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台灣堰壩的存與廢

2012年06月29日
作者:王筱雯、郭偉丞(成功大學水利及海洋工程學系)

堰壩的功能

台灣河川坡度陡急、降雨分布不均,豐枯水期流量差異大,且地質脆弱,為有效利用水資源及穩定河床,在台灣的河川上分布了大大小小的堰壩等跨河攔水結構物,以作為防洪、蓄水灌溉、水力發電或防砂之用。就水利角度而言,堰、壩的功能為集水、蓄水及抬高水位,以供取水利用。

一般高大者、或是排洪時只可局部溢流或通洪者稱為壩,而低小或可全面溢流者則稱為堰,惟大小之間並無明確區分。若就功能而言,壩主要在蓄水形成水庫以供調節運用,而堰則只抬高水位以利引水,未有蓄水調節功能,且由於其抬高水位形成之水域有限,一般不稱水庫。如位於高雄縣甲仙鄉於1999年6月完工蓄水之甲仙攔河堰,在旗山溪豐水期時將雨水引入南部重要水庫之一的南化水庫儲存,以提供南部地區水源。

甲仙攔河堰(由下游往上游看)甲仙攔河堰上下游空照圖(圖片來源:甲仙攔河堰管理中心)位於宜蘭粗坑溪之粗坑堰,現已淤滿,其壩體左側設有魚道,然已無功用

而就水土保持角度所興建之防砂壩,則是為了攔蓄河道泥砂、調節泥砂輸送、穩定河床及兩岸崩塌、防止侵蝕、沖蝕、抑止土石流所構築之橫向構造物。如位於宜蘭粗坑溪之粗坑堰,雖名為堰,但其實際為一防砂壩,由早期的臺灣省水土保持局興建,然此堰因壩基地質與漏水等因素,現已淤滿,僅有穩定河床、防止縱向沖刷之功能。

堰壩之現狀與問題

一般而言,堰壩的平均壽命約為50年,其結構完整性將會隨著時間推移而減少,因此需要經常性的維護。不可諱言的,堰壩提供人類社會重要的效益,但隨著堰壩結構物逐年老舊,維護及修復成本亦隨之逐年增加,另一方面,堰壩下游因砂源不足導致壩體基礎掏刷,使得潰壩的可能性增加,對下游生命財產造成威脅。再者,這些堰壩的建造與存在改變了河川的面貌,對於河溪生態系之架構組成與機能性均造成影響,包括:改變自然的水文循環、渠道及洪水平原的生物及物理特性,並切割原本連續的河道,造成廊道中斷,使得洄游生物路徑阻隔、魚類族群縮小與區隔化、魚類棲地單調化等。
時至今日,已有不少水工結構物超過使用年限、或是遭受嚴重淤積與壩體年久受損而逐漸喪失原有功能及經濟價值,對於這些問題,目前多數的思考方向是加以修復使其恢復功能,殊不知到達使用年限之壩體維修費用及經濟效益常常遠不如預期。

美國經驗

以國外經驗來看,美國在1950 年代所建的堰壩,至今據估計約有超過75000座的堰壩接近或已達到其使用年限,需要聯邦能源組織等相關單位核可發行續用許可,因此進一步促使了相關單位對水工結構物所造成環境生態系統可能有的衝擊進行詳細的檢查評估。當成本效益評估得到繼續維持或修復這些已近使用年限的堰壩所需付出的成本超過繼續營運所能帶來包括發電防洪灌溉等用途的效益,堰壩拆除的決策因此衍生而出。
以位於奧勒岡州(Oregon State)、因發電與供水需求而興建於1909年的Marmot壩為例,其壩高15 公尺,攔蓄泥砂量約75萬方。由於其在營運80年後已失去原本的功效,且因其營運執照使用年限屆滿,經過整體評估後,Marmot壩於2007年被移除。

Marmot壩的拆除方式乃先以土石材質之暫時性圍堰(coffer dam)將水導開,再對壩體進行氣壓鑽孔移除混凝土結構。生物學家同時先行遷移數百條在影響河道範圍的魚類,移至相關養殖區放置,以免在壩體移除後,泥砂所造成河道濁度標高,影響當地鮭魚。在Marmot壩之混凝土壩體拆除之後,上游的暫時性圍堰隨著一場颱洪事件而沖毀。根據相關調查,壩體拆除後魚類可往上洄游、多了近150公里的棲地可供利用,且已在原壩址上游發現為數不少的鮭魚。

Marmot 壩移除過程示意圖(資料來源:www.marmotdam.com)

              Marmot 壩移除過程示意圖(資料來源:www.marmotdam.com)

  Marmot圍堰沖毀後即時影像(資料來源:www.marmotdam.com)                

Marmot圍堰沖毀後即時影像(資料來源:www.marmotdam.com)

如Marmot壩的拆除案例,美國在橫向水工結構物移除的實際案例至今已累積無數經驗,這些案例在不同環境背景下之目的,包括壩體老舊的安全顧慮,或原有功能喪失時之重新思考,以提供洄游性魚類通道或擴增魚類棲地之用等。就如同每一座堰壩在當初興建時都有其獨特的背景需要考慮,拆壩亦是如此。

台灣案例

巴陵壩潰壩前後照片(圖片來源:水利署)以位於石門水庫上游的巴陵防砂壩為例,其功能為攔砂及穩定水流,減少砂石下移至石門水庫。2007年韋帕颱風所帶來之豪雨造成已淤滿的巴陵防砂壩潰壩,剩下的壩基又遭之後的柯羅莎颱風豪雨摧毀,洪水同時改變潰壩後的大漢溪水文巴陵壩潰壩前後照片(圖片來源:水利署)                   流向,巴陵壩長年承受千萬立方公尺的泥砂量,也順勢沖到下游。

建壩及拆壩對上游河床斷面變化的影響可用:「淤積一大片、沖刷一條溝」加以說明。當堰壩建好後,上游床坡開始趨緩,形成淤積河道,原本主深槽逐漸淤高後,就形成相對平緩的橫斷面,此時河寬加大,形成「淤積一大片」的河相型態。堰壩移除後,因下切沖刷而導致上游形成一條明顯沖刷溝,當這條沖刷溝下切到一定深度後,沖刷溝兩岸因無法阻抗土壓或洪水沖刷而開始發生崩塌,沖刷溝的深度得以減緩且其兩岸寬度因而擴大,此現象稱為「溯源沖刷」。

巴陵壩潰壩後上游淤積的大量泥砂在運移往下游的過程中是否會衝擊現有生物棲地,或河道淤積是否造成下游洪氾可能性提高等,已經是潛在的危險。類似巴陵壩的例子,還包括高屏攔河堰、榮華壩等,對於這些堰壩的處理方式值得深入探討,在重建修復之際,應審慎思考是否透過拆除或局部改善的方式達到最大效益。

另從雪霸國家公園轄區內的七家灣溪流域來看,此流域乃是目前國寶魚台灣櫻花鉤吻鮭的唯一棲地。自1980年代起,由於防砂壩的建造與人為的開發等因素,櫻花鉤吻鮭的棲息地大幅銳減。為了提供鮭魚的洄游空間與改善棲地破碎化,雪霸國家公園於1996年起,開始對防砂壩拆除進行可行性評估,並於1999年至2001年共兩年半間,自最上游的第四號防砂壩為始、最下游的第一號防砂壩為終,陸續將七家灣溪支流高山溪上的四座防砂壩進行壩體的改善與拆除。

高山溪防砂壩拆除後,河床上大石頭的比率升高,形成較穩定的底質,深潭棲地的比率也變高。由於壩體上下游的河床坡度逐漸平緩,鮭魚得以順利迴游至壩體的上游水域。不過,隨著自然河道環境的演變,其中高山溪三號壩在拆除之後幾年,因颱風大水事件所攜帶而下的巨大樹幹橫亙而形成一臨時性結構,使上游產生約5 公尺落差並使得泥砂淤積在壩體上游,此一臨時性天然結構再次造成鮭魚迴遊之阻礙。其後續變化情形仍應長期加以觀測,以準確掌握拆壩對於河道及櫻花鉤吻鮭棲地所產生之衝擊。

至於七家灣溪主流上已淤滿的一號防砂壩,其高度13公尺、淤砂量約20萬立方公尺,壩基因受水流衝擊掏刷已被破壞,有安全上的疑慮,且由於其乃是七家灣溪流域最下游的壩體,因此成為鮭魚上溯的第一道屏障。為了安全的考量與台灣櫻花鉤吻鮭的棲地復育,雪霸國家公園匯集水利與生態專家學者以及相關研究單位討論之結果,提出對七家灣溪一號防砂壩進行壩體改善」之決議。

  

七家灣溪一號防砂壩及其上游淤積          七家灣溪一號防砂壩壩體改善後
  (圖片提供:王筱雯、郭偉丞)              (圖片提供:王筱雯、郭偉丞) 

由於在台灣壩體改善的案例相當有限,且七家灣溪一號防砂壩之體積、高度及淤砂量皆遠超過高山溪上已被拆除之四座防砂壩,加上高山溪防砂壩改善工程階段,缺 乏前後監測資料之建立與比對,其經驗無法完全應用至七家灣溪一號防砂壩之改善。因此,針對一號壩壩體改善的方式、時機、以及壩體改善後泥砂對下游河道之潛 在衝擊與生態系統之可能影響,經相關研究單位審慎進行評估與監測(七家灣溪一號壩壩體及棲地改善工程-泥砂衝擊物理模型及數值分析),以在充滿不確定性的 生態變動環境中,獲得適當之壩體改善策略,並盡量減少不可預期的負面影響。七家灣溪一號壩已於2011年6月1日完成壩體改善工程,目前相關單位持續進行 河相演變、水文、生態調查等各面向監測,以從此經驗中有所學習並有助於後續拆壩之研究。

壩體存廢之思考

就如同每一座堰壩在當初興建時都有其獨特的背景需要考慮,壩體改善亦是如此。在多數壩體之使用年限已久之當今環境背景下,包括壩體老舊的安全顧慮,或原有功能喪失時之配套,以及是否提供洄游性魚類通道或擴增魚類棲地之用等,皆需重新思考。有些壩的拆除會對河川與生態系統引起劇烈的變化、有些則沒有任何顯著影響、有些則是會引發新的問題,因此任何決策皆需要審慎評估。而且,壩體或維護或拆除的決策常需牽涉到許多相關的單位機關,例如七家灣溪一號壩的拆除改善需要營建署雪霸國家公園、農委會林務局、退輔會武陵農場、經濟部德基水庫管理局、台中縣政府農業局等單位之共識與整合。

蒐集並檢視實際案例的經驗有助於瞭解堰壩存廢的方向,而在決策過程中針對河相面向的泥砂粒徑組成與運移等、生態面向之棲地與物種反應等、社會人文面向之觀感等、以及經濟層面之考量深入評估,有助於未來台灣進行相關工作的基礎建立。

※本文轉載自《科學發展》2011年11月,467期,52 ~ 57頁

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