林维明-自然生态工法在溪流治理上的规划设计理念

水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念28-學術天地自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念林維明(中華民國水利技師公會全國聯合會及台灣省/台北市水利技師公會理事)一、前言自然生態工法基本上是遵循自然法則，以合乎自然生態環境的概念，規劃各項治理工程，以減少造成工程施工後人工構造物對生態環境之衝擊，其中因溪流生態環境多樣且脆弱，水生動植物先天遷移條件受限，更易因工程的施工而遭受破壞，因此野溪溝渠治理工程對生態環境的影響更顯鉅大。往昔先民遇到洪水暴漲損毀農地，一般都以天災視之，為與自然的災害抗衡保護其濱臨河溪之土地，大多利用自然植栽之根力、塊石之重力及其硬度，以現場環境中易得的自然資材保護坡岸防止溪流受沖蝕破壞，使用之材料雖然能抵抗水流破壞的強度較低，但是順應自然，對生態環境不易造成傷害。爾後因為經濟發展，鋼筋混凝土理論工法的成熟與普及，且其應用方便、安全可靠，很快為各項建設工程所引用，河溪整治亦不可免。同時因經濟繁榮，土地成本逐漸提高，工程用地取得日益困難。因此在這時期的工程設計人員從事野溪治理工程規劃時，幾乎均以使用最少土地面積、結構容易施工、工程經費低廉、可達到安全排洪，保護兩岸土地免遭沖蝕為主要的目標。常用工法亦大多以鋼筋混凝土為結構主體應用施工，其安全性、耐久性亦多能符合一般民眾之要求。然而，工程完工後卻常使原有充滿生命力之自然野溪，卻因由人工化的鋼筋混凝土結構物取代而喪失原有風貌。堅硬的鋼筋混凝土替代了土質坡岸；還有平直光滑的結構表面取代原來盤根錯節之孔洞、樹叢；而且陡直的壁面，使得原有坡岸通路消失無蹤。雖然鋼筋混凝土可達到安全排洪的要求，但是卻戕害了溪流之生命力。使原本生命盎然的河溪因結構物渠化而切斷了河溪動物往返的通道，危害溪流的生態，也在自然與人類間築起一道高聳的圍牆，阻礙人類親近自然溪流的機會，工程施工成本或可減少，而所損失的自然與社會成本卻無法估計。近年來在國人生活品質漸漸提高之下，對於自然資源保育及深藏於心底對溪流自然生命潛在需求與日俱增，原有只講求安全、耐久之工程已頗受生態保育團體所詬病，亦無法滿水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念29-學術天地足民眾現階段之要求。因此，如何使溪流整治能具備安全排洪的防洪功能又可同時保有自然優美的溪流環境已成為目前溪流整治工程規劃設計的重要課題。因此乃激起本文的探討。本文的組織架構為：一、生態工程的規劃設計理念1.1生態工程規劃設計的精神與目的。1.2基本設計概念。1.3溪流整治的原則。1.4規劃設計應注意事項。二、生態工程的執行方法2.1自然生態工法的常見結構物。2.2生態工法案例介紹。三、結論本文的目的是期望水利工程師如果有機會進行，規劃設計溪流治理工程時，可適切的考慮使用自然生態工法以利美化我們的生活環境。二、生態工程的規劃設計理念2-1生態工程規劃設計的精神與目的自然生態工法在規劃設計時，應以循序漸進的方式，考量其應用範圍及目的，權衡安全、經濟及保育三者之利害關係。(圖一)治理工法應以水土保持或治山防災之觀點，設計以安全為基礎，生態保育為導向的經濟工法。說明如下：圖一生態工程規劃設計時應考慮之要素■安全考量當施工地區有特定保全對象(如村落、道路)、重要維生體系(如水庫、農生態系)，規劃設計時需先進行水理、水文分析，對於施設物進行結構及穩定計算、應力力學檢算及坡面穩定分析，並就工程竣工後周遭環境可能遭受的影響進行評估、檢討。盡可能達到來生態系統或景觀的再生，依新地形或週邊環境狀況，考量週邊環境、上下游區域生態及景觀的連續性，設計適合創造生態系統或景觀的水保防災構造物。■生態保育考量當施工地區為生態保護區、特有或保育生物之復育區、或自然復育演替可能性高的地區時，應注意工程構造物的負面效應，規劃設計時亦盡量減低外物的導入及人為干擾，依據生物或環境棲地自然復原的推測、評估水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念30-學術天地為依據。在結構安全無虞下，以近自然工法或生態工程為主，採用之設計方法為：‹盡量維持工址原有地形及面貌，避免生態棲地干擾。‹在適當之坡降下採多樣性之流速變化，提供多元的生態棲息環境。‹儘量以連續性跌水或低壩設計，達成治水與生態兼顧之理念。‹盡量採用現地取材方式，融合當地環境景觀特色。■經濟與景觀之考量除安全及生態保育考量外，規劃設計時，另應考量工程設施的景觀性、及經濟性、及環境資源的永續利用，並結合當地產業發展，構造斷面的合理化避免過度設計。工程治理乃以人本考量，在已治理地區經由景觀設計後可營造出綠美化環境，利用植生工程技術可栽植多種類的植物，達到環境綠美化的功能。所以生態工程是以生態系統之自我維護為基礎，親近自然，透過工程方法之輔助，以保護或修復自然的生態環境，以維持生態環境的永續發展。是故生態工程應秉持著下列各項精神進行設計與施工：1.工程設計應滿足生物需求，達到斷面之多樣性。2.施工樣儘量取之於自然、取之於現地。3.施工過程應避免對環境、生物造成過大衝擊。4.完工的構造物除滿足工程性質外，應能提供適合生物棲息的微棲地環境。良好而豐富之植被也可提供生物一個適當的棲息環境，因此，植物是生態工程中不可或缺之重要部分。根據生態工程之精神，工法之選擇需考慮當地地質、地形、水文情況、植生情況、生態環境需求(如特定物種之培育、保護)、材料取得等當地因素。相關因素太多，因此並無一定之施工法可供選擇，而是必須加以評估後，因地制宜，研擬適當之方式加以施工。此外，創造豐富而多樣的生態環境且兼顧安全為生態工程的目的。2-2基本設計概念溪流整治進入設計階段時，應是溪流環境與鄰近相關資源，做有效之整合。結合現有人為設施及自然環境(如社區、步道、遊憩景點、水塘、水生植物、林野等)，提供完善之規劃以滿足需求。例如基本的安全排洪要求、潛在對自然環境生態之渴望等。故所以工程設計人員若擬以生態工法從事溪溝工程設計時應具備的基本概念如下：■綠帶及藍帶之結合將步道、遊憩點與溪流做有效之連繫，將動線適度引進，以供民眾親近溪流的機會，進而激發民眾愛護環境的意識。■環境景觀的調合治理工程規劃設置人工構造物時，應考慮人工結構物外覆材質、型水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念31-學術天地式、大小，使之能與周遭環境調會，並能營造近景、遠景之視覺美感與滿足。■生物走道之維持水生生物之走道，一般是指魚、蝦、鰻等，水生植物移動路線，就工程而言，主要需考量橫向構造物，如固床工、潛壩等之體積大小、平滑度、斜率、落差高低，動線之基流水量、流速等，以減少水生植物上、下游移動之難度。岸生(兩棲)生物之走道，一般是指蟲、蛙、鳥獸等陸生動物之濱水路線，就工程而言，主要考量縱向造物如護岸、堤防的高差、斜率、粗糙度及岸坡隱蔽效果等，以降低影響動物進出移動的難度。■水陸域生態之維護維護與河溪接攘的兩岸原有地形、地物如石堆、枯倒木、樹木、花草叢等，可供陸生動物隱蔽之場所及營造淺灘、急湍、深淺水潭、泥、礫質溪床、水濱岸孔洞、以及多孔隙溪床與堤岸。2-3溪流整治的原則避免自然之坑溝、溪流，因整治工程施工而破壞原有自然之型態，失去原有溪流之生命力，在整治工程設計時應注意下列幾項重要原則：1.在溪溝用地許可下，儘量維持原有自然溪溝的蜿蜒度：順應溪溝原有自然地形，避免截彎取直的行為以維持溪溝原有風貌。2.在排洪安全原則下，儘量減少槽化護岸構造，維持自然溪岸：如兩岸岸地地質或環境許可下(例如植生情形，兩岸土地之使用程度，忍受漫水的程度等)，以減少人為構造導入，維持其原有自然的岸坡。3.在水利安全要求下，河幅可配合原溪溝自然形狀之寬狹程度進行規劃設計：配合原有溪溝自然地質、變化結構型式，溪床寬廣則規劃為淺灘、親水區域等；溪床狹窄則規劃成急湍、深潭等。4.在溪流地形條件下營造水域環境之多樣變化(如河床深淺、砂礫、孔隙、水流急緩、水體變化)：為維護原有溪流生態或吸引生物聚集，應順應溪溝環境營造多樣化水體，配合水生動植物之生活史及基盤，規劃各樣水域。(考慮因素如水流流速、深淺、氣曝情形、水溫、隱蔽等)5.水岸環境之營造(如河岸植物之植栽之蔽蔭、食物來源)：溪岸環境與溪溝生態息息相關，植生植物之選擇及栽植，直接影響水域生物的生存環境。應考慮下列影響性①蔽蔭程度：水溫高低。②遮蔽效果：動物隱蔽場所。③落葉情形：落葉葉質、量(食物鏈之基礎)。④引蟲機能：落水昆蟲量，直接影響魚種之分佈等。6.水質之維護(污水來源管制、處理)。7.工程施工之管制：施工路線，機具運轉範圍之管制，避免因「建設」造成水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念32-學術天地不當破壞。8.生物復育之企圖：大體上對生態環境而言，最佳的建設就是不要導入任何人為之干擾，然而，就人類的角度而言，卻很難避免「必要」之惡，因此如經評估確需實施治理工程時，在因建設而需破壞生態環境前，工程設計人員應有旺盛之生物復育企圖，僅最大力量維護工程區域原有之生態環境，並於工程時儘量以其他物種的角度從事設計，以減少生態環境破壞於最低。2-4規劃設計應注意事項2.2.1生態工法在規劃設計時應遵循原則如下：1.營造自然生態空間：規劃近自然型態之河岸、溪畔、深潭、淺灘、急流、湍瀨、岸邊緩流、迴流及高灘地綠美化、遊憩親水空間。2.因地制宜規劃具滯洪功能設施：河溪整治可利用兩岸高灘地或鄰近河岸之操場、公園綠地、遊樂場、濕地、農塘、山坡地之梯田等開放空間，作為降雨時之滯洪池。3.原有河幅河寬地形：整治河段須順應河道蜿蜒曲折之地形，避免採行平行等寬護岸之型式佈設。4.干擾動物棲息地：整治工程儘可能減少河道與河岸干擾範圍，並保留原有之孔穴、亂石堆，避免干擾動物棲息地，必要時可選擇於岸邊施工，減低破壞。5.於1比1.5護岸坡度，配合植栽原生物種，建構較佳化之水岸環境，提供水域與陸地生物交流演替之生態廊道。6.設計採五化原則：河溪災害防治，儘可能以下的五化原則辦理，可有效減低工程行為對環境之影響。(1)表面孔隙化(構造物表面能設計具有粗糙度及多孔柱)。(2)高壩低矮化(壩體改變為組合式拱形落差工或階段低壩工，下游建構緩坡化廊道)。(3)坡度緩坡化(建構棲地廊道與遊憩景觀)。(4)材料自然化(材料多樣化自淨化)。(5)界面透水化(護岸及渠低未使用混凝土促進水資源之涵養)。7.拋石創造多孔性之河道與護岸：(1)河道及其兩岸波腳拋石或堆砌石，營造出多孔隙棲地環境。(2)混凝土構造物棲地改善，以拋石或堆砌石營造多孔隙水域，讓水中生物避難、躲藏、覓食、休息、睡眠、繁殖。8.河道或兩岸砌築水制工、落差工：(1)河道中之落差工：可營造出急流、湍瀨、及下游面之深潭、淺灘；而經由落差工塑造出之河道水流環境，可增加水中之含氧量，使水中生物更愛棲息。(2)河溪兩岸之水制工：河溪岸腳水制工有如丁壩，可保護河岸，亦可營造河道之蜿蜒度及深潭、淺灘、湍瀨，建構生物多樣性之棲地環境。2.2.2生態工程所使用的天然資源主要天然石材和植栽說明水利會訊第十二期林維明－自然生態工法在溪流治理上的規劃設計理念33-學術天地如下：1.天然石材：生態景觀工程常用石材之種類，則上以採取工地現場石材利用為主。惟為配合結構要求及景觀上需求，常需使用外運之石材。2.植物種類：近年來常利用植物材料作為邊坡及河川綠美化之資材，不僅可以保育河川中生物之基本生存空間，發揮環境綠美化效果，達到生態共存共榮之境界。可利用植物種類繁多，其特性亦各不相同，必須針對不同河川特性選用所需之植物方能達到防止沖蝕、穩定邊坡、涵養水源、改善水質及提供最佳之生物棲息空間等目標。有關生態景觀工程植物材料之選擇依據可採用以下原則決定：(1)符合綠美化設計之目的；(2)能提供較佳之生物棲息空間；(3)生育習性優良之植物；(4)對環境適應性強之植物；(5)易於管理之植物；(6)施工性佳之植物之及(7)供應來源穩定之植物。2.2.3河岸植栽綠美化設計考量：河溪護岸或保護帶的設置可減緩河川兩岸土壤侵蝕，截蓄逕流並吸收農園流失肥料及農藥，以此過濾水質。而植生保護帶之合理寬度，取決於過濾放流水