101年度研究年報-all(中文版)

Study on Agricultural Benefits by Increasing Capacity ….. .137.

significant effect on the objective functions. As can be seen from feasibility study reports by
government agencies (AERC 2003), it is known that much water at the Taoyuan irrigation district will
be conserved with measures in building up the interrelation linkages between water ponds. This
study has focused on pond volume dredging only. Linkages are not altered, and the irrigation
schematic network follows the present situation. In case the engineering planning focuses on
irrigation linkage transmission and intake facilities in addition to pond volume dredging, it is expected
that more water will be conserved through the optimal operation. However, the agricultural sector is
of low competitiveness and usually can not afford to pay the high expenses of land acquisition and
engineering construction. It is suggested that a financial analysis needs to bring water users from
other sectors, particularly the industry, to cover the expenses.

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.138. 一○一年度研究年報

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.140. 一○一年度研究年報

.141.

The Study on Totally Automatic Management System and Water
Allocation Mechanism Planning of Kwan-Shan Channel

J.S. Liu W.H. Jen R.S Wu S.T. Cheng J.Y. Shu

農田水利會灌溉管理營運自動化是現代化管理的一種趨勢，台東農田水利會自民國 90
年度辦理農委會補助之施設自動測報系統計畫以來，每年均以灌溉渠道普設自動化監測系
統、達成自動化、科技化灌溉營運管理為目標，對於輸配水管理、水資源有效利用及節省
人力操作管理等方面成效卓著。以在圳路取水口施設閘門遙控系統這部份而言，已屬建置
頗為完整的水利會，然對於取入後的用水管理，則與其他水利會類似，仍由工作站以人力
進行調配，如此之模式自古以來皆然，對於專責於站內轄區之管理人員而言，均可於轄內
巡視時完成當日用水之調配。然而在水資源彌足珍貴、用水更加吃緊的枯水期，則應建立
更加精密的用水調配管理系統，以協助達成輪灌作業與即時調配之機動性。

為達成上述構想，本研究以台東水利會所屬之關山大圳為例，於其全長 18.9 公里之圳
路，調查分析各支線及制水閘門現況，並完成各支線分水、制水閘門遙控管理系統規劃，
相關成果可作為各水利會轄內灌溉面積大、調配水設施完整之圳路辦理現代化更新之參考。

關鍵字：關山大圳、自動測報、自動化管理系統

Abstract

Irrigation Management Trading Automation is a trend of modern management to Irrigation

本篇論文原刊載於「農業工研討會論文集」，2012 10 月

.142.

Associations (IAs), Taitung Irrigation Association (IA) handling facilities of the Council of Agriculture
(COA) Subsidies automatic monitoring system plan since 2001. Setting up automated monitoring
system on all the irrigation channels and to reach automation Science and Technology of irrigation
operations management as the goal, for the transmission and distribution of water management, water
resources, effective use and saving of human operations and management proved effective. Quite full
already build water conservancy facilities in the ditches intake gate remote control system for this part,
and then taken into water management, and other water will be similar, still workstation deployment of
manpower such a model since ancient times alike, dedicated to the management staff of the station
within the jurisdiction of, the date of completion of the deployment of the water may be within its
jurisdiction inspections. However, in the dry season of the precious water resources, it should be more
sophisticated water allocation management system to assist in reaching the immediate deployment of
mobility.

To achieve this concept, we studied on Kwan-Shan Channel which belongs to Taitung IA, and
with a total length of 18.9 kilometers as a case. After investigation and analysis the extension and the
current situation of water gate, and completion of the watershed of each branch line, and the system of
water gate remote management system planning. The related results can be used as a reference on the
similar channel with a large irrigated area, complete facilities of water distribution to handle irrigation
management modernization.

Keywords Kwan-Shan Channel, Automatic Monitoring, Automatic Management System.

台東水利會於全台水利會而言，在取水口水文自動監控系統建置這部份，已屬建置頗
為完整的水利會之一，其轄內各工作均已將主要圳路之取水口完成取水閘門監控系統的建
置。以關山工作站為例，其站內所屬之圳路如關山大圳重要之取水口及沉砂池等，皆已完
成監控系統設置，其餘如豐源圳及關山大圳幹 17 給等，則已完成影像監視系統之建置，工
作站管理人員可依據天候及現場水量大小，經由電腦設定操控，並藉由影像傳輸，確認閘
門是否正常啟閉、確實到位，因此可大量減少人員之負擔，提高豪雨夜間管理人員之安全
保障，並有效率的控制水量，即時且適時啟閉排水門，做有效之管理，將災害影響降至最
低，以防止下游災害情形發生。

為達成灌溉水系自動化管理之目標，本研究將以關山大圳發展自動測報之架構為基
礎，將調蓄水池之自動化管理系統，配合納入關山大圳全線自動化管理系統之規劃，使水
利會會之水文自動監控系統更加完整建置。

.143.

(一)地理環境概述
關山大圳位於台東縣，北自海端鄉初來村，南至鹿野鄉瑞源村，灌溉轄區涵蓋關山、

海端及鹿野三鄉鎮，全長 18.9 公里，灌溉面積約 1,984 公頃。關山大圳之設計流量為
15.38cms(含設計取水量及區域排水量)，每年 11 月至翌年 5 月止為枯水期，此時期由於降
雨量不足、河川水源不足，故僅有約 3cms 之流量可取入供應灌溉使用，於第二期作則為
豐水期，經常性流量約可達 7～8cms。由於枯水期水源嚴重不足，因此水利會將灌區劃分
成單期田區(第 7~17 支線、幹 18 給~幹 31 給)及雙期田區(第 1~6 支線、幹 1 給~幹 17 給)，
第一期作僅雙期田有供水，是台東農田水利會唯一有單、雙期作田劃分的灌區，其中雙期
作田面積約 1,271 公頃，單期作田(第一期作)面積約 713 公頃。
(二)測報系統現況概述

關山大圳於其取水口設有水文影像監控系統，對於取入之水量現況是以超音波水位計
進行水位及流量監測，其取水口之閘門可由關山工作站經由 ADSL 專線進行遙控啟閉及影
像監控，然於其近 19 公里長之圳路沿線，除幹 17 給制水門處有影像監視系統外，其餘閘
門並無任何可遠端遙控調配之監控設施，對於具有多達 17 條支線的大圳而言，實難施以更
有效率的管理方式，有關關山工作站之系統架構圖如圖 1 所示。

圖 1 關山監測站閘門遙控系統架構圖
為提升灌溉調配水效率及水資源之最佳利用，擬規劃以施設現代化監控系統之管理方

.144.

式，配合調蓄設施聯合運用，使其單期作田區於第一期作期間能獲得灌溉水源，增加農民
第一期作的收益，達成政府照顧農民之既定政策。

(一)關山大圳全線監測點規劃

經本研究至關山大圳沿線現勘並彙整調查成果顯示，關山大圳除包含 17 支線及 31 條
幹給之外，尚有許多附屬的支線及幹給，惟並非每一個支線或幹給皆需設置或皆具有條件
可以施設自動測報系統，依據現勘結果，建議以如下表 1 所示，建置 25 處閘門遙控站及
15 處水位監測站，總計 40 站，作為細部規劃之基礎。各監測站規劃之設備由於篇幅眾多，
謹將各遙控及水位測報站之系統設備配置圖摘錄其一於下圖 2。

表 1 關山大圳全線閘門遙控及水位測報站規劃數量表

預定設置閘門 包含支、給別 預定設置測報 包含支、給別
遙控站 站

1 沉砂池排砂門 沉砂池排砂門、滙入口閘門 幹 11 給水位測 幹 11 給
閘門遙控站 報站

2 幹 1 給閘門遙 幹 1 給、幹 1 給制水門 幹 13 給水位 幹 13 給
控站 測報站

3 1 支線閘門遙 幹 2-1 給、幹 2 給、1 支線、1 幹 14 給水位 幹 14 給
控站 支制水門 測報站

4 幹 3 給閘門遙 幹 3 給、幹 3 給制水門 5-1 支線水位 5 支-1、5 支-2
控站 測報站

5 2 支線閘門遙 2 支線、關山大排、2 支線制 幹 15 給水位 幹 15 給、幹 15-1 給
控站 水門 測報站

6 幹 4、5 給閘門 幹 4 給、幹 5 給、幹 5 給制水 幹 16 給水位 幹 16 給、幹 16-1 給
遙控站 門 測報站

7 幹 6 給閘門遙 幹 6 給、幹 6 給制水門 幹 18、19 給水 幹 18 給、幹 19 給
控站 位測報站

8 幹 7、8 給閘門 幹 8 給、幹 7 給、幹 7、8 給 幹 20、21 給水 幹 20 給、幹 21 給
遙控站 制水門 位測報站

9 3 支線閘門遙 幹 9 給、3 支線、3 支線制水 幹 22 給水位 幹 22 給、幹 22 給-1
控站 門 測報站

10 幹 10 給閘門 幹 10 給、幹 10 給制水門 幹 23、24 給水 幹 23 給、幹 23 給-1、幹
遙控站
位測報站 24 給、幹 24 給-1

11 紅石排水入口 第二號排水、第二號排水 幹 27 給水位 幹 27 給
閘門遙控站 測報站

.145.

12 紅石排水出口 第四號排水 14 支 線 水 位 14 支線、14 支-1
閘門遙控站 測報站

13 4 支線閘門遙 幹 12 給、4 支線、4 支線制水 幹 28 給水位 幹 28 給、幹 28-1、幹 28-2
控站 門 測報站

14 5 支線閘門遙 5 支線、5 支線制水門 15 支 線 水 位 15 支線、15 支-1
控站 測報站

15 6 支線閘門遙 6 支線 幹 29 給水位 幹 29 給、幹 29 給-1
控站 測報站

幹 17 給閘門 幹 17 給、幹 17-1 給、崁頂排
16 遙控站
水排水門、幹 17 給制水門

17 7 支線閘門遙 7 支線
控站

18 8 支線閘門遙 8 支線
控站

19 月野排水閘門 月野排水
遙控站

20 9 支線閘門遙 9 支線、8 支-1
控站

10 支線閘門遙 10支線、幹25給
21 控站

11 支線閘門遙 11 支線制水門、11 支線
22 控站
(調蓄水池進水口)

12 支線閘門遙 幹 26 給、幹 26 給-1 、12 支
23 控站
線、12 支-1、加拿排水

13 支線閘門遙 十三支線制水門(新設)
24 控站
(調蓄水池配水輪區制水閘)

16、17 支線閘 幹 30 給、幹 31 給、16 支線、
25 門遙控站
17 支線

小計 25 站 小計 15 站

由本研究之工作乃配合關山大圳調蓄水池之規劃辦理，故在該部份將 11 支線灌區規劃
為調蓄水池用地後，本研究旋即將 11 支線取水門預留閘門遙控功能，其原制水門則可作為
未來進水口之制水門使用。規劃新設之 13 支線制水閘則為後單期田使用調蓄水池用水的輪
區調配閘門，其調配之範圍如下圖 2 所示。

.146.

圖2 關山大圳閘門遙控、水位測報系統設備及用水調配輪區配置圖
(二)各支線、幹給取入閘門監控系統架構規劃

各支線/幹給測點之監控設備將以如下之架構依現場閘門遙控、影像監視之需求加以配
置，其中影像監視系統為於閘門啟閉期間，監看閘門附近有無人員出入之重要依據，故每
處監控站至少應有兩支以上之攝影機之設置，除增加監看範圍外，更可互看監視以達防竊
之附加目的。

另水位監測為調配水量之不可或缺者，故每處監測站均需有水位計 1 組以上，若以精
密控制水量調配而言，本研究建議各取入閘門內、外均應設置一組水位計(即幹線及支線上
各設一組)，且為精密量測流量，需於幹線上設置寬頂堰，採用寬頂堰為其具有以下優點：
(1)水頭損失小、測流準確度高。(2)能較好的防止泥沙淤積和飄浮物阻塞。(3)結構簡單、施
作容易、造價低。(4) 可設置於不同斷面形狀之既有渠道上，運用靈活度高。相關監控站

.147.

架構圖及寬頂堰剖面詳如下圖所示。

圖3斜檻寬頂剖面示意圖

1.整體系統架構
本研究所規劃之關山大圳全線自動化管理系統是以農田水利水文自動測報整合系統為

基礎加以發展規劃而成，相關整合系統由農委會計畫建置，使各水利會在相同資料中心之
下，各自發展其現地系統，以達成資源節約及有效資訊之完整提供，而各水利會所建置之
現地監控及水文測報系統則由其管理，相關系統架構如下：

圖 4 關山大圳自動化管理系統整體系統架構圖

.148.

2.現地系統架構
本規劃之各閘門遙控站，均以 Dial up fix IP 方式取得固定 IP，圖控系統將透過網際網

路系統直接與各處遙控站連線，進行影像監控、閘門遙控與即時水情資料接收，現地系統
之架構如下:

圖5關山大圳各支線/幹給取入閘門監控現地系統架構圖
(三)用水調配機制規劃

關山大圳調蓄水池主要目的乃在於供給後單期田於枯水期之用水，依相關報告規劃結
果，第 11 支線至第 17 支線將採輪灌之方式進行供水，則其輪灌分配方式將以 11~13 支線
為第一輪區，14~17 支線為第二輪區，其中間並需新設第 13 支線制水門，以利調節，相關
輪灌計畫配置詳如圖 2。

(一)自動測報系統施設工程費用
自動測報系統工程在應用在灌溉管理方面可藉由其閘門遙控、影像監視以及水位、雨

量監測等方面，發揮遠端即時調配的功效，於改善管理業務方面可增加灌溉效率，減少管
理人員操作時間；於災害防救方面則可提昇災搶應變速率，滅少田間淹水及農作損失，確
保關山地區優質良米之產量。

此外，即時影像監視能使管理人員掌握閘門周遭現況，立即對發生之狀況作迅速處置，
影像錄製更能保全測站周遭之財務安全及責任之釐清。本研究於規劃關山大圳全線自動化

.149.

管理系統時，即對於此部份採取必要之設置規劃，於每一遙控站均加以規劃設置，雖會增
加系統建置初期之費用成本，但仍建議相關系統均應加以採用。

有關經費部份主要可分為閘門遙控站及水位測報站兩種，在各農田水利會多年辦理自
動測報系統工作統計下，兩者之建置費用雖依系統設備不同而會有部份差異，但大致上其
費用仍可平均以 562,000 元及 273,000 元計算之。整體工程經費部份由於經費較高，故在估
算時將其分為 2 個年度方式辦理，第 1 年度先將 15 個閘門控站及 8 個水位測報站建置完成，
其餘則於第 2 年度建置，總計包含相關費用，約需 22,212,000 元，詳如下表：

表2 關山大圳全線自動化工程經費估算表

工程項目 說明 單位 數量 單價 總價 附註

一、發包工作費

第 1 年建置閘門遙控站 站 15 562,000 8,430,000

第 1 年建置水位監測站 站 8 273,000 2,184,000

第 2 年建置閘門遙控站 站 10 562,000 5,620,000

第 2 年建置水位監測站 站 7 273,000 1,911,000

小計 18,145,000

二、工程保險費 0.30% 全 1 54,000 54,000

三、勞工安全衛生費 1.10% 全 1 202,000 202,000

四、環境保護措施費 1.10% 全 1 202,000 202,000

五、包商管理雜費 8.00% 全 1 1,452,000 1,452,000

小計 元 20,055,000

六、營業稅 5% 全 1 907,000 907,000

合計 元 20,962,000

七、委外設計監造費(約 4.5%) 全 1 940,000 940,000 依實核銷

八、水利會管理費(約 1.5%) 全 1 310,000 310,000 依實核銷

全線自動化管理系統工程預算總 22,212,000.0
額

有關效益部份之估算，經以減少豪雨圳路淤積清理費、雙期田區可增加產量及後單期
田區可恢復耕種之稻米收益等加以計算，其益本比計算詳如下表:

.150.

項次 表3 關山大圳全線自動化工程效益估算表 金額(元)
成本小計(N) 成本(C) 22,212,000
說明
3,017,899
關山大圳全線監控站系統工程費 N=22,212,000 元
90,537
年計成本(C1) C1 = (1+ 0.06)10 × 0.06 × N ，(用 10 年攤提) 540,000
(1+ 0.06)10 −1

年營運維護費(M) M= C1×3%
年通訊 M1)
年通訊費: [1680 元/月'*20(閘門遙控站)+200 元/月
*23(水位站)]*12 月=458,400 元

年成本(C) C=C1+M+ M1 3,648,436

項次 效益(B) 金額(元)
1 說明 240,000
2 720,000
減少工作站管理人員巡視額外負擔費=20,000 元/月*12
3 月=240,000 5,094,925
減少豪雨圳路淤積清理費=1,200 元/工/月*50 工/月*12
月次/年=720,000 元
1.妥適用水調配使雙期田 1271ha 增加 5%之稻米收益

=42,264 元/ha*10%*1271ha =16,115,263 元
2.單期田區用水調配合宜，增加單期作田區 713ha 除

11 支線下游之收益是因調蓄水池施設(非本研究範
圍)而受益的 523ha 扣除外的(713-523=190ha)，假設
其中 30%面積可恢復耕種之稻米收益=42,264 元
/ha*190ha*30%=5,094,925 元

年計效益(B) B=1+2+3= 6,054,925

項次 益本比 B/C
益本比 說明 1.66

B/C=

經由上表之估算，以關山大圳全線自動化之工程經費 22,212,000 元整，經由 10 年之
成本攤提結果，每年之成本包含維運及通訊費等為 3,648,436 元，而其在減少工作站管理人
員額外巡視的費用上，每年可減少 24 萬元之開銷，另可減少圳路因過久未及時排水而造成
經常性淤積之費用約 72 萬元，其中在增進農民稻米產值部份效益最高，達到每年約 500

.151.

萬之增益，合計效益達 6,054,925 元，兩者比較結果，其益本比為 1.66，實屬具有效益之投
資。為值得興辦之工程，其完成後並可作為爾後水利會灌溉水系發展整體自動化管理系統
之典範。

(一)結論
1.本研究完成關山大圳全線自動化管理遙控及影像監視系統之規劃，其效益經估算結果
為 B/C=1.75，且尚有諸多減少居民生命財產損失之效益，可作為未來建置之基礎及
其他地區具有相同需求之灌溉系統設計參考依據。
2.關山大圳自動化管理系統可隨時監測、準確取得進水口之即時水文資料，以作未來計
畫取水量及配水之規劃分析依據，提高水資源利用效率。管理人員在暴風雨期間可利
用其功能，避開於非必要狀況下到現場之危險，提高人身安全保障。數據電腦化日後
更可擴充連線至水利會網站，無需經常性現場觀測，可減少一半之支出，則多餘人力
可辦理其他業務，嘉惠農民。
3.結論依規劃分析資料可有效管理農業用水資源，缺水時期可依分析資料公平合理的配
水至各輪區，避免農民用水紛爭。因有效的灌溉管理所節餘水量可作多角化經營之規
劃(卑南上圳已提供水力發電用水)；或保留生態基流量，以達農業永續經營之目標。
水文資料即時顯示對於輸配水管理、水資源有效利用及節省人力操作管理有極大效益
並可提升水利會服務品質及各測報站水源調度效。

(二)建議
1.農田水利管理自動化為未來方向，建議合台各地水利會轄區內之大型灌溉系統未來均
循此規劃加以施設自動化管理系統。
2.為進一步調配有限之農業灌溉水資源，各農田水利會均配合農委會輔導之腳步，建置
完成水文自動測報各項水資源資料庫，未來將結合逐年開發建置之地理資訊系統資料
庫等空間資訊，俾將此項現代化農業灌溉技術廣泛應用於各農田灌溉排水管理實務。

本研究為「台東農田水利會委託計畫」，在此致上謝忱。研究期間感謝台東水利會及
行政院農業委員會農田水利處諸位長官等提供許多寶貴意見與大力協助，在此一併致上謝
忱。

.152.

1. 農業工程研究中心，1985，桃園農田水利會灌溉管理現代化之研究(桃園大圳灌溉系統
遙測遙控工程規劃)，編號 AERC-85-RR-03。

2. 農 業 工 程 研 究 中 心 ， 1989， 桃 園 大 圳 灌 溉 系 統 管 理 自 動 化 規 劃 設 計 報 告 ， 編 號
AERC-89-RR-13。

3. 農業工程研究中心，1996，桃園大圳灌溉灌理自動化設施之研發-模擬系統與控制軟體
之研發，編號 AERC-97-RR-22。

4. 農業工程研究中心，1996,水文、灌溉監測系統自動化推廣方法之研究，農業工程研究
中心研究報告，編號 AERC─96-RR-24。

5. 農業工程研究中心，2007，『推廣旱作灌溉及現代化管理設施技術服務─加強灌溉管
理營運設施-建置自動測報系統』，行政院農業委員會農田水利處。

6. 農業工程研究中心，2007，『推廣旱作灌溉及現代化管理設施技術服務』，農業工程
中心研究報告。

7. 農業工程研究中心，2007，『田間伺服器及自動監控於農塘灌溉之電子化應用』，農
業工程中心研究報告。

8. 農業工程研究中心，2007，『農田水利灌溉管理之電子化應用』，農業工程中心研究
報告。

9. 農業工程研究中心，2009，98 年度水文自動測報技術於灌溉管理應用之研究，行政院
農業委員會，計畫編號 98 農科-6.1.1-利-b2。

10. 農業工程研究中心，2009，98 年度灌排設施維護管理經費評估及水閘門資料庫建置計
畫，行政院農業委員會，計畫編號 98 農科-6.1.1-利-b2。

11. 農業工程研究中心，2011，關山大圳水資源多目標利用計畫，臺灣省臺東農田水利會。

.153.

The Study of Establishment Assesses and Benefits Analysis of The
Adjusting Pool of Kwan-Shan Channel

W.H. Jen J.S. Liu S.T. Cheng J.Y. Shu

台東農田水利會關山大圳以簡易攔水堰引水，每年水利會均按該區域農田耕作之需
求，擬定灌溉計畫並據以輸配水量供給灌溉用水，然因水源豐枯時期水量差異甚大，水利
會雖將灌區以單期作田及雙期作田加以區分，依然無法解決單期作田於枯水期的用水窘
境，是故，爰以本研究調查及規劃關山大圳沿線適於設置調蓄水池之合適地點，作為貯蓄
其灌溉餘水提供予單期作田於一期作之枯水期間使用，使其於一、二期作均能獲得經常而
穩定的灌溉用水，藉以保障農民作物之收成及穩定之生計。

經本研究評估後，調蓄水池建議設置於關山大圳幹線第 11 支線灌區，以 9 公頃之面積
為規劃基礎，其蓄水容量經需水評估計算後，採深度 2.5 公尺、面積 4 公頃之設計，安全
蓄水容量可達 8 萬 4,000 噸，且為符合綠能及減碳策略，其進水及供水均採重力方式。本
研究並完成調蓄水池園區、導覽解說展示室以及小水力發電示範渠道等之規劃佈設。經估
算結果，總計工程費用為 2 億 7 千 8 佰 87 萬元整，檢討其設成本及預估效益後，其益本比
為 1.16，顯示本案具有投資效益，可作為後續工程計畫設計之參考。

關鍵字：關山大圳、灌溉、調蓄水池、效益分析

Abstract

The Kwan-Shan Channel of the Taitung Irrigation Association(IA) intercepts water with a simple
stone embankment. The IA check the needs to develop the irrigation plan and distribute the water
本篇論文原刊載於「農業工研討會論文集」，2012 10 月

.154.

every year. However the natural water differences causes low water period, the single-crop fields of
the Kwan-Shan Channel cannot obtain enough water in the dry season. The study tries to the
investigate and plan off along the Kwan-Shan Channel to set the appropriate adjusting pool locations
provided to lay aside their irrigation surplus water for single-crop fields in a dry season between in the
two to have access to regular and stable irrigation water, in order to protect farmers' crops harvest and
stable livelihoods.

After This study assessed the adjusting pool is recommended to set off Route 11 Extension
Irrigation District, Kwan-Shan Channel. With an area of 9 hectares for planning, its storage capacity is
calculated by the assessment of water demand, mining depth of 2.5 meters, an area of 4 hectares
design, safety and storage capacity of up to 84,000 tons, and to comply with green energy and carbon
reduction strategies, water storage and water supply were collected gravitational means. This study
also completed the adjusting pool parks, planning and disposition of the tour guide showroom and
small hydro demonstration channels. Estimates the total project cost of NT 278,870,000. Entire review
set the cost and effectiveness estimates, the benefit cost ratio of 1.16, indicating the case with
investment returns, can be used as a follow-up project plan design reference.

Keywords Kwan-Shan Channel, Irrigation, Adjusting Pool, Benefit Analysis.

台東農田水利會關山大圳由卑南大溪(上游為新武呂溪)設置簡易攔河堰引水灌溉，北
自海端鄉初來村，南至鹿野鄉瑞源村，灌溉轄區涵蓋海端、關山及鹿野三鄉鎮，全長 18.9
公里、渠道設計通水流量為 15.38cms(含設計取水量及區域排水量)、灌溉面積達 1,984 公
頃。關山大圳灌溉區域因水源取得因素，劃分成單期作田(第 7~17 支線、幹 18 給~幹 31 給)
及雙期作田(第 1~6 支線、幹 1 給~幹 17 給)二種、關山大圳灌區詳圖 1。台東地區於每年 6
月至 10 月止為豐水期及第二期作耕種期間，該時期經常性可取入供灌之流量約為 7～
8cms，可滿足關山大圳灌溉區域全區用水需求；另於每年 11 月至翌年 5 月止為枯水期及
第一期作耕種期間，該時期由於降雨量不足，導致河川水源不足，僅能有約 3cms 之流量
可取入供水灌溉，僅能滿足雙期作田面積約 1,271 公頃供水，無法供水至面積約 713 公頃
之單期作田(第一期作)。

當前因國際糧食交易市場存在高度不確定性，據統計，我國糧食自給率逐年下降，目
前(民國 98 年)僅剩 32%，較鄰近國家日本的 40%為低。為確保我國糧食安全及國家永續發
展，台東農田水利會雖然極力按該灌溉區域農田耕作之需求，擬定灌溉計畫及以灌溉管理
手段全力進行用水量調配供給灌溉用水，然因水源豐枯期水量差異甚大，依然無法解決單

.155.

期作田面積約 713 公頃於枯水期的用水窘境，因此，經選定結果以第 11 支線灌區內之最適
位址，設置可提供約 8 萬 4,000 m3 蓄水量之調蓄水池，每日約可提供 7~8 萬 m3 的灌溉用
水，將其夜間剩餘用水貯蓄後調配供日間運用，予單期作田第一期作耕種期間使用，使其
於一、二期作均能獲得經常而穩定的灌溉用水，藉以保障農民作物之收成及穩定之生計，
達成農業水資源開發利用效率，發揮國家整體水資源最大效益，增加灌溉面積約 713 公頃
作物之產量及產值，進而提升國家糧食自給率。

(一).氣象水文蒐集分析
關山地區之氣象、水文資料，包含雨量、降雨日數、氣溫、相對溼度、蒸發量等，其

中雨量及降雨日數乃依據臺東水利會關山工作站於 1981~2011 年期間，共計 20 年之雨量紀
錄分析；蒸發量、氣溫、相對溼度則引用中央氣象局臺東測站於 1981~2011 年期間，共計
20 年之各月份氣象資料加以彙整統計。本地區全年平均溫度約介於 19.5～28.9 間，平均
值為 24.5℃，夏季(6~8 月)約為 28～29℃左右，惟最高溫曾高達 35.1℃，冬季(12 ~2 月份)
溫度變化範圍約 19.5～23.4℃，各季溫差變化幅度不大，顯示本地區氣候冬季溫暖，夏季
偏熱。本區全年之月蒸發量變化範圍為 76.0~148.7mm，各月份平均蒸發量為 108.4 mm，
最大值發生在 7~8 月，約 140 mm 以上，其中以 7 月份發生之 148.7 mm 為最大值，最小值
發生在 1~2 月，約 76.0~80.7 mm，冬季蒸發量約為夏季的 60 %。於降雨量及降雨日數部
份，依關山工作站 1986~2005 年降雨紀錄，本地區之年降雨量約為 1678.9 mm，平均月降
雨量約為 139.2 mm，平均年降雨日數約為 99 天，本地區之降雨主要集中發生於 5～10 月
份，月降雨量達 144.7～334.5 mm，降雨日數亦達 10 ~11 天，11～4 月期間降雨量最小，
均小於 70 mm，以 1 月之雨量 31.6 mm 最少，降雨日數以 11~12 月最少，僅為 4~5 天；依
據降雨統計資料顯示本地區年降雨量均小於台灣地區平均值 2,520 mm，其中有 3 年記錄甚
至低於 1,000 mm，顯示本地區降雨量呈現低於台灣其他地區之趨勢。
(二).土地利用調查

土地利用調查，主要了解規劃區之作物制度、灌溉時期、農業經營與栽培管理等方
式，提供系統規劃佈置之參考。依現地調查，計劃區內以單期作田(第 7~17 支線、幹 18~
幹 31 給水路)之耕地面積約計 713 公頃，其耕地現況及耕作利用情形：以第一期作轉作(短
期作物)配合第二期作種植水稻約 402 公頃；長期轉作多年生作物(以香蕉為最多，薯葉次
之)約 24 公頃；長期轉作短期作物(以葉菜、莖菜或什糧等之短期作物為主)約 280 公頃；長
期休耕土地約 7 公頃。
(三).作物用水量分析

.156.

計劃區內之短期作物包括食用玉米、葉菜類、根莖類及瓜果類等之作物，由上述之作
物，農業工程研究中心於民國 89 年 2 月上旬至 90 年 6 月底止，在桃園區農業改良場內，
試驗分析結果：葉菜類作物-如葉菜甘薯、紅菜、蕹菜、莧菜等之作物，其需水量以露天
栽種方式，分別界於 3.0～5.0mm/day 之間，另設施內栽種方式介於 1.5～3.0mm/day 之間；
根 莖 類 作 物 -如 蘿 蔔 、 菜 心 、 山 藥 等 之 作 物 ， 其 需 水 量 以 露 天 栽 種 方 式 ， 界 於 3.5～
5.0mm/day 之間；瓜果類作物-如冬瓜、南瓜、絲瓜等之作物，其需水量以露天栽種方式，
界於 3.5～5.0mm/day 之間；食用玉米及食用甘薯，以露天栽種方式其需水量界於 4.0～
5.0mm/day；什糧日用水量:5mm/day；短期作物日用水量在 3.0~5.0mm/day。

綜合上述用水量分析，擬採用平均值在 4~5mm/day 為估算，但考慮本地區之日蒸發
量及水源水量不是很充裕之情形下，宜採用平均值 3.5mm/day 為日用水量之規劃依據。

為了解關山大圳 7 支線~17 支線之單期作田農民從事農業經營型態，以配合實際灌溉
之需求及未來意向，並以從事農業之農民均可作為本次問卷調查對象。調查方式採以請工
作站召集規劃區內之農民辦理說明會，說明計畫目的，並進行問卷調查。
(一).回收戶數統計

本次問卷調查共分發 50 份調查表，調查項目包含農民姓名、電話、耕地座落位置、農
地面積等四小項，因本項僅作調查資料來源依據，無直接與規劃之關係，故不加以分析，
共計回收 45 份，另利用現地調查期間與農民之訪談時，並進行問卷調查回收 2 份，合計共
47 份。
(二).面積統計

經由調查回收戶數計 47 戶，面積統計 85.02 公頃，其中一戶之耕作面積 12.33 公頃為
最大，另 1 戶面積 0.33 公頃為最小，由此顯示，本地區耕作面積大約以 0.51~1.0 公頃之間
為最多。
(三)農地利用情形

1.本地區之農民均以傳統式為耕作，尚未有其他新興行業，如設施栽培或休閒農業等之
開發。

2.本地區種植水稻田以第二期作為主，因一期作之灌溉水源量不足，無法全部供灌，故
必需辦理休耕或轉作其他作物為輪作，由統計結果顯示第一期作休耕(或轉作、轉作種
植之作物除香蕉及釋迦屬多年生作物之外，其餘生長日數均為 60 天~150 天之作物，
如葉菜類、莖菜類、果菜類、雜糧類等之短期作物為耕種)、且於第二期作種水稻者合

.157.

計佔 42%，此結果反映農民對於單期作田水源及種水稻之需求。
(四).灌溉水源

本地區之灌溉水源除由農田水利會提供外，無其他水源可資利用，顯示該地區無其
他替代水源，作為補充灌溉之水源。另本地區包括轉作短期作物或多年生作物之農民，均
保持傳統式及重力式溝漫灌法，尚未開發使用現代化灌溉節水系統為末端之施灌。
(五).未來公共系統設施設置完成，希望經營之方式

1.經訪談農民對水利會配合政府輔導轉作意願，由 47 位中之農民，對未來公共設施完
成，願意配合農田水利會辦理轉作者計有 20 位，另有 19 位不表示意見或勾選之原
因，均持觀望態度，顯示農民希望農田水利會辦理此項設施之期盼。

2.公共系統設置完成，能提供穩定之灌溉用水量，是否改變現況經營型態，本項調查，
會改變經營型態者計有 28 位，不會改變(維持現狀)者計 11 位，由此顯示，本地區若
能提供穩定的灌溉水源，農民的耕作方式大多數會改變現況之經營，但改變經營方式
或內容，農民均未進一步表達。

3.公共系統設置完成，能提供穩定之灌溉水量，是否改變種植其他作物，依調查統計，
公共系統設置完成供水後，是否改變種植其他作物，選擇會者有 34 位，希望改種之
作物以水稻為優先，選擇不會者有 9 位，其耕種作物維持現況，另有 4 位不表示意
見，顯示本地區所耕作之農民與年齡有關，因最近水稻收購價格再次提高，使農民轉
作之誘因降低，且種植水稻者年齡較高，亦可承擔。

4.將來公共設施若經過您的土地，依調查統計，選擇願意無償提供土地使用者有 12
位，不願意有 2 位，其餘不表示意見或未填寫計有 33 位，由此顯示其實農民均保持觀
望之態度，據訪調農民表示，均以未來公共系統之執行情形才作決定。

(六).轉作或改變作物者，末端灌溉希望採用何種型式
選擇以傳統式施灌者有 25 位，使用末端灌溉器具有 6 位，不表示意見有 16 位，由此

顯示，本地區所耕作之農民，對轉作其他長期作物或高經濟之作物短期內意願不高，故在
系統設施規則設計上，必需再詳加考量。

(一).設置位址選定
關山大圳除包含 17 支線及 31 條幹給之外，尚有許多附屬的支線及幹給，由於關山大

圳單期田主要位於第 7 至第 17 支線以及幹 18 給至幹 31 給之間，從第 7 支線往南至第 17
支線末之直線距離長達將近 8 公里，其海拔高程約自 250m 降至 200m，整個單期作田區域

.158.

之高差達近 50m，故若以最為經濟之方式貯蓄餘水，則調蓄水池之位置不宜設置於下游區
域，否則將導致單期作田之第 7 至 11 支線間之灌區用水需以動力抽水方式方能灌溉。故建
議將調蓄水池設置於單期作田之上游區域。另關山大圳灌溉系統自第 11 支線之後，隨即
經過了加鹿溪及加拿典溪，一般以大型圳路橫跨溪流之方式若非採水橋、渡槽，即為採用
倒虹吸工之方式過溪，無論採用何種方式，均不利於蓄水池供水灌溉。依據現地勘查及測
量資料得知第 7 支線至第 11 支線間之海拔高程變化不大，有利於未來調蓄水池之設置，只
要向下挖深即可以較為容易之方式獲得所需之蓄水量， 若高程變化過大，則尚需另行考
量調蓄水池之堤防是否需提高，以避免未來進水控制機制無法自行停止進水，而導致溢
堤。故依工程設計實務等因子判斷，另考量設置完成後之後續管理維護最佳化，故建議調
蓄水池選址位置應以第 11 支線取入口所在之位置為佳。用地則以第 11 支線灌區內，月野
段地號田 242、270-1 及 276 等三筆土地(約 9 公頃)所組成之區塊較為合適。

(二).灌區需水量分析

本研究主要目的之一即在於提供單期作田灌區用水問題的解決方案，將以設置調蓄水
池之方式，提供單期田區所需之灌溉用水。依據台東農田水利會歷年灌溉計畫用水量與實
際用水量資料進行統計分析結果：雙期作田第一期最大旬用水量為 7.81cms、旬用水量平
均之最大值為 6.23cms、單期作田之第一期作則無水可灌溉，故無歷年用水資料。雙期作
田第二期作最大旬用水量為 9.20cms，旬用水量平均之最大值為 5.96cms；單期作田第二期
作最大旬用水量則為 4.33cms，旬用水量平均之最大值為 2.33cms。依據第二期作之歷年灌
溉計畫顯示，單期作田之灌溉面積自 95 年以後均為 713 公頃，表示其耕作之面積於近幾年
來均無變化，故擬以立地條件及氣侯相同之雙期作田近 3 年之第一期作灌溉計畫用水量，
依據灌區實際調查及未來設施完成後，農民因作物改變而必須之灌溉需水量計需 402 公頃
(水田)×水田灌溉水深 28mm＋311 公頃(旱田)×旱田灌溉水深 12mm＝149,880 噸。

(三).調蓄水池規劃

1.本調蓄水池運作模式為夜間(21:00~05:00)將關山大圳於卑南溪取得之水源儲存於調蓄
水中，於隔日白天(07:00~18:00)供水，依照台東水利會於民國 85 年~99 年之統計分析
資料，關山大圳取入灌溉用水水量低標約為 2.33cms，故於夜間至少可儲存 201,300 噸
(2.33cms×86,400sec)。

2.為考量灌溉需求、農民操作習性及投資最佳化，本計畫區將採輪灌之方式進行供水，
其輪灌分配方式將以 11~13 支線為第一輪區，14~17 支線為第二輪區，其中間並需新
設第 13 支線制水門，以利調節。故調儲水池之有效容量將以每日供水 75,000 噸設
計。

3.調蓄水池：以 RC 構造物，面積約 4.0 公頃，於夜間儲蓄灌溉餘水 8 萬 4,000 噸，滿足
調蓄水池下游灌區分兩輪區進行輪灌時 75,000 噸之需水量。

.159.

4.調蓄水池以自然重力流取入，並採以重力輸水方式供水，調蓄水池出水口及預定滙入
幹線之處為距 13 支線取水口上游 5m 處，其距離為 1,150m，而池底及預定供水出水口
之相對高程經測量結果分別為 EL244.15 及 EL242.27，相對高程差為 1.88m。假設使用
混凝土管(n=0.014)、管徑 1.30m，將需求流量代入，再加計 10%相關損失水頭後，可
順利自然送水。

5.調蓄水池考量相關供水安全係數及有效供水量，規劃調蓄水池之面積以 4.0 公頃為最
佳，水池深度為 2.5m，有效供水水深 2.1m，有效容量為 84,000 噸，可滿足單期作田
之第一期作灌溉計畫用水量最大值。

6.建議用地取得以 9.0 公頃之目標，未來除調蓄水池占地 4.0 公頃外，尚可結合關山地區
之觀光資源作最佳規劃，例如：關山親水腳踏車道之中繼休憩站、生態教育園區、再
生能源教育園區、綠建築教育園區等等規劃佈置園區。

(四).調蓄水池經費估算
1.工程估算經費估算：工程經費估算編列參考行政院公共工程委員會「公共建設工程經
費估算編列手冊」之規定辦理，確定估價標準、主要成本編估項目及工程比例，再依
各項工程數量估算工程經費。總工程經費含設計階段作業費用、用地及拆遷補償費、
工程建造費及施工期間利息等。

2.經濟分析之基準年：經濟分析基準年為民國 101 年。
3.經濟分析年限：計畫經濟分析年限依據「工程技術手冊」建議一般灌溉排水工程設施

使用年限估算原則以 40 年為準，工程設施之使用年限若超過 40 年，其後尚可繼續使
用之價值者予略之不計，為使工程設施能在 40 年經濟壽命之內充分發揮功能，使用
期間加計年運轉與維護費用以維持構造物正常效用。

4.用地費估算原則：以各縣市政府 100 年公告土地現值加四成為上限（每公頃主辦機關
視需要得給予配合施工獎勵金 120 萬元），並依照各縣政府地上物補償標準估算。

5.設計階段作業費用：本項費用主要包括地形測量、地質探查試驗分析、水文氣象地震
資料分析、水工模型試驗、其他項目調查、階段性專案管理及顧問、設計等費用。而
一般設計階段作業費用又分為基本設計及詳細設計兩階段，其中基本設計作業費按直
接工程成本之 2%估列，詳細設計作業費按直接工程成本之 3%估列，而本計畫則按直
接工程成本之 3%估列。

6.直接工程成本：直接工程成本為發包工程費及業主供給材料之合計，為興建工程目的
物所需成本，係依設計圖、工程數量等資料編製其費用。直接工程成本之單價包括直
接工程成本、承包商管理費及利潤、施工設施、工地費用及營業稅均在內。此外，施
工中之安全衛生及環境保護費亦為直接成本之項目，按直接工程成本之 2%估列。

.160.

7.間接工程成本：間接工程成本係業主為監造管理工程目的物所需支出之成本，包含工
程行政管理費、工程管理及監造費、顧問費、環境監測費及初期運轉費等。依據「公
共建設計畫經濟效益評估及財務計畫作業手冊」一般可按直接工程成本之 5%～10%估
列，本計畫間接工程成本按直接工程成本之 5%估算。

8.物價調整費：因應施工期間物價上漲之調整費用，以(直接工程成本＋間接工程成本
＋工程預備費)合計之值，按預估之物價年平均上漲率依複利法分年估列。

9.施工期間利息：融資貸款及建設公債等之利息，於進行財務規劃時須考慮此項費用。
依分年經費（設計階段作業費用＋用地取得及拆遷補償費＋工程建造費＋其他費用）
及資金來源，一般以年利率 5％(依據「公共建設計畫經濟效益評估及財務計畫作業手
冊(97 年版)」估算案例建議)按複利逐年估算。

(五).調蓄水池工程項目及經費
經前述之比較，本計畫採用重力輸水方式供水至下游幹線，調蓄水池工程項目共計：

整地及土方(9公頃)、擋土牆設施(550m)、蓄水池興建(4公頃×2.5公尺)、 關山大圳調全線
自動化系統工程(閘門遙控站20站、水位監測站23站)、展示室綠建築興建(地坪130坪、2樓、
內裝未列入計價)、園區步道及植栽示範區(約5公頃)、微水力及太陽能發電示範區(占地約
0.2公頃)、停車場(占地約0.2公頃)、供水管線( 1.3m混凝土管，長1,150m及過溪倒虹吸工2
處)、排砂道(210m)及機械設施、其他雜項等11項(相關園區規劃詳圖2及圖3)。其總計工程
費估算結果約為2億7,887萬元整，詳如表1。

(一).工程效益評估
本計畫將針對山大圳單期作田調整池新建工程及全線自動化管理系統工程計畫效益評

估分析，計畫成本分析方式將涵蓋建造成本、利息、營運及維修成本等。其中之建造成本
部份，由設計階段作業費用、用地取得及拆遷補償費、工程建造費、其他費用(視需要而
設)及施工期間利息組成。工程建造費則由直接工程成本、間接工程成本、工程預備費及
物價調整費四部份組成。

(二).投資金額分析
本計畫將針對關山大圳調蓄水池、自動化及相關必要配合工程進行效益評估分析，計

畫成本分析方式將涵蓋建造成本、利息、營運及維修成本等。其中之建造成本部份，由設
計階段作業費用、用地取得及拆遷補償費、工程建造費、其他費用(視需要而設)及施工期
間利息組成。工程建造費則由直接工程成本、間接工程成本、工程預備費及物價調整費四

.161.

部份組成。年計成本包括固定成本及運轉維護成本二大項。

(三).年計成本分析
1.年利息：年利息為投資之利息負擔，依總建造成本(或稱為總投資額)為準，按統一利
息方式計算，本計畫投資利息將以年利率 3%估計。

2.年償債積金：為投資之攤還年金，依總建造成本為準，採用積金法，依年利率 3%計
算，其每年平均負擔數為總投資金額的 0.344%。

3.年中期換新準備金：為維持經濟分析年限內之計畫功能，工程每一部分依其壽齡於應
期中予以換新，此費用在經濟分析年限內每年平均分擔之年金，稱為年中期換新準備
金。本計畫分析年限採 50 年，年利率 3%，年中期換新準備金為總投資額之 3.44%。

4.年稅捐保險費：依事業需要計算在年計成本內所需之稅捐保險，已於總發包工程費內
估列。依事業需要計算在年計成本內，以總工程建造費為準，一般以總工程建造費之
0.12%為保險費，0.5%為稅捐費，合計為 0.62%。

5.運轉及維護成本：包括機械設備運轉、設施之維修及養護、安全檢查及評估等費用，
依計畫大小、結構物、機械種類、運轉方法及其他因素而定，非固定值，有關部份：
電費 50,000 元/年、園區維護費 400,000,元/年、人事費 500,000 元/人年*2 人年
=1,000,000 元。

(四).年計效益
1.平均產量依據 99 年度台東縣政府統計要覽關山鎮稻米收獲面積及生產量計算；平均
價格為行政院農委會農糧署農業統計要覽之農產品價格；平均生產成本為行政院農委
會農糧署臺灣地區稻穀生產成本(99 年 1 期)查詢所得資料：

(1)稻穀部分 --(平均產量)6,558kg/ha＊(平均價格)21 元/kg-(平均生產成本)95,454 元
/ha=(淨產值)42,264 元/ha。本計畫完成工程可供單期作田區 11 支線下游 523 公頃充
足用水灌溉以滿足其種植水稻之用水量，若於有充足水量供灌之前提條件下，假設
恢復種植水稻之面積大約 90%(470 ha)，則可增加一期作之淨產值合計為 42,264 元
/ha*470ha=19,864,080 元；另葉菜類部分平均產量 34,293kg/ha＊9.9 元/kg(平均價
格)= 339,501 元/ha(產值)。

(2)本計畫完成後，使台東水利會關山大圳灌區內雙期作田面積約 1,271 公頃，單期作
田(第一期作)面積約 713 公頃，灌溉水源獲得保障，提升灌溉調配水效率及水資源
之最佳利用，擬規劃以施設現代化監控系統之管理方式、配合調蓄設施聯合運用，

.162.

使其單期作田區於第一期作期間能獲得灌溉水源，增加農民第一期作的收益，並將
帶動地方之繁榮及產業發展，土地利用價值提高等，可視為間接效益，評估標準以
直接效益之 25%估計，加上土地增值效益等。

(五).經濟評價(益本比)

由下表之計算結果顯示，以年效益及年成本計算本計畫益本比為 1.16，大於 1，且
尚有，改善地方環境、促進地方繁榮、提升生活品質等諸多無形效益，故本案極具投資價
值。

成本(C)

項目 說明 金額(元)
總投資額 278,870,000
N=關山大圳調蓄水池園區興建工程費(NA)257,420,000 元+關
(N) 山大圳全線自動化管理系統工程費(NB)21,450,000 元 19,246,196
=278,870,000 元
年計成本
(C1) (1+ 0.06)50 × 0.06 (大型構造物用 50 年攤提)
(1+ 0.06)50 −1
C1A = × NA

(1+ 0.06)10 × 0.06 (測報系統用 10 年攤提)
(1+ 0.06)10 −1
C1B = × NB

C1 = C1A + C1B =

年利息(C2) C2= NA*3%=257,420,000*3%=4,635,523 元 7,722,600
1,596,004
年稅捐保險 C3= NA*0.62%=257,420,000*0.62%=958,008 元
費(C3) 885,525
8,855,248
年償債積金 C4= NA*0.344%=257,420,000*0.344%=531,540 元
(C4) 1,537,431

年中更新準 C5= NA×3.44%=257,420,000*3.44%=5,315,400 元 458,400
備金(C5) 40,301,404

1.電費:50,000 元 金額(元)

年運轉維護 2.園區維護費:400,000 元

費(M) 3.人事費:500,000 元/人*2 人=1,000,000 元

4.測報年維護費:C1B×3%=87,431 元

年通訊 測報年通訊費:[1680 元/月'*20(閘門遙控站)+200 元/月*23(水

(M1) 位站)]*12 月=458,400 元

年成本(C) C= C1+ C2+ C3+ C4+C5+M+M1=

效益(B)

項目 說明

.163.

一.蓄水池部份

1.後單期田區 11 支線下游 523 公頃,假設恢復種植水稻之面

積大約 90%(470 ha)，則 42,264 元/ha*470ha=19,864,080 元

二.全線自動化管理系統工程部份

稻米產值 1.因妥適用水調配使雙期田(1271ha)增加 10%之稻米收益 29,250,914

(B1) =42,264 元/ha*10%*1271ha=16,115,263 元 8,996,777
7,649,538
2.單期田區用水調配合宜，增加單期作田區 713ha 除 11 支
240,000
線下游之收益是因水池施設而受益的 523ha 扣除外的 720,000
46,857,229
(713-523=190ha)，假設其中 50%面積恢復耕種之稻米收 益本比(值)

益=42,264 元/ha*190ha*50%=8,030,160 元 1.16

葉菜類產值 恢復種植水稻面積以外假設 50%種植葉菜類
(B2) (523-470)*50%=26ha，則增加產值 339,501 元/ha*26ha=
8,827,026 元

其他間接效 評估標準以直接效益(B1+B2)之 20%計算
益(B3)

減少額外負 減少工作站管理人員巡視額外負擔費=20,000 元/月*12 月

擔效益(B4) =240,000

減少淤積清 減少豪雨圳路淤積清理費=1,200 元/工/月*50 工/月*12 月次/

理效益(B5) 年=720,000 元

年計效益
(B) B=B1+B2+B3+B4+B5=

益本比

項次 說明

益本比 B/C=

(一).結論

關山大圳單期作田調蓄水池設置模式，可作為未來實際設置調蓄水池之設計依據，使
灌溉水源及用水量更加符合實際需求，以達成水資源更有效率之運用計畫目標，且為該區
713 公頃之單期作田提供抗旱水源，使灌溉用水更符合現地作物需求，以提高作物生產
量，確保農地利用，提升農民收益。另關山大圳全線以遙測、遙控系統施設及自動測報系
統設施完成後，可作為爾後各農田水利會灌溉水多元、多功能發展及整體自動測報系統典
範。

.164.

(二).建議
本關山大圳調蓄水池建置計畫經估算共需投資約 2 億 7,887 萬元整，計畫年計效益

46,857,229 仟元，年計成本約 40,301,404 仟元，益本比為 1.16，大於 1，且尚有改善地方
環境、促進地方繁榮、提升生活品質等諸多無形效益，顯示本計畫具有經濟效益與投資價
值。

1.台東農田水利會全球資訊網(2011)，http://www.ttia.gov.tw/。
2.桃園地區調蓄水池多功能營運規劃研究(2004)，簡傳彬、方文村、陳淑貞。
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刊」第 14 卷第一期，p33-p37，2012 年 7 月。

.165.
圖 1 關山大圳灌區圖
圖 2 調蓄水池園區規劃圖
圖 3 調蓄水池進水及供水高程示意圖

.166.

Geographic Information Data Establishment and Applications …. .167.

Geographic Information Data Establishment and
Applications for Irrigation Associations in Taiwan

Agricultural Agricultural Agricultural Council of
Engineering Engineering Engineering agricultural,executive
Research Center Research Center Research Center
Information division Information division Resources division yuan
Department of
Huang-Hsiang Chan Yi-Chien Tsai Chih-Hung Tan irrigation and

engineering
Yi-Fong Ho

ABSTRACT

The research was to assist the staff of Irrigation Associations to establish various geographic
information data layers and their associated database by means of training and education courses. In
addition, the GIS database format and standard operation process was also established in this project to
standardize the creation of the geographic information system in Irrigation Associations. It included
the theoretical analysis, the education and training, technical counseling, the system application and so
on, in order to enhance the efficiency of irrigation management and to promote the overall
computerization in the Irrigation Associations. Applications of GIS to typhoon recovery were also
demonstrated in the study.

Keywords: Irrigation Management, Geographic Information System, Infrastructure Establishment

1 INTRODUCTION

In Taiwan, there are seventeen Irrigation Associations (IAs) who allocate irrigation water of
almost 380,000 hectares farmlands and manage engineering and operation of canals. Currently, most
computerization of IAs focuses on traditional text and numerical processing and it has improved the
efficiency of IAs. However, some administration processes require acquisition of massive graphical
data, such as irrigation maps, engineering drawings, locations of concrete structures and etc. Because
these data are recorded with papers which are bulky and suffer for moth problem, it is difficult for
querying and borrowing and even more difficult for application with various data.

本篇論文原刊載於「臺灣農業資訊科技發展協會—農業資訊科技國際研討會」，2012，9 月。

.168. 一○一年度研究年報

It is urgent for IAs to integrate these data of spatial distributions. Although paper maps can be
utilized to processing these data, it is inefficient and has encountered many problems. Geographic
Information System (GIS) is a mature tool which has powerful ability to processing spatial data, and
very suitable for managing administration process in IAs [Mingdaw Su, 2005]. GIS is also a well-
developed technology that can process graphical data and their attributes simultaneously. Common
applications includes target area exploration, Watershed Planning and even election. We believe it
can significantly improve the efficiency of IAs，if GIS is applied to financial management.

Recently, some IAs with better finance have experienced efforts of applying GIS to management
of irrigation. These IAs start allocating budgets for development of GIS systems. However, the other
IAs can not afford the massive cost of graphical data, such digital maps and they also lack professional
staffs for developing GIS system. Therefore, most IAs does not have completed GIS system and
database. Since 1997, some IAs, who are located in urban cities and have better finance, had
subcontracted developing application of GIS and infrastructure of basic environment, including canals,
concrete structures, irrigation district maps, irrigation maps and etc.. The development cost is 100 NT
dollars for each hectare and reduced to 65 NT dollars when National Geography Information System
(NGIS) had provided online services for digital cadastral maps. Therefore, most IAs can not establish
application of GIS by their own funding.

Due to the trend, Council of Agriculture (COA) has authorized Department of Bioenvironmental
Systems Engineering of National Taiwan University and Agricultural Engineering Research Center
(AERC) to develop GIS techniques for assisting IAs to create database of irrigation maps and for
integrating files of irrigation maps of IAs. It will simplify storing and management of maps, and will
reduce manpower and cost for processing data. Eventually, the utilization and accuracy of spatial data
will be increased. Since 2005, COA also funds some IAs to establish GIS infrastructure, small
application system and digital maps of administration processes, such as farm maps, canal maps,
locations of concrete structures, management districts. These creations will be used to work out
administrations process of IAs and increase aspiration of IAs to adopt GIS techniques.

Most common administration processes of Irrigation associations includes： management of
membership and association assets,

1. management of maps, canal networks and irrigation district,
2. management of and concrete structures,
3. monitoring and tracking water pollution,
4. investigation of weather, waters and soil,
5. management and allocation of water resource,

Geographic Information Data Establishment and Applications …. .169.

6. investigation of farm lands.
In order to keep supply of irrigation waters, management and maintain of canal network are major
efforts of IAs. It requires constant patrol and costs massive manpower. Especially in irrigation
administration process, each staff of IAs needs to handle farms of 155~300 hectares and services
800~1000 farmers in average. It is essential to reduce efforts of administration process. GIS is a
matured technique and can be introduced to IAs by assisting IAs to establish a systematic flow. Then,
administration process of IAs will become modern and digitalized. Furthermore, GIS can integrate
with land and household information, feedbacks of water data and Global Positioning System (GPS),
which is all-weather, high-accuracy and free, to improve the efficiency of administration processes in
IAs.

2 MEANS OF IMPLEMENTATION

Irrigation Associations have vast asset and are in charge of complicated tasks, which require
accessing massive database. It is necessary to introduce computerized flows to reduce loading of staffs
and improve management level. Recently, a lot of senior staffs will be retired. It is urgent to integrated
their knowledge and experience with information system, which can be referred by future task
management.

Since 2005, Council of Agriculture has outsourced technique projects to a team of domain-
specific experts and scholars. In the beginning, they are divided into continuing education division,
administrative support division, information formalization division and application division. It is
expected they can come out all detail plans from daily routines to completed applications and future
works.

We can advance GIS system of IA in four directions, including system analysis, infrastructure
establishment, application development and administrative support and promotion. These directions
will be described in following sections.

2.1 System Analysis
We investigate the frequency, execution time and importance of all tasks in IA and develop a task

index to define the priority of tasks. The index and the connectivity of tasks are used to decide the
develop order systems.

There are many task of IAs. It is difficult to decide the priority of tasks from investigating items. We
use questionnaires to investigate the frequency, execution time and importance of tasks. According to

.170. 一○一年度研究年報

the experience of division managers, we choices five tasks with highest priority and the other tasks
have the same priority.

2.2 Infrastructure Establishment

We can establish GIS infrastructure of IAs in three directions. The first is to establish rules and
standards. The second is methods for technique transfer. The last one is promotion.

We have established three rules and standards:
1. Subsidy rules
2. Standard operation procedure (SOP)
3. Appraisal methods
There are some methods to transfer GIS techniques into IA, such as to prepare GIS training
materials, to open training course for managers of IAs, to bring up seed teachers and form a technical
assistance team for providing supports

Table 1. Items and sources of GIS infrastructure in IA

Items Stage Source

Cadastral Map 1st Stage (1st year) National Land Surveying and Mapping
Center or Land Offices

District Boundary 1st Stage (1st year) Production of Irrigation Map

Rotation Boundary 2nd Stage (2nd year) Production of Irrigation Map

Group Boundary 2nd Stage (2nd year) Production of Irrigation Map or Rotation
Boundary

Workstation Boundary 2nd Stage (2nd year) Production of Rotation Boundary

Management Division 2nd Stage (2nd year) Production of Rotation Boundary

IA Regions 2nd Stage (2nd year) Production of Rotation Boundary

Pools 2nd Stage (2nd year) Production of Irrigation Map

Railway 3rd Stage (2nd year) Data Warehouse and Standard Group

Roads 3rd Stage (2nd year) Data Warehouse and Standard Group

Canals 4th Stage (2nd year) Existed Maps or Field Investigate

Concrete Structure 4th Stage (2nd year) Existed Maps or Field Investigate

Pollution 4th Stage (2nd year) Existed Maps or Field Investigate

Water Right District 5th Stage (2nd year) Existed Maps

Occupation of Canals 5th Stage (2nd year) Existed Maps or Field Investigate

Geographic Information Data Establishment and Applications …. .171.

2.3 GIS Technique Promotion
GIS techniques applied on farm irrigation have be valued and became matured. It has practical

effect on tasks of irrigation, water right and administration processes. In order to share experience with
experts and scholars of irrigation and to find out GIS applications, we holds GIS farm irrigation
conferences every year. It also announces progress and directions of National Information System
(NGIS) to IAs.

3 DIGITAL MAPS CHECK

Irrigation GIS promotion is divided into three stages. The first stage is infrastructure
establishment which is started from 2005 to 2011. In this stage, IAs have established infrastructure of
290,000 hectares. The second stage is application development, which is stared from 2008. In this
stage, most common functions and digital maps are used to develop tools that enable staffs to utilized
GIS techniques. The last stage is self-maintenance of IAs. In order to assure quality and consistence of
produced data, we are planning two mechanisms. One is technical mechanism called“Data Checking
Tools” and the other is administrative mechanism called “Data Administraction flow”.

4 APPLICATION OF IA TASKS

In Taiwan, divisions establish GIS infrastructure by themselves. It is very rare in other countries
because it involves a lot techniques and practical problems. Currently, developed applications are
capable of most functions, and some IAs have used parts of spatial and attribute data in server.

Recent staffs of IAs are more familiar with computer system. Although IAs, who outsource GIS
development, have completed data and customized tools, they will pay for maintenance and updating
database. In the other side, divisions, who are assisted by our team, can establish whole database from
nothing, although their GIS platforms have not online yet. Besides, they have learn how to operate
GIS software, to collect field data and to utilized digitalize date to execute tasks.

5 CONCLUSION

In this paper, we describe a practical plan, where COA provides digital maps and equipments and
IAs develop infrastructure and outsource common applications to professional company. It can reduce
costs of developing infrastructure and cost of maintaining digital maps. Besides, the digital maps can
keep accuracy and up-to-date. Although modules and tools of application are developed for specific
administration processes, they are user-friendly and have high usage. Staffs can perform

.172. 一○一年度研究年報

administration processes more efficiently, more accuracy and more scientific. In case of particular
case, they can encounter problems with suitable tools and database.

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Irrigation Water Demand Assessment，Paddy and Water Environment 2:33-39

.173.

Evaluation and Investigation of Safety on Headworks of Rivers in
Central Taiwan

Feng-Wen Chen Hsiu-Te Lin

Chen-Wuing Liu Yih-Chi Tan

臺灣豐水期間因暴雨或颱風事件產生之高逕流量常造成位於河岸之渠首工程毀損，而
渠首工程為灌溉系統取水之關鍵水利建造物，渠首工程施設位置是否耐淹及結構性之安全
性是否改變，有必要深入探討以維持灌溉系統穩定供水之目標。本研究調查臺灣中部河川
(大安溪、大甲溪及烏溪)15 處農業灌溉用之重要渠首工程，以安全評估理論方法進行構造
物之傾倒、滑動、基礎承載力分析，並使用 HEC-RAS 一維水理模式模擬 2 年至 200 年等 7
種不同重現期距洪峰流量條件下之受淹潛勢。研究結果顯示 15 處渠首工之傾倒係數與滑動
係數均符合規範；且基底壓應力均小於土壤之承載力，故無沉陷之虞，結構安全分析屬安
全耐用。水理模擬成果顯示 15 處渠首工程之耐淹程度為 1 處於 2 年重現期距、2 處於 5 年
重現期距進水口之作業橋具淹水風險，有淤積之虞；另有 1 處於 10 年重現期距、2 處於 20
年重現期距之流量下具淹水風險，吊門機有遭受淹水而損毀之疑慮，其餘渠首工均不受重
現期距 2 年至 200 年之洪峰影響。

關鍵詞：渠首工，HEC-RAS 模式，安全評估，河道水理模擬

Abstract

本篇論文原刊載於「台灣水利，第 60 卷，第 4 期」，2012 12 月

.174.

In Taiwan, the headworks of rivers are often destroyed due to high stream flow during the
periods of rainstorm or typhoon events. However, the headworks are known as the critical hydraulic
construction for the purpose to irrigation. To maintain the purpose of water intake steady from rivers
using headworks, the resistance headworks to the flooded and structural security are necessary be
assessed. In this article, three rivers such as Daan River, Daja River, and Wu River in central Taiwan
are selected as the research region, and 15 agricultural irrigation headworks structure are adopted to
assess the safety include some items of dumping, sliding, and base load analyses using theoretical
methods. Moreover, this study further use the one-dimensional hydrodynamic model (HEC-RAS) to
simulate the potential flooded in seven different discharge cases of return periods from 2-year to
200-year. The research results show that the dumping coefficient of all headwork is meet with the
sliding standard, and the base compressive stress was less than the carrying capacity of the soil;
therefore, there is no any subsidence risk. The structural safety analyses refer all headwork is safe and
durable. However, the hydraulic simulation results show that the there are one, and two sites have a
potential flooded risk respectively in the return period of discharge of 2-year, and 5-year. Another site
is flooded when the discharge occurred in return period of 10-year; two sites are occurred in 20-year;
others headworks are not influenced even discharge occurred in the return periods from 2-year to
200-year.

Keywords: Headworks, HEC-RAS model, Safety assessment, River hydraulic simulation.

綜觀國內各地 17 處農田水利會之灌溉用水來源，灌溉用水之取水來源多仰賴河川取水
方式。有鑒於臺灣豐枯水期明顯之水文特性，豐水期間因暴雨或颱風事件產生高逕流量，
直接衝擊位於河岸之渠首工程；再者渠首工程為灌溉系統取水之關鍵水利建造物，其渠首
工程須維持高度安全性，以達穩定供水之目標；受氣候變遷影響及河道變化甚劇之條件下，
渠首工程施設位置是否耐淹及結構性之安全性是否改變，有必要加以探討。

安全性調查與評估之意義乃泛指對一具有特定功能之工作系統中固有或潛在之危險因
素及其影響程度進行分析和評比，以既定之指數、等級或發生機率進行量化表示(連惠萍，
2007)，並確認目標物與環境現況是否尚能符合原規劃之設計標準及安全要求，最後進一步
評估各項因素對目標物功能及安全之影響(經濟部水利署，2008b)。惟即使有豐富之經驗和
判斷，均無百分之百準確預測每一結構體可能發生之危險(洪淑宜，1980)；造成水利建造
物損毀之成因分為可定量與不可定量兩類，可量化之成因如水文分析(不含氣候變遷及集水
區水土保持不佳為前提)、不可量化之成因如河川型態不穩定、規劃失當、社經環境改變…
等(楊錦釧，2007)，但進行評估各水利建造物時，均應不避諱的指出其可能之危險因子並

.175.

將其等級化，以便安排改進安全性之優先性(洪淑宜，1980)。
本研究回顧國內外渠首工程相關水利建造物之安全評估相關文獻，多數文獻均以壩工

構造物為分析對象，如美國渠首工程水利建造物安全評估規範多為壩工構造物之安全評估
(臺灣省水利局，1982; USACE, 1999; Bill Owens, 2002)，因渠首工僅為壩工之一部分所致；
日本對渠首工安全評估規範區分為構造物之安全評估與機械設備之安全評估二類(食料農
業農村政策審議會，2010a; 2010b)；中國之渠首工程水利建造物安全評估規範僅針對水閘
及水庫壩工構造物(中國水利部，1998；2000)。

臺灣之水利建造物安全評估檢查，最早為中國農業工程學會(1990)提及渠首工壩體之
安全性分析；相關規範部分則有「水利建造物安全檢查辦法」與「水利建造物檢查及安全
評估技術規範」二項(經濟部水利署，1999; 2008a; 2008b)，而水利建造物檢查及安全評估
技術規範又細分為「蓄水、引水建造物篇」與「防水、洩水建造物篇」，其中蓄水、引水
建造物篇與美國壩工之安全評估項目相似；防水、洩水建造物篇則著重於河堤、海堤、水
門、抽水站…等設施。一般而言，渠首工程可分為取水工與攔河堰等二部分(農工中心，
1989)，攔河堰構造物依其可動與否分為固定堰與可動堰二種，可動堰包含排洪道與排砂道
二種形式(農田水利會聯合會，1996)。其中農業灌溉用途之渠首工程大部分僅包含取水工
及排砂門(道)為主之混凝土水利建造物，攔河堰之佈置為避免豐水期間妨礙河川排洪，故
多採用河床土砂堆置之臨時土堤以拉抬水位取水，故國內之水利建造物檢查及安全評估技
術規範-防水、洩水建造物篇較適用於以農業灌溉用為目的之渠首工程的安全評估。

以國內農田水利系統設計規範而言，農田水利會聯合會(1993)針對渠首工安全分析之
編撰提出設計流量、水位之規定，而在固定堰與活動堰之安定計算有詳盡規範；農委會(1998)
參酌日本農林水產省構造改善局制定之「頭首工」設計基準設計篇，擬定臺灣第一部有關
渠首工之設計基準，對於水利建造物安定分析部份亦有詳細的準則說明。

本研究以渠首工程為探討對象針對固定式水利建造物進行安全性調查，分析其潛在毀
壞方式及探討渠首工程耐淹之能力；因此選定臺灣中部河川為研究區域(大安溪、大甲溪及
烏溪)，針對上述區域內 15 處重要渠首工程進行功能性及安全性的調查及檢討。

2.1
本研究區域以臺灣中部三條重要河川為主(由北而南為大安溪、大甲溪及烏溪)並選定

上述河川既有之重要渠首工程為分析對象，共計 15 處；均為臺中農田水利會管轄，其中大
安溪 8 處、大甲溪 6 處、烏溪 1 處，詳細渠首工及其圳路別如下：

大安溪水系：后里圳(編號 M144)、苑裡圳(編號 M169)、日南圳(編號 M174)、九張犁

.176.

圳(編號 M179)、頂店圳(為 2 處取水口、編號 M184, M184-1)及雙寮補給水路(為 2 處取水
口、編號 L6-1, L6-2)；大甲溪水系：葫蘆墩圳(編號 M249)、內埔圳(編號 M254)、虎眼一
圳(編號 M264)、虎眼二圳(編號 M269)、五福圳(編號 M259)及高美圳(編號 M274)；烏溪水
系：僅大肚圳(編號 M379) 1 處。上述各渠首工之場址分布與其水系、灌區之相對位置如圖
1 所示，座標位置詳表 1。

2.2
本研究依據日本渠首工設計基準之分類方式，茲將渠首工程分類為取水工與攔河堰等

二部分(農工中心，1989)；其中攔河堰構造物依其可動與否分為固定堰與可動堰二種，固
定堰依據構築材料又可分為混泥土臥箕重力式、混泥土臥箕版牆式、填土覆蓋混凝土外殼
堰、堆石堰、木堰及竹籠堰等六種形式，可動堰依功能分為排洪道與排砂道二種形式(農田
水利會聯合會，1996)。經濟部水利署(2007)則採用構造物與水流之夾角方向分類，分為順
向構造物(如：堤防)及橫向構造物(如：攔河堰)等二類。本研究調查研究區域內 15 處渠首
工發現，取水工因地形、地勢關係而具有不同之構築形式；依經濟部水利署之分類均屬順
向構造物，於日本渠首工設計基準中則未有分類之依據，故本研究茲將取水工依其構造共
構物區分為：堤防共構、邊坡共構與獨立構造物等三類(如圖 2)，本文針對此三類構造物之
結構安全分析所需考量不同作用力提出不同的評估方法。

2.3
本研究為瞭解構造物在洪水侵襲過後，構造物是否安全無虞並維持其應有之取水能

力，故渠首工程之安全評估方法包含結構安全分析與一維水理分析等二項；結構安全性分
析係依據「水利工程技術規範-河川治理篇(草案)」(經濟部水利署，2007)之安定分析步驟
進行分析評估；河道水理分析則採用一維水理模式(HEC-RAS 模式)進行不同流量下，渠首
工成之耐淹模擬，以瞭解渠首工喪失取水功能之原因。
2.3.1 結構安全分析

構造物之安定性與結構安全存在高相關性，而渠首工程之安定與否可由抗傾倒、抗滑
動、偏心距及基礎承載力等項目來檢核水工構造物結構穩定性。所需考量之作用力為結構
體自重、主動土壓力、被動土壓力、迎水面水壓力、動水壓力、浮立及拖曳力…等作用力，
本研究分析結構安全之各項作用力採用公式詳列如下：

1. 自重：構造物本身受地心引力而產生的力量。
混凝土 Wc=V×γc .............................................................................................. (1)
土石：Ws=V×γs ................................................................................................ (2)

.177.

式中：Wc 為混凝土重(ton)；Ws 為土重(ton)；γc 單位混凝土重(2.4 ton/m3)；γs
為單位土重(1.9 ton/m3)，位於地下水位線下者以浸水重計。

2. 主動土壓力：採用陡坡式或直立式構造物時，為抵擋構造物背後之土而產生之主動土
壓力(PA)可採用(3)式、(4)式求得，其中 KA 為主動土壓力係數，可採用(5)式；若構造
物牆背土壤之內摩擦角 (φ)小於構造物牆背地表面與水平面之交角(α)，則假定 sin(φ
－α ) = 0。(林伯信，1974；營建署，2001)

σ A = KA ⋅γ s ⋅ h .......................................................................................................... (3)

PA = (1/ 2)KA ⋅ γ s ⋅ H 2 ................................................................................................. (4)

KA = cos2 (φ −θ ) ................................................ (5)

cos2 θ cos(θ  sin(φ + δ )sin(φ −α) 2
+ δ )1+ 
 cos(δ + θ )cos(θ − α ) 

式中：σA 為單位面積主動土壓力(ton/m2)；PA 為主動土壓力合力(ton/m)；σp 為構造
物牆背 h 深度處之單位面積被動土壓力(ton/m2)；H 為構造物之垂直高度(m)；h
為構造物頂端至欲求土壓力點之垂直深度(m)；δ為構造物牆背面與土壤間之
摩擦角(度)；θ為構造物牆背面與垂直面交角，以逆時針方向為正，順時針方
向為負(度)。

3. 被動土壓力：構造物基腳前趾回填土層，因背後土壓作用使構造物前移時所產生之被
動土壓力(Pp)可採用(6)式、(7)式求得，其中 Kp 為被動土壓力係數，則採用(8)式。(林
伯信，1974；營建署，2001)

σ p = Kp ⋅ γ s ⋅ h ......................................................................................................... (6)

Pp = (1 / 2)K p ⋅ γ s ⋅ H 2 .............................................................................................. (7)

Kp = cos2 (θ + φ)

cos2 θ cos(θ  sin(φ + δ )sin(φ −α) 2 ..................................................... (8)
− δ )1− 
 cos(θ − δ ) cos(θ − α ) 

式中：σp 為構造物牆背 h 深度處之單位面積被動土壓力(ton/m2)； Pp 為構造物牆背之
被動土壓力合力(ton/m)。

4. 迎水面水壓力：構造物迎水面由於河水上漲而產生之水壓力。

Pw=(1/2)γw hw ............................................................................................................ (9)
式中： Pw 為水壓力；γw 為水密度(1 ton/m3)；hw 為水深。

.178.

5. 動水壓力：構造物迎水面由於水流流動而產生之水壓力，可依上游面之形式分為垂直

(Pw,v)與傾斜(Pw,s)。

Pw,v = (1 / 2)γ w H (1 + 2hw ) ..................................................................................... (10)
H

Pw,s = (1/ 2)γ w (2hw + H ) ⋅ (H 1 + m 2 ) .................................................................... (11)

式中：m 為 1 單位水深時與構造物斜邊長之比值。

6. 浮力：構造物全部或部分沉沒於水中時，構造物體積排開水而產生上浮的力量。

U = C h1 + h2 Bγ w ..................................................................................................... (12)
2

式中：U 為浮力；h1 為構造物上游水深(m)；h2 為構造物下游水深(m)；B 為構造物基
底寬度(m)；C 為浮力係數(0.2～0.7，本研究採 0.5)。

7. 拖曳力(tractive force)：水流與構造物接觸時因表面阻流而產生剪應力，此剪應力(拖曳
力)對橫向構造物構造物有拖曳移動之作用。

L = ρw × CL × Ag × Vo2 .......................................................................................... (13)
2

D = ρw × CD × Ad × V 2 .......................................................................................... (14)
2 o

式中：L 為結構體所受之上揚力(Lift force)；D 為結構體所受之拖曳力(Drag force)；ρ
w 為水之密度；CL 為橫向構造物之上揚力係數；CD 為橫向構造物之拖曳力係數；
V0 為流速；Ag 為橫向構造物在河床上之投影面積；Ad 為橫向構造物在流向上之
投影面積。

求得結構物之各項作用力即可進行渠首工程之安定計算；包含應用(15)式-(16)式分析
結構物對滑動之安全性；應用(17)式分析結構物對傾倒之安全性；應用(18)式-(19)式結構物
對沉陷之安全性。其中結構物對滑動之安全性即為阻抗滑動合力大於推動滑動合力，一般
設計時之抗滑動安全係數需達 1.3，而結構物對傾倒安全性之一般設計要求為抗傾倒安全係
數需達 1.5。依經濟部水利署(2007)報告中採用之分類原則，可將渠首工程簡易分為順向構
造物及橫向構造物二類。此一分類原則係考量橫向構造物之配置在抵抗傾倒之安全係數 FS0
大都能滿足要求；故穩定性主要受抵抗滑動之安全係數 FSs 所控制，基礎承載力之穩定安
全檢核與順向構造物相同。茲將上述橫、順向構造物並考量 2.2 節之構造物分類原則，整
理各類結構物所須納入安全性分析之各項作用力如表 2，計算之步驟如圖 3 所示。

1. 抗滑動分析(抗滑動安全係數)

.179.

FSs,c = Fr ................................................................................................................ (15)
F0

FS s,inc = µ (W w cos θ r − L ) ≥ ( Fs )d = W w sin θ r + D ......................................... (16)

式中：FSs,c 為順向構造物抗滑動安全係數；FSs,inc 為橫向構造物抗滑動安全係數；Fr
為阻抗滑動力之和；F0 為推動滑動力之和；θr 為河床坡度；Ww 為橫向構造物
之浸水重；μ為動摩擦係數，本研究採用 0.6。

2. 抗傾倒分析(抗傾倒安全係數)

FSo = Mr ................................................................................................................ (17)
M0

式中：FSo 為抗傾倒安全係數；Mr 為阻抗傾倒之力矩；M0 為推動傾倒之力矩。

3. 基礎承載力分析

e＜ B 時σmax= Fv (1 + 6e ) ......................................................................................... (18)
6 B B

B ＜e≦ B 時σmax= 4Fv .................................................................................... (19)
6 4 3(B − 2e)

式中：σmax 為基底最大壓應力；Fv 為垂直方向合力；B 為構造物基底寬度；e 為偏心
距。

2.3.2 河道水理模擬

河道水理模擬，本研究採用一維水理模式(HEC-RAS 模式)作為分析工具，HEC-RAS
模式為美國陸軍工兵團(U.S. Army Corps of Engineers, USACE)-水文研究中心(Hydrologic
Engineering Center, HEC)所發展的之河川分析系統(Brunner, 2010a)，迄今已發展至 4.1.0 版
(2010 年發佈)。

本文茲將其原理扼要說明如下：HEC-RAS 計算通水斷面(Cross Section Conveyance
Calculations)係採用標準步推法(Standard Step Method)進行能量方程式，如(20)式，平衡並
試算斷面水位。

d1 + Z1 + α1V12 = d2 + Z2 + α2V22 + he ........................................................................ (20)
2g 2g

式中：d1 為上游斷面水深、d2 為下游斷面水深；Z1 為上游河床高程、Z2 為下游河床高程；
V1 為上游平均流速(總流量除以斷面積) 、V2 為下游平均流速(總流量除以斷面積)；

.180.

α1 為上游能量校正係數、α2 為下游能量校正係數；g 為重力加速度；he 為能量水頭
損失。

進一步考量河川斷面間之摩擦力、斷面束縮或斷面擴大等造成能量水頭損失因素，可
由(21)式表示：

he = L×S +C× α1V12 − α 2V22 .................................................................................. (21)
2g

式中：L 為河道之長度(依流量分佈加權)；S 為兩斷面間之坡降；C 為擴大或束縮損失係數。

其中河道長度 L 可依流量分佈加權求得，如(22)式，其中 Ll、Lc 及 Lr 分別為渠道左側
高灘地、主渠道及渠道右側高灘地之河道長度；Ql、Qc 及 Qr 分別為渠道左側高灘地、主渠
道及渠道右側高灘地之計算平均流量。斷面總傳輸量與流速係數之決定需要將水流細分為
數個區域，使每個區域內之流速均勻分布。

L = LlQl + LcQc + LrQr ............................................................................................ (22)
Ql + Qc + Qr

由於通水容量 K(Conveyance)為決定兩斷面損失、流量分佈的主要因素，因此解決能
量方程式建構在通水容量的計算；且 HEC-RAS 在兩高灘地通水容量時可任意切割河川斷
面，將兩邊灘地之通水斷面整合(圖 4)並輸入該通水斷面的曼寧 n 值做計算，故河道中水流
主要利用曼寧方程計算流量，如(23)式-(24)式。

Q = K × S1 2 .............................................................................................................. (23)

K = 1 A× R2 3 ........................................................................................................ (24)
nx

式中：K 為子斷面之傳輸量； nx 為子斷面之曼寧糙度係數；A 為子斷面積；R 為子斷面之
濕周。

HEC-RAS 自 1995 年發展迄今已在國內外廣泛地應用於河川及渠道之水理模擬，如
Pistocchi(2002), 賴 進 松 (2004), Chuienchooklin etal.(2007), Crawford(2010) 等 人 使 用
HEC-RAS 的定量流水位剖面線計算模擬。而 Shahrokhnia and Javan(2005)亦採用相同之功
能模擬伊朗南部 Doroodzan 灌溉系統，其結果顯示 HEC-RAS 可有效依據流量實測值推估
灌溉管理計劃改善之成果；Shahrokhnia and Javan(2007)使用 HEC-RAS 模擬渠道粗糙度與
輸水損失之關係。王永珍與梁昇(2003)使用 HEC-RAS 模擬不同河川蜿蜒度在不同重現期距
下洪峰流量之流速變化；洪辰宗(2008)及陳豐文等(2008)亦使用 HEC-RAS 系統模擬灌溉渠
道之橫斷面水位及流速分佈情形，以評估灌溉系統之生態分佈與灌溉、排洪能力等輸水過
程。

.181.

上 述 研 究 均 顯 示 ， HEC-RAS 模 式 可 有 效 應 用 於 河 道 或 渠 道 之 水 理 模 擬 ， 而 依 據
HEC-RAS 操作步驟(Brunner, 2010b)，所須輸入之參數及步驟可分為(1).輸入渠道參數、(2).
輸入流量資訊等兩大部分，其中渠道所須輸入之參數為 A.繪製渠道平面示意圖、B.輸入斷
面資料(斷面高程變化及曼寧係數)；流量資訊部分則需輸入渠道流量變化及渠道平均坡度
等資料即可。本研究以 HEC-RAS Model 一維水理軟體以配合評估不同逕流量發生條件下，
渠首工場址處可能發生之淹水高度，模擬之流域範圍分別為大安溪、大甲溪及烏溪等三條
流域內 15 處渠首工，模擬洪峰流量、坡度、河道曼寧 n 值及三條水系採用之洪峰流量等相
關資料來源係採用經濟部水利署(2000)出版之重要河川資料冊(修正版)，詳細之水理邊界條
件設定詳表 3；斷面資料為使用經濟部水利署地理資訊倉儲中心( http://gic.wra.gov.tw )提供
之河川斷面圖層，惟圖層資料中未提供大甲溪流域之斷面資料，故本研究改採用水利規劃
試驗所(2011)報告內提供之斷面資料。

3.1
本研究實地調查臺灣中部河川 15 處渠首工程並將其依 2.2 節之分類法進行分類，結果

如表 1 所示，檢核使用之設計參數係依據實際蒐集、量測資料進行檢核計算，如表 2 所示。
表 2 分析 15 處渠首工程之 11 項制水門、8 項共構堤防、3 項排砂門、2 項固定式攔河堰及
溢洪道、排砂道各 1 項，共計 26 項。

將上述 26 處構造物依 2.3.1 節之分析方法進行結構安全性分析，結果彙整如表 4。結
果顯示各圳渠首工之傾倒係數與滑動係數均符合規範，亦即傾倒係數均大於 1.5 之限制值、
滑動係數均大於 1.3 之限值。其中內埔圳(M254)之傾倒係數為 40.56，係因該渠首工於辛樂
克風災過後既有渠首工嚴重受損，故進行渠首供更新改善工程；為因應大甲溪河床持續刷
深，新設之渠首工構造物為一 8.8 m 高之構造物，其中 7.8 m 之構造物均埋設於現有地表
下(僅 1 m 高於河床地表)，故其結構安定性遠大於其他渠首工。基底壓應力部分，根據中
央地質調查所之資料顯示 15 處渠首工程之地質條件除后里圳、頂店圳 2 處分別為砂岩及礫
岩之岩盤地層，其餘 13 處均為全新世之沖積地層，故渠首工之地層土壤承載力以礫石地層
單位面積可承載之重量 50 ton/m2 計算；結果顯示 15 處渠首工程之基底壓應力均小於土壤
之承載力，無沉陷之虞。綜合前述之分析結果顯示 15 處渠首工程之 26 項構造物均符合安
全規範。

3.2
本研究針對大安溪、大甲溪及烏溪等 15 處渠首工水理模擬，進行各河川之斷面擷取及

資料建置，擷取原則為渠首工程上游及下游各採用鄰近 5 條斷面作為模擬之用，且與河川

.182.

流線正交，二斷面距離以不小於 200 m 為原則(渠首工斷面除外)，斷面樁號及 HEC-RAS 河
川斷面位置詳表 5，模擬結果詳圖 5、圖 6。

為評估渠首工程於不同水文條件下之耐淹性，本研究採用不同重現期距(T 年)之洪峰流
量 QT (詳如表 3)輸入 HAC-RAS 模式進行洪水水位模擬，將 HAC-RAS 模擬所得之洪水水
位高程與渠首工各組成單元之高程進行比對，判斷渠首工在何種流量條件將遭受洪水侵
襲，比對結果如表 6 所示。結果顯示洪峰流量為 2 年重現期距之水文條件下，15 處渠首工
程所在斷面處之河川水位高程均低於渠首工吊門機座之高程，僅頂店圳之攔汙閘作業橋有
被洪水淹沒之虞；在 2 年重現期距之河川流量(大安溪 3,150 cms、大甲溪 2,600 cms、烏溪
3,800 cms)侵襲下，各渠首工之吊門機均安全無虞，僅頂店圳須於洪氾過後注意水門前方砂
土淤積現象。在洪峰流量為 5 年重現期距之條件下(大安溪 5,620 cms、大甲溪 4,500 cms、
烏溪 7,000 cms)，僅后里圳排砂道與葫蘆墩圳工作橋將受洪水侵襲，惟后里圳排砂道平日
即位於地表，且構造物上無任何機械設備；故 5 年重現期距之河川流量侵襲下，各渠首工
之吊門機設備均安全無虞，僅頂店圳、后里圳與葫蘆墩圳須注意泥沙及垃圾堆積現象。當
洪峰流量增加至 10 年重現期距，即大安溪流量為 7,430 cms、大甲溪流量為 7,300 cms、烏
溪流量為 9,400 cms，則雙寮第二取水口之吊門機設備與內埔圳新取水口附近地表將被洪水
淹沒，建議河川流量若達 10 年重現期距之規模，雙寮第二取水口後續須進行檢查，頂店圳、
后里圳、葫蘆墩圳與內埔圳新渠首工須注意泥沙及垃圾堆積現象導致無法取水。而重現期
距為 20 年之模擬結果顯示，內埔圳新建渠首工、雙寮第一取水口之吊門機座及內埔圳舊渠
首工(甲斷-30 處)之工作橋將被洪水淹沒，建議河川流量若達 20 年重現期距之規模，雙寮
第一、二取水口及內埔圳新建取水口應進行檢查，頂店圳、后里圳與葫蘆墩圳須注意泥沙
及垃圾堆積。如洪峰流量達 20 年重現期距以上，除上述后里圳、葫蘆墩圳、頂店圳…等渠
首工程易遭受洪水之侵襲，其餘渠首工之吊門機座之模擬結果均顯示不受百年重現期距之
影響。

為確認上述安全性分析及 HEC-RAS 模擬結果之可用性，本研究以內埔圳渠首工於
2012 年之 610 豪大雨及蘇拉颱風等 2 次洪災事件作為模式的實例驗證。驗證資料依據石岡
壩當日之進、出水水量進行水位高度之比較，由經濟部水利署防災資訊網蒐集之水文資料
顯示石岡壩於 610 豪大雨期間進出水量之最大值發生於 6 月 12 日，當日集水區降雨量為
271.5 mm、石岡壩進、出水量分別為 26,587.7 萬噸/日(3,077.28 cms)、26,592.8 萬噸/日
(3,077.87 cms)，蘇拉颱風襲台期間之進出水量最大值發生於 8 月 2 日，當日集水區降雨量
為 412.5 mm，進、出水量分別為 22,809.5 萬噸/日(2,639.99 cms)、22,737.8 萬噸/日(2,631.69
cms)。兩次之洪水事件分別造成內埔圳渠首工之導水路嚴重淤積(610 豪大雨事件，詳圖 7)，
由現場漂沙及浮木堆積之分佈研判內埔圳之舊渠首工之工作橋於二次洪水事件中均遭受洪
水淹沒已喪失取水功能，新渠首工之吊門機未受洪災波及，本案例實證結果顯示與
HEC-RAS 之模擬結果相符。

.183.

3.3

綜合評估前述結構安全分析及水利建造物受淹潛在風險分析等各項分析成果已彙整如
表 4、表 6，以下茲將各圳渠首工程功能性綜合評估結果依大安溪水系、大甲溪水系、烏溪
等水系別分述如下：

1. 大安溪水系
位於大安溪水系之渠首工分別為后里圳(上游左岸)、苑裡圳(上游右岸)、日南圳(中游

右岸)、九張犁圳(中游右岸)、雙寮補給水路-第一、第二取水口(下游右岸)、頂店圳(下游左
岸)、頂店圳第一取水口(下游左岸)等 8 處，地質資料調查結果顯示除后里圳、頂店圳之地
質分別為桂竹林層魚藤坪砂岩段地層及頭嵙山地層(礫岩、間夾薄層泥質粉砂岩)外，其餘 6
處均為全新世期間形成之沖積地層。經結構安全分析結果顯示后里圳之排砂道及制水門，
苑裡圳之排砂門，日南圳之堤防及排砂門，九張犁圳之制水門，雙寮補給水路第一、第二
取水口之堤防及制水門及頂店圳、頂店圳第一取水口之制水門均無傾倒、滑動及沉陷之虞。

受淹潛在風險分析結果顯示僅后里圳之排砂道，雙寮補給水路第一、第二取水口之吊
門機基座，頂店圳之第二攔汙閘作業橋及第一攔汙閘清污平台具淹水潛在之風險，分別於
大安溪 5 年、10 年、20 年及 50 年重現期距之洪峰流量遭受洪水衝擊。惟后里圳排砂道本
體無任何機械設備，且其吊門桿採用包覆於吊門機基座內之設計，故不受洪水侵襲之影響
而損壞；而雙寮補給水路第一、第二取水口之之吊門桿為開放式設計，於洪水侵襲期間有
損壞之虞，故建議洪泛後須進行導水路、吊門桿之檢查作業並視渠首工實際災損狀況進行
檢修。除上述后里圳、雙寮補給水路第一、第二取水口及頂店圳等四處渠首工具遭受洪水
衝擊之潛勢，其餘渠首工程之 HAC-RAS 模擬結果均不受百年洪峰之侵襲，惟洪峰流量若
達一般水利建造物流量設計上限(100 年重現期距)，超過此流量仍建議必須進行安全檢查與
維修。此外，本研究於調查后里圳渠首工淤砂情況十分嚴重，故建議採用階梯式攔河堰及
設置排砂門之佈置。

2. 大甲溪水系
位於大甲溪水系之渠首工分別為葫蘆墩圳(上游左岸)、內埔圳(上游右岸)、虎眼一圳(下

游右岸)、虎眼二圳(下游右岸)、五福圳(下游左岸)、高美圳(下游左岸)等 6 處，地質資料調
查結果顯示大甲溪水系之渠首工均為全新世期間形成之沖積地層。經結構安全分析結果顯
示葫蘆墩圳之排砂門，內埔圳之渠首工，虎眼一圳、虎眼二圳之堤防及制水門，五福圳之
溢洪道、堤防、制水門、攔河堰及高美圳之堤防、制水門、攔河堰等構造物均無傾倒、滑
動及沉陷之虞。

受淹潛在風險分析結果顯示僅葫蘆墩圳之作業橋，內埔圳新取水口之吊門機，分別於
大甲溪 2 年、10 年重現期距之洪峰流量遭受洪水衝擊；內埔圳之吊門機為開放式設計，於

.184.

洪水侵襲期間有損壞之虞，故建議洪泛後須進行導水路、吊門桿之檢查作業並視渠首工實
際災損狀況進行檢修。除上述葫蘆墩、內埔圳等二處渠首工具遭受洪水衝擊之潛勢，其餘
渠首工程之 HAC-RAS 模擬結果均不受百年洪峰之侵襲，惟洪峰流量若達一般水利建造物
流量設計上限(100 年重現期距)，超過此流量仍建議必須進行安全檢查與維修。此外，本研
究於調查葫蘆墩圳渠首工淤砂及河床掏刷情況十分嚴重，且上游區域已無土砂料可取；故
建議後續更新改善時須進行更進一步之地質鑽探調查，以確認當地詳細地質分佈情形，並
採用固定之階梯式攔河堰，在以不妨害河川水流為前提佈置於行水區。
3. 烏溪水系

位於大安溪水系之渠首工僅大肚圳一處，本渠首工位於烏溪下游河段右岸，為全新世
期間形成之沖積地層，經結構安全分析結果顯示大肚圳之堤防、制水門、攔河堰及臨時攔
河堰均無傾倒、滑動及沉陷之虞。本渠首工經 HEC-RAS 進行不同洪峰流量條件模擬後顯
示，本渠首工在 100 年重現期距之洪峰流量侵襲下，堤腳之清淤平台將被洪水淹沒；吊門
機等設備均不受百年洪峰之侵襲，惟洪峰流量若達一般水利建造物流量設計上限(100 年重
現期距)，超過此流量仍建議必須進行安全檢查與維修。

1.本研究以臺灣中部河川 15 處重要渠首工為研究區域，調查及分析 26 項結構物之結構安
全性，成果顯示各圳渠首工之傾倒係數與滑動係數均符合規範，無發生傾倒或滑動之災
害風險。

2.基底壓應力部分，根據中央地質調查所之資料顯示 15 處渠首工程之地質條件除后里圳、
頂店圳 2 處分別為砂岩及礫岩之岩盤地層，其餘 13 處均為全新世之沖積地層，故渠首工
之地層土壤承載力分析結果顯示各渠首工程之基底壓應力均小於土壤之承載力，無沉陷
之虞且不影響取水功能。

3.本文研究成果顯示中部河川 15 處重要渠首工、26 項結構物之結構安全分析均安全無虞，
渠首工程潛在的受淹風險評估以 2 年、5 年、10 年、20 年、50 年、100 年與 200 年重現
期距之洪峰流量進行淹水模擬，應用 HEC-RAS Model 模擬之結果顯示僅有雙寮第一、第
二取水口及內埔圳新建取水口 3 處之吊門機座會受洪水侵襲影響，若發生 10 年重現期距
之流量，須特別注意此三處之吊門機損壞及導水路淤積。頂店圳、葫蘆墩圳分別受重現
期距 2 年洪峰流量之影響，后里圳則為重現期距 5 年時之流量，須注意導水路淤積情形。

4.安全分析及淹水模擬結果以內埔圳渠首工程的 610 豪大雨及蘇拉颱風等 2 次洪災事件進
行驗證，結果顯示內埔圳舊渠首工之工作橋於二次洪水事件中均遭受洪水淹沒，新渠首
工之吊門機未受洪災波及，其結果與本文理論分析及水理模擬之成果相符。

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