱風地震等災害頻繁,故每逢豪雨極易引發土石流災害,因此土石流已在民眾內心形成極大陰影,像是揮之不去的夢魘般,纏繞人心。土石流是一種水與泥砂、土石充分混和而成之流動體,外型與一般常見之混凝土砂漿極為相似,因此可喻為「天然預拌混凝土」,土石流大多發生山區野溪中,沿溪谷奔瀉而下,由於流動時造成兩岸土石鬆動,再加上本身強大的衝擊力,因此常造成下游及兩岸居民重大災害。

  當降雨多、土石堆積多及陡坡多等「三多」條件一旦成立,土石流即可能形成,和自然界許多現象一樣,土石流發生前也會有許多徵兆,可由這些徵兆研判土石流即將來臨,並預先做好相關的因應措施。為加強各項事前防災措施已成為土石流防災之重點工作,尤其是土石流監測工作,期能籍由瞭解土石流發生前之各種徵兆,掌握土石流發生時間與運動現象,提供各級防災單位早期的警戒資訊,並以網際網路等方式將即時資訊予以公開,期以事前防範措施達到減災、消災及避災之具體目標,以減少土石流發生時人民生命財產之損失。

二、土石流發生之徵兆

  一般土石流發生時,有溪水混濁、流量變大或變小、水流聲變得尖銳及上游處有火花發生…等多項徵兆產生。吾人可利用土石流發生前或發生時的現象,以各種先進之儀器進行土石流發生時,各項資訊的蒐集與現象之觀測,期能避免土石流發生時造成人民生命財產損失。目前土石流觀測系統主要可分為非接觸性及接觸性兩種觀測方式,分述如下:

(一)非接觸型監測系統

  以與土石流可能發生有密切相關之因子,做為預警指標,即時將相關資料回傳土石流防災應變中心進行研判,一般均採用降雨量及降雨強度做為警戒指標,此方式亦可稱為事前型之監測方式,其所能提供之應變時間較長,惟準確性較不高。

(二)接觸型監測系統

  即以土石流發生後之各種徵兆及其流動時產生的特性進行觀測與比較,常用者如利用鋼索檢知器架設於防砂壩溢洪口或橫跨河道兩岸,當土石流流過時會扯斷鋼索因而發出警訊,此外,由於土石流發生時會有巨礫撞擊河床而傳出「go」的聲響,並且河道兩側附近之地表亦會產生震動(此種因土石流造成之地表震動又可稱為土石流地聲),吾人即可利用次聲探測器量得土石流發生時空氣中的聲音,而以地聲檢知器量測土石流地聲訊號。本方式亦可稱為事發型之監測方式,其準確性較高,惟所提供之應變時間較短。

三、現階段土石流監測工作

  有關現階段土石流監測的工作,主要可分為下列三大部分:

(一)非接觸性監測方式-提供大區域警戒資訊

  形成土石流的3個基本條件是豐富的鬆散土石、陡峻的坡度及大量的水源。水源不僅是土石流的組成物質,更是土石流發生的激發條件。形成冰川土石流的水源來自冰雪融水,而形成降雨土石流的水源是來自於大氣降雨。台灣地區雨量豐沛而且集中,土石流的發生和降雨有很密切的關係。在同一條土石流溝內,其集水區內之土壤、地質、地形及溝床條件,在正常情況下的一定時期內,可視為相對穩定且變化不大,但是其集水區內降雨狀況卻是變化極大。因此土石流的發生及其規模大小,取決於其集水區內之降雨條件、土壤條件及溝床坡度條件。若能利用土石流形成過程中之相互關係,分析出降雨條件在土石流集水區內的變化規律和發展趨勢,就有可能利用降雨條件達到土石流發生警戒的工作。

  中央氣象局目前已於全臺架設343座雨量站,而重建區內亦再增設完成37座雨量站,該項資料已可透過專線將10分鐘雨量資料即時傳輸至水土保持局。

  為善用上述資料,水土保持局已於89年開始辦理「土石流警戒分區與發生基準值之研究評估」,利用中央氣象局10分鐘即時雨量資料配合土石流警戒分區之劃定與基準值之訂定,以非接觸性之土石流觀測方式,進行大區域土石流警戒之觀測,並依該項警戒值訂定成果配合土石流防災應變系統(http://fema.swcb.gov.tw)進行警戒研判,如降雨超出所設定之警戒值,則可直接透過網際網路、自動傳真及自動簡訊方式,通知各級防災單位做為警戒及疏散等必要措施執行之參考。

  土石流警戒分區與發生基準模式依不同區域可分成3種模式,第一部份係針對南投縣國姓鄉九份二山地區,其警戒值為單日累積雨量超過150mm,建議疏散基準值為單日累積雨量超過250mm。第二部份在中部重建區內(但不包含上述九份二山地區),主要係針對過去水土保持局委託調查完成之各土石流潛勢溪流之崩塌率、有效集水區之坡面坡度、溪床坡度及岩性等基本資料,依所訂之權重予以評分後,劃分為八大警戒分區,再依921大地震後曾經發生土石流之歷史雨量資料進行統計分析,利用中央氣象局10分鐘即時雨量資料推算各土石流潛勢溪流所在地之降雨強度及累積雨量,訂定各分區之土石流發生臨界雨量線(CL)及避難雨量線(EL),另為應用方便,該計畫業依研究成果於每一鄉鎮選定警戒值最低者為該鄉鎮之代表警戒值;如以臨界雨量線(CL)與有效累積雨量與有效降雨強度之交點做為警戒基準值,警戒基準值累積雨量約位於150mm至455mm間,降雨強度界於15至40 mm/h間。第三部份包括重建區外所有地區,係以有效累積雨量達300mm為警戒值。

  土石流警戒分析模式示意,各行政區之警戒分析狀況可經由網際網路獲得相關資訊,主要可查看各行政區的警戒狀況與雨量資料,警戒狀況共分三級:正常、接近警戒及警戒。各行政區之警戒狀況除了以文字資料顯示外,尚有圖表的顯示方式提供一般使用者連結上水土保持局土石流防災應變系統網站查詢。

(二)接觸性觀測方式-蒐集土石流發生資料,提供警戒值修正參考

  除上述以非接觸性之土石流觀測方式外,水土保持局另於91年辦理「土石流觀測示範站建置與系統整合」計畫,本計畫主要係建立土石流現場觀測系統(monitoring system),以即時追蹤掌握土石流發生及其動態等相關資料,提供土各項學理、治理及避難減災等工作之參考。計畫中選定南投縣水里鄉郡坑村二部坑及上安村三部坑、南投縣信義鄉豐丘村豐丘野溪、南投縣信義鄉神木村出水溪、南投縣國姓鄉南港村九份二山(韭菜湖溪)、苗栗縣卓蘭鎮內灣里白布帆東坑等六處地點作為土石流觀測示範站建置地點,各觀測站均架設雨量計、鋼索檢知器、地聲檢知器、紅外線攝影機(CCD)等4種儀器,以進行土石流潛勢溪流現場動態的即時觀測,確實掌握土石流發生之現象與時間,做為土石流警戒基準值調整之參考依據。

  由於本計畫觀測地點皆位於偏僻山區,因此在技術上如何將現地觀測儀器蒐集的資料有效傳輸至水土保持局實為一相當困難的課題,為克服偏遠山區之通訊問題,本計畫主要通訊採用衛星傳輸架構,(VSAT,VSAT為小型地面站Very Small Aperture Terminal之簡稱。基本上衛星通訊具有涵蓋區域廣、單點對多點等其他有線、無線通信難以比擬的特點,在涵蓋範圍下之各地點均可相互通訊,不受地理環境之限制,而且高頻寬之衛星訊號能攜帶大量數據資料,為其他通訊媒介所不能及,此外,本計畫衛星傳輸是利用C Band為主要傳輸模式,可大幅減少雨衰情形等天候的影響,因此可順利將前端觀測儀器資料傳回後端水土保持局。

  由現場傳輸回水土保持局的資料首先儲存於磁碟陣列內,之後再將現地影像資料整合於土石流防災應變系統,透過網際網路方式提供各級防災單位現場相關資訊,土石流觀測示範站傳輸架構,本系統於91年納克利颱風期間實際接收現地之影像。

(三)科技研發-持續以新興科技進行土石流觀測之研究

  根據前述提及土石流發生時會產生各種徵兆,近年來國內外學者均提出各項接觸性觀測儀器進行土石流發生資料之蒐集,為此水土保持局於91年度起已選定部分可行之主題辦理防災國家型科技之相關研究,包含吸能網、土石流感應器、地聲聲紋資料庫之建立、次聲探測器、紅外線光遮斷器、雷射雷達、現地影像判識、地下水電導度及集水區流量歷線監測等多元化方式進行研究,俟相關成果評估可行後,將配合土石流觀測示範站之建立計畫進行現場架設。

四、土石流警戒基準值與觀測系統後續發展

(一)土石流警戒基準值未來朝向預測分析模式發展

  土石流警戒基準值之研究目前係採用降雨強度及累積雨量為評估指標,且以過去所蒐集之土石流發生雨量資料進行統計分析以得到成果,在本局實際應用時為考量程式設計方便性及且應用可行性,已採臨界雨量線(CL)為警戒發佈之依據,惟經多次應用,均發現警戒基準值之訂定有偏保守之趨勢,且部分已達警戒區域常因降雨急速變緩,而導致雨量變化線快速下降,導致警戒研判工作困難性增加,為此未來如有相關單位可提供定量降雨資料,則可引用該項資料進行計算與分析,並引入發生機率的概念,以預測土石流發生警戒趨勢,提高研判工作之正確性。

(二)土石流觀測系統未來發展方向

  目前各種接觸型土石流觀測儀器,大都在量測土石流發生時之各種徵兆及運動現象,且目的僅做為土石流警戒基準值驗證及土石流發生相關資料之蒐集,惟因土石流流速相當快速且破壞力驚人,故俟正確量測時,所餘應變時間恐已所剩不多,為此,各項觀測儀器應以量測土石流發生前之各種現象為目的,俟可保留相當之應變時間,期減少土石流災害來臨時生命財產的損失。

五、結語

  水土保持局目前已整合土石流潛勢溪流調查成果、土石流警戒基準值訂定成果、土石流防災疏散路線訂定成果及土石流觀測示範站所回傳之現地影像與資訊,並透過中央氣象局所提供之即時雨量資訊於土石流防災應變系統進行警戒分析,該系統為國內第一套網際網路版防災系統,未來將持續研發與更新,同時進行應用與推廣,期能結合學界及相關研究機構,發展適合本土環境之多元化預警及監測系統,充分掌握災害分佈地點,配合氣象資料研判坡地災害警戒時機,並對災害嚴重地區運用新科技進行長期觀測,瞭解災害演變趨勢,以提供本局未來推動治山防災相業務時之參考與依據。

 

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