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，本署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。
圖1 堰塞湖災害示意圖註1
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。
圖4 大規模崩塌前後期衛星影像註3
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
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
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
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
模擬基礎資料說明
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
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 |
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。
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。
圖8 不同迴水高度之上游影響範圍
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。
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。
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：論文發表觀看
- 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
