氣候變遷下台灣水利資源之調適與減緩

文／丁澈士

　　荷蘭台夫特科技大學國際水利暨環境工程學院‧水利工程碩士

　　荷蘭阿斯姆特丹自由大學水文地質碩士博士

　　國立屏東科技大學土木工程系教授兼工學院院長

　　國立屏東科技大學水資源教育及研究中心主任

一、前言

　　台灣是一多山、地勢陡峻、地質脆弱、河川短促、颱風豪雨與地震頻繁的島嶼「宿命」。由於先天氣象、水文、地文等特性及人為活動，造成了震災、土石流災害、水災、風災等災害。因各標的用水，包括：農業用水（灌溉、養殖、畜牧等）、民生用水、工業用水等大量依賴地下水源；又在地下水補注量減少之情況下，造成地下水位下降，尤其西南沿海地區，加上地質條件，造成了地層下陷、海水入侵含水層及土壤鹽化等環境地質災害，各標的用水爭相撇清責任，再再考驗主管單位地下水井管理成效。然而，如何度過在極端氣候變遷下，古訓治水需考量原則：「河有其性、有其形、亦有其道」，放諸於台灣水利工程以往著重防洪工作，盡快能將洪水排出；而現在新思維是如何把水留下，即「洪水資源化」。在水利工程和水資源經營管理之間取得平衡點，在台灣水利資源之宿命及危機下，有何因應之道，考驗著專家學者及決策者的高度智慧。本文提出二篇論述，因應氣候變遷下台灣水利水資源之調適及減緩的對策：一為「地下水－不濁的救命水」，針對地面及地下水資源，如何調適豐枯期之開發及利用之困窘；二為「大潮州地下水人工補注湖計畫：後水壩時代的水資源經營」，如何利用洪水，蓄水地下，增源減洪，達成減緩洪水災害，增加地下水資源。

二、地下水－不濁的救命水

　　地下水的變化是一個很複雜的機制。地下水是水文循環（Hydrological Cycle）的一環，其天然運動狀態，除了以泉水湧出地面或補注於地面下外，並不很容易由觀察所視覺。由於人類活動行為以及氣候因素的變化，地下水的流動、儲存與調節一直在改變著，如何對地下水資源更睿智的開發，則必需對其變化機制有更全面的瞭解。許多不瞭解地下水天然動態特性的人會將其視為靜態蓄水水庫，然而地下水流系統是一個動態的問題、地下水的補注（天然及/或人工）與地面水的相互作用是多種多樣的，而且是在許多不同空間、時間上持續進行著。地下水系統包括地下水、含水層地質介質、水流邊界以及補注和流出（如泉水、抽水井等），水透過該系統流動，並蓄存在該系統中。在自然條件下，水從補注區源頭到流出區的流動時間範圍可從不到一天到100多萬年不等，其流經地下水系統的時間取決於水頭的時空梯度、滲透係數和系統的孔隙率。若於水補充流入於充滿飽和含水層後就開始產生所謂連通管之「推壓流」原理，可迅速向水頭低的地方流動。因此，在屏東平原之補注區下雨4至5小時之後，距離三四十公里外之海邊附近區域受壓含水層地下水位即開始上升或可能湧出，就是連通管之「推壓流」原理展現之結果，地下水補注是快速的（丁澈士、杜永昌，2010）。

　　從地下水系統抽取的水最初來自於儲水區。隨著時間的流逝，水頭會在距抽水點更遠處逐漸下降，抽水造成的影響會經由地下水系統傳播，最終抽水造成的影響會到達某一邊界（如河流）。一般假設，如果對地下水的抽取速率不超過自然補注率，則這種抽水速率是「安全的」或「永續的」，然而這種假設是錯誤的，因為它忽視了地下水系統流出量和補注量的這些動態變化；地下水系統的價值在於它不僅能終年供水，而且在於它還是一種循環補注和抽取的動態水庫，用以調節地面水供給所固有的變化性。其使用與管理方法諸如經由直接向井中注水、地面引滲或來自河流的誘導補注，使用過剩的地面水進行人工補注等（丁澈士、黃信恩，2003）。

　　地下水開發與利用是要有「新與心」觀念。水資源的永續供應對於人類社會的永續發展而言是不可缺少的。科學上評估水資源的永續性應該採納什麼標準呢？根據「國際地質科學聯合會（International Union of Geological Sciences, IUGS）」前主席張宏仁教授的說法，資源有兩個重要概念：儲量和流量。他認為，儲量這一概念適用於不可再生（unrenewable）資源（例如礦產、原生水（connate water；或稱為化石水係儲存、封閉於深層含水層中的好幾萬年前的地下水），其計量單位為體積或重量，其相對應的利用方式通常叫做「開採」（exploitation），資源則相對應地用於可再生資源（renewable），其計量單位為流量，其利用方式可稱為「開發」（development）；因為只有再生速度大於或等於消耗速度，可再生資源才能夠被保證永續發展的需求。而不可再生資源儲存量，如果可以確保提供很長時期需求且未來有可能找到替代資源，也可以當作可再生資源適用。

　　因此，地下水保育管理與永續發展是要有效策略。如同聯合國環境與發展委員會（Brundtland, 1987）之「我們共同的未來」所定義的，所謂「永續發展」係指「既滿足當代人的需求，又不對後代人滿足其需求的能力構成危害的發展」。國際上在永續水資源利用的7項要求為（聯合國教科文組織，2009）：

1. 應確保所有人都能維持其健康的基本水需求。
2. 應確保恢復和維護生態系統健康的基本水需求。
3. 應確保水質符合一定的最低標準，這些標準應視地點與如何用水而有所變化。
4. 人類行為不應損害淡水資源儲量與流量的可再生性。
5. 應收集有關水資源可開發量、利用與水質的資訊，供各方面使用。
6. 應成立相關機構，防止發生和解決水的衝突。
7. 水資源規劃與做出決策必須是民主與透明的，確保能代表所有利害關係人（stakeholders）的意願，並鼓勵其直接參與決策。

　　在瞭解上述水資源的永續性以及地下水機制與開發觀念後，我們應該如何保育地下水與防治地層下陷？台灣年平均降雨量約為2500毫米，其實水源並不缺，問題在於開發、利用及管理地下水的空間與時間出了問題，因而造成了環境大地的沉重負荷。不是常說地下水是「救命水」，為何遲遲未能啟動？究其原因仍是跳脫不出使用地下水會引起地下水位下降而導致地層下陷、海水入侵、土壤鹽化的「民粹式」觀念，更根本的原因是長期以來對地下水欠缺研究與瞭解，對地下水資源的開發及利用沒信心。其實，抽用地下水而引起環境地質災害問題，是在於沒有確實於前述對水文地質與地下水的動態行為的清楚掌握，因此解決之道在於地下水的管理上；此外，地下水是地面水的延伸，系出同源，任何形式之開發地面水或地下水，都會互相影響。大家誤以為使用地下水就不對，少碰地下水為妙的決策下，傳統上儲水於地面水庫是一種方式，而一昧的蓋水庫、建大壩，但地面水容易遇旱缺水、遇洪污濁，結果就變成老天爺給你很多財富，卻不會用。

　　水資源的調配有其倫理與正義，最恰當的使用方式是：每年5月到10月的豐水時期，在地下水位觀測站網監控之下有效的利用品質較好且無濁度的地下水或伏流水，一來可騰空地下含水層之空間，迎接下一次降雨，二來引用上游高流量河川之洪水補充地下水，下游低地洪水淹水機會就會降低，否則地下水還是會流出河川或海域，總是浪費；另一頭則讓所謂的地面水庫的水去儲存、沉澱、休養生息，等濁水度低時或枯水期時再來調節啟動，如此一來豐枯水期皆可依靠地面水庫及地下水庫來作所謂的聯合運用，達成「利用洪水，蓄水地下，增源減洪」，即所謂「洪水資源化」新思維；台灣的18大缺水國的「枯島」洗刷惡名，才能變成實至名歸水資源豐沛的「寶島」。

三、大潮州地下水人工補注湖計畫：後水壩時代的水資源經營

　　黃河水利委員會委員長李儀祉先生（1882-1938年），年在27歲時（1909年）到德國研讀水利工程，回國後即主張溝洫洪水（即所謂蓄水地下）。

利用洪水蓄水地下，洪水之由於雨，或由於山上積雪之溶，要皆能將地面上─山上或田塍─所有對於生長植物沃美之料滌盪而去，以之入於河而納於海，噫！是誠天下之至可惜者也。

洪水之時或即多雨之期，故水在此時不為人恩，而或反為人害。然天時稍旱，雖欲得此水不可有，於是河枯井竭，苗槁舟擱，國家經濟及人民生計大受損害矣，西北黃河流域，尤感其困。洪水在綏諸省，亦有為農民引起灌溉者，然面積極小，以百分計殊等於零。余於二十年前即主張以溝洫蓄洪水，惜此事今尚未能引起國人注意。最近數年則歐人亦頗注意於此問題，尤以在德國為盛，所謂蓄水於地下。

地下本為蓄水之大庫…地下蓄水之量，既亦受天時之變異，有豐有枯，救濟其失，在如何以人力增裕地下水藏之量，溝洫之制，其一端也。

吾民宜於洪水至時，未入於海之先，竭其智能以利用之，導引以灌溉西北黃土及砂土地面，用之最大也。不能立時利用者，則導而蓄之容儲地下，其在地下並非損失，而仍能繼續全部爲吾民所用：一、地下水面高，則禾苗可以得其滋潤，其益較之地面上灌溉尤大；二、地下水可以鑿井汲引以為灌溉及飲水等用；三、地下水滲出地面，泌而為泉，仍為人用；四、地下水之流入溪流者亦增加河水流量、利航、利工、利農，其利仍在。

增裕地下水藏之法，有：一、在泉源之處掘深槽及滲漏地層已收泉水入地，使不至隨河水流去。二、在山坡容易透水之處掘深槽。三、地面上有苔蘚，母壤及他種不透水之覆掩足以阻水之滲入地下者，除去其層。四、增加及擴大已有之滲水區域。五、堰堵溪流，開鑿槽向水溝以引洪水至可以容水之處。西北之黃壤，層積至厚，容水量至大，西人有以海綿比之者，固天然滲蓄水之一物也。應極人之所能以之蓄水。

（李儀祉撰，中國水利工程學會選輯，1956，頁124-125）

　　地下水人工補注定義：在有規劃之條件下將地面水導入在地表之入滲補注設施，藉由天然重力或加壓，進入地下含水層（即地下水庫），在天然補注時不足，足夠提供超過平常之安全出水量。地下水人工補注必要條件：1、合適的水文地質：考量含水層組成結構、沈積環境、地層水文地質特性、大氣降水、地面水與地下水三者之關聯性。地下水人工補注含水層的厚度，一般以30至60公尺為較佳，含水層產狀最好平緩且分佈廣泛，且以透水性中等之各類砂質地層或具裂隙岩層高透水性岩層最好；2、補注地區充裕之補注水源：在多數情況下可利用天然狀態或經過人工調節處理過的地面水以獲得補注地區較佳之補注水源，也可以利用匯集的雨水或臨時性的地面水或經過處理之回收水（符合補注水質標準）以獲得補注水源（丁澈士，2002）。

　　大潮州地下水補注湖計畫，緣起於林邊溪下游地區地下水超抽及上游土地利用開發，導致地下水補注不足，造成地層下陷及海水入侵地下水含水層；下陷區雨季排水不良，海水倒灌，影響生活品質及生命財產安全，耗費大量資源投注於各種排水防洪設施；地下水質由於補注量不足及其他因素，淺層地下水水質有惡化傾向。緣此，屏東縣政府於1999年間在經濟部水利署前身之經濟部水資源局補助經費支援下，委託國立屏東科技大學執行「推動屏東縣地層下陷防治工作計畫」及「屏東平原設置人工湖可行性評估計畫」。在委託計畫結論建議行動方案中，以人工湖規劃設置列為第一優先，建議利用林邊溪上游之台糖公司現有農場設置300公頃人工湖區補注地下水。依據該行動方案建議，屏東縣政府再於2003年5月委託中鼎工程股份有限公司規劃「林邊溪上游人工湖設置工程計畫」，業已完成相關可行性規劃及環評作業，藉此地下水補注工程計畫達到國土復育、分洪、疏洪及滯洪之功能。並經科技部專題計畫補助國立屏東科技大學執行近十年試驗，並取得諸多具體成果，作為推動本計畫之基礎。

　　行政院於2005年1月通過「國土復育策略方案暨行動計畫」及5月通過「國土復育條例（草案）」。2008年5月行政院核定同意屏東縣政府為開發執行單位，在「國土復育策略方案暨行動計畫」上位計畫之指導原則之下，以目前所知全台灣最佳地下水補注區域之一，積極推動規劃建置地下水人工補注湖，並結合地層下陷地區復育計畫，以尊重及順應自然之生態新思維，推動此一以攔截暴雨期之洪水，經沉澱後以人工湖補注地下水之國土復育與保育計畫，以減緩地層下陷速率與水患頻率，並有效增加地面水之蓄存率，利用自然的涵容力量轉而成為地下水庫進行復育與有計畫開發水資源。本計畫原規劃為一次完成，為顧及台灣未曾有過地下水人工補注工程之經驗和成效與安全等因素考量，乃分二期實施。第1期計畫先開發50公頃並作為先驅試驗計畫，進行補注效益評估後，俾作為第2期250公頃之依據。原核定總經費新台幣為18.93億元。2009年莫拉克颱風後修正為14.13億元。計畫效益分別為：1、地下水補注及水資源涵養效益（預估年補注1.5億立方公尺，補注10年後，可提供6,000萬立方公尺的水源。）；2、地層下陷防治效益（預估補注10年後地下水位提升5公尺）；3、林邊溪分洪、滯洪減災效益（分洪116CMS，350萬立方公尺）；4、改善沿海地區地下水鹽化現象；5、景觀美質與週邊土地價值提升。

四、結論

　　台灣既有的水利水資源治理模式，面臨了兩大挑戰。第一是因應極端氣候變遷下的暴雨及乾旱成災，造成水濁度高無水可用及沿海地層下陷區或低窪區淹水，乾旱時期地面水及地下水資源皆無水可供各標的用水用等困窘；第二是去彌補過去台灣天然環境的宿命及人為開發帶來的破壞，尤其是西南沿海之沖洪積平原的都會區之建設及山坡地之開發。以往水利設施的興建（地面蓄水如水庫或引水設施如攔河堰和淨水場），常常忽略了要充分運用自然環境中的潛在優勢，如地下水含水層（地下蓄水大庫）特性，將「洪水資源化」，利用洪水、蓄水地下、增源減洪，如屏東縣政府正執行的「大潮州地下水人工補注湖計畫」；另結合環境特性的生態水利工法，減少對環境的負面衝擊，在有效應用「河川滲濾」取用伏流水及積極管理地下水源之開發方式，如眾所週知的二峰圳伏流水取水工程及高屏溪輻射井取用伏流水工程。如此，才能接受兩大挑戰，調適水資源供需無虞、減緩洪水災害；這不只是工程技術的改變，這更是觀念的改變，台灣水的「枯島」才能變成為水的「寶島」。水是我們長期的朋友，是要用心相處與經營。

參考資料

文章、書籍：

1. 中華叢書委員會，1956，李儀祉全集。
2. 丁澈士，2002，從旱象談地下水資源永續經營-地下水人工補注，水資源管理，pp.34-44。
3. 中鼎工程股份有限公司，2003，屏東縣水資源開發與保育整體規劃及林邊溪上游人工湖設置工程計畫，屏東縣政府。
4. 丁澈士、黃信恩，2003，屏東平原地下水人工補注水資源優化管理之研究–以林邊溪流域為例，臺灣水利，Vol., 51, No.2, pp.54-61。
5. 丁澈士、杜永昌，2010，治水新思維－地下水人工補注，地質，第29卷，第2期，p.44-45。
6. Brundtland, Gro Harlem (1987). Our Common Future. The World Commission on Environment and Development.

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