2013年5月1日

水利工程對水環境生態之影響

作者/孫建平(任教成功大學水利及海洋工程學系)

水利工程在大部分的人印象中,就是破壞水環境生態之原兇,舉凡是大到建水庫、蓋攔沙壩,小至修堤防、建排水溝,這些水利工程建設,似乎逃不掉扼殺水環境生態系統的罪名。而為了人們各類用水的需求與取得,亦或是保障人們生命財產的安全,種種水利工程師口中的不得不,對上了環境保育者的不可做,這些水利工程設施,也逐漸在修正,當然,只要有人為外力的介入,就一定對水環境生態系統有所影響,本文主要將探討水資源管理及水利工程相關建設與水環境生態的關係與影響,並試著說明未來水利工程相關建設,如何減低對水環境生態的影響。

水環境生態
大自然環境在一定範圍的規律中呈現高度的變化性,隨著不同的緯度、高程及位置等,在溫度及降水方面也呈現極豐富的變化,這樣的特性提供了環境的多樣性。不同生物體對環境的需求有所不同,各個生物與環境需求因子的交集,便成為各種生物體生存與活動的生態區位,日復一日、年復一年,物種演化出能生存在大自然一定範圍的規律特性和方式。

空氣中的水汽凝結降落至地面,並從地面不同高處、位置、速度順勢而下,這些水匯集在一起便成了河川湖泊,再流入海洋,其間部分的水會藉由蒸發的方式回到了空氣中,水就在環境中不斷的循環,不同生物體便在多樣的環境中組合形成各式各樣的生態系統,水在這些生態系統中則扮演著舉足輕重的角色。

水流是影響水相關環境系統的主要驅動力之一,河川流量隨著不同時間、季節而有所變化,這些變化伴隨著集水區地形及土地利用型態的多樣性而更為複雜。正由於河川流量變化的複雜特性,成為影響河川生態系統的主要因素之一,河川流量變化的量值、頻率、延時、極端值發生時間及改變速率等水文特性,影響了河川的水質環境、能量來源、物理棲息地及生物間交互作用,並結合這些特性,成為增進溪流生態完整性的重要因子,而這些水文特性所呈現的自然河川流量變化稱之為自然河川流態。河川在枯水期間,水中生物體如魚、蝦、昆蟲等在河道中找尋棲息地、覓食或產卵,岸邊的植物亦得以生長;河川在豐水期間,洪水可有效地傳輸沉積物通過河道,生物則必需至洪水平原處找尋避難所棲息,洪水亦將洪水平原的植物及泥沙等沖入河道,而成為水中生物體之食物及養分。溪流生態系統在這種枯水期及豐水期的反覆交替下,孕育非常豐富的動植物生態環境,是故自然河川流態也被認定為最能提供健康河川的重要因子之一。

自然河川流態對溪流生態系統有兩個主要的面向,一是河川流量變化的複雜特性,產生河川環境的複雜特性,也可以說是棲地的複雜特性,而這樣的複雜特性,即提供了生物多樣性的主要基礎,不同生物能在多樣而豐富環境中,找到適合的生態區位存活下去;另一則是當地原生種之生物個體在千萬年的繁衍過程中,已演化出在此複雜特性中的生存策略,在其生活史的各個階段發展出相對應自然河川流態變化的應變方式,以達到族群延續的主要目的,這是外來入侵種在短期內無法學習到的。就上述兩個面向來看,維持自然河川流態是很重要的。

另一個探討生物個體和水環境間的關係,是生物個體對潭瀨等棲息地之偏好。這邊的棲息地基本上指的是生物體生活的地方,包含著物理、化學和生態環境等特徵。棲息地特性中最常被水利工程師探討的是流速、水深和底質等物理環境因子:水流的速度影響了河床底質的組成與食物、養分和雜質在系統中的傳遞和進出,且河川中的生物個體則必須消耗能量來維持他們的狀態;水深變化的情形是由河川的地理及地質因子所造成的,提供了他們生存及避難的空間場域;底質基本上包含了河床上以及兩岸所有的東西,其組成可從微小的細砂到巨大的石塊,也同時包含了植物的覆蓋,底質的組成常關係到某些生物個體的食物攝取與產卵活動。當然,實際的河川棲地情況並非僅用上述幾個因子就能完整表達,由流速、水深和底質所定義的物理棲地適合程度,可以有淺流、淺瀨、深流、深潭等無數種組合,然而擁有這些組合對河川生態系統卻是十分重要的。

水利工程對環境的衝擊
在執行水資源管理及水利工程相關建設時,水環境生態所面臨的衝擊相當多,本文僅就水利構造物影響了連接性、用水需求,造成流量變化性減少、河川渠道化及海岸水泥化等問題作簡要的探討。

(一)人工水利構造物影響連接性
為了人類用水及安全等需求,在河道中及河岸旁建造了各式各樣的水利構造物,這些水利構造物成為許多生物個體在溪流系統間移動與遷徙之障礙。各式的堰壩及固床工等水利構造物,影響了河川上下游的縱向連接性;河岸堤防等設施影響了河道到兩岸的橫向連接性;水泥封底的渠道則影響了河水與地下水的垂直連接性,這些水利構造物使原本的溪流系統在縱向、橫向及垂直的連接性降低,造成了環境棲地的破碎化,完整的棲地型態成為了許多小而不健全的棲地生態系統。這些零碎的棲地生態系統在經歷大規模的擾動影響後,如果和物種回復的來源區之連接性被影響,即使要再恢復原有的生態環境,也不容易達成。

堰壩影響的不僅針對洄游生物的上下游移動,溪流中的有機碎屑等營養物質、藻類及水棲昆蟲都會受到牽連。河川從上游到下游本為一連續系統,其中的有機碎屑、藻類、水棲昆蟲、魚類及濱岸動植物等,在河川上中下游各有其功能性組合成完整連續的生態系統,堰壩的存在則影響了這個系統的連續性,成為數個破碎不易相連的子系統。堤防影響的也不僅只是兩棲類生物於河道與兩岸間的移動,原有的河岸連接洪水平原,成為乾濕交替的灘地,植物得以生長,並有可能增加水質自然淨化的機會,岸邊的有機碎屑等營養物質,也能頻繁地被帶入河川中供其他生物使用,堤防的存在使得河川外在能量的來源減少許多。水利構造物的存在必有其對人類社會安全及經濟等的考量,不可能完全去除不用,未來的設計中,在考量安全及經濟等因素下,應儘量降低堰壩的高程落差或提供改善措施,並將堤防退後使河川蓄洪空間更大而降低堤防,擴大的空間也增加了營養物進入河川的機會,以減少不連接性對水環境生態系統造成的影響。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

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