淺談水利工程生態之應用

水利萬物而不爭,處眾人之所惡,乃謙卑之極致。故古人於此著墨,多偏於哲理,以詠水德為主。而水之德貴在於中庸平衡之道。當今水利工程科技進步,如何在防災與生態環境上取得平衡,已是工程師當仁不讓的課題之ㄧ。

生態環境意指自然界物質共生與彼此間相互平衡共存的狀況。最明顯的就是水域與陸地的交界區域、森林面積區域,均是多元生物生存、覓食、繁衍的重要區域,亦是生態環境系統中,最為敏感的一環。生態環境一旦過度遭受破壞(如漏油污染、砍伐森林及過度開發等),將使生物失去生存、覓食、避難、繁衍的生存空間,致生態環境災害(如溫室效應、地震、水災及海嘯等),生態環境問題致氣候難民雖是老吊牙也是最夯的議題,但卻是當今世界各國各項法案急於尋求解決的問題,生態的重要性猶如水與石油之於人類生活,可以一天沒石油但不能一天沒水,失去生態環境則在多的工程亦無意義。

目前台灣在水利工程生態的應用上,主要集中於土石流、崩塌地邊坡、河川整治及道路工程方面,茲就水利工程生態之應用重點分述如下:

水利生態工程之策略性作法

達成一定防災安全標準是生態工程在河川、海岸工程施行的必要先決條件。所以,在兼顧防洪與生態平衡下,其策略性作法如下。

‧ 避免與水爭地,不束縮河道、海灘,以避免不當使用土地或開發新生地。

‧ 保留河川、海岸自然原貌,避免不必要之截彎取直、分洪或改變潮流狀況。

‧ 從集水區治理,減緩流速、增加入滲

‧ 以管理替代治理,儘量減少工程施設,維持河川、海岸應有的自然空間。

‧ 避免以單一工法設計承受全部水流沖擊力之水利結構物。

‧ 堤高雨水截留、入滲,充分利用水資源

水利生態之考量面

生態工程應用,開始於九二一重建區土石流、崩塌地的整治,其後逐漸推廣至河川排水整治、海岸保護禦潮,以落實生物多樣性環境,期望由生態工程的推動,達成台灣環境永續發展之目標。所以在社會層面上,以考量在地民眾需求,透過社區總體營造方式,辦理工程說明會,聽取民眾意見及溝通,在工程用地作業下,辦理土地徵收與撥用,工程全面展開施作。在經濟層面,河川斷面如以同一施工工法,將造成施作河段生物棲息環境單調化,而工程材料若從遠處採取、搬運,將提高造價、破壞原有生態環境。因此宜就地取材,佈設不同工法,營造多樣性棲息環境。安全層面上,水流常掏刷、衝擊河相,自然逕流與泥沙進入河道內,進而改變下游河道流量及泥砂量,致下游河道淤塞,使水利設施的損壞(如固床工、攔河堰等)。為提高水利設施穩定性,可在河道內舖設卵塊石灘,創造沖蝕穴與緩流區,以提供庇護以維持河床動態沖淤平衡。如施工地區有特定保全對象、重要維生體系或特殊災害地點時,安全將是放在優先考量,設計規劃時需以安定評估、安全係數設定、力學檢算及坡面穩定分析為依據。

水利生態工法介紹

生態工程材料以當地可利用資源取材及避免大範圍擾動、破壞取土石區生態系為原則。只要並將水利設施佈設與環境特色兼顧,一般性土木、水利施工方法均可使用。以下略述除混凝土材料外水利單位常用之工法。

1. 砌塊石工法

為防止河岸沖刷崩塌,以就地取材使用天然塊石、角石,即一般所稱乾砌塊石。若現場土地取得不易或有安全之虞,部分護岸內部可使用混凝土,於表面以原石襯砌,砌石以6 圍砌,5 圍砌、7 圍砌尚可使用,不得橫砌。利用砌石施作固床工與護岸,以創造出豐富多樣化溪流環境,增加生物棲息空間。

2. 舖排塊石工法(如圖1,如照片1)

與砌塊石類似,惟不要求塊石間6 圍砌,而藉由背填混凝土膠著,為避免護岸承受水壓力須適當佈設排水器。以就地採取所需塊石避免遠運浪費經費,亦可能破壞採取區的生態系。

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圖1溪床現地取材鋪排塊石

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照片 1山坡現地取材鋪排岩塊石

3. 土堤工法

河岸堤身採用現地土石材料填築,以本身自重維持穩定性,為抵抗河川水流及降雨沖刷,其面層可舖設地工織物,或種植草、灌木,凹岸處土坡坡趾搭配其他強度較強工法如蛇籠、箱籠、拋石等保護土堤堤身。

4. 加勁工法(如照片2)

於工程用地限制須有較陡直河岸,可考慮採用加勁工法,土壤中舖設加勁材料、地工織物與面版組合施設,增加土壤之自立強度及高度,若坡面為臨水面,可配合箱籠等工法抗水流侵蝕,以達到護坡之功能。

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照片2 土壤中鋪設加勁材料

5. 土石籠工法(如照片3)

將施工區域河床料如土壤、砂礫與塊石之混合材料裝入於織物袋內,以取代石籠工法之塊石,係屬改良式箱型石籠工法。惟需注意颱洪時,水流搬運卵塊石的撞擊,及完工後維護作業不慎損壞其外層,使填裝料外露等情形。

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照片3 混合土石材料裝入於織物袋內

6. 蛇籠、箱籠工法(如照片4、5)

一般以鍍鋅鐵線人工或機械編織成網,內填裝卵、塊石等大小粒徑組成長條橢圓狀石籠,並將其舖設於坡面(掛籠)及枕籠,達到保護坡面之功能,稱為蛇籠工法。蛇籠除擁有一定強度外,也有撓曲性特徵,當洪水江河床刷深或坡趾侵蝕時,蛇籠本身重量可自動調整變形,防止進一步沖刷,繼續發揮保護效果。

近期發展出矩形箱籠,適用沖蝕力大的河川,湧水或易崩塌河岸,其柔性程度與蛇籠有所差異,箱籠對於保護之填方不均勻沉陷具有平衡作用,施作與蛇籠雷同。於蛇籠、箱籠依現地地質條件考量舖設濾層,其完成後在表面適度填上壤土,使植被較容易附著、生長。

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照4 河川護岸機編蛇籠內填裝卵、塊石

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照片5 山坡箱籠增加透水性

7. 柳枝與木梢沈床工法

堤防護岸採柳枝工,柳枝植生繁茂成護岸,堤後坡覆土植生,規劃周邊為親水空間。柳枝工法及木梢沈床柵格框架框住塊石,塊石以逆魚鱗片重疊堆砌,互砌成一體,抵抗洪水衝擊。對當地動植物衝擊最小,柳枝成河畔林,木梢沈床創造河川多空隙河床,營造生態環境,且具復育功能。

本工法防洪設計理念為:柳枝工由編柵及砌石之互制提供坡面安全防護力量,木料漸腐朽解體,活木樁根形成蓆式結構接續提供保護。

管理面為避免上部枝幹遭洪水侵襲造成根系動搖、塊石鬆脫,約每3 至5 年將上部枝幹修剪至離地約20 公分處。

木梢沈床工形成富有撓屈性與柔軟性之河床墊,就地取材施作形成多孔隙堤身,覆蓋沙礫質河床料逐漸形成一永久結構,保護基腳穩定,故適用於緩流段之護坦工。

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圖2 適於緩流之護坦

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圖3 樹枝綁掛種砂包減緩前波崩壞

8. 景觀植生(如照片6)

以當地草種為主,配合自然風貌建立良好河岸植被,並輔適當施工方法。

‧ 以種植草、喬木、灌木等植物導入植生。

‧ 由周圍植物自然入侵生長,適合大規模裸露面及少數人工設施。

‧ 工程周圍表面土壤中即含有植物種子,以原本具有之植被繁殖能力,可孕育出多樣性生物環境。

依現地環境狀況選取上述方法,經營出生物棲息空間或民眾休憩環境。

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照片6 緩山坡植被穩定裸露邊坡

9. 生態保育措施

若施工地區為生態保護區、特有或保育生物之復育區、或自然復育演替可能性高之地區時,應注意工程構造物之負面效應,設計規劃時盡量減低外物之導入及人為干擾。

結語

水利工程早期多採築堤束水、防洪方式,以防止立即性河川沖刷災害,多年來已達保障人民生命財產安全之目的,階段性任務可謂已近達成。然因環境等時空背景變遷,生態環境意識與維護日顯其重要性,水利單位順應潮流亦將營造河川生態、海岸自然風貌及永續發展,列為終極目標。

水力工程以水為主角,而水之為物,素以柔弱著稱。老子道德經:「上善若水,水善利萬物而不爭,處眾人之所惡,故幾於道。居善地、心善淵、與善仁、言善信、正善志、事善能、動善時,夫唯不爭,故無尤」,足見水之趨性而就下及與萬物不爭之德。然「水能載舟,亦能覆舟」。對人類而言,生態永續的益處是在享受工程科技建設所提供之衛生、便捷、安全、舒適等效益時,猶能讓人親近自然,陶冶於自然,從美的感受中獲得心靈上的滿足與安慰,期望在生態平衡取用下,讓水利工程邁向更新的里程碑,迎向人與水利環境生態共生的遠景。

參考文獻
河川生態工法實務手冊(2005)。
推動河川、海岸生態工程策略(2006)。

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