水与生活:水资源管理与生态环境

水是地上一切生机的命脉。水生生态系统提供了许多物种的永久栖息地,也提供了食物(鱼虾植物等)、药品、木材等产品,以及防洪、改善水质生物多样性等服务。人类的文明在利用水循环过程中,发展出储水饮用、种植粮食、产生能量、製造工业产品等的能力,并减少如水灾、旱灾等自然灾害的伤害,不过也破坏了许多的自然风光,以及让许多适合生物生存的重要生态支撑体系逐渐退化

虽然没有人愿意放弃可靠的供水和防洪基础设施,但未来还是需要在人类用水的直接利益(工业、农业、公共供水)与间接利益(生态系服务)之间取得平衡。然而,在分配水的各种用途的过程中,经济价值常是重要的影响因素。虽然环境经济家已经开发出一些重视生态系统功能的评估技术,但对水的伦理价值却很难有效衡量,一方面要保护生物多样性,另一方面要提供足够的水供人类使用,实在很难找到两全其美的方法。

水的控制

水是生物个体呼吸和光合作用中的重要因子,在地上的总量约有14亿立方公里,其中约41,000立方公里的水会在水文循环中转换,其余则长期储存在海洋、冰山和地下含水层中。台湾每年平均有936亿立方公尺的降水,但由于山高水急及降水集中的影响,只利用了约20%的降水。随着科技的进步以及对生活品质的要求,人类对水的量及质的需求也愈来愈高,再加上近年来气候变迁造成降水趋势变化的影响,可用水资源的开发及现有水资源的管理已成为民生的重要课题。

为了克服降水的不确定性,人类建造了愈来愈多能影响水文循环的设施。其中对用水调度最有帮助的就是大坝的兴建,直接改善了农业和确保民生及工业供水,近年更提供减少洪涝灾害、蓄水发电,甚至发展观光游憩等的功能。

不过在这些水资源管理设施所带来经济利益的同时,也了解到在环境上所付出的成本,包括地层下陷、海岸侵蚀、海水入侵、物种灭绝等。这些问题让更多人逐渐接受需要更多以生态环境为基础,以不违反大自然运作的模式来管理水资源,同时维护人类与生态系统的利益。

虽然大家都认同大坝下游需要提供一定的流量,以维持河道内的生态环境,但很少考虑提供短暂的高流量给河滨的生态系统。在过去,周期性淹没的河滨湿地生态系统提供重要的产品(如耕地、渔业、畜牧业)、功能(如地下水补给、养分循环)和属性(如生物多样性),这些生态系统促进世界各地几世纪以来农村社区经济、社会和环境安全。

洪水对鱼类洄游和泥砂运输也非常重要。水库降低了洪水的大小和发生的频率,以保护下游的城市地区,但也改变了生态环境,造成诸多影响,如阻止了水中生物的迁徙行为、改变营养物的供应、河川泥砂的传输等,使其降低提供人类自然服务的好处。而近年来以一些水库高流量的管理操作恢复和保护下游湿地生态系统,对生物多样性生物生产力有很大的助益。

水与环境

近年来,我们开始反思人与环境之间的关係,一个重要的核心原则是人的生活与环境有着深刻的相互联繫,地上丰富的生物、化物理多样性生态系统的重要基石,种种的生态过程让地可适合各式各样的生命,提供了我们食物、呼吸的空气、水源及很多生活必需品。

1991年的都柏林会议谈到了水的永续发展,结论是「由于水维繫着一切生命,水资源的有效管理需要一个全面的方法,使社会和经济发展与保护自然生态系统连接,在开发和利用水资源的先后考量时,必须同时考虑人类基本需求的满足和生态系统的保护,在确保生态系统的完整性下才可达到水的永续发展」。

例如,如果要维持稳定的水源,上游生态系统就需要保育,管理良好的森林和草原在雨季可减少逕流,并增加土壤入渗至地下蓄水层,同时可减少水土流失;在下游也需提供足够的流量,使下游生态系统同时提供宝贵的生态资源。

思考要提供多少环境流量给溪流,已不再局限于生态环境的面向,考量一个环境维护流量应是河川水流提供支持保留关键环境进程或服务的自然过程,应包含维持河川娱乐和美学的功能、维持河床底质颗粒大小及其流动性、渠道维护流量、保持渠道的纵向连续性、维持河道功能和栖息地、洪氾平原的维护、伏流水区带的维护、滨岸植被的维护等不同面向。

水功能与生物多样性

森林或湿地等的自然生态系统,可在水文循环中扮演重要的角色。植物促使水入渗到土壤中,增加地下含水层的补注,降低洪水风险和稳定土壤,从而减少水土流失;森林会带走水分并释放到大气中,促进了水文循环。而如洪氾平原、沼泽等湿地系统可负起在洪水期间滞洪、营养物循环和补给地下水等的重要水文功能;湿地系统也提供重要的水质净化功能及拥有丰富的生物多样性

水资源管理中,考量自然生态系统应不只是针对单一物种的特殊用水需求,应对不同物种的用水需求多做了解,再整合以达到系统性的管理。对人类而言,自然生态系统提供重要的产品(如食物、林木建材、药品等)及服务(如地下水补给、固砂防洪、水质净化、微气候调整等),可换算成金钱的产品比较容易被了解接受,不易换算成金钱价值的服务常常被人忽略,生态系统服务(ecosystem services)在水资源管理与规划时应更全面地纳入比较考量。

生态水资源管理的单位基本上是以各个河川流域为主,同时考量地表水和地下水;管理的目标是整合所有环境中重要的物理、化生物成分,并与社会、经济、体制等因素的相互作用。这需要整合山地、旱地、森林、湿地、湖泊、河流、地下水、住家、农业、工业、交通、垃圾处理和任何对环境的影响,以期达到有效供水、减少洪水、补充地下水、改善水质、保存生态完整性等的功能。

许多生态系统包含了多样的物种及大量的生物个体,其中水的多寡往往是生物多样性的关键控制因素。河川滨岸的洪氾平原区域常是许多鱼种的生育栖地,但由于堤防建设及相关的水利工程设施限缩了洪氾平原的区域,淹没的高度及时间也随之改变,对滨岸生态系统造成很大的影响。另一个未受重视的是海岸生态系统,为了有效利用每一滴水,有些水资源管理者甚至认为流入大海的淡水是一种浪费,但这些注入海岸湿地淡水除影响盐度外,也会对区域内的生物群落组成产生冲击。

订定环境及生态系统用水需求

生态系统及其各组成物质的水需求一直是一个複杂的问题,是世界各地非常关切的研究课题。早期大部分的焦点一直是最小的流量要求,认为只要维持一定的低流量就可以让溪流生态系统维持一基本的状态。

但由于许多物种在其特殊生活史阶段需要高流量或洪水,例如某些植物在其早期生长阶段,每年需要高流量浸没底部一段时间,而这高流量还带来了重要营养物质以供其生长所需;有些鱼种则要在溪水有一定深度时才会产卵繁衍后代,或要利用高流量时的洪氾平原区域繁衍后代,多样的流量变化特性才能使溪流生态系统有更高的生物多样性

而物种多样性及丰富度和河川流量高低直接的量化对应关係,是水资源管理者最关心的课题。但由于各物种族群数量本来就有自然波动变化的情形,再加上缺乏长期研究调查的资料,这一量化对应关係并没有办法获得。未来需要更多生物生态研究的投入,才能更明确地了解物种的用水需求。

水库等水工结构物的建设改变了河川原有的自然流态特性,使河道中及滨岸的栖息地产生变化,而对溪流生态系统造成很大的影响。在人类开始大量取用溪水的同时,要求保留适当流量以提供河川的溪流生态系统所需的想法,已渐渐地在世界各地展开。

Tennant在1976年就认为「在溪流中截取千万年来维繫水域生态环境生命的每一滴水是一种违背大自然的罪恶行为」,而提出保留一定百分比的年平均流量给河川的Tennant法。虽然陆陆续续发展了许多不同的方式,来求得这一维繫溪流生态环境所需的最低流量(如日流量延时曲线法、湿周法、集水区面积经验法等),但是目前最为广泛应用且认为是考量物种栖息地需求的方法是河川内水流量渐增法(IFIM)。

IFIM美国渔业及野生动物署(U.S. Fish and Wildlife Service)研究发展而成的,考量的是以指标物种(通常是鱼)对不同河川流速、水深、河床底质等环境条件要求的适合度,探讨流量变化时所能提供适当的栖息地环境比率对应变化的情形,以决定溪流生态环境系统适合的最低流量。这一考量维持河道内最低流量的方式,由于操作上的简易特性,配合美国渔业及野生动物署发展的物理栖地模式(PHABSIM)等方式,目前已广泛被世界各国所应用。

相较于应用最低流量的流量管理方式,自然河川流态的概念在20世纪末提出后,便开始逐渐地应用在水资源的管理上。不过由于流态流量管理的动态变化特性,在操作上有一定的複杂性,多以利用水文指标分析的方式来探讨。流态式的河川管理概念强调的是藉由流量的自然变化特性,造成栖地环境的多样性,进而提供生物多样性发生的潜能,而达到满足河川下游溪流生态系统对水的需求。

环境流量更进一步的发展就是结合各领域的专家合作,以适应性管理的方式决定环境流量。针对美国沙凡那河(Savannah River)流域,就曾邀集水利主管机关水资源管理人员、水利者及生态者、民间团体等权益关係人共同讨论,在检视相关生态文献后,以候鸟迁徙、产卵及筑巢、白扁柏种子传播与发芽、鱼类产卵及溯游等在生活史不同阶段所建立与流量变化的生态模式为基础,建议沙凡那河分别在丰水年、平水年及枯水年各月分在高流量与低流量时应有的环境流量,后续配合生物监测并持续开会,以达到适应性管理的目的。

水资源管理

由于都市化的过程,人类为了取用水源而在河川上建了许多水工结构物,使得满足溪流生态系统的自然河川流态的区域已逐渐不存在,栖息地型态也随之产生很大的改变,并影响了溪流的生态系统。未来在水资源管理的过程中,必须考量结合自然河川流态的本质,以维持溪流生态系统的结构性及功能性的基本运作,而建立一生态河川流态以保留一些自然河川流态的特性(如季节性、不同强度的洪水、年度及月的流量大小及高或低流量事件的延时等)。

因此生态河川流态是设计来维持、保护及复育河川中的生物过程、地形过程、物理过程、化过程等,以维护溪流生态系统的流态流量管理方式。不过由于流态流量管理的动态变化特性,在操作上有一定的複杂性,目前多以利用水文指标分析的方式探讨。近年来已有利用生态河川流态订定的生态系统需水目标,以流态观念探讨同时满足生态用水需求及人类用水需求多目标水资源水库操作管理策略,目前还在研发阶段,如何在水文的变化性及管理的複杂性找到平衡,是考量生态环境水资源管理的重大目标。

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