生態工程

生態工程學的發展

生態工程的發展是由三股力量捻在一起,一股源自歐洲、一股來自美國、一股起自日本。這三股力量各有其特色、各有其思考重點,與建造的表達,而在二十世紀後期這三股力量逐漸匯合,為普世工程注入新的力量與重新發展的契機。
一、生態工程學在歐洲的發展
1. 發展的起源
生態工程學在歐洲的發展,源自瑞士的景觀設計師阿曼(Gustav Amman, 1885-1955),他在1930年提出一個有趣的問題:「人所設計的所建造的,應該向大自然開放?還是向大自然關閉?」他的立場在開放的那一邊,在瑞士、法國、義大利設計建造出一系列的花園、庭院,所用的線條與周遭的景觀協調、所種的植物凸顯出大地的特色,工程的布置交織在大自然的經緯,他稱這是「讓人在人為的建造裡看到並體驗到大自然」。這句話成為歐洲生態工程的特色—擬自然(mimic nature)。
2. 在德國的落實
德國西弗特(Alwin Seifert, 1890-1972)教授將這觀點引進,他當時主管納粹的營建部。希特勒政權是歷史上的負面,仍有正面的部分,就是接受西弗特的建議:「讓大自然進入德國的都市建造與規劃,將使德國下一代的年輕人更強壯。」1934年,這成為德國土木工程的特色,讓工程與大自然連繫,不只是在都市建造與社區規劃,而且逐漸延伸到溪河整治。
3. 水生植物的角色
納粹在德國戰敗滅亡後,新政府仍繼續推動工程與大自然的結合。1953年,德國馬克斯‧普朗克協會的研究員賽德樂(Kaethe Seidel)女士就開始發表一系列的研究報告,以實驗證明至少有240種以上的水生植物能吸收水中的氮、磷、增加水中的氧氣、中和水中的pH值、移除過多的鹽類、減少有毒物質、抑制水中病菌與藻類等。她提出:「植物不只供給動物生長所需的食物,而且提供動物生長的理想環境…所以溪水邊的植物不是徒然生長,而是有其保護水域的功能。」
她特別強調,莎草科的植物水莞(Schoenoplectus lacustris (L.) Palla)與禾本科的蘆葦(Phragmites communis Trin)最能除去水中的有機質。這個論點後來成為兩大型態濕地—自由表面流(Free Water Surface, FWS)濕地與地下水流(Subsurface Flow, SSF)濕地處理污水的依據。蘆葦也成為普世濕地處理污水最廣為使用的水生植物。
4. 重回大自然工程
1970年代,最著名的生態工程,是德國西南部Stuttgart城附近Murr河的重回大自然(renaturalization)工程。
Murr河介於德國黑森林與茲瓦本峰之間的平緩地形上,茲瓦本是石灰岩地質,遇水較易溶解成蝕穴,所以從黑森林集水區流下的河水,沿途的滲流量很大,河川的流量遽減,在山谷中蜿蜒流動,留下許多淤積平原。在1840年,當地人就將河川截彎取直,以較大的坡降,讓洪水時水流能快速通過,將淤積泥砂沖到下游的萊茵河。
截彎取直的失敗經驗
過了約一百年,他們才開始了解過去的錯誤。乾旱時,Murr河水很少,兩岸的地下水為了補注枯水期時的河川水位,地下水位顯著下降。造成岸邊城市取水的困難,加上溪流平常水少,淤積泥砂反帶不走,周遭河水平原陸域化,水中生物逐年減少。這裡居民最早做截彎取直的工程,也最早警覺到改變原來溪流的危機,於是提出重回河川原來狀態的復育工程。
他們要重建這條溪流,並定下三個原則:豐水期的水儘量留下來;以水邊低灘當作蓄存洪水的地方;不是任憑水生物逐漸消失,而是讓過去曾在溪流的水生物可以重返此地。更重要的,他們有一個目標,要將這條河川的復育,重擁自然生機,當做該地方「文化的特色」,成為該城市的景觀規劃。
整治Murr河重歸大自然的工程經驗,後來成為1990年代德國整治萊茵河鮭魚回溯工程的基礎。如今這些河流都成為德國最具特色的水域,不僅魚類與水生昆蟲可以回溯,地下水位也回升,也成為自然景觀聞名的地方。
5. 人工浮島
一九八八年,美國德裔的植物學家豪格(SvenHoeger)發表了在人工浮島上最著名的研究報告「Schwimmkampen-Germany's artificial floating islands」,Schwimmkampen由schwimm「漂浮」與kampen「草地」兩字組成,意即「漂浮的草地」。
這種浮島起初也是一些德國民間愛鳥人士想出來的,浮島是由每邊210公分的等邊三角形的原件組成,原件的三個頂點有直徑0.3公尺的接合管(welded piping),能拼成不同形狀的幾何圖形。這是一個高明的想法,人工浮島不僅具有景觀呈現的創意,而且符合生態設計的基本原理─在幾何造型上,是由一個單純的幾何形式,架構成複雜的造型。愈是複雜的造型,將來就愈不容易回收再使用,反之愈是由單純的造型組裝而成,日後可以分開再重複使用。
這種浮島的材料外殼採抗腐性的聚乙烯,裡面填塞軟木塞,或天然纖維,其密度較聚乙烯低,可以增加在水中的浮力。每一個三角形原件上鑽25個洞穴,每個洞穴種植一棵水生植物,水生植物的重量約在2.0~2.8公斤。另有一種元件是當作穩定平衡之用,裡面填放礫石,其重量約可以讓三個人用手合抬,放入水中。將栽種植物的元件與放石礫的元件組裝一起,放入水中,即成多樣化的浮島。

豪格所提出的人工浮島
所栽種在浮島上的植物,大多是出水性的水生植物,如蘆葦,甚至種灌木或木本植物。植物的選取不只是為給水鳥棲息,也擔負有抗浪的果效,浪愈大的地方愈選用枝根幹較強勁的植物,以增加對水流的阻力與浮島的重量來消浪;浪較小的地方則種漂浮性水生植物,甚至是沉水性水生植物。初期的使用發現水鳥前來浮島棲息之外,蛇類也會前來,鼠類也來浮島掠食植物,就在浮島的邊緣架上鐵絲網,減少蛇類與鼠類的前來,當植物的根系長達一公尺以上時,許多的水生昆蟲、螺類前來,這也吸引魚類前來覓食。浮島上面,水鳥可在栽種水生植物的元件上覓食魚類或水生昆蟲,在裝置石頭的元件上棲息。人工浮島等於建造一個聚群多樣生物的生態空間。
更有趣的是將這種人工浮島放入中度或優養湖泊或水庫中,浮島上的植物等於扮演水質淨化的功能,能吸收水中過多的營養物質,定期採收浮島上的水生植物,則可達成自然淨化水質的功效。利用水生植物吸收水中過多的氮、磷,並不非創見。但是大都是在小型水庫或是污水處理池中使用,大型水域由於水深,出水性的水生植物無法生長在水域之上,但是根據這篇研究,人工浮島讓出水性水生植物可以在深水域吸取營養物質,降低優養化的機會。

二、生態工程學在美國的發展
生態工程學在美國的發展,源自生態學的延伸,將生態系統當作大自然的基本單位。生態系統的定義是在系統內,物質與能量有最充分的分解與使用,使輸出的物質均已淨化、輸出的能量最小。由於最能表現這種狀況的是濕地,使得美國的生態工程幾乎與濕地劃上等號。
1967年,他認為天然濕地應該作為野生動植物的棲地,但是在河川感潮區域建造濕地處理都市污水,這是最早以工程處理都市污水。
1973年,美國波士頓大學海洋科學系瓦立耶拉(Ivan Valiela)教授提出污水中的有機碎屑可以增加濕地中生物的繁殖,增加濕地生物的多樣性。1975年,美國太空總署的科學家弗勒伯頓(B.C. Wolverton)提出濕地是低能量與有效的污水淨化,因為這種污水處理是照大自然的程序。他退休後,成立工程顧問公司,全力推動自由水面流濕地,而且有分出不同單元,以水生植物栽種的密度來控制各單元的好氧與缺氧性,以一個面積1.8公頃,含4個單元的濕地,持續20年之久,讓排放的水質都符合環保署的要求,而後他在許多地區建造濕地,當時建造的費用每公頃約為美金51,000,處理的污水量131CMD。後來他又推動地下水流濕地,美國各處建造處理污水濕地,甚至普及世界,弗勒伯頓貢獻最大。
1977年,美國密西根大學凱德雷克(Robert H. Kadlec)教授以流體力學提出自然處理的數學理論,並且以濕地建造驗證數學推導。他在1996年出版的「濕地處理」(Treatment Wetlands)至今仍是此一領域的經典之作。
所以歐美兩國生態工程的發展有很大的不同,歐洲是由景觀、綠美化發展到溪流復育,工程的建造成效是在自然的仿效,理論的部分較少,生態工法多於生態工程學,技術的份量多於理論。美國的生態工程發展,一開始就是生態學家在主導,而後才有工程學者與工程師參與,生態學與數學的份量多於工法的份量。
進入1980年代,濕地處理污水的果效,帶來野生動植物的棲息,在美國獲得民間廣泛的支持,這也帶來政府單位的注意,美國環保署、墾務局、工兵署等單位也開始大力支持建造。這時期濕地建造的特徵是朝向大面積,例如在佛羅里達州的埃伯格列爾(Everglades)地區就建造了16,000公頃的濕地,這濕地主要處理非點源污水、農業排水與鄰近城鎮暴雨時的排放水,迄今,這仍稱為世界上最大的濕地建造。
連美國最乾旱的地方內華達州的卡森河(Carson River)邊都建造了300公頃的濕地,這濕地號稱為「污水零排放」,所有進入濕地的污水,都會被濕地內的水生植物蒸散至大氣。這濕地的設計者仔細的計算,以16%的水域種植密集的出水性植物以增加蒸散,84%的水域保持自由水面,吸引野生動物前來,濕地由政府建造後,會由民間接管、維護,這是近代濕地建造的經典之作。
這時濕地建造開始分類,有的是為持續濕地理想生態環境的維護工程,或為濕地劣化生態環境的復育工程,或將地區建為濕地的建造工程。濕地建造的經驗,也開始傳至國外。
1990年代,由於在前十年已經建造了許多濕地,這時美國的生態工程學者與政府開始彙整濕地處理的成效,探討濕地建造的「最佳操作」,包括濕地的選址、設計的參數、建造的結構、棲地特性的分析、經濟分析、經營管理與環境教育的呈現。
此時期濕地建造除了污水處理、生物棲地之外,也加入滯洪與養殖的果效,濕地建造逐漸成為人類重新去建造、經營一個完整的生態系統。濕地兼顧野生動植物的考量也更細緻,開始有些濕地的建造是為瀕危生物的保育。
發展到這階段,生態工程才逐漸由濕地延伸出去,有道路生態、坡地生態、海灘生態、堤防生態等,影響愈來愈普及更多工程的範疇。
進入二十一世紀,生態工程仍是初萌的知識,未成熟的技術,雖然累積不少案例,但是美國科學界與政府仍對濕地建造採取低調、保守式的設計建造,沒有訂定工程規範、設計準則等硬性規條。一方面自認不足,一方面怕傷害生態工程在大自然下活潑、創意的設計與建造。

三、生態工程學在日本的發展
生態工程在日本發展與歐美最大的不同,在強調「就地取材」,而且一開始就與防洪治水工程結合在一起。歐美的生態工程與防洪工程是獨立發展的兩條路線,但是日本是就地取材、現地處理,兼顧防洪與生態。為此,在日本建造出的「粗朵工法」、「杆格工」、「疊石工」、「蛇籠工」與歐美的工程不同。
這些工法的開啟,竟然是日本明治維新時,自荷蘭聘來的一個工程師里耶克(Johannis DeRijke, 1843-1912)所教導。他在明治六年,前來日本大阪,整治信濃川治水工程,他當時月薪300日圓,職任第四級工程師(最低等級工程師)。他教育當時急於學習西方知識的日本技師,以日本的石頭、樹木等天然建材,配合水利工學,所建造出就地取材施工法。由於天然材料強度不如鋼筋水泥,他必須讓大自然的力量與天然的材料結合,才能產生對抗洪水;這正符合生態工程的本意。
這些就地取材的建造物,很容易讓魚類棲生、植物著生、螺貝附著,日本技師的學習、效法,逐漸形成日本特色的工法。後來東京帝國大學教授上野英三郎(1871-1925)推動低造價的水利工法。1938年,上野英三郎的學生牧隆泰來台灣,於台北帝國大學成立農業工學與水理實驗場,1940年前者改名為農業工程學系,後者改名為台大水工實驗室。
至今台灣仍然留有一些日本工程的建造,五、六十年來生物生長得多,而且歷經多次洪水的考驗,仍在荒山野溪中守護台灣。

四、生態工程在台灣的發展
「生態工程」這個字眼,在公元2000年才出現在台灣的媒體上,自此生態工程有關的報導,無論是正面或負面,成為流行,與其有關的研討會、講習班更是不勝枚舉。其實,早在1980年代,台灣已有類似的工程在推動,其中最著名的是宜蘭縣五結鄉冬山河的親水公園。在此之前,台灣河流的灘地幾乎是雜亂無章,雜草叢生的代名詞,日本的工程師在冬山河濱水陸相接之處,建成台階平台,使人易於親水,接近自然,一時,前往冬山河的旅客有如浪潮,也帶動當地的繁榮。原來河川除了防洪與供水、排水之外,還有這種用途。
1990年,有兩個與河流相關的工程-綠美化、景觀工程逐漸在台灣盛行,綠美化是將閒置的土地種上植物,這些地方除了社區公共土地、屋頂、馬路邊,也包括河流灘地植草、鋪人行道、腳踏車道,並在堤防的堤壁鋪土植草,在堤頂建觀賞台,在堤角建花台,甚至加上照明設備。綠美化被稱為政府對居民表現最大親和力的公共建設。
景觀工程是建築物之外的環境規劃與空間設計,使人類在大地上的活動可以具體的以建造來表現。這不祉包括局部綠美化,更包括庭園建築、草溝草帶、溪流整治、邊坡打樁、滲水鋪磚路面、走廊、水橋、綠牆等,由自然勾勒視覺之美的建造,所以當生態工程在台灣開始要啟動時,綠美化就改為生態綠美化工程,景觀工程就改為生態景觀工程,使得初期所建的生態工程仍是綠美化與景觀為主的建設,這代表台灣的工程建設有相當大的彈性。在環保署十八個生態工程案例中,南崁溪的民光東路段、忠孝西橋段,嘉義朴子溪的圓潭、古林、洲仔、屯子頭段,都是綠美化工程與景觀工程為主的建造。
造成這種落差最主要的原因是:當國內自國外引進生態工程時,最先引進來的是工程案例、圖片與生態工法,而非生態工程學的核心理論。以致投資了許多經費是在國外案例的模仿、國外圖片的重現,甚至連國外模場也完全的引進,想辦法要嵌入台灣的大地、河流、灘地裡,融入國外的工法,不一定能融入台灣的環境,尤其台灣是80%的年雨量在五個月中下完,洪水、土石流正好考驗這些移植來的新興產品。
環保署十八個生態工程案例中,較具污水處理功能的新海橋人工濕地、中洋子草溝與濕地、二仁溪的灣裡社區與港尾人工濕地、高屏溪舊鐵橋段人工濕地與武洛溪人工濕地,在設計與建造上,皆缺乏人工濕地處理最重要的參數-「分解係數」,在濕地底床處理上缺乏「導水係數」,在濕地操作上缺乏「水力停滯時間與負荷度對應的曲線」,在水生植物的栽種上缺乏「選種的依據」,由此可以看出,仍然留在工法的模仿,而非理論的落實。
這也顯示出台灣綠美化與景觀工程師的教育背景,缺乏力學的知識,以致對水流運動瞭解不足;水文的部分也缺乏,以致工程設計裡無法看到濕地的水量平衡;化學的部分也有待加強,以致工程設計不易看到分解的演算;工程測量的部分也不足,以致濕地水的流況不易掌握;對現地的瞭解更不足,以致選錯場址,或把工法施用在不合宜的地方,如竹崎、瑪鋉溪與大甲社區等處的案子。也許是生態工法的推動快於本土人才的培養速度,才出現這些落差。
這些落差成為不了解生態工程者攻擊的拳擊袋,其實真正生態工程的建造還非常的少,大部分與綠美化或景觀造園工程產生了混淆。這些混淆是可以理解的,生態工程在台灣的發展比較缺乏在學理上的說明,以致在推動上像是三溫暖的spa,水一熱,一堆人就莫名其妙的跳進去;沒擠進spa的人也莫名其妙地罵,他們沒沾到spa裡的水,的確是會受傷。
其實生態工程與綠美化工程不同,生態工程所建的濕地裡,種了水生植物,看來像在綠美化,其實是為了增加微生物在水生植株附著的機會、生物膜的增生,與水底的好氧性,促進污水的分解、間接提供食物與隱密性、吸引野生動物前來棲息,並不是為了植物綠化的景觀。濕地中種了太多的水生植物,反而使水流阻力增加,延長停滯時間,妨害污水淨化的效果。新海橋濕地、港尾濕地與灣裡濕地都有類似的偏差。
生態工程也與景觀造園工程不同。景觀工程較以人為中心,生態工程除了顧及人,也兼顧他種生物的需要。其實景觀的原文landscape是人對土地知覺性的表達,這字應譯為「地景」,是包含廣闊的字眼,照此原義,生態工程與景觀工程有許多的重疊,這也難怪南崁溪民生東路段與烏溪大里橋段工的景觀工程師,能夠建出具有生態工程性質的濕地。除非看過現址的建造,否則不能以景觀非生態工程,一概推翻其成效。
生態工程在台灣的發展正在起步,回顧歐美日本的發展,也許採歐洲生態工法施工、美國生態工程的理論與在濕地建造的技術,配合日本就地取材與防洪的兼顧,揉合出台灣獨特的生態工程。
 

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