樺加沙颱風外圍環流挾帶雨勢,導致花蓮馬太鞍溪上游堰塞湖23日兩度發生溢流,龐大水流不僅沖斷馬太鞍溪橋,還夾帶大量泥沙淹進下游光復鄉市區,截至今(24)日16時止,累積已造成15人死亡、32人受傷,仍有17人失聯。
堰塞湖什麼時候形成的?原因為何?
農業部7月26日監測衛星影像時發現,花蓮溪上游支流馬太鞍溪形成堰塞湖,為7月時受到薇帕颱風外圍環流降雨影響,國有林地發生崩塌進而阻塞河道形成。當時農業部推估,壩頂可能在10月中發生溢流。
這次溢流是怎麼發生的?
隨著樺加沙颱風持續逼近,9月21日中央發布堰塞湖黃色警戒,22日一早升級為紅色警戒,並預防性疏散下游光復鄉、鳳林鎮、萬榮鄉居民。
23日下午2時半,堰塞湖水位自開始下降,2時50分發生首次壩頂溢流,相隔不到20分鐘後,首波洪峰即抵達馬太鞍溪橋,接著馬太鞍溪橋於3時30分遭沖斷,至下午4時左右,溪水夾帶大量泥沙開始淹進光復鄉市區。
國立高雄師範大學地理學系退休教授齊士崢指出,馬太鞍溪堆積嚴重,若無堤防保護,這次淹水的光復等地災情可能更加嚴重。除此之外,光復原本就位於馬太鞍溪沖積扇南側低窪區,地勢關係使得溢流洪水可直接灌入。
溢流後堰塞湖狀況如何?溢流規模多大?
根據馬太鞍溪堰塞湖監測紀實網站數據,23日下午發生首次壩頂溢流後,半小時內堰塞湖的水位就降了14公尺,等同於有1540萬噸的水瞬間湧出,相當於6000個奧運標準游泳池的水量,後續隨著二度溢流發生,水位也一路降至1115公尺。
根據林保署資訊,堰塞湖壩體體積約2億立方公尺、高度約200公尺,總蓄水量約9100萬噸,約3萬6千多個標準游泳池的水量。
林保署24日以無人機空拍初步勘查發現,壩體溢流口下切80公尺,堰塞湖剩餘蓄水量約2300萬噸,且壩體周圍地質仍不穩,可能再次反覆發生阻塞、溢流狀況。
是溢流、潰壩還是潰堤?
齊士崢指出,河谷崩山堆積形成的天然壩體是由混雜土石組成。水流進入循環後會帶走細粒土石導致壩體容量變大變深;當水的流量、流速增加時,會帶走更多更粗粒的土石,隨著壩體水槽的侵蝕下切,兩側持續發生崩塌,這樣的循環將導致壩體崩潰,更大量的水流就會湧出。
齊士崢補充,依照最新的資訊顯示,天然壩的下切規模可能比之前預測的最高值50公尺還大,這種下切規模恐怕已經算是「潰壩」了。齊士崢進一步解釋,假如堰塞湖的剖面接近倒三角形,那就是堰塞湖的水已在短時間內宣洩了大部分。
昨日天然壩的破壞程度、往下游輸送的水量、速度都遠超預期,齊士崢認為這應該就是災害規模超過預期的重要原因,不過仍須等現場勘查後才能確認。
台大土木系教授游景雲表示,堰塞湖出現溢流時,隨著流經壩頂的水流流速加快會形成切口,切口也會讓流速再加快,水流增加讓切口擴大持續下切,造成壩頂大量流水透過切口瞬間下流,再沿著馬太鞍溪沖入下游光復鄉聚落 ,且由於當地上游可能是河谷地形,洪峰也會比較集中。
至於是否有潰堤,游景雲說目前尚無法確認,但他推測因光復鄉的南岸堤防原本就是開口堤,加上有損壞情形,即使水利署有補強,仍無法承受這次夾帶大量沙石的溢流水勢,不過實際狀況仍需後續勘災資料確認。
彰師大地理系系主任陳毅青表示,溢流開始後會下切堰塞壩形成缺口,讓水體快速排出,直到水流剪應力小於壩體材料強度。由於壩體看起來主要由大理岩巨礫組成,可能還會維持一定高度,但仍要留意溢流洪水是否破壞壩體基礎而產生潰壩。
有方法可以事先處理堰塞湖嗎?監控機制有哪些?
林保署8月曾召開專家會議,邀相關單位共同研商處理馬太鞍堰塞湖方式,並提出包括壩頂降挖、炸開壩體、虹吸抽水等多種減壓方案,但受限於堰塞湖地處偏遠、無道路可抵達,且壩體土石鬆軟、周邊持續崩塌,還需考量天災風險,評估在短時間內以工程手段處理並不可行。
根據馬太鞍溪堰塞湖監測紀實,包含壩頂降挖、爆破及虹吸抽水等方式均被專家評估為不可行;中長期將持續檢討通達道路、持續清淤與防砂工程配置,並滾動調整警戒區與對策。
游景雲指出,一般山區堰塞湖多以監測為主,可以做的就是減緩潰壩時間,但以馬太鞍堰塞湖的規模來講也具有難度,因此僅能盡快撤離降低損傷。
齊士崢表示,堰塞湖壩體規模太大,又處於上游區,確實沒有經濟有效的處理方式,等待壩體自然被侵蝕恐怕是不得不的選擇。
林保署於8月4日協調空勤總隊直升機協助勘查,根據航照資訊展開潰壩模擬與風險評估作業,並透過衛星影像蒐集、航空攝影及無人機空拍等方式,掌握堰塞湖水位及壩體最新變化,也裝設雨量計、濃度計與監視器,並連結水利署下游水位站及監視影像。
8月20日林保署與成功大學防災研究中心合作,以直升機方式至堰塞湖壩頂設置水位計,讓監測精準度大幅提升,且能搭配既有雨量數據建立更完整監測模型,科學化掌握湖水上升趨勢與溢流風險。
溢流前曾經發布過警戒或撤離嗎?
在8月12日楊柳颱風襲台時,監測即發現馬太鞍溪堰塞湖風險已達高風險(橙色)等級,氣象署當時預測颱風若直撲花東、累積降雨量逾1000毫米,可能使堰塞湖提前於8月18日發生壩頂溢流,因此當時災害應變中心曾請花蓮縣政府預防性撤離下游鳳林鎮、光復鄉及萬榮鄉部分村落居民。
而針對此次樺加沙颱風來襲,林保署9月22日上午依據應變機制發布紅色警戒,同時請花蓮縣災害應變中心針對預估受影響範圍居民啟動強制疏散撤離,共撤離下游光復、鳳林及萬榮等鄉鎮共1837戶、8524人。