全 文 ：28 卷第 3期
2006年 5 月
资　源　科　学
RESOURCES SCIENCE
Vol.28 , No.3
May , 2006
文章编号:1007-7588(2006)03-0178-08
收稿日期:2006-02-15;修订日期:2006-03-06
作者简介:林信辉(1950～ ),台湾台中人 ,博士 , 教授 ,主要研究领域为植生工程 、生态工法。
通讯作者:蔡志伟 , E-mail:zhiwei@green.nchu.edu.tw
丁子兰坑溪水域栖地改善之研究
林信辉 , 蔡志伟 , 林鉴澄
(中兴大学水土保持学系 ,台湾 台中　402)
　　摘　要:本文以台北县双溪乡丁子兰坑溪亲水桥上下游约 300 公尺河段为栖地改善研究地点。 为期改善高落
差固床工与保护基脚破坏之护岸 ,藉由参考国内外相关设计案例 ,并会同现地管理单位及专家学者参与讨论 ,经过
数度修正与配合水理分析及渠槽试验 ,设计完成拱型组合式落差工与拱型连续式固床工等缓坡化设施 , 以达到防
灾减灾功效并兼顾河溪之生态环境 ,不因高落差人工构造物阻隔生物与能量的流通 , 维持溪流生态系之平衡。这
些设计构想与成果并结合计算机仿真技术加以具体呈现 , 以利工程施工并可提供相关整治工程规划设计之参考。
　　关键词:栖地改善;水理分析;渠槽试验;计算机仿真
图1　丁子兰坑溪集水区全区位置
Fig.1　Location of Ding-Zi-Lan-Keng Creek watershed area
1　前言
河溪生态环境为一复杂的生态系 ,由于栖地环
境 、人为构造物以及栖息生物交互影响 ,单一化的环
境改善措施可能产生不同的直接或间接的环境效
应。台湾早期河溪治理经常使用混凝土化之防灾工
程 ,目的在拦阻或调节河床砂石 、减缓河床坡度防止
纵横向冲蚀 、控制流心 、抑制乱流等 ,然而 ,环境纵横
向连续性却由于高耸坝体与坡面之阻隔而受到干
扰 ,造成生态廊道连续性的破裂 ,可能造成物种间交
流的截断 ,甚至形成近亲繁殖 、物种劣化及种量减少
等问题 ,对自然生态环境之影响甚巨。
固床工与护岸设计乃为栖地环境改善的方法之
一。固床工设计目的在于抑制河床面泥砂
的输移 ,防止河床产生严重冲刷现象 ,缓和
河床面及两岸的流速 ,具有整流 、导流 、减
缓冲刷 、调整河床坡度等功能 ,维护河床稳
定;而护岸之设置 ,目的在保护河岸及稳定
坡脚 ,维护河岸周边设施之稳定及安全。
本研究考虑水生物上溯迁徙与栖地环境营
造 ,因此设计拱型组合式落差工与拱型连
续式固床工之缓坡化设施 ,可直接提供水
生物(特别是鱼类)于河溪栖息繁衍的纵向
廊道 ,但相对地亦将间接改变现有河溪流
况 、地形与部分的底床结构 ,使栖地环境再
次顺应调整;其次 ,在护岸方面利用砌石设
计 ,可防止河岸坡面受渗流水侵入后产生
管涌淘空破坏 ,且砌石之缝隙可提供动植物栖息之
用 ,可使护岸表面具有自然的景观。但河溪环境与
物种之复杂性 ,使环境改善设计结果存在多样化的
变量 , 因此本研究搜集相关学理研究 ,利用 HEC-
RAS 进行水理分析 ,并且进行室内渠槽模拟试验 ,以
验证并修正栖地改善设计之缺失 ,避免设计不良产
生构造物损坏及工程预算之浪费 ,而设计成果并结
合计算机仿真技术加以具体呈现 ,以利工程施工并
可作为相关整治工程之参考 。
2　试区概述
2.1　丁子兰坑溪集水区概述
丁子兰溪集水区(图 1)位在台北县双溪乡鱼行
村 ,亦属于双溪流域主要支流之一 ,面积1 035hm2 ,
主河道长 6.7km ,河道平均坡度约 6%。本研究栖地
改善河段居于本集水区之中上游区段 ,其自然生态
资源极丰富 ,具有生态游憩 、生态体验与生态教育多
重功能价值 ,为北部生态工法示范集水区之一 。
2.2　设计范围环境现况
丁子兰坑溪因受纳坦等台风豪雨强大水势先后
侵袭淘刷 ,造成原有护岸损坏 、溪床淤积 、冲刷及固
床工下游刷深 ,阻断水域生物洄游并影响护岸 、固床
工之安全稳定等问题 ,为落实防灾安全 、生物多样性
保育与环境美化 ,与行政院农业委员会水土保持局
合作 ,于亲水桥上游河道设计完成 5座拱型固床工
与混凝土砌石护岸 ,下游设计改善现有三明治式护
岸 、新设没入式丁坝与拱型组合式落差工(图 2)。
图 2　丁子兰坑溪栖地改善设计范围
Fig.2　Habitat rehabilitation area of Ding-Zi-Lan-Keng Creek
3　规划设计原则与构想
本栖地改善重点主要藉由连续式拱型固床工之
缓坡化设计方式 ,改善现有固床工下游淘刷产生高
落差(高差约 2m)对水栖生物产生的影响 ,尤其是鱼
类所造成之阻隔进行改善 , 以恢复河段纵向之生态
连续性 ,其次 ,在固床工表面植块石以营造整体环境
调和性 、固床工下游面抛石以减缓河床坡度并增加
水际环境之多样化。其它周边环境方面 ,新设砌石
护岸以保护河岸 、稳定坡脚 ,并可营造多孔性栖地环
境;新设丁坝用以挂淤 、造滩 、挑流与保护河岸受水
流侵袭;现有三明治式护岸将基础台部分凿除 ,利用
面贴块石方式改善景观并可增加部份水际空间。以
下针对详细设计原则与构想说明:
3.1　整体集水区规划设计考量
本区域自然生态资源及环境景观条件极佳 ,但
受台风豪雨强大水势侵袭淘刷 ,造成护岸损坏 、溪床
淤积 、冲刷及固床工下游刷深等问题 ,为免因施工造
成严重干扰破坏 ,规划设计即以集水区生态资源 、人
文景观及土砂灾害为考量 ,依其立地条件特性进行
栖地改善规划设计。
3.1.1　亲水桥上游
(1)右岸遭洪水掏空原始护岸底部 ,为免冲刷侵
蚀情形持续严重 ,因此设计新建以混凝土为基础之
砌石护岸(图 3),作为挡土墙抵挡河岸坡面后方之
土压力 ,且砌石之缝隙可提供动植物栖息之用 ,以达
成防灾并营造生态环境与多自然景观为目标。
图 3　新设砌石护岸详图
Fig.3　Detail of mortar rockery revetment
(2)在亲水桥上游现有砌石护岸附近 ,河床冲刷
严重 ,且部分砌石护岸基脚遭受掏刷破坏 ,为维持溪
床与护岸之安定 ,因此构思设计 5座间距约 15m ～
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图 7　现有三明治式护岸基础台改善
Fig.7　Detail of arch-type continuous grade control measures
20m拱型连续式固床工 ,固床工以坡度 S≒3.5%之
缓坡设计 ,并在固床工表面设计复式断面开口 ,且在
下游面抛石 ,以维持高低流量之河溪流向 ,并可利于
生物之迁徙移动 ,而在固床工表面植砌石以营造多
自然景观(图 4 ～图 6)。
图 4　连续式固床工配置
Fig.4　Layout of continuous grade control measures
图5　拱型连续式固床工剖面
Fig.5　Cross-section of arch-type continuous grade control measures
图 6　拱型连续式固床工开口立面详图
Fig.6　Elevation of opening on top of arch-type
continuous grade control measures
3.1.2　亲水桥附近 　有鉴于三明治护岸混凝土化
之基脚 ,影响视觉景观调和性 ,因此构思设计混凝土
面嵌块石方式 ,以调和整体景观视觉之调和性 ,并可
营造水际孔隙 ,提供水生物栖息繁衍场所(图 7)。
3.1.3　亲水桥下游
(1)拱型组合式落差工乃参考德国与日本现有
成功案例而构思设计。为期改善现有固床工下游面
因受台风豪雨掏刷而产生约 2m 之落差 ,以维护纵
向廊道之连续性 ,避免生物(特别是鱼类)之上溯迁
徙问题 ,因此在原有固床工设计 2处开口宽 30cm深
30cm与中间 2处宽 30cm 深 40cm之导水流路 ,以导
引低水流量之流心 , 并在拱型落差工下游利用拱型
块石堆砌方式以营造深潭 ,这样可以维持低水流量
之水深 ,提供水生物栖息场所(图 8)。
(2)鱼类之冲刺力 、攀爬力与跳跃能力或由于影
响之环境条件复杂 ,尚未有较明确研究成果 ,一般认
为以体长之 10 倍为其跳跃之能力极限 ,可作为水
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图 9　新设丁坝详图
Fig.9　Detail of wing def lector structures
位落差高度设计之参考 ,因此 ,本研究落差工采取较
低标准设计约 70cm ,可提供一般鱼类上溯条件 。
　　(3)在拱型组合式落差工下游设计 4座丁坝(图
9),藉以改变水流流向 ,避免直接攻击河岸 ,减低洪水
侵袭所带来的损坏 ,并可达到挂淤与造滩等功能。
3.2　水理分析
本计划以 HEC-RAS 软件进行水理分析 , HEC-
RAS已普遍地使用于模拟天然河川或人工河道之水
面剖线(包含亚临界流 、超临界流及混合流)。此程
序只要输入河流的几何数据(包含了河道绘制 、断面
数据 、桥墩 、溢流口等)及定量流边界数据 ,即可仿真
出横断面图 、水位剖面图 、率定曲线 、水位图 、三维透
视图 、横断面数据表及剖面数据表等 ,软件使用及图
形展示均极便利 。
HEC-RAS的运算 ,架构于藉由上一断面推求出
下一断面的「标准步推法」,并利用能量方程式解之 。
而在边界条件方面 ,当流况为亚临界流时 ,给定下游
之边界条件;当流况为超临界流时 ,给定上游之边界
条件 。边界条件可以是已知水深 、临界水深 、正常水
深或是一组流量-高程之率定曲线 。能量方程式表
示如下:
WS2 +α2 V2
2
2g
=WS1 +α1 V1
2
2g
+he (1)
式中:WS1 ,WS2 为相临断面之水位高;V1 , V2 为相
临断面之平均流速;α1 , α2 为相临断面之能量系数;
g 为重力加速度;he 为能量损失。
　　两断面间的能量损失 he ,由「摩擦损失」及「收
缩 、扩张损失」所组成 ,由下式表示:
he =L S f +C α2 V2
2
2g
-α1 V1
2
2g
(2)
式中:L 为两断面间的流量权重长度; S f 为两断面
间的代表性摩擦坡度;C为收缩或扩张损失系数。
又 L 是由下式决定:
L =Llob Qlob +Lch Qch +Lrob Qrob Qlob + Qch + Qrob (3)
式中:Llob , Lch , Lrob为两断面间左岸 、主河道和右岸
之距离; Qlob , Qch , Qrob为两断面间左岸 、主河道和右
岸之流量平均数。
另外 ,输水容量 K的计算 ,细分为左岸 、主河道
和右岸三大部分加以计算 ,将此 3部分相加可得总
输水容量K(total)如下:
K = 1
n
AR
2 3 (4)
式中:K 为各部分之输水容量;n 为各部分之
曼宁粗糙系数;A为各部分之水流面积;R 为
各部分之水力半径 。
本水理计算采用HEC-RAS 3.1.2模式进
行水理计算 , 50 年频率洪水量采用 156
(cms),该流量系引用「野溪水理演算模式之
建立与验证(第二年)」研究成果 ,采用 Normal
depth 边界条件 ,断面采用现场实际测量资
料 ,由拱型连续式固床工上游 0K+000处至
拱型组合式落差工下游 0K+600为终点。
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3.2.1　拱型连续式固床工水理演算　新设连续固
床工位于亲水桥上游 ,共计 5座。因HEC-RAS为一
维水理计算模式 ,无法仿真二 、三维流场 ,故拱型连
续固床工 ,以直线型宽顶堰替代近似 ,将固床工断面
代入HEC-RAS计算出水面线如图 10所示 ,由图 10
知固床工的设置使得水位提高 ,且由于连续设置故
水位被依次抬高(上方蓝线), HEC-RAS 模拟结果合
乎水理计算结果 ,与原水面线比较水位平均抬高约
2m ,表 1为新设连续式固床工之水理计算表。
表 1　拱型连续式固床工水理计算表
Table 1　Hydraulic routing of arch-type continuous
grade control measures
位置 流量(m3 s) 水位高程(m) 最大堰上水深(m)
新设固床工 A 156.00 118.34 3.48
新设固床工 B 156.00 117.69 3.45
新设固床工 C 156.00 117.18 3.60
新设固床工 D 156.00 116.74 3.82
新设固床工 E 156.00 116.21 3.98
3.2.2　拱型组合式落差工水理演算　拱型组合式
落差工其设计系采用混凝土砌石方式设计 , 但因
HEC-RAS模式为一维水理模式 ,故采用近似直线型
的落差工 ,才能模拟其行为;拱型落差工后方深潭亦
加入断面模拟之 ,不足断面采用每 0.1m 内插断面
进行计算 。拱型组合式落差工断面 3D立体图如图
11所示。
经演算得到原始断面与拱型组合式落差工水面
剖面线如图 12 所示 ,由图 12知临近原有固床工下
游发生水跃 ,于每座拱型砌石固床工附近水位下降
至下一深潭 ,于深潭水位再上升 ,如此循环 。另于下
游向上游数第二拱型砌石固床工水位上升情况较其
它拱型砌石固床工为大 ,故其回水影响其上游 ,其原
因为最下游拱型砌石固床工附近为一渐扩断面 ,其
单位宽度流量变小 ,其流况为亚临界流 ,故水位抬高
较明显 。绘出拱型砌石固床工之水位 、临界水深 、能
量线如图13 ,由图13知能量损失最大处发生于原固
床工下游 ,其它落差工之消能状况差不多 ,除图中圈
选处之能量损失较小 ,其原因为其为渐扩段水位抬
高影响上游 ,该落差工附近均为亚临界流况 。以上
水理计算结果仅供参考 ,实际设计之落差工为一拱
型 ,具有将水流导向流心的功能 ,阶段性的设计可逐
步消能 ,避免消能过速造成深潭的剧烈冲刷 ,使得落
差工产生不稳定之状况 。
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3.3　渠槽试验
　　水工模型制作时必须详细考虑几何相似
(geometric similarity)、运动相似(kinematic similarity)
与动力相似(dynamic similarity)等条件 ,以建立模型
与原型之比尺关系 ,作为模型设计制作之基础 。由
于天然河川之河道宽度远大于水深 ,而有限的试验
场地及经费 ,无法无限扩大模型尺度 ,所以本研究采
用不等比模型 ,模型水深以大于1.5cm设计 ,避免造
成水深过浅 ,且模型雷诺数大于1 000 ～ 2 000 ,以避
免形成层流。
图14为利用 5年洪水频率之半动床渠槽试验
结果 ,结果显示在拱型连续式固床工与拱型组合式
落差工皆产生溪床左岸土石淘刷及右岸土石淤积之
情形;图 15为 5年洪水频率局部动床之渠槽试验结
果 ,也是呈现溪床左岸土石淘刷及右岸土石淤积之
情形 ,但是 ,在原有固床工下游第一座新设固床工之
上游面 ,溪床呈现严重刷深 ,且冲刷深度超过设计基
础之高程(102m),工程设计产生未预期之缺陷 。
4　栖地改善设计修正
经渠槽试验结果发现 ,拱型组合式落差工之设
计具有缺失 ,在 5年洪水频率下 ,第一座新设固床工
将产生超过原设计高程之冲刷深度 ,因此本研究人
员再度会同专家学者进行讨论 ,决议在新设固床工
第1 、3 、5座固床工之基础加深 1m ,以维护构造物之
安定性 ,避免设计不当产生之工程损失与灾害 。
在拱型连续式固床工方面 ,50年洪水频率之水
理分析结果显示溪床水位将上升约 2m ,为避免水位
过度涌高产生越堤 ,因此将原设计之 5座固床工修
改为 3座固床工 ,以减少水位涌高并可降低工程经
费。
5　栖地改善工法模拟
栖地改善之设计因涉及原构造物安定分析 、河
溪水理特性以及景观游憩 、生态复育机能等考量 ,经
由设计图判视较难表达设计者所要诠释的理念 ,因
此 ,利用模拟示意方式可帮助施工单位了解改善设
计工程的全貌。
模拟主要目的在使设计者的构想或欲传达的观
点 ,能使观看者理解 、认知与信任 ,且尽可能无偏差
表达欲呈现的实际状况 。仿真一般以视觉为主 ,视
觉仿真乃对环境 、对象或设计做成真实或创造出照
片 、影像或模型 。
视觉景观仿真可分成静态仿真与动态仿真。静
图 15　拱型组合式落差工 5年局部
动床之试验结果
Fig.15　Partial movable bed modeling in 5-year s flood frequency
of arch-type combination grade control measures
态仿真乃使用合成技术修改或套迭照片 ,或是使用
3D软件进行影像建构 ,而这些模拟方法可以利用
Photoshop或 3ds max 等软件绘制呈现;动态仿真则
是利用计算机动画技术或是摄影方式呈现 。
本研究主要利用AutoCAD软件先行制作栖地改
善设计图 ,然后汇入3ds max 软件进行 3D立体模型
之制作 ,之后利用其内建模块进行构造物表面材质
建构 、地形延伸与灯光架设等动作 ,完成如图 16 ～
图 18之3D模拟示意图。
6　设计与模拟成果讨论
生态栖地营造各国也都在不断的试验 ,欲从错
误或成功案例中累积经验 ,以达到栖地改善实效;然
而自然环境差异与鱼类习性的不同 ,在缓坡化之鱼
类通道设计存在若干不定性 ,因此 ,建立具本土环境
特性的环境数据库以及持续鱼类习性研究与成果的
推广 ,是提升栖地改善设计品质与成效的重要工作 ,
可在复杂的与影响因素间权衡可行之道 ,是一种可
贵的学习经验与成长历程。
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以下针对本研究提出 5点成果讨论:
(1)拱型连续固床工与拱型组合式落差工之设
计 ,可营造景观视觉调和并顾及生态考量 ,是值得学
习与发扬的。
(2)拱型组合式落差工设计为国内栖地改善设
计先创 ,于河溪栖地改善设计之可行性与生态栖地
营造之成效 ,有待施工完成之后续监测工作进行验
证。
(3)景观视觉仿真是提供整体工程理念极佳的
表现方式 ,未来可应用于工程设计复杂的案例上。
(4)水理仿真演算有助于了解跨河构造物对于
水理特性(特别是水位 、水跃等)造成的影响 ,其演算
成果可反映工程规划设计上的一些瑕疵 ,而其演算
结果应回馈给设计者参考 ,可在工程施工前改正设
计上的缺失 ,以避免灾害发生与工程预算的浪费。
(5)生态工法的推动 ,是需要多方面的尝试 、验
证与后续监测以求得适地适用达到防灾并兼顾生态
的功效。
参考文献　(References):
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Conservation Bureau Council of Agriculture ,2003.97～ 101.]
184 资　源　科　学 28卷第 3 期
Investigations on the Enhancement of Aquatic Habitat
in Ding-Zi-Lan-Keng Creek
LIN Shin-hwei , TSAI Chih-wei , LIN Jiann-cherng
(Graduate Student , Department of Soi l and Water Conservation , National Chung Hsing University , Taichung 402 , Taiwan China)
Abstract:A river reach adjacent to the Cin-Shuei Bridge of Ding-Zi-Lan-Keng Creek in Shuang- Si
Township , Taipei County was selected as a spot of study.A distance of 300m extended from the Bridge
upstream and downstream was taken as a range of field survey and site exploration.Incorporating with a
systematic investigation on relevant case histories from worldwide and precisely hydraulic analyses and
channel experiment , this study intends to improve the current deficiencies of the river reach , namely , the
improper drop of groundsill and the over steep of revetment.To make the hydraulic structures function as
effective facilities for disaster prevention , this study develops an arch-shape -combinative drop work and
arch-shape-continuous groundsill to mitigate the steepness of river bed.Meanwhile , according to the field
observations , the aforementioned designs has effectively enhanced the ecological environment and restored
the balance of ecosystem.The conceptual design is also incorporated into the computer simulation
techniques to display the design concept more concretely.Eventually , the proposed design method can be
used as a reference example for engineering practice.
Key words:Habitat enhancement;Hydraulic analyses;Channel experiment;Computer simulation
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