氣候變遷能源轉型 (2)
【學術交流】德國尤里希研究中心社會科學家Prof. Dr. Hans Peter Peters來訪中心
Peters教授是德國尤里希研究中心社會科學家、柏林自由大學科學新聞學客座教授。Peters教授長期研究在媒體傳播下,科學環境與公眾輿論如何形成,並關注新聞工作者和科學家之間的互動以及科學知識對公眾的影響。是德國著名的科學傳播專家!
感恩~讚嘆~全台最好能源轉型模範在偏鄉!小兵立大功秘訣大公開!
空污來襲?秋冬季非都會區最常見的燒稻草?工廠排廢煙囪臭氣沖天?這些大家眼中「高大上」的議題,可非做得起綠建築、擁有專業know how的政府機關才獨有! 財政相對匱乏的鄉村地區政府如何「小兵立大功」?秘訣竟如此簡單! 會客室專訪各種節能減碳評比中、在東部地區名列前茅的宜蘭縣政府。歡迎收聽!
【活動報名】環境x能源x社會=轉動台灣 系列講座
現今風險社會中,社會、經濟、環境的連動性不容我們忽視。台大風險中心致力於社會風險,包括氣候變遷及能源轉型等相關研究,在相關領域政策學術圈已有不少成果展現。本次,綜合年度出版書籍,設計一系列書籍座談會,期盼除了學術研究、政策建議之外有更多與民眾接觸的機會。
WBGU《變遷中的世界:一份永續社會契約》摘要中譯版
面對氣候變遷、核能安全與空氣污染等三重風險,臺灣正積極推動能源轉型。然能源轉型並非綠能科技的導入,而應是全面性的思考如何在國家、經濟、社會及自然環境之間訂定新的「社會契約」。因此風險社會與政策研究中心譯介全球知名永續發展諮詢機構-德國全球變遷諮詢委員會(WBGU)於2011年發表的《變遷中的世界:一份永續社會契約》,該報告作為2012年的Rio+20永續高峰會決策參考,亦提供我們一個面對轉型的系統觀。
【學術交流】德國波茨坦IASS研究中心科技部主任Ortwin Renn來訪中心
德國波茨坦IASS(Institute For Advanced Sustainability Studies)研究中心科技部主任Ortwin Renn來臺參與第一屆IASS「知識、學習與社會改變」案例研究座談會。期間也拜訪臺灣大學風險社會與政策研究中心,由中心周桂田主任以及張國暉執行長進行接待...
【學術交流】德國聯邦議員 Ms. Bärbel Höhn 霍恩女士來訪中心
德國長期投注於能源轉型與非核政策擬定與執行的聯邦資深議員霍恩(Bärbel Höhn)女士受媽媽監督核電廠聯盟與宜蘭人文基金會之共同邀請訪臺,期間於6月29日至臺大風險社會與政策研究中心(以下簡稱本中心)進行學術交流;並於30日至臺大舉辦「他山之石 - 德國經驗的能源轉型與核廢處理」論壇,吸引爆滿民眾與會共思臺灣未來能源轉型的願景...

氣候變遷下的都市水災防治策略(上)

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文/李天浩 台大土木系副教授

 

  全球暖化、氣溫海溫和海面都升高,臺灣不論是平原都會區的短延時降雨強度、颱風降雨佔全年雨量百分比,都有升高趨勢(許晃雄等人,2011;陳永明,2010)。劉紹臣等人(Liu et al., 2009)利用全球降水氣候計畫2.5經緯度網格的衛星估計降雨,將降水分為十個強度類別,研究發現氣溫每升高攝式一度,最強類別降水強度增加幅度約為95%。

  陳慶昌等人(Chen et al., 2007)分析台北盆地1961-2005年7月的降雨,歸納認為產生夏季午後雷雨的兩個主要因素:(a)由盆地熱舉升所驅動的海陸風循環,和(b)都市熱島效應和地形強化的熱舉升;研究發現日雨量有隨年代遞增的趨勢,且主要是午後對流雨的貢獻;成長最顯著區域,是盆地南邊接近地形的文山、新店、中和、土城、三峽等區域;2015年6月14日下午在台北市公館、景美地區午後的雷暴雨,造成基隆路台大路段和興隆路三段嚴重淹水,便是以上兩項因素組合的案例。劉紹臣等人和陳慶昌等人的論文,都是以觀測分析,來佐證降雨變遷和大氣升溫的物理關聯的研究,既能解釋現象,亦可用於推論未來氣候降雨變遷的可能趨勢。

  都市下水道容量設計,是根據過去的降雨紀錄,在降雨強度-重現期樣本具有統計定常性假設下所推算的結果。幾十年前設計建造的都市排水系統,因為極端降雨變強、總量變大,淹水的發生機率隨時間升高。在已經建成的密集都會區,全面改建擴充排水基礎設施的直觀策略,既擾民又傷財,實務上的可行性不高,需要其他多元策略,視現地狀況和紓解需求,相互搭配應用。氣候降雨變遷下,研擬臺灣都市水災防治多元策略時,必須理解臺灣和歐美、日本等參考國家的差異,才能制訂出合用的本土策略。

一、都市淹水型態和臺灣特性

  都市淹水來源,以堤防作為區隔,分為「內水積淹」和「外水氾濫」兩種類型。內水是指降在都會堤內範圍的雨水,導致「內水積淹」的主要原因有:1.流量超過排水系統設計保護標準,包括:局部管段下水道滿管、冒水溢淹路面,但下游管段路面並未淹水的「局部淹水」;和抽水站容量不足,從堤防邊往上游的「迴水淹水」等,兩者合稱為「排水能力不足」。2.管線淤塞、設施操作錯誤或遭損故障。3.地盤下陷降低系統排水能力等。
  「外水」是指來自堤防外的水,例如台北盆地從上游山區流下的河川洪水,或高雄、台南臨港或海岸地區的海水。外水氾濫的水量通常遠大於內水積淹,防治策略也不會一樣,本文只專注於探討都市內水積淹的防治策略。

  臺灣都市有兩項特殊條件,第一是臺灣的短延時暴雨到三天的長延時颱風降雨,都很接近或本身就是世界最大紀錄。維基百科的“List of wettest tropical cyclones by country”條目,顯示2009年的莫拉克颱風降雨量,便是熱帶氣旋降雨量的世界最高紀錄。其次,排除面積2,000平方公里以下的城市國家和小島國家後,臺灣每平方公里648人的人口,僅次於孟加拉的1,101人,密度為世界第二高。若去除不適居住的三分之二山區面積,人口密度將近2000人。臺灣適合居住的平原區,農作區又佔了較大比例,人口集中在幾個主要都會,使得這些都市的土地非常稀少昂貴。

都市淹水災害防治策略
  全球暖化、極端降雨趨強,排水基礎建設容量不足,都市淹水災害頻繁發生,中緯度國家提出「雨水管控」和「淹水管控」的觀念;前者是從源頭管控進入下水道的水量,按照手段和目標的差異,可概略分為:(1)減少降雨逕流體積策略,和(2)削減降雨逕流峰值策略。即使時施了(1)、(2)兩個「雨水管控」策略,極端降雨事件的流量,仍有機會超過都市雨水下水道的設計標準;當這類事件發生時,雨水便會冒出路面、造成淹水。「淹水管控」是從過去將超過設計容量的淹水視為天然災害和正常損失,未來將再進一步管控淹出地面的雨水,和規劃淹水時的應變措施,以減輕淹水損失,策略有:(3)導排超量雨水策略,以及(4)降低淹水衝擊和損失策略等。以下概述四個策略的主要理念。

(1) 減少降雨逕流體積策略

  這類策略的代表,是低衝擊開發工法(low impact development, LID),做法包括提高綠屋頂、雨花園、草溝、和地面貯集、透水鋪面等的可透水面積比率;或收集雨水暫存於陰井、滲透排水管、地下礫石貯集滲漏設施等,持續滲漏,以提高補注地下水佔降雨量的比率。這類策略工法的特徵,是數量多、單一體積不大、分散於空間各處,並且從開始出現降雨逕流就收納,容積滿載後的雨水,才流向下水道。例如美國紐約市環保部門2010年制定的Green Infrastructure Plan,其目標便是:The City’s goal is to capture the first inch of rainfall on 10% of the impervious areas in combined sewer watersheds through detention or infiltration techniques over 20 years。柳中明、陳瑞文等人在2012年創造「海綿城市」名詞,「海綿城市」與LID工法的概念類似,只是「海綿城市」特別強調要將所有的人工不透水鋪面,全面改變為透水透氣的JW工法鋪面。

(2) 削減降雨逕流峰值策略

  此策略的工程方案為滯洪設施,和LID的地下滲漏設施相比,體積通常較大,同時透過水工設計,只收納某門檻值以上的逕流量峰值,目標是達到抑制雨水流出峰值。這類設施通常是由地方政府利用公有土地建設,例如高雄本和里生態滯洪池臺中秋紅谷景觀生態公園臺北大溝溪生態治水園區等。此外,內政部《建築技術規則建築設計施工篇》要求面積300平方公尺以上建築基地開發,需設置45mm乘以基地面積的貯集滯洪設施體積;《臺北市基地開發排入雨水下水道逕流量標準》除了採用更高標準的每平方公尺78mm貯集滯洪設施體積外,還規定每平方公尺基地面積的最大允許排放量為0.0000173cms,換算為雨強約62.28mm/hr;允許排放量62.28mm/(hr‧m2)的目標是抑制雨水流出峰值,45mm或78mm乘以基地面積是規範貯集滯洪設施體積;這類規範是要求民間建築物義務分擔部分雨水,和美國紐約市的Green Infrastructure Plan一樣,都是要「管控」氣候降雨變遷的增量雨水。因為裝滿的貯集滯洪設施,便不具備抑制逕流量峰值的功能;因此,臺北市抑制逕流量峰值的設計要求,意味直接排放抑制降雨逕流量門檻值以下的基地流量,以保持建築基地的貯集滯洪設施空庫,才能達成收納超過抑制門檻值以上的尖峰流量的目的。「減少降雨逕流體積策略」和「削減降雨逕流峰值策略」收納體積差異示意如圖1

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(3) 導排超量雨水策略

  外水防洪面對超過設計標準的洪水量,已經有很多導排超量洪水的案例,例如基隆河員山仔分洪、淡水河二重疏洪道,和東京的首都圈外郭放水路等,但是利用都市道路導排超量雨水的概念仍然很新。美國部分州的社區道路設計,具備暫存(為主)和導排(為輔)淹水的功能,例如下水道設計標準約為5-10年重現期降雨逕流量,道路道路緣石高度以下的道路體積,可暫存和導排25年重現期,家屋入口高度暫存和導排50-100年重現期降雨逕流量。市區道路寬度通常遠大於雨水下水道的寬度或直徑,若在銑刨舖築道路時,妥善設計橫斷面形狀、管控縱向坡度,些許淹水深度便足可將超過下水道容量的淹水排往下游或鄰近排水系統,達到淹水深度、淹水時間最小化的目標;唯目前臺灣都會區道路,尚未有導排超量雨水的理念和設計

(4) 減少淹水損失策略

  即使實施了上述三個策略,極端降雨事件的流量和淹水深度,仍有機會進入建築物和地下空間,造成生活衝擊和財務損失。減少淹水損失策略,包括更新建築物時,提高一樓底板高程;強化現有和新建建築物防範淹水的能力,例如在建築物、地下空間出入口增設擋水閘板;以及在建築物的排水管線中,增設自動逆止和手動密閉閘閥,避免道路淹水時,透過排水管線倒灌進入建築物。

各類都市淹水災害防治策略的實施條件

  歐美、日本的氣候降雨變遷,對都市排水系統的挑戰尚未如臺灣明顯[1],都市「管控雨水、淹水」的觀念也很新穎,在地方自治體制下的都會政府,各自參考和引進中緯度溫帶國家的策略工法時,可能對氣候降雨和實施條件差異的認知不夠,乃致臺灣都市的淹水災害防治策略分歧。基於認知決定觀念、觀念決定策略、策略決定工法,本文擬透過臺灣和美國氣候降雨、人口密度差異,對於各項策略實施可行性的影響,作概略說明。

  美國應用減少降雨逕流體積策略,實施低衝擊開發工法緩解都市淹水策略的兩個必要條件,一是地廣人稀(每平方公里人口33人);另一是極端降雨不強。

2009年到2011年美國國家統計局的住宅型式調查,在1億3180萬個家庭住宅之中,獨立家屋(single house home)和移動式住宅(mobile home)分別佔61.5%和6.5%,聯排別墅(townhouse)5.8%,2~4戶、5-19戶和20戶或以上的公寓分別為8.3%,9.3%和8.5%。全美366個都會區中的349個,家庭住宅型式主要都是獨立家屋;全美獨立家屋百分比最低的是紐約市、北紐澤西州、長島和NY-NJ-PA都會統計區,但仍然還是有36.3%。詳細羅列這些數據,是說明美國都會區和臺灣都會居住型態和密度的巨大差別。美國的獨立家屋和其他類型住宅,通常都有透水綠地,很容易增建收集雨水、可滲漏的陰井,或配合實施其他低衝擊開發工法;且要找社區公園綠地建貯集滯洪池也不難,預算也不高。

  美國屬於溫帶海洋性氣候(大部分的西北歐國家亦是),年降雨量除了臨墨西哥灣、大西洋各州約1200mm至1500mm外,其餘多在1000mm上下;內陸部分地區雨量較少,例如丹佛市的年雨量僅396mm溫帶海洋性氣候的特色是全年溫度差異不大,穩定西風吹拂下,全年降雨分布均勻,降雨強度低,個別事件降雨量不大;例如紐約市全年各月的氣候平均降雨量都約在3到4英吋之間西雅圖的年雨量分布也很均勻。因為氣候降雨條件如此,美國環保署2009年的Green Roofs for Stormwater Runoff Control報告便指出:Results indicate that the green roofs are capable of removing 50% of the annual rainfall volume from a roof through retention and evapotranspiration.

  容易導致臺灣都會區淹水的降雨事件類型,包括颱風降雨、梅雨系統中的中尺度對流系統(mesoscale convective systems, MCS)和夏季午後雷陣雨,前二類型在尖端降雨前,土壤可能已經飽和、入滲趨緩、雨水貯留設施容量已經裝滿。導致臺灣都市淹水的夏季午後暴雨,例如2015年6月14日下午臺北市公館基隆路、文山區興隆路三段淹水,1小時降雨量達105mm(大於4英吋),約為紐約市的氣候月雨量;這種降雨強度,山林都無法有效吸收,逕流讓辛亥隧道變成水濂洞,使公館寶藏巖變成瀑布階梯若在臺灣實施相同的綠屋頂,不容易達到美國移除50%雨水的高標準。低衝擊開發工法、綠屋頂等,有助於減輕都市熱島效應;若美觀和減輕都市熱島效應是主要目的,值得鼓勵;但若設計應用目的是緩解臺灣都市淹水,則會因為減峰功能有限,並不是有效策略。這些數據說明美國降雨溫和,臺灣降雨集中(尤其是臺灣中南部)的特性差異。

  楊偉甫(2015)說明民國92到101年,臺灣年平均降雨量約980億噸,其中60%逕流入海,20%蒸發散,臺灣本島年用水量約180億噸,而含攔河堰所有96 座大小水庫容量的總和只有20.1億噸。這些數據說明臺灣雨急量大、洪水數小時便已從山區流入海中、無法蓄留利用的特性。

  為降低台北市文山區興隆路二、三段,在興德路到福興路間淹水發生機率,台北市政府一度規劃興建(現已變更方案),在辛亥路與萬美街口的興隆10號貯留池,設計容量13,500立方公尺,控制福州山南麓63.5公頃面積,將貯留池設計體積除以其控制面積,換算約為平均21mm的雨水,不到1英吋的降雨量;興隆10貯留池控制面積,佔興隆路-福興路口易淹水路段上游總面積292公頃的21.7%。但是這座地點選擇受限的貯留池,若要興建卻要花納稅人15.7億元,其中土地取得需13億元,每立方公尺的儲水成本約11.6萬元。除了造價昂貴,控制面積比率小、容量不大、地點又非最佳的貯留池,對淹水區的逕流減峰、調節減淹效益有限。興隆10號貯留池凸顯了在臺灣都市興建滯洪池土地取得困難、成本昂貴,降雨特大、高成本投資,設施卻效益卻很有限的困境。

美國等中緯度溫帶國家防治都市淹水災害,選用減少降雨逕流體積策略的必要條件是雨量相對小、滯洪體積相對大;應用低衝擊開發策略,增加雨水入滲補注,除了可以減少逕流量,降低排水系統負擔的效益外,增加補注的地下水,也有提高水資源供應的效益。但是臺灣極端降雨強度之高世界少有,人口特別密集,都市土地昂貴,水資源主要取自山麓河川逕流,各大都會區並不利用都市下方的地下水作為水資源。採用「減少降雨逕流體積」策略,因為需要的蓄水體積太大,使得財務上不可行,或是實施的效益太小,未必值得投資。「削減降雨逕流峰值」的滯洪體積昂貴,也必須要仔細設計、謹慎運用,才能發揮預期效益。

 

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[1]因為下水道設計是每若干年才會發生一次,淹水出現次數不多,只由十年、二十年內的少數事件,不容易判斷發生機率增加的顯著性;臺灣因為夏天屬於熱帶,與溫帶的氣候變遷有所差異,以及特高的颱風侵襲機率,降雨變遷訊號相對明顯。

 

參考文獻

  1. Chen, Tsing-Chang, Shih-Yu Wang & Ming-Cheng Yen (2007) Enhancement of Afternoon Thunderstorm Activity by Urbanization in A Valley: Taipei, Journal of Applied Meteorology and Climatology, vol. 46, p1324~1340.
  2. Liu, Shaw Chen, Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, Futing Wu (2009) Geophysical Research Letters, Temperature dependence of global precipitation extremes, vol. 36, issue 17.
  3. 許晃雄、陳正達、盧孟明、陳永明、周佳、吳宜昭 (2011) 臺灣氣候變遷科學報告2011,行政院國家科學委員會。
  4. 陳永明 (2010) 從風災降雨量看極端氣候對臺灣災害之衝擊,臺大校友雙月刊。 http://www.alum.ntu.edu.tw/wordpress/?p=8852
  5. 楊偉甫 (2015) 面對旱象、找到契機,土木水利第四十二卷第二期,p4~8。

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