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土木工程與環境(上)

2009年02月13日
作者:洪如江(台灣大學土木系名譽教授、中國土木水利工程學會會士)

土木工程與生物棲地的交會許多研究物種滅絕的學者( 例如Thomas et al., 2004;Pounds, J. Alan and Puschendorf, Robert, 2004) 常引用Rosenzweig (1995) 關於物種數量與棲地面積的關係式:「S cAz 」(1),式中,S為物種數量,A為生物棲地面積,c與z為常數。(1)式顯示生物棲地面積變小則物種數量變少。

台灣西部山麓及平原,在遠古時代,遍野都是梅花鹿與樟樹;其他物種之豐富,不在話下。

圖1 道路將生物棲地切割得支離破碎(連永旺先生攝)

圖2 交流道將生物棲地切割得支離破碎(連永旺先生攝)

圖3 農田中零散的農舍(洪如江攝)

今天台灣的西部平原,佔台灣本島土地面積的1╱4左右;用來容納絕大部分的城鎮、農田、與工廠,已經顯得非常擁擠;偏偏我們的運輸系統,採用超級大陸國家(尤其指美國)的公路系統,不厭其多,不厭其寬,包括縱貫公路、中山高速公路、第二高速公路、西濱快速道路、台3線公路、以及12條東西向快速道路;另有數量很多的省道、縣道、與鄉道。這許多公路系統,再加上縱貫鐵路與高速鐵路,不但佔用龐大面積,更重要的是:西部平原的生物棲地(以及農業用地)被切割得支離破碎(圖1和圖2),每一塊生物棲地都變得非常之小。(1)式中生物棲地面積A 變小,必然導致物種數量S的減少,意即造成部分物種的滅絕。被切割得支離破碎的農業用地,無法集約使用,效率低,成本高,很難在國際上有競爭力。近年來,開放農地上建築所謂的「農舍」,新建農舍星羅棋佈,生物棲地與農地進一步受到擠壓及切割(圖3)。

圖4 公路之排水涵洞兼生物廊道(謝潮儀與林孟立先生提供)

 許多生物學家、生態學家與環境學家,早已注意到生物多樣性的減少,將禍延人類。面對這種遠慮,我們土木工程界能不能多推動用地較小的軌道系統,而不要再推動用地寬廣的高速公路。現有的公路,補建適當數量的「生物廊道」(或生物通道)(圖4),讓野生動物能跨越公路;或在路側補建適當數量的「生態濕地」,為生物多樣性略盡一份心力。

同理,建壩切斷河川生物(當然以魚類為主)溯源產卵的機會,應建魚梯(或魚道)加以補救。更好的辦法是:少在河川主流建築高壩,而以離漕水庫替代之,減少對河川主流生物環境的衝擊,減少水庫的泥沙淤積。另一種選擇為引水至池塘,補注「地下水庫」;地下水經地下土層的過濾作用,已經可以直接使用,或略加處理,即可使用。

從事工程建設,不應將野生動物趕盡殺絕,應該有眾生平等的仁愛之心。

公路與山林的交會

根據美國西北部太平洋山脈超過400年的調查與研究,在山區砍伐森林,坍方(的數量與體積)將增加至自然值的十倍左右;而開路上山,其所能造成的坍方(數量及體積),約為自然坍方的100倍(表1)。在台灣,開路上山,進一步引領農業上山,並經常發生超限利用與山地四濫(濫墾、濫伐、濫開產業道路、濫建),其所增加的坍方,可能不止自然坍方的100倍;而山嶺的坍方處,通常就是土石流的源頭。台灣山地的產業道路(目前已改稱農路),寬度在4公尺以上者達8,550 公里之多,其總長度約相當於22條中山高速公路者(張景森,民國95年3月)。

新中橫公路水里玉山線,在開闢之期間,就邊挖邊坍,並將棄方倒向河岸或河床,提供土石流的材料來源;通車之後,每在颱風豪雨或強烈地震之時,坍方不斷,斷的是路(圖5至圖7)。神木村出水溪多次土石流,其源頭,其實就在該公路夫妻樹旁一條山溝中的棄方區。

圖5 由玉山遠眺新中橫公路水里玉山線之慘狀(洪如江攝)

圖6 新中橫公路水里玉山線東埔段大迴頭彎路坡崩坍(洪如江攝)

圖7 新中橫公路水里玉山線東埔段路坡嚴重崩坍(洪如江攝)

石門水庫上游集水區的桃113線公路,沿順向坡開挖,引起許多滑動;再加於崩積層墾植竹林(圖8),表土沖蝕與坍方不斷,成為水庫泥沙最大的來源。

如非在山區開路不可,宜採用「棧橋」(圖9)、或「棧橋串連隧道」(圖10)方式,完工之後,可以大幅度減少災害。

台灣本島,山地佔總面積的74%,生態豐富而脆弱,若善加保育,可成為永續利用的天然水庫。

圖8 石門水庫集水區坍方多來自公路(桃113線)邊坡竹林(洪如江攝)

圖9 北宜高速公路採用棧橋,避免大挖大填,對環境衝擊小(洪如江攝)

土木工程與斷層的交會

一個地層或包含幾個地層的地盤,其所受到的大地應力(tectonic stress)超過其強度,產生一個破裂面,沿此破裂面曾經發生永久變形,大至數公里,小者數公分,稱為斷層(fault)。斷層的產生,有的是高速度的脆性破裂(brittle fracture),錯動在幾秒鐘到幾十秒鐘內完成;有的是非常緩慢的程序,稱為潛變(creep)或蠕動的位移可以長達數百年甚至數萬年還不停止。斷層常使兩側岩石產生破裂、強度降低、壓縮性變大、透水性增高與加速風化等等惡果。新中橫公路水里玉山線,強行在陳有蘭溪斷層之中開闢,選線錯誤,後患無窮。

圖10瑞士山區道路多採棧橋與隧道以避免大挖大填(洪如江攝)

但工程更怕與活動斷層交會。活動斷層的定義與分類準則,請參考《經濟部中央地質調查所特刊第十三號,林啟文等氏(2000)所編著之臺灣活動斷層概論,第二版》。根據該特刊,台灣本島中,第一類活動斷層共12條,第二類活動斷層11條,存疑性活動斷層19條。其分布示如圖11。脆性破裂型態的活動斷層錯動,其所釋放的應變能,一部分使斷層及斷層周圍的岩石更加破碎,一部分轉變成熱能而消散,一部分用於產生地震。1999年的921集集大地震事件中,全長約100公里的車籠埔斷層(圖12)向西逆衝,最大水平位移與最大垂直位移皆達10公尺之多,是全球百年來的最大地殼變動之一。車籠埔斷層在霧峰鄉光復國中操場逆衝,造成百年難得一見的奇觀(圖13),故被保留成為博物館。大甲溪的石岡壩(圖14)是世界上第一座被斷層錯動所破壞的壩工。橫跨大甲溪的埤豐橋也因斷層錯動及震動而破壞(圖15)。中部地區的台3線公路,其沿線的十多座橋樑,在921集集大地震之時,全被震毀,無一倖免(圖16)。這幾個土木工程個案,顯然是當年選址與選線錯誤,但錯誤可能是當年對斷層的知識不足所致。大地震之後,雖然已經知道當年選址與選線的錯誤,但也只能就地重建。

工程避開斷層,上上之策;如無法避開,寧可正交,不要同行。

增進對地形、斷層及地震的了解,可增進工程的安全。 (未完待續)

圖11 台灣地區活動斷層分布圖(圖片來源:經濟部中央地質調查所)

圖12 車籠埔斷層地表破裂帶位置圖(圖片來源:經濟部中央地質調查所)

圖13 九二一地震時,車籠埔斷層在光復國中操場逆衝所造成的奇觀(洪如江攝)

圖14 九二一大地震石岡壩破壞(連永旺先生攝)

圖15 車籠埔斷層在大甲溪逆衝隆起,埤豐橋塌落中(洪如江攝)

圖16 中部台3 線公路沿車籠埔斷層而建(圖片來源:中華顧問工程司提供)

※ 本文轉載自永續公共工程網站