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堰塞湖潰壩災害影響評估-以日本北海道地震為例

研究背景
近年來在全球氣候變遷的影響下,災害事件可能擴大為複合型災害,如地震與颱風造成的大規模崩塌,導致滑落土砂達到溪谷對岸形成堰塞湖(如圖1),一旦堰塞湖發生潰決,大量洪水伴隨土砂下移,可能形成二次災害,嚴重危及下游居民之安全。而根據水利署研究報告統計,過去超過一半的堰塞湖在一年內就會發生潰壩破壞(如圖2),除了現場災害緊急評估外,為快速評估堰塞湖潰決後,洪水對於下游保全對象影響程度,本局技術研究發展小組利用HEC-RAS水理模式,模擬堰塞湖潰壩後的災害影響範圍與預估洪水抵達時間,作為二次災害應變之參考。

堰塞湖災害示意圖
圖1 堰塞湖災害示意圖註1
堰塞湖存在時間統計圖
圖2 堰塞湖存在時間統計圖註2
2018年日本北海道地震
2018年9月6日日本北海道發生規模6.7地震(如圖3),根據日本國土交通省災害調查報告統計,地震造成223件土石流與崩塌等土砂災害,位於厚真町厚真川支流的日高幌內川中,發現一處約50公頃的大規模崩塌,由於崩塌地堆積範圍已經抵達對岸,阻塞河道形成堰塞湖,透過日本國土地理院將災害前、後期照片比對,可明顯發現大量的土石已崩落堆積至谷地當中(如圖4),日本TEC-FORCE成員也至現場進行空拍調查。



大規模崩塌前後期衛星影像
圖4 大規模崩塌前後期衛星影像註3



日本國土交通省災害初步調查示意圖
圖5 日本國土交通省災害初步調查示意圖註4
災害事件調查說明
崩塌規模:崩塌面積約50公頃
現場監測儀器:水位計、太陽能現地監視設備
堰塞湖資訊:離滿水位30.9m (2018/11/22紀錄)
阻塞河道寬度:150m~220m
天然壩高:初估40m~50m
天然壩長:700m~800m
上游迴水距離:預估2公里
離下游最近保全對象距離:1.5km
資料來源:日本國土交通省砂防部



模擬區域數值地形圖與保全對象位置
圖6 模擬區域數值地形圖與保全對象位置
模擬基礎資料說明
DEM來源:ASTER GDEM 2 (2011)
DEM解析度:30m
模擬區域河道長度:23公里
河道平均坡度:3.2%
天然壩上游集水區面積:935公頃
當地年平均降雨量:997mm
當地平均一小時最大降雨量:22.7mm/hr
上游保全對象:無
下游保全對象:三個聚落約34戶


模式參數與模擬情境說明
水理模式:HEC-RAS 2D (美國陸軍工兵團水利工程處開發)
平均模擬網格大小:50m*50m
曼寧粗糙係數:0.03~0.05 (手冊建議值)
設計潰壩類型:溢頂破壞


表1 模擬情境編號與說明
模擬情境編號 天然壩高(m) 潰壩延時(hr)
1 50 0.5
2 50 1
3 50 3
4 50 6
5 40 1
6 30 1
7 20 1
8 10 1

HEC-RAS模式參數設置介面
圖7 HEC-RAS模式參數設置介面
模擬成果
(1) 不同壩高情境之上游迴水影響範圍與堰塞湖水位-面積-體積關係曲線
透過圖8可以很明顯地比對在不同迴水高度情況下,造成上游溢淹的範圍,若上游有保全對象,可提供其不同壩高之災害影響範圍,而在圖9顯示不同壩高的蓄水體積與影響範圍之面積。

不同迴水高度之上游影響範圍
圖8 不同迴水高度之上游影響範圍

堰塞湖水位-面積-體積關係曲線
圖9 堰塞湖水位-面積-體積關係曲線


(2) 不同壩高情境之潰壩影響範圍圖
透過不同的壩高情境,推估其洪水影響範圍,提供不同情境之警戒範圍與緊急處理工程挖降效益。從圖9所示,在壩高10公尺時,其洪水影響到第一個聚落前;當壩高20公尺時,其洪水影響在第一與第二個聚落之間;而當壩高30以及40公尺時,洪水影響範圍於第二與第三聚落之間;在壩高50公尺時,其洪水範圍影響達到第三個聚落。
不同壩高情境之潰壩影響範
圖10 不同壩高情境之潰壩影響範圍


(3) 潰壩洪水時間推估與水深、流速變化
圖11 壩高50m潰壩延時0.5小時,潰壩後至三個保全對象聚落之時間推估與水深變化情形

圖12 壩高50m潰壩延時0.5小時,潰壩後至三個保全對象聚落之時間推估與流速變化情形

更多應用成果可至:https://tech.swcb.gov.tw/Results/ResultsPaper
  • 註1:http://www.sabopc.or.jp/images/library/images/web0107-03.jpg
  • 註2:堰塞湖引致災害防治對策之研究(2004)。水利規劃試驗所
  • 註3:日本國土地理院電子國土系統
  • 註4:日本國土交通省砂防部災害調查速報


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