科普旅遊實務——白冷圳

資料來源
60-06
文/陳正治、蘇明俊、林芷伊

 前言


臺灣在日治時期(1895-1945),因農業灌概之需,有三位日本的土木或水利工程師,專程為臺灣建造三條重要的水圳,分別是位於屏東由鳥居信平(Torii Nobuhei, 1883-1946)規畫設計建造的二峰圳;位於嘉南平原,由八田與一(Hatta Yoichi, 1886-1942)規畫設計建造的嘉南大圳;以及位於臺中市由磯田謙雄(Keno Isoda, 1892-1974)規畫設計建造的白冷圳。白冷圳是連結臺中市和平區大甲溪上游的白冷台地至新社區的一條水圳(圖1),此水圳是為日治時代遺留的靜態產物,提供新社、東勢、石岡等地區水源,為新社地區的生命之水,具民生用水、灌溉肥田之功能。


圖1. 白冷圳位置圖與灌溉區
(圖片來源:http://blog.ncue.edu.tw/ashin/doc/33952


由於新社台地位處高地,是良好的蔗苗養成場所,卻有地勢太高而缺乏水源的困擾,本文所提的白冷圳水利工程,於1928年開工、1932年完工,起點位於海拔555公尺大甲溪中游的白冷台地,終點在位於海拔531公尺的新社台地,落差約24公尺,水圳長度約16.6公里,每當碰上山峰溪谷,必須沿途建造隧道、水橋,與平原地區水圳有不同之處,可謂「遇山鑿隧,逢川造橋」,至今已成當地人飲水思源的象徵,也成了歷史活教材。臺灣總督府撥專款145萬日圓,請磯田謙雄負責設計規劃與闢建,完工後由臺灣總督府直接經營,為一條官設官營的埤圳,並設立蔗苗養成所,育苗分發至全臺灣推廣種植。

而今白冷圳水利工程現場設置展示解說看板,其中在描述科學原理應用的段落裡,標示了「倒虹吸管」一詞(圖2)。然而,從科學的專有名詞解釋,有應用大氣壓力(Atmosphere Pressure)與重力(Gravity)作動的虹吸管(Siphon),卻無「倒虹吸管(Inverse Siphon)」一詞。因此,從科普教育的角度而言,本文期望藉由科普旅遊的方式,嘗試帶領一般民眾理解何謂虹吸作用(或虹吸管原理),如果沒有所謂的倒虹吸,那白冷圳水利工程應用的原理又是屬哪一種?


圖2. 白冷圳水利工程的現場展示解說板標示著應用所謂的「倒虹吸管」字樣

 壹、名詞解析


一、虹吸管原理

虹吸(Siphon)是一種液體運動現象,可以不藉助泵(Pump)抽吸液體,卻藉由一根像彩虹般「n形」的管狀結構,此結構物即是通稱的「虹吸管」(圖3),經由一封閉水管,將位於較高位置A點的水,通過B點後,在更低的位置C點處流出來,使用的科學概念有大氣壓力與重力的交互作用。

如圖3,在虹吸管的上端開口處A點,向管內的壓力,為上端水受到重力往管口進入位置處推擠所形成的容器液壓;向外的壓力則為上坡段液柱產生的壓力。前者大於後者時,液體從上端容器被推進管口流到下端容器,形成虹吸。而液體壓力差是由液體向出口端落下引起,即C點重力向下導致B點壓力減小,然後液壓差配合大氣壓力推動液體流動。在通常情況下,虹吸現象的驅動力是大氣壓;但是在特殊情況下也會有其他原理成為驅動力。在實驗室條件下,一些虹吸管被用於真空環境下展示,表明液體的抗張強度有一定貢獻。


圖3. 虹吸管作動原理(資料來源:維基百科虹吸)

應用虹吸管原理的條件有三:
 

1.管內先裝滿液體。

2.管的最高點距上容器的水面高度(即圖3的hb),不得高於大氣壓支持的水柱高度(理論值1033.6公分)。

3.出水口必須比上容器的水面低(C點比A點低),這樣使得出水口液面受到向下的的壓力(=大氣壓力加水的壓力)大於向上的大氣壓力,保證水能流出。


依據上述虹吸管作動原理,不難想像,一根管內直徑約120公分,如此粗大的白冷圳鋼構水管,實不易有搭配可用的泵,在C點處吸氣將管徑抽真空。當然,如將管徑內事先注滿水,壓住管徑兩端,再同時鬆手,更是不可能的任務,因此,用「倒虹吸」一詞來解釋白冷圳水流運動,恐會造成某些誤會。

 

二、連通管(Communicating Tube)

底部相連的容器(稱為連通管),注入液體後,液體由高處往低處流,因為每個水管口的壓力皆相等,當液面靜止時,液面必定在同一平面上,與容器形狀、長度、粗細無關(圖4)。日常生活中的自來水供應系統、鍋爐的水位計和用透明塑膠管裝水來測定兩面牆是否等高,就是應用連通管原理的方式。


圖4. 連通管作動原理(圖片來源:https://www.amazon.co.jp

白冷圳的水流作動原理,應是連通管的運用,該條長16.6公里的水圳,因要配合高山、隧道與河川溝渠的限制,水管從遠處看,就好像是一條彎彎曲曲、忽上忽下的水管(如圖5),一端在高水處為進水口(即白冷台地)、另一端在低水位出的新社區,其中通過河川溝渠部份,水管呈「U型」狀連通管,即是在展示板上文字所述的「倒虹吸管(Inverse U-shape Siphon)」。白冷圳水源地位於海拔555公尺的大甲溪白冷台地,進水口位於水源地下方(A點)人工挖掘的涵洞及架設的水管,利用重力原理,水會往下流,但與水源需求地新社(H)之間,仍有高山與溪谷,如果溪谷河床寬度較大,水圳管線貼近溪谷沿著B點架設鋼構引道,在B、C點間(如阿寸溪),採U型連通管設計(即圖2所謂的倒虹吸管),通過溪谷再往C點爬升,並另擇適合通過山丘的D、E點間開鑿水圳管線通過的隧道,此時A點的海拔高度需大於D、E點,以確保水圳連通管可繼續往下流,當水圳連通管通過比較窄小的溪谷時(如麻竹坑溪),就在F、G點間架設供水圳通過箱涵式的渡槽,後來因921地震損壞重修,改為具美觀效果的紅色懸拱吊橋(Suspended Arch),再續流至水源需求地新社台地H點。


圖5. 白冷圳地形水路示意圖(圖片來源:林芷伊)


 貳、科普旅遊-白冷圳遊程安排


一趟科普旅遊活動遊程,考視主要活動地點及其週遭環境的連結,規劃一個符合科普旅遊的四個需求指標,即精神性、社會性、文化性與新知性,也就是融合知性與感性的遊程,比較容易吸引活動團員的旅遊興致。茲將以水為主題,取名「在水一方白冷圳的科普旅遊活動」,一日遊程如表1,俾供參用。

表1. 科普旅遊-白冷圳遊程設計與規劃


 參、科學概念應用與動手做實驗


一、團員的先備概念
本文活動的團員大部份是退休人士,年齡介於50至85歲之間,有關連通管與虹吸管的概念與應用,經現場採舉手方式調查,分別僅有15%與10%的團員知曉連通管與虹吸管的專有名詞,有關倒虹吸一詞,更是從未聽聞過。現場還有人提問水塔送水,是利用哪種科學原理?

二、連通管(Communicating Tube)的實驗
取兩個保特瓶,在瓶口相連接一條透明軟管,裝水進透明軟管中,不論兩邊管口如何移動,管內兩邊水位的高低都是一樣高(圖6)。日常生活中的熱水壺外可目視壺內水位高度也是連通管的應用(圖7)。


圖6. 樂齡族科普旅遊-白冷圳活動中,演示解析連通管的作動原理。


圖7. 連通管應用在判讀熱水壺內的水位。(圖片來源:https://slidesplayer.com/slide/11484598/

三、虹吸管(Siphon Tube)
依據前述章節二之(一),示範虹吸管的作動,並教導團員應用虹吸管原理,動手自製一個可攜走的公道杯(圖8至9)。公道杯是古代一種訓示人不可飲酒貪杯的瓷器茶杯,運用虹吸原理(Siphon Principle)製成的,主要是杯內暗藏一連接到杯底的中空細小的管道,利用管道內兩端液體壓力差的現象作動,當水倒入杯中且未達到中空通道的最頂端時,水並不會流出來,當倒入的水超過中空管道的頂端時,水就會開始流,而且全部流光了,教學操作影片網址如下:https://www.youtube.com/watch?v=jVqoVOl9SEE&ab_channel=MandarinChinese


圖8. 實體公道杯外觀


圖9. 公道杯內部結構 (圖片來源:http://www.gezhimei.net/4314.html


 肆、活動發現


國立科學工藝博物館承蒙科技部109年度科普計畫──「在水一方:水故事科學探究」的補助,限於篇幅,本文僅就民國109年12月初,組團前往白冷圳進行兩梯次科普旅遊活動,探索已列為臺中市政府文化資產之一,百年前建置的白冷圳水利工程,活動期間,在遊覽車上沒有高聲喧嘩與KTV唱歌,反而是團員滿篇的回響與感謝,簡述本活動扼要的發現如下:

一、精神性
白冷圳涵管建置在臺中市和平區與東勢區的山林間,前往山林旅遊自是一般遊客釋放生活壓力的選項之一,旅遊活動期間可以就近在新社品嚐引用白冷圳水源所種植的農作產品與香菇等特產。


二、社會性
臺灣因地理所限,每年冬季到春季旱季期間常有缺水之苦,開辦一條與水故事有關的科普旅遊路線,自會有其話題性,同時,在旅遊途中,亦可結交認識志同道合的新朋友。

三、文化性
一條百年前日治時期建置穿山越嶺的水圳,連結了日本、臺灣人民與政府之間友誼和情感的延續,當團員實地看到實體的白冷圳水利工程與幹管(圖10、11),甚至連年齡已逾80歲高齡團員之一張姓阿嬤,也親自手書對科普旅遊活動滿滿的感言與記錄(圖12),待參觀與解說完畢賦歸前,不論老少,都自動地與對臺灣農業灌溉巨大貢獻的日本工程師磯田謙雄的雕像拍照留念(圖13)。


圖10. 翻山越嶺U型連通管的白冷圳幹管


圖11. 力與美兼具的白冷圳渡槽 (圖片來源: 農委會農田水力署臺中管理處)


圖12. 年逾80歲的張姓阿嬤對白冷圳科普旅遊親手書寫滿篇感言與紀錄


圖13. 白冷圳科普旅遊團員與磯田謙雄的合照

四、新知性
一般民眾在學期間學過虹吸管與連通管,但是在日常生活中,就很少去注意這兩個原理的應用,甚至對旅遊景點中所展示的解說板內文,亦不詳加探究,藉由科普旅遊的行程,可以反思活動的內涵與意義。


 結語


鑑於新冠病毒在2019年末,以迅雷不及掩耳之勢來襲,許多與國內、外相關旅遊業務瞬間崩盤,無不坐等政府的的紓困與補助,逢此重大的遽變,如果旅遊業者能籌思另一款兼顧精神性、社會性、文化性與新知性等面向的旅遊活動,寓教於樂,寓教於遊,不也是開創未來疫情過後,旅遊產業復甦的新藍海與契機嗎?僅以此文,與同好者分享之。

 參考文獻
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陳正治
國立科學工藝博物館 科技教育組
蘇明俊
樹德科技大學 休閒與觀光學系教授
林芷伊
國民小學退休教師