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混凝土緩坡拋石堤面海堤溯升觀測科技之研發–以屏東楓港海堤為例水文技術組

  發刊期數:第0240期/ 發布日期:106/08/18

  受限於海堤堤面溯升觀測技術的進展,過去實際波浪於堤面溯升情形大多以當地居民口述或事後蒐集現場跡象推估而得,鮮少利用自動化觀測設備實際觀測而得知科學數據,對於波浪在海堤堤面產生之溯升及其最大高度較無法掌握。近年來水利署委託財團法人成大研究發展基金會(近海水文中心),研發海堤堤面溯升觀測系統(水利署海堤區域非接觸式水文觀測及越波溢堤預測新興技術之研發,2013-2014),於颱風期間多次成功測得海堤堤面溯升高度,並作為堤面溯升預測模式的校驗用途。另第六河川局亦引用此成果,實際應用於第六河川局所轄海堤(台南高雄海堤溢淹越波預警系統驗證及建置,2015-2016),並將海堤堤面溯升觀測系統提昇為可即時回傳之作業化系統,亦獲得不錯的成果。

  惟上述堤面溯升觀測系統限制使用於混凝土平滑堤面,本計畫目標海堤上布滿大大小小的拋石,不若混凝土堤面隨處可進行支架的固定工作,故無法使用過去儀器架設的配置方式。經現地勘查,發現堤面上有大小不一的拋石,利用大石塊比較不易移動之特點,本計畫擬利用海堤上較大較穩固的石塊進行溯升觀測儀器支架的固定(示意圖如圖1及實際支架固定圖2),期能降低溯升觀測設備受外力而變形損壞的機率。

  本計畫海堤堤面溯升觀測系統乃由6組高精度導電度組成,搭配資料即時傳輸與紀錄系統。圖1為楓港堤面波浪溯升即時量測系統裝置圖,由圖中可知,楓港海堤堤前有拋石及消波塊,而每組儀器沿海堤堤面進行布置。堤後有資料即時傳輸及紀錄系統,透過3G(3rd-Generation)可將溯升量測資料即時傳輸至控制中心,同時也將紀錄資料儲存於Data Logger以保全颱風期間的資料。
  • 圖2 楓港海堤溯升測計支架安裝示意圖
  除觀測之外,本計畫亦針對楓港海堤堤面溯升之預測進行開發工作。水利署於民國102–103年曾辦理「海堤區域非接觸式水文觀測及越波溢堤預測新興技術之研發」計畫,採用數值波潮模式(WAVEWATCHIII,WWIII;Princeton Ocean Model,POM)作業化產出近海波潮系集預測結果,並採用Goda(1985)所提出的波浪淺化經驗公式,根據堤前地形水深資料,將外海波浪模擬結果推算至近岸海堤堤前50~200公尺處(TAW,2002)。再應用美國陸軍工兵團(U.S.Army Corps of Engineers,USACE)所制定之海岸工程手冊(Coastal Engineering Manual,CEM,2003)設計準則,預測颱風侵臺期間未來48小時於近岸海堤區域引致之最大溯升高度與平均越波量,建置適用於目標海堤的作業化海堤溯升越波預測系統。最後再以前述堤面溯升觀測系統於災害性天氣事件所測得之數據作為溯升預測系統之校驗基礎,經相互比對後,獲得不錯之成果。預期未來可提供颱風期間波浪於楓港海堤堤面可能發生最大溯升高度的預估範圍,以增加海岸防災預警的準確性及實用性。以下針對過去校驗結果舉例說明:

  圖3系級預報圖中,橫軸代表日期(逐時輸出);縱軸代表「預估溯升高度」,單位為m。「預估溯升高度」為本研究利用CEM(2003)溯升經驗公式,根據目標海堤堤前水深地形、堤面坡度與粗糙度等參數所預估的累積機率2%最大溯升高度與平均越波量;「Measurement Data」為海堤堤面波浪溯升量測系統於颱風影響期間現地量測的最大溯升高度。亦將七股海堤堤面溯升感測計的安裝高程標示於圖的右側,以利判斷該區段海堤之溯升感測計能測得波浪溯升的最低高程
  • 圖3 莫蘭蒂與馬勒卡颱風影響期間七股海堤堤面波浪最大溯升高度系集預測結果與現地量測資料比對結果
  本計畫完成以後,預期將建置適用於混凝土緩坡海堤覆有拋石塊的溯升觀測系統,並以視窗化網頁平臺作業化展示目標海堤堤面溯升高度以及越波量的預測資訊,相關預期效益條列如下:
  1. 應用美國陸軍工兵團(U.S.Army Corps of Engineers)制定之海岸工程手冊(Coastal Engineering Manual)CEM(2003)建置作業化海堤堤面溯升越波預測系統,作業化產出波浪於目標海堤堤面造成之最大溯升高度與平均越波量的逐時預測結果。更透過統計方法,提供系集預測結果,有效提升海岸防災預警與與海岸防護規劃之實用性。
  2. 研發並建置楓港目標海堤堤面溯升觀測系統一處,即時提供颱風侵臺期間楓港目標海堤前方近岸波潮條件與堤面溯升量測結果,用以校驗並檢視各波浪最大溯升高度預測結果的準確性,有效掌握海堤安全評估技術,加強海岸防災預警與海岸防護規劃的可靠度。
  3. 評估建置視窗化網頁資訊平臺,展示本計畫執行期間的量觀測與預測結果,包括災害性天氣事件期間楓港目標海堤堤面最大溯升高度即時觀量測結果,以及未來48小時海堤堤面最大溯升高度與平均越波量的作業化預測結果等。期能降低楓港目標海堤區域保全對象之威脅。