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水與生活:水與未來

面對未來,水必然繼續扮演人類文明發展與自然生態保育的關鍵角色,而科學發展應該注重哪些議題就非常值得探討。
 
 
 
良好的水資源環境可以穩定提供維生所需的飲水與農業生產所需的灌溉用水,因此歷史上人類重要的文明都沿著河流發展。隨後水蒸氣所帶來的動力掀起了第一次工業革命的浪潮,也促進人類文明進入另一個快速發展的階段。直至今日,科技發展與生活品質的提升都達到歷史上無法想像的境界。面對未來,水必然繼續扮演人類文明發展與自然生態保育的關鍵角色,而科學發展應該注重哪些議題就非常值得探討。

水的整合科學

過去的科學研究對於未知的地球系統注重於分工的各領域研究,劃分為自然科學與社會科學,自然科學領域又進一步劃分為水資源、生物、健康、植物與作物等。各個領域都積極探索專業知識,也努力解決特定領域的問題,但鑽研越深,領域間的差距就越大。在逐漸累積一定的科學知識後,除了持續各領域知識的探索外,未來科學的重點會是跨領域專業整合的研究。水流動於地球系統,就像血液流動於生物體中連接不同的器官,水聯繫不同領域,未來水的科學發展更是需要「整合科學」。

面對未知或不夠了解的系統,必須拉出許多維度來分領域與分工釐清、探討,但要真的有效解決問題,得回歸問題本質,即問題本身仍然是不可劃分的一個系統,因此必須整合。

所謂系統是指許多單元的集合,單元與單元間有一定的關係,例如水資源系統可能包括自然流域、人造水利設施、農業用水者、生活用水者與工業用水者。自然流域與水利設施決定可供水量,不同水資源使用者間則競爭水資源利用。地球科學專家致力於了解自然水循環系統,水利工程師專注於設計最妥適的水利設施以利用自然水資源,不同產業專家則努力於確保水資源穩定地提供生產或生活所需,提出應變計畫以減少水資源不足的負面影響。要有效管理與善用水資源系統,就必須探討如何讓不同專業的人員密切合作。

跨領域研究的迫切性已為大家熟知,也常常被提及,卻不容易做到。科學專業容易讓視野與解決問題的能力聚焦到較小的範圍,忽略了與其他領域重疊介面上的差異,導致不同專業合作困難。例如,農業灌溉用水是台灣水資源的主要用途,要能有效調配管理水資源,就必須能把農業灌溉計畫的需求納入考量。而農業灌溉的需求與氣象條件及作物生理特性有關,要一位水資源供給管理專家考量納入作物生長特性分析與檢討灌溉計畫並不容易,因為他並無作物的專長。

另一方面,作物專家研究作物品種、耕作制度,以及在充分提供水資源下如何提高糧食生產量,但要其了解水文氣象特性、生活用水、工業用水特性等以取得未來可能的灌溉用水情勢,進行耕作計畫或品種調整也不容易。因此當水資源管理專家與作物專家合作要解決問題時,會出現兩個領域間知識的缺口與對話溝通的不良。

地球系統的演進在於適應環境,進而發展更好的未來,不管是自然生態系統或是人類社會經濟都是如此。水資源是生命的必要元素,要持續未來的發展,甚至是優良品質的發展,就必須清楚了解未來主要的挑戰。

社會經濟發展的影響

只要人類存在,必然追求經濟社會發展,經濟社會發展就必須有足夠與高品質的水資源供給。都市發展提供更好的維生設施與更多的經濟發展機會,世界各國都有人口往都市集中的趨勢,導致都市水資源需求越來越高。但在資源有限下,是否能支持持續的都市發展?或是否容許不斷新建設施以提高供水能力?都市規劃或土地利用規劃應該先評估與了解可用資源再規劃與管理發展計畫?還是應該先規劃經濟發展,再開發水資源以支援持續發展?

聯合國世界環境與發展委員會(World Commission on Environment and Development, WCED)在1987年發表「我們共同的未來」(Our Common Future),又稱為「布倫特蘭宣言」,定義永續發展必須「能滿足我們現代的需求,又不損及後代子孫滿足他們的需求」。要確保下一世代子孫能享有相同品質的環境服務,就必須先了解不造成環境退化的條件下可提供的服務資源,並在這資源供給承載力下規劃經濟社會發展。

桃園航空城是一個重要的經濟發展計畫,對桃園地區與國家都很重要。然而桃園是台灣水資源供給較不充裕的地區,在航空城規劃之初是否先考量水資源可供應的能力?還是規劃完再思索如何滿足其水資源需求?開發新水源或排擠其他水資源使用者?新經濟發展計畫是必須的,聯合國永續發展定義也強調滿足發展的需求,但在規劃發展之初就應考量資源供給與排擠作用對農業生產的影響、土地利用變遷對埤塘生態與微氣候的影響、社會文化的衝擊等。越大型社會經濟計畫的規劃發展越需要系統整合考量。

設施老化的衝擊

水利設施往往屬於大型設施或複雜設施,隨著時間會老化而影響其功能。為確保能提供穩定的水資源,水利設施的維護就很重要。在水資源系統裡,水庫是重要的儲存設施,扮演蓄豐濟枯的重要角色。台灣良好的建造水庫地點幾乎已利用完,然而隨著上游泥沙的逐漸淤積,現有水庫蓄水功能逐漸下降,莫拉克颱風帶來的一場暴雨風就減少了曾文水庫15%的蓄水容量,如何活化水庫、延長其服務年限是重要的水利課題。

此外,不管農業灌溉或民生用水都需配水系統傳輸水資源到使用者,如自來水透過管網把水從自來水處理廠輸送到家戶,然而供水管網會隨著時間老化,導致漏水率逐漸增加,在停供期間管線負壓也可能導致土壤汙染滲入管線,進一步影響家戶健康。都市自來水供給管網大都在地底下,並遍布各個角落,施工不易,對周遭生活環境也會有衝擊。如何有計劃地更新以減緩供水管網的老化與確保供水穩定,也是未來重要的議題。

氣候變遷的影響

過去20年來,全世界因極端天氣導致的災害事件不斷,強降雨的淹水與長時間降雨不足的缺水乾旱接踵而來,強度與頻率都有明顯增加的趨勢,因此科學界、各國各級政府與民眾開始重視氣候變遷風險評估與因應的重要性。政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在氣候變遷第五次評估報告(Fifth Assessment Report, AR5)中分別由危害、脆弱度與暴露來界定氣候風險。

危害事件可能包括乾旱、洪水、熱浪等,主要導因於自然氣候變異與人為氣候變遷所帶來的極端天氣;社會經濟發展則可能使人口與產業暴露於高危害區域而提高氣候風險,例如把科學園區、工業區、都市發展規劃於高淹水風險區域,或把工業區規劃於原是淡水資源供給不足的海岸地區。此外,脆弱度是指承受者面對危害的敏感度與調適能力,不同承受者對危害的敏感度不同,加上具備不同的調適能力,即使在受到相同危害程度下的氣候風險也會不同。

面對未來氣候變遷的挑戰,如欲降低氣候風險,有幾個主要的科學發展方向可以思考:如何適當規劃社會經濟發展,以避免暴露於高危害地區;如何發展調適能力(如善用地下水與雨水的方法、再生水利用與海水淡化等),以降低承受者的脆弱度;如何降低面對危害的敏感度(如減少水資源的需求以降低面對乾旱的敏感度),就可承受較高的危害;發展系統性治理方法,針對問題分析風險驅動因子,再據以導向性地提出解決方案,以有效維護自然生態系統服務功能與管理社會經濟發展。

跨領域研究的需求

經濟社會發展越高,不同領域間的關係就越密切。例如經濟社會發展會增加生活與工業的水資源需求,為滿足這需求必然會影響農業灌溉供給,進而影響農業生產,農村生活與生態環境也會受到間接衝擊。

此外,氣候變遷的影響程度大且廣泛,各個領域都可能受到影響。例如氣候變遷帶來的高強度暴雨會形成洪水災害,直接導致生命財產的損失與自然生態環境的退化,淹水也會間接誘發水媒傳染病的擴散,影響大眾健康。

另一方面,極端乾旱會直接衝擊供水需求。乾旱時期河川流量不足也會對水域生態產生直接影響,氣候改變也會直接衝擊人類健康。因此各領域都需釐清遭受的直接風險與受其他領域影響的間接風險,提出減低氣候風險的調適措施,也必須分析是否跟其他領域的措施互斥或互利,最後加以整合。

高度經濟社會發展加上氣候變遷所衍生的問題會十分複雜,必須有系統的程序與方法來釐清問題來源和提出有效與適用的解決方案,並建立執行計畫與監測修正機制。科技部推動的「台灣氣候變遷調適科技整合研究(TaiCCAT)」計畫發展調適能力建構六步驟,提供系統性的風險分析與調適方案評估程序,依序是:界定問題與設定目標、評估與分析現況風險、評估與分析未來風險、界定與評估調適選項、規劃與執行調適路徑、監測與修正調適路徑。

此外,在方法中探討如何推動跨領域研究,包括在第一步驟中如何在界定關鍵議題的過程,同時分析可能有關的其他領域;在第二與第三步驟分析風險時,則必須納入探討其他領域影響下的風險;在第四步驟界定與評估調適選項時,也必須考量與其他領域的互斥與互利關係,做為選擇調適行動計畫的依據。下一節以氣候、水資源、能源與糧食為例,進一步探討跨領域研究的重要性。

未來地球(Future Earth - http://www.futureearth.org/)是一個國際研究平台,提供科學知識與支援來加速我們的世界往更永續的未來發展。在這個平台下有許多相關計畫的推動,其中全球水系統計畫(The Global Water System Project, GWSP)希望透過科學研究確保水資源安全。

GWSP提出一個重要課題就是水資源、能源與糧食三者間的連結關係研究(water, energy, and food nexus, WEF),這三者是地球系統所有生物生存的基本元素,對人類社會經濟發展尤其重要,而三者間彼此有很強的關聯性。例如,供水系統從自然截取水、水處理、傳送乾淨的水到使用者都需要能源;水力也可應用來轉換成為能源,而且是乾淨的綠能。

另一方面,在糧食生產過程中,播種、收割、運送等都需要能源;在作物生產方面,可種植能源作物生產生質能源,能源作物與糧食作物在土地與水資源方面又有競爭作用。最後,不管是生長能源作物或是糧食作物,都需要充分的水資源供給來提高作物的產量,作物耕作制度也會反向影響區域水資源調配。

未來水資源研究不可避免地必須探討水資源、能源與糧食的跨領域關係。此外,氣候變遷也會影響水資源與糧食生產,能源使用則會影響溫室氣體排放,進而影響氣候等。因此,氣候、水資源、能源與糧食的跨領域研究是建構未來地球與未來台灣(Future Taiwan)重要的科學研究課題。

自然科學與社會科學的對話

自然科學在探索自然知識與問題的成因,並試圖提出解決的方案,然而實施解決方案的影響對象是社會大眾。自然科學是否真的針對社會關注的議題進行研究?研究成果是否真的解決了問題?採取的措施是否被社會接受而具有社會可行性?解決問題的方法是否納入了在地知識?除了在研究過程中是否有民眾或利害相關者參與外,在執行解決措施時是否考量民眾參與的共同承擔?哪些民眾或利害關係人要參與,如何參與和落實科技於社會?

以上的議題都需要自然科學與社會科學的緊密合作,重要的研究課題包括:透過社會網絡界定參與的利害關係人;透過轉換管理(transition management)納入利害關係人於決策過程中的環境治理模式,把科技轉換落實於社會應用,協助社會從現在的狀態順利轉換到未來具有永續性的狀態。

可預期未來世界會更加快速發展,除了積極環境保育與維護生態系統服務外,目前產業界正積極推動第四代工業革命,即整合相關元件,發展有智慧意識的新型工業,並納入服務顧客的需求考量進行產品客製化的產出。水啟動了第一次的工業革命,在即將到來的第四次工業革命中也會扮演重要的角色,如何有效率地探索問題與提出解決方案,必須有系統性的跨領域整合研究,其中氣候、水資源、能源與糧食的跨領域研究是最重要的科學研究課題。

自然科學研究在發現問題與提出解決方法,但要落實措施,就必須結合社會科學,界定利害關係人參與,並透過轉換管理的環境治理,使科技發展成果落實應用於社會,協助社會轉換到更永續的未來。沒有確保水資源安全,就無法確保人類社會的持續發展,也無法保育自然生態環境。水在人類歷史中扮演重要的角色,在未來的文明發展中也會占據關鍵位置,確保水資源安全才能支持發展高品質生活與優質生態環境。

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