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環境水文學或生態水文學是地理學的領域,重視形成水文景觀的背景因素。本文即以環境水文學的觀點探討-的水資源蘊藏量、河川群、逕-及其形成過程,并以經濟部水利署-各水資源分區的特徵為例,概括說明水文景觀形成的背景因素。
壹、-水資源蘊藏量
水資源就是淡水資源,經過淡化後的海水(咸水)、處理過的污水也可以成為水資源,但海水、污水并非水資源。-島上天然水資源的主要來源是降水,地下深層抽出來的淡水(地下水)可能是雨水或天水長期滲透的產物,也可能是地層形成當時的水分或被封閉在地層中的化石水(fossil water)。小雨時地面能吸收(入滲)大部分,成為土壤水、地下水;大雨時(高於每小時30毫米)部分降水成為河川直接逕流(direct run-off or quick flow)的一部分,流注河川或海洋。降雨後,地面吸收不了的雨水通常會在地面上形成漫地流(overland flow),然後匯集於水系河川使河水上漲。地面吸收的雨水也會因蒸發散(蒸發和蒸散作用)而返回大氣中。
重要的是,雨水(降水量)到達地面之後,無論是地面上流動(漫地流、溪澗、河川水流等)或滯留(水庫、堰、湖泊、沼澤、洼地積水等),甚至在地面下流動(土壤水、地下水流等)或滯留(地層中較長期滯留的化石水、地下水庫等),在其於蒸發散而消失之前均為水資源之范疇。人類可以在此階段的水循環過程中,以影響環境最少的方式,作水資源開發利用。此部分的水資源是可更新或可再生的水資源。
-的降水量(precipitation, P),長期(大於30年)平均值約為年平均2,500毫米(mm/yr,水深單位),乘以-面積約36,000平方公里(km2),可換算成約900×108立方公尺(m3/yr )。
這些降水量在-島上流動或滯留期間,部分會有植被截留(未到達地面的降水)蒸發,溪澗、湖泊、沼澤、濕地、積水等水體的蒸發、地面蒸發、土壤水外滲(exfiltration)蒸發,地下水也會因毛細管作用上升而蒸發,以及植物蒸散而損失回大氣中;依據水利署的估算,蒸發散總量約為降水量的23%-25%。中央氣象局以桑士偉法(T-ornt-waite met-od)計算實際蒸發散量(actual evapotranspiration, ETa),估計是降水量的29%。
概言之,全-降水量的長期年平均值約為2,500毫米或900億立方公尺,實際蒸發散量的長期年平均值約為730毫米或263億立方公尺,其余的降水量(更新水資源量)在地面上或地面下流動,稱為總逕-,長期年平均值約1,770毫米或637億立方公尺。此總逕-就是-的最大水資源量或水資源蘊藏量,是可更新水資源。(圖1)
貳、河川群與匯集逕流
一、河川群
從-的地表形態或立體地圖,可明顯看出多條北北東—南南西方向的山系。-年約900億立方公尺的降水量分流到各河川流域,各流域內又受到地形、地質的影響而有不同的地面水逕流和地下水逕流,也不斷地有不能避免的蒸發散。本文先從-的重要山系來概觀河川群,再舉例說明流域內地形地質影響逕流的情形。
-島上降水量分流的重要山系為中央山脈、雪山山脈和阿里山山脈。中央山脈北起蘇澳,南止於恒春,西以梨山(匹亞南)斷層與雪山山脈為界;雪山山脈北起三貂角,南迄玉山,東至梨山斷層;阿里山山脈北起濁水溪南岸,南迄高雄澄清湖附近的考潭,東界為濁水溪支流的陳有蘭溪和高屏溪的支流旗山溪。所以-的河川群可以分為:
(一)雪山山脈西側河川群:包括淡水河、鳳山溪、頭前溪、中港溪、後龍溪、大安溪等,流注-海峽。
(二)阿里山山脈西側河川群:包括北港溪、樸子溪、巴掌溪、急水溪、曾文溪、鹽水溪、二仁溪等,也流注-海峽。
(三)中央山脈西側河川群:包括北部的蘭陽溪流域流注太平洋;中部的大甲溪、烏溪、濁水溪等流注-海峽;南部的高屏溪、東港溪、林邊溪等流注南海。
(四)中央山脈東側河川群:包括和平溪、立霧溪、三棧溪、美侖溪、花蓮溪、秀姑巒溪、卑南溪等,流注太平洋。
二、逕流匯集情形
河川流域受地形上山脈嶺脊的連線所控制,此嶺線稱為分水嶺,分別形成集水區。集水區有山地、丘陵地等河川源流區的小集水區,有大支流的較大集水區,更有以河口為準的整個河川流域的集水區。小集水區到整個流域內的逕流再受地形、地質的影響,其地面上下水源匯集的流場不同。
參、-各水資源區特徵
經濟部水利署將-分為北、中、南、東4個水資源區,俾利水資源的規畫、經營與管理,各分區的特徵分述於下:
一、北部水資源區
指新竹縣、宜蘭縣以北的-北部,包括臺北縣市、桃園縣、新竹縣市、宜蘭縣和基隆市。水資源蘊藏量年平均約有150億立方公尺,主要分水嶺雪山山脈兩側的水文特徵顯然不同:
(一)雪山山脈以西
有-第三大河川淡水河,并在其下游沖積成臺北盆地地下水區。其他尚有臺北縣的雙溪、磺溪等流注東海;桃園縣的南崁溪、社子溪等淺山性河川(河川短小,逕-小)流經更新世地層(臺北斷層以西)的西北臺地地下水區,年平均約有4億立方公尺的永續性出水量 ;新竹縣有鳳山溪、頭前溪、客雅溪等,在新店斷層、竹東斷層以西形成第四紀地層的新竹(新苗區北部)地下水區,年平均約有1.5億立方公尺的永續性出水量。
北部水資源區人口眾多,有九百多萬人(約占-40%)的生活用水、產業用水的需求。目前翡翠水庫供應大臺北地區的各種用水;石門水庫供應西北臺地的用水。石門水庫因無排砂設施,19-年完成以來底部已淤積多量泥砂,豪大雨、臺風時洪水流入可能掀動底泥,使庫水混濁影響凈水處理而發生缺水現象,有待另辟水源補救。此外,有西勢、新山水庫供應基隆地區的用水;寶山一、二水庫、大埔水庫等地供應新竹用水。臺北盆地、西北臺地、新竹地區等可提供每年7-8億立方公尺的地下水資源的永續性出水量,唯抽水量不宜超過每天2毫米(相當於每天每平方公里2,000立方公尺)。
(二)雪山山脈以東
以蘭陽溪流域及其下游的宜蘭平原地下水區為最重要。蘭陽溪在中央山脈北端多雨區,年平均逕-高達27億立方公尺,宜蘭平原地下水的永續性年平均出水量約為2億立方公尺,與臺北盆地相當,但宜蘭縣人口不足50萬人,工業發展不多,是水資源過剩區,所以只需攔河堰提高水位便於引水即可。
宜蘭平原南部的丘陵山地是中央山脈北端,其逕-影響到蘭陽溪南岸的羅東溪、冬山河、新城溪等水流及蘇澳北側龍德工業區用水的來源,并與中央山脈北端逕流關系密切。此外,宜蘭平原西側和南側多沖積扇的河川搬運物堆積,地勢較高,所以鐵路線以西的地面標高均在5公尺以上,雨水、河水、灌溉水等容易入滲使地下水位高,而鐵路線以東地面標高多為 2-3公尺,地勢低平,沿海更有沿岸沙洲,標高多在10公尺以上,阻擋逕流流注太平洋,因此容易淹水。經多年的河川整治,已有改善。
(三)大屯山區
大屯山區在雪山山脈以西,是-最大的火山水文區,本區水資源與雪山山脈西側逕流無關。陽明山國家公園的年平均降水量約4,000毫米(年平均3,936毫米),大屯山附近有5,000毫米以上的紀錄,因大屯火山匯系火成巖(以安山巖、碎屑巖、凝灰巖為主)覆蓋在第三紀以前的固結巖層之上,此火成巖裂隙多,碎屑巖、凝灰巖透水性好,所以雨水入滲量大(大多每天2毫米以上),在第三紀地層之上形成火山地下水體,以泉水、涌泉等方式在山麓流出地面,形成放射狀水系;有瑪鋉溪、員潭溪、北磺溪、阿里磅溪、老梅溪、八連溪、大屯溪、公司田溪、磺港溪、南磺溪、雙溪等,終年甚少斷流。目前故宮博物院西北側、雙溪北岸、天母東路的山麓、烘爐山、面天山西側,自碧湖經水梘頭轉北新路北上,到北新莊的沿路兩側尚多泉水、涌泉流出地面,出水量大的可達每日數萬噸。
二、中部水資源區
指苗栗縣以南、云林縣以北,中央山脈以西的部分,包括苗栗縣、臺中縣市、彰化縣、云林縣和南投縣。水資源年平均蘊藏量約160億立方公尺。自北而南有中港溪、後龍溪、西湖溪、大安溪(以上在雪山山脈以西),大甲溪、烏溪、濁水溪(以上在中央山脈以西)等,均流注-海峽。本區的水文特徵以大致南北向的車籠埔斷層為界,東西兩側的水文特徵大不相同。車籠埔斷層因1999年的集集地震(九二一地震)而受到重視,是第四紀地質區與第三紀以前固結地層區的分界。
(一)車籠埔斷層以東
中央山脈嶺脊以西到車籠埔斷層是第三紀以前固結巖層為主的分布區,其風化層和部分沉積層形成局部水流系統,大部分地面上下水流匯集於濁水溪(年平均約55億立方公尺)、烏溪(年平均約37億立方公尺)、大甲溪(年平均約25億立方公尺)等的中上游源流區。逕-大,砂石搬運量也大,均在各溪流下游(車籠埔斷層以西)形成沖積扇。水資源開發方面有中港溪水系的劍潭、東興等水庫、後龍溪的明德水庫、大安溪的鯉魚潭水庫、大甲溪上的德基、谷關水庫和石岡壩、濁水溪上的霧社、萬大(武界)、日月潭和集集攔河堰等。值得注意的是大甲溪上的德基水庫和谷關水庫,經青山壩、天輪壩分別供應水力發電,是水力開發。沒有石岡壩調節發電尾水,并引水供應各種用水時,并非水資源開發。濁水溪流域上有霧社水庫、萬大(武界)水庫、日月潭水庫等,均為發電用的水力開發。沒有集集攔河壩調節發電尾水,并以共同引水方式(集集共同引水)供應各種用水時,也不是水資源開發。此外,第三紀以前固結巖層為主的地質區,屬各河川中上游的源流區,其風化層多雨滴濺蝕,豪大雨時更有崩塌、土石流等提供砂石資源。經由局部水流系統的匯集,崎嶇山地丘陵地的河川坡度大、逕-大,河水搬運力(通稱推移力或掃流力)亦大,向各河川下游搬運砂石,到車籠埔斷層西側的第四紀地質區時,因地層透水性好,河水容易入滲使河水量減少,也因較平坦而河道變寬,水流變淺(推移力變小)等因素,河川搬運力減少,使砂石大量沉積。所以有濁水溪、烏溪、大甲溪、大安溪沖積扇等分布在車籠埔斷層的西緣。
(二)車籠埔斷層以西
此斷層以西均為第四紀地質區,也是-中部的主要地下水區,包括北起苗栗區(新苗區南部)臺中區、濁水溪沖積扇等地下水區。苗栗地下水區在中港溪、後龍溪等下游的苗栗縣境內。有河谷平原、臺地性(更新是地層覆蓋)丘陵,年平均出水量少約1億立方公尺。臺中區在車籠埔斷層以西的臺中縣境內,包括后里、大肚和八卦臺地、臺中盆地和沿海平原(大安溪和大甲溪下游)因為有臺地,有盆地,有平原,是多元性地下水區,其永續性出水量年平均約6億立方公尺。
濁水溪沖積扇地下水區在本區的南部,是-最大的沖積扇,也是最豐富的地下水資源區(地下水庫,年平均約13億立方公尺)。濁水溪沖積扇所呈現的是斷層以東的河川中上游源流區,風化層上的面狀雨水侵蝕(多泥)、崩塌(豪大雨時大量入滲水、孔隙壓力增加、重力等因素所造成)提供砂石及水流,搬運到斷層以西的平坦地後,河水大量入滲(二水鐵橋以下入滲量年平均約6億立方公尺)、-減少、河道增寬、水深淺而水流平緩等,河水搬運力減弱,使砂石大量沉積的情形。集集攔河堰又稱集集共同引水,供應濁水溪北岸(彰化縣部分)的八堡圳、北岸連絡渠道等,也供應濁水溪南岸(云林縣部分)的斗六大圳、濁干圳、引西圳、工業用水專用水路等,開發水資源量可達年平均15-21億立方公尺。此外烏溪流域的水資源蘊藏量年平均多達37億立方公尺,除能高大圳不穩定的引水外,尚有大量水資源待開發。
三、南部水資源區
指中央山脈以西、北港溪以南的廣大地區,包括嘉義縣市、臺南縣市、高雄縣市和屏東縣,水資源蘊藏量年平均約有160億立方公尺,其中約一半集中在高屏溪流域和屏東平原。水文特徵上,大致以阿里山山脈為界分為東西兩部分。
(一)阿里山山脈以西
河川自北向南有北港溪、樸子溪、八掌溪、急水溪、曾文溪、鹽水溪、二仁溪、阿公店溪、高雄川等,均為發源於阿里山山脈西側的淺山性河川水系。阿里山山脈多泥巖質地層,其風化物、崩塌砂石等經雨水侵蝕、水系河川搬運後,散布在平坦的西南平原,因此平原上的第四紀地層透水性不佳。雖然有眾多河川和平原,鑿井時出水量與西北臺地差不多,地下水資源不多。
習慣上將北港溪以南、二仁溪以北的嘉南水利會灌溉區稱為嘉南平原;二仁溪以南的高雄縣市部分稱為大高雄區。嘉南平原因有曾文水庫蓄水(約6億立方公尺),烏山頭水庫調節水源,再由南北干線輸水配水,更有南化水庫(在曾文溪流域)供水,也有蘭潭、仁義潭、鹿寮溪、白河、德元埤、尖山埤等小水庫可調節用水,除非嚴重乾旱年,并無水資源利用問題。至於嘉南大圳南北干線以東的丘陵地用水,目前仍以山澗水或山泉水為主,乾旱年受影響大。
大高雄地區只有阿公店、澄清湖、鳳山等小水庫可調節用水,除了依賴南化水庫能擴大供水范圍及於本區,也自高屏溪的九曲堂、高屏溪攔河堰等引取水質不佳的水,是-最嚴重的缺水區。因其范圍包括高雄市而受到重視。
(二)阿里山山脈以東
北起玉山國家公園南側,東止於中央山脈嶺脊,絕大部分地區在高屏溪流域內,是-水資源蘊藏量最大的水系(年平均約79億立方公尺)。屏東平原東港溪流域以南的屏東平原東南部不屬於高屏溪流域,屬於林邊溪流域。東港溪下游沿海以往多濕地、地下水水位高,多涌泉,由於日治時期為解決此水患,於1930年代將東港溪上游的隘寮溪自山麓的三地門筑堤改道流注荖濃溪,使東港溪成為斷頭河,也成為屏東平原的地下水流出區。隘寮溪沖積扇的扇端涌泉區直達東港溪河道。東港溪以南的屏東平原東南部到沿海地區,大部分屬林邊溪流域,因林邊溪及其支流力力(里)溪均在潮州斷層西側,分別形成林邊溪沖積扇和力力溪沖積扇,林邊溪沖積扇扇端的涌泉區也直達東港溪河道。力力溪沖積扇的扇端涌泉區直達屏東沿海的林邊、佳冬、枋寮等地。總之,高屏溪流域和屏東平原是-水資源蘊藏量最多(年平均大於80億立方公尺)的區域。
四、東部水資源區
指中央山脈以東、和平溪以南的地區,包括花蓮縣和臺東縣,水資源蘊藏量年平均約150億立方公尺,逕-分別由和平溪、立霧溪、三棧溪、美侖溪、吉安溪、花蓮溪、豐濱溪、秀姑巒溪、卑南西、利嘉溪、知本溪、金侖溪、大武溪等匯集後流注太平洋,明顯的地表景觀是花東縱谷和縱谷兩端的小平原。
(一)貫穿三大水系的花東縱谷
中央山脈為歐亞-板塊,海岸山脈為菲律賓海板塊,因菲律賓海板塊每年向西推移約數公分,兩板塊接觸的地方形成花東縱谷板塊縫合帶。因中央山脈和海岸山脈均為透水性-的固結巖層,只有縱谷縫合帶是豪雨、臺風、地震等引起崩塌砂石的堆積區,再經花蓮溪、秀姑巒溪和卑南溪三大水系的水流搬運、河川均夷作用等,以及人為開發搬走巨石、大礫石、客土等的開墾,而成為今日的花東縱谷景觀。此縱谷區的堆積層厚度至少有數十公尺,最多有數百公尺。縱谷西側(中央山脈東緣)有眾多沖積扇,花蓮溪水系的支流有木瓜溪、壽豐溪、-溪、馬鞍溪等沖積扇;秀姑巒溪水系的支流有紅葉溪、豐坪溪、樂樂溪、侖天溪等沖積扇;卑南溪水系的支流也有新武呂溪、鹿寮溪、鹿野溪等沖積扇,都是縱谷平原的地下水補注區。所以縱谷區的地下水資源豐富(年平均約5億立方公尺)因縱谷人口不多,花東兩縣人口合計少於65萬人,是水資源過剩區。
(二)縱谷兩端的平原
縱谷北端為花蓮平原,范圍包括新城鄉,南迄壽豐鄉北部,花蓮市中心在美侖溪沖積扇上,吉安鄉和壽豐鄉在木瓜溪沖積扇上,地下水資源豐富,有待開發。因美侖溪、木瓜溪等均流經過中央山脈的大理石(變質石灰巖)區,水中碳酸氫鈣Ca(HCO3)2含量高,所以河水、地下水煮沸後,容易有碳酸鈣CaCO3沉淀(Ca(HCO3)2 → CO2 + CaCO3 + H2O))。東華大學在木瓜溪沖積扇的南緣,不會有水資源量的問題,因地下水位高(扇端附近),尚多池塘濕地。
縱谷南端為臺東平原,北起海岸山脈南端的卑南溪南岸,南迄知本溪下游,有太平溪和利嘉溪的聯合沖積扇和知本溪沖積扇,區內地下水資源豐富。臺東市區到知本溪北岸,主要溫泉分布在知本溪沿岸,溪南屬太麻里鄉,多溫泉山莊、溫泉大飯店,溪北屬卑南鄉,溫泉飯店較靠近省道臺九號公路,出入較方便(易達性高)。新知本溪橋以東為知本溪沖積扇,也有較多地下水資源可供利用。所以盡管卑南溪流域因長期不下雨而接近斷流,只要充分利用臺東平原的地下水資源,應可順利度過旱季的用水問題。
參、結語
水文總論探討的重點是陸地上的降水(雨、雪等),及其因蒸發散逸散至大氣層及流注海洋之前,在地面上流動(漫地流、河川等)或滯留(湖泊、濕地等)和地面下流動(地下水、土壤水等)或滯留(地層中的天水)的總-,或水資源蘊藏量的水循環階段中,分別究明其流動速度及其控制因素、及與環境之間的關系、以及滯留時間的長短等,做為人類生存發展所必須的水資源開發之參考。
地理學重視天然的水文景觀如河川、湖泊、沼澤、濕地、泉水(或涌泉);也重視人為的水文景觀如水庫、攔河堰、圳道、水井、溫泉等;同時也重視水文景觀形成的背景因素如降水特性、蒸發散過程及其影響因素、形成大小集水區的地形條件、滯留時間長短的地形、地質因素,湖泊、沼澤、濕地、涌泉等與地下水位高低的關系,自噴井的有無與受壓地下水的關系,水資源開發與環境間的關系等。
參考資料
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