旗山溪河川区域种植密度评估

李昱廷　翁俪容　施恒益　许盈松

摘要：旗山溪位于台湾南部，往年每逢大雨，居民便担心河道溢流造成区内外严重淹水，其中高茎作物的种植为争议之一。水利主管部门为考量社会需求及河川管理实务需要，拟适度放宽高茎作物种植申请许可，特制定“河川区域种植规定”。“河川区域种植规定”依据河宽、平均坡降、平均流速及高滩地水深计算值，配合权重计算分数后得到评估等级，并依据桥梁限制等综合评估后进行等级调整。此方法虽可利用评估分数与水位抬升率回归分析值对照表，快速由评估等级推求种植密度，但并非适用于每条河川，故利用HEC-RAS模型仿真种植区域，借由调整模型糙率系数增加值，来评估水位抬升率（水位增加值占出水高1.5 m之百分比），在“河川区域种植规定”中最大水位抬升率不得大于12%规定下，可进一步对照糙率系数增加值与灌木种植密度关系表，得到容许种植密度。结果显示：根据水位抬升率计算的容许种植密度应可高于“河川区域种植规定”之限制，因此目前“河川区域种植规定”中对容许种植密度的要求趋于严格。

关键词：河川区域种植规定；高茎作物；水位抬升率；种植密度；旗山溪

1研究区概况

旗山溪位于台湾南部，其流域广布高雄原有县辖区旗山区而得名。主流河长118 km，流域面积842km2，为高屏溪主流（含著浓溪）之外的最大支流。

旗山溪发源于玉山主峰西南坡高程约2 700 m处，集水区高山耸立，悬崖峭壁，溪流泻急，沿着高雄市及嘉义县交界向西南流，至那玛夏附近转向南南西流入高雄市境。旗山溪由东北往西南流，与著浓溪汇流后为高屏溪，见图1。

2高茎作物争议

20世纪六七十年代，台湾曾有“香蕉王国”的美誉，而高雄的旗山地区因为有着得天独厚的气候与环境优势，这里所出产的香蕉质量绝佳，口感与香气都首屈一指，当时全台湾输出至日本的香蕉，旗山就占了总量的六成。因此素有“香蕉之城”或是“香蕉的故乡”称号。然而旗山香蕉开创的黄金岁月从1974年开始逐渐衰退，受到菲律宾低价香蕉的冲击，加上黄叶病肆虐台蕉，台湾“香蕉王国”的称号日渐不保而转为由他人戴冠。

旗山地区又为受2009年莫拉克台风重创之灾区，往年每逢大雨，居民便担心河道溢流造成区内外严重淹水，其中高茎作物的种植即为争议之一。雨水在短时间大量汇集，高茎作物会阻碍水流，使得堤防在激烈水流的冲刷下遭到破坏甚至溃堤，加上相关单位未处理旗山溪高滩地占用问题，造成严重淹水，因而要求河川局必须清理旗山溪两岸高滩地的高茎作物；但当地农民认为高滩地种植高茎作物由来已久，长久以来赖以为生的芒果、枣子、莲雾乃至于使旗山闻名世界的香蕉等作物，并非淹水的主要成因，而是因为高滩地尚有其他构造物，例如农作仓库或庙宇等。作物面临被铲除的境地，并禁止在高滩地种植。

水利主管部门为考量社会需求及河川管理实务需要，依相关法律规定，特制定《河川区域种植规定修正规定》（以下简称“河川区域种植规定”），在河防安全前提下，适度放宽高茎作物种植申请许可，以解决旗山溪高茎作物种植之争议。

根据最新卫星影像与近年河川公地调查资料判断，旗山溪目前大范围种植区域大致位于河口至新旗尾桥，故本研究以河口至新旗尾桥（断面1至断面22）为研究范围，见图2。另根据近年旗山溪河川公地种植种类调查资料，香蕉依然为旗山溪种植之最大宗，为高茎作物争议之一，河川公地种植种类分布见图3。

3高茎作物种植对水位变化的影响

因高茎植物对河川之糙率会有改变，进而影响洪水位的变化，故搜集有关高茎作物与河川糙率系数之关系以及高茎作物种植状况对水位变化影响之文献。

蔡宗宪以水位模型CWSC演算高屏溪河口至断面27河段，调查各植物直径、树高、冠宽、密度等参数后，以Kouwen and Li公式及日本河川树木管理手册之公式估计糙率系数n，发现现地栽植密度最大为香蕉，糙率系数n则以种植芭乐为最高（0.444），造成此结果原因为糙率系数n受植物直径、树高、冠宽、栽植密度及水深等因素影响相当大，栽植密度最大并不一定糙率系数n就会最大。由于种植植物种类多，且各有不同之糙率系数，目前各种种植种类无法估计，因此计算水位时高茎作物之糙率系数采用较保守值0.444，低茎作物之糙率系数采用0.035，低水流路之糙率系数则采用0.030-0.032。依照实测河道大断面计算100 a一遇洪水位，依次以种植100、200、300、400、500、600、700 m宽之高茎作物代入公式计算不同栽植宽度之洪水位。根据“河川区域種植规定”最大水位抬升率不得大于出水高（堤顶高出计划洪水位所预留之高度）之12%，高屏大桥下游出水高为2 m，则其最大抬升水位为0.24 m，以内差法估算高茎作物最大种植宽度为464 m。

水利规划试验所针对4条案例河川（高屏溪、浊水溪、兰阳溪、急水溪），以HEC-RAS模型进行一维水力模拟，在河床糙度系数n为固定值的条件下，计算各河段断面参数（河宽、平均流速、平均坡度及高滩地水深）与该河段水位抬升率之关系（以种植宽度占河宽30%为例），并通过回归分析计算各参数与水位抬升率间之相关系数。结果表明，平均流速和平均坡度对水位抬升有显著影响，此两项参数列为重要之评估参数，各赋权重30%；而河宽和高滩地水深相关系数较小，可视为次要之评估参数，各赋权重20%。按照此4项参数（河宽、平均流速、平均坡度及高滩地水深）加权评分后得到各河段平均总分，对不同种植宽度及不同河床糙率系数增加值与各河段水位抬升率作关系图（水位抬升率即水位增加值占出水高1.5 m之百分比），并回归分析评估分数与水位抬升率之关系，见图4至图6。由水工模型试验成果（植生材料以直径2.2cm、高10 cm木圆株加叶冠共计高20 cm，在两种比降1/500、1/1 000及不同种植密度方案试验中，量测断面水深及流速。再利用曼宁公式反推算其相对糙率系数n值），回归得到糙率系数增加值与种植密度对应关系，见表1。种植密度为种植区域内栽植之遮蔽率，即所有树木有效阻水宽度之投影，种植密度计算公式：（灌木有效阻水宽度×种植宽度内总株树）/种植宽度，有效阻水宽度=冠宽×（树冠高/树高）+胸径×（枝下高/树高）。从而整理得到各评估分数之河段，不同种植密度时，其水位抬升率之回归分析值。如此可得到一简易评估方法：已知某一河段在不同种植宽度占河宽比例及不同种植密度下，其可能之水位抬升率，凭此评估该河段河川区域种植对防洪之影响，见表2。

4河川区域种植密度评估流程

4.1水力演算

为了探讨旗山溪作物种植是否会对河川水流造成影响，水力演算模型采用美国陆军工程师团水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，U.S.Army Corps of Engineers）提出的计算水面线数值模型——HEC-RAS模型。其为现行水利行业普遍认可之一维水力模型。模型可仿真恒定流及非恒定流，在恒定流部分其模拟演算系利用能量方程式以标准步推法推求各断面之水位、流速等。

把2014年旗山溪大断面数据代入模型，并以旗山溪断面1设计洪水位34.11 m作为起算水位进行仿真。另根据河床质采样及糙率系数n值检定分析，依现状河床植生覆盖情况、河床坡降等特性及各断面河道两岸高滩地利用状况，将河道断面分为深水槽及高滩地复式断面。深水槽之n值取0.04，两侧高滩地多为草生地或林地，其n值取0.07。

依据水文分析结果之各河段各重现期之洪峰流量，作为水力演算之流量。旗山溪设计流量采用100 a重现期，各河段100 a重现期流量见图7。

4.2种植区域等级分级

以HEC-RAS仿真旗山溪种植区域范围，根据“河川区域种植规定”，种植区域断面与断面间采用上游断面河宽、平均坡降、平均流速及高滩地水深计算值，配合权重计算分数后可得等级，将高滩地可种植区域划分为5个等级。河宽B系指以欲评估种植区域河段上游横断面于设计洪水位时之水面宽度；平均坡降Js系指欲评估种植区域河段上游横断面上下游各约2.5 km范围之平均坡降；平均流速V系指欲评估种植区域河段上游横断面在设计流量下之平均流速：高滩地水深h指欲评估种植区域在设计洪水位时之平均水深。分级划设区域以河川区域线范围内为主，其参数评估基准见表3。本研究以2015年卫星影像判断现状种植宽度，以此宽度为高滩地评估种植区域等级分级之高滩地水深。

依表3评估分数在8分以上者，其种植区域等级为第一级；分数在6分以上未达8分者，其种植区域等级为第二级；分数在4分以上未达6分者，其种植区域等级为第三级；分数在2分以上未达4分者，其种植区域等级为第四级；分数未达2分者，其种植区域等级为第五级。

根据“河川区域种植规定”。桥梁或河床下之水管或取水口等构造物上、下游各1 000 m范围，其种植区域等级则为第五级：但河宽未满500 m經河川局与构造物管理机关协商后，可以缩减至构造物上、下游各500 m范围。

4，3水位抬升率评估

除表3评估旗山溪种植区域等级分级外，本研究通过调整模型糙率系数（n值）模拟种植植生对河川高滩地产生糙率变化之影响。利用2015年卫星影像判断现状种植宽度，以此为HEC-RAS模型高滩地n值调整之宽度。

在不同种植宽度占河宽比例下，分别模拟n值不变（维持原治理规划采用之糙率系数）、n值增加0，01、n值增加0，03、n值增加0，05、n值增加0，07、n值增加0，09等，以一维恒定流进行水位壅高之探讨。分析不同种植宽度占河宽比例下，n值增加程度（△n）对水位抬升率之影响。

4，4种植密度评估方法

依据表3进行河川区域评分、分级，优点是可快速由等级推求容许种植密度，但各条河川状况不同，故本研究另外利用模型仿真旗山溪种植区域，通过调整模型糙率系数增加值，来评估水位抬升率，由此得到容许种植密度。以下介绍此两种方法如何推求容许种植密度。

其中一种方法可由种植区域等级分级得知。由表3评估种植区域等级后，比对表2，按照“河川区域种植规定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，据表2内差出水高后即可反推容许种植密度，容许种植密度从第一级至第五级趋向稠密。而种植累计宽度占河宽比例30%以上，则以30%进行计算。目前“河川区域种植规定”以此方法评估容许种植密度。

另一方法为利用调整模型糙率系数增加值评估水位抬升率。评估水位抬升率后，按照“河川区域种植规定”，最大水位抬升率不得大于出水高之12%，得到容许之高滩地糙率系数增加值（An），比对表1内差An后，即可反推容许种植密度。

5河川区域容许种植密度比较

5.1种植区域等级分级结果

针对旗山溪目前有作物种植之断面进行等级分级评估，评估基准见表3，采用等级则依据桥梁限制等综合评估后进行调整，种植区域等级分级结果见表4。因断面1-22河宽皆大于500 m且种植区域位于每座桥梁上下游各1 000 m之范围内，故根据“河川区域种植规定”必须采用第五级，由此可知旗山溪种植区域采用等级趋向严格。

5.2水位抬升率评估成果

由2015年卫星影像可知，现状旗山溪种植宽度与河宽比例见表5。目前旗山溪种植宽度占河宽比例下游河段较大，大致位于新旗尾桥下游至旗山溪汇流处，断面2-6、断面11、断面15-17及断面19-20总种植宽度占河宽比例在50%以上。

利用模型仿真旗山溪在现状种植面积下n值增加程度对水位抬升率之影响，结果见表6。由表6可知，断面4、断面12-14及断面16-20在增加糙率后水位抬升率大于12%。由此可知，虽然某些断面种植宽度较大，但不一定会造成断面水位抬升率较大，原因是断面与断面间会互相影响。因此根据模型仿真，可知种植情形对于水位影响之空问分布，比起利用水力参数评估等级，更能直接了解种植是否会对水位造成影响。

5.3容许种植密度评估成果

根据水位抬升率与“河川区域种植规定”中种植区域等级分级标准得到容许种植密度，结果见表7。根据水位抬升率推算的容许种植密度，旗山溪评估等级大部分应为第一级，无论150 cm以下还是150-250cm作物，其容许种植密度皆大于由“河川区域种植规定”所推得的容许种植密度。因此，旗山溪种植区域容许种植密度应可大于“河川区域种植规定”中对于木本植物栽植之限制。

6结论

（1）根据水力计算，虽然某些断面种植宽度较大，但不一定会造成断面水位抬升率较大，原因是断面与断面间会互相影响。根据水理模型仿真，可知种植情形对于水位影响之空间分布，比起利用水力参数评估等级，更能直接了解种植是否会对水位造成影响。

（2）根据水位抬升率与“河川区域种植规定”等级分别计算容许种植密度，可知无论150 cm以下还是150～250 cm作物，根据水位抬升率所推得容许种植密度皆大于由“河川区域种植规定”所推得容许种植密度，故旗山溪种植区域容许种植密度应可大于“河川区域种植规定”中对于木本植物栽植之限制。

（3）根据水位抬升率计算所得容许种植密度推算，旗山溪评估等级大部分应为第一级，但根据“河川区域种植规定”评估结果均为第五级，由此可知目前“河川区域种植规定”中因桥梁上下游种植区域等级限制，造成对容许种植密度的要求趋于严格。故建议可由水力模型评估水位抬升，由此更精确地判断此区域种植是否会对桥梁造成影响。