歷史的故事環境保護第一線

河川水質定期監測――弗洛斯特(1880~1938)

   世界上最早提出河川水質定期監測的人,
  不是環境汙染或生態環境的學者,
  而是一位醫生。
  他發現普世流行的小兒麻痺,
  其傳染的方式,主要是接觸到患者的排泄物,
  而大部分的媒介是經由河水的攜帶,
  因此推動汙染處理的力量,是來自公共衛生的考量。


  弗洛斯特(Wade Hampton Frost, 1880-1938)是著名的約翰.霍浦金斯大學(Johns Hopkins University)公共衛生學系首任的系主任,他不止是近代流行病學的權威,並在1910年代於美國奧亥俄州成立一家醫院,這家醫院不收病人,也不研究疾病,而是研究河川與流行病的關係。

河川水質模式的孕育所
  這使得「河川衛生學」(River Sanitary)成為重要的學科,而且培養了許多河川汙染的學者,例如將河川水質淨化以數學模式來呈現的司崔特(H.W. Streeter)與菲立普(Earle Phelps),他們在1925年共同發表的研究「司崔特-菲立普公式」(Streeter-Phelps Equation),被稱為是河川水質的第一個水理模式,對後來的河川水質管理非常有用。

司崔特與菲立普的教育背景都不是醫學或公共衛生,司崔特是數學專長,菲立普則是化學與細菌學專長。弗洛斯特在當時已有遠見,認為河川生態環境的改善需要「實用的設計」(practical design)技術,又要在不同的「衝突取得妥協」(conflict and compromise),因此需要結合不同專長的人,為相同的目標齊心協力。

採生蠔者的訴求
  1914年,奧亥俄河(Ohis River)河口有一些養生蠔的漁戶向弗洛斯特求助,因為這些生蠔以前生長良好、收成很多,但是河水汙染後生蠔產量減少,且時有死亡。弗洛斯特認為這些生蠔流入市場後,對於食用者也不好,但是如何管理這條河流呢?

河川管理需要數學依據
  菲立普提出水中溶氧為管理河川水質的主要因子,溶氧的高低會決定水中的好氧菌(aerobic bacteria)與厭氧菌(anaerobic bacteria)的消長,進而影響水中其他生物的生存,許多生物(包括生蠔)無法忍受厭氧菌代謝的產物――甲烷、碳化氫等而死亡。在弗洛斯特的經費與行政支持下,司崔特用化學反應動力理論來推導溶氧的變化,持續沿河採水,並分析水中的溶氧與細菌,並比較河口生蠔的生長狀況。

  這個研究團隊經過十年的努力才發表研究成果,就是司崔特-菲立普公式的來源,也是近百年來河川生態維護的經典之作。從此河川汙染管制管理、河川淨化能力評估,與水生物的保育,便有一可以依據的數學理論。這個理論是結合河川流體力學與水文學的因子,例如流量、流速、水深、坡降與排放河水量等,並水中溶氧的反應速率(reaction rate)成為量化河川淨能力,對汙染涵容能力的最重要參數。以後成千、上萬個河川管理案例與河川汙染在槽處理,都是由此開始。

  迄今,奧亥俄河仍有新鮮安全的生蠔在養殖與販售,必須歸功於這個研究團隊的努力;且在此可以學到很重要的功課――生態環境與生物保育的問題,不是先解決生物的問題,而是由水質開始。

「生命表」的提出者
  弗洛斯特在學生時代,受本仁約翰(John Bunyan, 1628-1688)經典名作《天路歷程》(The Pilgrim’s Progress)的影響,將自己的一生也奉獻當作人類福祉的探路先鋒。弗洛斯特研究小兒麻痺、霍亂、黃熱症等患者,發現他們居處附近的河流都不乾淨,不是水源有汙染,就是有排泄物排入。

  1918年,弗洛斯特首先提出傳染病與河川汙染的關係,因此美國每一條河川都要進行水質監測,並將質料統一匯集進行分析。弗洛斯特是個分析高手,「人類族群學」(Human Population)或生態學的「生命表」(Life Table)――計算生命在不同時間的變化率,就是他首先提出的。他認為傳染病每年常集中在一段時間發生,除了受到氣溫的影響之外,也與河川水質狀況的變動有關,例如小兒麻痺經常在夏季河川枯水期時發生,因此他提出河川水質需要「定期監測」。


河川保護的天路客
  當時正值美國工業發展時期,弗洛斯特卻堅持河川水質監測的重要,甚至提出警告:「水汙染與空氣汙染,將成為未來都市發展的兩大問題。」為此他得罪了許多人,但他仍堅持己見。弗洛斯特平常上課不用黑板,只用講說,要學生自己作筆記,學生抗議他也不妥協,因為使用粉筆會妨害教室的環境衛生。1931年,弗洛斯特成為約翰霍浦金斯公共衛生學院院長,繼續發揮影響力。

  當時許多城市都將汙水直接排入河川,並將垃圾拋棄在河灘,弗洛斯特提出這是對於河川的誤用,沒有乾淨的河川環境,就沒有都市的衛生安全。因此弗洛斯特要求汙水要先經過處理才能排放,垃圾也要掩埋。這使美國許多公共衛生的經費投入汙水處理的設置,間接產生許多汙水處理的公司,處理汙水的技術也逐漸分為由汙水收集到汙水處理廠(wastewater treatment plant)處理,與現場處理(on-site treatment)兩種,前者處理較高濃度的汙水,後者處理較低濃度的汙水。

  弗洛斯特於晚年寫道:「上帝給我的一生有個清楚的方向,用智慧去保護多數人的生命。」他保護了許許多的河川,所提倡的河川水質監測也已成為許多國家法令的要求。他達到了上帝給他的方向。
  在弗洛斯特的努力下,許多傳染病減少,甚至不再發生,而且美國許多的河川,也獲得保全。

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