土壤雨量指數應用於坡地災害警戒系統

前言

台灣現行坡地災害及水患等警戒系統大多採用累積雨量作為雨量門檻值。這些災害警戒系統雖可準確預測洪水災害發生時刻，然而對於坡地災害類型經常出現預測失準情況。主因坡地災害不僅受降雨影響，往往受土層儲留量誘發而發生。故以土層儲留量建立坡面災害警戒系統，必定能提高警戒系統之預測精度。

坡地災害與筒狀模式及土壤雨量指數之關聯

由水文平衡方程式：降雨量(I)－地表逕流量(O)＝土層儲留量(S)可知，洪水、土石流及崩塌等降雨誘發的災害型態，必定受降雨後導致坡面地表逕流量與坡面土層儲留量等兩項因素誘發而發生災害行為。其中，洪水災害可視為地表逕流量集中所造成的災害類型，土石流則是地表逕流量與土層儲留量等兩項因素所共同誘發的災害類型，然而崩塌災害發生則可視為土層儲留量誘發的災害類型。然而現行為避免坡地災害及水患等災害所架構的警戒系統，大多採用累積雨量作為雨量門檻值。這些以累積雨量作為雨量門檻值的災害警戒系統雖在預測洪水災害發生時刻較為準確，然而對於坡地災害類型經常出現預測災害發生在累積雨量峰值時刻，但災害卻發生在累積雨量峰值過後且累積雨量為零時刻，造成警戒系統失準情況。

為解決坡面內土層儲留量資訊不足之問題，可發現採用傳統水文模式推估是現況解決問題的有效方法，在眾多水文模式中則以筒狀模式為最佳推估地表內含水量之最佳方法。筒狀模式是以模擬雨量於地下土層移動之情形，而計算各土層流出量視為地表逕流，主要為由水文平衡方程式概念所衍生出的黑盒模式，方程式修正為：I降雨量(輸入值)－O逕流量(輸出值)＝S儲留量(土壤雨量指數)。

筒狀模式及土壤雨量指數之原理

Tank model稱為『筒狀模式』或『水桶模式』，為土木、水保等相關領域常用水文模式之一，是由菅原正巳(1971)首先提出，他假設山坡土層可分為數層筒，由降雨流入第一層筒後，可分為流出筒外的『地表逕流量Q1』、流入第二層筒的『地下水滲流量F1』，以及儲留在第一筒內的『土層儲水量H1』等三個部分，其餘各層筒皆相同，除了最末層筒僅包含『地表逕流量Qn』及『土層儲水量Hn』兩項，並以時間序列方式計算降雨量於各層筒流動行為，各層筒流出量總和視為坡面逕流量之概念模式。直到日本石原安雄(Ishihara與Kobatake，1979)則將筒狀模式簡化為三層筒，且於第一層筒增加『第二個地表逕流量Q2』，同時提出以“一元一次方程式”計算“地表逕流量Q”與“地下水滲流量F”， 由並針對日本5個試驗區之地質種類推求出4種筒狀模式參數建議值。

筒狀模式中三層筒雨量殘留水深值總和亦可視為「土壤中所儲留雨量深度」，日本將此定義為「土壤雨量指數」(SWI: Soil Water Index)。以筒狀模式模擬真實量測得到的降雨量與逕流量，可推算土壤中所儲留雨量深度，而應用土壤雨量指數(SWI)可以忽略真實狀況中複雜之山坡地內地形、地質及土壤等複雜問題，直接由土壤雨量指數代替山坡地土層之含水量，並研究與山坡地土砂災害之關係。

土壤雨量指數與坡地災害相關性

本研究蒐集2006年至2013年度295件土石流防災資訊網中災害紀實之重大土石災情報告，並區分土石流事件(共計98件案例)與崩塌地事件(崩塌及地滑共計197件案例)。再以全省中央氣象局及相關單位共計562處雨量站資料，由地理統計推估各災害案例直徑1.6km範圍內之前7日至降雨結束後平均雨量資料，再由筒狀模式計算每小時之各筒水深值，分別製作土壤雨量歷線圖，圖中上側直條圖為平均雨量值，座標軸為右側數值，其餘皆為左側座標軸，包含有效累積雨量Rt、土壤雨量指數SWI、第一筒水深H1、第二筒水深H2、第三筒水深H3。

並將水土保持局現行RTI計算公式中Rt有效累積雨量改為土壤雨量指數 (SWI)，除考慮原有降雨強度I外，再以第一、二、三筒水深 (H1、H2、H3) 代入，以下列四項公式得到四種土砂災害發生臨界值VCL(0、1、2、3) 。

由98件土石流案例、105件面積小於1ha崩塌地案例與68件面積大於1ha崩塌地等三種類型，繪製I－SWI、H1－SWI、H2－SWI與H3－SWI等四圖，並回歸得到I－SWI、H1－SWI、H2－SWI與H3－SWI之線性關係，結果顯示除面積小於1ha崩塌地案例H1－SWI之相關性最高外，另外兩種類型以H2－SWI之相關性最高。

結論

本研究發現土石流案例之H2與SWI具有高度線性關係，而小規模崩塌地則是H1、H2與SWI皆具有高度線性關係，然而當崩塌地規模增大時，崩塌地發生時刻之H2及H3對SWI之相關性開始增加，H1對SWI之相關性則逐漸減少。因此本研究建議採用第一筒雨量深度H1及第二筒雨量深度H2作為坡地災害警戒系統之指標，並作為新型態雨量監測系統之依據。