未来水库管理的方向生态系统观的水库永续操作.docx

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未来水库管理的方向生态系统观的水库永续操作

第1章、未來水庫管理的方向—生態系統觀的水庫永續操作

第2章、水庫生態系統管理的源起

第3章、集水區水域生態系統觀的理論

（一）古明斯的溪流結構學說

第4章、集水區水域生態系統觀的理論

（二）韋伯斯特的生態系統螺旋學說

第5章、集水區水域生態系統觀的理論（三）凡諾提的河川連續學說

第6章、集水區水域生態系統觀的理論（四）強克的洪水脈衝學說

第7章、集水區生態系統復育工程

（一）─河濱木本植物濕地

第8章、集水區生態系統復育工程

（二）─河濱草本植物濕地

第九章、集水區生態系統復育工程（三）─河濱苔蘚類濕地

第1章、未來水庫管理的方向—生態系統觀的水庫永續操作

水庫的管理與操作，近百年來經過幾次重大的改變，以致水庫的功能，不只要滿足人類用水的需要，還要面對社會、文化的思潮與價值觀的變更。

尤其在1980年代之後，水資源的調配與管理，增加生態的需求，使得水庫不再只是蓄存自然水體的地方，還需負擔自然資源更廣泛的共享，與水庫的永續性使用。

這些問題都與水庫集水區生態的維護有關，因此生態系統的概念，將成為未來水庫管理與操作的需求與挑戰。

水庫管理觀念的變遷

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.

第2章、水庫生態系統管理的源起

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。

第3章、集水區水域生態系統觀的理論

（一）古明斯的溪流結構學說

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

撕裂型水生昆蟲

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

蒐集型與過濾型水生昆蟲

0.075~0.25

大、小型水生昆蟲糞便

蒐集型與過濾型水生昆蟲

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

攝食型態

活動區域

種類

粗有機顆粒

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

底床

小突搖蚊亞科（Orthocladinae）

蜉蝣目（Ephemeroptera）

水中

網石蠶科（Hydropsychidae）

細有機顆粒

蒐集型

底床

蜉蝣目（Ephemeroptera）

水中

蚋科（Simuliidae）

刮食型

底床

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.