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從水利工程觀點看人工溼地

作者:王筱雯、郭品含(成功大學水利及海洋工程學系教授、成功大學水利及海洋工程所博士生)

溼地為『水體是靜止或流動,淡水、半鹹水、鹹水及低潮時水位不超過六公尺之沼澤地帶、沼地、泥炭地、以及自然或人工、永久性或暫時性的水域』(Ramsar Convention, 1971),其仰賴「水」、「土」及「生物」三者間之交互作用,以成就其系統,造就其功能。依溼地形成的原因,可將溼地分為天然溼地與人工溼地,其中,人工溼地為因人為而形成或以人為方式加以操作或控制參數與環境的溼地,可考量不同目標,如棲地創造及補償、水質處理、洪水控制及水生養殖。

台北關渡人工溼地

(上圖:台北關渡人工溼地,總面積為7公頃,於2006年10月完工,建造目的為進行水質處理,處理單元包括緩衝池、氧化塘、表面流人工溼地、地下流人工溼地與終沉池。)

臺灣自2002年因環保署推動河川污染整治年,開始輔助地方政府開始在各污染水源附近與受污染的河川支流匯流處建置人工溼地、礫間接觸、曝氣設施等河川水質淨化工程;爾後,行政院經濟建設委員會於2006年提出之「國土復育策略方案暨行動計畫」中提及,台灣將於10年內完成2,000 公頃滯洪溼地或人工湖的「海岸溼地復育計畫」。近十年已陸續有許多的案例建造完成,如做為水質處理用途的高屏溪舊鐵橋人工溼地、關渡人工溼地、新海人工濕地及浮洲人工濕地等。

人工溼地的操作需包括基礎環境調查、目標擬定、規劃設計、營造施工及維護管理五大階段,各階段皆需整合水利、環境、生物等不同專業領域知識與經驗,以進行設計、建造、擬定搭配之維護、管理計畫,維持溼地系統,提供預期功能及效益。本文以水利工程觀點分別就「水質處理型人工溼地」及「洪水控制型人工溼地」進行探討與介紹。

水質處理型人工溼地

水質處理型人工溼地為透過溼地系統中物理性、化學性、生物性機制,將水中汙染物移除,以提升水質。根據其污染物移除之不同原理,又可分成表面流人工溼地(Free Water Surface System, FWS)及地下流人工溼地(Subsurface Flow System, SFS)兩種。表面流人工溼地為水面直接暴露在大氣之下,並於溼地內種植水生植物的人造溼地;其原理為利用植物根系以及水底中所滋生的生物膜,達到去除有機質及營養鹽的效果(張文亮,2007),如高雄市於2004年完工的高屏溪舊鐵橋人工溼地、新北市於2005年完工的新海人工溼地及打鳥埤人工溼地與2007年完工的鹿角溪人工溼地

地下流人工溼地為溼地鋪設碎石或礫石等過濾介質材料,使其水面位於過濾介質材料界面以下,透過介質間的孔隙及其佈置,達到過濾及營養鹽移除的功效,並藉由介質表面生成的生物膜,去除有機質(張文亮,2007),相關案例如2004年完工之嘉義縣介壽橋人工溼地及2009年完工之新北市江翠礫間淨化工程

台南安順排水淨化工程

(上圖:台南安順排水淨化工程,此溼地總面積為0.4公頃,於2005年12月完工,建造目的為進行水質處理,處理單元包括表面流人工溼地及地下流人工溼地。)

影響污染物去除效益之因素

無論是表面流人工溼地或地下流人工溼地,其污染物去除效益都與污染源入流濃度及水流在溼地內停留之時間(Hydraulic Retention Time, HRT)有關,而停留時間又與入流流量、溼地體積、溼地配置(如入流口設計、水深、長寬比、阻擋結構物設計、植生等)有關。當水體流經溼地時,因其溼地配置影響了水流流動機制,因此水體往往不是均勻地通過溼地,亦即每一滴水於溼地中之停留時間皆不相同。

以表面流人工溼地而言,流速較慢之水體將長時間滯留於特定之區域,形成死水區域(dead zone),導致此區域中之水體無法進行交換,因此無法達到水質處理功效;一般而言,死水區域多出現於溼地邊角,此區域中常有植物碎屑或有機質分解時產生的蛋白質膜堆積。而相對於低流速區域或死水區域,高流速集中的區域則稱作短路(short-circuiting)或優先流(preferential flow),此區域中的水體因快速通過溼地而停留時間短,亦無法達到水質處理功效。

dead zone

以一個面積2公頃、設計停留時間0.7天、預計BOD削減率20%的表面流人工溼地案例來看,若溼地面積中有30%之區域成為死水區,則實際之水體停留時間將降至0.5天,其BOD削減率則降至15%。

因此,就水質處理型人工溼地之水力設計,除了入流量、出流量設計及搭配之引流設計如引水道及抽水機外,還需透過水理模式演算以了解不同溼地配置的設計,如改變出入流口方向與構造、溼地形狀、於表面流人工溼地中增加檔板、小島或土堤等阻擋結構物是否可減少死水區域與短路、優先流現象的產生等,以達到預期的水質處理目標。

洪水控制型人工溼地

洪水控制型人工溼地為透過溼地的設置,於汛期時提供滯、蓄洪空間減低洪峰流量,以提升洪水控制效能;而於非汛期時,提供生物棲地創造或水質處理的效益。如屏東縣大鵬灣的大潭人工溼地,其總佔地面積約為6公頃,汛期時可提供13萬立方公尺之滯洪量,減緩鄰近社區於洪泛期間遭受洪水災害,而於非汛期則可引進周邊原先直接排入大鵬灣之養殖廢水及家庭汙水,進行初步處理,提升大鵬灣水質。

洪水控制分為滯洪和蓄洪。滯洪為將洪水短時間貯留於滯洪空間中,所貯留的容積需藉由放流而回到自然的水循環中;而蓄洪為將洪水長時間貯留於蓄洪空間中,其貯留的容積不會回到天然的水循環系統中,而是作為其他用途或藉由蒸發、入滲等作用而減少。

無論是滯洪或蓄洪,洪水控制型人工溼地之設計原理需根據流量、雨量、土地利用及地形資料,配合擬定的目標及現有場址,進行滯、蓄洪體積及入、出流設計。由於洪氾控制與管理需以流域為考量,理想的滯、蓄洪空間應設置在中、上游地區,將上游帶來的洪水在匯集到下游前,先進行洪峰流量的消減,減低洪水發生機會。

此外,為提升滯、蓄洪效益,可於洪水發生前透過人為管理的方式,將水位控制在最低水位,提供更大滯、蓄洪空間,提升洪水控制效益。

水深考量

洪水控制型人工溼地肩負了非汛期之生物棲地創造或水質處理等功能,但由於滯、蓄洪設施的土地取得不易,為了保有需求之滯、蓄洪體積,往往需要較深的水深。根據TIIWE(2005)蒐集基隆河主流、台中科學園區、台南科學工業園區等共29個國內滯洪案例資訊,發現水深設計幾乎都大於1.5公尺,但在符合生物棲地及水質處理效益上,水深需求有其限制,如美國國家環境保護局(2000)建立之人工溼地建造手冊中,考量植生及底質生長之水長特性,建議水質處理型人工溼地之水深範圍應為0.60 – 1.50 公尺。

因此洪水控制型人工溼地於非汛期或洪水過後,需透過人為的水深控制與管理,維持洪水控制外的其他效益,如高雄市本和里滯洪池,其總佔地面積為3.14公頃,洪氾期間水深可達6公尺,共可提供11萬立方公尺之滯洪量,而於洪水過後,需透過抽水機將滯留的洪水排出,僅於部分地區留存2公尺以內的水域,以營造水草繁殖環境,並提供水生昆蟲躲藏空間。

wetland ben-ho

結語

水為構成溼地的三大要素之一,了解人工溼地的水力特性、完善的水理演算及水利設計是人工溼地操作的基礎。而溼地環境變化牽涉了複雜的物理性、化學性、生物性機制,因此需要透過長時間的追蹤與監測,並在適應性管理的概念下,不斷追蹤監測以調整其管理及操作方式,從學中做、做中學(Learning by doing; Doing by learning),動態性地視實際狀況調整管理措施以達成人工溼地設置的目標與效益。

【參考文獻】
●張文亮,2007,溼地生態與工程課程講義 - 環保署教材文案。
●蘇宗敏,2007,表面流人工溼地水力效率之研究,台灣大學土木所碩士論文。
行政院環境保護署水質淨化現地處理網站

(2013.10)