火炎山礫岩邊坡沖蝕觀測之研究

林俊全

地表沖蝕作用對位於亞熱帶且構造運動旺盛的台灣而言，是一個塑造地形極重要的作用因子。探討邊坡穩定、土壤沖蝕等問題時，地表組成物質的特性及其沖蝕特性，便是一個常被探討的主題。

火炎山地區主要為一個第四紀的地層，其所發育的蝕溝地形，即因其本身膠結不良， 颱風豪雨後， 地貌受到地表沖蝕作用，在很短的觀測期間(諸如 1－ 2年) ，即可看出地形的變化。 目前本區之邊坡後退機制，以逕流集中、片洗為主要外營力作用。其邊坡後退的方式，以河道輸沙、河床堆積等作用方式。如能持續觀測其邊坡沖蝕的方式及過程，當能對礫岩區地表地形作用的機制，有更深入了解。本文謹就過去幾點觀測結果加以簡述：

1. 就地質岩性而言，本研究所在的礫石層是屬於頭嵙山層火炎山相的地層，由石英砂岩為主的礫石和粉沙、黏土等填充物膠結而成。

2. 就降雨資料而言，以民國81年8月至82年6月的觀測期間而言，82年6月2日的暴雨，在研究區內曾半小時內下了82.89mm的雨，這個降雨強度比一般的實驗室的設計標準都要高，導致本觀測站全毀而無法繼續觀測。火炎山地區夏、秋季為雨季，發生暴雨的機會多。至於冬季的雨比較緩和，半小時最大雨量為17.04mm(發生於82年1月2日)，觀測期間內 10 月至次年2月間可視為乾季(共下雨121.2mm)。其中，單場雨的總降雨量大於10mm者共有23場(08/92～06/93)而降雨強度則可高達83mm/30 min，即82年6月2日的那場暴雨。

3. 就土壤濕度而言，礫岩坡邊因透水性良好，在15cm深的邊坡，在降雨後，土壤含水量漸增加，並維持約七、八天後，才漸漸又回復到乾燥狀態。

4. 就沖蝕量及降雨量、降雨強度而言，火炎山地區的觀測結果顯示即使降雨量高達208㎜，該場雨的每30分鐘降雨強度達30.78mm 的狀況下，礫石沖蝕量仍有限。但超過649mm的降雨量，且30分鐘降雨強度也高達82.89mm 時，沖蝕量便突然增加，而遠遠超出過去一年沖蝕量的總和，形成一種遽變型(catastrophic event)的邊坡沖蝕特性。

5. 在河道礫石的移動觀測上，由河道上礫石移動的追蹤記錄，說明火炎山礫石之移動量的大小與降雨量有關，即必須有足夠的地表雨水，才能使河水高漲，將河床的礫石帶往下游。河道上的礫石移動，事實上受到三種力量的作用，即重力、河水的浮力以及河水向下游推動的力量。因此在粗糙度大如礫石河床的狀況下，礫石的搬運作用必須在河水的水位高至一定程度時，位於河道部位的礫石才有可能被沖走。
   礫石河床的平均坡度約為32%，但是整個河床縱剖面卻呈階梯狀的微地形。整段縱剖面的坡度可以分為三大群，即小於30%的緩坡和大於60%的陡坡，以及介於二者之間的坡度。礫石河床中，階梯狀的微地形主要是由於較大的礫石阻擋於河床上，上游沖刷下來的泥沙因而堆積在較大的礫石上游側。此現象亦說明火炎山地區在本研究所位處的礫石埋積河谷，即有巨礫橫阻於河床，不但形成階梯式的微地形，同時也減少沖積物質繼續向下坡搬運量。

6. 就河床坡度而言，本研究的觀察區段的平均坡度為32%，但仔細量測其微地形變化時，可以看出河床的坡度是呈階梯狀的剖面、坡度小於30%的坡段佔了83%的總長度，平均每段長1.19m，而介於31度～60度的坡段佔了10%的總長度，而60度以上的坡段，雖只佔總長度的7%，且每段的平均長度只有0.27公尺，但這也是造成平均坡度達 32%的主因。

7. 由不同時期的照片，說明地表逕流沖刷造成本區之邊坡沖蝕方式有兩種，一為礫石的剝落(形成岩屑滑落的現象)，主要是因礫石間所膠結的泥沙被沖刷，支撐不足所致。二為逕流集中，造成蝕溝之沖蝕。說明火炎山礫岩區的邊坡沖蝕以蝕溝沖蝕為主，片洗的作用方式並非造成邊坡後退的主因，此與過去觀察結果略有出入。

8. 在近一年的觀測期間，火炎山礫岩邊坡的剝蝕速率在迎風坡的一號，二號觀測槽的最小剝蝕速率為8 - 12mm/yr，背風側的三號觀測槽則遠小於上述二槽，只有0.8mm/yr。此數據為最保守之估計，原因有二：(1) 礫岩間的膠結物常因粒徑小於1cm，鐵網無法全部攔截而得正確沖積泥沙量；逕流水中所含泥沙量亦未計入，因逕流流入集逕流筒的泥沙含量小於1 g/l。
   附表中，一號觀測槽的沖積物主要來源是82年6月2日的暴雨，同時也說明降雨量即令降至近208mm則降雨強度高達30.8mm/30min，一號觀測槽的沖積量仍小於0.5kg，然當降雨量放大到近649 mm，且降雨強度高達83 mm/30min時，便產生了極大（近500kg) 的沖積量。
   結語

   本文以火炎山地區礫石層的邊坡為研究對象，於現場輔以自動化觀測系統觀測地表沖蝕特性，有以下之心得：

   1. 在近一年的觀測中，礫岩邊坡的最小剝蝕速率由蝕溝內的 12 mm/yr 至蝕溝間的 8 mm/yr 和背風側的 0.8 mm/yr 不等，然此結果主要決定於暴雨的次數與降雨的型態。如果將泥沙量亦計算入剝蝕速率，則本研究結果僅能視為一最小剝蝕率。

   • 整體邊坡沖蝕特徵則呈遽變型災變的形式進行。 民國 82 年 6 月 2 日於 10 小時內所降下的 649 mm 的降雨量，其 83mm/30min 的降雨強度，便造成本研究觀測期間最大沖蝕作用，同時也導致本研究觀測儀器全毀的結果。

   • 本研究區內河床礫石的移動則在不同支流有不同結果。礫石沖積扇以第三及第五號礫石沖積扇有充分礫石供應，主要的原因是該二支流河道並未穩定下來，河床沖積物無法穩定在河道上，加上下游沖積扇的扇端不斷的被怪手挖開，而不斷下切。但在礫石埋積河谷部份，由於巨礫橫阻於河床，不但形成階梯式的微地形，同時也減少沖積物質繼續向下坡搬運量。因此如果為了穩定河床的沖積物質，不要大量向下坡移動，以減少沖蝕量，嘗試在幾個較明顯的沖積河道上，放置蛇籠作為攔阻礫石移動之用，或許是經濟且有效的方法。

   註：本文節錄、改寫自林俊全（1994）礫岩邊坡沖蝕觀測之研究－以台灣中西部火炎山地區為例，台大地理學報，17：47-64。