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水與生活:水資源管理與生態環境

人類對水的量及質的需求愈來愈高,加上近年來氣候變遷造成降水趨勢變化的影響,可用水資源的開發及現有水資源的管理已成為民生的重要課題。
 
 
 
水是地球上一切生機的命脈。水生生態系統提供了許多物種的永久棲息地,也提供了食物(魚蝦植物等)、藥品、木材等產品,以及防洪、改善水質、生物多樣性等服務。人類的文明在利用水循環過程中,發展出儲水飲用、種植糧食、產生能量、製造工業產品等的能力,並減少如水災、旱災等自然災害的傷害,不過也破壞了許多的自然風光,以及讓許多適合生物生存的重要生態支撐體系逐漸退化。

雖然沒有人願意放棄可靠的供水和防洪基礎設施,但未來還是需要在人類用水的直接利益(工業、農業、公共供水)與間接利益(生態系服務)之間取得平衡。然而,在分配水的各種用途的過程中,經濟價值常是重要的影響因素。雖然環境經濟學家已經開發出一些重視生態系統功能的評估技術,但對水的倫理價值卻很難有效衡量,一方面要保護生物多樣性,另一方面要提供足夠的水供人類使用,實在很難找到兩全其美的方法。

水的控制

水是生物個體呼吸和光合作用中的重要因子,在地球上的總量約有14億立方公里,其中約41,000立方公里的水會在水文循環中轉換,其餘則長期儲存在海洋、冰山和地下含水層中。台灣每年平均有936億立方公尺的降水,但由於山高水急及降水集中的影響,只利用了約20%的降水。隨著科技的進步以及對生活品質的要求,人類對水的量及質的需求也愈來愈高,再加上近年來氣候變遷造成降水趨勢變化的影響,可用水資源的開發及現有水資源的管理已成為民生的重要課題。

為了克服降水的不確定性,人類建造了愈來愈多能影響水文循環的設施。其中對用水調度最有幫助的就是大壩的興建,直接改善了農業和確保民生及工業供水,近年更提供減少洪澇災害、蓄水發電,甚至發展觀光遊憩等的功能。

不過在這些水資源管理設施所帶來經濟利益的同時,也了解到在環境上所付出的成本,包括地層下陷、海岸侵蝕、海水入侵、物種滅絕等。這些問題讓更多人逐漸接受需要更多以生態環境為基礎,以不違反大自然運作的模式來管理水資源,同時維護人類與生態系統的利益。

雖然大家都認同大壩下游需要提供一定的流量,以維持河道內的生態環境,但很少考慮提供短暫的高流量給河濱的生態系統。在過去,周期性淹沒的河濱濕地生態系統提供重要的產品(如耕地、漁業、畜牧業)、功能(如地下水補給、養分循環)和屬性(如生物多樣性),這些生態系統促進世界各地幾世紀以來農村社區的經濟、社會和環境安全。

洪水對魚類洄游和泥砂運輸也非常重要。水庫降低了洪水的大小和發生的頻率,以保護下游的城市地區,但也改變了生態環境,造成諸多影響,如阻止了水中生物的遷徙行為、改變營養物的供應、河川泥砂的傳輸等,使其降低提供人類自然服務的好處。而近年來以一些水庫高流量的管理操作恢復和保護下游濕地生態系統,對生物多樣性和生物生產力有很大的助益。

水與環境

近年來,我們開始反思人與環境之間的關係,一個重要的核心原則是人的生活與環境有著深刻的相互聯繫,地球上豐富的生物、化學和物理多樣性是生態系統的重要基石,種種的生態過程讓地球可適合各式各樣的生命,提供了我們食物、呼吸的空氣、水源及很多生活必需品。

1991年的都柏林會議談到了水的永續發展,結論是「由於水維繫著一切生命,水資源的有效管理需要一個全面的方法,使社會和經濟發展與保護自然生態系統連接,在開發和利用水資源的先後考量時,必須同時考慮人類基本需求的滿足和生態系統的保護,在確保生態系統的完整性下才可達到水的永續發展」。

例如,如果要維持穩定的水源,上游生態系統就需要保育,管理良好的森林和草原在雨季可減少逕流,並增加土壤入滲至地下蓄水層,同時可減少水土流失;在下游也需提供足夠的流量,使下游生態系統同時提供寶貴的生態資源。

思考要提供多少環境流量給溪流,已不再局限於生態環境的面向,考量一個環境維護流量應是河川水流提供支持保留關鍵環境進程或服務的自然過程,應包含維持河川娛樂和美學的功能、維持河床底質顆粒大小及其流動性、渠道維護流量、保持渠道的縱向連續性、維持河道功能和棲息地、洪氾平原的維護、伏流水區帶的維護、濱岸植被的維護等不同面向。

水功能與生物多樣性

森林或濕地等的自然生態系統,可在水文循環中扮演重要的角色。植物促使水入滲到土壤中,增加地下含水層的補注,降低洪水風險和穩定土壤,從而減少水土流失;森林會帶走水分並釋放到大氣中,促進了水文循環。而如洪氾平原、沼澤等濕地系統可負起在洪水期間滯洪、營養物循環和補給地下水等的重要水文功能;濕地系統也提供重要的水質淨化功能及擁有豐富的生物多樣性。

在水資源管理中,考量自然生態系統應不只是針對單一物種的特殊用水需求,應對不同物種的用水需求多做了解,再整合以達到系統性的管理。對人類而言,自然生態系統提供重要的產品(如食物、林木建材、藥品等)及服務(如地下水補給、固砂防洪、水質淨化、微氣候調整等),可換算成金錢的產品比較容易被了解接受,不易換算成金錢價值的服務常常被人忽略,生態系統服務(ecosystem services)在水資源管理與規劃時應更全面地納入比較考量。

生態水資源管理的單位基本上是以各個河川流域為主,同時考量地表水和地下水;管理的目標是整合所有環境中重要的物理、化學和生物成分,並與社會、經濟、體制等因素的相互作用。這需要整合山地、旱地、森林、濕地、湖泊、河流、地下水、住家、農業、工業、交通、垃圾處理和任何對環境的影響,以期達到有效供水、減少洪水、補充地下水、改善水質、保存生態完整性等的功能。

許多生態系統包含了多樣的物種及大量的生物個體,其中水的多寡往往是生物多樣性的關鍵控制因素。河川濱岸的洪氾平原區域常是許多魚種的生育棲地,但由於堤防建設及相關的水利工程設施限縮了洪氾平原的區域,淹沒的高度及時間也隨之改變,對濱岸生態系統造成很大的影響。另一個未受重視的是海岸生態系統,為了有效利用每一滴水,有些水資源管理者甚至認為流入大海的淡水是一種浪費,但這些注入海岸濕地的淡水除影響鹽度外,也會對區域內的生物群落組成產生衝擊。

訂定環境及生態系統用水需求

生態系統及其各組成物質的水需求一直是一個複雜的問題,是世界各地非常關切的研究課題。早期大部分的焦點一直是最小的流量要求,認為只要維持一定的低流量就可以讓溪流生態系統維持一基本的狀態。

但由於許多物種在其特殊生活史階段需要高流量或洪水,例如某些植物在其早期生長階段,每年需要高流量浸沒底部一段時間,而這高流量還帶來了重要營養物質以供其生長所需;有些魚種則要在溪水有一定深度時才會產卵繁衍後代,或要利用高流量時的洪氾平原區域繁衍後代,多樣的流量變化特性才能使溪流生態系統有更高的生物多樣性。

而物種多樣性及豐富度和河川流量高低直接的量化對應關係,是水資源管理者最關心的課題。但由於各物種族群數量本來就有自然波動變化的情形,再加上缺乏長期研究調查的資料,這一量化對應關係並沒有辦法獲得。未來需要更多生物生態研究的投入,才能更明確地了解物種的用水需求。

水庫等水工結構物的建設改變了河川原有的自然流態特性,使河道中及濱岸的棲息地產生變化,而對溪流生態系統造成很大的影響。在人類開始大量取用溪水的同時,要求保留適當流量以提供河川的溪流生態系統所需的想法,已漸漸地在世界各地展開。

Tennant在1976年就認為「在溪流中截取千萬年來維繫水域生態環境生命的每一滴水是一種違背大自然的罪惡行為」,而提出保留一定百分比的年平均流量給河川的Tennant法。雖然陸陸續續發展了許多不同的方式,來求得這一維繫溪流生態環境所需的最低流量(如日流量延時曲線法、濕周法、集水區面積經驗法等),但是目前最為廣泛應用且認為是考量物種棲息地需求的方法是河川內水流量漸增法(IFIM)。

IFIM是美國漁業及野生動物署(U.S. Fish and Wildlife Service)研究發展而成的,考量的是以指標物種(通常是魚)對不同河川流速、水深、河床底質等環境條件要求的適合度,探討流量變化時所能提供適當的棲息地環境比率對應變化的情形,以決定溪流生態環境系統適合的最低流量。這一考量維持河道內最低流量的方式,由於操作上的簡易特性,配合美國漁業及野生動物署發展的物理棲地模式(PHABSIM)等方式,目前已廣泛被世界各國所應用。

相較於應用最低流量的流量管理方式,自然河川流態的概念在20世紀末提出後,便開始逐漸地應用在水資源的管理上。不過由於流態流量管理的動態變化特性,在操作上有一定的複雜性,多以利用水文指標分析的方式來探討。流態式的河川管理概念強調的是藉由流量的自然變化特性,造成棲地環境的多樣性,進而提供生物多樣性發生的潛能,而達到滿足河川下游溪流生態系統對水的需求。

環境流量更進一步的發展就是結合各領域的專家合作,以適應性管理的方式決定環境流量。針對美國沙凡那河(Savannah River)流域,就曾邀集水利主管機關水資源管理人員、水利學者及生態學者、民間團體等權益關係人共同討論,在檢視相關生態文獻後,以候鳥遷徙、產卵及築巢、白扁柏種子傳播與發芽、魚類產卵及溯游等在生活史不同階段所建立與流量變化的生態模式為基礎,建議沙凡那河分別在豐水年、平水年及枯水年各月分在高流量與低流量時應有的環境流量,後續配合生物監測並持續開會,以達到適應性管理的目的。

水資源管理

由於都市化的過程,人類為了取用水源而在河川上建了許多水工結構物,使得滿足溪流生態系統的自然河川流態的區域已逐漸不存在,棲息地型態也隨之產生很大的改變,並影響了溪流的生態系統。未來在水資源管理的過程中,必須考量結合自然河川流態的本質,以維持溪流生態系統的結構性及功能性的基本運作,而建立一生態河川流態以保留一些自然河川流態的特性(如季節性、不同強度的洪水、年度及月的流量大小及高或低流量事件的延時等)。

因此生態河川流態是設計來維持、保護及復育河川中的生物過程、地形過程、物理過程、化學過程等,以維護溪流生態系統的流態流量管理方式。不過由於流態流量管理的動態變化特性,在操作上有一定的複雜性,目前多以利用水文指標分析的方式探討。近年來已有利用生態河川流態訂定的生態系統需水目標,以流態觀念探討同時滿足生態用水需求及人類用水需求多目標水資源的水庫操作管理策略,目前還在研發階段,如何在水文的變化性及管理的複雜性找到平衡,是考量生態環境水資源管理的重大目標。
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