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水域生态工程学
水質自然淨化工程的規劃
第17章生態工程的實踐—人工濕地
第18章規劃裡的人員專長
第19章場址的選擇
第20章初步的設計與評估
第21章生態風險的考慮
第22章自然淨化工程種類與選擇
第23章自然淨化工程生態棲地功能的兼顧
第24章自然淨化工程規劃與民眾的溝通
第17章
生態工程的實踐—人工濕地
生態工程學在歐洲的發展,源自瑞士的景觀設計師阿曼(GustavAmman,1885-1955),他在1930年提出一個有趣的問題:
「人所設計的所建造的,應該向大自然開放?
還是向大自然關閉?
」他的立場在開放的那一邊,在瑞士、法國、義大利設計建造出一系列的花園、庭院,所用的線條與周遭的景觀協調、所種的植物凸顯出大地的特色,工程的布置交織在大自然的經緯,他稱這是「讓人在人為的建造裡看到並體驗到大自然」。
這句話成為歐洲生態工程的特色—擬自然(mimicnature)。
德國西弗特(AlwinSeifert,1890-1972)教授將這觀點引進,他當時主管納粹的營建部。
希特勒政權是歷史上的負面,仍有正面的部分,就是接受西弗特的建議:
「讓大自然進入德國的都市建造與規劃,將使德國下一代的年輕人更強壯。
」1934年,這成為德國土木工程的特色,讓工程與大自然連繫,不只是在都市建造與社區規劃,而且逐漸延伸到溪河整治。
人工濕地的開始
納粹在德國戰敗滅亡後,新政府仍繼續推動工程與大自然的結合。
1953年,德國馬克斯‧普朗克協會的研究員賽德樂(KaetheSeidel)女士就開始發表一系列的研究報告,以實驗證明至少有240種以上的水生植物能吸收水中的氮、磷、增加水中的氧氣、中和水中的pH值、移除過多的鹽類、減少有毒物質、抑制水中病菌與藻類等。
她提出:
「植物不只供給動物生長所需的食物,而且提供動物生長的理想環境…所以溪水邊的植物不是徒然生長,而是有其保護水域的功能。
」
她特別強調,莎草科的植物水莞(Schoenoplectuslacustris(L.)Palla)與禾本科的蘆葦(PhragmitescommunisTrin)最能除去水中的有機質。
這個論點後來成為兩大型態濕地—自由表面流(FreeWaterSurface,FWS)濕地與地下水流(SubsurfaceFlow,SSF)濕地處理污水的依據。
蘆葦也成為普世濕地處理污水最廣為使用的水生植物。
人工濕地成為河川棲地復育的工法
1970年代,最著名的河川復育工程之ㄧ,是德國西南部Stuttgart城附近Murr河的重回大自然(renaturalization)工程。
Murr河介於德國黑森林與茲瓦本峰之間的平緩地形上,茲瓦本是石灰岩地質,遇水較易溶解成蝕穴,所以從黑森林集水區流下的河水,沿途的滲流量很大,河川的流量遽減,在山谷中蜿蜒流動,留下許多淤積平原。
在1840年,當地人就將河川截彎取直,以較大的坡降,讓洪水時水流能快速通過,將淤積泥砂沖到下游的萊茵河。
過了約一百年,他們才開始了解過去的錯誤。
乾旱時,Murr河水很少,兩岸的地下水為了補注枯水期時的河川水位,地下水位顯著下降。
造成岸邊城市取水的困難,加上溪流平常水少,淤積泥砂反帶不走,周遭河水平原陸域化,水中生物逐年減少。
這裡居民最早做截彎取直的工程,也最早警覺到改變原來溪流的危機,於是提出重回河川原來狀態的復育工程。
他們要重建這條溪流,並定下三個原則:
豐水期的水儘量留下來;以水邊低灘當作蓄存洪水的地方;不是任憑水生物逐漸消失,而是讓過去曾在溪流的水生物可以重返此地。
更重要的,他們有一個目標,要將這條河川的復育,重擁自然生機,當做該地方「文化的特色」,成為該城市的景觀規劃。
整治Murr河重歸大自然的工程經驗,後來成為1990年代德國整治萊茵河鮭魚回溯工程的基礎。
如今這些河流都成為德國最具特色的水域,不僅魚類與水生昆蟲可以回溯,地下水位也回升,也成為自然景觀聞名的地方。
生態系統與人工濕地的關係
生態系統(ecosystem)是將生物與其周遭的環境,視為一個整體考量的對象,在生態系統內生物群落與環境是互相影響,這成為一道門戶,向改善環境的工程師敞開,藉以改善生物棲地;或藉由改變生物群落來改善環境。
構成一個生態系統有五個條件
(1),分別是:
土地的面積:
在這土地內包括有外來能量與物質的輸入、能量的代謝、物質的轉換,與末了的輸出,生態系統一般是以自然地理的邊界來區分。
能量的代謝:
這包括經過生產者(如藻類與植物,經由光合作用吸收光能,異營者將生產者攝食分解,末了形成熱的方式輸出,或是成為有機質儲存能量累聚在系統中。
根據熱力學第二定律,代謝後產生的能量成為熱,無法再被利用。
物質的轉換:
有機質轉換成二氧化碳與水,營養成份轉換成磷酸鹽、硝酸鹽等最基本的無機營養份,不同於能量無法再利用,物質可以在系統中循環再利用。
群落的關鍵:
生物群落有自營與異營,在食物鏈上有生產者、消費者與分解者,生態系統內部的穩定,維繫於自營作用的量與異營分解的量相等,或端賴消費者多層消費,初級消費者、二級消費者、三級消費者……等,愈多層消費,對輸入系統的能量與物質的使用效率愈高。
時間的演替:
由於生態系統的輸入是動態性的變化,系統內的生物群落也會隨之演替、改變。
在河濱灘地上,這五個因子同時存在,就能架構成生態系統。
甚至一個人工濕地就可能包括一個以上的生態系統,有的局部是好氧性生態系統,有的局部是厭氧性生態系統,綜合起來是一個有效處理污水的自然系統。
不過,生態系統仍需有足夠的空間供自營與異營,或生產者、消費者與分解者有不同的區隔或分區,以使分解更徹底。
因此,常以同一河流相似水文或地理條件去作生態系統分區。
營建河濱灘地的人工濕地,是將更多的污水引入灘地,等於是給系統提供更多的輸入物質,以佈置礫石、栽種水生植物,是為了加速能量與物質的代謝,而達到去除污水的果效,因此生態系統營建成為環境工程師介入生態領域的入口。
而且生態系統代謝愈快,氧氣的變化量愈高,或生化需氧量的去除率愈大,而且污水水流在系統的時間愈短,生態系統對於污水自淨作用的評估,竟是與環境工程設計與評估的指標:
生化需氧量去除率與水力停滯時間(hydraulicretentiontime)一樣。
以污水處理的觀點,這兩項參數代表污染去除率與濕地人為操作的關鍵參數,以生態學來看,這正代表系統代謝的速率,因此生態系統作為自然淨化之用,是人可以與大自然一起去參與,這也是造物者起初賦予人的責任。
植栽濾床人工濕地建造案例
國別
地名
水域
串聯數
長(m)
寬(m)
深(m)
濾料直徑(mm)
水力停滯
時間(日)
植栽
備註
紐西蘭
(1)
Hamilton
8
9.5
2
0.4
10~30
1.95~6.54
莎草屬
德國
(2)
Berlin
10
6.2
-
1.0
0.1~0.2
-
-
斯洛伐克(3)
Prague
4
-
-
0.6~0.8
8~16
-
蘆葦屬
每一濕地面積300m2
土耳其(4)
Kacaeli
-
3.5
1.5
0.3
1~5
0.25
蘆葦屬
英國(5)
Portsmonth
1
100
1.4
0.22
10~20
0.76
蘆葦屬
底床坡度0.01
註:
(1).Tanner,C.C.,1994.Treatmentofdairyfarmwatersinhorizontalandup-flowgravel-bedconstructedwetland,WaterSci.Tech.Vol(29),NO.4,p85-93。
(2).Platzer,C.,1999.Designrecommendationsforsubsurfaceflowconstructedwetlandsfornitrificationanddenitrification,WaterSci.Tech.Vol(40),NO.2,p257-263。
(3).Vgmazal,J.,2002.Theuseofsub-surfaceconstructionwetlandforwastewatertreatmentintheCzechRepublic:
10yearsexpiration,EcologicalEngineeringVol.18,p633-646。
(4).Ayaz,S.C.,andL.Akca.2001.Treatmentofwastewaterbynaturalsystems.EnvironmentalInternational.Vol.26,p189~195。
(5).Williams,J.B.,E.May,M.G.FordandJ.E.Butler.1994.Nitrogentransformationsingravelbedhydroponicsbedsusedasatertiarytreatmentstageforsewageeffluents.Wat.Sci.Teach.Vol(29),No(4),p29-36。
參考文獻
1.Odum,E.P.,andG.W.Barrett.2005.FundamentalsofEcology.ThomsonLearingCo.U.S.A.
第18章
規劃裡的人員專長
生態工程最大的特徵~一群不同領域的專家在一起工作
大自然是個開放性的系統,有地域性的變異,有時間上的動態,有難以預測的氣候變化,所以在大自然之下的工程,風險會增加。
沒有一個人或一種專業,或大學裡的一個科系,能夠了解大自然裡所有錯綜複雜的現象。
因此,愈是長期暴露在大自然之下的工程建造,愈是需要一支跨領域的團隊,一起合作。
濕地建造的最終目的,是在有限的土地上,建造一個理想的生態系統。
只要生態系統穩定,就可以發揮所要達成的目標,如水質淨化、生物棲地等。
生態系統是由水、土、空氣、植物、動物與人所組成,濕地工程不過是建造一個平台,去讓每一部份的功能得到發揮。
因此濕地建造的第一個關鍵問題是:
「工作團隊裡有哪些成員」?
許多濕地建造失敗、不符預期、迅速被大自然摧毀,或是花費過多的經費,經常是工作開始進行時,缺乏某領域的專家或工程師,以致考慮不夠周詳。
成功的濕地建造需要涵括五種領域的專家,分別是:
濕地工程專家
濕地工程專家是工作團隊裡的必須,濕地要如何選擇場址、規劃、建造、操作、試車、完工、維護、監測、教育與管理,都在乎他的全程參與。
工作的目標是否根據既定,工作的方法是否正確,工作的執行是否合宜,也在乎他。
成為一個濕地生態工程專家,至少要有濕地生態的教育背景,能了解自然淨化的原理,有喜好生態的理想,有工程的訓練,又能了解大自然不確定的實際,並能與其他領域的工作成員溝通,聽得懂他們的專門術語,知道他們的想法,統整團隊,以將濕地建造妥善地放入合乎大自然的框框裡。
水文專家
「水」是濕地裡最主要的要素,水的引導、停留、排放,水量的多寡,水質的特性,水源的穩定,構成濕地的水文特性。
不同濕地型態、面積、水深、水流停滯時間、水質淨化速率、污水負荷量與日後維護管理的方式,都受水文條件的影響。
在建造濕地以前,濕地工程的規劃若是與水文因子相違,將增加工程進行的困難度,日後不易維持。
水文是自然大尺度的變化,濕地是工程小尺度的建造,不要用小尺度的建造去對抗大尺度。
在濕地工程進行的初期,特別需要水文專家的協助,評估當地的降雨量、入滲量、地下水位、蒸發散量、地表逕流量,與淹水的機率。
甚至需要推測未來完工以後,濕地對於當地水文的改變。
難怪,生態工程的大師米契教授與奧亥俄大學威爾遜(R.F.Wilson)
(1)共同提出,濕地營造最重要的考慮,也是首先要注意的,是當地水文的特徵,尤其在河川灘地建造濕地,必須評估洪水量的變化。
土壤專家
土壤是濕地的第二個要素。
濕地的建造會用到不同的土壤,若為濕地底部防漏,土壤質地要細;為供水生植物的生長,土壤要肥沃;若為生物膜的附著,土壤的表面積要大,甚至用礫石來鋪設;若為減少濕地周邊地表逕流,土壤要多含有機物。
這些土壤的使用,需要有土壤領域專家的參與。
近代濕地建造的專家哈默(D.A.Hammer)在所著的「淡水濕地的建造」(CreatingFreshwaterWetlands)
(2)一書中提到:
「濕地是建造在土地上,濕地建造最重要的材料是土壤。
」可惜這一部份常被忽略,土壤處理不當,以致濕地建造的成效大打折扣。
植物專家
水生植物栽種是建造濕地的第三個要素,濕地淨化污染質的主要機制,在根系供生物膜的生長,將氧氣自空氣中傳輸到根部,分解有機質與促進硝化作用,植物根系也吸收部分營養源。
美國環保署的蘇利文(G.Sullivan)博士提出(3)濕地水生植物栽種與管理,是建立穩定濕地的基礎,也是發展生態系統自我維護功能的主要方式。
蘇利文博士繼而提出,在濕地栽種水生植物,並不是將各種水生植物填滿濕地的水域空間,而是要有「栽種規劃」(plantingstrategy),包括:
植物栽種的空間設計,選擇的植物種類,種苗的來源,繁殖的方式,種植的時間,種植的技術,種植的位置,採收的頻率與避免引進外來種,減少對於當地生物的影響。
這些建議,皆有賴植物專家仔細的籌畫。
土木工程專家:
土木工程是架構出濕地的硬體,這包括地形的測量,土方的計算,水工結構物的佈設,處理後的排放,周邊的道路,馬達抽水與配電線路等。
美國土木工程師學會資深工程師葛比特(R.A.Corbitt)與波恩(P.T.Bowen)以三十年的施工經驗,提出利用濕地自然淨化污水與污水處理場最大的區別,前者具有高度的彈性,是土木工程師需要學習評估與重新參與的「機會」。
(4)
其他的專家
除此之外,不同的濕地呈現,還可以再加入其他領域的專家,例如,有的濕地為了野鳥的保育,可加入動物專家;有的濕地為了大眾教育,可再加入環境教育或大眾傳播者;有的濕地兼有原住民文化呈現,可加入人類學者;有的濕地為了提供大自然觀賞屋
或人行步道,可加入建築師;有的濕地擔心有蚊蟲滋生的問題,可加入昆蟲學者或公共衛生專家。
大自然運轉的機制,是建立在不同物種存在一種「互助」的關係。
為此,人類長期發展出來不同的專業,也應該有個合作、互助的空間,而濕地建造正是提供這種機會,讓一群專家一起來為工程的進行思索,使人類對大自然的破壞降到最低,將自然資源的永續管理發揮到最高。
這是生態工程的目的,所以一開始就讓這些不同專長的人,同負一軛吧!
參考文獻
1.Mitsch,W.J.,andR.F.Wilson.1996.Improvingthesuccessofwetlandcreationandrestorationwithknow-how,time,andself-design.EcologicalApplication.Vol.6,p.77-83.
2.Hammer,D.A.,1996.CreatingFreshwaterWetlands.CRCPress,Inc.U.S.A.
3.Sullivan,G.,2001.Establishingvegetationinrestoredandcreatedcoastalwetlands.p.119-155.Chapter4.HandbookforRestoringTidalWetlands.CRCPress.U.S.A.
4.Corbitt,R.A.,andP.T.Bowen.2000.Constructedwetlandsforwastewatertreatment.Chapter10.AppliedWetlandsScienceandTechnology.CRCPress.U.S.A.
第19章
場址的選擇
選對場址是生態工程規劃的關鍵
並不是所有的地方都適合進行生態工程,生態工程也不能解決所有地方的問題。
工程進行之前最有智慧的作法,是審慎選址,發揮工程進行的目的。
選擇場址,很難給出一套標準公式,因為不同地區,有不同氣候,不同生物物種,不同水文等因素。
不過一般而言,濕地的選址,需要考慮以下八個因子:
土地的所有權
有權使用土地,是所有濕地建造第一個考慮。
合法使用的地方,可能是公家土地、直接向地主購買,或是長期承租。
此外,土地的合法使用,也需要注意地面下有無自來水管路、污水管路、瓦斯管、電纜線通過,或地下垃圾掩埋、地下停車場、古蹟、儲油槽。
濕地的上空也需要注意,避免吸引來的水鳥成為撞擊飛機的禍首,為此建造濕地的場址最好遠離飛機的航道,或是避免接近飛機場。
野鳥也可能攜帶禽流感病毒,威脅人畜的健康,因此濕地的場址,最好座落於市郊或是城市的邊緣,遠離人口稠密區或通風不良的地方。
濕地場址需要有道路接近,否則日後施工機具、土方將不易進出。
若為了建造濕地,另再開挖道路,租購土地以供道路,費用將增加。
為了便於進出濕地,濕地場址不宜設在車流量或是車道密集的地方,以免影響行人進出。
這些知識看似平常,但是常被忽略,以致過去台灣有居民抗議他們社區的一大塊空地,被移作污水處理;有民間組織要求增加濕地維護補助,否則土地將不續租;有濕地的入口,行人必須在路邊站五、六分鐘,才能有穿過車流如梭馬路的機會;也有濕地,一邊有人在慶祝大量的候鳥前來棲息,另一邊農民在抗議,野鳥吃掉了他們辛苦種的稻穗;有喜好濕地的保育人士,要求附近機場的飛機起降,要配合鳥類的活動,早上與黃昏皆不宜飛行;也有濕地建造在集水區的上游,施工造成的地表沖刷,溪流泥濁,蝦蟹匿跡。
這些案例皆奉生態工程之名而為之,忽略了起初濕地選址的重要,造成事後的糾紛。
土地的使用狀況
大地是大空間上的尺度,濕地是小空間上的尺度。
大小尺度之間一定有所關連,否則工程進行將花大量的力氣,在對付濕地場址與周邊土地不連續的關係。
丹麥尼爾斯‧波爾研究中心巴克(P.Bak)教授在所著的「大自然如何工作」(HowNatureWorks)
(1)一書中提到:
「大自然不同的尺度,力量是呈指數的變化在工作」。
以小尺度的規模去對抗大尺度,這種濕地建造一開始就註定失敗。
例如,在溪流的下游建造濕地,最容易產生的問題是溪流中上游的懸浮性顆粒,流入濕地,沈積阻塞,使水深變淺,這是台灣河川下游濕地最常見的問題─「陸域化」。
在起初選址時,就要考慮這項風險。
在淺層地下水較高的地方建造濕地,周遭的地下水很容易進入濕地中,如果這種濕地是作為污水處理之用,地下水進入將減少污水處理的成效。
地下水中若含有較高的鹽份,對濕地栽種植物將產生鹽份逆境,抑制水生植物生長。
地下水量如果豐沛,將使濕地建造時需要不斷抽出滲入的地下水。
土地的地圖與坡度
土地的坡度決定濕地的面積、水路配置與接受水源的方式,是靠動力?
或需要靠馬達?
由於濕地的水淺,一般都在平坦的地面上建造。
為了解濕地內水流的流動,濕地場址要有高程測量,最好有等高線圖,以作濕地設計的依據。
若缺土地測量,要依靠1:
5000尺度等高線的地型圖,用手或用電腦標繪出濕地的位置,由此就可以判斷整個坡度變化。
地理資訊系統(GIS)能提供具有座標的精確地圖,尤其濕地建造的場址,可能位於河口、海濱、積水、洪水平原,溪流灘地等,人不易進出,用地理資訊系統,可以得到人造衛星所提供場址許多的資料。
奧亥俄州立大學土木工程系里昂(J.G.Lyon)
(2)教授推薦用此方式初勘場址,甚至取得呈現水─土─植物的精確地圖。
低空飛機航照相,或是遙控直升機在場址上空近距離攝影,是取得精確地圖的另一途徑,所攝得的照片不僅可以加上座標,而且可由彩色照片判讀植物生長分佈、地表土壤特性與水流空間分佈,對於濕地場址判斷甚有幫助。
另有較克難的方式拍攝場址照片,如到附近大樓的樓頂,或是登上周邊山上的山頂拍照。
但在實際進行上,上了屋頂,有時被誤有不當企圖;頂樓之門被風吹動,若是反鎖,則要大力敲門,呼人搶救。
上山頂拍攝也不容易,有時勉強上山,山上竟是個軍事基地,還被憲兵趕下山去。
土壤狀況
對於一個了解土壤的人,只要一點點的土壤放在手中搓揉一下,就可以解讀出一大串大自然的資料。
不了解土壤的人,以為土壤不過是地上的一堆灰塵,是建造濕地的阻礙物,台灣許多濕地的建造者喜歡挖除底土,舖上不透水布或灌上水泥,充份表現對土壤的不了解。
了解土壤的人知道,土地的許多資訊,就是要用「土壤」這一把鑰匙去開。
現址土壤的質地、厚度、導水性,有機質含量,與鹽份濃度,是決定濕地場址很重要的判斷。
土壤質地是砂粒、坋粒、黏粒的比例,代表顆粒大小的級配,也代表土壤孔
隙的大小,是濕地土壤最重要的一個特性。
理想的濕地場址,是有這一層黏土作為天然的襯底,這可省下日後的客土花費。
客土之後,跟著改變的是該地的天然植生與動物的群落,這是許多生態保護者所不樂見的。
濕地植物需不需要施肥,端在土壤有機質含量的多寡。
作為都市污水處理用的濕地,不能以為污水中含有機質,就能補足水生植物生長所需的營養源。
水生植物剛栽種時,需要的仍是土壤中的有機質,不對應污水中的有機質。
台灣就有這種濕地,由於底部的土壤貧瘠,所種的水生植物難以存活,以致延長污水在濕地的停滯時間,結果減低污水處理的果效。
在感潮區、早期鹽灘區或是淺層地下水鹽份較高的地方,土壤的鹽份濃度過高,使用這種地方作為濕地,將抑制生物膜的增生與淡水性水生植物的生長,成為許多淡水型濕地或都市污水處理用濕地的陷阱。
水文狀況
水文狀況是濕地選址上最不確定的因子,因為水文的變動有賴長期資料的建立,這包括空氣中的相對濕度、太陽輻射量、蒸發量、降雨量、風速、風向、地表逕流、地下水位等因子。
水文變動大的地方,濕地可能在旱季時缺水乾涸,雨季時滿水溢流,暴雨時易被沖刷,淹水時易被波及。
因此濕地場址最好選在不易受到水文變動的地方,減少日後濕地淪為乾地或被沖毀的風險。
在工程上,用堤防擋水,水門制水,渠道分水,馬達抽水,洩洪道排水等方法,固然可以減少水文變動的風險,但這些措施都會提高工程建造的費用與持續維護的困難,違反生態工程低維護的前提。
在水文的變動上,溪流低灘地的變動比高灘地大,在低灘地的沖刷處又比淤積處大。
溪流的集水區愈大,坡度愈陡,植生覆蓋愈少,人為開發建設愈多,愈接近大都市的地區,缺水或淹水的風險將大增,濕地能夠發揮功效的時間將非常短暫。
為此,威斯康辛州大學自然資源系教授佩尼(N.F.Payne)提出(3):
在水位變動大的水邊作為濕地的場址,必須要有制水設施配合,這包括加築土壩、水門、水道,甚至是洩洪道,才能減低濕地破壞的風險。
台灣河流水位變動很大,在乾季時行水區邊所留下廣大的高、低灘地,容易被視為濕地的理想場址。
不過這種濕地屬臨時性,下個雨季可能就被沖毀、必須重建,因此工程造價應便宜,如果灘地是建造濕地長期的場址,過高的工程建造將會造成損失。
法國的生態工程學者馬干普(A.Mauchamp)(4)等人,在二○○二年提出,法國河流邊的濕地經常被秋冬之期的暴雨沖毀,為了減少經費的損失,轉而在廢耕的農地上建造濕地。
他們自航照圖中,選出150,000公頃易淹水的休耕農地,從中又選出8400公頃作為濕地建造,水引自附近污染不嚴重的溪水,以渠道相通農地,淹水20公分深,並在土地上種植160種本土種的水生植物,包括瀕臨消失的品種。
這計劃進行五年(1992001),不僅所有濕地未被沖毀,而且渠道與濕地內的魚類眾多,許多鳥類也來覓食,是休耕土地的最佳使用。
生物調查
生物是場址選擇上的重要資訊,生物的種類、數量、生長是現址生態環境
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