旗山溪河川區(qū)域種植密度評估

李昱廷　翁儷容　施恒益　許盈松

摘要：旗山溪位于臺灣南部，往年每逢大雨，居民便擔(dān)心河道溢流造成區(qū)內(nèi)外嚴(yán)重淹水，其中高莖作物的種植為爭議之一。水利主管部門為考量社會需求及河川管理實務(wù)需要，擬適度放寬高莖作物種植申請許可，特制定“河川區(qū)域種植規(guī)定”?！昂哟▍^(qū)域種植規(guī)定”依據(jù)河寬、平均坡降、平均流速及高灘地水深計算值，配合權(quán)重計算分?jǐn)?shù)后得到評估等級，并依據(jù)橋梁限制等綜合評估后進行等級調(diào)整。此方法雖可利用評估分?jǐn)?shù)與水位抬升率回歸分析值對照表，快速由評估等級推求種植密度，但并非適用于每條河川，故利用HEC-RAS模型仿真種植區(qū)域，借由調(diào)整模型糙率系數(shù)增加值，來評估水位抬升率（水位增加值占出水高1.5 m之百分比），在“河川區(qū)域種植規(guī)定”中最大水位抬升率不得大于12%規(guī)定下，可進一步對照糙率系數(shù)增加值與灌木種植密度關(guān)系表，得到容許種植密度。結(jié)果顯示：根據(jù)水位抬升率計算的容許種植密度應(yīng)可高于“河川區(qū)域種植規(guī)定”之限制，因此目前“河川區(qū)域種植規(guī)定”中對容許種植密度的要求趨于嚴(yán)格。

關(guān)鍵詞：河川區(qū)域種植規(guī)定；高莖作物；水位抬升率；種植密度；旗山溪

1研究區(qū)概況

旗山溪位于臺灣南部，其流域廣布高雄原有縣轄區(qū)旗山區(qū)而得名。主流河長118 km，流域面積842km2，為高屏溪主流（含著濃溪）之外的最大支流。

旗山溪發(fā)源于玉山主峰西南坡高程約2 700 m處，集水區(qū)高山聳立，懸崖峭壁，溪流瀉急，沿著高雄市及嘉義縣交界向西南流，至那瑪夏附近轉(zhuǎn)向南南西流入高雄市境。旗山溪由東北往西南流，與著濃溪匯流后為高屏溪，見圖1。

2高莖作物爭議

20世紀(jì)六七十年代，臺灣曾有“香蕉王國”的美譽，而高雄的旗山地區(qū)因為有著得天獨厚的氣候與環(huán)境優(yōu)勢，這里所出產(chǎn)的香蕉質(zhì)量絕佳，口感與香氣都首屈一指，當(dāng)時全臺灣輸出至日本的香蕉，旗山就占了總量的六成。因此素有“香蕉之城”或是“香蕉的故鄉(xiāng)”稱號。然而旗山香蕉開創(chuàng)的黃金歲月從1974年開始逐漸衰退，受到菲律賓低價香蕉的沖擊，加上黃葉病肆虐臺蕉，臺灣“香蕉王國”的稱號日漸不保而轉(zhuǎn)為由他人戴冠。

旗山地區(qū)又為受2009年莫拉克臺風(fēng)重創(chuàng)之災(zāi)區(qū)，往年每逢大雨，居民便擔(dān)心河道溢流造成區(qū)內(nèi)外嚴(yán)重淹水，其中高莖作物的種植即為爭議之一。雨水在短時間大量匯集，高莖作物會阻礙水流，使得堤防在激烈水流的沖刷下遭到破壞甚至潰堤，加上相關(guān)單位未處理旗山溪高灘地占用問題，造成嚴(yán)重淹水，因而要求河川局必須清理旗山溪兩岸高灘地的高莖作物；但當(dāng)?shù)剞r(nóng)民認(rèn)為高灘地種植高莖作物由來已久，長久以來賴以為生的芒果、棗子、蓮霧乃至于使旗山聞名世界的香蕉等作物，并非淹水的主要成因，而是因為高灘地尚有其他構(gòu)造物，例如農(nóng)作倉庫或廟宇等。作物面臨被鏟除的境地，并禁止在高灘地種植。

水利主管部門為考量社會需求及河川管理實務(wù)需要，依相關(guān)法律規(guī)定，特制定《河川區(qū)域種植規(guī)定修正規(guī)定》（以下簡稱“河川區(qū)域種植規(guī)定”），在河防安全前提下，適度放寬高莖作物種植申請許可，以解決旗山溪高莖作物種植之爭議。

根據(jù)最新衛(wèi)星影像與近年河川公地調(diào)查資料判斷，旗山溪目前大范圍種植區(qū)域大致位于河口至新旗尾橋，故本研究以河口至新旗尾橋（斷面1至斷面22）為研究范圍，見圖2。另根據(jù)近年旗山溪河川公地種植種類調(diào)查資料，香蕉依然為旗山溪種植之最大宗，為高莖作物爭議之一，河川公地種植種類分布見圖3。

3高莖作物種植對水位變化的影響

因高莖植物對河川之糙率會有改變，進而影響洪水位的變化，故搜集有關(guān)高莖作物與河川糙率系數(shù)之關(guān)系以及高莖作物種植狀況對水位變化影響之文獻。

蔡宗憲以水位模型CWSC演算高屏溪河口至斷面27河段，調(diào)查各植物直徑、樹高、冠寬、密度等參數(shù)后，以Kouwen and Li公式及日本河川樹木管理手冊之公式估計糙率系數(shù)n，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)地栽植密度最大為香蕉，糙率系數(shù)n則以種植芭樂為最高（0.444），造成此結(jié)果原因為糙率系數(shù)n受植物直徑、樹高、冠寬、栽植密度及水深等因素影響相當(dāng)大，栽植密度最大并不一定糙率系數(shù)n就會最大。由于種植植物種類多，且各有不同之糙率系數(shù)，目前各種種植種類無法估計，因此計算水位時高莖作物之糙率系數(shù)采用較保守值0.444，低莖作物之糙率系數(shù)采用0.035，低水流路之糙率系數(shù)則采用0.030-0.032。依照實測河道大斷面計算100 a一遇洪水位，依次以種植100、200、300、400、500、600、700 m寬之高莖作物代入公式計算不同栽植寬度之洪水位。根據(jù)“河川區(qū)域種植規(guī)定”最大水位抬升率不得大于出水高（堤頂高出計劃洪水位所預(yù)留之高度）之12%，高屏大橋下游出水高為2 m，則其最大抬升水位為0.24 m，以內(nèi)差法估算高莖作物最大種植寬度為464 m。

水利規(guī)劃試驗所針對4條案例河川（高屏溪、濁水溪、蘭陽溪、急水溪），以HEC-RAS模型進行一維水力模擬，在河床糙度系數(shù)n為固定值的條件下，計算各河段斷面參數(shù)（河寬、平均流速、平均坡度及高灘地水深）與該河段水位抬升率之關(guān)系（以種植寬度占河寬30%為例），并通過回歸分析計算各參數(shù)與水位抬升率間之相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，平均流速和平均坡度對水位抬升有顯著影響，此兩項參數(shù)列為重要之評估參數(shù)，各賦權(quán)重30%；而河寬和高灘地水深相關(guān)系數(shù)較小，可視為次要之評估參數(shù)，各賦權(quán)重20%。按照此4項參數(shù)（河寬、平均流速、平均坡度及高灘地水深）加權(quán)評分后得到各河段平均總分，對不同種植寬度及不同河床糙率系數(shù)增加值與各河段水位抬升率作關(guān)系圖（水位抬升率即水位增加值占出水高1.5 m之百分比），并回歸分析評估分?jǐn)?shù)與水位抬升率之關(guān)系，見圖4至圖6。由水工模型試驗成果（植生材料以直徑2.2cm、高10 cm木圓株加葉冠共計高20 cm，在兩種比降1/500、1/1 000及不同種植密度方案試驗中，量測斷面水深及流速。再利用曼寧公式反推算其相對糙率系數(shù)n值），回歸得到糙率系數(shù)增加值與種植密度對應(yīng)關(guān)系，見表1。種植密度為種植區(qū)域內(nèi)栽植之遮蔽率，即所有樹木有效阻水寬度之投影，種植密度計算公式：（灌木有效阻水寬度×種植寬度內(nèi)總株樹）/種植寬度，有效阻水寬度=冠寬×（樹冠高/樹高）+胸徑×（枝下高/樹高）。從而整理得到各評估分?jǐn)?shù)之河段，不同種植密度時，其水位抬升率之回歸分析值。如此可得到一簡易評估方法：已知某一河段在不同種植寬度占河寬比例及不同種植密度下，其可能之水位抬升率，憑此評估該河段河川區(qū)域種植對防洪之影響，見表2。

4河川區(qū)域種植密度評估流程

4.1水力演算

為了探討旗山溪作物種植是否會對河川水流造成影響，水力演算模型采用美國陸軍工程師團水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，U.S.Army Corps of Engineers）提出的計算水面線數(shù)值模型——HEC-RAS模型。其為現(xiàn)行水利行業(yè)普遍認(rèn)可之一維水力模型。模型可仿真恒定流及非恒定流，在恒定流部分其模擬演算系利用能量方程式以標(biāo)準(zhǔn)步推法推求各斷面之水位、流速等。

把2014年旗山溪大斷面數(shù)據(jù)代入模型，并以旗山溪斷面1設(shè)計洪水位34.11 m作為起算水位進行仿真。另根據(jù)河床質(zhì)采樣及糙率系數(shù)n值檢定分析，依現(xiàn)狀河床植生覆蓋情況、河床坡降等特性及各斷面河道兩岸高灘地利用狀況，將河道斷面分為深水槽及高灘地復(fù)式斷面。深水槽之n值取0.04，兩側(cè)高灘地多為草生地或林地，其n值取0.07。

依據(jù)水文分析結(jié)果之各河段各重現(xiàn)期之洪峰流量，作為水力演算之流量。旗山溪設(shè)計流量采用100 a重現(xiàn)期，各河段100 a重現(xiàn)期流量見圖7。

4.2種植區(qū)域等級分級

以HEC-RAS仿真旗山溪種植區(qū)域范圍，根據(jù)“河川區(qū)域種植規(guī)定”，種植區(qū)域斷面與斷面間采用上游斷面河寬、平均坡降、平均流速及高灘地水深計算值，配合權(quán)重計算分?jǐn)?shù)后可得等級，將高灘地可種植區(qū)域劃分為5個等級。河寬B系指以欲評估種植區(qū)域河段上游橫斷面于設(shè)計洪水位時之水面寬度；平均坡降Js系指欲評估種植區(qū)域河段上游橫斷面上下游各約2.5 km范圍之平均坡降；平均流速V系指欲評估種植區(qū)域河段上游橫斷面在設(shè)計流量下之平均流速：高灘地水深h指欲評估種植區(qū)域在設(shè)計洪水位時之平均水深。分級劃設(shè)區(qū)域以河川區(qū)域線范圍內(nèi)為主，其參數(shù)評估基準(zhǔn)見表3。本研究以2015年衛(wèi)星影像判斷現(xiàn)狀種植寬度，以此寬度為高灘地評估種植區(qū)域等級分級之高灘地水深。

依表3評估分?jǐn)?shù)在8分以上者，其種植區(qū)域等級為第一級；分?jǐn)?shù)在6分以上未達8分者，其種植區(qū)域等級為第二級；分?jǐn)?shù)在4分以上未達6分者，其種植區(qū)域等級為第三級；分?jǐn)?shù)在2分以上未達4分者，其種植區(qū)域等級為第四級；分?jǐn)?shù)未達2分者，其種植區(qū)域等級為第五級。

根據(jù)“河川區(qū)域種植規(guī)定”。橋梁或河床下之水管或取水口等構(gòu)造物上、下游各1 000 m范圍，其種植區(qū)域等級則為第五級：但河寬未滿500 m經(jīng)河川局與構(gòu)造物管理機關(guān)協(xié)商后，可以縮減至構(gòu)造物上、下游各500 m范圍。

4，3水位抬升率評估

除表3評估旗山溪種植區(qū)域等級分級外，本研究通過調(diào)整模型糙率系數(shù)（n值）模擬種植植生對河川高灘地產(chǎn)生糙率變化之影響。利用2015年衛(wèi)星影像判斷現(xiàn)狀種植寬度，以此為HEC-RAS模型高灘地n值調(diào)整之寬度。

在不同種植寬度占河寬比例下，分別模擬n值不變（維持原治理規(guī)劃采用之糙率系數(shù)）、n值增加0，01、n值增加0，03、n值增加0，05、n值增加0，07、n值增加0，09等，以一維恒定流進行水位壅高之探討。分析不同種植寬度占河寬比例下，n值增加程度（△n）對水位抬升率之影響。

4，4種植密度評估方法

依據(jù)表3進行河川區(qū)域評分、分級，優(yōu)點是可快速由等級推求容許種植密度，但各條河川狀況不同，故本研究另外利用模型仿真旗山溪種植區(qū)域，通過調(diào)整模型糙率系數(shù)增加值，來評估水位抬升率，由此得到容許種植密度。以下介紹此兩種方法如何推求容許種植密度。

其中一種方法可由種植區(qū)域等級分級得知。由表3評估種植區(qū)域等級后，比對表2，按照“河川區(qū)域種植規(guī)定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，據(jù)表2內(nèi)差出水高后即可反推容許種植密度，容許種植密度從第一級至第五級趨向稠密。而種植累計寬度占河寬比例30%以上，則以30%進行計算。目前“河川區(qū)域種植規(guī)定”以此方法評估容許種植密度。

另一方法為利用調(diào)整模型糙率系數(shù)增加值評估水位抬升率。評估水位抬升率后，按照“河川區(qū)域種植規(guī)定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，得到容許之高灘地糙率系數(shù)增加值（An），比對表1內(nèi)差A(yù)n后，即可反推容許種植密度。

5河川區(qū)域容許種植密度比較

5.1種植區(qū)域等級分級結(jié)果

針對旗山溪目前有作物種植之?dāng)嗝孢M行等級分級評估，評估基準(zhǔn)見表3，采用等級則依據(jù)橋梁限制等綜合評估后進行調(diào)整，種植區(qū)域等級分級結(jié)果見表4。因斷面1-22河寬皆大于500 m且種植區(qū)域位于每座橋梁上下游各1 000 m之范圍內(nèi)，故根據(jù)“河川區(qū)域種植規(guī)定”必須采用第五級，由此可知旗山溪種植區(qū)域采用等級趨向嚴(yán)格。

5.2水位抬升率評估成果

由2015年衛(wèi)星影像可知，現(xiàn)狀旗山溪種植寬度與河寬比例見表5。目前旗山溪種植寬度占河寬比例下游河段較大，大致位于新旗尾橋下游至旗山溪匯流處，斷面2-6、斷面11、斷面15-17及斷面19-20總種植寬度占河寬比例在50%以上。

利用模型仿真旗山溪在現(xiàn)狀種植面積下n值增加程度對水位抬升率之影響，結(jié)果見表6。由表6可知，斷面4、斷面12-14及斷面16-20在增加糙率后水位抬升率大于12%。由此可知，雖然某些斷面種植寬度較大，但不一定會造成斷面水位抬升率較大，原因是斷面與斷面間會互相影響。因此根據(jù)模型仿真，可知種植情形對于水位影響之空問分布，比起利用水力參數(shù)評估等級，更能直接了解種植是否會對水位造成影響。

5.3容許種植密度評估成果

根據(jù)水位抬升率與“河川區(qū)域種植規(guī)定”中種植區(qū)域等級分級標(biāo)準(zhǔn)得到容許種植密度，結(jié)果見表7。根據(jù)水位抬升率推算的容許種植密度，旗山溪評估等級大部分應(yīng)為第一級，無論150 cm以下還是150-250cm作物，其容許種植密度皆大于由“河川區(qū)域種植規(guī)定”所推得的容許種植密度。因此，旗山溪種植區(qū)域容許種植密度應(yīng)可大于“河川區(qū)域種植規(guī)定”中對于木本植物栽植之限制。

6結(jié)論

（1）根據(jù)水力計算，雖然某些斷面種植寬度較大，但不一定會造成斷面水位抬升率較大，原因是斷面與斷面間會互相影響。根據(jù)水理模型仿真，可知種植情形對于水位影響之空間分布，比起利用水力參數(shù)評估等級，更能直接了解種植是否會對水位造成影響。

（2）根據(jù)水位抬升率與“河川區(qū)域種植規(guī)定”等級分別計算容許種植密度，可知無論150 cm以下還是150～250 cm作物，根據(jù)水位抬升率所推得容許種植密度皆大于由“河川區(qū)域種植規(guī)定”所推得容許種植密度，故旗山溪種植區(qū)域容許種植密度應(yīng)可大于“河川區(qū)域種植規(guī)定”中對于木本植物栽植之限制。

（3）根據(jù)水位抬升率計算所得容許種植密度推算，旗山溪評估等級大部分應(yīng)為第一級，但根據(jù)“河川區(qū)域種植規(guī)定”評估結(jié)果均為第五級，由此可知目前“河川區(qū)域種植規(guī)定”中因橋梁上下游種植區(qū)域等級限制，造成對容許種植密度的要求趨于嚴(yán)格。故建議可由水力模型評估水位抬升，由此更精確地判斷此區(qū)域種植是否會對橋梁造成影響。