地下水抽取、补注与灾害

专注地信

地下水抽取、补注与灾害

一、地下水抽取

(一)基本概念

1.如果在一个地区的地下水抽用非常频繁，甚至是毫无节制地抽取地下水，又来不及补注，这样长久下去势必原有的地下水会耗竭殆尽，或者原有含水层之蓄水量经大量抽取后，长时间没有补注，则地层失去地下水的支撑，造成地表下土壤压缩，导致地层下陷之严重后果。

2.在早期开采地下水多使用较简单之工具取得，或凿取较浅层之地下水使用；至六、七十年代由于工商与养殖渔业发达，地下水用水量激增，抽水井则越凿越深，抽水技术也越趋进步，抽水机之使用变成相当普遍之工具。

(二)抽水井位置选择

1.透过地下水水位调查，可得知地下水水位等高线，与等高线正交又可绘出地下水流线，流线与水位等高线正交成很多之小正方形，即构成流网(flow net)图。从流网图可判释渗透系数较佳地区，亦即为水源优良地区选定井位之重要资料。若一均匀地下水流地区，等高线间距宽大者，其渗透系数比间距狭小者为高。

2.中央地质调查所与水利署共同执行的台湾地区地下水观测网整体计划，自1992年至2003年在浊水溪冲积扇、屏东平原、嘉南平原、兰阳平原、新竹苗栗临海地区、澎湖本岛等地完成277口、岩心总长度56,621公尺的钻井。

(三)抽水量与水位泄降

1.在一抽水井抽水状况下，会造成含水层水位泄降，持续抽水将使地下水位泄降范围扩大，井内水位泄降最大，而以抽水井中心形成一泄降锥，越往外围泄降越小，向四周渐减。其影响范围即是抽水半径。

2.而在同一含水层中，若有两个相近的抽水井同时抽水，所造成的水位泄降影响将会重迭，彼此影响，造成水位泄降加大，这就是多井干扰。在多井系统中，任一点的水位泄降系等于该点受到多水井个别水位泄降的总和。

(四)台湾地下水抽用实况

1.虽然古朴的水井已经很少见，但这并不表示人们没有用到地下水。一部分农渔产品可能是用地下水灌溉或养殖而生产出来的，就连自来水也可能是抽用地下水的，因此日常生活中，都已直接间接地使用地下水了

2. 1998年台湾地区总降雨量为1,196亿m3，除蒸发损失量为352亿m3，占29.43％；804亿m3进入河川，占67.22%；约40亿m3补注地下水层，占3.35%。河川水有691.37亿m3直接流入海中。1998年估算之总用水量为172.01亿m3，其中生活用水、工业用水与农业用水分别为31.77亿m3、17.78亿m3和122.46亿m3。然而水库与河川水所供给之水量为112.63亿m3，抽用地下水59.38亿m3。估计地下水补注量为40亿m3，故不足之水量估计是来自超抽地下水19.38亿m3，而超抽地下水源会继续造成已经相当严重的地层下陷问题。

二、地下水补注

(一)天然补注

1.地下水含水层具有巨大的贮水功能，然而地下水的补注来源主要以天然降雨入渗为主，这种透过降雨入渗之地下水补注，只有降雨时之地下水会跟着增加。然而台湾因地形关系，一场时间短的暴雨补注量却不如时间拉长的降雨。

2.然而地下水资源之补充主要还是需仰赖天然补注，透过大面积之降雨区域及适合之土壤入渗条件，就能达到补注地下水之目的。包括土壤直接入渗、河川补注、水库及埤塘补注、水稻田补注…等。近年来政府大力推行自然与生态结合，无论河川、埤塘或水稻田等农业工程均与自然工法与生态维护结合为一，如此作为将有助于增加地下水天然补注量。

(二)人工补注

       有时地下含水层需要以人工方式补注地下水之不足，这时就需要利用人工方法将地面水转化为地下水，以增加地下水之水源。人工补注主要目的是补充地下水天然补注之不足，以储存多余之地面水，供地面水作季节性调节、防止海水入侵沿海地区之地下水含水层并驱除入侵之海水楔、抑止地层沈陷、维持地下水位等多方面功能。人工补注系藉由规划方式作定常性供水至地下含水层。人工补注方式有：

1. 直接人工补注：直接以地面水灌注地下含水层，使成为地下水者。

(1) 地面人工补注：将地面水漫流或蓄于地面上或深度不大之坑或池中，便其渗入至地下水面而成为地下水。

(2) 人工补注井法：在含水层不露出地面，地面与含水层之间有不透水层存在时用之。

2. 间接人工补注

       间接人工补注法系指一些除运用工程设施本身兴建之目的外，同时也对地下水储量起补充或增加作用，利用水库调节地面径流同时也增加河水对地下水之入渗补注量；农田灌溉进行之同时灌溉水亦渗入补注地下水；利用河、湖或水库旁之开发取用地下水之同时又取用了地面水之渗漏补注，或者在河流或湖泊之旁凿井抽水，使地下水位降低以诱导河流或湖泊中之水入渗补注，或者在河流或湖泊旁之井或集水井(collector wells)具有感应补注之效果，此法有时亦称为感应补注(induced recharge)，利用此法时，即使该地区有严重超抽之现象，仍可获得充分之地下水供应。

三、超抽地下水的后果

(一)地层下陷

1.地层下陷为地层向下移动，其发生原因可分为天然因素及人为因素两类。一般而言，天然因素(如地壳板块运动、火山活动及地震等)所造成者，在台湾因发生频率低，故所造成之下陷影响较小；台湾的地层下陷主要系由人为因素所造成，即无节制地超量抽取地下水所致。

2.当地下水抽取超量时，地下水水压将相对随之降低，于受压含水层上端不透水层中之支撑力减少，其荷重相对增加，导致区域性地层下陷之后果。同样道理，自由含水层亦会因超量抽水而产生地层下陷。从物理机制而言，地层下陷系属一种不可逆之反应，亦即一旦发生地层下陷现象，以目前之科技或工程方法，无法使已下沈之地平线再上升恢复为原来地貌。

3.政府即在1971年公布地下水管制办法后，依据「水利法」规定为防止某一地区地下水之超抽所引起之海水入侵或地盘沉陷，得划定地下水管制区，限制或禁止地下水之开发。其划设以乡镇(区)为管制单位，评分原则如表，总分为0分以下乡镇者列为地下水管制区。

4.公告严重地层下陷区，包括彰化县之大城乡； 云林县之 麦寮乡、台西乡、四湖乡、口湖乡；嘉义县之东石乡、布袋镇；以及屏东县之 东港镇、林边乡、佳冬乡及枋寮乡等11个乡镇。

5.台湾地区地层下陷总面积约达1,893 km2，相当于七个台北市，其中最大者为云林县，至2002年底仍持续下陷面积约610.4 km2；累积下陷量最大者是屏东县，达3.22m；下陷速率最大者是彰化县大城乡，达9.2cm/year。

(二)海水入侵

1.在沿海地区抽取地下水必须注意海水入侵的问题。海边透水地层所含淡水因密度较低而浮在海水之上，形成为一个凸镜状水体，该水体可以向下延伸至相当深度才到达淡水和海水的界面。地下水位高出海平面h时，在40倍h处将抽到海水，若地下水下降1m时，则海水与淡水界面将升高40m。如果在海边超抽地下水，淡水和海水的交界面就不断上升，结果使海水慢慢侵入地下淡水层的位置；如果上升作用不断进行，最后海水就会进入水井中，使淡水的供应受到海水的污染而不能使用。

2.水井一经海水进入，就很难恢复淡水供应的旧观。海水入侵地下水层，会导致土壤和水质盐化，植物无法生存。例如云林县台西乡沿海土壤盐化，就造成了防风林枯死的情形。台湾沿海一些湿地，本是自然生态的珍贵资源，也受到难以弥补的破坏。

(三)地下水污染

1. 地下水最常遭遇到下列情况冲击：

(1)工业－工业制造生产过程所排放的含毒性物质、重金属废水，均易污染地下水源。

(2)都市－家庭污水、下水道管路及化粪池破损外泄的污水、垃圾掩埋场处理不当形成的污水，以及医院所排出具有感染性的污水，皆能转入地下造成水源污染。

(3)农业－含高浓度盐分和钙等灌溉剩余的农业废水、农药残余物质；禽畜粪便中的有机物、细菌等；施肥、改良土壤的药剂，也极易污染地下水源。

(4)其它－拆船废弃物、油管破裂、化工厂化学品外泄、运送化学成品车发生交通意外、游乐区废弃物等等不胜枚举，均为制造污染地下水的元凶。

2.桃园的前美国无线电公司RCA于公元1992年停产关厂，逾万名耗尽青春的中年女工也就随之失业。这群曾任职于RCA桃园厂与竹北厂的女工，想起当初在职时频繁的流产与死胎，眼见老同事们一个一个罹患各种奇奇怪怪的癌症与肿瘤而病重甚至死去，也相互联系起来，从孤立到团结，组成「前RCA员工自救会」。到1994年，怪手挖开了位于卫生署立桃园医院旁前RCA桃园厂土地，证实这片土地受到严重地下水污染。经环保署、工研院调查研究，才发现RCA厂多年来直接倾倒有毒废料、有机溶剂，造成厂址土壤、水源破坏殆尽，技术上无法整治，已成永久污染区。连离厂区二公里远的地下水都含有过量的三氯乙烯、四氯乙烯，超出饮用水标准的一千倍！这样的案例是一个惨痛的教训，地下水水质遭受污染在处理上是相当困难的，甚至根本无法短时间处理掉，造成的危害可真是大。

(四)土壤液化

1.地下水的灾害除了上述因为人为不当的行为而导致灾害外，其实地下水还有一种灾害，那就是地下水位过高而产生的「土壤液化(liquefaction)」灾害。通常土壤液化发生在土质较松软及地下水位较高的地区，在较强烈地震时，含水量饱和的砂土在重力作用影响下，其颗粒结构会有紧密化的趋势，土壤空隙之水压会升高，因为这种压力会使得土壤颗粒有效应力变得很低，土壤会失去承载能力，呈现液态化现象，就是所谓的「土壤液化」。

2.这种现象如果发生在有建筑结构物地区就会很容易发生结构之破坏；若发生在饱和砂土，常因超额孔隙水压消散伴随地表沉陷；若发生区域向上排除的超额孔隙水压达到临界水力坡降时使上方土壤的有效应力便会减至零导致土壤产生流砂现象或喷砂现象(sand boil)，如照10。因此地下水位太高的地区，可以抽取适量的地下水，以避免土壤液化现象发生。

3.容易发生液化的地点通常出现在离震央数公里至数十公里范围内的：(1) 河滩及海滩地；(2) 离河岸不远的砂质冲积层基地；(3) 砂质的旧河道堆积；(4) 湖边或其它水边的填土新生地。土质疏松而又含水饱和之地表土层，不但对地震动有放大效应外，并且还可能会发生土壤液化的现象。土壤若发生液化可能使地上结构物发生不均匀下陷，土壤发生液化后会造成建筑物、道路、地下管线及桥梁桥墩的破坏。