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:::水源專欄

水力排砂概述-2016/04/26

  臺灣地區山高坡陡,河短流急又地質條件欠佳,山區地質鬆軟,近年每逢颱風暴雨來襲,坡地往往產生大量沖蝕崩塌,進而流入水庫集水區導致水庫嚴重淤積,影響供水功能。為此,在有限水資源條件下,欲滿足現況及因應未來用水持續成長情境,除須持續開發可利用水源外,現有水庫功能之維持也同等重要,因此如何使水庫能永續利用成為一關鍵課題。現有水庫防淤工作以多元方案為水庫延壽,而水力排砂為經濟可行方案之一。
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  水力排係利用水流自身的力量,將當次洪水或前期淤排出庫外的手段。故水力排的優勢為不需要考量淤的後續處置措施,以及將原本上游的土回歸至下游河道。水力排砂可藉由水庫操作方式(空庫排砂洩降排砂、洩洪排、異重流排、渾水水庫)以及工程方法(水壓吸引排、前後庫排及繞庫排)來達成目的,以下概述各水力排砂方式:

 1.空庫排砂:為洩空水庫後,繼續以上游逕流(基流或小洪水)利用底孔進行較長期間沖刷淤泥之一種水力排砂方式。其基本應用條件也需具備上述水力排砂之基本條件,但底孔洩流能力可以較低,尤其對峽谷水庫較為有效。然而空庫排砂的操作前提,必須維持一段空庫的時段,勢必對水庫供水功能有所影響,故並非每一個水庫都可以適用。

 2.洩降排砂:為在不完全性的降低水庫水位情況下洩流,其體底孔打開時,洞口附近會造成局部沖刷力量,來攪揚水庫內淤積土,其與空庫排砂相同處為同樣利用體底孔來沖刷淤。然因洩降排砂操作過程屬於孔口流狀態,其有效沖刷範圍僅侷限於底孔附近,但許多水庫之底孔附近往往配置重要的進水口,故洩降排砂仍可作為維護進水口正常操作的主要對策。洩降排砂有時可視為洩洪或空庫排砂之前奏階段。

 3.洩洪排:為在洪水時段,開啟洩流設施洩放水庫儲水以降低水位,使來洪在沒有壅水之情況下,維持較高流速,將所挾帶之泥,穿過水庫,排入下游河道。其基本應用條件必須有充分洩流能力之底孔與適當水庫地形相配合。

 4.異重流排:為利用洩流底孔將潛流至大前之高含砂量渾水排出水庫之一種清淤方式。若渾水含砂量愈大、流速愈小、水深愈大,便愈容易形成異重流,而異重流形成尚需有源源不斷之渾水補充,而入庫渾水一旦停止,則庫內異重流很快停止運移,而形成渾水潭。又異重流並非每次洪水均會發生,因此只能排出部份洪水之來,應視為一輔助性之清淤方式,無法僅依靠此一排方式來維持長期有效庫容。

 5.渾水潭排:到達前的異重流,若不能全部排出庫外,結果在清水下面滯蓄形成渾水潭。渾水潭內的泥沉澱很慢,有相當長的時間保持較高的含濃度。因渾水係由懸移載所形成不易沉降,此時將混濁之庫水排出,可提高排效率,降低渾水於前淤積。

 6.水壓吸引排:本方法主要是改良自傳統機械浚渫方法中的虹吸抽泥,該法大多應用於水深足夠的前淤排除,其適用之粒徑為0.2mm以下之沖瀉載,其系統區可分成「吸引部」、「管道部」與「出口部」三個部分,其出口直接排放至下游河道而非沉澱池,目前國際多稱呼此法為HSRS(Hydrosuction Sediment-Removal Systems),而美國另採用SEPS(Sediment Evacuation Pipeline System)之稱呼,以與原始的虹吸抽泥工法形成區隔。本工法的排效率高,排濃度可高達10萬~20萬ppm,且可直接排放到下游河道,其整體費用相較於機械清淤便宜,且處理部分為無法作為骨材的微細粒料,對於水源運用較為吃緊的水庫,不啻是一種可嘗試的排對策,故目前有許多國家已開始進行研發與應用,並逐步應用在水庫的淤清除作業,目前水壓吸引排分成三大類型,分別為「移動式」、「固定式」與「中間形式」。

 7.前後庫排:前後庫排為在水庫庫區上游適當地點設置一分洪(前),此分洪上游蓄水區域稱為前庫,而下游與此前間之庫區則為後庫,另於前上游附近設置排隧道,隧道出口端則位於主下游處,於汛期或高濁度颱洪期間進行前庫空庫型態之排操作,將高濁度渾水藉由排隧道直接排入水庫下游河道,避免造成高濁度渾水於庫區淤積,有助於長期維持水庫庫容。惟前位處水庫淹沒區域,進行前庫空庫排砂時,需先維持後庫水位低於前庫滿水位之低水位操作,此將減少水庫水庫容,對供水能力亦有相當程度之影響。

 8.繞庫排水庫上游興建分洪及排隧道至水庫下游端,如此可將部份推移質及懸浮質經由此排隧道,“繞道”至水庫下游,此方式之排比取決於排道之設計流量,當入庫流量大於排道的排洪能力時,部分挾帶泥洪水仍會流入水庫而造成水庫的淤積。

  水庫防淤工作由於受到各種相關條件之限制,需要考量水庫構造、地形、水文、淤特性、臨前水位等不同條件,往往以數種不同清淤方式組合實施以達到最佳清淤效果,而如何因地制宜來配置排設備,考驗著工程人員的智慧。

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  • 水庫土砂綜合管理中的水力排砂策略
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