【土木工程与环境】系列一：重视交通建设与生物栖地的交会点 http://eem.pcc.gov.tw/?q=node/30078 土木工程与生物栖地的交会 许多研究物种灭绝的学者（ 例如Thomas et al., 2004；Pounds, J. Alan and Puschendorf, Robert， 2004） 常引用Rosenzweig （1995） 关於物种数量与栖地面积 的关系式：「S = cAz」（1），式中，S为物种数量，A为生物栖地面积，c与z为常数。（ 1）式显示生物栖地面积变小则物种数量变少。 台湾西部山麓及平原，在远古时代，遍野都是梅花鹿与樟树；其他物种之丰富，不在话下 。 图1 道路将生物栖地切割得支离破碎（连永旺摄） 图2 交流道将生物栖地切割得支离破碎（连永旺摄） 图3 农田中零散的农舍（洪如江摄） 今天台湾的西部平原，占台湾本岛土地面积的1╱4左右；用来容纳绝大部分的城镇、农田 、与工厂，已经显得非常拥挤；偏偏我们的运输系统，采用超级大陆国家（尤其指美国） 的公路系统，不厌其多，不厌其宽，包括纵贯公路、中山高速公路、第二高速公路、西滨 快速道路、台3线公路、以及12条东西向快速道路；另有数量很多的省道、县道、与乡道 。这许多公路系统，再加上纵贯铁路与高速铁路，不但占用庞大面积，更重要的是：西部 平原的生物栖地（以及农业用地）被切割得支离破碎（图1和图2），每一块生物栖地都变 得非常之小。（1）式中生物栖地面积A 变小，必然导致物种数量S的减少，意即造成部分 物种的灭绝。被切割得支离破碎的农业用地，无法集约使用，效率低，成本高，很难在国 际上有竞争力。近年来，开放农地上建筑所谓的「农舍」，新建农舍星罗棋布，生物栖地 与农地进一步受到挤压及切割（图3）。 图4 公路之排水涵洞兼生物廊道（谢潮仪与林孟立提供） 许多生物学家、生态学家与环境学家，早已注意到生物多样性的减少，将祸延人类。面对 这种远虑，我们土木工程界能不能多推动用地较小的轨道系统，而不要再推动用地宽广的 高速公路。现有的公路，补建适当数量的「生物廊道」（或生物通道）（图4），让野生 动物能跨越公路；或在路侧补建适当数量的「生态湿地」，为生物多样性略尽一份心力。 同理，建坝切断河川生物（当然以鱼类为主）溯源产卵的机会，应建鱼梯（或鱼道）加以 补救。更好的办法是：少在河川主流建筑高坝，而以离漕水库替代之，减少对河川主流生 物环境的冲击，减少水库的泥沙淤积。另一种选择为引水至池塘，补注「地下水库」；地 下水经地下土层的过滤作用，已经可以直接使用，或略加处理，即可使用。 从事工程建设，不应将野生动物赶尽杀绝，应该有众生平等的仁爱之心。 公路与山林的交会 根据美国西北部太平洋山脉超过400年的调查与研究，在山区砍伐森林，坍方（的数量与 体积）将增加至自然值的十倍左右；而开路上山，其所能造成的坍方（数量及体积），约 为自然坍方的100倍（表1）。在台湾，开路上山，进一步引领农业上山，并经常发生超限 利用与山地四滥（滥垦、滥伐、滥开产业道路、滥建），其所增加的坍方，可能不止自然 坍方的100倍；而山岭的坍方处，通常就是土石流的源头。台湾山地的产业道路（目前已 改称农路），宽度在4 公尺以上者达8,550 公里之多，其总长度约相当於22条中山高速公 路者（张景森，民国95年3月）。 开路上山，其所能造成的坍方（数量及体积），约为自然坍方的100倍（表1） （可点选图放大） 新中横公路水里玉山线，在开辟之期间，就边挖边坍，并将弃方倒向河岸或河床，提供土 石流的材料来源；通车之後，每在台风豪雨或强烈地震之时，坍方不断，断的是路（图5 至图7）。神木村出水溪多次土石流，其源头，其实就在该公路夫妻树旁一条山沟中的弃 方区。 图5 由玉山远眺新中横公路水里玉山线之惨状（洪如江摄） 图6 新中横公路水里玉山线东埔段大回头弯路坡崩坍（洪如江摄） 图7 新中横公路水里玉山线东埔段路坡严重崩坍（洪如江摄） 石门水库上游集水区的桃113线公路，沿顺向坡开挖，引起许多滑动；再加於崩积层垦植 竹林（图8），表土冲蚀与坍方不断，成为水库泥沙最大的来源。 如非在山区开路不可，宜采用「栈桥」（图9）、或「栈桥串连隧道」（图10）方式，完 工之後，可以大幅度减少灾害。 台湾本岛，山地占总面积的74%，生态丰富而脆弱，若善加保育，可成为永续利用的天然 水库。 图8 石门水库集水区坍方多来自公路（桃113线）边坡竹林（洪如江摄） 图9 北宜高速公路采用栈桥，避免大挖大填，对环境冲击小（洪如江摄） 土木工程与断层的交会 一个地层或包含几个地层的地盘，其所受到的大地应力（tectonic stress）超过其强度 ，产生一个破裂面，沿此破裂面曾经发生永久变形，大至数公里，小者数公分，称为断层 （fault）。断层的产生，有的是高速度的脆性破裂（brittle fracture），错动在几秒 钟到几十秒钟内完成；有的是非常缓慢的程序，称为潜变（creep）或蠕动的位移可以长 达数百年甚至数万年还不停止。断层常使两侧岩石产生破裂、强度降低、压缩性变大、透 水性增高与加速风化等等恶果。新中横公路水里玉山线，强行在陈有兰溪断层之中开辟， 选线错误，後患无穷。 图10瑞士山区道路多采栈桥与隧道以避免大挖大填（洪如江摄） 但工程更怕与活动断层交会。活动断层的定义与分类准则，请参考《经济部中央地质调查 所特刊第十三号，林启文等氏（2000）所编着之台湾活动断层概论，第二版》。根据该特 刊，台湾本岛中，第一类活动断层共12条，第二类活动断层11条，存疑性活动断层19条。 其分布示如图11。脆性破裂型态的活动断层错动，其所释放的应变能，一部分使断层及断 层周围的岩石更加破碎，一部分转变成热能而消散，一部分用於产生地震。1999年的921 集集大地震事件中，全长约100公里的车笼埔断层（图12）向西逆冲，最大水平位移与最 大垂直位移皆达10公尺之多，是全球百年来的最大地壳变动之一。车笼埔断层在雾峰乡光 复国中操场逆冲，造成百年难得一见的奇观（图13），故被保留成为博物馆。大甲溪的石 冈坝（图14）是世界上第一座被断层错动所破坏的坝工。横跨大甲溪的埤丰桥也因断层错 动及震动而破坏（图15）。中部地区的台3线公路，其沿线的十多座桥梁，在921集集大地 震之时，全被震毁，无一幸免（图16）。这几个土木工程个案，显然是当年选址与选线错 误，但错误可能是当年对断层的知识不足所致。大地震之後，虽然已经知道当年选址与选 线的错误，但也只能就地重建。 工程避开断层，上上之策；如无法避开，宁可正交，不要同行。 增进对地形、断层及地震的了解，可增进工程的安全。 ---------------------------- 【土木工程与环境】系列二：台湾的水岸工程总体检 http://eem.pcc.gov.tw/?q=node/30094 作者：洪如江（台湾大学土木系名誉教授、中国土木水利工程学会会士） 桥梁与河川洪水、土石流的交会 河道，原是洪水或土石流的主要通道。以目前土木工程的技术，桥梁的一个跨度，已近2 公里，实在没有必要在河道中建立许多桥墩。在汐止下游的基隆河狭窄河道中，桥墩密集 （图17），其回水，对上游河段及其两侧陆地的排水，不无影响。 新中横公路水里玉山线，在跨越笔石溪之前，降低高程，致所建夸溪之笔石桥桥面太低， 而且在狭窄之河道中，再加建桥墩（图18），其桥孔面积实在无法让台风豪雨所产生的土 石流通过。在桃芝台风豪雨之时，土石流被笔石桥阻挡而涌昇，将大部分笔石社区的与整 座笔石桥冲失无踪（图19）。因为桥孔面积太小而致桥梁冲失、堤防被冲毁，而致广大平 地泛滥成灾的案例，曾经在台湾一再的重演。 北横公路的复兴吊桥（图20）与阳明山国家公园内的马槽桥（图21），皆采用大跨度之设 计，从未受到洪水或土石流之破坏。 图17 汐止下游的基隆狭窄河道塞入许多桥墩（洪如江摄） 图18 笔石桥成为笔石溪的瓶颈（林呈教授摄） 图19 笔石社区及笔石桥被土石流冲失（林呈教授摄） 图20 北部横贯公路复兴吊桥，跨度及高度皆足以让洪水与土石流通过（洪如江摄） 图21 马槽桥之桥孔够高够宽不妨碍土石流通过（图片来源：中华顾问工程司提供） 水库的泥沙淤积 水库，若缺少有效的排沙道，必然有淤积问题；而且，水库扣留大量泥沙，下游河床必然 被刷深，造成桥墩与堤防基础的裸露，也常造成河口与河口附近海岸线的後退。 在大水库挖走淤泥，完全不切实际。首先，挖掘一立方公尺的淤泥，成本多少？其次，搬 运淤泥需要大量车次，有足够的道路可以承担？对沿途居民不造成干扰？再者，大量的淤 泥丢在何处？连工程废土（其数量远远少於水库淤泥）都难以管好，到处乱丢者时有所闻 ；数以百万吨，甚至於千万吨的淤泥，能够管好？ 石门水库泥沙淤积（图22），排沙不顺，曾造成桃园部分地区的停水事件；荣华坝，原具 拦沙与拦水功能，但目前淤泥已近坝顶（图23），已经没有替石门水库栏沙的功能。集集 拦河堰，拦截大量泥沙（图24），也减少下游泥沙供应。 埃及Aswan 水库建成之後，尼罗河三角洲再无肥沃的泥沙充作农耕所需要的天然肥料；三 角洲的海岸线也因泥沙供应减少而後退。 图22 石门水库泥沙淤积曾经造成桃园部分地区的停水事件（李锡堤教授摄） 图23 荣华坝後库区，淤泥已近坝顶（洪如江摄） 图24 集集拦河堰拦截大量泥沙，减少下游泥沙供应（洪如江摄） 水库的溃潭灾害 义大利的Vajont 拱坝建成不久，因水库水位上升以及豪雨的影响，边坡坍方（1963 年） ，二亿多立方公尺的土石滑落水库之中，库水泼出，下游村庄Longarone浪高70公尺， 村 民1,909人遇难。图25 摄於2002年夏天，拱坝尚健在，但坝後只见土石，已无存水；图 26 显示水库坍方後之残坡（残留滑动面）及部分坍方材料。其他，法国Malpasset 拱坝 破坏（1959年），美国Teton土石坝崩溃（1976年），都曾经造成下游众多居民的死亡。 溃潭，除了人命伤亡及财产损失之外，对环境也造成重大影响，而且，常常是不利的影响 ，包括：地景的破坏，水文条件的异动，输沙量的增加造成河水的混浊，等等。 图25义大利Vajont 坝顶及坍落水库内之土石（洪如江摄） 图26 义大利Vajont 水库坍方残坡照片（洪如江摄） 土木工程与海岸的交会 台湾的东海岸，尤其自苏花公路北端至台东一线的岩质海岸，含密集的「解压节理」（一 种张裂缝，图27），滨临太平洋数千公尺的海床，基本上在持续崩塌之中；只有极少数的 淤积性近海泥岸。早年的苏花公路，沿着海边岩质峭壁开凿而成，其上、下边坡皆经常落 石不断，只好将公路内移，而把原来路段整理之後，作为观光步道。目前，根本没人敢进 崩塌与落石不断的所谓观光步道（图28）。 图27 苏花公路海侧峭壁，解压节理发达，易於发生落石灾害（洪如江摄） 图28 旧苏花公路改为景观步道，因崩塌与落石不断而无人敢用（洪如江摄） 图29 台东海岸公路过度逼近海域而被海浪冲毁（洪如江摄） 台东海岸公路在选线之时，未考虑自然条件，过度逼近海域，常被海浪冲坏（图29）。 图30 东海岸某小渔港凸堤效应造成其南侧海岸冲蚀（洪如江摄） 东海岸某小渔港的「凸堤效应」，造成其南侧海岸的冲蚀（图30）。 图31 花莲港凸堤效应造成其南侧海岸的侵蚀，美丽沙滩严重流失（洪如江摄） 图32 花莲港南侧海岸严重冲蚀已经逼近民房（洪如江摄） 花莲港「凸堤效应」造成其南侧海岸的冲蚀，美丽沙滩严重流失（图31）。冲蚀逼近部分 岸边民房（图32），只好建立高墙把社区围起来。 图33 在淤积性海岸且距离海水很远之内陆放置混凝土消波块（洪如江摄） 在海岸，甚至於在淤积性海岸，放置大量不必要的大型混凝土消波块（图33，台东成功港 北侧），对海岸的景观造成极大的污染。 台湾西部，开发过多滨海工业区（例如彰滨工业区、六轻工业区）或离岛工业区（台西离 岛工业区），大多是填海造地而成，不但破坏海岸自然生态与景观，而且减少一般老百姓 亲近海岸与海洋的机会。在这些工业区开发案中，虽有庞大的土木工程作业，但土木工程 界并没有主导的地位，而只扮演产业政策下的技术支援角色。 太多的人工养殖场，尤其是混凝土构造的养殖场，在施工时、使用中、或弃用後，都严重 破坏海岸的自然生态与景观。图34示台湾东北部龙洞湾之例；图35 示屏东林边佳冬海堤 被大量PVC管缠身的奇观。 图34 龙洞湾优美的自然环境被养殖场所破坏（连永旺先生摄） 图35 屏东林边佳冬海堤被养殖业者放置大量PVC管（洪如江摄） --------------------- 【土木工程与环境】系列三：动植物应是土木工程的部份或全部 http://eem.pcc.gov.tw/?q=node/30115 作者：洪如江（台湾大学土木系名誉教授、中国土木水利工程学会会士） 土木工程与地盘下陷区的交会 根据国科会防灾国家型科技计画办公室及经济部水利署的调查，台湾本岛地盘下陷（与易 淹水地区） 约1,150平方公里（宜兰县87，彰化县140，云林县250，嘉义县150，台南县 100，高雄县110，屏东县192平方公里）。造成地盘下陷的主要原因是养殖业者超抽地下 水所造成，次要原因为大地的自然演化。在地盘下陷区从事土木工程建设，必须预估其沉 陷的速率，妥为设计。 就实用观点而言，地盘一旦下陷，采用任何方法治理（例如补注地下水），最多只能使下 陷停止。在海域填土造陆，例如日本关西机场者，实际沉陷量，远超过事先预估者。 围城、亲水河岸 台北市有三条河川（新店溪、基隆河、淡水河）环绕，是天赐美景。但是，却到处在建防 洪墙及高架桥（图36、图37），其恶果有： * 阻挡居民与观光客亲水活动的机会。 * 高而庞大的高架桥也对居民及行人造成压迫感，构成「围城效应」。 * 土地价值大贬，邻近只剩弱势族群（的人与建筑）。 * 城市变得丑陋不堪，消灭外国观光客再来观光的意愿。 这些防洪墙及高架桥，有点像古代的城墙，让河川只像护城河。伦敦的泰晤士河（图38） 、巴黎的塞纳河岸、维也纳的多瑙河岸、布拉格的莫尔岛河、与剑桥大学的康河（图39） ，永远是城市最美、最具有生命力、与最富有吸引力的地方。防洪未必只能用高墙，交通 也未必只能用高架桥。 台湾本岛的人口50% 以上已经集中到城镇之中，80%以上已经集中到大台北地区、大台中 地区、与大高雄地区之中，都市建设成为土木工程集中之处。因此，如何提供一个良好的 生活与工作环境，如何在这种群聚之中创造价值与文化多样性，是各行各业的大挑战；但 因土木工程与建筑花费最多，土木工程师肩负非常大的责任。在这种观点之下，土木工程 师应该要有环境科学、环境工程与都市计划的训练。 图36 新店溪溪岸防洪墙及高架桥，形成台北市的围城结构（洪如江摄） 图37 防洪墙与庞大的高架桥产生隔离感与压迫感（基隆河岸） （洪如江摄） 图38 伦敦泰晤士河畔的亲水空间（洪如江摄） 图39 英国剑桥大学城之康河，亲水性良好（洪如江摄） 动、植物在土木工程中的功能 台湾使用「蛇笼」作为重力式挡土墙或河道护岸，已近百年；当初所了解的主要优点为： 就地取材（卵石或石块）、透水性极佳、只使用极少量的人造材料（铁线），不必从平地 搬运许多材料上山。当生物多样性受到全球普遍注意之後，蛇笼的多孔特性，提供野生动 物藏身之地；蛇笼更加受到重用。 但蛇笼的缺点为，铁线锈烂之後，笼中卵石可能趋於溃散。为了解决这种缺点，有请藤类 植物帮忙。彰化海边的磊石矮墙，种植藤类植物捆绑之（图30）。大甲溪台电谷关训练中 心後山道路外侧档土工，采用由铁线捆绑之方形石笼，也种植藤类植物（图41），希望在 铁线锈烂之前由藤条替代铁线的功能。 请动物帮忙的工程案例是福建泉州的「洛阳桥」。北宋泉州太守蔡襄建洛阳桥，抛花岗岩 块为桥基，为恐岩块被海浪所冲散，令舟人采集大量带壳生牡蛎，堆置桥基处，牡蛎迅速 繁殖之後，桥基被牡蛎壳胶固起来，随时间而增强。此一案例，早在数十年前即听师长解 说，也见零星文字介绍，但未见正式科学书刊深入探讨。几年前，在台湾东部大武港北侧 海边的防坡块表面，看到许多牡蛎壳牢牢地胶固在混凝土面上（图42）；因此，个人相信 利用牡蛎壳把海滨岩块或混凝土块胶固起来，应该可行。此外，培养珊瑚，然後以珊瑚礁 胶固岩块或混凝土块，也值得研究。 人类驯服动物，发展畜牧业；驯服米、麦、与玉米、等等，发展农业。土木工程师应该尝 试驯服更多动、植物，发展新一代的工程。近年兴起的「生态工法」，应定位在：借动、 植物之助，发展出有生命、随时间而增强的土木工程结构物，同时达成生物多样性的境界 。 图40 彰化海边的磊石矮墙，以藤类植物网捆绑之越久越强（洪如江摄） 图41 在铁线腐烂之前，藤类植物接力保护方型石笼（谷训中心後山道路）（洪如江摄） 图42 牡蛎壳可以是更好的胶结材料（洪如江摄） 土木工程与人文社经环境 不同的文化，会建造出不同型态与内涵的土木工程与建筑物。在型态方面，建筑物的差异 远大於土木工程者，而不同宗教之间的差异最为强烈，参考洪如江（2006，「土木工程与 人类文明」一文）。至於内涵方面，有的土木工程与建筑在建造之时，心存千秋万世之诚 ，会把工程建造得坚固、稳定、耐久、而且优美，例如；中国河北的赵州桥（安济桥， 605AD）、罗马太伯河的Pons Fabricious（62BC）、罗马的万神庙（Pantheon,118AD）、 美国纽约的布鲁克林大桥（Brooklyn Bridge, 1883）与美国的金门大桥等等。其中，值 得一提的是古罗马帝国在法国南部所建的水道桥（Pont Du Gard, 19BC），至今已超过两 千年，让我们还可以看到古罗马帝国的土木工程技术、社会秩序、与纪律。另一个案是牛 津大学的校舍，陈纪滢先生（民64年） 在《华裔锦胄》一书 （地球出版社出版）中有一 段话： 『至於一幢幢用石头砌成的学院与寝室，真如铜墙铁壁，庞然大物，大概再过一千年，也 不会倒塌。 英国人对学校建筑常存千秋万世之想，……所谓「十年树木，百年树人。」在他们看来， 极可能认为是一种近视的说法。』 相对於上述的案例，台湾的公共工程，大多不耐久；学校建筑尤其单薄脆弱，难怪在921 集集大地震之时，学校建筑领先倒塌，其需要重建者达293 校之多（罗融，民93 年，台 湾九二一重建校园，远足文化事业公司出版）。所幸，得到教训之後，重建校园工程，不 只坚固，而且考虑到防灾与当地族人的文化特色。 重大土木工程建设，通常是国家的重大经济建设的一环，也常被政治人物拿出来作为号召 。有不少开发中国家或转型中国家，常发生过度投资於公共工程而有闲置的情形；台湾在 近年来，建了不少的所谓「蚊子馆」，并非重视生物多样性，而是为了烧钱。 土木工程与国防及天然灾害 英法海峡隧道，创意、调查、与试挖，超过百年；法国非常积极，英国军方常以国防（害 怕欧洲人，尤其是法国人，经隧道入侵英国）为理由加以阻挡。中国古代秦始皇则以国防 为理由而建万里长城。金门的地下坑道，曾经是极为重要的国防工程。目前，地下机、舰 、飞弹基地，作战指挥中心，地下弹药库，机场，军港，仍然有土木工程师贡献的机会。 土木工程受到环境的影响，土木工程也影响环境。增进对环境的了解，不只是为了工程的 安全，也是为了减少工程对环境的伤害。 土木工程应该是一种四度空间加上人文关怀的产业。坚固、稳定、耐久而且优美的工程与 校舍，提供使用者安全感，提供当时使用者以及後代美好的历史记忆与空间记忆，不应为 工程建设而消除历史记忆或空间记忆。 从事工程建设，不应将野生动物赶尽杀绝，应该有众生平等的仁爱之心。更进一步的积极 想法是动、植物也可以是一个土木工程的部分或全部。借动、植物之助，发展出有生命、 随时间而增强的土木工程结构物，同时达成生物多样性的境界，应该是新一代土木工程所 追求的理想。 台湾本岛，山地占总面积的74%，其中的森林，其涵蓄水分的能力，足以构成可以永续利 用的天然水库；但因滥垦、滥伐、滥种浅根性作物、滥建、与滥开道路，其保水保土的功 能正在消减之中。增进对地形、断层及地震的了解，可增进工程的安全。 台湾，由於人口、人才、财富、与建设，迅速向都市集中；反应不及，产生围城效应，切 割效应，热岛效应，空气污染，住宅的高墙文化及铁窗文化，与丑陋。这些问题，有些不 是土木工程师所能为力，但土木工程师可以参与的面向还是不少。 土木工程师应该要有环境科学、环境工程与都市计划的训练。没有在学校之中学到的，多 的是「终身学习」与「自我教育」的机会。没读过虞老师兆中（1997）的《工程环境面面 观》与中国土木水利工程学会（2005）的《土木与环境》这两本书的土木工程师，笔者强 烈建议补读。 ----------------------- 给大家参考 很可惜的是，生态工法往往有一好没有两好， 栈桥高架的花费大、蛇笼容易被冲走，生态步道不利於无障碍空间 而公共工程建设的欲满足目标是有其权重顺序的 比如说公园，它建设的目的是为了让市民可以休憩舒压、户外活动社交 如果不利於 推着婴儿车或拖菜篮的妇女、在轮椅上被推出来的老人 或 推轮椅的雇人 使用 那损及主要满足目标的公园就有违建设的意义 毕竟它不做为杂草地、密林 而是被规划做公园，生态考量不应该破坏了主要目的 比如说，公园的主要进入、连通管道仍应该以便於通行为第一考量 交通要道的建设、坡堤保护的建设也是一样 在不致让主要目标失能的前提下，当然生态工法是很值得被接纳的 -- ˙ - . ˍ ◣ _- .︿. ˍ◣ . ↘ 千山鸟绝，万径踪灭 ↙ - ﹒ ˍ ▂▄ ▂◥◣∕\ ∕ ╲ ◥◣ _ ↗ 孤舟蓑翁，独钓江雪 ↖ . . ◢███▃ ▄╱◢ ◥◣／ ╲﹎ - 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