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台灣缺水如何解?透過穩定又永續的「河川伏流水」留住水!

文/賴允政|國研院科政中心

台灣雖然具有世界平均 2.6 倍的豐沛的降雨量,同時卻也是世界名列第 19 位缺水的地區。因此,如何在豐沛的雨水資源中多擷取可用的水資源是我們必須思考的議題。

其中,具有永續概念的河川伏流水(Hyporheic flow)開發是一個較少被關注,但值得進一步探討的議題。

台灣目前水資源的開發仍是以水庫為主,但水庫所面臨的兩個主要困境,一是淤積使得現有的水庫效能降低,一是新址的選擇困難,使得新水庫的開發可能性低,因此若僅從既有水庫的開發方式,加上氣候變遷的複雜因素,勢必會持續面臨缺水的困境。

目前的調適選項除了海水淡化、廢水利用、雨水貯集、農地回歸水利用等方式之外,河川伏流水的開發不論是以開發成本、管理成本、備援用水之配合、災害時的淨水供應、水庫壓力的紓解,或是環境的永續性等,都是一個值得被重新關注的議題選項。

 

什麼是河川伏流水?

伏流水為流動或儲存於河道下方砂礫石層中的水源。也有學者指出,伏流水為河川及沼澤之底部或側部之沙礫層中所含之地下水。與一般地下水不同的是,伏流水具有流動的特性,一般於傍河流底部及河岸兩側之處會有豐富的伏流水。

根據經濟部水利署網頁對於伏流水的解釋:「養育我們的大地底下,並非只有土壤,它像是一塊海綿蛋糕,有不同層次。其中有粗顆粒土壤組成的含水層,在土壤顆粒之間飽含水份。也有細顆粒黏土組成的阻水層,隔絕著上下兩個含水層。而所謂伏流水,就是指流動或儲存於河床下方砂礫石層中的水源。」(如圖 1)。

圖 1 河川伏流水。資料來源:經濟部水利署南區水資源局

相較於一般地下水,河川伏流水具有流動性,且有直接來自河川逕流的補注,因此,只要有適當的監測即不會有地層下陷的疑慮。此外,相對而言河川表面的水流流速較快,較底層的伏流水則流速相對較慢,因此具有取水期較長的優點。

台灣河川的特性是既陡又短,因此在豐水期雨水落入河川之後即快速流入大海,因此以水庫或攔河堰的截水取用方式,每遇大雨過後河水濁度飆高就難以利用,而在枯水期更是有無水可用的困境。

河川伏流水因為具有流速比較緩慢,水量相對穩定的特性,且透過如逆滲透般的原理,經自然淨化之後所取得的伏流水可初步解決原水濁度太高的問題。因此,伏流水資源的開發是符合現今環保觀念的取水方式,目前在歐美普遍受到應用。

河川伏流水的工法最常見的是透過集水廊道、集水暗渠,或是以集水管或輻射井等方式達到傍河取水的目的。也就是在河道兩旁地下水較豐富的地區以水管、垂直鑿井,然後再以渠道等方式取得用水。

這種工法應用在國外十分普遍,較著名的例子包括:

  1. 日本東京都砧淨水場集取系統,於多摩川的河岸高灘地埋設穿孔式集水管,取用伏流水,自 1928 年運轉至今,每日供水能力達 14 萬噸
  2. 德國杜塞爾多夫(Dusseldorf)水廠於萊茵河 4 公里範圍設置垂直虹吸滲濾井 80 口。於里程 730.7 公里設置一口輻射井,形成平行於河川取水井廊。

國外用伏流取水,台灣其實也有!

國內方面,屏東的二峰圳是伏流水應用的最好例子。二峰圳位於屏東來義鄉林邊溪,是由日本水利專家鳥居信平設計,歷時 2 年於 1923 年興建完工,工程是在林邊溪往河床底下埋設約 328 公尺長混凝土製的地下堰堤,以收集地下伏流水(如圖 2)。

完工後的二峰圳,在豐水期的出水量每日有 25.2 萬噸,枯水期有 6.8 萬噸,至今每天仍有約 10 萬噸的水給下游使用,近百年而不竭,除未犧牲四周的環境,年供應量亦比台南的白河水庫還多。

此外,當 88 風災其他地區水濁而無水可用,但二峰圳河床砂礫則提供如逆滲透般的功能,使得該區域的居民於最短期間內就可得到乾淨的水可使用。

圖 2 二峰圳集水廊道立體剖面圖。資料來源:公民新聞

水庫老是淤積,河川伏流水快來救!

以取水規模而言,河川伏流水的規模相對較小,但作為增加供水及備援用水方面,具有相當的助益。在現有水庫之地面水資源已經出現淤積及新址選擇等困境之下,豐沛的地下水資源尋找是一個可能的轉機。

對於二峰圳有長期研究的丁澈士教授認為,面對水資源危機,台灣應該重新檢討水資源政策,因為目前台灣的用水是以水庫水為主,地下水為輔,這在豐水期固然充裕,但是到了枯水期水庫的水就常出現缺水的危機,因此可以思考調整策略,改於豐水期加強地下水資源的利用,待枯水期再來利用水庫所蓄留的水,如此才能達到水資源調配的目地。

根據水利署歸納河川伏流水之優點,主要包括:

  1. 構築方式對環境生態衝擊較小
  2. 水質透過自然地層介質過濾較為潔凈
  3. 豐枯水期皆能取得水源量
  4. 施工期間短
  5. 具永續性等

伏流水優點多,可與水庫相互搭配

若對照水庫而言,綜合各專家與文獻資料可知,河川伏流水與傳統水庫的水資源取得方式具有互補的特性,可補水庫之不足。例如,伏流水的開發與水庫興建相較之下,伏流水工程具有選址較易的優點;以工程規模而言相對簡單,工期較短,經費較少且無水庫潰壩的風險;在水質方面,由於伏流水經過粗細粒徑不一的石粒,因此具有逆滲透般的淨水功能,在暴雨後河水濁度大增時可發揮提供緊急備援用水的功能。

此外,水庫的致命傷在於淤積,伏流水則無此疑慮。在生態環境的維護方面,大型水庫具有截斷幹流,破壞既有生態的負面性,因此也容易衍生各種爭議,伏流水在這方面爭議則相對較低;在可取水期間方面,由於伏流水的水位深且流速慢,因此可取水期較長,對於台灣的降雨特性而言具有補強的效果。綜合而言,兩者之比較進一步整理如表 1。

資料來源:科政中心研究整理

但開發上會面臨什麼挑戰?

河川伏流水固然具有如上所述之各種效益,但是也必須具有整體性考量才能更具可行性與效益性。例如開發前的地理及地質探勘、利用期間的水權爭議,或是開發後的地下水的監測與補注,以及河川生態的維護等都是必須面對的問題。

例如經濟部水利署在高屏溪伏流水開發計畫中,即曾經面臨利害關係人對於地層下陷、水權及生態等爭議而影響開發期程。因此不論政策面或技術面都必須作整體的考量,才能達到開發及整體的效益。綜合而言,伏流水的開發主要必須面對的問題包括:

  1. 區位的探勘:主要包括適合的地理位置、河川地質、地形、集水區植被及水文,河川坡度、降雨量、降雨分布、河川流速、河床各層之透水係數等,都必須有充分的資料才可以作為開發條件的參考。
  2. 水權爭議:河川上下游,地面水與地下水權,或者是利害關係人間的既有用水及預估用水等水權的爭議等,都是必須透過協調或是法規的修訂等,才能減少不必要的爭議。
  3. 生態平衡:豐水期與枯水期的不同期間取水,或是取水的規模等對於環境生態都會有不同的影響,因此需有適當的監測與評估,才不會對生態環境造成負面的影響。

台灣需要伏流水工程,但投入卻相對不足?

根據「台灣西部河川上游經濟穩定的伏流水開發」(臺灣水利,60 卷 1 期,李昭順、劉振宇)作者以多年研究台灣西部河川上游伏流水之開發利用之心得指出,初步研擬台灣西部可能之河川上游伏流水取用場,由北至南估計共 16 處之多,唯須作進一步探勘與評估才能確定其開發價值。

但是國內關於伏流水的開發,不論是相關研究或工程投入都顯得相對不足,較具規模的工程,以經濟部水利署南區水資源局於民國 101 年執行的「高屏堰上游傍河取用伏流水模場工程」最具規模,其中高屏堰上游所建置的伏流水模場已於 103 年 11 月完工,其它地區則尚無較大規模的推動。

相較於整體科技預算研究經費而言,政府在伏流水相關研究的投入也是相對薄弱的,例如以國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心所建置的「政府研究資訊系統(GRB) 」資料檢索為例,國內自民國84年開始有伏流水的相關研究,歷年來與「伏流水」相關的研究計畫僅 26 筆,經費合計約 7,500 萬元,年平均約 375 萬元。若以 104 年度國內相關機關與計畫經費核定觀察,經濟部水利署以及經濟部地質調查所兩個單位之非國家型科技計畫之經費核定各約 1.8 及 1.9 億元,伏流水所投入之經費相對較少。

但是若從既有的監測設施角度來看,經濟部水利署及中央地質調查所分別建構了地下水觀測網及水文地質資料庫,據此可以作為台灣相關地下水資源的監測、開發或地下水補注等有效的輔助工具。

相對於水庫等水利工程,河川伏流水的開發不論資金、技術或規模都相對為小,若能有更多的研究與推動,相信能以更具效益及永續性的方式,紓解台灣缺水的問題。

缺水危機在眼前,需要更全面的水資源策略

綜上所述,台灣雖具有豐富的降雨所帶來的水資源,但是卻因先天的降雨不均,及現有水庫之水資源因淤積、新址選擇等困境,而有缺水的危機。研議如何以地面水庫及豐沛的地下水資源之間的調度是我們可能的轉機。

然而,河川伏流水雖有許多優點,但是也需作如下的整體性考量才可能發揮更大的效益。

  1. 河川伏流水資源調查:河川伏流水之開發必須就河川之地質、地形、生態、流量、降雨、含水層及透水性等因素作整體性考量,但因本議題過去較少被關注,因此為達到多元水資源開發的目的,宜以國內伏流水相關之既有資料為基礎,作廣泛的調查,以作為進一步開發的參考。
  2. 整體系統性考量:水資源問題必須就整體系統性考量才能發揮效益,例如短期或中長期的正負面效益、利害關係人的參與、相關的監督機制、若要成功需具備怎樣的條件、怎樣的因素會成為開發案的限制因素等,都必須有整體性的考量才能發揮最佳化的效益。
  3. 與地面水聯合運用:目前台灣的用水以水庫為主、地下水為輔,因此常會有豐水期洩洪,枯水期水荒的困境。但若能思考調整策略,將豐水期、枯水期、地面水、地下水等四個元素作重新的調配、運用,就有可能達到水資源相互調節的目的。由於地下水資源中的伏流水占了很大的比率,因此有可能作為調節的資源選項。例如於豐水期時加強河川伏流水等地下水資源的利用,待枯水期再來多利用水庫蓄積的水,如此就能順應台灣的特殊降雨特性,進而達到水資源調節及充分利用的目的。
  4. 科技研發的配合:就既有的投入而言,政府對於河川伏流水相關議題的投入相對不足,但是河川伏流水的開發具有規模小、資金少、技術簡單等特性,因此只要具備適合區位,則可以成為一個最具永續及效益性的水資源開發方式。

在此方面,經濟部水利署及中央地質調查所分別建構的地下水觀測網及水文地質資料庫等,亦可以作為相關地下水資源的開發或監測的有效工具。

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站強化以河川伏流水作為台灣乾旱危機的調適策略選項

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