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國立中興大學水土保持學系 碩士在職專班 ( 專題討論四第 2 次報告 ). 大安溪士林 堰 越域引水對其下游農業灌溉用水之影響評估 Assessment of the impact of cross-district water diversion on downstream irrigation-in case of the Shih-Lin Dam on Ta-an River. 授課教授 : 陳 文 福 指導教授 : 林 信 輝 學生 : 王明信 學號 : 5098044211. 中華民國 100 年 6 月 4 日. 1. 簡報大綱 :
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國立中興大學水土保持學系 碩士在職專班 (專題討論四第2次報告) 大安溪士林堰越域引水對其下游農業灌溉用水之影響評估Assessment of the impact of cross-district water diversion on downstream irrigation-in case of the Shih-Lin Dam on Ta-an River 授課教授: 陳 文 福 指導教授: 林 信 輝 學生:王明信 學號:5098044211 中華民國 100 年 6 月 4 日 1
簡報大綱: 壹 緒論 貳 文獻回顧 参 研究方法 肆 研究區域概況 伍 結果與討論 陸 結論與建議 2
一、前言 近年來氣候變遷地球暖化,各地澇旱災害頻傳而台灣雖年降雨量高達2500公厘,但季節降雨不均造成豐枯懸殊,半年枯水期(11~4月)雨量約佔年雨量22%,半年豐水期(5~10月)雨量約佔年雨量78%,乾溼季分明,甚至會在同年中發生旱、澇的極端現象。再者因台灣地形坡陡、流急、雨勢集中,致雨水大部分都經由河川迅速流入海洋無法有效蓄存,水文狀況十分不穩定。 水資源短缺問題日益嚴重,各標的用水競爭越趨劇烈,加上新水源開發不易,以致民生及工業用水轉向對缺水忍受度較高的農業用水要求撥用之情形日益頻繁,在總用水需求劇增之下,為維持農業發展及糧食自足,水資源供應之軟硬體必須加強且有效的統籌與調配始能成功。 第壹章:緒論
鯉魚潭水庫 越域 引水 士林壩 大安溪 第壹章:緒論 二、研究動機: 大安溪流域農業灌溉取水方式原為川流取水,各灌區第一線執行業務人員依天然河川流量豐枯情形予以適時調配,灌溉用水調配尚稱順利且農民用水自由度高。92年士林堰正式營運後,大部分水源以越域引水方式供給發電與公共用水,灌溉用水則須仰賴士林堰調放,導致缺水情形日趨嚴重,台中農田水利會每年皆投入大量人力資源與成本,成立大安溪分水隊,以實施輪灌及動用抽水井等措施因應農業用水不足。事實上因農業用水長期被不同標的用水挪用,水源不足,農民被迫休耕,造成農業經濟損失且環境與生態失衡,權責單位應針對灌溉用水量、生態基流量、河道輸水損失等因素作適切調整,以解決上述困境。 4
三、研究目的: 本文以台中農田水利會大安溪流域士林堰供水灌區為探討對象區,透過計畫水量與實際取水量等紀錄分析缺水原因,探討越域引水前、後對灌區農業用水影響程度並以現場實際操作經驗試擬解決方案,以作為日後水資源調度及改善灌溉管理之措施參酌。 5
一、 灌溉目的及灌溉計畫: 第貳章文獻回顧 (一) 灌溉目的 農田水利事業之目的在求以水之立場增加作物單位面積產量,改良土壤以達永衡之地力及擴大耕地面積等,尤以台灣耕地有限,人口日增,對提高單位面積之產量,地力之維持及邊際土地之開發為刻不容緩之舉(1982,灌溉排水原理)。 (二) 灌溉計畫用水擬定 灌溉用水管理目前仍以灌溉地區水稻之灌溉水量為主,而灌溉計畫水量多寡需賴灌溉計畫擬定,其前置作業階段必需先決定灌溉區域內的作物類別、種植面積及作物種植時間,再依據田間灌溉用水的需求估算水稻不同生長階段耗水量、田間滲漏損失或灌溉效率、有效雨量及水路輸水損失,以提供水稻適時、適量水分,才能獲得最大的灌溉效果如圖2-1, 6
第貳章文獻回顧 可靠水源之調查查 作物制度排定定 田間灌溉用水需求 基本資料 田間需水量 有效雨量估算 田間用水量 水門用水量 水平衡分析 灌溉計畫 圖2-1
第貳章文獻回顧 (一) 水稻生育期與生長日數 水稻生育期別,大致上可分為秧苗期、營養成長期、生殖生長期及生殖結實期等四個時期。其中個各時期又可予以細分:(1)秧苗期包括播種、秧苗期、整田插秧期。(2)營養生長期包括成活期、分蘗始期、有效分蘗始期、最高分蘗期。(3)生殖生長期包括幼穗形成始期、幼穗形成終期、孕穗期、抽穗期。(4)生殖結實期包括乳熟期、糊熟期、黃熟期、成熟期。水稻生育期別日數詳如表2-1。 二、水稻生長知識
第貳章文獻回顧 表2-1台灣水稻各生育期與生長日數
(二)稻作栽種之需水及灌溉 水稻於生長期間需水灌溉,而其灌溉用水可區分為秧田用水、整田用水與本田用水等三階段,各階段生育作用未必相同,因此所需水分當非完全一致。各期間灌溉方式分列如下如圖2-1: 1.秧田:整地200mm 左右(一次供給),秧田補給給水每天15 mm 左右 2.整田用水:整田以100 mm~200 mm 3. 本田用水: 3.1成活至分蘗期:3-5公分 3.2分蘗始期至分蘗盛期:2~3 公分 3.3分蘗末期至幼穗形成始期:排水日數為5 天~7 天 3.4幼穗形成始期至終期:5~10 公分深水灌溉 3.5孕穗期:濕潤灌溉 3.6抽穗開花期:深水灌溉5~10 公分 3.7乳熟期至糊熟期:齊穗後 2~3 公分;糊熟期濕潤灌溉 3.8黃熟期至完熟期:一半以上榖粒呈金黃色停止輪灌 第貳章文獻回顧
圖2-1水稻哉培管理略圖 第貳章文獻回顧
綜觀前述可歸納水稻生長期間對水分敏感時期為整田期、成活期、幼穗形成期、抽穗期等為水稻生育時期最不可缺水的時程,以灌溉管理者之立場,水稻灌溉下列時段為不可缺水之敏感時間,詳如表2-2 第貳章文獻回顧 表2-2水稻耕作需水敏感期
三、越域引水 第貳章文獻回顧 (一)國內越域引水案例 (汪,台灣大百科)臺灣越域引水工程從甲仙攔河堰開始,該計畫攔截旗山溪的豐水期水量,藉輸水隧道送至曾文溪集水區的南化水庫,使得南化水庫每日的公共給水量每日可達到80萬立方公尺,成為南部地區的重要水源。 ( 水利局,1990)鯉魚潭水庫為一離槽水庫,水源水量相當有限,為了提高水庫之供水能力,以滿足大台中地區公共給水之需求,以士林堰引取大安溪主流之剩餘水量 3經水庫調節後,供水能力可由每日22萬噸提高為每日90萬噸,另外攔河堰至水庫間約有280公尺之自然落差可供電力開發,估發電量約2.5億度。 (陳等,2005)西寶水力發電計畫乃是位於花蓮縣萬榮鄉與光復鄉的山谷中,以花蓮溪支流萬里溪、馬鞍溪溪水配合人工引水渠道,以高度落差進行水力發電。其中萬里溪、馬鞍溪流域居民認為引水計畫對二溪下游用水量及引水設施造成影響為:一、萬里溪: 1.尖峰發電時段對灌溉水質影響。2.發電尾水流速加快易造成河川構造物磨損。二、馬鞍溪: 1.大安圳取水須依計畫用水量引水,不能任意取水。2.河川流量減少。3.地下水補注量減少。 (蔡,2002)以頭前溪流域越域引水至寶山與寶山第二水庫為案例,以模擬模式擬定水庫聯合運轉規線,再利用遺傳演算法(Genetic Algorithms,GA)進行優化模擬,使整個系統為操作上之最佳化,以供日後水庫聯合操作上之參考。 13
第貳章文獻回顧 表2-3越域引水水庫及攔河堰 除上述案例外,從經濟部水利署網站資料整理現有(含上述)越域引水之水庫案例,如表2-3。 14
第貳章文獻回顧 (汪,台灣大百科)世界上已建的大型跨流域調水工程有一百多項,分布在24個國家。地球上的大河流域,如印度的恒河、埃及的尼羅河、南美的亞馬遜河、北美的密西西比河等都有越域引水的工程。例如美國西部修建了中央河谷、加州調水、科羅拉多水道和洛杉磯水道等長距離引水工程,在加州乾旱河谷地區發展灌溉面積2000多萬畝,使加州發展成為美國人口最多、灌溉面積最大、糧食產量最高的州。中國大陸目前正實施的「南水北調」是有史以來越域引水規模最大的工程,規劃有自長江流域向北方地區補水的東、中、西三線方案,三條輸水幹渠連接長江、淮河、黃河、海河四水系,構成了「四橫三縱」的水資源系統。該工程自1952年10月提出構想,經過半世紀的反覆評估, 2002年12月東線工程(全長701公里)首先開工建設。2003年12月,中線工程(全長1427公里)也隨後開工。西線則還在規畫中。 三、越域引水 (二)國外越域引水案例
第貳章文獻回顧 (ㄧ)原規劃士林攔河堰引水基準: (1)環保基流量:引水地點發生率90%之天然流量 (2)下游現有用水保留量:如表2-4所列,★堰址流量超出該基準值部分方能引入鯉魚潭水庫。 (二)現行士林堰下游保留量:如表2-5所列 四、士林攔河堰引水基準
第貳章文獻回顧 表2-4原規劃引水基準 表2-5現行下游保留流量 ★堰址流量超出該基準值部分方能引入鯉魚潭水庫
第貳章文獻回顧 五、超越機率分析: (黃等,1999)以曾文溪及高屏溪為研究對象,利用已知水文站實測流量資料,以旬流量進行區域化序率水文模式分析,結果顯示區域化序率水文模式分析推估誤差較以往傳統模式(流域面積比)為小。 (徐等,2005)水文流量豐枯研判,一般常以旬流量超越機率曲線 中,了解各旬流量分布關係,並進一步可掌握河川旬流量季節性分布特徵。當流量被取用時超越機率小於40%時可評估為豐水狀態。當流量被取用時超越機率介於40%~60%時,可評估為平水狀態。當流量被取用時超越機率介於60%~80%時,可評估為枯水狀態。當流量被取用時超越機率大於80%,可評估為乾旱狀態。本研究以此方法分析天然水文豐枯季節旬流量。 18
第貳章文獻回顧 (陳,等2007)應用超越機率法、線性內插法分別計算100%、95%、90%、80%、75%等四種發生機率之對應流量,分析大安溪、大甲溪天然供水量滿足不同供水標準條件下之機率及可靠度。 (張,2001)以歷史日流量紀錄並以韋伯法分析發生機率,繪製日流量延時曲線,了解某時段日流量大於某流量值之可能發生時間百分比分析卑南溪河川生態基流量。 (中水局,2000)以流量比面積法推估鯉魚潭水庫與石岡壩各旬流量單獨運用與水源聯合運用之水量。(中水局,2010) 以歷史流量紀錄及流量比面積法,以「日」為模擬單位推估河川可用流量,其中攔河堰引水前須優先放流下游各項保留水量如農業用水量、生態基流量,模擬分析不考慮河道輸水損失(滲漏及蒸發),模擬大甲溪與大安溪聯合運用之可行性。 五、超越機率分析:
2-2超越機率分析: 第貳章文獻回顧 2.(黃等,1999)以曾文溪及高屏溪為研究對象,利用已知水文站實測流量資料,以旬流量進行區域化序率水文模式分析,並以流量面積比推估方式進行比較。 3 20
六、缺水分析: 第貳章文獻回顧 (黃, 1986)修正日本及美國目前所使用之缺水指數,而發展出一般化缺水指數(generalized shortage index, GSI),此缺水指數除包含缺水指數之特性外並能考量經濟及社會之衝擊。此一般化缺水指數(GSI)曾被應用於高屏溪流域分析水資源規劃中之容量擴張問題。 (蕭, 1999)以供需間之關係定義缺水,並探討缺水之特性包括缺水延時、缺水量=∣供水量-需水量∣、缺水率 缺水頻率等。 (廖,1993)利用序率水文模式產生大量可能的合成流量,對水庫系統進行序率模擬,並以鯉魚潭水庫與石岡壩旬聯合營運為例,以進行缺水風險分析。 21
第貳章文獻回顧 (洪等,1998)利用大氣環流模式模擬大安溪上游河川平均年水資源改變情形,並以歷史供需水資料旬缺水率配合可能河川流量變化,以相同河川流量改變百分率作為原河川流量修正,評定各缺水率情形改變狀況。缺水率之評估方法為供水缺額(缺水量)除以計畫供水量,公式如下式: 缺水率 模擬結果(方法1)豐水期流量大致呈現明顯增加,枯水期流量則下降15%至58%;(方法2)豐枯水期流量皆呈現減少,豐水期減少5%至10%,枯水期減少25%至30%。結果顯示氣候變遷對大安溪一期作灌溉計畫水稻用水將產生很大限制。本研究以此缺水率公式為分析方法並以旬為計算單位。 六、缺水分析:
第貳章文獻回顧 (童等,2004) 以農業灌溉需水量模式模擬氣候變遷對於農業用水的影響,氣溫增加使得生長期縮短,雖然生長期的縮短造成末期需水量的減少,但在初期需水量是增加的,尤其在枯水期流量比例差異較大的地區將帶來衝擊,由於農業活動本身受到氣候的影響就很大,因此農業用水量自然有會受到氣候變遷之影響。McCabe andWolock (1992) 研究在較為潮濕的地區,灌溉用水量在假設的氣候條件狀態之下的敏感度。Tubiello 等人 (2000) 利用模式模擬一倍二氧化碳以及二倍二氧化碳的情況之下,義大利地區的農業用水量,其結果顯示要維持現階段的農業產量,在氣候變遷之下,農業用水量將必須增加60-90% 六、缺水分析:
第參章研究方法 (一)河川天然流量 ( nature river flow):大安溪流域水文流量測站象鼻(3)站歷年實測流量之紀錄值。 (二)河川天然流量豐水、平水、枯水及乾旱季之旬流量依據文獻 回顧(徐等,2005)之定義 (三) 灌溉計畫用水量(Ip): 1.蒸發散量(Evapotranspiration、ET) 2.田間需水量(Water requirement、WR) 3.總灌溉用水量(Diversion requirement、DIR) ET=CU 、 WR=ET+P、DIR=WR+L。 (四)實際取水量(R):各圳渠首水門實際取入之紀錄值為實際取水量。 (五)缺水率(SR):農業用水缺水率依文獻回顧(洪等,1998)公式定義為: 缺水率(SR) ㄧ、基本定義
二、天然流量機率分佈 第參章研究方法 25
第參章研究方法 三、士林堰營運前後對下游用水影響比較分析如圖3-1: 圖3-1分析流程
第肆章研究區概況 ㄧ、地理位置: 大安溪位於台灣中西部,其發源於雪山山脈之大壩尖山西麓,於台中縣大甲雙寮及大安鄉頂安村間出海;本流域流經之行政區域跨及苗栗、台中兩縣,苗栗縣部分有泰安、卓蘭、大湖、三義、苑裡等五鄉鎮;台中縣部分包含和平、東勢、后里、外埔、大甲、大安等六鄉鎮,如圖4-1 圖4-1 28
第肆章研究區域概況 二、氣象及水文 (一)降雨量: 大安溪流域年平均雨量約2,400毫米,每年10月至翌年4月為枯水期,5月至9月雨量豐沛為豐水期,自山區向沿海遞減。年平均雨量約有1,200—1,800公厘雨量集中於夏季佔全年雨量80%以上。 (二)溫度 : 大安溪流域,上游冬季年平均溫度12度至18度之間,夏季約為20度至25度,而下游冬季平均溫度16度至22度,夏季則高達28度至32度間。 (三)濕度: 大安溪流域內之年平均濕度75至85%;11、12月最低,5、6月最高。 (四)流量: 歷年平均流量1467.21百萬立方公尺(2002水文年報),豐水期流量約佔全年總逕流量之78%。 29
第肆章研究區概況 三、研究對象 (一)灌溉系統 大安溪流域灌區每年計畫供應一期作及二期作水稻用水(含雜作、長年作)屬雙期作區域。大安溪流域總灌溉面積10,733公頃,其中6,151公頃屬士林堰供水灌區面積。 (二)相關水工構造物: 大安溪供水系統中主要水工結構物包含鯉魚潭水庫、士林堰、卓蘭發電廠,水路系統依灌區分下列三區其系統相關詳如圖(4-2) (1)士林堰供水灌區:(卓蘭圳、埔尾橫圳、矮山圳、口潭圳、石壁坑、新 店圳、頂店圳、后里圳、七公圳、城 圳)。 (2)鯉魚潭水庫供水灌區:鯉魚潭圳 、三灌圳(苑裡圳、日南圳、九張犁 圳) (3)公共用水(含工業用水):發電後由鯉魚潭水庫直接輸送至鯉魚潭淨水場 再配送至大台中地區。 30
第肆章研究區概況 圖4-2臺中水利會大安溪水系灌溉系統 31
第肆章研究區概況 三、研究對象 (三)流量測站 大安溪水系流量測站共計4個,包含象鼻(3)站、雪山坑站、卓蘭站、義里站等,其座標及流量觀測年限如表4-1,其觀測站相對位置詳圖4-3,本文將以象鼻(3)站天然流量測站為基準‚作為天然流量分析依據,因其位於士林壩上游,流量觀測值不受人為因素影響。 32
表4-1流量測站 圖4-3測站與圳別位置圖 33
第伍章結果與討論 ㄧ、大安溪旬流量超越機率曲線及流量推估 依超越機率法,分析大安溪水系象鼻(3)站旬流量資料進行分析; 由於流量分佈具偏態分布特性,低流量部分難以直接由圖示曲線觀察 其分佈特性,因此本研究將各月份之旬流量對應超越機率曲線之橫座 標由流量常數座標修正為對數座標,以清楚顯示低流量之機率分佈, 縱座標維持不變,為通過流量值,各月份之旬流量超越機率曲線推估 如圖5-1-1~圖5-1-36和圖5-2。 圖5-1-36超越機率流量趨勢圖 34
第伍章結果與討論 圖5-2大安溪象鼻(3)站流量趨勢圖 二、越域引水對農業用水影響結果 本文以大安溪士林堰供水灌區為探討對象, 探討營運前1996年至2002年期間缺水率和 營運後2003年至2009年期間缺水率, 前、後共十四年資料,分析農業用水每旬缺水率。 35
第伍章結果與討論 5-2越域引水對農業用水影響結果 (1)士林堰營運前(1996~2002) 缺水率介於25%~30%共18旬 缺水率介於30%~40%共26旬 缺水率介於40%~50%共11旬 缺水率介於50%~60%共4旬 缺水率介於60%~70%共2旬 缺水率介於70%~80%共2旬 缺水率介於80%~90%共1旬 營運前25%~90%缺水率七年合計為64旬即64/252。 士林堰營運後(2003~2009) 缺水率介於25%~30%共22旬缺水率介於30%~40%共44旬 缺水率介於40%~50%共27旬缺水率介於50%~60%共33旬 缺水率介於60%~70%共23旬缺水率介於70%~80%共10旬 缺水率介於80%~90%共2旬 營運後25%~90%缺水率七年合計為161旬即161/252,如圖(5-2)、圖(5-3)。 36
圖5-2 圖5-3 37
第伍章結果與討論 三、以天然水文超越機率值及營業前後缺水率比較分析營運前後之影響: 依天然水文超越機率定義枯水狀態及乾旱狀態分析結果(如表5-1),第一期作間1-18旬,共有63旬:占全期63/126,第二期作,枯水年及乾旱年計48旬,佔全期之48/126;而營運前第一期作缺水有44旬,第二期作缺水有20旬;營業後第一期作缺水80旬,第二期作有52旬。以上資料列表如表5-2。 表5-2天然水文枯水及乾旱旬數與營業前後缺水旬數比較表 表5-1天然水文流量豐枯狀態統計表
第伍章結果與討論 從表5-2很明顯得知,營運前第一期作枯水及乾旱之旬數佔全期之63/126;而水稻耕作缺水有44/126,意味著營運前天然流量在枯水及乾旱期,水稻耕作期雖出現缺水,但其缺水旬比例比天然枯水及乾旱旬數少;而營運後水稻耕作期缺旬比上昇到80/126,顯示一旦枯乾,水稻耕作期就缺水。而二期作營運前天然枯水乾旱旬比為48/126,水稻耕作期缺水旬比例為20/126,表示河川天然流量枯水乾旱期水稻耕作期不一定會缺水,但營運後期缺水旬數上昇到52/126,即只要天然枯水乾旱水稻本田最需水期就一定缺水。
第陸章結論與建議 一、結論 (一)從總缺水旬數士林堰營運後為營運前之132/64=2.06倍;而在缺水率50%~60%間高達5.75倍;而在水稻耕作尖峰用水期,士林堰營運後,其缺水旬數為營運前倍數,一期作為2.2倍,二期為3.6倍;而本田最需水時段之缺水旬倍數,一期為2倍,二期為4.7倍。以上數據很清楚顯示,士林堰營運前缺水受自然水文現象影響,主要缺水時段為一期作水稻耕作尖峰用水時間(整田及成活期),但士林堰營運後,不但未改善營運前之缺水狀況,甚至使原本不太缺水之二期作,也出現頻繁缺水。故士林堰越域引水,係確有影響下游農業灌溉。 (二)水資源為國家所有為水利法之規定(水利法第2條),故為地區綜合發展,國家調配自然水資源乃理所當然;但水權有先後次序,後者影響前者之利益應當有所補償亦是水利法明文規定(水利法第20-1條),故水資調配權責機關應正視農民權益及水利法相關規定,謀籌兩全其美之辦法,至少應為雙方皆可接受合理辦法。 40
第陸章結論與建議 二、建議 (一)改善士林堰對下游灌區造成缺水影響,最簡單有效的方法為士林堰放流給下游水量,必須依權溉計畫用水量加河川輸水損失及河川基流量。 (二)解決區域水資源缺乏之根本做法,當然是開源節流,而農業用水有時段性,尤其二期作水稻期間正是台灣雨季,其實在此段期間如有調蓄水池,則很容易改善缺水現象。然調節設施需要用地,為取得農業調蓄水池用地,建議進行農地重劃,而農業用調蓄水池用地價購經費,應由調撥農用水之用水標的者負擔。 (三)一期作之缺水,本就是枯水期,縱有調蓄水池也難以解決。如各用水標的均按天然水文缺水比例配水,此為自然缺水,農民當然不能要求任何補償,但若僅農業用水打折配水,其他標的均按計畫用水量配水,此極為不公平,且也不合水資源合理高效率利原則,概農業用水勿論係地下渗入或往大氣之蒸發、蒸散,均為無汚梁可供下游再利用之生產性用水。故不按比例的調配農業用水,使用者必須付費。而要使此一調配順利進行,水資源調配機關宜與農田水利會合作,請水利會事先針對水資源缺水比例,劃分休耕區塊,一旦逢遇乾旱,則可依缺水比例進行計畫性休耕。 41
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簡報完畢 敬請斧正 45