發揮水田坵塊生態保護效益之田埂高度

國立成功大學水利及海洋工程研究所

摘　　要

　　為提昇水稻田減洪與補注地下水的生態效益，加高田埂以促進水田蓄水能力為一可行之道。本研究以八個不同田埂加高方案，分別在休耕不灌溉下、正常灌溉下及超量灌溉下，模擬水田蓄水過程，再分析坵塊的期望滲漏量及調洪量，以找出田埂設置的最適規格。結果顯示不同田埂缺口寬度對期望蒸發散量、側向滲漏量、垂直入滲量及深層滲漏量並無太大影響，但影響較大的是最大日洪峰量。在確保田埂安全及顧及現地整建田埂的可行性下，建議雲林地區水田採用田埂高 20 公分、缺口底高 12 公分及缺口寬 30 公分之方案，以充份發揮水田生態效益。

Optimal Specification of Paddy Ridge to Promote the Ecological Capabilities of a Paddy Field

Abstract

　　Increasing the water storage of a paddy field can mitigate drainage flood and increase groundwater recharge. Thus, to raise the height of paddy ridge is a feasible manner to increase the benefits of ecological protection of a paddy field. This paper compared eight different specifications of paddy ridge to find out the best ones for promoting ecological capabilities of paddy fields. The field management cases considered were no irrigation practice, ordinary irrigation and over irrigation. By analyzing the long-term expected percolation and flood mitigation of a paddy field, one can conclude the best specification. To assure the ridge safety and field practice, the optimal specification of paddy ridge of Yunglin area is 20 cm in height, 12 cm in bottom height and 30 cm in width of opening were suggested.

一、前　言

　　增進水田蓄水能力可提高包括地下水補注及調蓄洪水等生態效益，惟可蓄水量及實際蓄水量因降雨量、灌溉水量及田間土壤透水特性等多項因素而異。本研究蒐集雲林地區水田過去 50 年的氣象、水文及土壤等資料，以八個不同田埂加高方案，分別在休耕不灌溉下、正常灌溉下及在超量灌溉下，模擬水田蓄水過程，再分析坵塊的蓄水機率、期望滲漏量及調洪量，以找出一組最適當之田埂設置條件，充份發揮水田生態效益。

二、水田坵塊蓄水過程分析

2-1　蒸發散量估算

　　利用雲林水利會在民國八十四年的現地實測蒸發皿值，乘以 0.7 倍為水田日蒸發散量。其次，對每個月以線性迴歸出一降雨量與蒸發散量之指數關係曲線，以估計降雨時之蒸發散量。至於不降雨日之蒸發散量，則以各月不降雨日之平均值估算。

2-2　垂直入滲量估算

1. 垂直入滲量之推估係將 Horton 公式的時間項替換為土壤水分含量的因子 ^[1] ，採用公式如下：

( 1 )

式中， = 潛勢入滲率 (mm/day) ； = 最大入滲率 (mm/day) ； = 穩定入滲率 (mm/day) ； = 飽和時土壤含水量 (mm) ； S= 土壤水分含量 (mm) 。

2. 深層滲漏率採用下式估算：

( 2 )

式中， d= 深層滲漏率 (mm/day) ； = 穩定入滲率 (mm/day) ； = 飽和時土壤含水量 (mm) ； S= 土壤水分含量(mm) 。

3. 土壤水分含量，必要時考慮土面蒸發量後，估算如下；若水田有湛水，則在任何時間土壤的水分含量，可以下式計算：

( 3 )

　　　式中， S = 土壤含水量 (mm) ； D= 深層滲漏率 (mm/day) ； = 有效入滲率 (mm/day) 。

( 4 )

　　　式中， i = 降雨強度 (mm/day) ； h = 蓄水深 (mm) ； = 演算時距。

若沒有湛水，土面蒸發將以非潛勢量消耗土壤水含量，則土壤水分含量改由下式計算：

　　　式中， d= 深層滲漏率 (mm/day) ； = 蒸發散量 (mm/day) ； S= 土壤含水量 (mm) 。

2-3　側向滲漏量估算

　　利用 Dupuit 方程式估算側向滲漏量如下：

( 6 )

式中，= 單位寬度的流量 (m²/day) ； K = 滲透係數 (m/day) ； = 蓄水深 (m) ；= 排水路之蓄水深 (m) ； L= 缺口長 (m) 。不同種類土壤的滲透係數不同，必要時應再考慮田埂有孔洞漏水的影響，故需依實際情況調整 K 值。

2-4　降雨流出過程

　　假設田埂及其缺口以堰流型式排水，則田區出流量可以堰流公式計算如下：

( 8 )

式中，Ｑ = 出流量 (cms) ；Ｃ = 堰流係數；ｂ = 缺口寬 (m) ； h = 堰上水頭 (m) 。其中堰流係數與堰上水頭和缺口長與缺口寬的比值有關，關係如下：

h/L 0.1：C = 1.642 × (h/L)0.022

( 9 )

式中，h = 堰上水頭 (m) ；L= 缺口長 (m) ； W = 缺口寬 (m)； C = 堰流係數。

　　本研究將坵塊視為一小型蓄水庫，利用水文連續方程式計算田間蓄水如下：

( 10)

式中，I = 入流量；Q = 出流量；S = 蓄水量。由 (8) 式與 (9) 式代入 (10) 式得：

( 11)

其中已知數為 I₁ 、I₂、C₁、h₁、b、A及△t，方程式只有一未知數為 h₂ ，利用牛頓法求下一時段的蓄水深，可解出各個時段的出流量及蓄水量。

三、坵塊用水管理方案

　　茲分成三種用水管理方案進行田埂及其開口最適高度之分析與比較：

3-1　休耕不灌溉

　　一般之計算程序為先求出各單位時段內之降雨量、蒸發散量、田間表層土壤入滲率、下層土壤深層滲漏量及坵塊側向滲漏量。其次分三種情況計算田區水深與土壤含水量： (雨後) 田面上無蓄水； (雨後) 田面有積水，但田間蓄水位仍低於缺口高； (雨後) 田面有積水，且田間蓄水位高於缺口底高。最後計算田埂缺口流出量及土壤含水量。

3-2　正常灌溉

　　對雲林水利會灌區水稻田灌溉水量之模擬估算流程參見圖一。雲林水利會依作物種類擬定灌溉期距、灌溉日數及一次灌水深。現行水稻田灌溉方式則將各輪區之灌溉期距固定，並不因降雨量多寡調整。水稻田之灌溉期距一般採 7 日，灌溉日數為 2 日。每日需水量設定為 10mm ， 7 日總需水量為 70mm ，將之分 2 日灌入田間。又，日降雨量小於30mm 時不計有效降雨，故在前一日降雨量小於 30mm 的狀況下， 2 灌溉日的每日灌水深為 35mm/day 。

　　當日降雨量大於 30mm 時需考慮有效降雨量，本研究對雲林水利會目前有效降雨之估計方法作部分合理的調整如下：若灌溉日前一日降雨量大於 90mm 時，則該次灌溉取消；若灌溉日前一日的降雨量大於 30mm 卻未超過 90mm 時，灌溉總水深依比例修正如下：

( 12)

實際作業時仍以一日灌溉水深為 35mm 執行，以至達成總水深灌入田間為止。

3-3　超量灌溉

　　超量灌溉方式之模擬計算流程參見圖二。超量灌溉以日為單位期距進行模擬，本研究暫不考慮灌溉水量不足及灌溉給水渠道容量限制等情況。模擬時直接採前一日田間水深與最大可蓄水深 (或目標蓄水深) 之差量為超量灌溉水深，不考慮灌溉當天降雨與否，故灌溉日的灌溉水深為：

( 13)

式中， = 灌溉前一日終了之田間水深； = 田間最大可蓄水深，或目標蓄水深。

四、不同田埂加高方案之生態效益

　　取雲林縣莿桐地區生態保護推廣水田之單一坵塊，其面積為 4,817m² ，依照不同的田埂規格，計算 50 年的期望蓄水深、蒸發散量、垂直入滲量、深層滲漏量、側向入滲量及暴雨後之坵塊流出量，演算時距 △t 在本研究中採每分鐘計算一次，其他現地資料包括：=1,440mm/day，=9.1mm/day，=93.1mm，=9.1mm/day，=93.1mm，K=23.9 m/day，L=30 m。分析成果參見表一至表三及圖三至圖五。以田埂缺口寬分別為 30 公分及 60 公分進行分析，田埂缺口寬之變化對於平均蒸發散量、平均側向滲漏量、平均深層滲漏量及平均垂直入滲量並無太大影響。

　　對田區進行不同用水管理措施顯示，地下水補注量隨田間蓄水之增加而顯著增加，但正常灌溉及超量灌溉之間則相差有限；田埂側向滲漏量則隨灌溉水量之增加而顯著增加，尤其超量灌溉時特別顯著；水田調蓄洪水能力則在不灌溉時特別顯著，實施超量灌溉時則差別不明顯。在不灌溉情況下，提高雲林地區水田坵塊田埂缺口底高可顯著提高水田調蓄洪水之能力，但對地下水補注量及田埂側向滲漏量之增加則有限；在正常灌溉下，提高坵塊田埂缺口底高可提高水田調蓄洪水量及田埂側向滲漏量，但對地下水補注量之增加則有限；在超量灌溉下，提高田埂缺口底高可顯著提高田埂側向滲漏量，但對調蓄洪水量及地下水補注量之增加則有限。

五、結論與建議

5-1　結論

1. 田埂加高方案之生態效益評估結果顯示，雲林莿桐地區水田在相同田埂缺口底高下，提高田埂高度有助於維護田埂安全，但對生態效益提升有限；在田埂安全無虞情況下，田埂以缺口底高 12 公分、寬 30 公分及田埂高 20 公分足敷多數情況之生態保護要求所需。
2. 在顧及田埂現地構築的可行性及田埂安全下，應視生態保護之主要目的選定適當的生態用水管理措施。以調蓄洪水為目標時以休耕停灌為佳，欲提高地下補注量則實施正常灌溉或超量灌溉均可，但進行超量灌溉則可顯著提高側向滲漏量或迴歸水量，有助於改善排水路之水質。

5-2　建議

1. 宜再對不同長寬之坵塊，及類似續灌田之坵塊間有水流動之情況做進一步分析，以找出該狀況下的最佳田埂高度及缺口底高。
2. 基於不同的降雨特性，宜對個別水利會灌區分析利用其水田進行生態保護時，田區田埂缺口的最佳高度，以提昇水田蓄水之生態效益。

六、誌　謝

　　本文為行政院農業委員會補助之「八十七年度跨世紀農業建設方案：推廣水田生態環境保護及地下水涵養補注」計畫 (編號：87農建-8.5-林-02)的部份研究成果。本研究得以順利完成，感謝行政院農委會蔡科長明華、林柏璋先生及台灣省水利處第二河川局胡副局長治洪、經濟部水資源局劉工程師以銓之指導，國立中央大學土木系吳瑞賢教授熱心提供其過去研究成果，復蒙台灣省水利處農水組何科長建旺、顏工程師瑞元、馮工程師德智之協助與鼓勵，在此深致謝忱。計畫期間，承蒙彰化農田水利會陳組長興隆、林股長達雄、黃助理管理師輝峰、潘助理工程師增樑；雲林農田水利會葉組長再德、施股長進卿、林管理員富元、李助理工程師武雄；彰化農田水利會社頭工作站及雲林農田水利會莿桐工作站所有工作同仁，協助並提供寶貴觀測經驗及有關本研究之資料，均此表示由衷謝意。

七、參考文獻

1. 吳瑞賢，水田變遷對逕流系統之影響分析(1)，行政院農業委員會八十五年度研究計畫成果報告，85 科技~1.11~林~03~1 (5) (1996)。
2. Wanielista, M. P, Hydrology and Water Quantity Control, John Wiley & Sons, U.S.A., pp.360-362 (1990).

　表一　雲林縣莿桐地區水田坵塊在休耕不灌溉下之生態保護效益

　表二　雲林縣莿桐地區水田坵塊在正常灌溉下之生態保護效益

　表三　雲林縣莿桐地區水田坵塊在超量灌溉下之生態保護效益

　註：1. H=田埂高，d=缺口底高

　　　2. 水文資料分析年限：民國36年至85年

(a)　不灌溉	(b)　正常灌溉	(c)　超量灌溉

圖三　缺口底高與平均深層滲漏量之關係圖

(a)　不灌溉	(b)　正常灌溉	(c)　超量灌溉

圖四　缺口底高與平均側向滲漏量之關係圖

(a)　不灌溉	(b)　正常灌溉	(c)　超量灌溉

圖五　缺口底高與最大日洪峰量之關係圖