摘要
河川治理規劃及防洪中較重要的計畫洪水位，常因洪水侵襲及一些工程設施的設置需要檢討其受影響程度。因目前水資源的需求大增，使得水利單位除了大型水庫規劃設置外，也著眼於中小型攔河堰的規劃，而其所產生的泥砂及防洪問題也是規劃案中需要考慮檢討的。且近年一些小規劃案的水理檢討中，數值模式已漸取代水工模型試驗成為檢討規劃案的分析工具。經濟部水利處水利規劃試驗所有幾個規劃案已用台灣自行開發的網路型河系沖淤模式NETSTARS來執行分析工作，並有一些成果，文中除了模式介紹、使用案例檢討外，並探討此模式在未來河川規劃應用之發展方向，希望提供產官學界相關應用上的參考。
一、前言
以往河川治理規劃一般使用水理計算模式來計算計畫洪水位、規劃堤防位置及高程等，隨著工業發展的腳步，工業及民生用水的需求量逐年在增加中，水資源的開發因建造水庫不易而朝向河川攔河堰等取水工程設施以增加水源，由於在河中設置攔河堰、固床工等水利構造物，必然對河中輸砂的沖淤平衡造成影響，由於影響範圍可能牽涉整個河系，因此除了從水工模型試驗了解河床大致可能的變化情形外，近年也透過河系數值沖淤模式的計算去模擬，並與實驗數據相驗證。這些工作在十幾年前需要水工模型試驗來完成，近年來因數值工具的發達，許多小型規劃案也都採用數值模擬來代替水工模型試驗做水理輸砂的分析工作。
目前台灣負責大部分河川治理規劃及防洪的經濟部水利處水利規劃試驗所有一些攔河堰取水及河床沖淤改善規劃案的水理輸砂計算採用台灣自行發展的NETSTARS模式(Network of Stream Tube model for Alluvial River Simulation，簡稱NETSTARS)[1,2]來推估未來設置水中結構物或河道沖淤改善後的河床變化及洪水位的影響程度。本文除了介紹使用NETSTARS模式及其於河川治理規劃上的應用面外，並以水利規劃試驗所執行的河川治理規劃案成果案例(萬長春圳取水口改善水工模型試驗、八掌溪仁義潭攔河堰至道將圳攔河堰間河道穩定試驗)來討論相關問題，文末也概述模式未來在河川治理應用上可能擴充的發展方向等，希望提供產官學界相關應用上的參考。
二、NETSTARS模式簡介
本模式為一個擬似二維沖淤模式，凡主支流、複雜河系、陡坡、緩坡、水躍、定量流及變量流之水理及相對應底床沖淤特性均可模擬，同時藉由流管之重新分配進行輸砂演算，可以反應河床橫斷面之不規則變化。一般河川輸砂模式大多以總輸砂量公式去計算輸砂量，所以在不平衡輸砂流況下會有較大的誤差，本模式採用推移載及懸浮載分開計算方式可以反映懸浮質控制之不平衡輸砂狀況。同時因具有處理節點之水理及輸砂分配能力，所以適用於一般網路型河川及水工模型試驗沖淤問題的模擬。
本模式水理模擬分定量流、迴水演算與變量流三種演算法，定量流模式（Steady-Energy）係根據一維能量方程式配合節點連續關係差分求解，求得水位及流量值，主要取自BRALLUVIAL模式[3]有關水理部份理論；變量流模式（Unsteady-Momentum）係根據de Saint Venant之一維渠道緩變量流連續及動量方程式再配合節點連續關係差分求解，求解水位及流量值，主要採用CHARIMA模式[4]的水理理論及解法；迴水演算方面，係採用GSTARS模式[5]水理部份加入網路節點處理修改而成，具有處理陡坡及水躍的功能，其適用範圍較廣。
輸砂模擬以水理模擬所得河川網路的水位、流量配合流管理論分成多個流管，假設所分的每個流管在已知斷面輸水能力均相同，並分別計算輸砂量，再代入輸砂連續方程式中求解每個流管中平均底床沖淤情形。因每個時間段流量並非固定，所以每次流管分配的邊界也會有所不同，如此即可模擬橫向的河床沖淤變化。其中輸砂量計算又可分由輸砂公式直接計算總輸砂量及底床載、懸浮載分開計算後再合併為總輸砂量兩種方法，尤其在高懸浮載的河川或不平衡輸砂現象明顯的區域即需使用後者來計算方能符合實際物理現象。
水理演算中的迴水演算可用來計算亞臨界流、超臨界流或兩者混合的流況（如水躍）。若流管數目選擇1，則所計算的底床變化成果將類似於HEC-6模式。含主支流及局部點側流之河川系統流況及相對應底床變化均可利用NETSTARS模擬。節點處理是河川系統模擬的重點，由節點(nodes)連接許多河段（links）可形成河川網路系統，同時也透過節點傳遞各河段的水理及輸砂特性。
NETSTARS具有GSTARS分流管執行輸砂演算的功能。流管數目為使用者在輸入時即選定，在計算過程中流管數目應相同。天然河川泥砂運動種類依其性質可分為推移載(Bed load)、懸浮載(suspended load)及沖洗載（Wash load），其中推移載及懸浮載合稱河床質載（Bed Material load）。在河床質載計算(即總輸砂量)方面，程式內有四個公式可供選擇:（a）Yang's（b）Ackers & White（c）.Engelund-Hansen （d）Van Rijn，其中（b）及（c）適用粒徑範圍為0.0625mm-2mm；（a）則可用於礫石（Gravel），最大粒徑可為10mm；（d）之適用粒徑範圍為0.0625mm-10mm，計算若超出範圍粒徑時，（a）超過150mm及小於0.06mm輸砂量以起動條件控制，此區間之計算結果誤差較大，而在10mm-150mm之間則有適當參數判斷是否應計算輸砂量;(b)則粒徑小於0.0005ft時，所計算之輸砂量誤差也較大，超過2mm也有參數判斷是否應計算輸砂量;(c)及(d)則在粒徑超過150mm及粒徑小於0.06mm的輸砂量均可由起動條件控制，所得結果誤差也較大。
推移載計算方面，模式內有三個公式可利用，即（1）Meyer-peter & Muller（2）Van Rijn（3）Schoklitsch（1）中有參數控制是否計算輸砂量，（2）及（3）粒徑控制條件與(c)同。此時也以泥砂之起動條件控制各公式所算的輸砂量值。以上公式均為經由實驗或現場資料迴歸而得之經驗式，所以要視案例的粒徑百分組成來判斷選擇此類公式。同時因水力的篩選作用，在不同的時間粒徑組成均不同，因此本模式具有模擬篩選及護甲作用之功能。
在計算過程中濕周的區域乃是可能發生沖淤的範圍，在輸入資料中更可控制每個斷面最低沖刷高程、寬度及最高淤積高程，以防止特殊之沖刷(如底部人工結構物)或淤積（如排砂工）條件。大部份河川上游邊界入砂量之實測資料甚少，以採用流量、輸砂量率定曲線為最多。下游邊界懸浮載濃度則由濃度梯度或濃度值來控制;下游邊界輸砂量則由輸砂公式計算求得，不需加以控制。以下為本模式之假設及限制:
1.
對河川蜿蜓橫斷面上因二次流作用造成之泥砂偏向分佈的情況不適用。
2.
對河川垂直向之二次流無法模擬。
3.
河床床形(bed form)變化也不做預測。
4.
在水理計算中，斷面浸水區均假設為動床部份，所以在每個時距每個流管的浸水區內底床做均勻的沖淤變形，並藉由每個演算時距內重新計算流管邊界來反映不均勻的底床橫向變化。
5.
由於總輸砂量公式只適用於輸砂平衡之狀況下，為反映懸浮質運動的機制，本模式將懸浮質運移行為從總輸砂量公式中分離出來
，以較合乎懸浮載運動現象之對流擴散方程式來模擬，可適用於不平衡河段之沖淤模擬。
6.
糙度係數的表示可由資料檔輸入設定，也可用河川流量的函數計算代替，或由半經驗式計算求得，在缺乏資料時可先由公式計算其概略值再行檢定或修正。
1.
若要求精度高而調小
t 時，所有演算所使用的邊界條件，程式會在歷線資料內自動做線性內插計算。
三、案例討論
(一)、萬長春圳取水口改善水工模型試驗
隨著經濟快速發展，用水需求日趨迫切，水資源開發工作逐年增加，為期能達到用水需求量，水資源經營策略朝發展河川引水系統組合之永續利用。台灣河川坡陡流急、含砂量多，天然條件相當不好，以致一些取水工之取水機能無法充分發揮，無法取得計畫取水量，並引入大量泥砂入渠，造成渠道淤塞，消耗大量維護管理之人力與財力。為提高渠首工取水效率與防止泥砂入渠，辦理宜蘭「萬長春圳取水口改善水工模型試驗」[8]，期將試驗成果提供管理單位改善及類似渠首工設計參考。
本研究目的係探討「萬長春圳取水口」進水口前庭設置沉砂池之可行性、排砂道之排砂效率及操作方式、防砂入渠方法等，提出改善方案供設計及管理單位參考。
為滿足模型試驗段施放洪峰流量所需控制尾水位，選取能計算主支流匯流情況之「NETSTARS」數值模式，進行主流羅東溪及支流左、右安農溪之水理輸砂模擬，模式輸入方式，如圖1。根據「清洲橋」橋面上游端之斷面當做本模式之下游邊界控制水位點，並根據所推估各重現期距洪峰流量當做本模式之節點控制流量，假設各河斷面底床皆不產生沖淤變化即可模擬定床水理情況。依以往記錄推得洪峰流量分配，如表1，右安農溪略大於左安農溪，模型試驗段之右安農溪2、10、100及200年重現期距洪峰流量分別為135cms、231cms、307cms及345cms。
「NETSTARS」數值模式與水工模型試驗比較2年及100年重現期距動床清水及動床加砂水位變化結果，如圖2及圖3，得知數值模式與水工模型試驗縱向水面坡降有相同趨勢，在堰上游320公尺至480公尺（「萬長春橋」上游右轉彎地形）處有明顯差異，因上游加砂量超載，形成泥砂淤積在上游段，造成動床加砂水位明顯高於動床清水水位，其餘各斷面水位無明顯差異。比較2年及100年重現期距動床清水及動床加砂流速變化結果，如圖4及圖5，得知數值模式與水工模型試驗縱向流速剖面有相同趨勢，堰上游流速最大值發生在距堰80公尺（直線河道與漸擴段交界）處，此處因流心分兩道通過活動堰及排砂道流速會增快；通過堰軸後流速最小值發生在距堰下游8公尺（堰軸中心線後方尾水平臺）處，此處因尾水消能作用流速會減慢。與水工模型比較得知，本模式對一維度水理有相當良好模擬結果。
(二)、八掌溪仁義潭攔河堰至道將圳攔河堰間河道穩定試驗
八掌溪自斷面94至仁義潭攔河堰下游間長約3.5公里之河段，由於歷年河道砂石採取關係及仁義潭攔河堰攔砂功效，砂石來源枯竭，河床失去礫石層保護，河床泥岩裸露，加上本河段坡度陡峻，平均約為1/80，水流湍急，洪水來臨時，灘岸遇水浸淹，極易軟化崩落，河槽刷深成 V 字型，民國 85年8月1日賀伯颱風來襲，洪水集中於南股流路，河床刷深，心上橋斷裂流失；次年86年8月16 日溫妮颱風繼之來襲，河槽刷深更為劇烈，自民國七十六年至八十六年溫妮颱風後河道高程差最大超過20公尺，刷深後主深槽於斷面95至仁義潭攔河堰下游間河寬最小約20公尺，最大約100公尺，於94斷面以下主深槽河寬放大為160至340公尺。茲將歷年實測河槽最深點高程變化圖6 。目前台灣省第五河川局預計於道將圳至仁義潭攔河堰間興建18座固床工，以調整河床坡降為1/400，期能改善八掌溪河床之沖刷問題，以確保河床之穩定。
為了解八掌溪研究河段之水理情況，乃採用NETSTARS模式進行水理分析，模式中需檢定之參數，在水理方面為曼寧n值，在輸砂部份為流管數及可沖刷層厚度採輸入最大粒徑（即通過最小篩號之粒徑）之倍數，此須由實測資料進行檢定，本研究係採「道將圳取水口水工模型試驗」[9,10]之試驗資料做為參數檢定之依據。其試驗範圍為道將圳攔河堰至上游約400公尺處之忠義橋間，其於此河道畫分10斷面,從道將圳攔河堰至忠義橋斷面編號由R0至R9，本研究就其試驗條件進行模擬，在2年重現期距洪水量476cms下，曼寧n採0.04，流管數=5，可沖刷層厚度採輸入最大粒徑（即通過最小篩號之粒徑）之6倍，模擬結果如圖7，由圖中可見模擬各斷面河床沖淤與試驗比較，因斷面R1及R2之右側為農業用水取水口，其試驗較模擬結果刷深外其餘斷面皆甚為接近，圖8為各斷面之水位數值模擬與試驗結果之比較，由圖中可見兩者差異不大，故以上述之參數作為本研究演算道將圳攔河堰至仁義潭攔河堰間之水理。
目前仁義潭攔河堰堰頂與下游河道間高程差達20餘公尺，因堰下游河道持續刷深，其堰體保護工亦隨河道刷深而築為階梯型式，以兼具消能功用，距堰底部河道約50公尺現已佈置消坡塊。若假設流經仁義潭攔河堰之水流其消能情況良好，即對下游河道無造成直接衝擊力道，但於高流量時由於仁義潭攔河堰堰頂與下游河道高程落差甚大，易造成下游河段產生超臨界流況。故於數值模擬時上下游邊界分別以仁義潭攔河堰及道將圳攔河堰於各年重現期洪水之臨界水位為邊界條件，其斷面資料採用86年溫妮颱風後之斷面。本研究模擬2、5及50年重現期距洪水流量為476、727、1200cms時，其上游仁義潭攔河堰水位邊界分別115.72、116.06、116.59公尺，而下游道將圳攔河堰水位邊界分別36.8、37.06、37.47公尺。2、5及50年重現期距洪水之水理分析表如表2所示，其各斷面之水位圖如圖9所示。由表中可明顯看出在斷面95至斷面101，即第五河川局於本河段內預定設置固床工最下游第二座至仁義潭攔河堰，平均流速皆高達3m/s以上。其中50年重現期距洪水為治理基本計畫之計畫洪水量，其產生之平均流速更甚，故以目前之河道坡度及土質，若有相當2年以上之洪峰流量來臨時，將造成之災害令人堪憂，由此可知本河段目前仍為一高流速及高沖刷之河段。
四、NETSTARS模式未來在河川治理規劃應用方向
(一). 高灘地治理規劃
高灘地一般配合疏浚做治理規劃，高灘地規劃作為民眾休閒的河濱公園已成為趨勢，模式可以改良控制高灘地沖刷及與主河槽不同的糙度係數以反映規劃的效果。
(二). 河系洪水溢堤流量及淹水模擬
台灣目前有成功大學蔡長泰教授、交通大學楊錦釧教授及台灣大學許銘熙教授曾經做過河川溢堤淹水的模式，但對輸砂方面仍無計算，本模式本著有輸砂計算的功能，加入一些溢堤流出量計算公式及輸砂流出量計算公式將可近似反映洪水溢堤後的流出砂量及水量，作為洪氾區淹水計算及入砂量估計的參考。
(三).
陡坡河川水理功能加強
陡坡河川牽涉到超臨界流問題，本模式雖有提供計算選擇，但一些上游河川的水理計算仍遭遇相當的困難，目前將謀求較佳的演算法解決之。
(四). 河口黏性沉滓運動模擬
河口黏性沉滓在GSTARS 2.0[6]及HEC-6[7]模式均有改良考慮，這種特殊的輸砂行為將繼續研究加入，使模式應用面更廣。
(五). 發展Windows使用者及圖形輸出介面
本模式開發之初曾應用DOS的控制介面做模擬結果圖形輸出選擇的控制，目前許多Windows的套裝軟體使得運用更方便，本模式將用Delphi開發此介面展示程式如HEC-RAS模式的功能，方便及美觀更讓模式具有親合力。
(六). 結合GIS做水位變動的展示平面及立體圖形
希望未來能結合DTM資料及GIS相關軟體將模式模擬結果做成水位分布平面或立體圖，隨時間推演進行動態成果展示。
五、結論與建議
(一).
近來河川治理規劃案，許多的工作多借重模式的計算與分析，由案例成果發現這些設置方案幾乎可先由數值計算大約得知爾後的河床變化，也漸漸取代水工模型試驗成為河川治理規劃的主流。
(二).
由兩個水工模型試驗案例模擬成果得知，NETSTARS模式確實可掌握水流及輸砂的趨勢，並由實驗數據驗證其精確度。在排砂道案例由流速變化及沖刷趨勢可了解規劃沉砂池的適當位置；由河道沖淤改善例可了解固床工設置後的可能沖刷狀況，並試圖謀求河道進一步的改善規劃。
(三).
NETSTARS模式目前由水利處推廣應用中，模式功能仍需改進以符實際河川治理規劃上的應用，將來可透過合作方式改良版本及介面操作方便使用者作業。
參考文獻
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(1996)，〝辮狀河系沖淤模式之發展(四)〞，國立台灣大學土木工程學研究所研究報告，水利8502.
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