隱身大地的晶瑩寶藏

資料來源
60-05
文/王郁軒

 雨量多卻缺水的臺灣


近年來,受到氣候變遷的影響,水資源出現空前危機。為了多留住一滴水,人們做了許多努力,可是,世界上許多地區至今依然面臨嚴重的乾旱問題。以臺灣來說,自去年以來,整體降雨量偏少,西部地區尤其明顯,致使各地水庫的水位直落,嚴重時,有些乾涸的湖底甚至成了綠油油的大草原,直到六月份幾波梅雨鋒面報到,旱象才獲得緩解(圖1)。


圖1. 乾涸已久的水庫成了一望無際的大草原,幸好梅雨即時報到讓旱象解除。(苗栗縣明德水庫)

世界各國的年均雨量不盡相同,可是雨水多不表示水源充足,臺灣一年平均雨量約為二千五百毫米,接近全世界平均值的三倍。不過,弔詭的是,當論及世界上哪些地區嚴重缺水時,我們居然榜上有名。

雨量多卻水源不足,與臺灣的自然環境有關。因為山地多,地形崎嶇,雨水流入溪河之後,就像溜滑梯似的流回大海,能夠被有效利用的比例不到3%!而且,各地的雨量分布並不平均,像東北部的蘭陽平原,一年中下雨的日子平均多達二百天,可是,西南部的平原地區,從冬天到隔年春夏,氣候型態卻都晴朗少雨,發生旱情的可能性就比較高。

為了留住水源,做到「未雨綢繆」,人們在溪谷興建水庫。可是,近年來,氣候漸趨極端,不是久旱不雨,就是超大豪雨狂炸。遇上長期乾旱,即使水庫規模再大,也只能坐吃山空,望天興嘆!但即便盼到老天降雨,若雨水一下子來的太多太急也是問題,久旱的土壤含水量低,顆粒鬆散,若山區水土保持又做得不好,在大雨衝擊下,大量的黃濁泥水流進水庫,水位看似明顯增加,但不少泥沙也跟著淤積在水庫裡,大大降低水庫的蓄水功能(圖2)。

正因為先天條件不理想,再加上人口稠密,農耕、工業和民生用水量大,缺水的陰影也就揮之不去。


圖2. 上游集水區水土保持沒做好,又遇上極端大雨,大量泥流進入水庫,使得水庫淤積。(桃園市榮華大壩)

 儲存水源的地下大水壺


缺水期間,大家關注的焦點都集中在水庫還剩多少水,不然就是想著「臨渴掘井」。的確,水資源並非僅來自於溪流和水庫,在自然環境中,天上降下的雨水,不僅會沿地表流動,還會滲入地下,形成地下水。

別以為滲入地下的水微不足道,根據專家研究估計,全世界的淡水資源大部分儲存在南極和格陵蘭的大陸冰河及高山冰川中,比例超過三分之二,次為地下水,約佔3%,其餘才是河川、湖泊等,顯見地底下蘊含了多少晶瑩寶藏。

大地有如隱藏版的水壺,地下水會儲存在岩石或土壤的縫隙裡,所以,孔隙愈多、愈大的地層,如砂岩、礫岩,就有如水壺的「壺身」,而顆粒細小的泥岩、頁岩,不容易透水,最適合做為「壺底」的材質。

有了壺身、壺底,那壺嘴呢?岩層的斷層、節理等裂縫,能夠讓地下水流出地表,便是地層大水壺的「壺嘴」。

在地面上,水由高處流往低處,而在地下,水則是由水壓高的位置流向低壓處。所以,某個地區冒出或抽汲的地下水,不見得是當地雨水直接滲入儲存的,極可能是雨水從其他較遠地區滲入地下後,在壓力作用下,沿著地層中的孔隙或裂縫慢慢流過來的。

只要水源區雨量充沛,不斷滲入地下持續補注,地下水就能源源不絕被「擠」過來。像臺北盆地四周環山,一年四季雨量豐沛,盆地底下的地下水,主要源自於周圍山地。而臺灣地下水最豐富的西部平原、東北部蘭陽平原、屏東平原、花東縱谷平原及埔里盆地的地下水,也都源自雪山山脈、中央山脈等高山。想像一下,雨水滲入地下後,沿著地層孔隙逐漸滲流到遠方的平原,需要多漫長的時間,所以,地下水真的是滴滴珍貴呢!

在地層中滲流的地下水一旦遇到與地表相通的裂縫,地下的巨大水壓便會將它「擠」出來(圖3)。在久旱不雨的日子裡,許多溪流、湖泊卻依然能夠保持一定水量,不至於完全乾涸,可能都與地下水從溪床、湖底的地層裂隙注入補充有關。不過,天然的壺嘴可遇不可求,所以開鑿水井抽取地下水,還是最普遍的方法。


圖3. 開鑿隧道不慎挖破地下水層,地下水便由此裂縫大量湧出,釋放壓力。(太魯閣國家公園水濂洞)

 地下水年齡的秘密!


地下水也是有年紀的!科學家會利用一種放射性物質「碳十四」來追蹤地下水的年齡。「碳十四」存在於大氣中,會不斷產生,也不斷被吸收。可是當它隨雨水滲入地下與大氣隔絕之後,便不再獲得補充,所以地下水在地層中待得愈久,水中「碳十四」的濃度也就愈低,科學家只要比較地下水和大氣中的「碳十四」濃度,就能推論地下水的年齡。

臺灣山區的地下水大多很「年輕」,顯示雨量充沛,水源不成問題。可是有些平原地區的深層地下水,年紀往往都在千年以上,表示地下水必須經過漫長的滲流才會到達現在位置。

這麼古老的地下水要是枯竭了,還得再花上許久時間才能獲得補充,所以研究地下水的年齡有助於規畫水資源的利用。

 地下的流動伏兵~伏流水資源


除了鑿井取水之外,利用地面下的水資源還有更積極的方法!有些離地面較淺的地層,具有孔隙較大或洞穴的特性,能夠讓賦存在其中的水快速流動。這樣的水體不像一般地下水流動緩慢,反倒類似在地面流動的河水,稱為伏流水。

人們經常從河川中游,或山谷支流匯入河川主流的沖積扇去尋找伏流水,因為這裡的地層主要由卵礫石構成,孔隙既多又大,溪水不僅在地表流動,也滲入下方地層,所以伏流水相當豐沛。只要沿著河道的橫剖面向下開挖,在河床底下的礫石層埋設擋水堤壩與引水隧道(圖4),便能匯集伏流水引接到鄰近村落使用。與溪水相比,經過層層過濾的伏流水還特別清澈呢!


圖4. 埋入河床底部礫石層的地下堤壩,可以攔截和收集伏流水。(屏東縣二峰圳地下堰壩模型)

另一種方法是在河道附近尋找地勢低平、透水性好的地層,開挖出一個偌大的滯洪池。當豪雨來襲河水暴漲,利用人工渠道或隧道將洪流引入池裡暫存。

不過,經過一段時日之後,大水池居然乾掉了(圖5)!但是這水可不是「漏光」,而是滲進土裡了。會挑選透水性好的地層儲水,就是希望水能滲入地下儲存起來,所以,這看似乾涸的大地早已儲滿了水。利用這樣的方式,能夠將洪泛期過多的雨水、溪水盡量儲存在地下,不再只是眼巴巴看著它奔流大海。

這種將水儲存在地下的水利工程,就是一種「地下水庫」的做法。


圖5. 洪泛期間,暴漲的溪水被引進透水性佳的滯洪池,一段時日之後,池水滲入地層,大水池看似乾涸,其實水早已在地下儲存。(屏東縣大潮州人工湖)

 有「溫度」的地下水~溫泉


一般來說,淺層的地下水,水溫大致接近常溫,可是,受到地溫梯度的作用,深度每增加一公里,溫度大約上升30℃,所以蘊藏在深處的地下水就可能變成熱水,這即是溫泉。若在板塊聚合帶,岩層受到板塊運動的作用力,或下部地層承受了上方厚重沉積物的擠壓力量,溫度上升會更明顯。

此外,在火山地區,地下深處的岩漿庫就是天然火爐,可以把儲存在地層中的地下水加熱,同時也溶入各種火山氣體,形成帶著濃濃硫磺味的火山溫泉,像陽明山和北投地區就有很多這類型的溫泉(圖6)。

在臺灣,水溫30℃以上,水中礦物質含量達到一定標準的地下水就是溫泉。但是含有許多礦物質的地熱蒸氣也算是溫泉。在臺北市的北投地區,人們開鑿地熱井,將低溫的山泉水或溪水灌入熱氣蒸騰的井裡,吸收火山氣體與各種礦物質之後,就成了滾燙溫泉,利用這種方式製造出來的溫泉也稱為人工溫泉(圖7)。

除了前述兩種形式的溫泉之外,如果地下水中含有豐富的二氧化碳,即使水溫未達30℃,也稱為溫泉。所以,像水中富含二氧化碳,曾經被用來做為彈珠汽水原料的蘇澳冷泉也算是溫泉喔!

和地下水一樣,溫泉也會從地表裂隙湧出來,許多溫泉區都位於溪谷,溫泉就從溪床咕嚕冒出來,這是因為這些溪谷大多位於斷層帶上,斷層是岩石結構破碎的不連續帶,容易被侵蝕成溪谷,所以,只要溪谷下方的岩層裡恰好儲存溫泉,便有機會從溪床裂縫冒出來(圖8)。


圖6. 透明又帶著神秘碧綠色的北投地熱谷溫泉。


圖7. 人們在臺北市北投硫磺谷開鑿地熱井,將水注入井中加熱並溶解火山氣體成人工溫泉。


圖8. 新北市烏來區南勢溪的溪床上冒出熱騰騰的溫泉。

 地下水不單單只是「水」


在自然環境裡,雨水從天而降之後,不論是滲入地下或沿著地表流動,都會溶解礦物質或氣體,如此一來,水就不只是單純的「水」,而成了水溶液。一般來說,溪水、地下水的礦物質含量大約介於數十到數百ppm (1ppm=0.000001)。如果水中的礦物質含量是100ppm,在二公升的礦泉水中,大約溶解了0.2克的礦物質。

別小看這微不足道的礦物質,它不僅是維持人體健康的必要元素,而且對我們的生活影響也不小。舉例來說,有些地方的水含有濃度較高的鈣和鎂化合物,稱為「硬水」。硬水加熱後,水中的鈣、鎂物質容易沉澱、附著在容器表面,形成一層白色硬殼,這就是俗稱的「鍋垢」。使用肥皂洗手時,硬水也比較不容易起泡沫。

有「硬水」就有「軟水」,如果水中的鈣、鎂化合物濃度較低,水質就比較「軟」,稱為「軟水」。雖然軟水喝起來的口感比較甘甜,搓洗肥皂時泡沫也較多較細緻,可別以為軟水一定比較好,國外醫學報告曾經指出,有些水質為軟水的地區,水中所含的鈣、鎂偏少,但鈉含量卻偏高,長期飲用可能會引發心血管疾病,所以水最好要「軟硬適中」,才能提供足夠的鈣、鎂等礦物質,維持身體機能。

值得注意的是,作為飲用水的地下水,必須嚴格把關,確認不含有害物質或微生物。別以為只有河流、大海會被污染,地下水若受污染了,不僅難以察覺,由於它循環、流動緩慢的特性,污染物質難以稀釋,危害更難估計與承擔。尤其是廣大農田被噴灑農藥、施灑化學肥料,或工廠惡意排放化學廢水,都會滲入土壤裡,影響地下水的水質,不可不慎啊!

 由導電度判斷地下水、溫泉的礦物質含量


礦物質溶解在水中能夠形成陰、陽離子,使得水溶液能夠導電,稱為電解質(圖9)。水中的電解質愈多愈容易導電,所以,只要測量水的導電度,便可知道水中含有多少礦物質。地下水和溫泉在地層裡經過長時間的循環,不僅溶解了較多的礦物質,而且在滲流的途中,水中所含的礦物質還會跟地層物質進行交換,水質也逐漸發生改變。

從潔淨水源的角度來看,水中礦物質愈多,表示「雜質」愈多,所以自來水的導電度當然是愈低愈好。可是如果是泡溫泉,可就不一樣了喔!許多人相信溫泉的療效源自於水中的礦物質,所以溫泉的導電度愈高,表示礦物質含量高,反而受歡迎呢!


圖9. 利用電導度計測量溫泉的導電度,便可推估溫泉的礦物質含量。

 永續使用地下水 解決水資源危機


地下水雖然「好用」,但也不能毫無限制的抽取。因為地下水流動緩慢,如果過度抽水,水源來不及補充,地下水的水位就會降低,甚至枯竭。更麻煩的是,地下水儲存在地層孔隙或裂縫中,一旦水位下降,原本充滿水的孔隙就成了「空」隙。少了孔隙水的支撐,只要上方堆積的泥沙層和建築物重量超過負荷,整個地區的岩層體積就會被壓縮而導致地層下陷。

最明顯的實例就是雲林、嘉義、屏東等縣沿海平原的地層下陷。當地許多房子因為下陷而矮了一截(圖10),有些村落的地勢甚至低於海平面,得依靠海堤、防水閘門等設施保護,才能避免海水倒灌。可是,每當颱風豪雨來襲,暴漲的溪水和海水還是湧進來,整個村莊都淹在水中。

數十年前,臺北盆地曾有嚴重的地層下陷現象,原因無他,當然也是超抽地下水。政府為了解決問題,一方面管制水井的使用,同時興建翡翠水庫。在水庫啟用蓄水之後,居民不再缺水,地下水位也逐步回升,地層下陷的趨勢明顯減緩。

只是,地層一旦下陷就無法回復。至今,臺北盆地西緣的蘆洲、五股一帶,仍留有不少濕地沼澤,正是當年地層下陷、積水無法消退的「遺跡」(圖11)。


圖10. 屏東縣沿海村落因為超抽地下水,使得房子下陷,矮人一截。


圖11. 臺北盆地西緣的五股、蘆洲一帶地勢低窪的地區,現在被規劃為大臺北都會公園,園區內不少濕地沼澤,是過去地層下陷積水不退的遺跡。

地下水鹽化又是另外一個大問題!在沿海平原的地層裡,地下水與海水其實是相通的。正常情況下,地下水的水壓和海水的水壓達成平衡。可是,地下水被過度抽取之後,水位降的比海平面還低,使得水壓失去平衡,加上海水比重比地下水(淡水)大,海水便會大舉入侵,讓地下水變鹹無法飲用。不僅如此,鹽分還會隨地下水滲進土壤(圖12),如此一來,連土地也難以耕種了。


圖12. 海水入侵地下水層,使得土壤含有鹽分,難以耕種。

想想臺北盆地化解地下水危機的成功經驗,再來看看遠在非洲的水源復育實例。辛巴威是非洲南部的內陸國,當地雨量遠遠不及臺灣,但是在環保人士銳意復育下,一小塊原本逐漸荒漠化的沼澤草原,竟奇蹟似的恢復綠意。

他們的方法並不複雜,就是利用移動放牧的方式飼養牛羊。

當地原本的情況是:牧場草原在牛羊啃食、踩踏下,變得寸草不生,溪流和水源即使到了雨季,也依然經常缺水。即便遷走了牛羊,情況也沒太多改善。

環保人士和學者思考非洲動物逐水草遷徙的習性,決定師法自然,讓牛羊先在草原的某一區域啃食,一段時間後,再由牧人驅趕牛羊到他處吃草,讓這塊區域的土地休養生息,如此周而復始。漸漸地,整片土地竟然再度綠意盎然,連乾涸許久的溪流都充滿了潺潺流水聲!

移動放牧為什麼能創造這麼神奇的成效呢?原因無他,就是順應自然、做好水土保持!因為有「土」斯有「水」,土壤裡有空隙,能涵養水份與空氣,只要讓雨水下滲、保存在地層孔隙裡,就有機會慢慢蓄積起來。

所以,如果我們一面興建水庫儲水,卻又持續把天然溪流整成水泥溝渠,並擴大都市水泥叢林的面積,讓白花花的雨水恣意漫流,無法滲入土壤,怎麼可能有效解決水荒問題呢?

管控地下水資源不再超限使用,絕對是當務之急,但另一項解決之道,就是讓土地透水且暢快呼吸!盡量回復大地原有的面貌,不再讓它們矇上水泥面罩。

而那些已經下陷的沿海地區,除了墊高建築物的地基或興建高腳屋避免再次淹水(圖13),也可以把積水不退或無法再耕種的低窪地整建為滯洪池,當雨季來臨時,就能夠容納泛濫的洪水,這就是這幾年大力提倡的海綿城市概念,也是大自然和諧共處之道。


圖13. 在地層下陷區興建「高人一等」的高腳屋,可以降低大雨引發的淹水災情,是適應環境的建築工法。

面對水資源問題,只要順應自然法則,常保永續經營的概念,我們一定能重新恢復水文與生態的功能,讓大地再次蓄滿滴滴晶瑩的水資源,為自己也為這個乾渴世界帶來希望!
 




王郁軒
臺北市國語實驗國民小學教師