104年12月(第282期)
臺灣地震網應用於大規模崩塌偵測及崩塌發生之降雨條件分析
文‧圖 / 水土保持局 吳俊龍
近年來，臺灣山區內發生大量的山崩及土石流事件，其中有許多面積超過 10 公頃的大型崩塌地，對於山區坡地及河道地形的變化影響非常大，難以估計的崩塌土石量也增加了後續防災工作的困難度。國家防災中心定義大規模崩塌是「滑動面積超過 10 公頃，土方量超過 10 萬立方米，或深度超過 10 米以上的山坡土體滑動」。大規模崩塌可能導致的災害包括地表變形、土石掩埋、河道淤積、土石流、堰塞湖等。
如果我們能夠了解大規模崩塌發生的時間點，就可以用來分析在哪些降雨條件下會發生大規模崩塌。但是過去都只能依賴目擊者提供的情報才能得知崩塌發生的時間，所以大多數的崩塌都不知道發生時間，也就很難訂出崩塌警戒標準。為了解決這個問題，便想到了利用地震網每天都在記錄地表振動的這項特性，只要從這些連續紀錄當中找出山崩所產生的振動訊號，就可以知道山崩發生的時間，接下來收集鄰近的雨量資料，分析發生大規模崩塌時的降雨條件，便能建立大規模崩塌發生的雨量基準。
大規模崩塌造成的振動會與地震不同，在時間與振動頻率的關係中，山崩會出現如三角形的高強度區（圖 1 ），而地震的高強度區則會超過 5Hz ，並且持續的時間較長（圖 2 ）。
圖 1 甲仙站記錄之小林村崩塌訊號與時頻圖（黃色及紅色為高強度區）
圖 2 2005 年 7 月 20 日規模 5.2 的地震訊號與時頻圖（黃色及紅色為高強度區）
目前世界上常用來分析山崩發生條件的雨量因素包括：降雨強度（ I ）、降雨延時（ D ），及累積雨量（ R ）。降雨強度是指每個小時內的雨量，降雨延時是指下雨的時間長短，而累積雨量是指在連續的下雨期間的雨量總和。當我們可以利用地震站的紀錄去獲得大規模崩塌發生時的時間點後，就可以收集在山崩發生瞬間的雨量資訊，用來分析引發大規模崩塌的雨量條件。
所以根據現今常用的 3 種雨量分析方法，我們逐項來討論哪一種方式可以做為將來臺灣在大規模崩塌預警防災上的雨量警戒值：
(1) 降雨強度與降雨延時的關係（ I-D 法）
由大規模崩塌的雨量資料可以獲得發生門檻的公式為I=27.8D-0.3 （20<D<120）。在圖3中，將本局調查的淺層或小型崩塌的雨量資訊，與大規模崩塌的雨量資訊放在一起比較，可以發現小崩塌與大規模崩塌的降雨強度類似，也就是說以降雨強度來做為大規模崩塌的發生門檻會與小崩塌的發生門檻重疊，因此這項降雨基準將不適合用來區分淺層崩塌與大規模崩塌，更會產生警戒標準操作上的混淆。另外，再跟過去其他的研究比較，可以發現大規模崩塌發生門檻降雨基準線明顯高於過去針對小崩塌所訂之降雨基準，也就是說大規模崩塌多數仍然發生在高降雨強度的降雨事件中。
圖 3 降雨延時與降雨強度關係圖 PDF
(2) 累積降雨量與降雨延時的關係（ R-D 法）
如果要知道大規模崩塌發生的機率，我們可以同時探討大規模崩塌時的雨量，以及這些大規模崩塌尚未發生前的雨量。從累積降雨量與降雨延時的關係（圖 4 ），加上機率統計分析後，我們得出了當累積降雨量大於 1000mm ，且降雨延時超過 30 小時，會有較高的機率發生大規模崩塌。
另外，因為每個山崩所在的地區有不同的氣候條件，所以將累積降雨量除以該地區的平均年降雨量，得到的 RMAP 值就表示引發山崩的雨量佔年雨量的比例。有了 RMAP 值會讓存在不同氣候環境的山崩之間，有較為公平的比較標準。在經過年平均降雨量的處理後，我們發現有 80% 的大規模崩塌的 RMAP 高於 0.2 （圖 5 ）。因為臺灣山區之平均年降雨量大多高於 3000mm ，因此我們可以推論，發生大規模崩塌所需要的累積降雨量需要大於 600mm 。
圖 4 降雨延時與有效累積降雨量關係圖 PDF
圖 5 降雨延時與 RMAP （累積降雨量與平均年降雨量的比值）關係 PDF
圖 6 有效累積降雨量與降雨強度關係圖 PDF
(3) 降雨強度與累積降雨量的關係（ I-R 法）
同樣探討降雨強度 I 與累積降雨量 R 之間的相關性（圖 5 ），加上機率統計分析後，我們得出了當累積降雨量大於 1000mm ，且降雨強度大於每小時 8 mm ，就有比較高的機率發生大規模崩塌。
同樣，也把小崩塌的降雨強度與累積降雨量加入比較（圖 6 ），可以發現當端時間內雨量比較大時，有就是高強度降雨，較容易發生小崩塌。從平均降雨強度 Iav 與有效降雨量的比對，同樣可以發現引發淺層崩塌的降雨強度高於大規模崩塌，在兩種崩塌類型之間，可以看出明顯的降雨基準差異。這些結果再次說明降雨強度不太適合作為大規模崩塌發生之警戒標準。
莫拉克颱風後，大規模的邊坡土砂災害成為防災工作的新挑戰，但是受限於過去的觀測紀錄不足，很難像淺層崩塌或土石流災害一樣進行降雨條件的分析。但是現在可以藉由寬頻地震站記錄到大規模崩塌發生的時間，進一步收集雨量資料與促崩降雨條件分析。綜合前面的說明，我們已經可以知道大規模崩塌多數發生於累積降雨量大於 1000mm 、降雨延時 30 小時以上、降雨強度大於每小時 8mm 的雨量條件之下，這些降雨基準就可以作為制定大規模崩塌的警戒標準之基礎。