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洪水與土石流:水文循環與洪水
森林被砍伐、地表覆蓋不透水鋪面、與河川爭地,種種都市化的結果,使得水源涵養能力下降;工業化產生了大量的溫室氣體,改變了全球的氣候,這些因素都使洪水的規模與頻率與日俱增。
 
 
 
水在大氣、海洋與陸地三大系統之間,以不同的形式移動,使得三大系統中的水維持平衡。其中水從大氣以降水形式落至大地後,經由截流、窪蓄、蒸發散、入滲、滲漏,然後產生地表逕流,匯集至河川而流入大海,最後又經由蒸發返回大氣,形成水文循環。

在陸地上,從降雨到產生逕流過程的水文現象,即一般所謂的降雨—逕流關係。水利工程師嘗試利用數學方法建立降雨—逕流模式,以模擬洪水過程。在降雨—逕流關係中,每一個水文現象均與逕流發生的行為有關。簡單地說,水文循環現象即為產生洪水的基本機制,當流域水文循環系統產生超量逕流,使河川無法容納其流量時,即漫淹河川兩岸形成洪水。

水文循環與水平衡方程式

海洋與陸地水體,因接受太陽的熱能而氣化到大氣,此一過程稱為蒸發;另外,陸地上土壤與植物所含的水分也會氣化到大氣,則稱為蒸散。這些經蒸發或蒸散作用(統稱為蒸發散)的水氣,被大氣環流傳送到大氣上層,凝結成液態(水滴)或固態(冰晶)而形成雲。在適當條件下,大氣中的水氣會冷卻降落成為降水。在降水過程中,部分水滴或冰晶在降落途中,會再度蒸發成水氣,只有顆粒較大的水滴或冰晶有機會落到地面而形成降水。

部分降水直接落在植物葉面、樹幹上而未能降落到地面的,稱為截留。降落到地面的降水,部分又為土壤所吸收而入滲於地下,蓄存在地表下的土壤水,部分繼續滲漏而形成地下水。超過土壤入滲量的雨水形成地表逕流,沿著地表坡度向低處流動,填滿地面低窪處的窪蓄後,繼續向低處匯集形成河川逕流,最後再流入大海中,繼續蒸發為水氣,重新開始水的循環。

當考慮一流域系統的水文循環時,降水就是此系統的輸入量。截留、窪蓄、入滲與地下水是此系統的儲存量,蒸發散量與流出量是系統的輸出量。在一流域內輸入量應等於儲存量與輸出量的和,水平衡方程式可表示為:

輸入量(降雨量) = 儲存量(截留、窪蓄、入滲與地下水)+ 輸出量(蒸發散量與流出量)

一般洪水模擬與很多水文模式,均依據此一水平衡方程式來設計。此方程式雖然簡單,水文學家已歷經長久努力,從觀測到建立數學模式,以計算其中每一項目,但仍很難做到精確的估算。主要原因之一是:影響水文現象的降雨、地貌、地文、地表覆蓋或土壤地質等因子,均有顯著的空間變化特性,人類在流域進行有限的點觀測所得資料,無法精確掌握空間變化特性。近年來衛星遙測技術的發展日趨成熟,能夠提供較完整的空間資訊,水文學家未來或有可能較為精確地使用水平衡方程式。

洪水是如何形成的

從水平衡方程式來看,發生洪水有兩種可能。第一種是水平衡方程式中的輸入量(即降雨量)太大所引發,可稱為自然氣候條件造成的洪水。當自然流域地貌與地文特性未受干擾,其截留、窪蓄、入滲、蒸發散與地下水的特性保持不變,即該流域的水平衡方程式中,儲存量大致上維持固定時,如果發生超量降雨,依據水平衡方程式,流域即會有大量的流出量,而形成洪水。

近數十年來,由於工業發達、物質生活提升,使得二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物等造成溫室效應的氣體明顯增加,導致現今全球氣溫有上升的趨勢,進而影響降雨的型態。據聯合國跨政府氣候變遷研究小組二○○一年二月提出的研究報告指出,未來氣候暖化對亞洲國家的傷害將特別大,土地將更為乾燥,颱風、乾旱、洪水等極端氣候型態發生機率增加且程度增強。

當然,全球氣候變遷與區域之間的關係,仍需進一步研究與確認,但臺灣在幾年前,北部納莉風災、南部譚美風災及中部桃芝風災,都在各地形成百年難見的災難性降雨。此外,世界各地同時均有異常洪水災害的發生。

該研究小組在同一期的研究報告中也指出,英國泰晤士河與塞文河到二○五○年,因氣候變化因素,二到五十年重現期距洪水量大約增加10~20%。其他地區如希臘中部Ascheloos流域、北歐與孟加拉共和國的氣候變化,未來對這些地區洪水的發生時間、延時或頻率等特性均有所影響。

發生洪水的第二種可能原因是水平衡方程式中的儲存量減少(即河川流域的水源涵養能力降低)所導致,在相同輸入量下,因儲存量減少而增加流域流出輸出量,這是人為活動所造成的洪水。

當人類活動干擾自然流域地貌與地文的特性時,比如流域土地利用改變與都市化後,可能改變流域截留、窪蓄、入滲與地下水的特性,使流域水文循環的儲存量(即水源涵養能力)減少,於是在相同的降雨條件下,因水平衡方程式中儲存量減少,導致流域的流出量增大而形成洪水。臺灣近年來不論在流域大量種植茶、檳榔、高山蔬菜等經濟作物,以及都市化後建築物與不透水面積的持續增加,均已明顯影響流域截留、窪蓄與入滲等特性,減少了對降雨的儲存量,致使流出量增加。

降水與洪災

水文循環中降水可能與洪水災害具有最直接的關係,降雨的特性包括降雨總量(或降雨強度)、降雨範圍(面積)、降雨延時與降雨規模(發生頻率)等。不幸的是,降雨的發生是那麼捉摸不定,年與年之間的降雨關係具有明顯隨機變動的特性。就以高雄市50年來年最大一日降雨量為例,我們很難從紀錄圖中找出規則性,以預測明年最大單日降雨量是多少。

目前普遍的處理方法是,利用觀測雨量紀錄,經由統計分析模型,來推論某一出現機率的降雨,做為設計暴雨的參考。比如重現期距為一百年的降雨,又稱為百年一遇降雨,即長期平均而言,每一百年會發生一次的降雨,但它不意味發生一百年降雨之後,不會馬上再發生同一規模的降雨,在統計上的解釋是,每年大於或等於此一降雨的機率是百分之一。

從統計觀點而言,一百年降雨的估計值本身為一隨機值,同時具有一個描述此隨機值變動特性的變異數,它可能遵循著某一統計分布。工程上我們採用一百年降雨的估計值只是該統計分布在大於或等於1%機率的平均值,它有時候會比平均值大,也有可能比平均值小,假如利用其變異數做進一步的分析,就可以估算出在某一信賴水準區間的結果,以提供工程設計較多的資訊。

用統計方法來分析、設計暴雨的基本假設條件是,未來降雨的統計特性與歷史觀測雨量紀錄的統計特性相似,但假如未來年最大降雨具有明顯的上升或下降的變動趨勢時,傳統工程統計分析方法就必須加以修正。

窪蓄與洪災

窪蓄是流域儲存逕流的現象。低窪地區、農田、洪水平原、及河岸、陸地與下游的河口濕地等,都是自然界提供水文循環中窪蓄現象的空間,在上游興建水庫則是人工創造的大範圍窪蓄,具有攔蓄洪水的功能。當降雨發生時,低窪地、洪水平原與濕地具有蓄存部分洪水體積的功能,可以減少洪水對下游地區可能造成的災害,由此可見低窪地與洪水平原,本身就是洪水期間容易淹水的區域。

當人口增加,經濟文明發達,對土地需求日益迫切時,人類開始開發原為洪水停留空間的低窪地與洪水平原。與水爭地的結果,使人類面臨更多洪水威脅,投入更多的防洪經費,崗山嘉興里、臺南科學園區與基隆河汐止地區都是明顯的例子。從水平衡方程式而言,增加流域的窪蓄能力應有減少洪水的效果,比如規劃洪水平原低窪地為蓄滯洪區、濕地維護或復育與利用休耕農地作為蓄洪池,都是非工程減洪的措施。其中河岸、陸地與河口溼地除提供生態活動空間外,在滯洪與蓄洪上也有一定的效果。

入滲現象與洪災

入滲是流域中土壤吸收部分的降雨而蓄存在土壤中,具有減少與延遲逕流形成的功能。因此如能設法讓更多的雨量入滲,為地面所吸收,理論上可減少逕流體積。通常經由正確的土地經營,對中、小規模的降雨可以收到一定的成效,包括廣泛造林,改善農藝方法與加強水土保持。然而當特大暴雨發生時,再好的土地經營,也可能無法防止洪水的發生。

森林是水文循環的重要一環,深植於土壤中的植物根部,將深層土壤的水分抽至莖葉,再蒸發散至大氣中;科學家研究發現,砍伐森林之後,蒸散量減少,而逕流量增加,亦即土地涵養水分的功能減少了。

都市化造成新的水文環境,人工鋪面如瀝青和混凝土取代自然植被,建築物取代了樹木,雨水下水道取代了自然水域的河川,這些土地利用性質的改變,造成不透水面積增加及排水管網密集,改變了降雨-逕流的水文過程,以致產生下述兩種變化。

水文循環過程的變化

天然流域地表具有良好的透水性,雨水降落地面之後,一部分下滲到地下補給地下水,一部分涵養在地下水位以上的土壤孔隙內,一部分窪蓄和蒸發,其餘部分則產生地表逕流。據北美洲安大略環境部資料顯示,都市化前,天然流域的蒸發量占降水量的40%,地表逕流部分占10%,入滲地下水量占50%。

然而都市化後,由於人類活動的影響,天然流域被開發,植被受破壞,土地利用狀況改變,自然景觀受到大幅度的改造,不透水地面大量增加,使城市的水文循環狀況發生了變化,降水滲入地下的部分減少,產生地面逕流的部分增加。隨著城市化的發展,不透水面積的百分比愈大,其儲存水量愈小,地面逕流則愈大。由統計資料顯示,都市化前後,逕流量可由10%增加到43%。

河流水文性質的變化

都市化的結果造成入滲量、蒸發量減少,增加了有效雨量,使地表逕流增加。同時在都市化的過程中,對天然河道進行整治與疏浚,道路兩側設置邊溝,雨水下水道系統的興建,在在都增加了河道的水力學效應,雨水迅速變為逕流,使河流流量增大,集流時間加快,逕流過程所需的時間縮短。所以當地區都市化後,必然使得該區域洪水逕流增加,洪峰出現時間提前。

維持水文循環的平衡

近年來自然氣候變遷與人為土地開發,對水文循環系統的平衡已造成顯著影響,尤其人類活動行為所造成的衝擊,已長期違反水文循環的自然平衡。例如砍伐森林與都市化的結果,造成水文平衡方程式中的儲存量減少,河川流域的水源涵養能力降低,使水土災害程度日益嚴重。為減少洪水與相關災害所帶來的損失,人類在發展大地活動過程中,應顧及水文循環的平衡,任一水文過程受到干擾,均可能影響水文循環系統的平衡,進而改變洪水發生的模式。
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