台灣水資源循環的挑戰與如何永續發展

導讀
本文以台灣水資源面臨的趨勢問題為主題,探討水資源循環過程中發生現象與問題,並參考國際間針對水資源問題的做法案例,提出能夠對台灣在水資源利用與循環有效的解方,並能在技術發展過程中,同時兼顧生態環境的發展。
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一、前言

2019聯合國世界水資源發展報告中說明:自1980年代以來,由於人口增長、社會經濟發展和消費模式不斷變化之共同作用,全世界用水量每年大約以1%的速度增長。預計到2050年,全球用水需求將繼續以類似的速度增長,與目前的用水量相比,將增加20%至30%,主要是工業和家庭用水需求的增長。在一年中至少有一個月的時間,將會有超過20億人生活在缺水的環境之中,約有40億人遭受嚴重缺水之苦。隨著對水的需求增加以及氣候變遷的影響加劇,對水的需求壓力程度將持續增加(World Water Development Report, 2019)。

台灣同樣面臨到氣候變遷與環境交互作用的影響下,降雨分布不均對於水資源的取得與利用出現了挑戰,加上短延時強降雨的機會增多,造成排洪系統運能不足而引起淹水與河川泥沙沖刷淤積使水庫庫容減少,強降雨流進來的水不能用,而該留下來的水卻留不住,乾旱缺水、暴雨淹水的場景不斷地重複循環發生,如何解決台灣水資源與環境面臨的問題,是我們刻不容緩的課題。

本文就目前台灣水資源在循環過程中所面臨的問題與挑戰(如圖1所示),並參考國際間實際的做法案例與技術,希望能夠找出適合台灣水資源發展與循環永續經營的方法。

圖1 水資源循環圖
資料來源:本研究整理。

二、目前台灣水資源在循環過程中面臨的趨勢問題與挑戰

(一) 人均雨量低

台灣年平均年降雨量受氣候變遷影響不大,約為2500公釐,是世界平均值的2.6倍,與世界186個國家相比,台灣年降雨量排名前列,是降雨相當豐沛的國家。但因地狹人口密度高、地形因素以及氣候影響,使得台灣的人均雨量僅世界平均的1/5,被列為世界的19位缺水國,屬於相對缺乏水資源的國家(秦綾謙,2018;TVBS,2018)。

(二) 降雨密度差異懸殊

台灣因降雨分布時間與空間顯著不均,豐枯期差異大,尤其以中南部的差異最明顯,有將近80%以上的降雨都落在5-10月的豐水期,導致了水資源利用與管理上難度增高,從11月起至隔年的5月梅雨季前,容易發生乾旱、缺水的問題(水利署,2019)。近年來,因全球暖化與氣候變遷的影響,使得氣候異常現象發生的機率升高,也導致極端氣候災害(乾旱、短延時強降雨)事件變得更加頻繁,對於水資源環境與供給帶來極大的衝擊與挑戰(國家災害防救科技中心,2018)。

(三) 自然地形使水資源留不住

台灣因山勢地形陡峭,河川短斜度大,流速急、季節流量變化大,使得雨水形成的河川逕流迅速流入大海,因此能留住的雨水有限(水利署,2017)。台灣106年總降雨量約936.36億噸,年蒸發水量約154.35億噸,佔總降雨量的16.48%;年逕流量約731.4億噸,佔總降雨量的78.11%;年滲透量約50.52億噸,佔總降雨量的5.4%。然而水庫的供水量僅佔河川逕流量的23.5%(42.34億噸),有84.69%(619.4億噸)的水流入海中,表示大部分的降雨量我們沒有利用到,就流入海中(水利署-水利統計,2018)。我國年總用水量約166億噸,僅佔年總降雨量的19.2%,水庫與河川引水提供的水量佔總用水量的62.3%,表示能地表上的水資源相當有限,而地下水源有超抽的疑慮,所以必須想辦法有效地留住地表上的水資源與補注地下水源。

(四) 水資源有效蓄容減少

國內總共興建95座水庫蓄水,由於極端氣候影響暴雨頻率增加,使得水庫集水區的山坡地沖刷加劇,夾帶大量土石入水庫中,造成部分水庫出現嚴重淤積問題,如石門水庫淤積超過1/3,曾文水庫淤積將近40%,白河水庫淤積率更高達60%(辜樹仁,2018),而清淤的速度遠遠不及於淤積的速度,使水庫的有效蓄容降低,也使水庫的使用壽命縮短,導致有效水資源受到嚴重考驗與日漸減少。

(五) 極端氣候使淨水成本增加

當大型風災豪雨與暴雨逕流以及河川上游水土保持不佳,河川夾帶大量泥沙,容易使淨水廠取水的原水濁度飆升,造成淨水場無法負荷,導致必須實施減壓供水及停水(水利署-電子報, 2017)。由於我們生活中使用大量化學物質,使肥料、清潔劑等氮、磷化物在未經處理的情況下排入河川,除了造成水質優養化,破壞水域生態外,使水質的變臭與變色,也增加自來水的淨水成本。

(六) 水價、負擔率低以及漏水率高

台灣的水價低於全球多數國家,以水費負擔率來看,我們也相對低於多數國家,且水價超過20年未調漲,民眾用水卻不知水的真正成本(林彥呈,2019)。當水公司水賣越多、虧損就越多,因此無多餘經費改善自來水管漏水率。台水公司的全國總管線約 6萬公里水管,汰換率1.11%,雖符合國際一般水準,從民國102年開始因實施降低漏水率計畫,自來水漏水率從19.55%降至15%(107年底),預計在120年將漏水率降至10%以下,然而107年度的漏水量約4.8億噸,約接近一座曾文水庫的庫容(約5.1億噸)。

(七) 用水量逐年增加

台灣每人每日自來水生活用水量近10年平均用水量為273公升,整體走勢大致呈現逐年上升趨勢,逐年用水量呈現增加,2018年每人每日用水量達280公升(經濟部水利署,2019)。台北市的每人每日生活用水量近10年平均為327.8公升,高於全台用水平均,但隨時間來看,用水量趨於穩定與減少(臺北自來水事業處,2019)。台灣每人每日人均用水量與多數國家相比,耗水量相對較高,因台灣水價與負擔率相對於各國較低,所以容易造成水資源浪費與節水困難度增加。

(八) 汙水處理率低導致河川汙染

2015年我國整體污水處理率約為51.2%,到2019年10月時,已提升至61.67%(內政部營建署, 2019b),但在世界排名落後於亞洲鄰近國家,如香港93%、新加坡99%、馬來西亞82.9%、韓國92%與日本78.0%的汙水處理率。在歐洲國家方面,因污水下水道規劃及建設發展久遠,在都市計畫初期就同時規劃下水道系統,因此污水下水道普及率及處理率高達九成以上。在台灣仍有多數的生活廢水、畜牧廢水以及事業廢水在未經處理的階段就排入河川之中,因此,台灣50 條主次要河川中至2018年仍有約34%受到不同程度的污染,汙染程度有逐年下降的趨勢,但2018年的河川汙染比率卻反而上升,凸顯河川水資源汙染控制明顯出現問題(環保署水質保護網,2019)。

(九) 廢水回收再利用率低

國內工廠回收利用之廢污水量超過50萬CMD(Cubic Meter per Day,公噸/每日),約佔現行總工業用水量之10%(WaterBoBo, 2019),過去因自來水水價低(每噸約10元),而再生水處理成本高(每噸約25~30元),所以廠商開發汙水回收處理的意願不高,目前已有許多工業用水大戶興建廢水回收設施,使水資源更有效率的運用。現階段民生廢水僅部分回收處理往工業再生水使用,民生使用的再生水非常的低,若將民生汙水完全回收處理,經過高級再生,則可增加3.5億噸水量,相當於1 座翡翠水庫的庫量,則足以供應大台北地區約700萬人近半年的使用。目前水利署已規劃建置7座工業再生水廠,鳳山再生水廠已經在2018年完工,目前可供應4.5萬CMD的再生水,供高雄臨海工業區使用(陳文姿,2019)。預估2022年其他再生水廠將陸續完工,至2023年所有的再生水廠共可供應30.1CMD的工業再生水(劉朱松,2018)。

我國全年農業用水約118億噸,占總用水量的7成以上;民生用水約31.5億噸,占總用水量的19%;工業用水約16.5億噸,占總用水量10%(水利署-水利統計,2018)。隨著民生與工業需求用水日益增加,占水資源大宗的農業用水也將成為競用之標的。當水資源吃緊狀態時,民生用水雖為排序優先用水,但農業休耕與工業用水限縮,將進一步影響到我國的糧食供應與經濟發展的穩定。我國的年均平雨量雖在氣候變遷下影響不大,但在降雨時空分布密度不均卻造成水資源利用與分配上出現危機,如短延時強降雨,造成水利與排洪設施極大的負擔,以及大部分降雨未落在集水區,使得水資源的可利用減少,還因為水患問題須設法將水排掉。隨著工業開始廢水回收再利用,而民生廢水回收再利用,卻因汙水下水道普及率不高,而浪費了水資源再利用的機會。種種因素使得我國無法將民生水資源做有效地運用與調度。

三、面對水資源問題國際間的作法與案例

(一) 新加坡

新加坡的地勢平坦、山丘非常稀少且地狹人稠,是屬於水資源缺乏的國家,其平均年雨量約2400公釐,再加上國內的每日的用水需求約4.3億加侖,其中一般用水占了45%,其餘的則是工業用水。由於新加坡長期仰賴向鄰國馬來西亞購買水資源,近年來氣候變遷的問題造成馬來西亞柔佛州水源不足以提供給新加坡之外,水價也無法與馬國達到共識。為了避免水資源受限與短缺的影響,新加坡在2008年開始進行海水淡化及汙水回收利用來解決淡水供應的問題(PUB, 2019)。目前的用水來源除了進口水源外,也透過各式的雨水收集系統來獲取水資源的最大效益,還有新生水(NEWater)及海水淡化來減輕國內淡水供應的壓力。其中新生水是新加坡最成功的水資源永續案例,目前新加坡擁有5座新生水廠來滿足國內40%的用水需求,預計2060年將能滿足55%的用水需求(PUB, 2016)。

新生水案例是將所有廢水透過汙水處理廠依國際標準來回收與處理,再進入到再生水廠再生處理,經過過濾、逆滲透與紫外線消毒,最終平衡pH值產生所謂的新生水,經過回收處理後的新生水再次進入到工業及民生用水中。民生用途的新生水則混入常規自來水廠進一步處理,作為間接飲用水來源的使用(PUB, 2016)。

由於新加坡四面環海,因此也利用海水淡化技術來取得民生用水,目前擁有2座海水淡化廠能在一天生產1億加侖的水來滿足25%的用水需求。但由於海水淡化技術比較耗能,因此新加坡希望透過研究及技術的投入讓薄膜技術能更具有經濟效益以及取得更有效與成本更低的海水淡化技術。預計2020年將建立3座每天能生產超過3千萬加侖的海水淡化廠,使海水淡化的能量提高2倍,並預計2060年將海水淡化的能力提升3倍來滿足未來30%的用水需求(PUB, 2016)。

在節約用水的部分,新加坡過去成功的將每人每日家庭用水量從2003年的165公升降低至2017年的143公升,主要是透過提高30%的水價搭配定期維修與更新輸水管路使漏水率降低至5%,預計在2030年達到每日每戶用水量降低至130公升(PUB, 2016)。

(二) 以色列

以色列地處炎熱乾旱的中東地區,其國土有70%被沙漠覆蓋,年平均雨量分布非常不平均,全國年雨量低於435公釐,約為全球平均降雨量的40%,是屬於水資源極度缺乏的國家。以色列主要水源為天然淡水、淡化海水、地下鹹水、再生水(廢水回收)和攔截雨水等5類。年平均總用水量約22 億噸,其中農業用水12億噸(58%)、民生用水7.3億噸(35%)、工業用水 1.4億噸(7%),同時也供應1億噸水量給鄰近國家。海水淡化供應約6億噸水量,回收處理水(86%回收率)約4億噸水源供應農業使用,天然水源供應約12億噸水量。2016年海水淡化則佔了民生用水量的75%,為了突破氣候變遷問題影響該國的用水,預計2025年將提升海水淡化技術的能量至11億噸的產量。同時,也積極的推動節水、造水、廢汙水回收再利用及智慧水資源管理,使得目前自來水漏水率只有7-8%,並且廢水回收率達86%(鍾朝恭等,2017)。

為了有效運用水資源,以色列發展了滴灌技術並結合了農業環境監測系統及作物管理,精準的作物水分及所需養分的肥料,達到更有效的農業管理及最佳化的作物生長環境控制。透過利用塑膠水管和水壓產生摩擦,控制灌溉水分規律地滲透到土壤裡,免除噴水所造成的水分蒸發,讓每一滴水都能充分的發揮作用。此外,以色列在1959年制定《水法》,明文規定國家擁有水資源的所有權、開採權及管理權等,將水資源設為「國有財產」以利於國家水資源委員會統一管理並配發使用,從最小的私人土地上的水源及廢水都是屬於國家的管轄範圍。另外,國家會按照家戶用水人口或農業作物別及面積生產所需用水給予基本配額,並根據不同的水源,將水價分成三級,一旦超額用水,將受到巨額罰款。在長期施行與管制之下,成效良好卓著,也未發生水資源配額不足的問題(「荒漠之國不缺水:綠色科技大國以色列」,2017)。透過水科技技術及相關法規制度,使得該國全國水資源充足,還能將多餘的水源供應給鄰近的國家(鍾朝恭等,2017)。

(三)荷蘭鹿特丹

在全球氣候變遷的影響之下,鹿特丹市面臨更密集的雨季,且市中心無多餘的可以容納密集的雨量。因此在2005年構思了水廣場概念,用來解決雨季儲水問題與提升都市空間和生活品質。在水廣場附近的建築物屋頂設置雨水蒐集系統,將雨水導入廣場中三個較低窪的集流空間,可收集的雨水總量約1,700噸,發揮蓄水滯洪功能。在下雨及水時,低窪的空階梯可作為淹水的水位標示,讓民眾了解雨量多寡的警示方法。貯留的雨水在雨停後就流到城市的開放下水道系統或鄰近運河,不會流入污水系統,確保了公共衛生的條件。因此成為順應氣候變遷、水資源管理與都市設計的經典之作,在2013 年獲得荷蘭國家水資源創意獎以及2014年國際綠色科技特別獎,也是許多國家城市競相學習的對象(辜樹仁,2017;內政部營建署, 2019a;張芸翠,2015)。

新加坡的年降雨量與台灣相似,因其受限地形與國土面積因素,發展再生水與海水淡化系統,使得其依賴馬來西亞的水庫供水比例下降,也擁有水資源的自主權,降低氣候的影響與外在因素的干擾。其再生水措施與海水淡化值得做為我國借鏡,將其用於民生水資源利用,可確保民生用水不受氣候與降雨時空分布不均帶來的衝擊。新加坡與以色列在低漏水率方面,值得我國學習參考,可利用新興科技與技術來測漏,發展大數據或感測物聯網來管控供水品質與效率,一方面可依不同程度用水量,制定耗水費,並獎勵民眾使用節水設備與節約用水。在部分農業作物上可採用滴灌技術或開發智慧澆灑系統,精準控制作物所需的水量,避免水分蒸發流失,達到降低水量使用。發展雨水貯留系統與新式排洪設施融入都市建築設計之中,在面對短延時強降雨的氣候問題,可迅速將多餘的雨量帶走,儲留可用之水資源涵養河川與孕育周遭生態環境,並減緩城市熱島效應。對於水資源再利用需搭配汙水下水道建設與汙水處理系統,並將雨水水道和汙水水道分離,汙水回收處理後再生,可往民生與工業用水再利用,或作為地下水補注、河川及湖泊挹注,除了涵養河川生態,也使水資源能夠有效的循環再利用。

四、結語

以台灣的趨勢問題來看,我國水資源環境受到氣候變遷影響下,嚴重衝擊了水庫的庫容與水利設施,使得有效水資源量日益減損,也危及水庫本體的壽命,並缺乏多種水資源來源作為穩定供水永續發展。海水淡化可提供小區域或緊急性供水使用,但其產生的鹵水也能造成沿岸生態的影響,所以發展海水淡化也須考慮降低環境汙染的疑慮與材料耗能的問題。雨水貯留是水資源中處理方式是相對簡單與成本低於海水淡化與再生水,是值得開發利用的方式,並可結合建築與設計,將水資源有效的攔截以及應變強降雨,使氣候變遷帶來的危機轉變成水資源獲取的機會。

在水利基礎設施的更新與維護上,受限於水價無法以量制價與成本無法抑制水量浪費,所以需借助節水產業與節水之措施來幫助民眾讓水資源利用達到省水與提高用水效率。另一方面,仍需要改善供水之漏水率,借助新的科技方法與提升施工品質,來降低高漏水率問題。

我國廢水處理之後,主要供工業再生使用與放流,回收再利用仍有進步的空間。因此,民生廢水的回收的再利用仍需結合下水道的建設,使廢水處理率提高,並設法再生回到民生與河川涵養之用,使水資源在使用上至少可以回收再利用一次,達到水資源的循環再利用,並透過法規、管理與制度來幫助水資源循環能夠永續發展,並對我們的生活環境與生態帶來新生機。

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