多元整合空間資訊技術於地層下陷監測之應用水文技術組

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  發刊期數:第0319期/ 發布日期:2019/02/22

圖1  濁水溪沖積扇之(a)地形圖與_pic

一、前言

由於世界人口與經濟的持續成長,人類對於水資源的需求亦不斷提昇,當地面水資源不足時將轉而使用地下水資源以彌補不足,但不當超抽地下水將導致地層下陷並衍生其他災害,此一問題已普遍存在於各開發中或已開發國家,而臺灣亦是其中之一。臺灣西部平原地區由於經濟快速發展,水資源需求大幅增加,加上地下水取用方便,使得平原區超抽地下水的情形普遍,導致西南沿海地區嚴重的地層下陷問題,其中又以濁水溪沖積扇區域(彰化與雲林地區)最為嚴重。

濁水溪沖積扇濁水溪沖積而成,北起烏溪,南至北港溪,東起八卦山台地西麓和斗六丘陵,西止於臺灣海峽,是臺灣最重要的農業地區(圖1-a)。區域內主要地下水補注區位於扇頂,以厚層礫石及粗為主,強度及透水性較高,可壓縮性低,易獲得地表水補注,且無主要阻水層;扇央及扇尾部份,地表深度330公尺範圍內分為4個含水層阻水層,主要由細黏土構成,屬於軟弱土壤,因此當地下水受到超抽時,將因補注不及而降低,進而引起地層壓縮變形(圖1-b)(表1)。

表1 濁水溪沖積扇壓縮潛能分析表
沖積扇位置 主要土壤組成 壓縮潛能
扇頂 礫石及粗
扇央 介於扇頂與扇尾之間
扇尾 黏土
壓縮潛能差異說明
粗顆粒土壤,具有高強度及高透水性,不僅可壓縮性低,且容易獲得地表水之補注,因此地層下陷的潛能低

二、監測方法

多元整合空間資訊地層下陷監測技術包含水準測量、GPS固定站、雷達干涉測量、地陷監測井等4類,再搭配地下水位變化資訊,分別從不同面向監測濁水溪沖積扇整體的地層下陷(圖2),其監測設備分布如圖3。利用各監測設備不同時間與空間解析度及監測特性,可以互補與交互驗證(表2);如利用水準測量及雷達干涉成果找出下陷範圍與下陷中心,在下陷中心結合GPS固定站、地陷監測井與地下水位井,分析其下陷機制與預測未來可能之下陷量。透過現象的分析與機制的瞭解,最後提出減緩地層下陷方案與建議。

  • 圖2 多元整合空間資訊監測技術示意圖
  • 圖3 濁水溪沖積扇監測點位分佈圖
  • 圖註:圖中綠色圓點為水準樁,紫色、橘色與黃色方形分別為GPS固定站、地層下陷監測井水準測量參考點,桃紅色三角形為GPS與地陷監測井共站處,藍色實線為水準測線,紅白線段為高鐵路線,綠色空心線為中山高速公路。

表2 多元整合空間資訊監測技術之解析度與量測精度比較表
項 目 水準測量 GPS固定站 地陷監測井 InSAR
空間解析度 1.5-2 km 10-15 km 5-10 km 6-25m
時間解析度 1 year 1 day 1 month 12 days
(以Sentinel衛星為例)
垂直變動
量測精度
0.5-1 cm 0.5-1 cm 0.1-0.5 cm 0.5-1 cm

三、監測成果

(一)水準測量

水準測量為目前地面高程測量中精度最精準的量測方法之一,該方法不僅可以獲得每個檢測點的精確下陷速率,同時利用地質統計方法(Kriging)內插分析,可以計算顯著下陷面積(年下陷速率超過3公分/年以上定義為顯著下陷面積)與累積下陷量圖,目前彰化與雲林地區每年定期進行一次精密水準測量。為民國106~107年度彰化與雲林地區年平均下陷速率圖,其中彰化地區最大下陷速率為3.4公分/年,顯著下陷面積為9.1平方公里,主要下陷位置發生在溪州鄉與溪湖鎮。雲林地區最大下陷速率為6.6公分/年,顯著下陷面積為296.2平方公里,主要下陷位置發生在內陸四鄉鎮(虎尾鎮、土庫鎮、元長鄉與褒忠鄉)與沿海地區三鄉鎮(四湖鄉、口湖鄉與臺西鄉)。

  • 圖4 民國106~107年彰化與雲林地區下陷速率圖
(二)GPS固定站

GPS監測網結合經濟部水利署、中央地質調查研究所、內政部地政司、中央氣象局與工業技術研究院等五個單位共40個GPS固定站(圖5-a),每日對該監測網各站進行自動化三維坐標變化分析。根據2010年4月至2018年4月觀測結果顯示(圖5-b),高速鐵路沿線經過的土庫鎮與元長鄉下陷最為顯著,年下陷速率最高達到5~6公分/年,其監測成果與水準測量一致。由於GPS具有連續觀測的優點,未來可利用時間序列分析技術,精確地分析地層因季節性變化與地下水的豐枯期造成之地表變形。

  • 圖5 (a)彰雲地區GPS固定站分布圖
  • 圖5 (b)2010年~2018年GPS高程變化速率圖
  • 註:圖中紅色圓點代表由經濟部水利署建置的GPS固定站,藍色圓點代表由其他單位設置的GPS固定站。
(三)地層下陷監測井

濁水溪沖積扇水文地質條件複雜,各含水層特性亦不相同,為能監測不同含水層的壓縮量,可透過地陷監測井釐清不同地層之壓縮行為。地陷監測井主要是依據現場鑽探資料與地球物理探勘方法,在不同深度土層的分界位置設置磁環,透過量測磁環位置的變化,瞭解不同深度的土層壓縮變化量(圖6-a),且量測精度經由不確定統計分析,可達到優於1 mm的監測精度。圖6-b為雲林縣土庫鎮秀潭國小地陷監測井量測成果,由圖中顯示該地區主要壓縮深度約在地下0-200公尺之間,尤其以0-50公尺的土層壓縮最為顯著,而次要壓縮層約在地下200-300公尺之間;圖中亦顯示地陷監測井可獲得地下多個地層的壓縮量,以進一步釐清可能的抽水來源,如淺層土壤壓縮則抽水來源可能為農業用水,而深層土壤壓縮之可能抽水來源為工業或民生用水。因此透過地陷監測井資料,可有效掌握造成土壤壓縮的應力來源,進一步擬定防治措施減緩地層下陷

  • 圖6 (a)地陷監測井示意圖
  • 圖6 (b)秀潭國小地陷監測井累積壓縮量圖化速率圖
(四)雷達干涉技術

多時域雷達干涉技術(Multi Temporal InSAR, MT-InSAR),具快速監測大範圍地表形變之特性,可提供高密度面狀資訊,其精度可達釐米等級。利用短基線子集差分干涉法(Small Baseline Subset Differential method) (Berardino et. al., 2002),針對濁水溪沖積扇進行監測,同時利用水準測量成果進行校正。經由210個檢測點交叉驗證顯示,InSAR與水準測量成果兩者的均方根誤差(RMS)約0.8公分,顯示InSAR技術可獲得高精度的大範圍地表變形資訊。同時藉由資料融合處理方法(Hung et. al, 2012, 2018),有效結合「重複觀測」之水準測量與InSAR成果,提高整體監測精度,進而獲得更真實之地表變形趨勢面。圖7為資料融合處理後之2016至2017年雷達干涉成果,由成果顯示,彰化與雲林地區主要下陷區域分布於中山高速公路沿線以西地區,其中以彰化縣溪湖鎮與溪州鄉,雲林縣虎尾鎮、土庫鎮、元長鄉、褒忠鄉、四湖鎮、口湖鎮與臺西鄉相等區最為明顯。

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