因應水患與城市調適

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文由 經濟部水利署 委託，泛科學企劃執行。

「30年後，我們將面對更嚴峻的缺水考驗。」水利署署長賴建信接受我們採訪時坦承地說。

近年，全臺西部地區都曾遇過「供五停二」的停水措施，，缺水問題更早已是全球問題。根據 2021 年發表在 Nature Communication 上的論文，2016 年全球有 9.33 億的城市人口面臨缺水問題，約為總人口的 12 %；依據過往趨勢推測，至 2050 年，全球將有 16.93-23.73 億的城市人口面臨缺水問題，相當於 2050 年總人口的 17%-24%。

為什麼全球缺水問題會如此嚴重呢？賴建信署長認為首要是「氣候變遷」改變了降雨強度與頻率，並舉生活中的經驗來說明氣候變遷：

「生活在臺灣地區的我們，會感覺到最近好像很久都不會下雨，然後不下雨的時候很熱，但一下雨，雨滴大到打在身上都會痛。」而近期紐約暴雨造成地鐵淹水癱瘓，也是氣候變遷造成的。

氣候變遷讓降雨更加極端

賴署長說：「可以說以後的降雨會非常集中在特定某幾天。就像剛剛講的，就是突然暴雨，然後接下來一個大乾旱。 」

無論是缺水還是淹水，氣候變遷造成的影響都不容忽視，賴署長表示，不只是降雨頻率會更低，降雨地區也會更加不平均，降雨的強度也會有所提升。

依照聯合國政府間氣候變化專門委員會最糟糕的預測（SSP5-8.5），到了這個世紀中，臺灣暴雨強度會比世紀初提升 20%，世紀末會提升 40%，即便是最優預測（SSP1-2.6），也會在世紀中提升 15.7%。

據上所述，氣候變遷讓全人類無法迴避「降雨不均造成的地區性缺水」，以及「降雨強度提升造成的地區性水災」這兩個問題。雖然個人、企業與政府都為了減緩氣候變遷有所作為，但賴署長也表示，我們該「從科學擁抱殘酷現實，對未來做最壞打算」。

簡單來說，若所有締約國都遵守聯合國氣候變遷大會（COP）的決議完成減碳工作，那氣候變遷也只是不再加劇，並不會立刻恢復到過去的型態，而只要有其中幾項沒有達成，那全世界就得面對更嚴峻的情況。

回到開頭賴署長所說的 30 年，我們還有時間做好基礎建設，降低氣候變遷對人民造成的影響。「從2016年開始，我們就思考這些問題，思考說臺灣未來面對的自然環境，我們應該如何因應、構築一個怎麼樣的未來。所以當時我們就開始思考包括區域調度、多元水源等相關計畫。」

賴署長提到的「區域調度」相關計畫，即是目前正在進行的「珍珠串計畫」。

地區性缺水解決方案—「珍珠串計畫」

「珍珠串計畫」預計把台灣西部像珍珠一樣珍貴的水源，用聯通管線串聯起來，讓珍貴的水資源可以妥為應用。

臺灣降雨時間和空間差異極大，桃園至屏東等西部地區，在 5 月至 10 月是豐水期，11 月到隔年 4 月是枯水期，然而北北基與宜蘭等東北地區，卻是完全相反，10 月至隔年 4 月有東北季風帶來的豐沛雨量，此時若能將東北地區的水調度至西部地區，將能緩解西部地區缺水。而未來面對更加極端的降雨情況，也能提供一定的支援。

珍珠串計畫的聯通管線預計將在 2028 年全數完成，而在 2021 年旱災中搶先開通的「桃園—新竹備援管線」，從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹，在旱災期間總計調度 2300 萬噸，約是 0.6 座寶山第二水庫的蓄水量，不僅讓新竹地區免於限水所苦，也讓新竹科學園區的科技業能維持生產。

不僅管線串聯，更要開創「多元水源」

有了聯通管串聯，就能解決缺水問題嗎？賴署長給出否定答案：「如果只有一種供水方式，突然有意外就完了。當然要有多股水源，多條管線。」

過往開發新水源，直覺想到的是蓋水庫，不過蓋水庫不僅要謹慎評估該地是否有充足水源，考慮安全性及經濟性是否合理，更要謹慎評估對環境生態的影響，通常一座水庫從規劃到興建完成，需耗時數十年的時間。

為了因應氣候變遷與逐步增加的用水量，水利署目前已朝「多元水源」的方式來尋找新水源，像是南化與寶山第二水庫藉由「溢流堰加高」擴增蓄水量，臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」，以及以及高屏溪的「伏流水」與新竹的「海淡水」，這些多元水源將與水庫水、川流水及地下水等傳統水源共同支撐起全臺用水。

此外，水利署也正想辦法讓洪水資源化，臺灣山高水急，大雨過後的洪水大部分都流向大海，只有少部分可被水庫收集，像是「河槽人工湖」就能增加收集水量，來供應日常使用，或補注超抽的地下水。

地區性強降雨解決方案—從「不淹水」轉變為「耐災韌性」

受氣候變遷影響，近年臺灣短延時強降雨頻率提高，低窪地區或排水系統也時常發生淹水，顯現目前臺灣防洪工程的不足。

過去臺灣由於預算有限，治水策略多以建護岸、堤防或下水道為主，然而這種作法有其極限，即便已完成防洪工程的區域，也未必能面對未來極端降雨的情況，為此，水利署改變過往治水策略，從「不淹水」轉變為「耐災韌性、與水共生」，而在多年來中央與地方政府的聯合推動下，各地開始邁向「逕流分攤」的方式來治理水患。

「逕流」是指下雨時地表土壤無法吸收的水份，在地表形成的水流。「逕流分攤」是在淹水較為嚴重的河段，於新建（或改建）公共設施時，以不妨礙設施功能，建設洪水期間可收集逕流的滯洪池。此外，為提升土地耐淹能力，「出流管制」政策也要求開發單位，必須提升建築物的透水、保水與滯洪能力。

以日本東京鶴見川為例，由於東京市的發展，導致土地保水、滲透能力降低，洪水尖峰流量增加，更容易發生淹水。為此日本將橫濱日產體育館建置成兼具滯洪功能的公共設施，來應對鶴見川的洪峰流量，館場下方的滯洪池高度高達五公尺，平日則作為停車場使用。

「我們希望所有的土地都能更有效地利用，例如我們學校的操場，如果下面是一個蓄水池，那大雨下來是不是就不容易淹水了？」賴署長表示，近期開工的鹿港洛津國小的地下停車場兼滯洪池工程，正是「逕流分攤」的案例。

風暴將至，我們能做好準備嗎？

賴署長略為嚴肅地說：「我不期待氣候型態會回到 30 年前。」並重提了在 IPCC 的最優預測（SSP1-2.6）下，臺灣仍必須在 2050 年面對暴雨強度提高 15.7% 的情況。

無論我們怎麼做，風暴已確定到來，那麼我們能事先做好準備嗎？賴署長說：「我認為我們能做到的，是使用適當的方法趨吉避凶。」隨著科學進步，模擬變得越來越精準，但終究還是預測，存在不確定性，雖然 2050 年最優預測是暴雨強度提高 15.7%，但上限呢？真的就只有前面提到的 20% 嗎？賴署長提醒我們要面對氣候變遷的現實，並在面臨風暴來臨之前做好準備，這個準備不只要能面對預估強度，更要有足夠的韌性，來面對超越預期的情況。

最後，賴署長說：「每個巨大的改變，一定是從一個微小的生活習慣，比如說開始固定運動，或是固定減少能源浪費。」也許現在看來微不足道的小動作，都將是未來的「重要一步」，就像蝴蝶效應一樣。

相信科學數據，擁抱不確定性，積極做出因應，這不僅是賴署長個人的想法，也是水利署全體的信念，唯有如此，才能在超乎預期的「風暴」來臨之前，做出最好的選擇。

參考文獻

• 全球水資源：三分之一人類「高度缺水」 – BBC News 中文
• Future global urban water scarcity and potential solutions | Nature Communications

近台灣掀起一股露營的風潮，正逢暑假期間，野外溯溪、戲水活動盛行，然而消暑玩樂之餘別忘了，水域安全的觀念尤為重要。

根據內政部統計近年的各級水域救援數據，平均每年約有 700 多人溺水，死亡人數超過一半，其中又以發生地點為溪河的事故案件最多，而且這個數字正在逐年增加……。

全球溺水死亡的人數，比你想像中更多

2021 年 9 月，一篇發表於專業醫學期刊《刺胳針全球衛生》（The Lancet Public Health）的研究顯示，比起其他重大公共衛生問題，溺水在全球各地造成的死亡人數更多，然而這點卻很常被忽視。

研究中提到，在高收入國家中，溺水為 1～24 歲兒童和青年人的第六大死因；在澳洲、法國、紐西蘭、瑞士和美國，則是 1～4 歲兒童的第二大死因。而在中低收入國家，溺水的死亡率是高收入國家的三倍以上。

在溺水死亡率居高不下的背後，可能包括監督過失與兒童缺乏游泳技能的問題。

除了休閒活動之外，無法預測的天災──洪水，也是造成溺水死亡率偏高的原因之一。由於氣候變遷，遭受洪水災害的人數，以及相關的災害嚴重程度都在增加，預估未來還會持續上升。

值得注意的是，氣候變遷也導致海洋變暖，進而影響世界上從事漁業或水產養殖的 6000 萬人，也迫使小規模的家計型漁業（artisanal fishery）需要到更遠的地方捕魚。這意味著船隻需要停泊在不熟悉，甚是不適合的水域中進行長時間的捕魚作業，導致漁民落船溺水的風險也跟著提高。

容易被忽視的危險水域

• 溪流

台灣溪流多數蜿蜒湍急，河道可能會有高低差或縮減等情形，從事溪流的水上活動時，應謹慎評估該溪谷地形的風險。另外，一條溪流的流速並非均一致，而是呈現分層；水面及靠河床處往往流速較慢，水面下則較快，這點亦被輕忽，還需多加留意。

例如台灣溪域中蠻常出現的「翻滾流」（backwash），溪流經過瞬間落差的地形（如：瀑布、攔沙壩、水壩等）時，在重力作用下，下沖的水流會將落水處侵蝕凹陷，由於撞擊河床後的水流方向改變，以逆流的方式流向上游，而上方的空氣也會被水流捲入，當水流的浮力大於流動的慣性時，上下水流就會來回捲動，就形成一個不停翻滾的迴圈；人會因此卡住，甚至被吸附翻滾而無法脫離，造成嚴重傷亡。

除翻滾流外，水面下還可能暗藏「渦流」（又稱漩渦）。

渦流由反水流形成，是一種漩渦型水平滾動的水漩；水流經石頭孔隙時會相互推擠，進而形成圓錐狀渦旋（Vortex），渦流會捲入從旁流經的物或人，將其捲沉至水底或石縫間，無法脫離。

除水流外，另一潛在殺手則是石頭。除了長期受水流影響外，其上附著的蘚苔、藻類等也使得石頭表面變得光滑，踩踏行走時若稍有不慎，則可能跌入水深處，情急下便提高了溺水風險。

• 海邊

於海邊戲水時，「離岸流」（Rip current）容易被忽視但卻隱藏著巨大危機……。

離岸流又稱「裂流」，為一種從海岸帶到海中、向外海方向快速移動的海流，流向幾乎與岸線垂直。離岸流和巨浪並不相同，通常是毫無防備的情況下突然出現，而且在任何天氣條件下都可能發生，持續時間從幾分鐘到幾星期不等，可能突然出現、突然消失。若發現該水域兩側均為海浪，但中間出現相對平靜無浪的區域時，應有所察覺此處有離岸流，盡量遠離。

強勁的海流能將強壯的人迅速帶離海邊，將人推向外海，若試圖抵抗，則會因體力耗盡而發生溺水事故。若不幸遭遇離岸流時，可試著讓自己漂浮於海面，保留體力揮手向救生員求助。

溺水時，比你想像得更難求助

也許你想像中發生溺水時應該是用力揮打四肢拍水、大聲喊叫等大動作來呼救，但其實不然。

當人溺水時會想拼命嘗試把頭伸出水面呼救，若過程中不甚吸入水使聲帶進水，聲帶及上呼吸道因而緊繃，造成無法順利發聲。

等到無力、頭部低於水面時，冰冷的水流入上呼吸道引起咽喉痙攣緊縮、氣管收緊，再後來喉頭放鬆，便會使大量水份灌入呼吸道及肺部，肺泡無法換氣，人體因此無法呼吸而窒息，導致腦部缺氧受損甚至死亡。

整個溺水的過程遠比我們想像中來的無聲無息，這致命的傷害僅短短幾分鐘，即使一旁有人也難以察覺，直到溺水者無意識漂浮於水面時已為時已晚。

而兒童溺水事故，也比想像中更危險，為台灣 5 歲以下幼童的三大死亡原因之一。

幼兒處於溺水狀態時，較成人更加難以察覺，家長往往以為有在旁照看就能避免憾事發生。而大部分溺水後的兒童，都會有嚴重的腦缺氧後遺症，影響著日後正常的生活機能。

但有些徵兆可幫助大家判斷，孩子是在游泳還是正在溺水，例如：眼神呆滯無法聚焦、身體呈垂直且腳沒有活動等等。

溺水救法及注意事項

看到有人溺水時，若不是接受過水難救助訓練的專業人員，請不要貿然下水施救！

切記救溺五步驟：叫叫伸拋划。

叫：大聲呼救。

叫：撥打 119 求助。

伸：利用延伸物，如：竹竿、樹枝等，讓溺水者抓住。

拋：向溺水者拋送漂浮物，如：瓶、球、繩等。

划：利用大型浮具，如：救生船、救生圈等，划向溺水者，將之救援。

除此之外，夏季從事水上活動時，暖身需要做確實，避免抽筋、肌肉痙攣等情況，並且選擇有專業救生員、救生裝備的安全水域環境。如果出現身體不適、飲酒後、精神情緒狀態不穩定時，請不要輕易下水！

最有效的預防不外乎就是將基本的水上安全、游泳技能，融入進教育課程，從根本上幫助防止溺水事件的發生。

參考資料

1. Medd, D. R., Scarr, J., Larson, K., Vaughan, J., & Krug, E. G. (2021). Drowning Prevention: Turning the Tide on a Leading Killer. The Lancet Public Health, 6(9), e692–e695.
2. 秘境苦花潭溺水事件：如何判斷渦流、翻滾流與渡溪安全
3. 海邊戲水 先來認識「離岸流」—台灣環境資訊協會－環境資訊中心
4. 離岸流—維基百科
5. 溺水的人其實不太會掙扎，乾性溺水也可能致命！（懶人包）—照護線上
6. 兒童溺水知多少—中國醫藥大學兒童醫院
7. 發現有人溺水，救溺五步驟—臺北市政府消防局防災科學教育館
8. 救人五招：「叫叫伸拋划」—中華民國紅十字會