2009年11月6日

逐水而居 不可或缺—水文環境與水利工程

作者/李光敦(任教海洋大學河海工程學系)、許淑貞(任職海洋大學河海工程學系)

面對洪水的侵襲、土石流的威脅和可用水的缺乏,我們必須了解目前所處的水文環境,從而面對一再發生的極端水文現象。

人類逐水而居,水與我們的日常生活息息相關。上至積雲落雨,下至百川匯流,均屬於水文(hydrology)的範疇。了解地球上水的發生、循環、分布、物理與化學特性,以及水和所有生物間的關係,將有助於解決水資源開發所面臨的問題。水利工程之目的在於嘗試控制水害與利用水資源,例如,河川兩側的堤防是用來防止颱洪時期過多的水量,而集水區上游的水庫則是用來貯水以備乾旱時期之生活所需。如何應用水文知識,以進行河川整治,達到控制洪水災害之目的,並能妥善蓄積溼季雨水,以補乾季之不足,乃是水利工程的重要目標。

水文循環系統

地球上的水以不同形式在大氣、海洋與陸地三大系統之間移動。水分自海面吸收太陽能量,蒸發後進入大氣中,水蒸氣因凝結作用而產生降水,以雨、雪以及霜等不同的形態落於地表,最後受重力影響經由河溪再度流入海洋之過程,就是簡單的水文循環。

當降水自空中落下時,部分降水直接落於樹梢或建築物而未能降落到地面的,稱為截留。直接落於地面的雨滴,部分又被土壤吸收而滲入地底稱之為入滲,而超過土壤入滲量的雨水則沿著地表坡度向低處漫流,稱為漫地流。此漫地流經河川網路系統進入河川者,稱之為地表逕流。上述滲入土壤中的水流在尚未深達地下水位之前,便流出地面者,稱之為中間流;而直接滲漏至地下水位以下,在地下水層流移而進入河川者,稱之為地下水。在地面漫流的水,因地面凹陷而聚積者,稱之為窪蓄。當日照旺盛時,土壤或水面(如窪蓄、河川、湖泊與海洋)之水分子,因吸收太陽能量由液態轉為氣態者,稱之為蒸發。若水分子是由土壤中經植物根系上傳至莖葉而散失至大氣中,則稱為蒸散。這些經蒸發或蒸散作用的水氣,被大氣環流傳送到大氣上層凝結成雲,在適當條件下重新開始水的循環。

降雨的空間分布

地球上水資源總量的97.5%是海水,只有2.5%為淡水。在淡水資源中,絕大部分為南北極冰山、高山冰河和地下水,可供人類使用的水資源,不到全球總水量的1%。由於緯度、大氣循環與植被分布的差異,世界上主要的降雨帶集中在緯度30 度左右的地區;而台灣正好位在這個降雨帶的邊緣,年平均雨量約2500 毫米,是世界平均值的2.5 倍。但因台灣人口密度甚高,換算之後每人每年所分配到的降雨量僅約4000 噸,是世界平均值的五分之一,而每人每年所分配到的有效水資源更只有1700 噸,屬於全球水資源缺乏區域之一。

台灣地區年降雨量之空間分布由東北逐漸向西南遞減,且在山區形成許多高強度降雨中心。約有68%的降雨集中在每年5~10 月,其中又以颱風及豪雨居多,大雨宣洩不及時,往往釀成災害;相反地,枯水時期則常有缺水情況,以致部分農田必須休耕,藉此抒解民生用水的不足。

集水區與河川網路

水利工程的規畫設計工作是以集水區(watershed)為考量單元,集水區是一個以山脊稜線為邊界的水文系統;集水區的邊界需視集水區出口位置之指定,而後加以確定。因此在同一個大範圍區域中,會因為集水區出口位置選定之不同,而產生不同的集水區邊界。一般可將集水區分為漫地流與河川兩部分,山谷兩側之坡面即漫地流部分,而山谷間之低地即為河川。由立體地形可以了解到,雨滴若是落在此一以山脊稜線為邊界的集水區內,將由地面匯入緊臨之河川,而後依循河川網路,從上游流至下游,最後抵達集水區之出口;因此集水區所代表的是「一個以出口處為控制點的水文單元」。【更詳細的內容,請參閱第479期科學月刊】

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