全球暖化的預測與因應：未來是否缺水
97/08/04
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郭振泰｜
臺灣大學土木工程學系
林旭信｜
中原大學土木工程學系
顏子豪｜
臺灣大學土木工程學系
王鑫儒｜
臺灣大學土木工程學系
水，一向關係到國家民生的大事，它更是一種越來越珍貴的資源。水的問題基本上只有 3 類：太多、太少及太髒。碰觸水資源問題的科學家，都在跟這 3 個問題奮鬥。
氣候異常第一個影響的首推降雨。近幾年來，臺灣地區降雨除了原本時空分布不均的特性外，降雨強度明顯極端化，一場豪大雨之後常常就有水災的新聞。另外，相較於過去的歷史紀錄，近幾年乾旱出現的頻率更高。這些都顯示氣候變遷正在影響降雨的型態，使得水資源的使用規畫更加不易。其實台灣原本先天體質就不好，再加上氣候變化的因素，真可謂「先天不良，後天失調」呀！
臺灣水資源分區
臺灣位於亞熱帶與熱帶交接處，年平均雨量約為兩千公釐。水利署把全臺灣分成 4 個水資源區，即北、中、南、東 4 區。
北區包括臺北縣市、基隆市、桃園縣、新竹縣市及宜蘭縣，境內重要河川有蘭陽溪、淡水河、鳳山溪及頭前溪。中區包括苗栗縣、臺中縣市、南投縣、彰化縣及雲林縣，境內重要河川有中港溪、大安溪、大甲溪、烏溪、濁水溪及北港溪。南區包括嘉義縣市、臺南縣市、高雄縣市及屏東縣，境內重要河川有朴子溪、八掌溪、急水溪、曾文溪、鹽水溪、二仁溪、阿公店溪、高屏溪、東港溪及四重溪。東區包括花蓮縣及臺東縣，境內的重要河川有和平溪、花蓮溪、秀姑巒溪及卑南溪。
臺灣水文知多少
提到水資源之前，一定要先了解臺灣的水文概況。說到水文，可不是按照字面翻譯的「水的文學」呢，而是舉凡牽扯到水的發生、循環、分布、物理化學特性、以及對環境或生物體的反應，都可以稱為水文。因此要從地形、氣候、還有河川型態，來了解臺灣的水資源。
首先是地形。臺灣位於亞洲大陸東側新褶曲帶上，標高 1,000 公尺以上的山區占全島面積的 32％，其中至少有 25 座高峰海拔高度超過 3,000 公尺；100 至 1,000 公尺之間的丘陵與臺地約占 31％；100 公尺以下的沖積平原占 37％。這代表臺灣是個很「立體」的島，一旦降雨，水很快地就會往大海流去，不容易留在陸地上，這是臺灣水資源的一個大問題。
接下來是地質。臺灣地區是屬於沉積性地質，一般北部砂岩成分較多，南部則以泥岩或頁岩為主。此外，臺灣山脈大多數屬沉積岩及變質岩，這些岩石性質脆弱且經過高度風化，易受降雨強度大及雨水流速高的影響，而造成嚴重的沖蝕作用，並因地震頻繁而更加嚴重，極易危害山坡地的穩定。舉例而言，7 年前的 921 地震造成大量山坡地被震鬆，颱風一來很容易就會產生土石流，對生命財產造成重大威脅。
再來是氣候。臺灣受季風影響，而且地形複雜，綿延於中東部的中央山脈高聳且面積大。大部分臺灣雖屬亞熱帶氣候區，然而從平地至高山，由於高度造成氣溫遞減，實際包含熱帶、溫帶及寒帶 3 個氣候區。
臺灣主要山系是南北走向，構成本島的脊梁，又與盛行季風斜交，形成東北部與西南部氣候的差異。冬季受蒙古高壓控制，形成東北季風型天氣；春夏之交受滯留鋒面影響，造成梅雨型天氣；夏秋之間則受颱風不定期的侵襲；再加上春季在東北季風與西南季風交替之際的乾旱，因此臺灣面積雖然小，各地區氣候變化卻十分複雜。
也就是說，小小的臺灣島上卻有著「多樣性的氣候」，你很難想像在一個地方要穿厚重的衣服才保暖，但是往南走 300 公里卻熱到只要穿一件短袖的衣服。但是這的確就發生在臺灣，近幾年在過農曆年的時候，臺北都冷得要死，但是往南走 300 公里到了臺南、高雄及屏東地區，卻是豔陽高照。這種複雜的天氣型態衍生出來的降雨型態，讓臺灣南北部及東西部的差異性變得很大。雖然在平均雨量上看不出來，但是氣候對降雨時間、空間分布的影響卻很明顯。
然後是河川。臺灣各河川都是短且陡，遇到暴雨時就會水流湍急，挾帶大量泥沙，但是暴雨結束後沒多久，河川又回復到原本的樣子。由於上游河谷陡峻狹窄，地質脆弱，水流出河谷以後，河床又很寬淺，因此容易造成泛濫。
以流經嘉南平原的八掌溪為例，河床平均坡度是四十二分之一，即河川每往前 42 公尺就會往下「掉」1 公尺。或許很多人對這種數字沒有感覺，舉個例子來說，如果你跑完 100 公尺以後，發現你往下掉快要一層樓，這種坡度大概就是四十二分之一。用物理的角度來看，在四十二分之一的坡度下，水流所受的重力是坡度為兩千分之一時的 47.6 倍！由此，就不難了解為什麼臺灣的河川很湍急了。
最後是降雨型態。臺灣地區年降雨量是由東北逐漸向西南遞減，降雨的空間與時間分布不均，其中大約 68％ 的年雨量集中在 5 月至 10 月。而且降雨強度變化很大，再加上山區的影響，形成若干小型的閉合式降雨中心。
簡單地說，臺灣降雨依強度可分成兩種，第１種是夏秋之間的颱風，颱風可以在短短的數天內降下大量的雨，近幾年的颱風幾乎都有破 1 千公釐雨量的實力。各位試著想想，假設颱風的雨下在完全排水不良的低窪地，5 天之內下了 1 千公釐的雨，地上的積水就將近 1 公尺了。第２種降雨，包括春夏之間的梅雨、冬天的季風雨、以及其他時間所下的雨。雖然午後雷陣雨的強度也很大，但有句俗話說「西北雨落不過田埂」，僅僅是地區性的降雨，因此就尺度而言，把它列入第２種降雨。
總而言之，從開始到現在，我們全都繞著一個主題在打轉，那就是台灣所有的條件都不利於水資源的收集。分布不平均的降雨（雨不是一下子來太多，就是很久都不來），且雨降在崎嶇不平的地方（因為多山），又挾帶大量泥沙（地質問題），更重要的是河川短而且水流湍急。因此，在台灣處理水利問題的難度可以說是世界數一數二的，必須格外謹慎！
臺灣的水資源
臺灣的水資源只有降雨。雨降下來以後，可以分成兩種型式，一種是地面水，另一種是地下水。
地面水
地面水就是我們很熟悉的河川。在臺灣，河川的利用方式有水庫及攔河堰，其中水庫又比較重要，因為臺灣的水庫比攔河堰還多。臺灣很多條重要河川都蓋有水庫，水庫的功能最重要的就是蓄水，在水多的時候把水攔下來，在水少的時候就可以拿來利用。除了蓄水以外，水庫還有防洪及灌溉的功能，這要看興建的時候如何考量。在臺灣最受矚目的水庫應該就是位於桃園的石門水庫，講到石門水庫那可真是有說不完的故事！
石門水庫是臺灣第１個國人設計興建的水庫，主要功用有灌溉、防洪及提供民生用水，是用土石興建而成的土石壩，當時政府收入大概一半都拿去蓋石門水庫。石門水庫蓋好以後，隔年的夏天就有一個強烈颱風叫作葛樂禮，這個颱風的風雨紀錄在臺灣依然保持第１名，迄今沒有被打破。當時風大雨大，眼看石門水庫的水位就快要超過壩頂，而對土石壩而言最怕水從壩頂溢流而過，這可能導致水庫崩塌毀壞。因此當時設計水庫的工程師們戲稱他們手牽手站在壩頂上，打算與石門水庫共存亡。
經過這個颱風的洗禮後，浮現了一些原本沒想到的問題。石門水庫的地形條件很好，在大漢溪中游有兩座山脈隔溪對峙，因此叫石門。但是地質條件並不是很好，它的泥沙問題較嚴重，每逢豪大雨就有泥沙沖刷進入庫區，這個問題如果放著不管，等到泥沙把水庫淤滿的那一天，水庫也就報銷了。因此石門水庫後來又增設排沙道，把流進水庫的一部分泥沙排掉。這時候又有很多水庫陸續完工，其中較重要的有臺北的翡翠水庫和嘉義的曾文水庫。
後來，民國 90 年夏天的納莉颱風帶來了豐沛的降雨，但是也造成石門水庫排沙道的損壞，因此現在石門水庫等於是把大部分從上游沖刷下來的泥沙留在庫區，對水庫而言實在是一大威脅。再加上 2007 年 9 月 20 日的韋帕颱風，使得上游巴陵攔沙壩損壞，雖然水利署強調不影響下游水庫的安全，但是巴陵壩在損壞之前就已經淤滿泥沙，若處理不當難免會有泥沙流進庫區。說到這裡，不禁為石門水庫捏一把冷汗。
地下水
地下水是另一個水資源。臺灣的地下水共分 9 區，分別是臺北盆地、桃園中壢台地、新苗地區、臺中地區、濁水溪沖積扇、嘉南平原、屏東平原、蘭陽平原及花東縱谷。地下水的利用有其限度，因為地下水的含水層空隙原本充滿水，而水被抽出後，空隙的填充物不見了，就會因為重力而往下掉且開始擠壓。一旦抽水的速度比地下水補注的速度高，地層就會下陷。而且地層下陷以後，不管以後再怎麼補注，下陷的地層也不會回復。
現在臺灣年用水量的三分之一是由地下水供應的，但是筆者相信地下水使用量一定比現在的統計多很多，尤其是在雲嘉南地區及屏東地區，地下水超抽問題已經到引起嚴重地層下陷了，若是繼續超抽下去，會引起海水入侵、土壤鹽化等問題，造成土地的浩劫。
IPCC 第４次評估報告
由聯合國世界氣象組織（WMO）和環境規劃署（UNCP）共同支持成立的「跨政府氣候變遷專門委員會」（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC），於 2007 年 2 月 7 日在法國巴黎舉行記者會，發布了 IPCC 第４次評估報告的第一工作小組工作摘要報告。這個報告主要是總結氣候變遷的科學分析結果，提供各國做為擬定政策的參考。這摘要報告指出全球暖化可能主要是人類活動所造成，正式的報告已置於網站上供各界參閱。
大氣中的溫室氣體（除水氣之外，有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物等）濃度自 1750 年以來已有顯著增加，且這次報告中指出：劇烈的降水事件在東亞很可能增加，與這個區域的歷史趨勢吻合。源自中國和中國東部海域的大氣擾動匯流點，經常引起日本九州 7 月（較溫暖）的極端降雨。極端降雨的頻率及強度的增加，也發生在韓國。研究顯示中國有更多極端降雨的例子，降雨日數在中國西北方增加，在南方則減少，極端降雨卻增多。
在東南亞地區，平均降雨的模擬結果都是增加的，且季節性變化很大。大致上，降雨在東亞應該會增加，但很可能是極端降雨事件增加，搭配乾旱頻率增加，水資源的管理調配會愈來愈具挑戰性。
臺灣可能受到的衝擊
過去臺灣溫度上升是全島性的，與全球暖化趨勢一致，但氣溫上升速率在每百年攝氏 0.98 到 1.43 度之間，遠大於全球平均值的攝氏 0.6 度。在許多研究過去百年降雨量的報告中，台灣過去百年來降雨的變化趨勢較無一致性，在北部、東部及東北部有增加趨勢，西南部和中部則逐漸降低，特別是西南區豐雨期降雨量降低的趨勢甚快。臺灣過去百年降雨量有北增南減的趨勢。
IPCC 在 2001 年的第３次報告中，預測 21 世紀全球地表平均溫度將上升攝氏 1.8 ~ 4.0 度，降雨在高緯度也會增加，在低緯度則增加與減少都有區域性。IPCC 2007 年出版的第４次報告，對於東亞區域的模擬分析結果，在溫度方面，預估增加幅度高於全球平均，而在降雨方面，在冬季和夏季都有增加的趨勢。但這只是東亞大區域的特徵，對於臺灣區域的氣候變遷分析仍舊不足，須再結合臺灣各地區的區域特性，才可預估臺灣區域未來的可能氣候變遷。
對於雨量，結合臺灣區域氣候型態與全球大氣環流模式，模擬預測未來臺灣水資源 4 個分區可能發生的趨勢：北區有些微增加、中區則明顯減少、南區無明顯變化、東區大幅增加。降雨的增減會直接影響到逕流量的多寡，未來各區可能的河川逕流量增減趨勢，預測結果也與雨量趨勢類似。
整體而言，無論雨量或逕流量臺灣都有增加的趨勢，但各項結果顯示，豐水期（5 月至 10 月）逕流量會增加，枯水期（11 月至隔年 4 月）逕流量則減少，且極端事件出現的頻率與強度增加，如暴雨增多且降雨增強，乾旱增多且時間增長。水災一直困擾著臺灣許多地區，例如民國 90 年納莉颱風肆虐臺灣時，臺北市捷運淹水頓時成為下水道。
如此趨勢將不利於水資源的利用，未來雨水成為可利用水的百分比將下降，使得水資源短缺。如果能夠合理地提高水價，彰顯出水的珍貴，則可減緩水資源浪費的情形。總而言之，無論現在或未來，水都是極珍貴重要的資源，因此對於未來可能面臨的各項衝擊，必須及早因應。
