会呼吸的防砂坝

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采取生态为基础、安全为导向的工程方法，以减少对自然环境造成伤害，成为近来规划设计的主要考量。

 

防砂坝的功与过

 

一般大众普遍认为防砂坝的功能仅是拦蓄砂石，一旦淤满就失去功能，必须清淤以回复原有库容。但「防砂坝」一词在水土保持手册（2017）中定义为「拦阻或调节河床砂石；减少河床坡度、抑止乱流、防止横向冲蚀；固定两岸坡脚、防止崩塌；抑止土石流、减少灾害等」。由这样的定义可以了解拦阻砂石、抑止土石流是防砂坝空库时的重要功能，但防砂坝淤满后也会导致上游溪流坡度减缓，使河道冲蚀的能力降低，具稳定两岸边坡、防止崩塌等功能。

 

因此防砂坝不论是否淤满，都具有安定土砂的正面功能，也广泛使用于世界各国的高山溪流，且防砂坝一旦兴建完成都以不拆除为基本原则。

 

早期的防砂坝多以高耸且全封闭式的坝型出现在各溪流中，但随着生态保育观念及针对特定泥砂粒径拦阻技术的提升，逐渐视其功能演变成具有多样型态的防砂坝，通常会在溪流中不同坡度（S）或泥砂中值粒径（d50）中选择适合的防砂坝型态。

 

防砂坝空间配置由上游至下游区分为：坡面冲蚀段主要以防止冲蚀沟继续淘刷，以回淤土壤来安定边坡，由于坡面水流冲击力有限，通常以低矮孔隙型防砂坝为主，为了生态复育，有时会以萌芽桩的方式建构组合成拦截网栅。

 

进入野溪的流动段为了保持生态及水流连续性，目前都以开口型防砂坝为主。假若河床多巨石且流动能量大，则以开口较大的梳子坝拦阻粗颗粒巨石为主，细颗粒得以往下游移动。及至坡度渐缓区，则缩小开口坝间距及降低坝高或调整为孔隙型坝体，以减缓水流速度，达到停淤细颗粒泥砂稳定河床的目的。水流能量减缓至溪流最下游的堆积区，为稳定流心及避免下一波洪水的淘刷，通常以兴建连续固床工或系列潜坝等型态为主。

 

当水流进入平原滞洪区域，有时为了调蓄洪水量，降低洪峰的影响，会兴建具有细缝型态的切口坝，调蓄洪水或高含砂水流于滞洪池内，使高洪峰流量调降成不具危害性的常态水流。

 

即或防砂坝有了精准的配置型态，但随着土砂量的逐年减少，防砂坝的负面特质也逐渐显露，坝体直接阻断河川栖地中的纵向连续性，造成河川型态及生态栖地成为片断不相连的区块。坝体上游面因泥砂淤积，减缓了河川坡度并降低水流冲蚀及输砂能力，但也迫使水流趋向蜿蜒，造成摆荡式的两侧坡脚冲刷。再者防砂坝因细颗粒泥砂淤积使河床孔隙率降低，也改变河川底栖生物的生活空间。

 

其次防砂坝上游的泥砂拦阻及下游的坝高落差，使下游河床泥砂补充不足，同时加剧河道下切的能量，坝体基座常因水流冲击而形成严重淘刷，进而造成坝体基座悬空不稳的情况。此外，防砂坝容易造成生物栖地分割，以及洄游性生物因坝体阻隔而难以顺利溯溪等缺点。

  防砂坝空间配置规划示意（图片来源：陈树群等人，2016）  

逐步调整坝体恢复生机

 

20世纪初至今，各国为了民生用水或水利发电，兴建五千座以上的大型水库，又为了防止水库淤积或抑制土砂灾害而兴建数以万计的防砂坝。这些横向构造物对河川生态的危害事件，在20世纪末期逐一呈现，也导致环保团体一系列的拆坝声浪。

 

中国台湾七家湾溪为了保育樱花钩吻鲑，也拆除了部分防砂坝。但防砂坝的拆除是一次到位，或是逐次降坝，仍有许多讨论空间，必须仔细研究观察土砂下移行为对两岸居民及河川生态的影响。冒然的拆坝行动可能导致下游民舍被淹埋，或河相改变引起的生态浩劫，因此近年来逐步降低坝体已成为安全共识。

 

中兴大学惠荪林场内的兰岛溪多次爆发土石流，已是 *** 列册的土石流高潜势溪流。上游兴建了具有六支墩柱的防砂坝，墩柱与墩柱间各有四排钢管相连，由于下游没有居民，因此成为研究拆坝方式的最佳实验场域。

 

1999年集集地震后，兰岛溪集水区产生大规模崩塌地，土砂来源丰富，因此防砂坝兴建后库容立即淤满，失去空库拦截土石流的效果。2004年敏督利台风及2009年莫拉克台风爆发的土石流更越过防砂坝，造成兰岛溪大规模土砂淹没河道及两岸森林地。但崩塌地逐渐复育，土砂量逐年递减，又导致下游泥砂补充不足，引起兰岛溪两侧护岸淘空。

 

为考量河道输砂平衡，先在室内进行多次渠槽实验，选取最佳降坝方案后，于2015年把中间两支墩柱调降2.5 公尺进行现地实验性研究。其目的是：使坝体后方淤积土砂往下游输送；稳定库容空间；可增加河川输砂量，使下游河道保持稳定；可降低坝体上下游的高度落差，保护坝体基座免于淘空且增加溪流生态连续性。

 

经过数次豪雨冲刷，防砂坝上游淤积土砂已可自然输送至下游，上游河道呈现V型深槽，且深槽两侧出现明显河阶地，可有效降低因暴雨造成一次性大量土砂外移的风险。由拆除坝体前后地形分析，坝体后方的淤积体
已下刷出低于原淤积深度近4公尺的深槽线，逐渐恢复河川的自然面貌。

 

调整后的防砂坝已使兰岛溪逐渐回复自然的输砂平衡，土砂运移效果显著。这项实验性质的降坝研究成功验证了防砂坝随土砂量变化而调整的可行性，未来会持续调整坝体至完全移除。但更积极的作为应是在建坝之初就思考如何设计可逐步随土砂量调整的防砂坝。

  惠荪林场兰岛溪防砂坝降低中间两支墩柱，促使上游淤砂自然外移，逐渐演变成自然河道。  

防砂坝会呼吸吗

 

为了保持河川土砂量的平衡及溪流生态的连续性，必须引入新观念，设计可依不同时期土砂量调整的新型态防砂坝。要赋予防砂坝的调整功能，必须优先考虑溪流环境随时间变化的情形，并持续地管理防砂坝，使其能满足溪流不同时期的输砂、防灾及生态需求，进一步使防砂坝成为溪流栖地环境复育的推手。

 

近年来，对于防砂坝的需求不仅是拦阻土石流，对于溪流生态的重视也逐渐增加。受到降雨、地震等周期性营力的作用，河川输砂量会随着崩塌土砂量出现周期性变化，更加显出单一不变的防砂坝已不足以因应剧变的环境。如果防砂坝具有生命变化力，可以如同积木般地组合与拆卸，随着土砂环境变迁而调整其功能，防砂坝的设计观念就必须彻底颠覆，兴建之时就必须思考拆解方式，调整型防砂坝（会呼吸的防砂坝）因而孕育而生。

 

当河川进入来砂量高峰期时，把高峰期的高来砂量加以阻截，以避免下游地区的土砂灾害。随着来砂量减缓，适当地改变防砂坝型式及降低拦阻土砂的强度，就可减少工程对溪流生态的破坏，也可以保持泥砂量的均衡性，使河川栖地得以连续。

 

会呼吸的防砂坝可采用开口型，在开口处装置钢管及格栅设施，主要强调横杆、纵材等必须相互独立，分别组装及拆卸。但其调整原则并非3～5年，而是30～50年的期距，主要依据土砂量的周期变化而定。

 

完整组装的调整型防砂坝可在高来砂量时阻档巨石、漂流木等，若来砂量进入消减期，就可随着泥砂量的减少先移除横杆，允许大颗粒土砂流出；其次是拆除纵材，以降低上游淤积高度允许更多土砂流出。若来砂量再次减少且上游不再有崩塌，进入河道土砂稳定期，可把防砂坝降低成低矮的固床工型态，甚至把固床工回复成自然的潭濑溪流结构，以恢复完整纵向生态廊道，回到自然生态的连续性。

会呼吸的防砂坝组装及拆卸流程图  

衍生功能及未来展望

 

农委会水土保持局早期兴建传统的防砂坝，是以防止过量土砂下移及保护居民生命财产的安全性为首要考量。然而近年来对于维护生物多样性、河川永续发展等考量，采取生态为基础、安全为导向的工程方法，以减少对自然环境造成伤害，成为规划设计的主要考量。会呼吸的防砂坝理念符合这一原则，因此水土保持局开始大力推行以进一步协助窒息的河川生态环境得以重生，使会呼吸的防砂坝成为防灾利器，同时是河川栖地环境复育的推手。

 

屏东县恒春镇东门溪曾发生多次洪水及泥沙淹没村里的事件，因而兴建滞洪池以降低洪峰影响。由于这地区是极细颗粒的泥岩地质，因此在滞洪池上游兴建会呼吸的防砂坝，并在开口处以无间隙的混凝土横杆来拦蓄细颗粒泥砂进入滞洪池，可随时借由机械吊挂方式移除横杆清淤，也可以借由横杆的启闭调整泥砂运移的型态。

 

2009年莫拉克台风重创高雄荖浓溪流域，至今仍是全台最严重的土砂灾害区。由于土砂量可在一次暴雨中达十余公尺的冲淤变化，因此借由防砂坝的横杆间距来调节土砂变化量，使上下游河川不至于过度淤积或淘刷。荖浓溪支流的东庄溪防砂坝在暴雨时增加横杆以蓄积土砂，枯季时可卸除横梁清淤，或由洪水冲刷达到上下游的土砂平衡。各类型的会呼吸防砂坝也因应不同溪流环境，开始在中国台湾、日本等地普及，时至今日，阿尔卑斯山系的奥地利、义大利等国家也思考其调整功效。

 

自然的河川型态孕育健康的河川生态系统，同时提供人类景观休憩场域。但这样的优质河川常因台风暴雨袭击瞬间演变成土石流危险溪流，为了保护民众居家安全，防砂坝成为防灾利器，也常被诟病为生态阻绝的杀手。

 

会呼吸的防砂坝破除了功与过的宿命，使防砂坝借由纵材及横杆组装达到防灾功能外，也可借由纵材及横杆的逐渐卸除恢复自然生态。兴建之初就思考终结之路，赋予防砂坝生命的周期，才能有永续健康的河川生态环境。

 

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会呼吸的防砂坝视频