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與災共生(三):當城市遇上洪水

李柏昱
・2013/08/16 ・2179字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 570 ・九年級
城市遭遇洪水受到的經濟財務損失難以估計,台北市納莉風災後信義區淹水戶清出的垃圾量十分驚人。(圖片來源:Flickr用戶Jerry & Cara)
城市遭遇洪水受到的經濟財務損失難以估計,台北市納莉風災後信義區淹水戶清出的垃圾量十分驚人。(圖片來源:Flickr用戶Jerry & Cara)

臺灣地處亞熱帶氣候,地形陡峻,河川短促,每年梅雨以及颱風皆會帶來劇烈降雨。而今日臺灣人口高度集中都市,約8成的人口居住在都市地區,不禁令人憂心都市發生嚴重洪患。本專題採訪國立臺灣科技大學營建工程系的李咸亨教授,說明臺灣都市洪災發生的風險,並從實質防洪工程層面檢視當前臺灣的都市防洪能力,診斷臺灣都市是否已經準備好應付下一次的極端降雨?

內憂外患  料敵從寬

臺灣的降雨型態逐漸改變,根據1960年代至今的氣象觀測資料,全臺年降雨天數逐年降低,但是降雨時段更為集中、降雨強度更強,每年的最大單日降雨量有升高趨勢,導致臺灣河川最大洪峰流量年年攀升,更加考驗臺灣都市的防洪能力。

臺灣都市人口集中,一旦遭遇洪患,財物損失令人無法想像,瀏覽過去臺灣都市遭遇洪災的歷史,僅僅十多年內,各大都市皆發生過嚴重水患:2001年臺北市納莉風災,臺北捷運成為巨大滯洪池;2008年卡玫基颱風重創臺中市,中港路淹水成河,市區堤防與橋粱被沖垮;2010年凡那比橫掃南臺灣,高雄市民被洪水圍困家中。這些災情或許已被多數人遺忘,但洪水仍在伺機而動,讓人憂心,下一次洪水「獎」落誰家?

洪水可說是都市的內憂外患,都市的防洪設施一向以興建堤坊禦洪為主,以抵抗外面河川的洪災風險。然而,臺灣都市地狹人稠,河岸旁的土地多數已被建築佔據,我們的堤坊只能用高度換取失去的寬度,以應付河流暴漲的威脅,但也因此失去了生活品質與親水景觀。而且,沿河而建的堤防雖然擋住了外患,卻也導致落入堤防內部都市的雨水流不出去,讓都市內部產生積水,一旦排水系統出了問題,例如抽水機發生故障或排水溝阻塞,這些內水便成為都市積水的內在威脅。

都市防洪  禦敵從嚴

為了應戰洪水的內外夾攻,臺灣都市的防洪設施必須禦敵從嚴。以臺北市而言,淡水河流域的防洪是以200年洪水周期為設計標準。需要注意的是,所謂「200年洪水周期」,是根據過去的氣候水文資料,計算達到這種規模的降雨跟洪水,平均每200年會發生一次,通常洪水周期的時間越長,洪水規模越大,發生頻率越低。但是洪水周期是一種發生的機率的概念,200年洪水周期並不代表要等200年才會發生一次,亦有可能在400年中連續2年皆發生200年洪水周期規模的降雨事件。

為了抵禦200年規模的洪水,臺北市已花費數十年興建平均9.5公尺高的堤防,且於基隆河上游興建員山仔分洪道,並以日本東京與京都做為觀摩對象,引入「總合治水方法」建築許多滯洪池、透水路面、綠建築等設施。然而如前所述,這些堤防與分洪設施是屬於「外水抵抗」的部分,面對「內水」,臺北市也採用一些分進合擊策略與之對抗。

總合治水方法包含5種防洪措施,根據其處理積水的效率可排序說明如下,第一種是建置排水系統,利用自然重力將水排出;二是建置抽水站,目前臺北市一共設置有85處抽水站,抽出低窪地區的積水;三是壓力排水,利用流體力學原理,在高處加壓排出積水;四是興建滯洪池,通常位於山谷與平地交接處,預留都市中裝水的空間,將雨水暫留於其中;五是透水鋪面,讓雨水能透過地表的入滲,讓這些雨水能進入土壤,但是土壤能吸收的水分是固定的,多餘的積水仍須仰賴前面幾種方式排出。

目前在內水外排的部分,臺北市已經有96.7%的地區,有能力應付每小時78.8毫米的暴雨,下一階段目標將逐步加強都市的防洪能力,逐漸提高防洪目標達每小時83.8毫米的降雨強度。

儘管臺北市防洪系統在臺灣已屬建置最為完善的都市,然而面對日漸極端的降雨型態,這道防線未來是否還守得住?都市防洪在未來勢必需要有更多積極的政策推動與觀念推廣。當前房地產追求河景與生活品質,抽水站與堤防成為不受歡迎的鄰避設施,若政府單位缺乏魄力建設,將成為都市防洪體系中的罩門,一旦洪水突破便將是全市淪陷如2001年的納莉風災。此外,新的道路鋪面設計、綠建築的推廣、雨水截流設施等等,亦能對臺灣的都市防洪有一定貢獻,這些技術都已完備,端看政治人物與社會大眾願不願意居安思危,還是要等到洪水突破堤防高牆的那一天,才會記起洪水的可怕。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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