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民生工程新面貌:水利工程面臨的新挑戰

水利工程是促成人類和自然水環境和諧發展的工程藝術,它面臨的新挑戰和水環境、水資源及替代能源息息相關。
 
 
 
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。
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