• 地下水篇

    < 第一章 > 地下水的來源

    當有降水現象發生時,雨水或融雪會流入地表、進入河川、湖泊或海洋,有些被植被吸收、蒸發回到大氣或滲透進土壤。流入土壤的水在地下形成飽和層,飽和層中含有的水就被稱為地下水。​

    ​地下水(飽和層)與土壤(非飽和層)的分界為「地下水位面」(Water Table),地下水位面的地下水壓力與大氣壓力相等。地下水位面以下為地下水(飽和層)、地下水位面以上為土壤(非飽和層)。非飽和層中孔隙間存在著水與空氣;飽和層中的空隙則完全被水充滿,發生於此處的污染問題就稱之為地下水污染,其中飽和層又分為受壓層與非受壓層。兩個不透水地層裡充滿水時,稱此水層為受壓含水層(Confined aquifer),地下水面上無不透水層時,稱此水層為非受壓含水層(Unconfined aquifer),非受壓含水層的水位即為地下水位。

    (圖片來源:http://www.jcwise.hk/gis/hydrologicalcycle.php?lang=zh)

    全球表面約有97%的水,是人類不可以直接使用的海水;極地、高原、高山冰川約佔2%;我們能使用的淡水,僅佔全世界中的水不到1%;這有限的淡水中,又有95%為地下水,因此地下水對人類來說是十分重要的。在臺灣的地下水用途有:(一)生活用水、(二)工業用水、(三)農業用水,其中又以農業用水的量最多。

    地下水分帶(圖片來源:龍騰文化)

    < 第二章 > 地下水污染

    (一)污染物種類
    大多地下水污染的來源來自於地面,而美國政府技術評估處(OTA)又將污染源分為6大類:
    1、由原先設計用來排放污染物所造成,如:化糞池。
    2、由原先設計用來儲存、處理污染物之外泄,如:地下儲油槽。
    3、污染物運送過程中的外洩,如:輸油管破裂。
    4、污染物由其他活動產生,如:施肥、除草、除蟲。
    5、污染物由改變流動型態造成,如:探採地熱井。
    6、污染源由人類活動造成自然界污染所產生,如:海水入侵。
    要確認污染源的範圍,需先測定污染物並劃分來源,在污染源附近鑽孔,進行段塞測試來定義含水層特性,慢慢向平面延伸、測試污染範圍,接著測定污染深度,以此得知污染範圍。

    (二)何謂NAPL
    污染物NAPL(Non-aqueous Phase Liquid,非水相液體)多為微溶於水的有機碳氫化合物。比水輕稱為LNAPL(Less Dense Non-Aqueous Phase Liquid,如石油碳氫化合物等),比水重稱為DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,如三氯乙烯等)。大部分的LNAPL與石油衍生物有關,DNAPL多為含氯溶劑。要移除NAPL十分困難,因此受污染後的含水層很難恢復供應飲用水。比水輕的LNAPL浮於水面上,而比水重的DNAPL會往下進入飽和層。如果NAPL在井內累積就可以直接目視觀察到NAPL的存在,但大部分的廠址,若NAPL沒有流進監測井,就很難確定是否被污染。

    (三)桃園RCA污染事件
    在臺灣地下水污染公害事件又以RCA最為著名,美國無線電公司污染案(又名RCA污染事件)發生於桃園市。1994年當時的立委也就是前環保署署長趙少康召開記者會,舉發RCA桃園廠長期挖井傾倒有機溶劑等有毒廢料,導致廠區土壤及地下水遭受到污染,主要污染物經調查為揮發性含氯有機化合物。受雇於工廠員工的日常生活用水皆由地下水提供,長期暴露在高致癌性的有機溶劑中,造成許多員工罹癌。

    ​(四)美國PG&E污染事件
    美國辛克利(Hinkley)小鎮也曾因太平洋瓦電公司(PG&E)不當排放廢棄物污染地下水源,使水質遭六價鉻重金屬離子污染,危害當地居民健康。
    1952年至1966年,太平洋瓦電公司(Pacific Gas and Electric Company)在位於美國加州的辛克利小鎮,不當排放至少14萬立方公尺的六價鉻溶液污染物,六價鉻是一種便宜且有效的防鏽劑,PG&E將它運用在天然氣輸送管道裡的壓縮機站,為冷卻塔中的防鏽塗料。含有六價鉻的冷卻水用完後排入池塘中,一般來說,儲存污水的池塘必須在水與土壤的交界處,鋪上一層又一層的防滲漏墊,避免污水滲入到土壤及地下水污染環境,然而PG&E卻直接把污水排入一般的池塘,而污染物就沒有阻礙的滲入到環境當中。辛克利小鎮位在地面水資源匱乏的區域,居民的主要生活用水都以抽取地下水為主。

    永不妥協電影海報(圖片來源:DVD封面

    六價鉻很容易被人體吸收,它可以通過消化、呼吸道、皮膚及黏膜進入人體,吸入污染氣體時可能造成沙啞、鼻黏膜萎縮、鼻中膈穿孔和支氣管擴張,服用經過消化道可能引起嘔吐及肚子痛,接觸到皮膚可能產生濕疹,而長期處在六價鉻的環境會可能使人致癌。


    此事件被揭發後,法院判PG&E要賠償居民33.3千萬美金,然而被污染的土地以及受疾病纏身的居民卻沒有辦法復原,此事件後來被改編成「永不妥協」電影上映。

    (五)地下水污染物介紹
    上面兩個例子提到有機污染物和六價鉻,「有機」聽起來似乎健康又親近大地,然而此有機非彼有機;同樣是鉻,三價鉻是對人體有益的元素,能在肌體的糖代謝和脂代謝中發揮特殊作用;然而六價鉻卻是對人體有害的,至於這些物質的特性是什麼呢? 以下就來一一介紹。

    1、有機污染物:
    有機污染物顧名思義就是對環境有害的有機物,大多數的有機化合物主要有碳、氫兩種元素,目前發現的有機物中大多數是以石油、天然氣、煤做為原料,通過人工合成製得。有機污染物多數能在環境中,被降解成簡單無機物,有些對人體有害;有些則無害,少數有機污染物難以被降解,如:有機氯農藥、多氯聯苯、塑料。
    RCA事件中的主要有機污染物是1,1-二氯乙烯、1,1-二氯乙烷、三氯乙烯TCE、四氯乙烯PCE、氯仿、1,1,1-三氯乙烷、四氯化碳。雖然從名字可以發現這些有機污染物都有氯,但不是所有氯的化合物都是對人體有害的,像是氯化鈉,其實就是所謂的鹽巴,是人體不可或缺的重要離子化合物,每個元素在不同的化學價數,所展現的特性也可能大相逕庭,不能以隨便作為區別有毒或無毒的辨別方式

    鉻(圖片來源:http://pse-mendelejew.de/en/chrom/)

    2、鉻:
    單純的鉻是原子序24的一種化學元素,單質是一種銀色的金屬,有很好的延展性也有很高的熔點,無臭無味。大多的鉻用在製作不鏽鋼等特殊鋼,用來提升鋼的強度及耐熱性,鍍在金屬上能夠防止其生鏽。

    三價鉻在人體中是不可或缺的元素之一,它會與其他控製代謝的物質一起配合發生作用,像是各種激素、酶類、細胞的基因物質,對於調節體內糖代謝、維持體內正常的葡萄糖耐量有重要作用,三價鉻亦能影響機體的脂質代謝,降低血中膽固醇和甘油三脂含量,預防心血管疾病,也是核酸類的穩定劑,可防止細胞內某些基因物質的突變並預防癌症。
    啤酒酵母、乾酪、蛋、香蕉、牛肉……等等是鉻的主要來源,但六價鉻對人體來說就可怕,先來說說它的好處,六價鉻並不完全是十惡不赦的,根據勞動部勞動及職業安全衛生研究所調查,國內目前含六價鉻作業之行業主要有電鍍業、金屬表面處理業、防鏽塗料、染料製造與使用等,它便宜又能有效防鏽,但用完六價鉻必須好好注意排放廢水廢棄物的問題,如果人體吸收或接觸到六價鉻,在皮膚上可能出現皮膚潰瘍,若忽視治療,進一步發展可深至骨頭,會有劇烈疼痛,癒合的也很慢。吃到了六價鉻化合物可能引起口腔黏膜增厚、反胃嘔吐、肝腫大、人體循環衰竭,而失去知覺甚至死亡,吸入六價鉻可能造成肺癌。六價鉻對人體的危害甚廣,即使過了多年,辛克利小鎮依然壟罩在污染事件的陰霾之下,紐約時報在2016年將辛克利小鎮形容為鬼城。

    辛克利唯一一間小學於2003年6月關閉
    (圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Hinkley,_California)

    (六)海水入侵
    發生海水入侵的主要原因是由於鹹水與淡水的比重不同,鹹水與淡水的比重大約是41:40,海水的密度是淡水的41/40倍,意思是說,同體積的水,若海水重40公克,會與41公克的淡水佔據一樣多的空間(同體積)。地下水配置如下圖:當抽取一些淡水地下水,鹹水地下水會流入來補充淡水被抽走造成的空缺,經過計算,當我們抽取淡水地下水,使淡水水面下降1公尺,鹹水面會上升40公尺,造成淡水鹹化不能使用,這就是海水入侵。當淡水鹹化後,即使停抽地下水,注入淡水迫使鹹水水位退回,然而若土壤已經鹽化,即使注入淡水,水還是會變鹹,非常難復原至原本的土壤本質。

    左圖:鹹水與淡水維持平衡界面 右圖:鹹水侵入原來貯存淡水的地層
    (圖片來源:https://market.cloud.edu.tw/content/senior/earth/tp_ml/unwater/calamity2.htm)

    < 第三章 > 地層下陷

    當抽取地下水的量超過補注的量,由於原本支撐住土地的水被抽取走,地層就會下陷。地下水的補注可分為兩種:天然補注與人工補注。

     

    (一)天然補注:
    以降水為主,但並不是降水多就能讓地下水源源不絕地被補充。土壤有「土壤飽和含水量」,是指在土壤空隙全部充滿水分時,所能容納的水量,代表土壤最大的容水能力,降雨的一開始,水會填入土壤的空隙中,當空隙被填滿,多的雨水便會流動到別處,可能流入排水系統進入海洋,因此這些水就無法成為地下水。

    (二)人工補注:
    以人工方法將地面水轉為地下水,來增加地下水的水源,主要為了補充天然補注的不足。人工補注又分為2類: 1、地面補助:如漫流法、天然河道法、灌溉法、池浸法或人工湖。 2、人工補注井:間接人工補注亦稱感應補注(又稱誘導補注),主要在河流或湖泊的側方鑿井取水,使地下水位降低,誘導河流或湖泊中的水注入地下。但若超抽取過多的地下水造成地形、水層的變化,無論是天然補注或是人工補注都有可能無法使地下水回到原先含水量。因此許多地層下陷的現象是不可違逆的

    (資料來源:臺灣地質知識服務網地質百科地下水補注,林燕初)

    臺灣地區民國106年度地層下陷檢測概況圖
    (圖片來源:經濟部水利署https://www.wra.gov.tw/6950/7170/7356/7488/13314/)

    臺灣較為嚴重的地層下陷區域為彰化及雲林地區。根據經濟部水利署統計資料,106年彰化地區目前持續下陷面積16.9平方公里,歷年最大累積下陷量2.51公尺,最大累積下陷速率3.5公分;雲林地區目前持續下陷面積366.2平方公里,歷年最大累積下陷量2.57公尺,最大累積下陷速率6.7公分。
    目前行政院經濟部推動地下水保育管理暨地層下陷防治計畫中,除了對地下水水位進行監測與控管,掌握地層下陷的情勢,加強地下水的補助,並減抽地下水來減緩地層下陷。

    < 第四章 > 臺灣地下水現況

    雖然臺灣的年雨量很多,約為2,500mm為全球平均年雨量的3倍左右,然而臺灣人口密集,地狹人稠,地形陡峭,河川短促,水流湍急,降雨時空分布不均,實際可用的淡水並不多,因此地下水是臺灣非常重要的水資源。

     

    高雄水文地質:高雄的地下水可開發量不豐富,以開發淺井為主。嘉南平原地形平緩,反映於水文地質上,基盤以泥岩組成。若基盤深度很淺,含水層也都淺於60公尺,例如:岡山地下水觀測站,挖不及40公尺即到基盤,但在向斜構造內的觀測井,如:五林、仁德,鑽至250公尺仍不見基盤。
    水文地質分層上,先將上部50公尺的觀測井分為第一含水層,第一含水層的沈積年代約在一萬年以內;第二含水層的深度約在地面下 50公尺至200 公尺深,沈積年代可能一萬至五萬年。
    地下水中氚濃度相對深度有明顯的差異,大部分氚濃度大於 1TU(Toxicity Unit,毒性單位)的井,深度都淺於50公尺,表示1953年以來的地下水自然補注,僅限於上部50公尺 內的地層。同理,人為污染應僅局限於上部50公尺範圍內,深度50公尺以下的地下水,都屬於自然的地下水,所以若要監測人為污染,只需監測第一含水層即可。因此,第一含水層以下的深層水,若水質超過標準,應是自然地化反應的結果,並非人為污染,例如氨氮、砷等。​

    臺灣地區地下水水資源分區圖(資料來源:中華民國105年臺灣水文年報)

    水文地質剖面圖
    (資料來源:經濟部中央地質調查所會刊 高雄地區的地下水水質http://twgeoref.2002.moeacgs.gov.tw/storage/2006/20060389/0153.pdf)

    地下水水溫方面,近地表補注區的水溫較低,如:五甲一井。井水溫度也受地溫影響,當井越深,水溫也越高,高雄深部含水層的水溫可達30℃以上。酸鹼值方面,近地表補注區的井,有較低的pH值,可能是因為補注的雨水偏酸性所造成。

    < 第五章 > 地下水的經濟效益

    (一)金門自中國大陸引水
    目前金門地區每日總用水量約為5.7萬噸,其中自來水廠每天約供應2.3萬噸,其餘農業灌溉及餐飲旅館等業者,則自行抽取地下水使用。

    為什麼金門自來水廠會供不應求呢?首先,金門有著以高粱聞名的酒廠,也是當地的主要收入來源,每年大約有150億以上的年收入,但高粱產業是非常耗水,每天大約要抽取兩千噸的地下水,用在釀酒及製酒的過程,除了用水量大之外,酒廠對高粱和小麥提供保價收購,為了增加產量,近年來種植的數量越來越多,而肥料雖然能幫助高粱和小麥長高又長壯,但是下雨時,肥料沖刷進水裡土壤裡都會污染水源。
    此外,因為政策關係,前縣長推動金門畜牧產業,推廣金門養牛,然而牛隻的排泄物沒有處理好,排放於河流上游也使得水源遭到污染。金門的年降雨量大於年蒸發量,且金門有的6個湖庫並不大,雨水儲存率不高,優養化嚴重,造成自來水少,而且品質也不好,過濾污水過程繁重且效率不高,這讓處理自來水的成本無法降低。由於品質不好,居民、業者傾向抽取品質較好的地下水使用。

    人正在污水廠內檢測水質情況
    (攝:王嘉豪/端傳媒https://theinitium.com/article/20151207-taiwan-kinmen03/)

    根據金門自來水廠地監測與調查報告,地下水每日約超抽取一萬噸,兩岸合作推動的金門自大陸引水計畫,於104年7月20日舉行購(供)水契約簽約儀式後,簽訂30年的契約,金門縣自來水廠向大陸購水量為前3年每日1.5萬頓、4到6年每日2萬噸、7到9年每日2.5萬噸、10年後每日3.4萬噸,以確保金門地區長期發展用水所需及減抽地下水。

    金門自大陸引水管線位置圖(資料來源:水利署電子報https://goo.gl/GmPXwJ)

    ​金門自大陸引水案之工程,包括由福建龍湖水庫至引水點之陸地管線約8.2公里及由引水點至金門田埔水庫之海底管線約16.7公里等,其中陸地管線由陸方負責籌資及興辦施工。至於海底管線工程,其工程經費13.5億元全由我方出資,由此可見水資源的經濟價值。

    (資料來源:https://www.kmdn.gov.tw/1117/1271/1272/282534)

    (二)為什麼哈佛要在加州買葡萄園
    華爾街日報報導,美國長春藤名校哈佛大學自2012年起,透過其附屬公司卜若地(Brodiaea Inc)在加州收購大面積葡萄園及該地產水權,目前總投資金額達390億美元(約新台幣1.2兆元) 。

    由於氣候暖化影響,加州從2012年到2017年出現乾旱,加州州長傑瑞.布朗因此宣布加州進入緊急狀態,雖然緊急狀態在2017年4月解除,但加州缺水危機卻依然四伏。
    當水資源有限時,更能突顯地下水的價值,哈佛大學投資390億美金在加州購買葡萄園,在缺水的加州,能夠種植葡萄表示地底下可能有豐富的地下水,才能供應葡萄生長。在缺水的加州,哈佛的葡萄園在廣大荒蕪的土地中十分顯眼。因應氣候暖化,乾旱問題持續惡化,即使投資水資源的方式不多,但購買可耕地是一種方法。專門研究葡萄園的地產評估師沃爾(JoAnn Wall)表示,擁有絕佳水源的最佳地產將以破紀錄價格出售。

    (資料來源:https://udn.com/news/story/6813/3530172)

    加州庫亞瑪谷曾經的一座牧牛場,哈佛大學買地抽水種葡萄(圖片來源:華爾街日報107.12.25)

    哈佛大學在加州收購大面積葡萄園(圖片來源:https://udn.com/news/story/6813/3530172)