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若大禹再世(一):治水策略 學日荷,好不好?

陳妤寧
・2014/12/20 ・3830字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

採訪編輯 / 陳妤寧

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

一條河川可能會遇到的各種問題及所轄機關。(圖片來源:水利署)
一條河川可能會遇到的各種問題及所轄機關。(圖片來源:水利署)

全世界面臨海平面上升、降雨極端化,水患問題以更複雜的組合來襲;都市中的河川尚有下滲不足、逕流量超出過去下水道設計的容納量等眾多治理問題。荷蘭在數十年前便有了「還地於河」的覺悟;我們的鄰居日本則為了因應都市化飽和,發展出以流域為單位、綜合河川治理各種面向的「總合治水對策」。他國案例之中是否有值得台灣借鏡之處?從台灣的水文特質看水利工程的發展,背後有哪些成因及脈絡?水利署河川海岸組的蔡孟元組長,從水利工程的角度提出說明,解釋臺灣的河川治理現況和可向國外借鏡之處,讓我們更有憑有本可思索我們理想中的「未來防災城市」的可能性。

荷蘭-「還地於河」

荷蘭多數的土地由河口三角洲所組成,面對著頻繁的河道改道、氾濫、沼澤沖積,加上獨特的泥炭層土壤,使得地層下陷及排水的情況更為複雜。也注定了荷蘭人與水共生的歷史宿命。早期荷蘭的低地城鎮,即隨築堤與排水技術而發展。治水從來無法自外於人類活動而規劃,打從堤防出現在荷蘭歷史開始,歷史上就出現各方角力:市民喜好沿堤防之上而居,地區管委會卻偏好在堤防之內發展以保護堤防;市民和漁民希望水閘門常開保持清潔,農民卻擔心農田會因此淹沒。

1953 年荷蘭發生了有史以來最嚴重的水患,荷蘭政府決定補強原有的堤防和海岸沙丘,規劃了一系列「三角洲計畫」,並訂定了一萬年的防洪頻率標準。(洪水頻率意即某個規模洪水量再次發生的平均間隔,例如「2年洪水頻率」較「100年洪水頻率」而言更常發生、洪水量也較小。但此僅為機率上的名詞,並非預測未來洪水週期的依據。)但 1993 年荷蘭東南部的林堡省依然發生水患,超過 180 平方公里的土地積水 1.5 公尺;這次,水利專家建議疏浚河床,設立滯洪區和加蓋堤防。短短兩年後,同個地點的水患規模卻再度超越以往。此時,荷蘭人雖然一邊訂定新的疏濬計畫,但也逐漸開始檢討,隨著氣候變遷的加劇,到底多少年的洪水頻率才算安全?荷蘭人最引以為傲的水利工程技術,都無法解決水患問題的話,是否根本思維上需要調整?

荷蘭人因此決定加大河川斷面積,依據最大逕流量推算出需要拓寬河道的地點,河道從原本的三百多公尺被拓寬至七百多公尺。並輔以九個方式加大河川斷面積:挖低泛洪平原、堤防往後遷移、將窪地變湖泊、加深夏季河床、加高堤防、減低水閘高度、移除橋墩障礙物、設滯洪池和加築臨時河道。治水眼光從部分河段,拉長到整個河川流域。

不過,都市中飽和的人口密度,對於流域治理永遠是更棘手的問題。因此,荷蘭的「還地於河」思維強調都市內以親水公園、遊樂場等複合式的人水共存空間,取代過去單一功能的防禦性設施,並允許部份條件下的水存在於都市空間之中,「在控制條件內的淹水」也創造了較高的都市的水承載力與適應性。近年來,位於丹麥羅斯基勒市、可身兼蓄洪池的羅北拉滑板公園(Rabalder Parken),即為多工設計的一例。

荷蘭有其特殊的水文和地質結構,我們未必能夠全盤移植其治水模式,但值得學習的是,「還地於河」強調學門之間的對話和整合,至少必須整合水利、土木、都市計劃與景觀設計四個學門的知識。我們應廣納社會中不同組織、以及不同專業領域之間的意見與對話,讓公眾思考希望以什麼樣的觀點發展未來城市,並輔以情境模擬的技術,讓水利問題提升到更高的都市規劃等級來處理。

日本-「總合治水對策」

台灣的地理環境、降雨型態、和災害成因和日本較為近似,因此參考日本的「總合治水對策」概念,研提適合臺灣的「綜合治水」。依各別河川流域不同特性,打破屬地界限,以流域為單位進行整體規劃。相較於傳統治水做法,強調先研究水的源頭和分配,確認降雨的「進」以及逕流入海的「出」,統合一整條河川的病灶和解方,建立屬於流域治理的法規系統和管理權責。

東京都隨都市化進展,降雨逕流大增,水害頻繁威脅住民生命財產安全,遂推展「中小河川流域治水計畫」,重新建立下水道的排水標準,將設計標準從 3 年頻率降雨強度 50.0mm/hr,提昇至 15 年頻率降雨強度 75.0mm/hr 以上。除了提高老舊的下水道(排水路)、抽水站的排水標準外,也加入蓄洪、入滲、貯留、系統預測、土地管制檢討等減洪思維,新建地下調節池及雨水貯留管。地下調節池可疏導調節 25%之洪水量。

在建立地下調節池及雨水貯留管的初期,日本政府曾被質疑為何不直接浚深河川,透過增加通水斷面減少水患。浚深河川的難處在於,日本都市化發展飽和,許多河川水道之下已佈滿地鐵、自來水、瓦斯等設施管線,因此改以建立地下調節池及雨水貯留管來提昇排水標準。未來台北市也可能面臨類似問題,加上潮汐迴水的問題,可將地下調節池及雨水貯留管列為長期的規劃目標。惟興建此類設施的人力、時間、經費成本都極為巨大,政府應讓公民更加深入了解此議題,促進未來的政策透明及規劃方向。

除了規劃超大型蓄洪設備之外,日本鶴見川流域也針對基地開發要求設置「流出抑制設施」,以達成分散式保水的目的,總貯水量高達250萬立方公尺。至於綠地能夠容納的下滲水雖然不多,但從生態的觀點來看,可補充地下水、達成涵養土壤的功能。滲透效果的效果好壞,取決於以下數個要素:若地勢太低、地下水位太高,容易積水不利滲透;坡度太大、土壤的滲透係數太低、或是滲透設備老舊而使得孔隙被細砂阻塞,都會影響水體下滲的能力。

台灣-流域綜合治理

流域綜合治理的觀念之所以興起,目的是為了解決一條河川分屬眾多不同機關分治的問題。比如日本的「總合治水對策協議會」,組成單位包括流域所在各地方政府之河川、都市計畫、建築、土地、公路等單位,及中央的國土交通省。水利署在103年也以「流域綜合治理計畫」,接續自95年以來俗稱八年八百億的「易淹水地區水患治理計畫」。

但蔡孟元組長提醒,綜合治理是眾人理想中最好的做法,但一條河川牽涉的面向「包山包海」,從上游到下游、從中央到地方,涵蓋森林、地質、水土保持、生態保育、水利工程、農林魚牧產業、都市開發各種面向,橫向和縱向都跨了各種專業領域和行政單位。如果追求一個一個 all-in-one 的萬能組織,需要極為龐大的人力,甚至可能成為一個笨重的機關。如何同時避免各專業間各行其事,同時保留分工制度下的專業和效率,是個不簡單的課題。

在接續的「流域綜合治理計畫」之中,首先強調從過去的水道線型規劃轉向流域面整體治理。水道線性規劃多以流水斷面、通洪能力以及堤岸承受力的「河道本位」思考,但無論是農地開墾或都市聚落,人和河川的關係從來都不僅在河川兩岸的兩條堤線之間就可釐清。因應都市逕流的增加,為了避免超過現有下游水道和水利設施的負荷,土地開發利用必須增加透水和滯洪設計,分擔流域增加的整體逕流量,以不增加下游河川、排水系統負擔為原則。也就是流域綜合治理計畫中強調的「出流管制」和「逕流分擔」原則。例如開發基地若位處高淹水潛勢之低窪地區,應提出與原有天然滯蓄洪空間相同功能的補償設施。

其實,這就是大禹治水的故事中所闡述的道理:防堵不如疏通。談到台灣最具代表性的水利建設,蔡組長立刻舉了員山子分洪道為例子。員山子分洪道位於新北市瑞芳鎮,為了避免基隆河上游在降雨量過大時造成下游地區淹水,開鑿了內徑12公尺、長 2483 公尺的引水隧道,可導引 1310cms 的水量排入東海,平均降低下游水位 1.5 m,更有利於下游防洪區段工程採行生態或近自然工法。而為了應對分洪期間夾帶大量泥砂的高速水流,員山子隧道內側的襯砌必須更提高耐磨耗係數。

台灣河川坡短流急,歐美國家雖然防災科技進步,但水情和我們大不相同。如果臺灣無法企及歐洲國家水岸風情的浪漫,那麼是否應該更需要摸索出屬於自己的治水哲學和策略?對此,蔡孟元組長亦指出,和歐美相比,臺灣更適合和地理環境條件相近的日本交流治水經驗,在摸擬後借用適合的觀念,讓臺灣的治水政策得以持續檢討和進步。(本文由科技部補助「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)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。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!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

 

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陳妤寧
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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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