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大地水銀行

2021-03-03

地下水(groundwater)顧名思義，就是地面以下的水，然而隨著應用領域的不同，對地下水的定義就有所差異。一般對地下水的定義，是指在地表面以下，土壤或岩石孔隙中的水。不過也有人定義要在地層水達到飽和之水分，始稱地下水。而地表下土壤水分未達飽和者，不認定其為地下水。採用後者定義者，多應用在學術領域上。

地面上之水受日曬化為水蒸氣上升於空中，遇冷以液態或固態下降，存於地面，再遇熱則上升。太陽不停供給能量，水之活動因而循環不息，此種現象謂之水文循環(hydrologic cycle)，如圖1。大部分的地下水來自於降水(precipitation)，當雨、雪等降到地面，一部分成為地表逕流(runoff)，一部分蒸發掉了，剩下的部分則沿土壤或岩層空隙入滲至地下而成地下水。

圖1

在太陽系中，地球是個非常獨特的星球，表面有71%覆蓋著海洋，可說是個多水的星球。地球上的水共計約有13.85億km³，鹹水佔97.47%(如圖2)，約有13.50億km³，淡水約佔2.53%，約有3.5千萬km³；其中1.736%是以南極為主的冰山或偏遠的冰川，大部分凍封在極區或高山，它雖可溶解後獲得2.40千萬km3的淡水，約佔全地球淡水量69%，但多數還是無法使用；地下水，約佔0.76%，河流與湖泊水量共佔地球水量0.01%，地下永凍層約佔0.022%，其它如未飽和土壤水、生物體水與大氣中的水約共佔0.002%，全部只佔淡水量的31%。其中地下水的儲存量約有1,053萬km³，此數相當於河川、湖泊水量之100倍，平時這些水都儲存於地表以下，因此就好像大地的水銀行一樣。

圖2

地下水是大自然賦予人類最珍貴又豐富的資源，不但水質、水溫、水量穩定，而且取用方便、費用低廉，因此早為先民所利用，且逐年使用比重與日俱增。根據水利署統計，在台灣，以1990年的豐水年為例，當年用水總量為195億m³，其中引自河川的有118億m³，引自水庫的有36億m³，其餘的41億m³抽自地下水； 1991年為枯水年，該年用水總量為176億m³，自河川引水69億m³，自水庫引水36億m³，抽取地下水71億m³。豐水年的用水總量中取自地下水的部份為21%，而枯水年更高達41%。因此隨著乾旱的發生，地下水在水資源利用上的角色，益形重要。

地下水的來源
地下水的來源有三：

天水(meteroric water)- 指雨、雪等降水滲入地下後，沿土壤或岩層空隙下滲的水，地下水幾乎全部來自天水。
岩層水(rock stratum water)- 當沉積岩沉積時，封閉在地層內部的水，又稱為化石水。岩層水因地殼運動或侵蝕等作用，可由地層中釋出。
岩漿水(magmatic water)- 含在岩漿中的水，當岩漿結晶成為岩石時，岩漿水自然的釋放。

地下水的重要性
如前所述，在全球總水量中，鹹水的海洋就佔約97.47%，偏遠而難以利用的兩極冰山及冰川約佔1.736%，其餘約0.794%才是人類可取用的淡水資源，而淡水資源中又以地下水的貯存總量居冠。由於地表可用的水源有限，分佈又不均，有的地區水資源豐富，有的地區貧乏，往往為了滿足日益增加的農業、工業及民生用水的需求量，除了利用水庫調節之外，地下水就成為用水的重要來源之一。在許多乾旱地區，地下水是主要或甚至是唯一的水資源。
全球的地下水總水量，約有1,053萬km³，可抽用的約有420萬km³，約佔40%，是河川、湖泊、水庫等地面水量的40倍之多。若能適當利用，可以有助於解決全球愈來愈嚴重的水荒問題。

在台灣一年抽用的地下水量可高達約70億m³ 左右(1992年資料)，而水庫一年只能提供約30~40億m³，因此把地下水當作一般水資源之使用是相當大的。然而地下水卻因長期透支(抽用量大於地下水補注量)使用，造成許多沿海地區產生地層下陷(subsidence)、海水入侵(sea water intrusion)、土壤鹽化(soil salinization)等問題。許多地區土壤不但無法耕作，甚至植物都很難生長了。為了避免發生超抽地下水之災害，有效管理地下水資源是相當重要的，以台北地區地下水資源為例，約自從1950~1960年代起，因為都市發展引發大量抽取地下水，而致有嚴重地層下陷發生。所幸因水資源規劃與管制得宜，近些年原下陷嚴重地區已有良好控制。然而部分地區因產業型態轉變及工程開發需求，地層下陷友有逐漸往內陸趨勢(如彰化地區)。

台灣本島年平均降水量約為2,500mm，但是降水量的時間及空間分佈變化相當大。年降水量以東北部山區、中央山脈最多，皆大於2,500mm，向東西沿海地區遞減，以西部沿海最少，約只有1,250mm。蒸發量受地表狀況、風速、日照等因素影響很大，因此空間分佈更加複雜。其分佈特性與降水相反:山區蒸發量最少，大多在1,200mm以下，往沿海地區遞增，以南部沿海最大，可達2,000mm，北部沿海較小，約1,400mm。比較降水量與蒸發量的空間分佈，西部沿海中南部地區年蒸發量大於年降水量，其餘地區則是年降水量大於蒸發量。因此台灣地區乾旱大多發生於中南部。台灣平均年降水量是全球平均值的三倍，乍看之下，似乎不少。但是，若除以人口數，則平均每人每年獲得年降水量只有3942m³，約是全球平均值的1/5.5。聯合國以每人每年可分配到的水量為指標，將各國的水資源分為三個階層：水資源豐富國家、用水可慮國家及缺水國家，依照聯合國的標準，台灣仍是列為缺水國家，對照表1，台灣每人平均雨量相較其他國家都是來得少。由於地形因素，台灣能有效貯蓄利用的水資源確實極為有限，因此相對地也就更仰賴地下水作為水資源之用。

地下水之流動

地下水流動極慢
要探討地下水的流動，就必需先要認識一法國水利工程師達西(Darcy)，他出生於1803年法國第戎市，1823年畢業於工業專科學校，並擔任第戎市工程局技術員，他於1856年發表一篇論文，說明水流經過透水物質時，流速與水頭損失成正比，與流路之長度成反比，如式(1)所示，此項理論即為研究地下水問題之基礎，亦為分析與解決地下水流動與地下水水力學之開始。

上式即為達西定律(Darcy’s Law)。V為流速，h為流路上兩點之水位差，l為流路上兩點之距離，K為滲透係數。其中定義為水力坡降(hydraulic gradient，I )，即：

在地面下，水受到重力作用而往下滲透，填滿在土壤及岩石中的孔隙。土壤及岩石中的孔隙都是地下水儲存的場所。從地表往下滲透的水在遇到緻密而不透水的岩層時，地下水停止向下滲透，便開始往上累積，形成「地下水體」，其頂部稱為「地下水面」，地下水面通常在地下數公尺至數百公尺深。
地下水的含量及流動與土壤岩石的孔隙率與滲透度有關。孔隙率(porosity)係指土壤岩石內空隙體積與總體積的比值，如式(2)，孔隙率愈高，含水量愈高。滲透度是指岩石容許地下水通過的難易程度，滲透度愈大，地下水愈容易流動。一個孔隙率與滲透度均良好的地層，可以供應豐富的地下水資源，即可稱之為含水層(aquifer)。一般而言，砂層及礫石層多屬較佳之含水層，而黏土層則多屬較差之含水層。

為孔隙率，為土樣孔隙體積，為土樣顆粒體積，為土樣總體積。不同土壤組成則有不同之孔隙率，一般水成岩孔隙率範圍如表分布。

土壤之滲透度與滲透係數直接相關，高滲透係數代表地下水流經土壤流速較快，也代表有較佳之出水量。由達西定率可知流量為：

式中，為水力傳導係數，為水力坡降，為有效斷面積及為流量。K值大小因不同土壤質地而異，一般參考值可由表查得。如果查得值為-1，代表K值為10cm/s，若值為5，代表K值為0.00001cm/s，即表式此區地下水流速是非常緩慢。
由於地下各點的水壓不同，地下水因而不斷地自壓力高處流向低處，所以地下水不一定是自地勢高處往地勢低處流，而是自高水頭流往低水頭。地下水在孔隙中的流動是相當緩慢的，一般而言平均每天只有約1~2m，與地面水流速比較約有8萬到10萬倍之差！近年來有一些對地下水定年的研究，有助於瞭解地下水的流速，比如由濁水溪沖積扇的地下水放射性同位素定年研究，發現自西元1953年起大約40年間，地下水一共流動了6至8km，換句話說這些地區每天地下水大約是流動50cm上下，真的是非常緩慢。許多深井汲取的地下水在數千年、甚至數萬年前就由補注區滲入至地下，它們是經很長的時間才流到現在的位置。試想，今日如果你抽取地下水是來自超過00~200m深層之地下水，它可能是十幾年至數十年前降雨從地下水補注後而流到現在的位置。

地下水抽取

地下水儲存於地下含水層以供日後需要時抽水使用，就好像將金錢儲存於銀行一樣，如果一個含水層由多個人同時使用，其所導致之水量減少是具有相加效果的，就好像一個銀行戶頭，多個人頭從該帳戶提款一樣，一個拿帳簿從櫃檯提款、一個經由提款機提款、另外還有轉帳扣款…等。這樣存款減少的速度就是相加的效果，是很快就會用光的，地下水含水層也是如此。如果在一個地區的地下水抽用非常頻繁，甚至是毫無節制地抽取地下水，又來不及補注，這樣長久下去勢必原有的地下水會耗竭殆盡，或者原有含水層之蓄水量經大量抽取後，長時間沒有補注，則地層失去地下水的支撐，造成地表下土壤壓縮，導致地層下陷之嚴重後果。在早期開採地下水多使用較簡單之工具取得，或鑿取較淺層之地下水使用；至六、七十年代由於工商與養殖漁業發達，地下水用水量激增，抽水井則越鑿越深，抽水技術也越趨進步，抽水機之使用變成相當普遍之工具。

近年來地下水抽取趨勢

地下水補注
地下水要能夠源源不絕的抽取使用，地下水補注(recharge)是非常重要的，沒有地下水補注，而只是一味地抽取地下水，就好像有一筆存款，經常被提領使用卻沒有再度存入一樣，總有一天會枯竭耗盡，因此地下水必須充分補注，才能持續被利用。地下水補注則又區分有二，一為天然補注，一為人工補注(artificial recharge)。

天然補注
地下水含水層具有巨大的貯水功能，然而地下水的補注來源主要以天然降雨入滲為主，這種透過降雨入滲之地下水補注，只有降雨時之地下水會跟著增加。然而台灣因地形關係，一場時間短的暴雨補注量卻不如時間拉長的降雨。
然而地下水資源之補充主要還是需仰賴天然補注，透過大面積之降雨區域及適合之土壤入滲條件，就能達到補注地下水之目的。包括土壤直接入滲、河川補注、水庫及埤塘補注、水稻田補注…等。近年來政府大力推行自然與生態結合，無論河川、埤塘或水稻田等農業工程均與自然工法與生態維護結合為一，如此作為將有助於增加地下水天然補注量。

人工補注
有時地下含水層需要以人工方式補注地下水之不足，這時就需要利用人工方法將地面水轉化為地下水，以增加地下水之水源。人工補注主要目的是補充地下水天然補注之不足，以儲存多餘之地面水，供地面水作季節性調節、防止海水入侵沿海地區之地下水含水層並驅除入侵之海水楔、抑止地層沈陷、維持地下水位等多方面功能。人工補注係藉由規劃方式作定常性供水至地下含水層。人工補注方式有：1. 直接人工補注、2. 間接人工補注。

地下水經營管理
地下水的調查與觀測

地下水資源隱藏於地表下，從地表難以得知地下之水文地質、地下水位及水質狀況，以供有效經營與管理之用，故如何利用地下水觀測站有限之水文地質調查、地下水位及水質觀測資料，作為有效經營與管理參考及依據，是一個重要的課題。
地下水觀測網主要目標，為瞭解地下水環境，包括水文地質、水位、水質等資料，建立完整之資料庫，掌握地下水量與水質之空間分布與時間變化，以提供可靠之資料給決策者擬定對策及瞭解對策之執行與成效。為達此目標，就必須建立一個理想的觀測站網，以有限地點取得之資料，對全區域之水文地質、地下水位及水質進行可靠的判斷。觀測站網之設立均必須對現有資料及現場之瞭解，並在預算及其他客觀因素限制下，配合政策導向及主觀判斷，妥善規劃觀測井數、井位、觀測項目及頻率，以發揮觀測站網之最大功能。
一般而言，區域性觀測站網的規劃，必須先對規劃區域之地下水動態行為有一個整體的瞭解方能進行，因此現有觀測站網資料之蒐集與評估為首要之工作。然後，依據現有資料規劃觀測站網，接著進行設置部分站井，而隨著站網之逐步建置，水文地質、地下水水文及地下水水質等調查工作逐步完成，進而建立完整地下水含水層系統之水流系統概念模式，亦是瞭解地下水動態行為的一項工具。建立概念模式所需參數非常多且複雜，涵蓋領域包括地質狀況、地層分布、水文地質特性、地下水入滲補注區域、水位分布及流向、水質分布等，皆需一一調查釐清。區域性的規劃計畫，因面積遼闊，更增加工作之困難度，因此，等到觀測站網建置完成獲得更詳盡資料後，仍需再重新檢討，並進行增設及修正，才能建立一個完整之地下水觀測站網，並獲致所需完整及正確之資訊。

水資源聯合運用與管理

水資源有效管理與運用，必須讓用水有較充裕的取水來源，以滿足其用水需求。因此除積極地開發地下水及地表水資源之外，亦應加強取締違規違法私自鑿井抽取地下水，並且進行水平衡調查分析、推動地表水與地下水聯合運用的策略，促使水資源的供需達到有效率的平衡。在推行地表水與地下水聯合運用策略時，必須充分了解地表水、地下水在自然環境中水文之特性，及其在開發利用上之優劣點，且掌握在地下水之動態、潛能、水文地質狀況、水質情況等資料，進而據以訂定地表水與地下水聯合運用之原則，以供運作管理之遵循。
地表水與地下水聯合運用是豐水期有效率的使用地表水及減少或限制使用地下水，並盡可能攔蓄多餘的地表水蓄存於地下含水層中，此舉不但可蓄存多餘水量，有助於地下水超抽地區之涵養，減輕地層下陷或海水入侵。並於枯水期地表水不敷使用時，再依各地區地下水文及地質條件適量抽用，以補地面水之不足。
對於用水人也應加強水權之管理，讓所有用水事業之用水時間、用水量、用水地區能有效整合管理，並應該訂立在乾旱發生時，各目的用水事業水權調配運用，以免發生缺水時大家爭水的情況，導致國家整體經濟面臨重大損失。

地下水保育

地下水的流動、存蓄、抽取、補注等所涉及之現象與技術甚為複雜，不容易為一般用水人所瞭解，在開井取水之後，多忽略於保育的重要性，以致一些需水急切地區，在超量抽用地下水後，發生地下水枯竭、地層下陷、水質變劣與沿海地區海水入侵等問題。再由於農工業的高度發展及人口集中，各類廢水應運而生，水污染亦漸及於地下水。以上這些問題一旦發生，改善補救之道，除耗資龐大外，技術上的問題亦是困難重重，而恢復原狀更是費時長久。
國家水資源的規劃，首先配合自然水文系統掌握現況，以因應目前及未來的供需，再就水資源開發後對環境的影響預作評估，以免因開發或污染造成水資源的永久性損害。而對於水資源的保育概念，希望宣導普及社會，以收事半功倍的效果，使水資源開發與管理，兩者達於更完善的境地。
目前對於地下水保育之作法，可從下列四方面：
1. 地下水資源管理
2. 地下水資源營運管理規劃
3. 地面水與地下水聯合運用
4. 地層下陷防治

地層下陷防治

地層下陷防治執行方案於1995年開始配合台灣地區地下水觀測網執行。初期地層下陷有關監測網之配置，如地下水位觀測井、地層下陷監測站等，無論質與量皆嫌不足；對水文地質方面也缺乏完整可靠資料，缺乏抽用地下水時空標準，地方政府與民眾未能得到要適之指引，導致地下水資源未能合理利用與管理。另對下陷情況與趨勢之掌握亦無法監控，難以提供作為土地利用、管制之參考依據。但是隨各年度而增設之地下水觀測站、地層下陷監測，各方面也較具完整可靠資料，可供作為土地利用、管制之參考依據，而地層下陷防治執行方案也有相當良好的成效。
沿海地區因土地不當利用，經農業（含養殖魚塭）用水、工業用水及生活用水等長期超額抽取地下水，造成地層持續下陷，導致該等地區現今仍有經常性積水不退及土地鹽化現象，亦造成當地地工結構物、建築物及地下管路之快速破壞，必須及早有效防治。
政府在推動「地層下陷防治執行方案」，主要是依下列四大對策：(1)通盤規劃地層下陷區土地利用；(2)加強地層下陷區產業輔導工作；(3)加強地下水管制及水資源規劃；(4)教育宣導之配合。
這四大對策中，尤以對策(1)最為關鍵，其工作項目又分為：(i)整體規劃地層下陷地區土地利用方式，及(ii)推動地層下陷區土地整復利用與保育。透過各項防護計畫及各項綜合開發計畫之制度、規範及精神，輔以各項整復利用計畫與保育措施，兼顧生態保育與發展，及合理水土資源利用。期望在整體考量原則下，能提供沿海地層下陷區最佳之改善與發展。

展望( Prospection )

地下水在水資源之供應上有著舉足輕重的地位。近年來面對全球氣候變遷之衝擊，常有持續性乾旱情況發生，水資源匱乏無疑將造成民生與經濟問題，地下水在幾次乾旱發生時，扮演著救星的角色，對減輕旱量災害助益很大。當地表水水源不足或不易取得時，地下水的使用量就會增加。由於過去地下水之監測系統並未完全建立，而業界或民間私挖水井抽取地下水的情形也相當普遍，因此地下水實際之抽取量與補注量的資料一直相當缺乏。從台灣西南沿海地區地層下陷的情形，不難推知地下水超抽的情形相當嚴重。自民國81年至民國97年來，水利署為解決地下水超抽及污染問題，積極推動「台灣地區地下水觀測網整體計畫」、「地層下陷防治執行方案」及「健全水權管理方案」等計畫，陸續建立地下水觀測井、抽水試驗井，以建立地下水觀測網監測各地之水文地質狀況，應該有助於地下水之水量水質資料的建立。用水人也應認知水資源並非源源不絕，在使用上應建立正確用水觀念，並做妥善管理，如此才能讓水資源運用永續不絕。