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河畔取水–聯合運用地表水與地下水

台灣夏秋兩季經常有多起颱風光顧,雖然帶來豐沛的雨量,卻也因強降雨,雨水來不及滲入地底,使得大量雨水在地表流動,也夾帶了大量的泥沙流進水庫,造成水庫原水濁度飆升,淨水處理廠無法負荷,因而發生供水危機。
 
 
 

台灣位於太平洋颱風行經區域,夏秋兩季經常有多起颱風光顧,雖然帶來豐沛的雨量,卻也因強降雨,雨水來不及滲入地底,使得大量雨水在地表流動,也夾帶了大量的泥沙流進水庫,造成水庫原水濁度飆升,淨水處理廠無法負荷,因而發生供水危機。例如2015年蘇迪勒颱風造成大台北地區自來水黃濁,上百萬人的民生用水受影響,這段往事成為台北人揮之不去的夢魘。因此如何解決颱風期間水質不佳的困擾,是政府施政的重要課題。

 

交通大學環境工程學系葉弘德教授對這問題表示,河畔取水或可當成水源開發的選項之一,特別是在水庫原水濁度高的時候,可用以應急供水。這一說法的理論是,若在遠離河川的地區打井抽取地下水,恐使地下水水位下降,並有地層下陷之虞。在河畔抽水則不然,由於抽水井與河川相距不遠,取得的地下水有部分或全部來自鄰近的河川,避免了會過量抽取地下水的後遺症。

 

文獻資料也指出,若抽水井距離河岸30至50公尺時,來自河川的水因為土壤的過濾作用可有效降低水中濁度,所以取得的地下水有如處理過後的水源。

 

要知道河畔取水究竟有多少水量是來自河川,可透過地下水流理論來計算河水滲水量(stream depletion rate, SDR)。過去的研究方法因牽就於解析模式,所以大多假設河川是直線的,再用以計算SDR。其實河川流經下游平原後,因坡度趨緩,水流速度變慢,河道大都呈曲折或蜿蜒形狀。而水井也多位於平原地區,因此解析模式的預測結果與現地狀況其實有很大的差異。

 

另一方面,過去的解析模式為方便計算,大多假設水層具有無限的邊界,現地卻常碰到水井周遭有不透水層或鄰近河川,所算得的SDR或水位改變量因受到邊界效應的影響使其失準程度大增。

 

為解決上述問題,讓數學模擬結果可以更貼近真實狀況,葉弘德教授利用虛井理論(image-well theory)建立了一個新的數學解析模式,以估算鄰近蜿蜒河川抽水導致的河水滲透量。他沿著水層邊界或河川邊界等距離的位置,布設許多虛假井,透過疊加原理,虛假井可反應不規則邊界產生的諸多效應。「蜿蜒河道的虛井理論較接近無網格法(meshless method),與這方法不同的是虛井理論可考慮時間項,推算SDR或地下水位分布有接近解析解的優點,也可計算在任意時空的數值。」

 

葉弘德教授說,這一套方法可用於探討現地的河水滲透行為,因為水層和河川相連結,涉及的物理現象或變數相當多,例如大雨過後的水位起伏變動、河床透水性變異等,都可以用這方法分析。葉教授的研究團隊更進一步把這方法設計成一套電腦程式,使用者只要輸入與河床、水層特性相關的水文地質參數,就能迅速推算出與河水滲水相關的現地問題。

 

若能善用這套參考工具,可準確估算河川滲水量,讓我們能更妥善地運用地下水資源,也有助於解決水權的評估與判定。另透過分析,更能了解適合鑿井的地點,建立預備井可做為旱季備用水源;或者是當颱風侵襲,原水濁度高的時候做為應急供水,以緩解淨水處理廠的供水壓力。

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