第1429期-水情資訊管理技術之應用軍輝橋改建工程之防洪預警作為

郭清水 分局長、蔡明君 段長/公路局雲嘉南養工分局

林呈 教授、謝世圳 博士/中興大學土木系

張家榮 技師/長達營造公司董事長

一、前言

台18線軍輝橋位於嘉義市東區，竣工於民國68年，為連接嘉義市與嘉義縣中埔鄉之要道。本橋跨越八掌溪，上游河道流路，受河道之低水治理束範、及道將圳攔河堰之施設，致使河床長年沖刷下降，加上橋梁老舊、跨度不足，進而影響橋梁安全。爰此，交通部公路總局第五區養護工程處，委託長達營造工程有限公司辦理該橋改建工程，111年4月開工，以期解決長久以來橋梁安全之問題。

由於預定施工期程長達2年半，對於洪汛期間河道排洪，對工區施工所造成之風險實不能忽視，特別引進跨河橋梁流域管理概念(陳進發，2011.6)，即由過去被動之工區水位通報，到自主於上游河道裝設預警水位監測設備；或利用既有即時資訊與預報系統，所建置之「多重降雨指標預警標準」的橋梁流域管理作為，來訂定工區施工期間洪災預警作業之標準，並將施工中防洪規劃之實務作業紀錄編撰成文，期能達到經驗分享，並提供相關工程同業參考。

二、工區河道特性及特徵水文測站規劃

「多重降雨指標預警標準」，主要依據特徵雨量、水位站實測之即時資訊，作為下游地區橋梁之警戒、行動(撤離、封橋)標準。然而，若所選定之特徵雨量站或水位站之水情特性，與目標橋址工區間之差異太大，可能將無法作為預警之參考。基於上述概念，研擬建立能透過橋址上游相關即時水文資訊，以提早軍輝橋工區於汛期之相關預警作業，並界定工區之注意、警戒、行動燈號，以供災害預防、備災、減災等之參考。

近幾年來，因國內災防意識抬頭及資訊科技創新，水利單位汛期期間，為能快速研判分析水情及相關決策，均已於主要河川流域內，並透過相關雨量、水文量測站等設施的整合，建立基本之洪水即時量測及預報系統。本工區內水利防災即時水文資訊蒐集，就直接利用水利署第五河川分署已建置之即時水情資訊，訂定各跨河橋梁之特徵雨量站或水位站，透過即時資訊及以流域管理概念進行相關防汛作為。

圖1所示，為八掌溪流域內各集水區、河道與鄰近雨量、水位站間之分布圖，軍輝橋所在位置為八掌溪河道主流上，主要影響之集水區：包括觸口上游集水區及軍輝橋集水區。相關既有之雨量站，均於觸口上游集水區內，主要有石磐龍站、頭凍站及小公田站(2)。其中軍輝橋集水區所產生水量，大多屬於嘉義市市區(地勢相較平緩區)內，逕流高度受複雜之都市化排水系統影響，惟該集水區與觸口上游集水區相鄰，集水面積不大，研判該集水區對八掌溪河道內流量影響不大。由於軍輝橋集水區內無既有之雨量站，乃直接利用觸口上游集水區內之雨量資訊做為參考，亦可有效反應軍輝橋工區內之水情狀況。

圖1 八掌溪流域集水分區分布情形，本工區相關特徵水位站、雨量站。

[底圖資料：水利署110年度五河局轄區洪水預警及防汛整合作業 2021]

有關河道流量相關資訊參考之主要水位站，為軍輝橋上游之觸口水位站(斷面No.117.1)，而軍輝橋(河道治理斷面No.86.1)所在位置亦有設置水位站，相關歷史水位量測資料可作為修正率定或驗證洪水預報系統之參考。此外，為更精準完成工地洪水事件預警作業，遂另於觸口橋至軍輝橋間之五虎寮橋橋址處(河道治理斷面No.105.1)裝設即時水位監測系統，如圖2所示。並透過網路與相關工地預警通報系統連結，以強化軍輝橋上游河道即時水位監測資料之完整性。

圖2 五虎寮橋處之即時水位監測系統

三、洪水預警系統相關資訊研擬

(一) 洪峰傳遞時間差之估算

本案洪水預報模式，以觸口水位站及本工程另設之五虎寮橋之即時水情資料作為最主要之特徵水位站，再以石磐龍站、頭凍站及小公田站(2)等雨量站為輔，作為工區水情是否持續惡化或弱化之參考。因此，對於估算洪水由觸口站沿八掌溪河道(經五虎寮橋)至軍輝橋間的傳遞時間，即為本洪水預報系統中最主要之應變考量時間。

在相關河道資料(現況河道地形、河床質、水工構造物、...)相對缺乏的情形下，對於洪水於河道中之傳遞速度，可利用洪水波運動特性進行簡易之估算，再根據實測結果加以修正，即可作為洪水預警作業程序上之參考。

河道中洪水波傳遞運動屬水力學之長波特性，可運用長波理論之洪水波傳遞速度公式，即洪水波波速，其中α為修正係數，其與河道地形、河床質及水深有關。經實測洪水波傳遞相關資料率定後，將此修正係數設為α=0.9，g為重力加速度9.81m/s²，d為平均水深(m)，據以估算傳遞速度，再依據相對之河心距離(L)概算洪水波在各河段間運動所需洪水傳遞時間t(min)[=L/C/60]。

此一河道幾何特性參數，係以105年「八掌溪水系本流治理規劃檢討」所量測之河道大斷面、及不同洪水流量下之水位高程，作為洪峰傳遞分析之依據，不同洪水規模下之分析結果如圖3。由分析結果可知，洪水波傳遞速度會隨洪水量增大而加快，顯示洪水規模，若達重現期距2年之流量，則洪水波由觸口水位站傳遞至工址僅需約88.2分鐘。

圖3 八掌溪主流觸口橋至八掌溪橋間河道，各河段洪水波傳遞速度之分析結果。

(二) 實測水位資料驗證

由於近幾年來，八掌溪流域無較大之洪水事件發生，特以112年7月20日、8月4日及9月10日三場豪雨事件所產生洪水歷程，作為工地洪水預警系統之驗證，其中8月4日豪雨於軍輝橋上游河段(五虎寮橋址處附近)所造成之洪水量約為Q2。表1所列即為此三場豪雨事件實際量測結果，包括洪峰發生時間及水位高程，圖4所示為8月4日豪雨於洪水期間小公田(2)雨量站、觸口橋、五虎寮橋及軍輝橋水位站所量測之即時水情歷程，可藉以驗證洪水預警系統中洪水波傳遞模式之精度。

表1 洪水波傳遞速度之驗證：洪水事件水位站實測洪峰水位及發生時間

(觸口橋及軍輝橋資料來源：經濟部水利署水文資訊網整合服務系統)

圖4 112年8月4日豪雨期間，工址上游小公田(2)雨量站與八掌溪觸口橋、五虎寮橋及軍輝橋水位站所量測之雨量、水位歷線圖。

此三場豪雨之發生日期，係於本工程開工後，比較上述實測資料與洪水波傳遞時間估算結果，顯示此簡易之運動波模式，能有效運用於本河道洪水波傳遞特性，可作為本工區洪水預警系統之主要參考，亦可作為工地預警系統相關作業準則之修正。

(三) 工地洪水相關預警值之訂定

工地防洪預警系統設定之目的，在於期望能提前於洪水來臨前進行相關人員、機具撤離作業，已達確保工程人員安全及減少洪水災損，故預警系統除，估算上述之洪水傳遞時間外，另須訂定多大洪水規模下需進行相關撤離行動。根據工區現況，河道深槽區內除橫跨河床之埋設RCP臨時施工便道外，兩側具有頂部高程為EL.29.0 m施工圍堰，及原河道低水治理外之高灘地(高程約EL.30.56m)。施工期間除必要施工作業外，主要相關人員及機具大部分均設置於兩側高灘地上，由此可知若洪水位高於施工圍堰時，洪水作用即不再受限於深槽河道中，而開始向高灘地沖刷及溢淹，將可能危及相關作業人員及機具之安全。因此於洪水作用期間，可依施工圍堰頂部高程，作為是否執行撤離之洪水位高程，將相關可移動機具轉移至堤防外，以減少人員及財物之損失。

相關(撤離)行動值之訂定，可根據上述三場豪雨事件對本工區所造成之洪水歷程，反推於上游觀測站之水位資料，以提早相關因應作業。圖5所示，為8月4日豪雨於工區發生最大洪水位時之現場情形，根據工區現場通報可知，8月4日豪雨所造成之洪水於當日5:12升高至圍堰頂部，開始產生溢淹，若以此為基準向上游五虎寮橋及觸口橋水位估測，上游傳遞下來之時間與水位，分別為五虎寮橋於清晨4:28(傳遞時間約44分鐘)之洪水位EL.132.97m及觸口橋於清晨3:52(傳遞時間約80分鐘)之洪水位EL.225.33 m。此二處上游即時水位資訊即可作為行動值訂定之主要參考。

圖5 112年8月4日豪雨，軍輝橋工區發生最大水位時之現場情形。

四、工地施工安全之防洪預警前置時間訂定

根據上述對軍輝橋上游河道資料蒐集與洪水波傳遞特性分析，本工區防洪預警前置時間主要根據流域管理原則，透過即時特徵雨量、水位站資料查詢、洪水波傳遞分析，可有效建立工地安全之預警時間，以確保工區人員與機具之安全。

(一)即時水情資訊查詢來源

(1)雨量資料：交通部中央氣象署網站(https://www.cwa.gov.tw/V8/C/)、經濟部水利署水文資訊網整合服務系統。

(2)水位資料：經濟部水利署水文資訊網整合服務系統(https://gweb.wra.gov.tw/Hydroinfo/)可查詢即時水位資料。

(二)洪水傳遞時間估算

根據上述分析結果，保守設定行動值估計洪水規模傳遞時間由觸口橋至本工區軍輝橋為80分鐘，由五虎寮橋至工區則為32分鐘。

(三)警戒、行動之洪水位訂定

根據工區現場狀況及參考實測數據，並基於防洪預警機制之精神，將五虎寮橋及觸口橋之行動值水位分別定為EL.132.5m及EL.225.3m﹔而警戒值水位則分別定為EL.131.5m及EL.224.8m。

(四)流域管理概念下工地安全預警作業程序建立

根據上述相關之即時參考資訊及相關預警時間及警戒、行動水位訂定成果，參酌工區現況以訂定人員機具撤退作業程序，並於洪水作用期間確實依作業準則完成各項避險、減災事宜。

五、8月4日洪水事件情境模擬

有關上述引進流域管理概念之預警系統，若以8月4日洪水事件為模擬，工區情境發展過程將如下：8月3~4日中央氣象局發布大雨特報時，即應進入注意程序，派遣人員透過網路時時監看上游參考雨量站(小公田(2))、水位站(觸口橋、五虎寮橋)之即時資訊，於3:40時觸口橋水位值達到警戒水位時，且上游有持續降雨之趨勢，即進入警戒階段。此時人員及機具應撤離深槽區，並開始召集相關撤離作業人員進行警戒待命。於4:00時觸口橋水位上升至行動值水位且上游持續降雨，此時即進入行動階段，相關人員按機具撤退作業程序開始將相關可移動之機具移至堤防外側預定處所，並同時監看上游水情資訊之變化。五虎寮橋水位資料分別於4:20及4:23時進入警戒及行動值，隨後洪水於5:12溢淹過施工圍堰，此時撤退作業已經完成，相關人員持續關注洪水情形，直至洪水退卻後進行相關後續復工作業。上述透過流域管理概念所建立之防災、減災作業，相關行動可提早約70分鐘，若需更多時間完成撤退作業，則可適時分段或調整部分作業內容於警戒或注意階段實施。

值得注意的是，上述的洪災情境模擬是發生於凌晨至清晨，施工團隊人員正值睡眠期間，撤退作業會更加耗時及困難，因此，於擬定撤退作業程序中必須考量夜間方案，可能須由相關氣象預報對工區洪災發生之可能性開始預作準備，以適時增加反應時間，甚至作部分預防性撤離。若，此次模擬情境，係卡努颱風通過台灣附近，可能於入夜前就必須先撤離部分機具等。

六、結語

預警機制主要功能，僅在於減災、滅災。至於實施功效，主要有賴於事前之規劃與準備，並隨工程進行而常規調整作業程序與方案，如此才能有效防止人員、機具、工程上受到危害。

參考文獻

1.陳進發(2011)。從橋梁之流域管理與山區公路之風險管理談公路總局之百年防汛。臺灣公路工程，第37卷，第6期，臺北。

2.水利署第五河川局(2021)。110年度五河局轄區洪水預警及防汛整合作業。

3.交通部中央氣象署網站(https://www.cwa.gov.tw/V8/C/)。

4.經濟部水利署水文資訊網整合服務系統(https://gweb.wra.gov.tw/Hydroinfo/)。

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