¶ 水利工程技術規範－河川治理篇（上冊）－第一章 自然河川物理特性（8／9）
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水利工程技術規範-河川治理篇（上冊） 第一篇 總則
至20 倍(平均10 倍)。
(四) 坡度
坡度在河相學及相關的泥砂運移、水力參數扮演重要角色，
一般而言，河溪之坡度隨流路長度之增加而呈現指數衰減現象，
示如圖1.1-14。
圖1.1-13 自然河溪流場分佈圖(FISRWG, 2001)
圖1.1-14 河溪坡度與流路之相關性
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(五) 河床質組成
河床質組成決定輸砂量多寡及對水流剪力之阻抗，亦即河床
質影響河川的斷面形狀、平面及縱向剖面型態。ㄧ般而言，河床
質粒徑隨河川流路長度之增加呈現指數衰減現象，如圖1.1-15
所示。
圖1.1-15 河床質與流路之相關性
(六) 滿槽流量及水位
滿槽水位為天然河道開始泛濫時之水位，其相應之流量為滿
槽流量，為影響河川型態之主要流量。根據Leopold(1964)及
Emmett(1975)等之研究結果顯示，滿槽流量的重現期平均約1.5
年(大部分介於1~3 年)，國內楊錦釧教授(1999)曾對高屏溪流域
進行分析，各主支流滿槽流量約1.16~1.61 年，平均約1.4 年。
部分學者建議若在實地資料取得困難之情況，可採取重現期1.5
年之洪水量為參考依據，國內河川低水治理計畫大多採2 年重現
期為依據。
三、 河床護甲作用
河床遭受沖刷時，細顆粒河床質往下游運移，而粗顆粒河床質
留在原地，當沖刷至某一深度時粗顆粒河床質形成一穩定河床面，
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如圖1.1-16 所示稱為護甲層(Armoring Layer)。河床護甲層可防止
河床持續刷深而達到穩定狀態，一般而言，當河床質粒徑組成有
10%大於設計流速所能帶動之顆粒時(d90≧dc)，河床即產生護甲作
用。護甲作用時之可能最大沖刷深度計算如下：
................................................................................... (1.1-3)
........................................................................................ (1.1-4)
式中，Yd (m)：可沖刷層厚度，Ya (m)：護甲層厚度(一般以
2~3×dc 估算)，△P：河床質粒徑組成大於dc 之比例。估計河床質之
護甲作用除可進行可能最大沖刷深度之粗估外，並可據以研判河床
石材的取用對河床穩定可能造成的影響。
圖1.1-16 護甲層作用示意圖
四、 沖積型河川穩定概念
河川隨流路與源頭之距離而產生流量、坡度、流速及地質條件
的變化，並隨季節產生流量豐枯的現象，形成多樣性的河川型態。
在長時間的反應情況下，Lane(1955)提出沖積型河川平衡概念的河
流地貌學關係如圖1.1-17 及式(1.1-5)所示。
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圖1.1-17 沖積型河川穩定概念示意圖(Lane, 1955)
Qs d 50 αQS ........................................................................... (1.1-5)
式中，Qs 為輸砂量、d50 為泥砂中值粒徑、Q 為流量及S 為河
床坡降，為定性之物理概念模型，雖無法獲得河道幾何型態及相關
參數，但能預測河川地貌因外在因素影響而自行調整的定性趨勢。
一般而言，影響河川穩定的四個參數中，如有兩個參數為固定值，
第三個參數變化時則第四個參數亦將依式(1.1-5)的關係產生變
化，而使河川趨近穩定，舉例而言，當某河段流量增加時，定會造
成河床沖刷，使輸砂量增加而漸趨平衡；若為維持河川輸砂量(防
止河床沖刷)則河床坡度必須減緩或河床質粒徑加粗，施作固床工
可減緩河床坡度，而護甲作用的形成則會使河床質粒徑變粗，該兩
種河川型態的變化均會使河道漸趨穩定。又如河川築壩後使壩址上
游之河床淤積，坡度降低，為恢復原有的坡度，更上游河段勢必發
生淤積；在壩址下游，因水庫攔砂之效應，通常出現河道刷深或蜿
蜒加劇及河床質的粗化現象。
1.1.4 長期動態穩定河川特性
河川因季節性的流量變化，而致泥砂運移量隨之增減，使河道
沖淤現象不斷演變；又人類對河川各種形式的干擾，如周邊土地開
發、河槽渠道化、水工構造物興建、河床砂石採取等，更使河川依循
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其尋求穩定的趨勢而有不同的應變。然而河川長期而言，對自然環境
與既有人為干擾，會產生相較穩定的河槽型態及穩定坡度，直到河川
再受外在因素的干擾，則再度尋求其長期的動態平衡，如發生洪水事
件、新建水工構造物等。沖積河川的長期穩定是建立在尋常流量的基
礎上，因尋常流量發生的機率甚高，可說是河川中經常流量；而洪水
事件對河川型態的影響至鉅，但屬偶發事件，如100 年重現期距的洪
水，每年發生的機率僅1/100。據此，河川治理應以低流量設計穩定
的河槽與坡度，再分析洪水事件對河道可能造成的損壞地點與程度，
進而謀求維護河道安定的保護方法。
依河川形成及演變的過程瞭解，各種平面型態的河道(辮狀、順
直、蜿蜒)均會形成足以通過常流量的低水河槽，而該常流量約為1.5
年重現期的洪峰流量(Leopold, 1964 及Emmett, 1975)，且該低水河槽
的型態依不同的河床質粒徑分佈而有不同的斷面寬深比(表1.1-2)。當
流量超過低水河槽的滿槽流量時，水流溢岸而開始漫淹洪水平原，自
然河川在發生洪水事件時，對低水河槽會造成不同程度的破壞，但洪
水事件過後，低水河槽又會逐漸恢復其穩的型態；而受洪水浸淹的洪
水平原，在未經人為束縮的情況下，淹水範圍較寬，但水深較淺，洪
水災損相對較為輕微。至於經過束縮的河川，常流量時亦會維持自然
平衡的低水河槽與坡度，但發生洪水事件時，因河道束縮而致水流集
中，流速與水深均較自然型態增加，對河川的破壞程度定會加劇。
一、 穩定低水河槽型態
低水河槽依流量與河床質粒徑而形成不同的穩定河槽型態，傳
統常以河制定理(Regime Theory)進行穩定河道之推求，但因大部分
河制定理公式均源自於印度或巴基斯坦人工灌溉渠道，使用上有其
限制。其他尚有推移力法(Tractive Force Method)、解析法(Analytical
Approach)，但近年來已逐漸採用水力幾何公式(Hydraulic Geometry
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Formula)進行穩定河寬(W)、水深(H)及坡度(S)之推求。根據相關研
究指出，以水力幾何公式推估之穩定河寬最具可靠度，其次為水
深，相關公式如下：
2 3 ..................................................................... (1.1-6a) W = k1Q kf d 50k
6 ..................................................................... (1.1-6b) H = k 4Q kf 5 d 50k
9 ...................................................................... (1.1-6c) S = k 7 Q kf 8 d 50k
12 ................................................................... (1.1-6d) V = k10Q kf 11 d 50k
式中，W=河段平均寬度(m)
H=河段平均水深(m)
Qf=為滿槽流量(cms)
d50=河床質50%過篩之粒徑(mm)
V=滿槽平均流速(m/s)。
K1~K12=常數
研究水力幾何公式的學者眾多，如Bray(1982)、Hey(1982)、
Brownlie(1983)、Julien(1988)及Wilson(1988)等，應用相關經驗公
式時必須注意其適用範圍。茲將Bray 之公式及適用範圍例舉如下：
W = 3.83Q20.528 d 50−0.07 ............................................................ (1.1-7a)
H = 0.246Q20.311d 50-0.025 .......................................................... (1.1-7b)
S = 0.018Q2−0.334 d 500.586 .......................................................... (1.1-7c)
V = 1.05Q20.14 d 500.095 .............................................................. (1.1-7d)
Bray 以2 年重現期Q2 取代滿漕流量Qf，適用範圍如下：
Q2＝5.5~3,920(cms)，
W＝14.3~566(m)，
H＝0.442~6.93(m)，
S＝0.00022~0.015，
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d50＝19~145(mm，卵礫石河床)
二、 蜿延河道設計
天然河川甚少有順直型，大部份均為蜿蜒或辮狀，蜿蜓河道定
義為蜿蜒度>1.2 之河道，屬較穩定的河道型態，天然未受干擾之蜿
蜒河段特性如下：
蜿蜓度(Sinuosity)=ML/L ............................................................. (1.1-8a)
L=(8~20)W，平均值為10 .............................................. (1.1-8b)
式中，ML=為蜿蜒河道長度(m)
L=河道直線距離(m)
W=低水河槽寬(滿槽寬) (m)
蜿蜒低水河槽的寬度隨彎道與直線段而變化，一般彎道受水流
之衝擊較直線段為寬，而蜿蜒低水河槽之河床亦隨流路之變化而起
伏，彎道因水流集中而較深，形成水生物最自然的棲息環境。蜿蜒
河槽的物理特性示如圖1.1-18 及表1.1-6。
圖1.1-18 蜿蜒河段物理特性示意圖
表1.1-6 蜿蜒河段物理特性
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型態 流況 底質
淺瀨 水淺、水急，水面紊動明顯並有水花，塊石與卵石散布。
(Riffle) 底層石塊可能突出水面。
淺流 水稍深、水緩，類似淺瀨，但底質多為 砂石、礫石。
(Glide) 砂石、礫石。
深潭 水深、水緩，水面平順，流速緩慢，可 泥與砂，偶有塊石沈
(Pool) 能產生迴流區。 埋。
深流 水淺、水急，為淺瀨、淺流間之轉換段，河床質嵌入河床。
(Run) 水面略有漣漪。
三、 穩定坡度
河床因流量變化會產生短期的沖淤現象，但長期而言，河道在
其滿槽流量與河床質粒徑分佈的條件下，相對應其穩定斷面型態會
有一長期動態平衡的穩定坡度，簡單的定義穩定坡度為河川各河段
維持長期沖淤平衡的坡度。
河道內泥砂運移為控制坡度穩定的主要因素，泥砂運移行為因
流量的變化而非常複雜，應採較大時間尺度分析坡度的穩定狀態，
而最適當的方法為各河段的年平均泥砂運移量，以求得長期性的沖
淤平衡坡度。年平均泥砂運移量的推算依由各河段在不同重現期
(或不同流量發生機率)流量之泥砂運移量，經概率加權計算而得。
異於穩定坡度的河道設計，經長期的沖淤變化，會自然趨近於穩定
坡度。
1.1.5 台灣河川特性
一、 台灣集水區環境
台灣因地形地勢之影響，山高坡陡，河川普遍呈現短小急促之
特性；年降雨量豐富，但時空分布不均，豐枯水期水量變化甚大；
又河溪兩岸地質脆弱，常遭水流間歇性之沖蝕。台灣集水區與河川
的特性可歸納如圖1.1-19 所示，並說明如下：
(一) 集水面積小、河川流路短促、坡陡流急
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台灣地形南北向長而東西向窄，且山脈縱貫南北，河川皆以
中央山脈為分水嶺，東西向分流入海，島上海拔高程100 公尺以
下之平原地區僅佔31.3%。因高山聳立、山巒連綿，而致河川之
集水區面積偏小，面積大於10 平方公里之河川計有105 條，其
中集水區面積大於1,000 平方公里者僅有9 條。河川於山區中蜿
蜒，因平原區甚為狹窄，一般流路甚短，長度超過100 公里之河
川僅有6 條，亦因此而致河川坡度陡峭，上游段坡度多超過
1/100，下游段則介於1/200 至1/500 之間，緩於1/1,000 者僅有5
條，與世界各國河川坡降比較如圖1.1-20 所示。基於集水面積
小，河川坡度陡峭之特性，地表逕流快速流失，導致集水區水源
涵養力差；又因河川坡陡流急，而致逕流直奔入海。
圖1.1-19 台灣集水區與河川特性
資料來源：水利署
圖1.1-20 世界各國河川坡降比較
(二) 降雨豐枯懸殊
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台灣降雨量豐沛，年降雨量達2,500 公厘，惟時空分布不均，
又因水源涵養力差，導致河川流量變化甚大。台灣地區之降雨集
中於每年5 月~10 月之豐水期，約佔全年之78%，其中南部區域
豐枯更為懸殊，豐水期水量約佔全年之90%。颱風季節(每年7
月至10 月)常有豪雨，因坡陡流急，洪水急昇速退，常造成氾濫
與河床沖淤等嚴重災害，而枯水期卻細水涓涓，甚至乾竭。
(三) 地質脆弱
台灣地質多屬砂岩及頁岩，質地脆弱，易受沖蝕及產生崩
塌，並因地震頻繁而更趨嚴重；而河溪兩岸多由沉積岩與變質岩
夾雜組成，在豐水期水流湍急之情況下，常遭嚴重沖刷，河溪輸
砂量大，造成河道沖淤失衡、流路變遷。表1.1-7 為世界各國河
川年輸砂率之統計比較，顯示台灣河川之輸砂率遠大於世界各
國。
表1.1- 7 世界各國河川輸砂率比較
流域面積 年輸砂量 年總流量 年平均輸砂模數
河名
(萬平方公里) (億噸) (億m2) (噸/平方公里/年)
亞馬遜河 705 4.44 57,396 63.00
尼羅河 335 1.25 892 37.30
長江 181 5.15 9,600 284.40
黃河 75 16.00 575 2,126.50
密西西比河 322 3.12 5,646 96.60
科羅拉多河 63 1.34 49 212.00
濁水溪 0.32 0.51 61 15,689.00
資料來源：吳憲雄(2003)
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