一、關鍵挑戰Challenge

台灣近年來由於經濟蓬勃發展，導致用水需求量急增，在地面水水源供應不足，而地下水使用成本低廉、水質水量穩定的情況下，民眾紛紛大量開鑿水井抽取地下水使用。台灣目前發生地層下陷最嚴重之區域多分布於西南沿海及屏東平原地區，這些地區因位於灌溉尾閭加以土壤鹽化，復經農業用水(含魚塭養殖)、工業用水及生活用水等長期超量抽取地下水，致使部分區域發生地層持續下陷的現象。目前為止台灣仍發生地層下陷之地區包括宜蘭縣、彰化縣、雲林縣、嘉義縣、台南縣、高雄縣、屏東縣等地區。由於地層下陷將導致地下含水層破壞、海水倒灌或海堤潰決、沉陷量不均等現象，進而導致危害建築物安全(如高鐵橋墩下陷)或影響水工結構物功能之後果，因此評估抽水引致地層下陷影響區域課題在台灣西南沿海地區則顯極為重要。
中興社近年參與台北都會區捷運工程之相關研究，其中針對深開挖工程中對景美礫石層抽水之相關案例研究，已獲得豐碩且可靠的成果。已初步建構一套可充分考量案例場址之地理、地層、地質構造及地下水文條件之三維抽水引致地層下陷之分析模式。該模式係將複雜的物理環境簡化為三維水文地質概念模型，並透過水平衡及地下水流動方程式等原理模擬地下水流場之變化，再配合壓密沉陷理論即可進一步評估大區域地層下陷量之時間與空間上的分布。
本研究內容後續可進一步應用在沿海地區因抽水引致之地層下陷問題。此外，透過水平衡原理，可進一步評估是否可利用豐水期餘水人工注回含水層以涵養地下水資源之效益。

二、流程Process

本技術係透過執行研究區域之滲流-應力耦合分析，藉以評估區域因抽水引致地層下陷之空間與時間變化，及相關改善措施之效益評估。執行流程概述如下：

1. 首先透過資料蒐集及現地水文地質調查以獲取研究範圍具代表性之地質、水文地質資料，作為後續分析評估之依據。包括：(1)地層與地質構造調查、(2)區域性地下水文調查、(3)現地透水試驗與資料分析等部分。
2. 隨後依據研究區域之地理、地層、地質及地下水文等資料，建立區域性三維水文地質概念模型，並考慮不同水文地質特性，將模型劃分為多個水文地質單元。模型所需輸入之相關資訊包括：(1)地下水補注量、(2)邊界條件及初始條件、(3)各地層之水文地質特性參數。隨後透過各階段之水位及沉陷監測資料進行模式率定，以提升三維水文地質概念模型之代表性與準確性。
3. 待模型建置及率定完成後，即可進行模式分析與預測，包括以下兩大類分析：(1)區域性地下水影響評估、(2)廣域及近域抽水引致之沉陷評估。
 

三、成果Result
重要計畫成果內容與工程應用價值

本研究以台北盆地抽水案例為例，成功建立一套可分析區域抽水沉陷之三維水文地質模式，相關成果及應用價值摘述如下：

1. 本研究建立之台北盆地三維廣域水文地質模型，以模擬盆地內地下水之流動行為。該模型具有以下特點：(1)根據松山層與景美層之空間分布決定分析網格之三維幾何關係、(2)根據各區域景美層抽水試驗之反算結果輸入模型之水文地質參數值、(3)根據降雨入滲量輸入盆地之地表補注量、(4)以河流、斷層及地下分水嶺等天然邊界作為水頭邊界、(5)透過河流水位及河床入滲率評估河水與地下水之交換水量、(6)於盆地各處設置虛擬抽水井以擬合地下水位分布現況、(7)透過盆地內水位觀測井之長期監測資料進行模型率定等特色，具有較高的正確性及合理性。
2. 基於本研究建置之台北盆地廣域水文地質概念模型、景美層抽水分析程序及結合案例場址反算之水文地質參數，本研究進一步建立捷運深開挖工程降水案例場址之近域水文地質概念模型，並成功地預測捷運新莊線CK570C標道岔段群井抽水試驗期間場區內、外之水壓洩降及地表變形，此分析程序及研究成果可提供相關工程規劃後續抽水計畫及安全評估之用，極富參考價值。
3. 本研究透過台北盆地三維水文地質模式分析，成功預測了捷運新莊線各站抽水期間之水壓洩降趨勢，惟分析誤差仍與地盤不均勻性、水文地質參數之區域性差異、松二層阻水效應及其他工址抽水相互影響有關，可再進一步探討。
4. 台北盆地曾因大量抽取地下水而產生大規模沉陷，後因禁抽政策得使水位逐年回升。此過程使得盆地內黏性土壤產生過壓密效應而使土層後續再產生之沉陷量將大幅縮減，此為該工法有利部分。但若細部地質調查顯示工址範圍之松二層有尖滅現象或滲漏明顯時，則抽水計畫須特別謹慎評估。建議先進行抽水方案之數值模擬評估及近域抽水沉陷評估，待安全無虞後方可進行。
5. 本研究採用三維水文地質概念模型針對捷運新莊線多個案例進行抽水分析，該模式可考量各抽水井作業時程、可模擬深開挖工程之施工進度，評估各施工抽水期間之水壓變化誤差亦在工程可接受之範圍內。根據研究成果歸納出一套景美礫石層降水工法之分析流程，可供後續類似工程參考運用。

四、與其他核心技術關連性

「區域抽水引致地層下陷評估」與其他核心技術相關性如下：
1. GS0102－等效孔隙介質模式分析
2. GS0103－水文地質特性調查評估
3. GS0302－岩盤工程熱力-水力-力學耦合分析
 

五、重要發表文獻

冀樹勇、譚志豪 (2010) 景美礫石層降水工法於大台北都會區深開挖工程之應用，研發成果報告，財團法人中興工程顧問社。
譚志豪、冀樹勇、顧承宇、林坤霖 (2006) 台北盆地區域性三維地下水流動數值模擬，中興工程季刊，第93期，第1-9頁。
Tan, Chih-Hao, Kun-Lin Lin, Pei-Zhen Wu, Shu-Yeong Chi, and Ting-Hao Hu (2006), “The 3D Simulations of Groundwater Flow during the Large-scale Pumping Test of Group Wells in Taipei Basin”, The 34th Congress of International Association of Hydrogeologists, October 9-13, Beijing, China.