杜風 97 期 學術活動成果報導

永續土木工程-石門水庫清淤方式比較

白博升、黃銘麒、潘瑀涵

台大土木系

 

 

源起暨個案介紹

鑒於近期石門水庫供水情形吃緊,水庫淤積議題再次受到國人重視,本團隊對石門水庫之清淤方式,並提出本報告以作為可行方案之建議。

石門水庫基本資料

石門水庫位於大漢溪中游,其壩體為滾壓土石壩之構造,壩高133公尺,其他附屬設施包含溢洪道、排洪隧道、電廠、石門大圳及桃園大圳進水口等。

石門水庫之設計庫容為3.09億立方公尺。滿水位標高245公尺、面積8平方公里;呆水位標高則為195公尺。集水區內,包括支流河川在內共有64條,總集水區面積達763.4平方公里。

關於石門水庫之興建及早期之防淤工程,依時間順序整理如下:

  • 興建

民國45年7月

興建

民國53年6月

完工



  • 淤積相關

民國52年9月10日

葛樂禮颱風,進水速率高達 10,500 m3/sec

民國52年11月

決議於上游興建護堤攔沙壩

民國54年

興建義興攔沙壩

民國54年3月 

首次作淤沙測量:已達1,950萬立方公尺

民國57年4月

石門水庫防沙工程規劃隊進行大漢溪河床淤沙情形及崩塌地調查,表示淤積量達2,560萬立方公尺,須在上游逐段建築37座攔沙壩,總工程費 7 億元 (石門水庫防沙工程規劃隊之構成: 農復會、石門水庫管理局、水利局、農牧局、林務局、地質調查所、公路局、水利資源委員會)

民國60年8月

新竹縣政府計劃開闢山地尖石鄉錦屏道路計畫長度 6.8 公里,工程經費達 1 ,000萬元

民國62年

興建巴陵攔沙壩

民國62年7月

調查顯示:截至61年底,淤積量達3,400萬立方公尺

民國63年10月 

省府擬定山地政策,以加強土地利用與開發分六年興建完成 217 個山地村的汽車道路

民國64年4月

省府規劃完成,近四萬公頃山坡地開發事宜計畫內容大規模開發山坡地,發展農牧事業之計畫

民國67年

興建榮華攔沙壩

         

石門水庫淤積現況

石門水庫每年會固定實施1次淤積測量,最近之測量結果顯示:截至103年2月止總淤積量為9,497.6萬立方公尺,佔水庫設計蓄水容量3.09億立方公尺之30.72%;其中,若不考慮無法供水庫運轉使用之呆容量,則實際上有效蓄水容量之淤積為4,280.2萬立方公尺,佔有效蓄水設計容量2,518.8萬立方公尺之16.99%

淤積速率

根據民國100年「石門水庫阿姆坪防洪防淤工程可行性規劃」推算,平均年入庫泥砂量為353萬立方公尺;考慮到集水區整治計畫整體實施成效,預計每年可減少入庫土砂11萬立方公尺,則每年仍有342萬立方公尺入庫泥砂。

淤積來源

如以民國93年艾利颱風後淤積量計算,民國93 ~ 96年總淤積量增加3,883.2萬立方公尺,大約佔去現今總淤積量9,497.6萬立方公尺之40%,可推測係因921地震後,集水區內大範圍土石鬆動,且又經艾利颱風暴雨沖刷所致,此外民國96年巴陵壩損壞造成估計近1,047萬立方公尺之土石進入水庫,以上乃造成水庫近年淤積顯著成長之重要原因。

淤積土砂成分

根據經濟部水利署北區水資源局之化驗報告,由庫區抽出至沉澱池內之淤泥多為伊利石(Ilite)與綠泥石(Chlorite),化學元素成份中矽(SiO2)佔60.95%、鋁(Al2O3)佔17.48%、鐵(Fe2O3)佔6.6%。

為使清淤過程中抽出之土砂有更大之經濟效益,對此淤泥之用途進行考慮,可知其適合作為陶器、馬賽克、紅磚、地磚等之原料;但其成份為細稠之高塑性黏土,具有透水性不良的特徵,雖說有機物含量不足3%並不高,做為其他製品材料有處理不易與不經濟之缺點,故產業使用意願偏低。

考慮將此淤泥用於土木工程,可依工程土壤統一分類法歸類為ML、CL,依營建剩餘剩餘土石方交換利用分類代碼則為B3、B4,可在排水處理之後,透過土方交換大量清運運書提供土木工程作為窪地填方、運動場底層隔水層填方、垃圾場復育表層防水層、河岸回填等用途。

清淤工法比較

本報告於現有之沉澱池與規畫中之排砂隧道之外,另外考量地工砂腸袋工法,茲介紹如下。

沉澱池

沉澱池工法,其概念係將庫區之淤泥抽出至挖好之池子進行自然沉澱,上層清水可再進入水資源系統,下層沉澱後之淤泥則另行運送。

石門水庫現已有此工法:昔以抽砂船用強力水柱將淤泥打碎,今則改用鉸刀機以提升效率,藉此將長期沉澱壓密之庫區淤泥抽出,並經由抽泥管線由壩側頂部排送至下游管線,進入延著後池堰下游右岸之13座淤泥沉澱池側邊之疏浚管線後,將淤泥泥水排入沉澱池內存放。

其13座沉澱池,淤泥堆置場佔地面積約70公頃,其容量共約380萬立方公尺。沉澱池的主要功能在於使水中之泥砂沉澱於池內,清水部分則排入下游河川,供灌溉之用。各沉澱池之上游側設有進水渠,渠道之右牆等距設置5個溢流堰,堰寬各為1公尺。下游側設有出水渠,出水渠之左牆全部作為溢流堰,使沉澱池頂部之清水經溢流堰流入出水渠內,再經排水系統流入大漢溪。

優缺點比較

優點

  • 施作建設過程簡易,較無需困難技術
  • 沉澱池部分區域被列為國家級保育溼地,可在附近施作花海,讓空間活化

缺點

  • 佔地面積大
  • 由於目前之沉澱池是採用重力式沉降原理,故所需壓密排水時間甚長
  • 由於合法棄土場所取得不易,復以沉澱池大量淤泥以廢棄土處置,殊為困難
  • 石門水庫13個沉澱池均已淤滿,幾乎不堪使用
  • 淤泥含水量過高,以致難以大量清運及再利用

排砂能力

庫區中現有抽泥船一艘,年抽泥量最高可達33萬立方公尺;而沉澱池發包清運量約為每年20至25 萬立方公尺,可短暫性提升年度清運量至40萬立方公尺。

成本

抽泥部分,每立方公尺約需新台幣100元;運送成本則約為600 元。至於沉澱池之設置,由於為現有設施,此後又因取地困難估計不會增建,故不予考慮。總計每立方公尺的成本為新台幣700元。

排砂隧道

排砂隧道的概念是平日將淤泥堆積在隧道入口處,等到颱風或是需要洩洪時連同蓄清排濁(渾)的手法一起施作,一次將大量的淤泥帶入下游河道中。
這個方法有兩個最主要的好處,從生態以及環境地理的觀點出發,蓄清排濁帶走的淤泥剛好可以補充下游被水庫攔截的泥沙,減緩下游流失現象;從經濟以及管理開銷的觀點來討論,此方法無疑是節省了大量的運輸金費和器具人力,操作上也簡便許多。

優缺點比較

優點

  • 操作流程簡易
  • 省去運輸成本
  • 清淤能力極高

缺點

  • 需要等待適當時機才能使用
  • 建造隧道所費不貲(短期經濟壓力相對大)
  • 排濁過程以及短時間內會造成下游的濁度遽升

排砂能力

根據紀錄,目前既有之排砂鋼管每年可清除100萬立方公尺之淤泥;而規劃新建之排砂隧道則預估可達135萬立方公尺。

成本

規劃新建之阿姆坪隧道,造價約50億新台幣;同為規劃新建之大灣坪隧道,造價約60億新台幣。若此建設以20年攤銷建造成本,並忽略維護費用,則單位成本約為:

(50億+60億) / (135萬m3 /yr * 20 yr) = 每立方公尺407元

地工砂腸袋

2.3-1  地工砂腸袋用於海岸工程

地工砂腸袋工法與沉澱池相似,仍需要抽泥設施以及運輸設備,兩者間最大的差距在於其排水方式不同。

若以沉澱池之運作方式為基礎,以地工砂腸袋取代沉澱池,則可得出「抽泥至壩體下游處→直接灌入砂腸袋→藉由灌入之壓力加速排水→封口後以卡車運送」這一模式;考量到卡車運送成本高昂且運量低,可在抽泥後直接以管線運至需要地工砂腸袋之地點,於現地進行裝填及使用。

就泥沙後續開發用途而言,可以藉由陸運將一袋袋的泥土送至需求之單位,方便其進行開發研究;若以完成研發,也可建置專用管線,將大量之沉泥直接送往生產之廠房。

優缺點比較

優點

  • 排水效率較沉澱池為高
  • 填裝完成之地工砂腸袋在水利相關建設常可直接作為大型材料使用
  • 地工砂腸袋本身之成本不算太高

缺點

  • 運輸成本,陸運自然不便宜,管線輸送也有建置成本
  • 目前多是以塑膠(PP聚丙烯)製成

排砂能力

由於此工法之排水速率較快,且空間彈性較沉澱池高,故排砂能力取決於抽泥設施的效率,可藉由設置較多的抽泥船來提高排砂效率。若考量兩艘抽泥船,則預估為每年70萬立方公尺。

成本

抽泥部分之成本約為每立方公尺100元新台幣;地工砂腸袋之單價約為每立方公尺10美元,加上能提升排水效果的化學藥劑則為14美元,換算為台幣則約為420元。

運送部分,以卡車陸運至台北港來估算,約為每立方公尺500元;若以鋼管運輸,則考慮到鋼管使用年限,將其成本攤平後僅約20元。

總合來說,若以陸運運輸,則成本為每立方公尺1,020元;至於管線運輸,成本約為每立方公尺540 元,比沉澱池更便宜,且具有填海造陸施工方便性的優勢。

工法比較

上述之三項工法各有優劣,本報告將清淤能力、成本此二項定量性質整理如下表所示:

表 工法效率及成本比較
方案名稱 沉澱池 排砂隧道 砂腸袋
清淤能力 (萬m3/yr) 20~40 100(既有)+135(新建) 70
清淤成本 (NTD/m3) 600~1,000 400 540

 

可發現排砂隧道為最有效率之做法。然工程不能只考慮效率與成本,也應將生態、景觀、節能減碳等因素列入考量,重新比較後繪圖如下:

 

工法優劣之綜合比較

 

可發現排砂隧道雖在經濟面有最大優勢,但綜合而言,地工砂腸袋的表現較佳,而沉澱池工法則在生態及美觀方面見長。

由圖可明顯看出,排砂隧道在其他面向皆較弱,唯獨經濟層面上較為突出,因此,即使以效用角度來看應以排砂隧道為主,此工法也不會是最佳選項;相較之下,地工砂腸袋工法在安全、經濟、生態、美觀及節能減碳各方面皆有不差的體質,儘管清淤效率略遜於排砂隧道,仍會是較理想的方案;至於現行的沉澱池工法,由於效率較差導致經濟面向大幅落後,因此不建議作為主要方案使用。

結論與建議

經過綜合評估,以地工砂腸袋工法進行清淤較為合適;但考量到土砂年入庫量高達342萬立方公尺,僅靠地工砂腸袋仍然不足,故應盡可能利用能使用之工法,截短補長方為上策。

首先,現有之沉澱池工法能提供30萬立方公尺,排砂鋼管有100萬立方公尺;此外,規畫興建中之排砂隧道可提供 135萬立方公尺。至此已有265萬立方公尺,距離出入庫之平衡差距為77萬立方公尺,此差距交由地工砂腸袋工法處理。

離開庫區之土砂,除了排砂鋼管、排砂隧道為回歸河道之外,沉澱池工法與地工砂腸袋工法皆需透過人為方式配送至其他區域,故應獎勵淤泥活用之研發,並且補助使用淤泥做為原料之產業,一方面可提高淤泥需求量,另一方面亦能藉由銷售淤泥補貼財務負擔。

本報告建議,藉由三種工法之並用,解決石門清淤之難題。

台灣三大水庫淤積現況

考量到台灣各地水庫均面臨淤積問題,本報告遂附上一部分水庫之比較,作為後續其他水庫淤積處理之開頭。本報告選擇翡翠、石門及曾文三座水庫進行比較,整理如下表所示:

表 台灣三大水庫淤積現況

翡翠水庫 石門水庫 曾文水庫
被提列之理由 台灣最優良的水庫 近日淤積問題最沸騰的水庫
台灣最有名的水庫
台灣庫容最大的水庫
設計容量
(萬立方公尺)
40,600 30,912 70,800
有效容量
(萬立方公尺)
38,114 20,987 47,955
淤積比率 6.12% 32.11% 32.27%

 

由表可以發現,儘管知名如石門、曾文,自建成至今也是持續受害,淤積量體已經佔據近1/3的設計庫容,形同半殘廢狀態,其他名不見經傳的水庫遭受何等待遇可想而知,只有翡翠水庫得天獨厚得到應有的關愛;若是繼續維持這種累積速率,20年後只能宣判這些水庫死亡,到時候全台灣大多數地區將陷入沒有水庫之苦(假若海水淨化等替代水源在市場和民意層面上尚未發展成熟),因此積極的清淤絕對是必要的。

參考資料

經濟部水利署 小小水博士
http://www.wra.gov.tw/subject/index_3.asp?ctUn=1350&ctNo=6691&YN=N&mcd=d1

經濟部水利
http://www.wra.gov.tw/

維基百科 石門水庫
http://zh.wikipedia.org/wiki/石門水庫_%28台灣%29

台北市都市更新處
http://uro.gov.taipei/mp.asp?mp=118011

台北翡翠水庫管理局
http://www.feitsui.gov.taipei/

PERFORMANCE OF GEOTEXTILE TUBES WITH AND WITHOUT CHEMICALAMENDMENTS TO DEWATER DAIRY LAGOON SOLIDS
http://www.cals.ncsu.edu/waste_mgt/natlcenter/sanantonio/Worley.pdf

盟鑫 - 產品 - 地工砂腸袋
http://www.gold-joint.com/products10.php

盟鑫 - 中美洲海岸保護案例
http://www.gold-joint.com/pdf/P04_Geotextile%20tube.pdf

盟鑫 - 碳足跡盤查
http://www.ecopark.gold-joint.com/work_04.php

盟鑫 - 電子報
http://www.gold-joint.com/upload/epaper/ep/s003/hot_tube.html

公視新聞議題中心 ─ 【我們的島】搶救下一滴水
http://pnn.pts.org.tw/main/2011/07/17/%E3%80%90%E6%88%91%E5%80%91%E7%9A%84%E5%B3% B6%E3%80%91%E6%90%B6%E6%95%91%E4%B8%8B%E4%B8%80%E6%BB%B4%E6%B0%B4/

聯合新聞網 ─ 石門水庫沉澱池-將施作花海
http://udn.com/news/story/7324/643337-%E7%9F%B3%E9%96%80%E6%B0%B4%E5%BA%AB%E6%B2%89%E6%BE%B1%E6%B1%A0-%E5%B0%87%E6%96%BD%E4%BD%9C%E8%8A%B1%E6%B5%B7

中時電子報 ─ 規畫2座排砂隧道 將斥資110億元
http://www.chinatimes.com/newspapers/20140610000372-260102

 

 

 

 

 

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