未来水库管理的方向生态系统观的水库永续操作文档格式.docx
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在二十世紀初期,世界上有許多大型水庫的建立,當時只考慮到水庫蓄水容量或是「安全出水量」,是否能夠滿足下游民生、工業、農業等用水的需求。
為了供給安全出水量,水庫上游的降雨量與溪流水位,是主要考慮的因子。
1920年代,水庫的操作多了「水力發電」的考慮。
水庫水位的落差,不只可以用來發電,而且所供電力的經濟所得,也能夠補助水庫操作的花費,此外,發電放水又可以作為河川下游水位的調控,這使水庫的操作與河川的管理相結合,這種觀念持續了約三十年之久。
目標愈來愈多
1950年代,水庫又多了一項社會大眾的要求—「調洪」。
洪水時期,水庫放水,將增加淹水的機率,但是水庫蓄洪將增加防洪的功能,因此水庫在洪水時期的放水調控,成為非常重要的操作。
水庫的管理,需要兼顧供水、發電與防洪,稱為「水庫多目標經營」。
這時水文淹水頻率、水庫集水區洪水量評估、水庫放水對下游洪峰流量的影響,都成為重要考慮的因子。
甚至為了調洪,而發展上、下游水庫串聯等操作。
1970年代,淨水法(CleanWaterAct)通過,水庫操作與管理又多增加了一個項目:
「水質」。
水庫水質優養化、水庫藻花可能產生的毒素,水庫的透明度降低,水庫水質含磷量偏高,與水庫漂砂增加濁度的問題,開始引起廣泛的注意。
水庫管理與操作又增加了水庫水質的考慮。
每多一項考慮,就讓操作管理的技術更複雜,也引來了許多人注意的眼光。
1980年代以後,水庫需求增加,成為不少人關心的對象,也是不少人反對的圖騰。
忽然,水庫成為轟炸機的練靶場,三不五時,就有一、二顆炸彈,或密集轟炸從某些媒體報導發射出來。
永續維護
1990年代,「永續」成為普世自然資源合理使用的衡量尺度。
如果沒有永續的考慮,即使短期之內具有市場上的優勢,也不認為對人類是長期有利的管理或投資。
很遺憾的,人類期待永續,但是對於如何達到永續的知識所知甚少。
只知道一個穩定的生態系統,將有最低的營養份與能量流出;
所以維持一個地區的生態系統穩定,就能達到自然資源的永續使用。
因此,生態系統的資源管理,就成為近代水庫操作與水資源永續化的重要策略。
如何以生態系統作為水庫管理的方式?
在1990年代後期,已在普世引起廣泛的討論,這包括保護水庫集水區的生物多樣性,上游溪流灘地林帶的栽種,河床上澗與瀨的佈置,水庫枯水期間裸露地面的維護,邊坡防止沖蝕的生態草溝、草帶工法,溪床邊人工濕地的建造,水域生物的操控,水域浮島、沈島、陸島等措施,這些方法對於過去水庫管理都是新的觀念,卻將成為二十一世紀水庫管理與操作,所將面對的挑戰與發展的技術。
資料來源:
Flug,M.1998.Ecosystemresourceconsiderationsinreservoirmanagement:
waterresourceupdate.UniversitiesCouncilonWaterResources,Vol.5,p.43-56.
生態系統是一種大自然的空間尺度,這觀念是1935年英國劍橋大學的田斯利(A.G.Tansley)教授所提出的,在這空間尺度下的生物群落會與周圍的水文、土壤、氣候、陽光,產生的調適,讓進入系統內的能量與物質,充分使用後以最小量的輸出。
大自然的問題需要有更大的尺度管理
這個觀念在1970年代,逐漸發展成自然資源管理的策略與減輕環境污染的理論。
此時,普世環境的警訊,大到環球氣候變遷,小到集水區的森林保護,或土石流的災害,這些問題都已不是過去小尺度的工程所能解決。
因此解決自然界大尺度的問題,需要由大尺度的著眼,因此生態系統的管理與工程(或稱為生態工程),成為對新興問題的解決方式,包括在集水區水庫的操作與管理。
生物群落與自然界的調適,是經過數千年或更久才形成的,甚至一條溪流的地理結構與集水區水脈的匯集成為一條河川,也是長時間才逐漸形成的,但是水庫是短時間內建在河道的外來結構,對於周遭的生物群落與水域生態自然是一個衝擊。
生態系統的理論
例如河川上下游生物食物鏈的傳遞,因著水庫建造而中斷,造成水中營養份在水庫的蓄積,成為水質優養化的原因;
洪水脈衝也因水庫而阻斷,使泥砂累聚在壩體前方,成為水質濁度的偏高。
過去這些現象是歸諸於水庫上游集水區的開發或自然的災害所致,而沒有歸諸於起初建造水庫,已對溪流環境造成的影響。
近代生態系統的理論,如古明斯(K.W.Cummings)的溪流結構理論,韋伯斯特(J.R.Webster)的螺旋理論,凡諾提(R.L.Vannote)的河川連續理論,與強克(W.J.Junk)的洪水脈衝理論,就認為:
即使水庫上游的集水區是個完全天然的保護林,水庫依然會產生水質優養化與濁度增高的問題。
生態系統的復育技術
不過這些理論並不是在攻擊水庫的建造,是不符合生態的事,而是在向前提出解決問題的方式,重新復育水域生態系統,例如使溪流周遭生態系統的重建,成為營養源與泥砂進入水庫前攔截或過濾的區域。
近代已有一些生態系統的技術,落實在集水區的管理上,如天然河濱濕地的維護,人工河濱濕地的建造,苔蘚的除磷工法,水域生物操控,溪流生物棲地重建等。
不止是改善水庫水質的技術,也是幫助水庫永續使用的操作與管理。
1974年在密西根州立大學的「凱爾若歌生物實驗站」(KelloggBiologicalStation),有一篇傑出的研究發表,證實水域生態系統內有關鍵性的生物物種,只要能夠維持這些生物物種的棲息環境,就能維護生態系統的自然功能。
關鍵的問題
提出這篇報告的是古明斯(KennethW.Cummings)教授,他在凱爾若歌生物實驗站,建了兩條長型的人工水道,以同位素14C與32P追蹤水域裡有機質的分解程序。
1974年,他發現在高山溪流的水域生態系統內的水生昆蟲,在有機質的分解與營養階的能量傳遞效率上,是最關鍵性的物種。
古明斯教授寫道:
「生態系統的探討,必須要在一開始就釐清關鍵的問題,而後才選定合適的分析方法。
」為了要符合生態系統的要求,往往從事過多冗長、繁雜的生物調查;
因此,他認為要聚焦在影響生態系統的關鍵生物物種上。
有機質粒徑的分類
這個論點,後來成為溪流生態管理策略的依據。
他提出溪流上游有機質的來源,祗有少量是來自水中藻類光合作用所產生,大部分是來自溪流旁邊的落葉。
因此影響落葉直接/間接的消費者,將成為大部分自然淨化溪流水質的關鍵物種,若這些關鍵物種減少,溪流的有機質將過多,造成下游承接水體水質的劣化。
他將水中的有機物,分為粗有機顆粒(coarseparticularorganicmaterial,CPOM),細有機顆粒(fineparticularorganicmaterial,FPOM),與溶解性有機質(dissolvedorganicmaterial,DOM)。
他提出水生昆蟲,是將CPOM轉換成FPOM,甚至成DOM,以供微生物快速分解成二氧化碳,溢出水域,達到水質自然淨化的關鍵。
表
(一)河川有機顆粒大小來源與分解者
有機顆粒種類
粒徑(mm)
顆粒來源
攝食型態
粗有機顆粒
>
64
木頭、枝幹、樹皮
撕裂型水生昆蟲
16~64
落葉堆
4~16
落葉、樹皮碎片、果實、花、種子
蒐集型水生昆蟲
1~4
落葉碎片
蒐集型與過濾型水生昆蟲
細有機顆粒
0.25~1
植物、動物碎片、大型水生昆蟲糞便
0.075~0.25
大、小型水生昆蟲糞便
0.0005~0.075
超小有機碎屑與微生物
過濾型水生昆蟲
溶解性有機物
<
0.0005
有機碎屑溶解物
微生物
水生昆蟲的角色
為此,他又將生物水生昆蟲,依攝食顆粒粒徑的不同,分為有將CPOM轉成FPOM的「撕裂型」(shredders),將FPOM轉成DOM的「蒐集型」(collectors),與刮食長在石頭表面苔鮮類的「刮食型」(scrapers),另外還有「食肉型」(predators)的水生昆蟲。
表
(二)河川有機顆粒生物攝食型態
粒徑分類
活動區域
種類
撕裂型
底床
大蚊科(Tipulidae)
石蠶科(Limnephilidae)
磷石蛾科(Lepidostomatidae)
短尾石蠅科(Nemouridae)
扁石蠅科(Peltoperlidae)
水生植物上
石蛾科(Phryganeidae)
蒐集型
小突搖蚊亞科(Orthocladinae)
蜉蝣目(Ephemeroptera)
水中
網石蠶科(Hydropsychidae)
蚋科(Simuliidae)
刮食型
舌石蠶蛾科(Glossosomatidae)
螺石蛾科(Helicopsychidae)
盤蜷科貝類(Ancylidae)
這四類水生昆蟲,擔任將大顆粒有機質,逐漸轉換成溶解性有機物,以供微生物分解的角色。
古明斯用「花生醬餅乾」作比喻,大顆粒有機質如同餅乾,雖然很有營養,但是微生物並不愛吃,水生昆蟲就像花生醬的果效,將有機質顆粒分解成更小的粒徑,提高微生物對有機質分解的胃口,這是一個很貼切的比喻。
洪水的功用
古明斯提出一個非常有趣的問題:
「如果有一片落葉,飄落在水中昆蟲接觸不到的水面上,落葉會不會一直隨水而漂,沒有機會被分解?
」答案是:
沒有一片樹葉會永遠漂在水面上,因為溪流不同的水深,不同的蜿蜒,不同大小石頭的堆積,會不斷地產生亂流。
水面上的葉子,在亂流的地方將會沈入水中,或被較大的石頭擱淺,而撕裂型的水生昆蟲,就在石頭表面等待食物,所以愈多的亂流,帶給溪流愈大的自淨作用。
而亂流的產生,是每年乾濕水文週期的賜與,每一次的洪水是再一次的將溪流底床排列組合,無意中能增加溪流發揮生態系統的自淨作用。
因此在水庫集水區的管理,除了減少有機污染的排入,還可以整治溪床、保持溪流水量的連續,重新佈置水中的大小顆粒,製造溪流較深的淵與較淺的瀨,增加溪水產生亂流的機會,或用漂流木的編排與擺放,能夠增加不同型態水生昆蟲的棲息空間,繼續發揮其生態的功能,這些處理的方式,稱為溪流生態整治,是最近以生態系統維護高山溪流自淨作用的方式,竟是有賴那不起眼的水生昆蟲上。
資料來源
1.Cummins,K.W.,1974.Structureandfunctionofstreamecosystems.Bioscience.
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