民生工程新面貌：水利工程面臨的新挑戰
98/02/06
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王筱雯｜
成功大學水利及海洋工程學系
許泰文｜
成功大學水利及海洋工程學系
水利工程是治水、利水、親水，保護自然環境，創造永續水環境，減輕水患，為人民創造幸福，以及促成人類和自然水環境和諧發展的工程藝術。為順應氣候變遷的影響、自然環境資源永續利用的殷切需求和科技快速變遷的潮流，水利工程面臨的新挑戰和水環境、水資源及替代能源息息相關。
在水環境方面，過去幾十年來，世界各國都面臨了越來越頻繁、嚴重的水患。一連串大規模的水災，使得過去以工程為主的防洪治水策略面臨前所未有的考驗。堤防、攔河堰、水泥護岸等防洪工程，在水災成因越來越複雜的今天，不但無法達到工程師計算的安全保障，反而成為加重甚至引發水患的元凶之一。
2006 年初，8 年 1,410 億元的「易淹水地區水患治理計畫」和「石門水庫整治規劃」的特別條例通過，如今轉眼約 3 年了，究竟執行的情況如何？發揮了什麼作用？是否有監督機制？為什麼卡玫基、鳳凰颱風依舊造成全省各地慘重的水患？
過去防洪工程的推動、水患的治理和海岸防護，都是為了降低洪潦災害威脅。依照過去的工程概念，加高加強堤防是主要的思考邏輯。但是受到全球暖化的影響，近年來臺灣地區的年降雨量增加 100 ~ 300 mm，降雨天數卻減少 1 ~ 2 個星期，傳統的築堤束洪等工程手段，顯然已無法解決問題。面對現階段水患問題的新挑戰，亟需輔以非工程手段方能因應，以管理取代治理的新思維才是根本之道。
自古以來就不斷和水抗衡的荷蘭，面對 21 世紀的新挑戰，終於認清洪水屬於自然現象，無法消極抵抗，必須設法積極和洪水和平共存，才能化解人和洪水的衝突。因此放棄沿用好幾個世紀以工程和洪水作戰的防洪策略，而以「還地於河」的策略取代堤防等工事，來減輕洪水造成的災害。
另從水利工程面臨的水資源挑戰來看，以民國 93 年艾利颱風引起的停水危機為例，受到豪雨影響，石門水庫原水濁度驟升，淨水場無法及時處理，造成桃園全縣一度大停水，受影響的人數近 200 萬，最後以臨時取水口和應急管線才解決問題。桃園缺水的主要原因在於石門水庫嚴重的淤積，進而造成水質惡化，使得下游淨水廠無法運作，導致缺水。民國 93 年，敏督利颱風帶來的豪雨造成石門水庫泥沙流入量高達 2 千 7 百萬立方公尺，加上原有的淤積量，石門水庫損失的庫容對北臺灣的水資源調配產生巨大的衝擊。
要根本解決石門水庫的供水問題，除了採取多層取水的做法和淤沙清除的工程手段外，集水區整體治理和水土保持的工作更是刻不容緩。否則即使因為清除淤泥使得缺水問題暫時解決，但氣候異常而無法預期的暴雨，還是會帶來上游集水區大量的泥沙，使桃園缺水的問題再度爆發。
隨著時代的演變，農業社會的經濟型態已轉變成以工業為主要經濟產業的時代。近年來又因受到全球氣候變遷的影響，乾旱頻率和乾旱程度似乎有愈來愈劇化的傾向，如何有效調度有限的水資源，是水利相關從業人員必須用心思考及妥謀對策的課題。
解決桃園缺水問題，儼然只是臺灣水資源問題的冰山一角，如果相關單位還是沒有完整考量，面對水資源問題僅採取短線操作的思考，未來付出的代價會更為慘烈。水資源的調配須同時以工程手段和非工程手段進行，即刻思考長期水資源調度方案，包括調高水價、加強執行減漏政策，同時串聯地下水資源，才是根本之道。
依靠水庫來解決一時的水資源問題，只能治標無法治本，而水庫對環境的衝擊，也有著長遠、深刻的影響。以位於石門水庫上游的巴陵攔砂壩為例。民國 96 年，韋帕颱風豪雨造成已淤滿的巴陵攔砂壩潰堤，剩下的堤基又遭後續的柯羅莎颱風豪雨摧毀，洪水同時改變潰堤後的大漢溪水文流向，巴陵壩長年承受的 1,047 萬立方公尺的泥沙也順勢沖到下游。上游淤積的大量泥沙在移往下游的過程中，是否會衝擊現有生物棲地？河道淤積是否會提高下游洪水氾濫的可能性？
臺灣河川坡度陡急、降雨分布不均，為了有效利用水資源，在臺灣的河川上分布了大大小小的水壩等水利設施，以做為防洪、蓄水灌溉或水力發電之用。不可諱言的，水壩提供人類社會重要的效益，但是這些大大小小的水壩也澈底改變了河川的面貌，阻斷了上下游棲地的聯繫，破壞了河川原有生態系統，進而破壞棲地或威脅到原生魚種、野生動物的生存，同時攔截河口輸沙造成海岸侵蝕。時至今日，已有不少水工結構物超過使用年限、遭受嚴重淤積毀壞，而逐漸喪失原有功能和經濟價值。
對於這些問題，多數的思考方向是修復使它們恢復功能，殊不知到達使用年限的壩體維修費用和經濟效益遠不如預期。類似巴陵壩的例子，還包括高屏攔河堰、榮華壩等，對這些水壩的處理方式值得深入探討，在重建修復之際，應審慎思考是否要改由透過拆除或局部改善的方式來恢復河川生態。
另從能源的角度來看，人類對於傳統能源的開發，已經到了非常關鍵而必須嚴肅面對的時候。傳統能源的開採費用，隨著資源的愈來愈稀少，變得更加昂貴，加上溫室效應和其他污染問題的日益嚴重，使得無污染且永續的天然能源的開發，已成為各國研究的重要對象。
海洋約占地球表面積的 70％，蘊藏的再生能源更是豐富，其中潮差和波浪發電就是一例。潮汐發電就是利用漲潮和退潮來發電，和水力發電原理類似。目前全世界僅有少數潮汐發電廠在運轉，其中法國、中國、俄國和加拿大的潮汐電廠總容量合計約 263 百萬瓦。
臺灣四面環海，具有潮汐發電的潛能，由於不需燃料費用，發展潮差發電具有經濟誘因。如果有足夠的潮差，加上適合的地理條件可供圍築潮池，就可以考慮潮汐發電廠的建立。然而臺灣西部海岸大都是平直沙岸，且潮差不是很大，又無港灣可供建設成為蓄水池使用，再加上必須投資巨額的經費斷水築堤，發電能力和電力輸出也較不穩定。因此雖然潮汐具有龐大的發電潛能，但在臺灣仍受到相當的限制，需要再審慎評估。
地球表面有 70％ 面積被海水覆蓋，因此海洋可說是全球最大的太陽能收集器和儲存場。以表層和水深 800 公尺兩處水溫為例，它們的溫度差異大約在攝氏 20 度至 25 度之間。海洋溫差發電就是利用這項自然溫度差異，以熱能轉換裝置把熱能轉換成電能。利用表層海水蒸發低沸點的工作流體如氨、丙烷或氟利昂，使它們推動渦輪發電機發電，然後利用深層冷海水冷卻工作流體，再反覆使用。另一種利用海洋溫差發電的方式是把表面海水放入真空容器，使其迅速蒸發，帶動渦輪機發電，再用深層海水冷卻。這種發電方式幾乎不會排放二氧化碳，同時可以獲得淡水，緩解全球淡水資源不足的問題。
海洋風場較均勻，當風吹向葉片時，葉片兩面會產生不同壓力，壓力的差異便會產生動力轉動葉片。葉片產生的動力會推動相連的轉動軸、變速機和發電裝置。變速機能讓轉動軸的旋轉速度加快，使得發電裝置產生電力。不過大型風力發電機會產生風切噪音，如設置在海上，就沒有噪音污染的困擾，也能減少土地徵收問題。目前國內將在彰化濱海工業區設置海上風力發電實驗平台。
