從一張圖看懂石門水庫的改造大計

從一張圖看懂石門水庫的改造大計 (The Renovation Project of Shihmen Reservoir)
水利署顧問、前北區水資源局局長 李鐵民

艾利颱風敲響了石門水庫的警鐘

民國 88 年 921 大地震，在石門水庫上游部分山坡地已經儼然形成了深層滑動的潛藏裂隙因子。93 年 8 月艾利颱風，石門水庫遭逢 40 年來最強烈的暴雨洪水，於水庫集水區平均降雨量達 967mm，部分地區高達 1600mm，洪峰流量高達 8,594 CMS (Cubic Meter Per Second , $$m^3/s$$)，數十處大規模坡地深層滑動崩坍，暴雨沖蝕表土，還有山區道路上下邊坡坍塌嚴重，大量土石順著洪水湧入水庫，水庫土砂淤積量新增 2,788 萬 $$m^3$$，造成水庫總蓄水容量減少 9%，水庫庫容剩餘 73%。更甚者，水庫變成了渾水潭，原水濁度大幅增加至數萬 NTU，底層甚至超過 10 萬 NTU，遠遠超過下游自來水淨水場所能處理的 2,000 NTU 的上限。當然，淨水場全面關場，造成了桃園地區史無前例大規模停止供水，影響民生及經濟至巨。

淤積是水庫壽命的殺手，高濁度原水是自來水淨水場穩定出水的致命傷。一場艾利颱風給已經營運 40 年的石門水庫帶來警訊；水庫集水區水土保持發生了問題，水庫淤積越來越嚴重，每有暴雨洪水，原水濁度即急遽升高。為了要使石門水庫可持續的營運，非要採取非常的手段不可。所以，政府以特別條例及特別預算的特別措施，來大幅改造石門水庫。石門水庫及其集水區的整治主要包括三部分：

1. 上游：造林、水土保持、土地利用管理等
2. 中游：水庫大壩設施更新改善等
3. 下游：自來水淨水廠改善等

本文係就石門水庫本體之改造說明。石門水庫不能停止供水運轉，改造石門水庫要從何做起呢？我們可從一張艾利颱風後的水庫實際監測濁度變化圖（如圖一），瞭解問題的關鍵，從而對症下藥。

圖一 艾利颱風後石門水庫濁度變化圖。（水利署北區水資源局提供）

看懂水庫濁度變化代表的意義

從圖一先瞭解橫軸代表水庫濁度（turbidity, 單位：NTU）變化，縱軸為高程，標高 195 m 為水庫供水的取水口，它的位置相當低，水庫滿水位為 El.245 m。

   八月下旬發生艾利颱風，先看 9/1 濁度變化（如圖藍線），從水庫表面至 El.205 m，濁度僅約 100 NTU 相當低，但 205 m 以下濁度卻高達 10 萬 NTU，一直到 9/30（點線），El.205m 以上的濁度只有 10NTU，但底層仍然有 10 萬 NTU，一直到 10/8（黃線）才變清。這說明了水庫的高濃度泥砂在底層，上層水是較清的，泥砂濃度有分層的現象，我們即要針對洪水時入庫泥砂分層的特性，來設法排除高含砂水流，以減少水庫淤積，亦可避免渾水混攪，影響原水濁度。但石門水庫原設計並沒有底孔排砂設施，要如何改造呢？

   另外，由濁度變化亦可瞭解，既使較高層水是清水，卻苦於沒有高層的取水口可以取水，既有的取水口高程 195 m，是考量可取用水庫最大有效蓄水量來設計的，當年興建石門水庫並沒有分層取水的設計。

改造大計

   由前述可知石門水庫最急迫要解決的問題有二，一是底層高濃度含砂水流沒有足夠的底孔來排砂，另一是遭遇水庫高濁度渾水時，沒有較高層取水口來引取高層較清的原水供下游淨水場處理。當然，每次颱洪造成大量的土砂湧入水庫要設法排除，並須常態性的清除水庫既有的淤積泥砂。另外，庫底大量沉木影響水工閘閥啟閉放流的正常操作，都須一併解決。故而依此擬定改造大計說明如下（整體的改造布置如圖二）：

圖二 石門水庫整體改造示意圖。（水利署北區水資源局提供）（註: 黃色字體表示既有設施，水藍色字體表示改造或新建）

1. 興建分層取水口（如圖三），於標高 236 m、228m 及 220m 各興建一個進水口以引取較高層的清水，可在颱風洪水高濁度期間不中斷正常供水。
   
   

   圖三 分層取水工模型及布置示意圖。（水利署北區水資源提供）

2. 改建發電進水二號鋼管為排砂道，其排洪能力可達 300 cms，原一號鋼管仍供發電使用。石門水庫不能放空庫水停止運轉來建新的排砂道，故採直接改造既有的發電鋼管，因其進水口位置夠低，可大量排除底層高濃度水流（異重流），為最快速、最經濟有效的作法。另外在大漢溪武嶺橋下游興建中庄攔河堰及調整池，以備水庫排砂時，下游鳶山堰仍可引取乾淨的原水正常供水。
3. 改造永久河道放水口之何本閥為全斷面之射流閘門，可避免流木卡在閥體而經常故障。
4. 於庫區中游段，興建阿姆坪防淤隧道，以供平時抽泥運送及洪水時沖洩放淤。
5. 於庫區下游段，另規劃興建大灣坪防淤隧道，以增加排除底層高濃度水流的能力。

參考文獻

1. 93 年艾利颱風石門水庫原水濁度飆高事件｜水利署水利緊急應變經驗學習中心 — 水利署防災資訊服務網。http://wra.caece.net/llc/source/93_al_sm.html
2. 石門水庫及其集水區整治計畫｜水利署北區水資源局。http://www.wranb.gov.tw/lp.asp?ctNode=321&CtUnit=96&BaseDSD=7&mp=5