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1、簡報檔 demo 1 demo 2翡翠水庫上游各子集水區之地形計測地理所碩一R92228004徐逸祥一、研究動機不同的地質狀況，會造成不同的地形特徵。如月世界因原來的礫石層被侵蝕殆盡，使得泥岩層外露；泥岩層的顆粒細小、膠結疏鬆透水性低，遇水即成泥，在雨水侵蝕下，便極易將植被侵蝕殆盡，而逐漸形成無植被且崎嶇不平的地形，即俗稱的惡地地形。因為月世界的地表沖蝕作用極為快速，使月世界地形密佈蝕溝。由此敘述可知，我們可經由一級河流數和河川頻度的計量來推估一地的地質概況和地形發育特徵。也就是說，集水區之一級河流數量愈多，表河谷發育仍以溝蝕發育為主，河流發育愈可能偏向於幼年期的地貌；集水區之河川頻度愈大，表
2、示地表的沖蝕能力愈高。翡翠水庫集水區是供應大台北地區用水的最大來源，若集水區內的地表侵蝕嚴重，則會使翡翠水庫的泥砂淤積，壽命大減。因此本研究想了解其集水區內的地形發育概況，間接推測其是否有地表侵蝕嚴重的問題，以供相關單位參考並及時決策。二、研究目的本研究將翡翠水庫上游分為七個子集水區，分別對七個子集水區的地形發育概況做研究。而研究之目的如下：(一)計算翡翠水庫上游七個子集水區之一級河流之比例，以推估其溝蝕發育之狀況。(二)計算翡翠水庫上游七個子集水區之河川頻度，以推估其地表的沖蝕程度。三、研究方法(一)研究區域翡翠水庫為台北地區公共給水長期水源的開發計劃，於民國五十九年開始規劃，經九年的可行性
3、評估，於民國六十八年八月開工，之中又經過八年之艱難施工，全部工程於民國七十六年六月竣工。翡翠水庫之集水區面積為303平方公里，包含台北縣坪林鄉之全部，以及雙溪鄉、石碇鄉、新店市之一部份，占淡水河流域面積約11 ( 圖1 )。水庫之最高水位為170公尺，達滿水位時所占面積為10.24平方公里。其供水區域包括台北市及台北縣三重、新店、永和、中和、淡水、三芝等地區，預計可滿足民國一百一十九年自來水供應所需水源之要求。除具有供水功能之外，翡翠水庫還附帶222,700,000度的年平均發電量，並且能增加下游河道枯旱期之流量，稀釋河川之污水濃度 ( 翡翠水庫管理局，2002 )。(二)研究材料及工具本研究
4、之材料及工具如下所列：1. 運研所全國路網圖(2002)供本研究所使用之河川數化資料，其資料格式為ShapeFile的Polygon資料。由於吾人將研究溝蝕發育狀況及地表之侵蝕程度，因此對河川資料之精細度要求極高，而運研所河川資料數化之精細度極高，因此非常適合做為本研究之材料。2. 翡翠水庫集水區資料庫(1999)供本研究界定各個子集水區之範圍。此資料庫將翡翠水庫上游區分為七個子集水區，其範圍如圖2.1所示。3. ESRI Arc/Info Workstation供本研究將ShapeFile檔轉為Coverage檔，並賦予Coverage檔topology的屬性(即From-Node和To-N
5、ode之資料)。4. ESRI ArcGIS 8.X供本研究將Coverage檔連同賦予之topology屬性再轉回ShapeFile的檔案格式。5.Strahler.avx此為ESRI ArcView 3.2之外掛程式，由Duncan Hornby以Avenue的語法撰寫而成，供本研究計算出河川之級序。若要執行此一程式，需建立一個具topology的polyline，在資料的屬性表中，每一個arc必需要有ID、From-node、To-node的屬性，且其數化方向必需為上游到下游，其程式執行後才能得到正確的結果，此為此外掛程式之限制。6. ESRI ArcView 3.2供本研究進行數化及執
6、行外掛程式之工作。礁溪鄉平溪鄉烏來鄉石碇鄉圖2.1翡翠水庫上游七子集水區圖 (三)研究方法1. 河川之定義在計算河川數量及決定河川級序之前，我們必需先定義何謂一條河川。就地形學來說，在下列兩種情況下的河段稱為一條河川：(1)源頭到第一個河川匯流點之間的河段。(2)兩匯流點之間的河段。2. 河川分級的標準在地形學中，河川分級之標準如下：(1)源頭到第一個匯流點的河段稱為一級河川。(2)兩條以上一級河川匯流之處到下一個匯流點間之河段稱為二級河川。(3)兩條以上二級河川匯流之處到下一個匯流點間之河段稱為三級河川。(4)其餘更高等級之河川以此類推。如圖2.2所示。圖2.2河川級序的判別示意圖3. 面資
7、料的轉換及簡化由於運研所的河川數化資料為面資料，為了方便資料之演算，因此必需將此面資料由人工數化為polyline的資料。人工數化之原則如下：(1)數化時取Polygon兩邊外廓線之中央線，也就是取其skeleton，如圖2.3所示。圖2.3Polygon之skeleton示意圖(2) 遇河中沙洲時仍以外廓線為準，不理會內廓線，如圖2.4所示。圖2.4遇河中沙洲時之數化方式，圖中被綠色所包圍之部分即為河中沙洲(3)為配合Strahler.avx的演算法，數化時需遵循上游到下游的方向數化，如此才可分清楚何邊為河段之上游，何邊為河段之下游，如圖2.5中紅色箭頭所示。圖2.5數化時需遵循之方向數化之
8、成果如圖2.6所示。圖2.6數化之成果4. ShapeFile格式轉為Coverage格式由於數化時所產生之資料為不具topology的ShapeFile格式，因此需將其轉其Coverage格式，並賦予其From-node和To-node的格式。本研究利用Arc/Info Workstation之功能進行此項工作，其中使用到之指令如下：(1)Shapearc將ShapeFile格式轉為Coverage格式，並定義其為polyline之屬性。(2)Build計算並列出Coverage的From-node和To-node屬性資料，使其擁有 topology。(3)Clean此指令之目的為將所有交叉
9、的arc相切，以確保所有河川匯流點皆具有一個node(如圖2.7)。圖2.7以Clean之指令確保兩個arc具有同一個交點，即河川匯流處皆具有一個node5. Coverage轉回ShapeFile格式由於ArcView3.2無法閱讀Coverage中由Arc/Info Workstation所賦予的topology屬性資料，因此必須利用ArcGIS 8.X將具有topology的Coverage轉回為ShapeFile檔，才可以用ArcView3.2讀出topology。6. 計算河川級序將Strahler.avx的程式碼放在ArcView3.2主程式中EXT32的資料夾中(如圖2.8)，如
10、此便可在ArcView3.2的Extension中將其加入，再依照其指示即可計算ShapeFile的河川級序，詳細之操作請見Demo影片計算河川級序.avi。圖2.87. 一級河川比例和河川頻度的計算河川數量的計算，可利用ArcView3.2內的簡易統計功能，詳細之操作流程請見Demo影片計算河川數.avi。而其結果如圖2.9所示，表2.1乃匯整各個結果，所整理之河川頻度計量表。1234567集水區1 集水區2 集水區3 集水區4 集水區5集水區6 集水區7圖2.9由ArcView3.2計算之各子集水區各級河川數。欄位中的Strahler即河川級數，Count即各級的河川數目。子集水區編號12
11、34567集水面積(平方公尺)138250400.0 11753700.0 20872540.0 23035110.0 27802400.0 51235940.0 29462270.0 一級河流數115.011.017.039.028.039.07.0河流總數230.021.033.075.045.077.013.0一級河流比例(一級河流數總數()50.052.451.552.062.250.653.8河川頻度(nha)1.66365E-061.7867E-061.581E-063.2559E-061.6186E-061.5029E-064.4124E-07表2.1翡翠水庫主要子集水區河川頻度
12、計量表由以上結果可明顯看出，第4個子集水區的河流頻度最大。但七個子集水區一級河流數總數的值皆很接近，因此以下用卡方檢定，在1的顯著水準下，檢定七個子集水區之間是否有差異。表2.2即為卡方檢定表。表2.2卡方檢定表子集水區編號觀察值(O)預期值(E)(O-E)(O-E)2(O-E)2E15053.23-3.2310.4240.196252.453.23-0.830.6870.013351.553.23-1.732.9880.05645253.23-1.231.5090.028562.253.238.9780.4871.512650.653.23-2.636.9090.130753.853.230
13、.570.3270.006Critical value=1.941H0：所有子集水區之一級河流比例皆相同H1：至少二個子集水區之一級河流比例不同自由度df = 7 1 = 6顯著水準=0.01故test statistic2=16.812，遠大於Critical value=1.941，故保留H0，即所有子集水區之一級河流比例皆相同。四、結論(一) 第4個子集水區之河川頻度最大，代表其地表的沖蝕程度最大，相關單位應進行實察以確定此區是否為翡翠水庫泥沙之重要來源，而加以補救。(二) 以一級河流比例來看，經卡方檢定的結果，七個子集水區的一級河流比例皆無差別，顯示此區的溝蝕發育狀況一致，地形發育可視為同一時期。(三) 研究結果應再配合地質圖的套疊，以了解地質狀況是否確實與地形特徵具高度相關性。(四)由於吾人程式語言上的不足，無法自行撰寫程式來計算各條河川的級數，因此採用其它專家所撰寫的現成的程式來完成研究目的，是為不足之處。但已對ShapeFile和Coverage的資料結構有較深入的了解。參考文獻王鑫(1988)地形學，臺北：聯經出版事業公司 朱子豪(2003)地理資訊系統技術教材ESRI , http:/ (12 Jan, 2004)
