由金瓜寮溪的生態特性作人工濕地設計之依據

金瓜寮溪源起雪山山脈海拔約725公尺的紀州寮山，集水區與烏來的桶後溪集水區相鄰，其岩石多屬黑色的硬泥岩與軟頁泥。受到過去多次地殼運動影響，由於岩層多有向上褶層與擠壓，表面岩石易崩落。金瓜寮溪溪床正與岩層走向平行，其溪畔有龜溪與數條更小的野溪注入，在溪流分等為3級次(stream order)。溪床多為V字型，惟與在其它支流匯入處－「九芎根」、「金溪」與「金瓜寮」三個地方，溪床較為開闊，後來多有農業栽種。

地質的特徵

早在1840年代，就有福建移民，沿溪溯上開發較寬的溪床。「當時，一斤的黃金，換不到十四兩的斧頭鐵。」九芎根的唐姓居民，回憶他曾祖父的話。「現在已經不清楚起初叫金瓜寮的原因，也許是這附近山的形狀長得像金瓜？或他們搭建的工寮像金瓜？或是在這裡種金瓜？」他又憶道：「祇知道九芎根一帶，早期是水稻田，引用的是溪邊的水。水稻採收曬穀，就在溪邊較高的河床上曬。脫稻殼的工具，是用山上較硬的樹皮交錯編成的濾孔，來過篩。」他拿這種已經泛黑的樹皮給我們看。
由於母質多頁岩與泥岩，這裡的土壤大多是坋質黏土，這種土壤的確可供種植水稻，而且保水性極佳。現在九芎根已經沒有水稻田，但是早期所留下的田埂仍然可見，部份田區已改為魚類養殖池。測定數口養殖池水中電導度，電導度竟然介於16~40μS/cm，低於附近電導度約100μS/cm的山泉水與金瓜寮溪水，這麼低的電導度值，在其他地方非常少見。這是養殖池底部黏土的導水係數低，以致於接承雨水不會漏失，養殖池才有如此低的電導度值。這給我們一個非常好的線索，在北勢溪與金瓜寮溪交會的高灘地建造人濕地，應採九芎根的黏土作為底床防漏材料，發揮就地取材的功效。

懸浮顆粒的特徵

金瓜寮溪的年平均降雨量約3400mm，每日以3mm的蒸發量計算，光靠降雨的確可以給養殖池畜積足夠的水深，而且不需溪水的補注。但這種魚池水面多呈混濁，濁度達47.5NTU，證明底床黏土受到水中飼養魚類的擾動，再懸著於水中後就不易沉降，這也顯示水中鹽份濃度愈低，使顆粒表面的電荷影響力增加，懸浮顆粒排斥力增加，愈不易沉降。我們數度前往檢測，水中濁度依然居高不下，反而是附近水域，少有魚類養殖，或讓溪水流暢，反而水色清澈。
該地方的農業種植已有百年之久，黏土表面吸附磷的機會增加，黏土懸著在養殖池中，水中的含磷量會增加，我們測出有60ppb，比金瓜寮溪其他水域都高。所以在金瓜寮畔作人工濕地，這種黃棕色的黏土，一定會由週邊的地表逕流，流入水域，使水色混濁，積久不沉，而且使水中含磷濃度增加。因此人工濕地需要有過濾設施，或加入某些鹽類如鈣、鎂等，水色才會澄清，不僅能夠去磷，也有助景觀。

抽金瓜寮溪的水量與時間

這些黃棕色的黏土是該地區多雨，對土壤風化的產物，雨水使礦物中的鐵淋出，在礦物表面形成氧化鐵的沉澱，這將增加土壤對水中磷的吸附。根據我們的測定，金瓜寮溪在枯水期間，溪流中磷含量大多低於20ppb，祗有在降雨時期由於地表的沖刷，才使水中的磷增加到40ppb以上，所以人工濕地要去除金瓜寮溪的較高濃度磷，主要時間是在降雨時期，平常處理地面排水為主，與自地下滲入的地下水為主。
在九芎根測定金瓜寮溪的水量，根據我們的測定枯水期間有15300m3/day，人工濕地場址設計抽水量為600 m3/day，約祗佔4%的水量，不會因為抽水而導致溪床水量枯竭，或水流不連續影響水域生態的問題。

抽金瓜寮溪自然的除磷機制

金瓜寮溪磷主要的來源是在上游九芎根的魚類養殖，主要以香魚為主，養殖香魚有供魚飼，其排出水中的含磷(PO4-P)約40ppb。而後隨著水流，濃度逐漸降低，到了溪口，磷濃度為5ppb。由香魚養殖場到溪口所流經的距離有5.5km，溪流的平均流速為0.18m/sec，以一階降解公式來算，磷的遞減係數為5.94/day，約為一般污水型濕地磷遞減係數(0.15~0.20/day)的39.6~29.7倍，是非常良好磷降解的溪流。
所以用人工濕地去除磷，模擬金瓜寮溪的流況與其大自然的機制，應該是我們設計建造人工濕地主要概念的來源。

地下水位的變動

在金瓜寮溪進入北勢溪的地方稱為「幼瀨」，這是早期河川地型學的名詞，溪水流快稱為「澗」，水深流緩稱為「潭」，水淺流緩稱為「瀨」，水淺淤沙稱為「洲」。這裡百年前稱為幼瀨，代表是溪口剛形成的水淺淤沙。本想百年後，幼瀨應已發展成沙洲，那知，前往觀測時，幼瀨仍存，代表金瓜寮溪口，淤沙不多，溪邊灘地多礫石。
因此在這兩溪交會的高灘地上建造人工濕地，首先要注意的是淹水機制。有淹水的地方，不是不能建造人工濕地，祇是淹水後的復原性要很高，這包括還種的植物須深根、耐水淹型的種類，而且以在地物種為佳。如當地的溪岸雖常有淹水，仍生長木本的水柳與草本的開卡蘆，是耐淹水，且具高度復原性的植物。

濕地蓄水的問題

即使經過颱風，集水區下了500mm以上的雨量，場址外北勢溪水位上漲3~4m，但是我們在現場測量，北勢溪水面仍然沒有淹到場址。不過值得注意的是，現有濕地地面下50cm處，已有地下水滲入，且已淹了5-6cm深。這顯示淹水時期，地下水壓將使高灘地一般的水底阻絕層形同虛設。等到北勢溪水下降，阻絕層已被地下水的上升而擾動，導水性增加，無法蓄水。若無法排除淹水時上升的地下水，退水時人工濕地將無法蓄水。難怪，百年來在地人未將茶園、墳地設在這裡的高灘地上，祇在山坡上種。原來北勢溪與金瓜寮溪交會的高灘地，是河道淹水時排水不暢，水退之時又積不了水的地方。在這種地方，要做人工濕地，將是高難度的任務。
也許最好的方法是利用地面高程的變化，使開挖濕地水深度不要超過50cm深，以防地下水壓力；或是在底下鋪不透水布，再鋪設泥土；或是在底床砂礫地鋪更小的級配粒徑，再鋪上黏土，做多層次襯底；或是鋪上泥碳土以防淹水與退水時，底泥的遇水膨脹與收縮，導致水底的龜裂，這將是這個工程成敗的關鍵。如果這一個困難無法克服，人工濕地積水完全受地下水位變動所影響，蓄不了水的濕地將是失敗。

水庫生態系統操作的試驗場

那麼當地居民，如何使用金瓜寮溪與北勢溪交會的高灘地呢？主要是在較黏的土地上種絲瓜與茭白筍，在較砂質的土地上種薑、竹子與一些牧草等作物。前者是耐濕性的植物，尤其是絲瓜的根，祇要是有水的地方，就往前伸。這是水庫用地，土地上豎有標誌，但是在地居民依然進入耕作，這是對這塊土地最佳的使用嗎？何況種植使用的肥料還將流入水庫內。不！水庫用地應該用在對水庫管理，有最佳效益的用途上才對。
不過當我們要在一個蓄不了水的灘地上，做一個蓄水的人工濕地，是不是在做一件違反大自然的事？這一塊面積不大的灘地，由於具備集水區的淹水、漂沙、營養源、漂流木、農民的墾建、與上游居民養魚等問題，作一個試驗性的場址，幫助水庫操作與集水區管理，能朝生態系統復育的方向發展，這將是對於這塊灘地的珍惜與最高功效使用。而且這將是台灣所有水庫的第一座。

人工模場水質淨化的單元

金瓜寮溪的除磷機制，主要是溪中有完整的食物鏈，水邊的植物對磷的吸收，灘地礫石床對黏粒的過濾與溪邊土壤(尤其是含鐵黏土)的吸附。所以在人工濕地建造，在引水與蓄水都能得解決的前題上，將人工濕地分為四個單元來設計：
1. 草本植物生長區－模擬金瓜寮溪上游九芎根區域的草本植生狀況，引當地的物種與土壤前來這一區域，目的在使土壤－水生植物的除磷功能發揮。
2. 蘚苔與木本多孔隙植床區－模擬金瓜寮溪主要的除磷機制，重建水域食物鏈，以苔蘚為初級生產者，水生昆蟲與石螺為初級消費者，魚(苦花、石、溪哥)為高級消費者，所有物種與都引自當地。並以當地的漂流木與九芎，編織沉水式多孔隙的苔蘚生長床，也能供其他的生物棲息。金瓜寮溪的居民，也有在養殖池中放置石堆，以供魚的棲息與覓食苔蘚。編法將引自馬太鞍阿美族的「巴拉告」(阿美族語的九芎)，且以生物調控方法定期採收魚與蘚苔。這將有別於國外，建立本土特色的人工濕地營建。
3. 地下水流濾間接觸區－表面30~40cm仍然覆土種植植栽，底下以石灰石作濾石材料，讓磷可以在此沉降。
4. 排放前的過濾床－以減少水中的藻類，並可以攔截北勢溪上漲時隨水漂來的雜木。
用這四個單元的淨化設置，將所得之操作因子，除磷係數與淨化效率，日後期能擴大，成為整治水庫水域生態的參考。

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