觀點投書:水庫放水減濁,有用嗎?

2016-05-14 06:00

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透過翡翠水庫放水稀釋原水濁度,真的可行嗎?。(資料照,蔡耀徵攝)

透過翡翠水庫放水稀釋原水濁度,真的可行嗎?。(資料照,蔡耀徵攝)

去年八月蘇迪勒颱風襲台,原水濁度飆升至3萬多度,大台北自來水用戶使用到黃濁水九月杜鵑颱風來襲,原水濁度達1萬多度,造成淨水廠緊急停水。轉眼將進入颱風季節,類似情形可能再度上演,相關議題也引發討論,「水庫放水減濁」便是一熱門議題。本文擬從該議題切入,兼論濁水成因以及因應之道。

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台北市長興、公館和直潭三大淨水廠每日供應大台北地區約230萬噸用水,淨水廠的原水主要來自於新店溪源流之一的南勢溪,取水口設在直潭壩和青潭堰的蓄水區。翡翠水庫位於北勢溪之上,平常不做供水使用,而是在南勢溪水量少時作為補充水源。據報導,蘇迪勒颱風來襲,南勢溪的濁度飆升,翡翠水庫下游的北勢溪仍然清澈。

濁水成因,與水流特性息息相關。當流速低時,水的流動是平滑且穩定的,稱為層流。當流速增加,水流波動不穩定,流體質點相互混摻且運動無序,稱為紊流。南勢溪上游海拔約1300公尺,當降雨於上游處時,上游與下游之間的落差驅使水往下游流動,水流的重力位能克服部分摩擦損失後轉變為動能,流速逐漸提高而呈紊流狀態。豪雨也會沖蝕下游土壤,進入南勢溪的泥沙被高速水流攜帶往下游流動,形成滾滾濁流。因此,當降雨在上游、雨量大以及夾帶大量泥沙等三要件均滿足時,預期原水濁度會大幅飆高。

許多人認為翡翠水庫中有較乾淨的水,可透過放水稀釋原水濁度。經本文研究後發現,上述論點有諸多可議之處。

受到先前蘇迪勒颱風影響,如今只要開始下雨就會造成淨水廠水濁,讓柯文哲感嘆必須盡快解決上游水保問題。(取自柯文哲臉書)
先前受到颱風影響,淨水廠遇雨則濁,有人認為應透過翡翠水庫放水稀釋原水濁度,但真的可行嗎?(取自臉書)

首先,加水稀釋的作法主要應用在溶質可均勻溶解於水中之「真溶液」,例如溝渠中的可溶性染料即可加水稀釋其「濃度」。由於泥沙不溶解於水中,且因紊流的上舉力使泥沙懸浮在水中,所以濁水是一種「懸浮液」。加水稀釋濁度的作法,通常在製備濁度試樣時才採用,為了避免實驗誤差,測定前必須搖動試樣以維持懸浮狀態。原水減濁通常不採稀釋作法,而以沉降作用為主。當水流處於層流狀態且泥沙重量與阻力和浮力平衡時,泥沙以終端速度往底部沉降,原水濁度會逐漸降低。為有效沉降泥沙,必須盡量不擾動濁水,這與攪拌有助稀釋濃度的原理大相逕庭。

當水流處於層流狀態時,泥沙的沉降速度可由史托克斯定律(Stokes’law)推得。一般而言,粒徑愈大則沉降速度愈快,例如粒徑10微米的泥沙每小時可沉降0.24公尺,粒徑30微米的泥沙每小時可沉降2.16公尺,依此類推。假設濁水中泥沙的粒徑分布為10微米至100微米共十組,每組組距10微米,並假設取水閘門底部距離水面高度為10公尺,經計算取水閘門底部以上的原水濁度,在第1小時減少40%,第2小時減少60%,第5小時減少80%,逐漸遞減。以濁度1萬2000度及3萬度為例,分別在2小時和5小時即符合原水取用標準。原水進入淨水廠後,利用混凝劑使泥沙和水中雜質凝聚成小顆粒,使沉降速度更快,這也是利用沉降作用加速減濁的應用。

當南勢溪下游的水流為紊流狀態時,水庫的放流水會與南勢溪的濁水同流合汙,並以濁水形式進入直潭壩蓄水區。若要採用稀釋原理使原水濁度減半,那麼放流水的總量應至少等於北勢溪下游至直潭壩蓄水區前這段水體體積加上持續流入的南勢溪濁水水量,必須以洩洪方式連續放水十小時以上且放水數千萬噸至數億噸才可能達成,荒謬之處不言可喻。
 
當南勢溪下游的水流逐漸轉為層流狀態時,水庫放流量若太大,可能使所經之處的水流轉為紊流,將更多泥沙帶入直潭壩蓄水區且紊流的上舉力不利泥沙沉降,反而造成濁度上升。放流量若太小,直潭壩蓄水區雖仍可維持在層流狀態,但進入的水會直接溢流通過堰頂,對濁度的增減毫無影響。
 
以往翡翠水庫管理單位選在洪流尖峰過後放水,發現數小時後原水濁度大幅降低,認為放水功不可沒,這是天大的誤會。實則在層流狀態下,整個新店溪水域的泥沙沉降作用顯著,濁度降低是沉降作用必然的結果,與水庫放水無因果關係,此時放水可能會擾動水體反而不利減濁,正所謂治絲益棼。

現行翡翠水庫閘門的啟用時機是根據水庫水位而定,以防洪為目的。一場豪雨早已造成新店廣興一帶淹水,任何進入新店溪的水只會讓災情雪上加霜。為了降低原水濁度之目的,卻以居民的生命財產安全為代價的作為,是不符合比例原則的。

大台北地區原水供應示意圖。(翡翠水庫管理局)
大台北地區原水供應示意圖。(翡翠水庫管理局)

在一場大範圍暴風雨中,翡翠水庫的水質是否潔淨也有待商榷。104年8月27日ETtoday報導,「蘇迪勒風災過後,因應大雨及稀釋南勢溪濁度,翡翠水庫進行調節性放水,卻意外造成清澈北勢溪變濁,混濁度完全不輸颱風過後的南勢溪。」97年11月19日自由時報報導,「翡翠水庫管理局副局長說,辛樂克與薔蜜颱風帶來罕見雨量,上游山區土石嚴重崩塌,翡翠水庫無法抗拒水質濁度增高,適度、適量排放濁水,也是顧及水庫壽命的必要方式,並非刻意污染水質。」從以上兩則報導發現,北勢溪上游也有水土保持的問題。在南勢溪下游濁度飆高的同時,翡翠水庫除底部沉積大量泥沙外,頂部的水也是混濁的,放水過程會排出泥沙,反而汙染北勢溪下游。

翡翠水庫下游的北勢溪在豪雨來襲中仍然清澈,與北勢溪上游水土保持良好與否應無關聯。可能是由於水庫閘門尚未開啟,使得從閘門到北勢溪與南勢溪交會處形成單方向開口的雨水儲存區域。因水壓及水流方向等因素,南勢溪的濁水不會流入其中,所以水質依然清澈。根據報載,淨水廠擬在此區域增設取水口,並設置專管至淨水廠。應注意水庫放水或洩洪時可能讓此區域形成濁水,使新取水口的功能大打折扣或完全喪失。若不放水,此區域的水量是否足以因應淨水廠所需,也應納入評估。

瞭解濁水形成原因後,相關單位應復育已坍方的地方,並積極取締人為破壞水土保持的行為。在新設取水口完成以前,淨水廠應從改善操作方式及現有取水口著手,以避免停水或縮短停水時間為目標。本文建議如下:

  1. 颱風期間,加強監測南勢溪上游雨量以及下游水流量和流速,由相關數據推估原水濁度是否即將飆高。
  2. 颱風期間,利用遙測技術監測南勢溪上、中、下游水面的濁度,以判定濁水形成的可能性。
  3. 在取水口附近選一平坦場址設置滯洪池,並使取水口連通滯洪池。以面積10公頃、深度5公尺的滯洪池為例,蓄水量可達50萬噸,配合減量供水可維持約半天不停水。也可逐年依次設置若干個小滯洪池,再逐步串聯,已完工者可提早參與運作。
  4. 可在取水口入口處設置活動門板。當推估南勢溪下游濁度將飆高時,關閉活動門板,避免濁水進入取水口,此時將滯洪池的水引入取水口。由於滯洪池僅接收逕流水及雨水,所以濁度不會太高。
  5. 利用「分層取水」的概念控制活動門板。當原水流速減緩後,每一小時控制活動門板往下移動一小段距離,僅讓最上層原水進入取水口,隨著沉降時間增加,逐步開啟活動門板,引入更多低濁度原水。
  6. 可評估在南勢溪下游設置攔砂壩。
  7. 上述以直潭壩為例之說明,於青潭堰亦適用之。

*作者畢業於台大化工系,具有環工技師證照

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