氣候變遷坡地衝擊評估-以曾文水庫集水區為例
作者：朱芳儀 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員
李欣輯 國家災害防救科技中心 研究員
臺灣地區地質破碎、山高坡陡，且山坡地面積佔比達7成以上。過去，多次受颱風事件影響，誘發崩塌、土石流，進而造成嚴重的坡地災害。例如2009年莫拉克颱風帶來高達3060 毫米累積雨量，造成高雄甲仙鄉小林村發生大規模崩塌，導致491名村民罹難；2015年蘇迪勒颱風3小時降下253 毫米，短延時、強降雨，造成原水濁度升高，進而影響供水穩定性[1]。根據《臺灣氣候的過去與未來》[2] 一書指出，未來氣候變遷情境下，侵臺颱風個數減少，但為強烈颱風的頻率增加，且降雨強度增強。在這樣氣候型態的轉變下，將可能對坡地帶來更大的衝擊。國家災害防救科技中心透過氣候變遷資料及模式模擬，發現石門水庫集水區21世紀末的崩塌率將提升，崩塌引發的大量土砂可能造成庫容減少，進而影響供水穩定性[3]。施虹如等[4]指出淺層崩塌是臺灣山坡地最常見且發生頻率最高的坡地災害類型，而颱風事件的極端降雨更是誘發崩塌的主因之一。因此，本研究選用美國地質調查所 (United States Geological Survey, USGS) 發展之淺層崩塌物理模式 (Transient Rainfall Infiltration and Grid-based Regional Slope-Stability Model, TRIGRS)，及臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台計畫 (Taiwan Climate Change Projection Information and Adaptation Knowledge Platform, TCCIP) 產製的氣候變遷推估資料 (HiRAM-WRF)，並以肩負南部供水、防洪等功能的曾文水庫集水區為研究區 (圖1)，來瞭解氣候變遷對坡地崩塌可能帶來的衝擊。本研究使用之氣候變遷資料、物理模式及衝擊呈現方式等可提供氣候變遷坡地衝擊研究參考。
圖1、曾文水庫集水區
氣候變遷情境資料
HiRAM-WRF[5][6][7]是TCCIP計畫透過美國大氣研究中心 (National Center for Atmospheric Research, NCAR) 的氣象研究與預報模式 (Weather Research and Forecasting Model, WRF)，將美國地球物理流體力學實驗室 (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL) 發展的HiRAM模式，降尺度至5公里解析度，所得到臺灣地區細緻的降雨推估資料，資訊如表1。HiRAM-WRF資料是具長時間段的時雨量，但颱風事件帶來集中且大量的降雨，才是造成的嚴重坡地災害的主因。並考量坡地相關單位執行期程的規劃性，本研究選用HiRAM-WRF基期及世紀中時期排名前30% 極端颱風事件進行崩塌潛勢的模擬。
表1、HiRAM-WRF資訊
| 資料 |
HiRAM-WRF |
| 暖化情境 |
RCP8.5 |
| 時期 |
基期 (1979至2008年)
世紀中 (2039至2065年)
世紀末 (2075至2099年)
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| 時間解析度 |
小時 |
| 變數 |
颱風事件、風場、氣壓… |
崩塌模式
本研究選用的TRIGRS[10] 是以無限邊坡理論為基礎，結合水文模式，模擬降雨入滲淺層表土，造成孔隙水壓的變化，並以對應的安全係數 (factor of safety, FS) 呈現邊坡穩定性。TRIGRS模式的建置需要當地的數值高程模型 (digital elevation model, DEM)、流向、坡度、土壤厚度等資料，以及影響當地的歷史颱風事件資料；建置流程如圖2。其中，參數校驗門檻值為山崩正確率及非山崩正確率達70%；計算方式如表2。當歷史颱風事件模擬結果之正確率皆大於70%時，即完成模式參數校驗及建置。完成校驗之模式可用來模擬降雨事件的崩塌潛勢。由於模式是以40公尺正方網格建置，因此，需將氣候變遷資料從5公里解析度內插成40公尺，並轉換雨量單位及格式，才能供模式應用。模擬結果以FS呈現，本研究定義FS小於1具崩塌潛勢，而FS大於1則代表不具崩塌潛勢。曾文水庫集水區模式參數校驗結果如表3，四場颱風模擬結果的山崩正確率及非山崩正確率皆達70%以上，後續可以此模式模擬氣候變遷下的崩塌潛勢。
圖2、TRIGRS模式建置流程
表2、山崩正確率及非山崩正確率計算方式
表3、曾文水庫集水區模式參數校驗結果
坡地衝擊指標-崩塌率
臺灣的崩塌研究多以崩塌率表示研究區內的崩塌嚴重程度[11]。崩塌率計算方式為崩塌面積除集水區面積，並以百分比表示，崩塌率越大代表該區域的崩塌越嚴重。由於模式運算單位為網格，故以網格為單位計算崩塌率；計算方式如式1。式中，具崩塌潛勢網格數即FS小於1之網格數。以曾文水庫集水區基期排名TOP1的模擬結果為例，網格FS小於1的分布情況如圖3。透過上述方法，計算基期及世紀中每場颱風事件之崩塌率。由於氣候變遷資料具有不確定性，不適合以單一數值為評斷基準，以趨勢變化角度評估較為合適。因此，本研究採用盒鬚圖來呈現各時期的崩塌率，一方面可瞭解數值的分布範圍，另一方面也表現出不確定性的高低。透過盒鬚圖可瞭解該集水區氣候變遷下整體衝擊的變化趨勢。
圖3、以曾文水庫集水區基期排名TOP1的模擬結果為例
坡地衝擊結果
透過前述資料及方法評估曾文水庫集水區氣候變遷下之坡地衝擊趨勢；結果顯示(圖4)，氣候變遷情境下，曾文水庫集水區基期的崩塌率範圍介於0.19％至8.11%間，世紀中則在0.36％至8.69%間，世紀中崩塌率範圍具提升趨勢。由盒鬚圖也可發現曾文水庫集水區的結果數值分佈範圍廣，代表不確定性較高。雖不確定性高，但整體衝擊趨勢的提升也說明該集水區未來可能受到衝擊，區域內的高風險區或水庫等應提前思索因應之調適策略。相關單位可參考本研究使用之氣候變遷資料、模式及結果呈現方式進行氣候變遷坡地衝擊研究。
圖4、曾文水庫集水區坡地衝擊結果
參考文獻
[1] 全球災害事件簿：https://den.ncdr.nat.gov.tw/
[2] 國家災害防救科技中心，2018：臺灣氣候的過去與未來《臺灣氣候變遷科學報告 2017—物理現象與機制》重點摘錄。
[3] 李欣輯、吳亭燁、陳麒文、鄭兆尊、童裕翔（2018）。暖化情境下極端颱洪災事件之坡地災害衝擊評估：以大漢溪及新店溪集水區為例，國家災害防救科技中心技術報告，NCDR 106-T09。
[4] 施虹如、吳亭燁、蘇元風、劉哲欣、李欣輯、陳永明、張志新，2015：極端降雨事件下淺層崩塌潛勢衝擊評估分析，工程環境會刊，34：77-95。
[5] TCCIP (n.d.)：統計與動力降尺度方法。from: https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/ publish_01_data_document_one.aspx?dd_id=20210609212941
[6] 姜欣妤等，2019：全球暖化下臺灣颱風的未來變遷，TCCIP電子報，第031期。
[7] 姜欣妤、鄭兆尊，2020：氣候變遷下巨災型颱風降雨特徵變化，TCCIP電子報，第043期。
[8] 陳嬑璇、譚志豪、冀樹勇，2011：不同廣域降雨促崩分析模式於山崩預警應用之探討，第14屆大地工程學術研究討論會。
[9] 李欣輯、趙益群、吳亭燁、施虹如、蕭逸華、鄭兆尊、陳淡容，2017：暖化情境下極端颱洪災害風險評估與減災調適：以大甲溪流域為例，國家災害防救科技中心技術報告，NCDR 105-T30。
[10] Baum, R.L., Savage, W.Z., and Godt, J.W., 2008: TRIGRS - A fortran program for transient rainfall infiltration and grid - based regional slope-stability analysis, Version 2.0. U.S. Geological Survey Open-File Report, 2008-1159, 75 p.
[11] 水土保持局，2020：以集水區崩塌長期演化談水土保持關鍵治理區位，計畫編號：SWCB-109-238。
[12]氣候搖滾同學會，【氣候變遷影響生活，如何趨吉避凶?】
與氣候變遷共存-從華盛頓自來水淨水場的重建來看氣候變遷調適
作者：林祺恒 專案佐理研究員 國家災害防救科技中心
要是一切能夠重頭來過，你會怎麼做？
生活在城市的你，享受水龍頭一開就有水的便利生活，有想過氣候變遷正在改變日常的美好嗎？城市的發展總離不開水，風光明媚的河岸風光常常是旅人最愛停留的地點之一，「逐水而居，傍水而生」可說是人類文明發展的寫照，但是這樣的地形也是最容易受到氣候變遷衝擊的地方。氣候的改變造成洪水事件發生頻繁，增加了水及電力等基礎維生設施損毀的風險，如果衝擊的是城市重要的設施－自來水淨水場時，有甚麼調適方式可以因應？華盛頓的一座自來水淨水場案例，正好讓我們可以好好思考，如果可以重頭來過，面對這些問題，我們可以怎麼做？怎麼考慮氣候變遷？如果不能重頭來過，我們又該怎麼面對氣候變遷？
圖片來源：Skagit Climate Science Consortium (SC2) Drinking Water
與水相畔-氣候變遷下的洪水與供水問題
華盛頓阿納科斯市 (Anacortes) 的自來水淨水場，位於斯卡吉特河 (Skagit River) 沿岸上，為斯卡吉特縣 (Skagit County) 和島縣 (Island County) 最重要的飲用水源，供應當地5萬6千人的飲用水，為當地重要的維生基礎設施。2003年時經市政府評估，需要將容量由2140萬加侖 (約8.1萬噸) 提升至3150萬加侖 (約11.9萬噸)，但是淨水場的老化以及氣候變遷帶來的問題，將增加供水風險並危及用水安全[1]。根據當地的政府部門與非營利組織 (Skagit Climate Science Consortium, SC) 的研究顯示，氣候變遷導致的降雨型態變化及溫度上升，將增加洪水事件的發生機率，同時造成城市設施毀損及財產損失[2]。由於自來水淨水場位處於洪氾平原上 (圖1)，氣候變遷下的洪水問題，成為他首要面對的問題[3]。
圖1、阿納科斯市 (Anacortes) 的自來水淨水場，為斯卡吉特縣 (Skagit County) 和島縣 (Island County) 最重要的單一飲用水源，供應當地5萬6千人的飲用水，位於斯卡吉特河沿岸上，非常容易受到洪水侵襲。
當斯卡吉特河的氾濫發生時，位於洪氾平原上的自來水淨水場首當其衝，如圖2所示。面對淹水問題，過去阿納科斯市政府僅能以環形堤防、排水幫浦系統，加上志工及海軍人員以堆沙包方式來抵禦洪水侵襲造成的危害，如圖3所示。阿納科斯市政府做過分析，如果發生百年頻率的洪水，洪水將越過環形堤防，淹水高度可達一層樓高，並淹沒淨水場處理飲用水的關鍵設施[4]，如圖4所示，供水系統可能因為這些設施被淹沒而停擺，造成停水。
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圖片來源：City of Anacortes Water Treatment Plant Climate Change Mitigation
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圖片來源：City of Anacortes Water Treatment Plant Climate Change Mitigation
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圖2、自來水淨水場遭遇極端洪水後的淹水情形
(左上圖)
圖3、過去阿納科斯市政府以環形堤防、排水幫浦系統，加上志工及海軍人員以堆沙包方式來抵禦洪水侵襲造成的危害
(上圖)
圖4、斯卡吉特河的百年頻率洪水會越過保護設施用的環形堤防，淹水高度可達一層樓高
(左圖)
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系統性的調適決策與思考
為了解決洪水侵襲的問題，當地政府考慮將淨水場遷移，但經過評估後發現在經費成本上不可行，必須思考其他可行方式。於是委託專業團隊經過長時間的資料蒐集及研究，釐清現況及未來可能遭遇的問題，評估各種方案之間的風險後，當地政府決議興建一座更先進的水處理廠[5][6]，以應對氣候變遷帶來的衝擊。
洪水的侵襲增加基礎設施的損壞風險，也嚴重影響城市供水，斯卡吉特淨水場的改建計畫，期待能綜合性的考量氣候變遷所帶來的衝擊，以降低氣候變遷下的脆弱度，並維持供水。為釐清問題的癥結點，專業團隊進行了長時間的評估研究，瞭解當地氣候水文條件及淨水場的操作流程，提出公正且充分的科學數據及可行的方案給政府單位，政府單位再透過充足的信息，進行經費的估算與風險的控制，以擬定改善計畫。整個過程可以分成「辨識氣候風險與調適缺口」以及「調適規劃與行動」說明如下：
* 辨識氣候風險與調適缺口
根據華盛頓州斯卡吉特縣區域的洪水保險研究 (Flood Insurance Study, FIS) 及當地的非營利組織SC²的研究成果，斯卡吉特河的洪峰發生在夏季 (6~7月) 及冬季 (11~12月)，其中冬季的洪水主要是由暴雨造成，極端洪水 (譬如一百年迴歸週期的洪水事件) 也常發生在冬季，且常常持續數日。而冬季暴雨亦可能伴隨著融雪，使得河川的逕流量更高[7]。斯卡吉特河下游的三角洲地區容易發生洪水氾濫，尤其是極端洪水事件，更會造成堤岸保護區域的溢淹。若將堤岸保護視為調適手段之一，當堤岸保護阻擋了多數的淹水風險，剩餘可能因為溢堤所造成的淹水風險，則是斯卡吉特淨水場所必須解決的調適缺口。
既然已經知道洪水問題是現在進行式，對於淨水場的改建，則需要進一步知道氣候變遷影響下，洪水問題是否更加嚴重或有可能趨緩，進一步評估此調適缺口。透過氣候變遷推估資料所做的斯卡吉特河未來逕流量模擬可以知道，氣候型態的確有所改變，洪水問題可能更加難以掌握。模擬結果顯示，秋季到春季的平均洪水量會增加，而洪水鋒值會移到春季發生，意味著過去在冬季期間發生的極端洪水事件，將變成在秋季及春季也可能會發生；為了進一步了解洪水事件造成的風險，阿納科斯市政府參考了洪水保險研究 (FIS) 統計自1909年起的洪水頻率分析結果[8]，結果顯示斯卡吉特河於淨水場河段的一百年迴歸週期的洪水水位為40英尺 (圖5)。
圖片來源：Anacortes官網(https://www.cityofanacortes.org/)，由本篇整理重製
圖5、華盛頓州斯卡吉特縣區域的洪水保險研究 (Flood Insurance Study, FIS) 成果-斯卡吉特河淨水場河段各迴歸週期的水位高度
* 調適規劃與行動
斯卡吉特淨水場過去曾遭受洪水侵襲，受氣候變遷影響，未來洪水量可能增加，週期可能縮短，即使有堤岸的保護，未來仍有調適缺口，必須擬定適當方案來因應淹水風險。淨水場面對這樣的淹水風險，設施的淹沒是優先需要考慮的問題。
斯卡吉特淨水場所採取的調適策略，並非去加高堤防來填補剩餘的調適缺口，而是去降低淨水場對於淹水事件可能造成衝擊的脆弱度，進而降低風險。團隊針對淨水場進行重新設計及重點強化。首先針對防水的環形堤壩進行強化，再以一百年迴歸週期的洪水位為標準進行設計，抬高重要的水處理單元如抽水泵。而最容易受淹水影響，也就是最脆弱的電力系統，則將地基墊高，使其超過一百年迴歸期的洪水位；其他無法墊高的設施，如河流沉積物處理設施及抽水泵，則在所在的建築物本體貼上防水膜，以阻止或降低百年洪水穿透設施的機會。淨水場針對氣候變遷衝擊，所擬定的調適規劃示意圖可以圖6大致了解。
由本篇整理繪製
圖6、斯卡吉特政府以推估100年重現期的洪水位 (約40英尺)，針對不同設施進行不同的重點防護措施：架高關鍵的設施結構，如環形堤壩及排水泵系統，並且提高並加強處理廠附近的堤壩。對設施上使用防水結構，並貼上防水膜確保在100年重現期水位以下不會穿透設施。墊高備援的電力的開關設備於100年重現期洪水位之上。
華盛頓阿納科斯市 (Anacortes) 受到全球氣溫上升的影響，降雨型態已發生改變，造成該地區全年的洪水發生頻率增加，衝擊城市設施及維生基礎設施-淨水場，阿納科斯市意識到氣候變遷衝擊的事實已無法改變，故透過深入的數據蒐集與分析，針對既有設施進行氣候風險的評估及經費估算，有效的辨識氣候風險與調適缺口，再進行調適規劃與行動，重建完成的淨水場如圖7所示。但是未來的氣候風險仍在，像是氣溫升高導致降雪量減少、全年流量分配的改變、山坡地的滑動造成的長時間的原水濁度增加及地震造成輸水管線經過的土地液化、海嘯的侵襲等，也顯示地方的調適計畫仍須進行滾動修正，以面對未來可能發生的威脅。
圖7、重建後的淨水場，根據推估的100年重現期的洪水位，針對不同設施進行不同的重點防護措施：(1) 架高關鍵的設施結構，如環形堤壩及排水泵系統，並且提高並加強淨水場附近的堤壩。(2) 對設施上使用防水結構，並貼上防水膜，確保在100年重現期水位以下不會穿透設施。(3)墊高電力的開關設備於100年重現期洪水位之上。
結語
阿納科爾特斯市這個案例除了展示「與災害共處」的概念，整個規劃過程也可以看出完整的氣候變遷調適規劃的系統操作方式，也就是先「辨識氣候風險與調適缺口」，再進行「調適規劃與行動」。如果只是一味的考慮防災，沒有去辨識氣候風險以及調適缺口，很有可能會忽略未來氣候變遷所造成的氣候型態改變，在缺乏整體性評估與考量之下，可能造成不當調適的後果。
氣候變遷可能造成降雨特性與型態的改變，這樣的問題同樣影響著臺灣這片土地。近年來許多破紀錄的颱洪事件，如2009年的莫拉克颱風及2015年的蘇迪勒颱風，超大的累積雨量或是短時間的強降雨，都在考驗過去水利基礎設施，如水壩及淨水場的設計強度及應變處理能力。無論是各季節降雨分布的改變或暴雨的機會增加，都可能造成洪水更頻繁的發生或洪峰值的增加，對於原本的水處理設施造成壓力。袖珍的臺灣寶島如何與強大的氣候變遷影響共存？華盛頓阿納科斯市的自來水淨水場調適案例也許值得參考，除了當地政府與專業團隊攜手合作以系統思考方式擬定調適策略的過程值得參考之外，與氣候變遷共存也是我們接下來必須去面對與思考的重要調適課題。
參考文獻
[1] Climate Change Adaptation Resource Center (U.S. Environmental Protection Agency, EPA), Anacortes. Washington Rebuilds Water Treatment Plant for Climate Change, Retrieved April 29, 2022, from https://www.epa.gov/arc-x/anacortes-washington-rebuilds-water-treatment-plant-climate-change
[2] Skagit Climate Science Consortium (n.d.), Drinking Water, Retrieved April 29, 2022, from http:// www.skagitclimatescience.org/wp-content/uploads/2015/09/DrinkingWater_ BriefOverview.pdf
[3] City of Anacortes (n. d.), 2008 Skagit County National Hazards Mitigation Plan , Retrieved April 29, 2022, from http://www.skagitcounty.net/EmergencyManagement/Documents/ 2008HazPlanFinal/Section%20IV%20Final%20Documents/4%20Anacortes%20Final%20Documents/City%20of%20Anacortes%202008.pdf
[4] City of Anacortes Public Works (Fred Buckenmeyer), Salish Sea Ecosystem Conference: City of Anacortes Water Treatment Plant Climate Change Mitigation , Retrieved April 29, 2022,from https://cedar.wwu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1549&context=ssec
[5] Water Treatment Plant in Anacortes(Kurt Sitsch), Washington, Retrieved May 24, 2022, from https://storymaps.arcgis.com/stories/29c566292a97494888b0267b6bfca7c9
[6] Anacortes, Washington Rebuilds Water Treatment Plant for Climate Change (INDIANA UNIVERSITY), Retrieved May 31, 2022, from https://eri.iu.edu/erit/case-studies/anacortes-washington-rebuilds-water-treatment-plant-climate-change.html
[7] Flood Insurance Study – Skagit county, Washington and Incorporated areas(Federal Emergency Management Agency), Retrieved May 31, 2022, form https://www.skagitcounty.net/ PlanningandPermit/FtpFiles/Documents/FEMAfloodstudy/study.pdf
[8] Skagit River Delta Overbank Flowpath(Federal Emergency Management Agency), Retrieved May 31, 2022, form https://www.skagitcounty.net/PlanningandPermit/FtpFiles/Documents/ FEMAfloodstudy/exhibitSKAGITDELTA.pdf
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