亞熱帶水庫湖沼學及水質管理

1.1 興建水庫之趨勢未已
由於人口增長、土地開發利用以及產業的發展，全球仍有許多地區缺乏足夠的水資源。為了調節在濕季與旱季雨水的不平衡，儲存濕季時的地面水，供應旱季時給水之需，興建水庫仍然是最常用的解決方案。以亞熱帶地區的台灣本島為例，全島面積為36,188平方公里（36,188 km2），2013年的年降雨量為986億立方公尺（9.86 1010 m3，由2738 mm 之年雨量算出），其中有719億立方公尺形成逕流，然而有83.5%之逕流水流入海中，僅有16.5%的水得被取用。而一年可取用的地面水中，有74億立方公尺取自河川，有43億立方公尺（占取用地面水之37%）取自水庫（圖1-1）。可見水庫在水資源供應上之重要性。（經濟部水利署，2014）
世界上雖有少數拆除水庫的例子，但是世界各國水庫的數目仍然不斷在增加。目前在國際大壩委員會（International Commission on Large Dams, ICOLD）註冊有案，人工壩體高度超過15公尺的水庫有58,402座（註：數字可能偏低，因為有些國家未註冊故未列入）。如以國家來分，中國是水庫最多的國家，擁有23,842座，其次為美國，有9,265座（ICOLD, 2016）。
以台灣本島為例，至2014年底，現有之水庫壩堰計有100座，合計其設計蓄水總容量有285,319萬立方公尺，有效容量188,619萬立方公尺；其中以曾文水庫最大，設計總容量74,840萬立方公尺，有效容量47,214萬立方公尺；其次是翡翠水庫，設計總容量40,600萬立方公尺，有效容量33,459萬立方公尺。目前正施工建造中之水庫壩堰，有以公共給水及工業用水為目標之湖山水庫，及以公共給水為供水目標之中庄調整池2座。已完成規劃尚待推動之水庫壩堰有4座，包括苗栗縣之天花湖水庫及其越域引水，台中市之大安大甲溪水源聯合運用輸水工程，高雄市之高屏大湖，南投縣之鳥嘴潭人工湖，其功用均以公共給水為主。為了開闢水源，另有規劃中之水庫2座，包括新北市之雙溪水庫及屏東縣之士文水庫（經濟部水利署，2014）。以中國大陸為例，近年來大型水庫的數目也增加極迅速，從2000年的420座增加到2010年的550座（Yang and Lu, 2014）。
1.2 水庫帶來的問題
興建水庫給農業帶來穩定的灌溉水來源，也提供公共給水、發電、航運、防洪及觀光遊憩等用途。但是水庫也給環境或人類帶來了一些問題。首先，擷取河水進入水庫，將使得下游河川的水文發生改變，例如河水流量降低。近20年間穿越中國、寮國（Laos）、泰國（Thailand）、柬埔寨（Cambodia）和越南（Vietnam）的湄公河（Mekong）主流上已興建了13座水壩，規劃中的還有12座，支流上的水壩更是不計其數（Cronin, 2012；Eyler and Weatherby, 2020）。專家指出2016年柬埔寨與越南的嚴重缺水，是受到上游興建水壩的影響（Minh and Wright, 2016）。除了下游灌溉與公共用水的不足，水文改變也會使得河川水深改變，影響河川生態環境。河口水量減少使得海水入侵到河流的更上游，使整個河水的鹽度增加，造成對於淡水生物不良的生長環境。湄公河在上游水庫興建後發生的海水入侵，使湄公河三角洲40萬公頃的稻田無法耕種（Minh and Wright, 2016）。
水庫也影響了河流從上游搬運物質到下游及海岸地區的能力。河川上游的營養鹽、有機物質碎屑和泥沙被攔阻而沉入水庫的底部，減少了下游及海域浮游植物及屑食動物的食物來源，也使得海岸的沙源減少了。卡亞布理水庫（Xayaburi Dam）興建後，湄公河的沙源減少了一半（Herbertson, 2012）。
水庫水域及環境的變化也影響當地的人文與生態環境。除了淹沒區的居民們被迫遷移之外，許多原本棲息在淹沒區的動植物也移居別處或消失了。台灣雲林縣湖山水庫於2016年建設完成開始蓄水，預定淹沒區原有222隻八色鳥（Indian Pitta, Pitta brachyuran），目前僅剩數隻，未來蓄滿水後是否能再度恢復原有的族群數量，尚待觀察（聯合報，2016）。由於水深及流速的改變，水生生物的種類也跟著改變。位於台中市大甲溪下游的石岡水壩於1971年啟用之後，大甲溪原生種的香魚就絕跡了，石岡水壩以上的河段，迴游性的白鰻及毛蟹等也消失了。
直接對於公共給水及公眾健康有影響的是水庫水質惡化所衍生的問題。累積泥沙、藻類滋長以及水體有機物質濃度增加幾乎是水庫必然的宿命。由於水庫減緩了河水的沖刷，上游集水區釋出的氮及磷等植物生長所需的營養鹽類就累積在水體下層及底泥中，不斷循環被藻類利用。生長旺盛的藻類以及食物鏈上的生物死亡遺留許多有機物質，也沉降到底層然後分解，造成水庫水中有機物濃度增高。這個現象稱之為優養或富營養（eutrophication）。優養的水庫中會有藻類產生的臭味及有機物質的顏色，有時候也會有藻類產生的毒素（Carmichael et al., 2001）。在傳統的淨水處理程序中，藻細胞容易堵塞濾床，造成淨水處理效能大大降低；而最嚴重的影響是含高有機質的水加氯之後會產生消毒副產物（disinfection byproducts），造成自來水飲用者的致癌風險。
濕熱的亞熱帶區域包括亞洲大陸的台灣、中國大陸長江流域與福建省、貴州省、雲南省、緬甸、印度北部、美國南部各州、墨西哥等大約緯度 23.5度至40度左右的地區，也包括一些熱帶的高山或高原，例如越南及台灣南部的一些區域等，在氣候上有些共同特徵：通常有乾濕兩季，其中暖季多雨，而且常有熱帶氣旋帶來豪雨。這種氣候特質造成各季降雨量不平均（這也是需要建造許多水庫的原因），炎熱的氣候及豪雨引起強烈的土壤風化與流失，大量營養鹽進入水庫。暖季炎熱但是冷季不算很冷，最冷月均溫在2至13℃之間（Wikipedia, 2016），很少下雪或結冰，適合藻類生長。水庫在暖季有明顯水溫分層現象，冷季才混合，屬於一次混合型（monomictic）的水庫，有機物及營養鹽隨死亡的動植物碎屑沉入深水層（hypolimnion），累積至下一次水體完全翻轉（turnover）時又回到表水層（epilimnion）而刺激藻華爆發。因此許多亞熱帶水庫都受到水質優養問題所困擾。
以台灣本島20座主要水庫為例，若以四季平均水質之綜合卡爾森優養指數（Carlson Trophic State Index, CTSI）（註：各國及各管理單位所採用之優養定義不同，有關優養指數之定義將於第12章詳細說明）評估，有5座為優養（eutrophic），有13座呈現普養（mesotrophic），而僅有二座能維持貧養（oligotrophic）（圖1-2）。如果以任一季出現過優養狀況來看，有三分之二的水庫都有優養現象（行政院環保署，2015）。
台灣離島金門、馬祖及澎湖的28座水庫的平均水質，全部都是優養狀態。金門主要供水水庫的水質已經惡化至淨水處理廠無法正常出水（見表1-1），除了藻類濃度（以葉綠素濃度代表）很高之外，總溶解有機碳濃度也都超出做為公共水源的標準 4 mgL-1。原來金門自來水各廠之總設計出水量為每日14000立方公尺，但是目前因為水質惡化導致處理效能不足，每日只能出水7000立方公尺。其中優養水質中含有高濃度之有機物，成為消毒副產物生成潛勢（Disinfection Byproduct Formation Potential, DBPFP），以致在金門太湖淨水廠及榮湖淨水廠的淨水處理過程中誘發出三鹵甲烷及鹵乙酸等致癌物質。2013年8月水質檢測的結果顯示三鹵甲烷濃度都超過環保單位訂定的飲用水水質標準80 mg/L（駱尚廉等，2013）（圖1-3）。水中過高的藻臭味或是顏色也是優養造成的水質問題。2009年台灣地區水庫中檢測出藻臭成分2-MIB或geosmin的事件有30多起。另外濾床被藻體堵塞的事件也時有所聞，這些情形都會造成供水停止或減量（張嬉麗，2011）。

1.1 興建水庫之趨勢未已
由於人口增長、土地開發利用以及產業的發展，全球仍有許多地區缺乏足夠的水資源。為了調節在濕季與旱季雨水的不平衡，儲存濕季時的地面水，供應旱季時給水之需，興建水庫仍然是最常用的解決方案。以亞熱帶地區的台灣本島為例，全島面積為36,188平方公里（36,188 km2），2013年的年降雨量為986億立方公尺（9.86 1010 m3，由2738 mm 之年雨量算出），其中有719億立方公尺形成逕流，然而有83.5%之逕流水流入海中，僅有16.5%的水得被取用。而一年可取用的地面水中，有74億立方公尺取自河川，有43億立方公尺（占取用地...

序
遠古人類為灌溉而開始興建水庫。時至今日興建水庫的需求方興未艾，吾人還要水庫能發揮發電、觀光、休憩、養殖、垂釣、水上活動、航運、生態保育等多種功能。對於如此眾多的水庫，要如何以最經濟有效的方法，確保其水量與水質達到其使用目的，是關係現代人生存的大問題。
一個水庫是一個複雜的生態系統，它被水岸、人工壩體、底泥以及集水區包圍，不斷受到日照、熱、風、水流等外力影響，內部還有各種混合作用、化學反應及生物作用等持續進行。要選擇適當的方案來控制水質，管理者需要具備跨領域的物理、化學及生物等基本科學知識，及預測各方案下水質變化的能力。
筆者編撰本書的目的是將過去我們的研究團隊及前人的研究心得加以整理，提供與湖庫生態系統有關的基本理論及水質管理規劃需要的決策工具，給湖泊水庫及集水區營運管理人員、水庫設計及制定操作規範的規劃設計工程師、公共給水管理人員、湖泊水質及生態科學家、大學相關科系之教授與學生參考。
過去對於藻類生長或是優養成因多數偏重以生長所需的化學因子來分析，而常忽略水體的物理性狀亦是影響水庫生態系統非常重要的因素。筆者的研究團隊曾發現：在亞熱帶水庫中水體形成溫度分層是讓微囊藻（Microcystis spp.）較其他藻種容易取得優勢的原因。2009年台灣基隆市新山水庫爆發微囊藻藻華。此水庫是一個離槽（off-channel）水庫，主要水源是鄰近的基隆河。筆者建議新山水庫管理當局在水體明顯分層時，不要讓河水從水庫上層進入，而採用最深的進水口引進河水，如此可使營養鹽濃度較庫水為高的基隆河水在深水層（hypolimnion）中被稀釋冷卻而擴散，不會進到水表光照層（euphotic zone），阻止藻類吸收利用河水的營養鹽類。新山水庫當局採用此方法後，未再爆發過類似之嚴重藻華事件。所以本書一開始第二部分的第3章及第4章，就介紹水庫的物理性質及各種影響生物生長的因子，包括能量的傳遞、光線的穿透、密度的空間變化等。第5章則是討論水的流動及物質的混合。
當然各種地質化學程序及微量元素的宿命也很重要。第三部分內的第6章討論水中的主要成分，如有機物、溶氧、及碳酸鹽等。這些水化學的主要角色，影響水中的緩衝能力、pH及氧化還原電位，這些又影響許多化學物質的變化。了解這些因素之後，我們更能掌握化學物種的分布及其對於生物的有效性。第7章討論微量化學物質，包括控制藻類生長的氮磷等營養鹽類，特別強調營養鹽種類的分布（例如總磷包括正磷酸鹽、溶解性有機磷及顆粒性磷等，各有不同之比例與其生物有效性），同時也介紹一些簡單的水質模式，可幫助讀者解釋及預測水中物質濃度的變化。
第四部分是對於水庫藻類生態的討論，其中第8章介紹藻類的生長，第9章介紹水庫整個生態系統。優養問題在表面上是浮游植物造成的，其實浮游植物是與水庫中各種動植物相互影響的，甚至受到整個水庫的物理因素及化學因素，也就是整個生態系統的控制。了解這些控制藻類生長的因子，可以幫助我們掌握優養的成因，或許可以改善優養的問題。
第五部分包括各種水庫水質管理的策略與工具的介紹。由於汙染源的管理是控制優養最根本的方法，所以第10章介紹集水區管理的各種策略，包括結構性的方法及非結構性的方法。第11章則介紹水庫內的優養控制方法，包括常用的曝氣攪拌及疏濬等，以及近年來發展深層純氧曝氣等方法。第12章介紹建立藻類生態模式的方法，包括了適用於不同複雜度的一些數學模式及其應用的例子。這些模式可以幫助我們預測營養鹽輸入量、預警藻華的生成、分析進出水方式及水質對藻類濃度的影響、分析各種集水區及水庫管理措施的成效。
本書得以產生，要感謝從事湖庫優養研究的過程中許多先進的引領及指導。開始研究水庫優養是由台大環工所駱尚廉教授邀請參與環保署的甘泉計畫開始。中研院吳俊宗博士團隊在許多研究中給予藻類分類及生長方面的專業指導，台大土木系郭振泰教授指導我們模式預測上的問題，台大環工所曾四恭教授給我們機會去嘉義蘭潭水庫開始研究優養整治方案，還有許多學者提供不同的專業協助。要感謝各水庫管理單位在研究水庫過程大力協助，包括台灣自來水公司、水利署、台北翡翠水庫管理局、台灣電力公司、各地區農田水利會及許多水庫管理同仁，使我們能夠有許多寶貴的調查數據來掌握亞熱帶水庫的特性。感謝四次赴蒙古湖泊研究時，仰仗蒙古科技大學Ulaanbaatar教授團隊及Ugii湖的生態教育與研究中心及各湖泊管理單位的全力協助，讓我們獲得極難得的數據與經驗，印證夏天蒙古的溫度分層湖泊的優勢藻也會跟亞熱帶水庫一樣是微囊藻。最要感謝的還有台大環工所環境汙染物宿命研究室的所有學生，還有藻田工作室的同仁，他們幫忙採樣、分析水樣、參與研究。若沒有他們的幫忙，就不會有本書中很多珍貴的第一手研究成果。
撰寫本書過程中筆者最大的收穫是對於生態的道有了更深的體認。筆者過去始終無法用「食物網」、「相互競爭」、「壓力與回應」等原理來解釋所看到的藻類生態的現象。但是在接近完成本書的時刻，反而體認到，自然環境在時間與空間中的變異，即不均勻性，產生無數動態的最適生態棲位（niche）。其實生物各自尋找其最適生態棲位，然後分工合作將宇宙來的能量，迅速有效地以物質及不同之能量形式在生態系統中流通、轉變、消散，以熱能回歸宇宙虛空。生態系統的道是「分工合作」，而不是「適者生存」、「優勝劣敗」。
用這種角度來看優養問題，把藻類的優養看做是一種物質的累積，就可以知道生態系統中可能哪一個環節阻塞了，或是某個生態棲位缺少物種去運作（例如缺少消費者或是氧氣）。想辦法讓這個環節運作，質量與能量流動的通路暢通了，才能讓生態系統健康有效率。
水庫生態無比複雜，其水質管理牽涉的各種專業何其眾多，筆者在編撰本書時雖已儘量謹慎，但是仍難免有疏漏及錯誤之處。筆者在此誠摯祈求本書的讀者能原諒筆者的疏漏，並能給予寶貴的指正。

序
遠古人類為灌溉而開始興建水庫。時至今日興建水庫的需求方興未艾，吾人還要水庫能發揮發電、觀光、休憩、養殖、垂釣、水上活動、航運、生態保育等多種功能。對於如此眾多的水庫，要如何以最經濟有效的方法，確保其水量與水質達到其使用目的，是關係現代人生存的大問題。
一個水庫是一個複雜的生態系統，它被水岸、人工壩體、底泥以及集水區包圍，不斷受到日照、熱、風、水流等外力影響，內部還有各種混合作用、化學反應及生物作用等持續進行。要選擇適當的方案來控制水質，管理者需要具備跨領域的物理、化學及生物等基本科學知識，及...

序
第一部分 緒論
1. 亞熱帶水庫的現狀與問題
2. 湖泊與水庫的形成、種類與特性
第二部分 水文與物理性質變化
3. 水量平衡
4. 光與熱
5. 流動與混合
第三部分 水庫化學及微量元素之宿命
6. 酸鹼度、碳酸鹽、有機物及溶氧
7. 氮、磷、鐵、錳及其他成分
第四部分 藻類生態
8. 藻類生長
9. 水庫藻類生態
第五部分 水質管理
10. 集水區衝擊的管理
11. 水庫內優養控制
12. 生態系統模擬與水質管理方案評估

序
第一部分 緒論
1. 亞熱帶水庫的現狀與問題
2. 湖泊與水庫的形成、種類與特性
第二部分 水文與物理性質變化
3. 水量平衡
4. 光與熱
5. 流動與混合
第三部分 水庫化學及微量元素之宿命
6. 酸鹼度、碳酸鹽、有機物及溶氧
7. 氮、磷、鐵、錳及其他成分
第四部分 藻類生態
8. 藻類生長
9. 水庫藻類生態
第五部分 水質管理
10. 集水區衝擊的管理
11. 水庫內優養控制
12. 生態系統模擬與水質管理方案評估