115 年 國立臺灣大學地質科學系及海洋研究所聯合招生《環境科學概論（A )》

本題為名詞解釋題，主要在測試考生對於環境科學基本名詞的理解程度。

(a) 非點源污染 (Non-point Source Pollution)：
非點源污染是指污染物質來自分散、無法確切指出單一污染源的區域性污染。其污染物透過降雨沖刷、地表逕流或滲漏等方式，從大面積的土地（如農田、城市區域、森林）進入水體（河流、湖泊、海洋）或空氣。
核心觀念：污染源分散，難以追蹤與控制。
常見例子：農田施肥、農藥施用後，雨水沖刷將氮、磷、農藥帶入水體；城市道路的油污、垃圾隨雨水進入排水系統。
對環境的影響：導致水體優養化、生物多樣性降低、飲用水源受污染。

(b) 光化學煙霧 (Photochemical Smog)：
光化學煙霧是一種由光化學反應產生的空氣污染物。主要發生在陽光充足、交通繁忙的城市地區。其形成過程涉及氮氧化物 ($NO_x$) 和揮發性有機物 (VOCs) 在陽光紫外線的照射下，發生複雜的光化學反應，生成臭氧 ($O_3$)、醛類、過氧乙醯硝酸酯 (PAN) 等二次污染物。
核心觀念：陽光、$NO_x$、VOCs 共同作用下的光化學反應。

本題主要探討二氧化碳地質封存 (Carbon Capture and Storage, CCS) 的核心概念，包括儲集層的條件以及封存的機制。

(a) 適合作為碳封存的儲集層應具備的條件：
儲集層是能夠容納並長期儲存二氧化碳的地質構造。其選擇的關鍵在於確保二氧化碳不會洩漏。因此，儲集層需要具備以下幾個主要條件：

1. 良好的孔隙度 (Porosity)：儲集層必須有足夠的孔隙空間來儲存大量的二氧化碳。孔隙度是指岩石中孔隙體積佔總體積的百分比。高孔隙度的岩石（如砂岩、碳酸鹽岩）能容納更多氣體。
2. 良好的滲透性 (Permeability)：儲集層需要有足夠的滲透性，以便在注入過程中二氧化碳能夠相對容易地注入和擴散。然而，過高的滲透性也可能增加洩漏風險，因此需要在注入性和封存性之間取得平衡。
3. 足夠的深度 (Depth)：儲集層通常需要埋藏在足夠的深度（例如 800 公尺以上），這樣注入的二氧化碳在高壓下會處於超臨界狀態，密度較大，有助於儲存。同時，足夠的深度也意味著上覆岩層的壓力較大，有助於封閉。
4. 有效的蓋層 (Caprock/Seal)：這是確保封存安全性的關鍵。蓋層是指位於儲集層上方的緻密、低滲透性的岩層，其作用是阻止二氧化碳向上遷移和洩漏。理想的蓋層應具備極低的滲透性、良好的連續性（無斷層或裂隙貫穿）以及足夠的厚度。常見的蓋層包括頁岩、泥岩、蒸發岩（如鹽岩）等。
5. 封閉構造 (Trapping Structure)：儲集層內應有能夠阻止二氧化碳聚集體向上移動的構造，例如背斜構造（anticline）、斷層封閉、地層尖滅（pinch-out）等。這些構造能將二氧化碳「圈住」，防止其逃逸。

(b) 二氧化碳在地下可能透過哪些機制被「封存」？
二氧化碳在地質環境中被封存的機制是多樣的，可以分為物理封存和化學封存。

1. 構造封存 (Structural Trapping)：
   • 物理意義：這是最直接且最快速的封存機制。注入的二氧化碳由於其密度比地層水小（在相同壓力溫度下），會向上運移，直到被上覆的蓋層（Caprock）阻擋，並在構造高點（如背斜構造）聚集。
   • 化學意義：無直接化學意義，主要是物理上的阻隔。
2. 殘餘氣體封存 (Residual Gas Trapping)：

本題探討核能發電作為淨零轉型的過渡能源，以及其衍生的核廢料處置問題，並與二氧化碳地質封存進行比較。

(a) 臺灣核廢料處置的核心問題與可能性（以工程地質角度）：
核廢料處置，尤其是高階核廢料（如用過的核燃料）的最終處置，是一項極具挑戰性的工程地質課題，需要確保其在極長的時間尺度內與人類環境隔離。
核心問題：

1. 場址選擇困難 (Site Selection Difficulty)：
   • 地質條件要求嚴苛：需要尋找地質穩定、無明顯斷層或活動構造、低滲透性、能長期阻隔放射性物質擴散的岩體。臺灣位於環太平洋地震帶，地質構造複雜，地震頻繁，這增加了尋找穩定場址的難度。
   • 社會接受度低 (NIMBY - Not In My Backyard)：核廢料處置場的選址往往面臨巨大的社會阻力，公眾對潛在風險的擔憂，使得尋找可接受的場址極為困難。
2. 長期的安全隔離 (Long-term Safety Isolation)：
   • 放射性衰變與熱量產生：高階核廢料具有強放射性，並在衰變過程中產生大量熱量。工程設計必須考慮熱量對岩體應力、孔隙水壓力及圍岩穩定性的影響。
   • 污染物遷移與擴散：即使有完善的工程屏障（如核廢料包裝、緩衝材料），一旦發生洩漏，放射性核種仍可能透過地下水、岩石裂隙緩慢遷移擴散，對環境造成長期污染。工程地質需要評估岩體的水文地質特性，預測污染物遷移路徑與速率。
3. 工程技術挑戰：
   • 深層地質處置 (Deep Geological Disposal)：目前國際主流方案是將核廢料深埋於地下數百公尺至一千公尺的穩定岩體中。這需要大規模的地下開挖，並設計多重屏障系統（如核廢料玻璃化、金屬容器、膨脹性黏土緩衝材、原址岩體）。
   • 長期監測與維護：處置設施建成後，需要極長期的監測與管理，確保其完整性。

臺灣的可能性：

1. 地質條件的挑戰：臺灣地質活躍，地震、斷層、高溫、潮濕等條件都增加了處置場址選擇和設計的難度。例如，西部地區的斷層活躍，東部地區地質變形速率快，離島地區可能受海平面變動影響。
2. 場址選項有限：目前臺灣的高階核廢料（主要為用過核燃料）暫存於核電廠內，低階核廢料則暫存於蘭嶼貯存場。最終處置場的選址仍是未定案。可能的場址類型包括：
   • 穩定基盤岩區：尋找相對穩定、較少活動斷層的堅硬岩盤區域，例如花崗岩、片岩等。
   • 地下鹽丘或黏土層：雖然臺灣鹽業不發達，但若有足夠厚度且連續的低滲透性黏土層或鹽岩層，也可考慮，但這類地質條件在臺灣相對少見。
3. 技術可行性：從工程技術角度，深層地質處置是國際公認的可行方案。臺灣具備發展相關工程技術的能力，但關鍵仍在於找到合適的場址並獲得社會認同。
4. 社會與政治因素：這是臺灣核廢料處置最大的瓶頸。缺乏明確的政策指引、公眾溝通不足、地方居民的反對，都使得進展緩慢。

本題探討三氯乙烯 (TCE) 在特定地下水環境中的行為、潛在風險以及整治策略。TCE 是一種常見的工業溶劑，其污染問題在工業區地下水系統中相當普遍。

(a) TCE 在該環境中的主要遷移路徑與風險：
環境描述：

• 污染物：三氯乙烯 (TCE)，一種氯化揮發性有機物 (CVOC)。
• 介質：裂隙發育的砂岩含水層。
• 地下水條件：還原性環境。

TCE 的物理化學性質：

• 密度：TCE 的密度約為 1.46 g/cm³，遠大於水 (1 g/cm³)。
• 溶解度：在水中溶解度約為 1000-1500 mg/L，屬於中等溶解度。
• 揮發性：具有一定的揮發性。
• 化學穩定性：在厭氧（還原性）條件下，TCE 較為穩定，不易快速氧化或水解。

主要遷移路徑：

1. 滲透與沉降 (Plume Migration and Denser Phase)：
   • 由於 TCE 的密度大於水，當其以純液相（DNAPL）或高濃度溶解相形式進入含水層時，會優先向下滲透。在裂隙發育的砂岩中，TCE 會沿著較大的裂隙或滲透性較高的通道向下移動，可能穿透飽和帶，直到遇到滲透性極低的阻隔層（如黏土夾層）而聚集，形成 DNAPL 污染源。
   • 即使是以溶解相形式存在，高濃度的 TCE 溶解相也會因為密度效應而傾向於在含水層底部形成較濃密的污染羽 (plume)。
2. 地下水流驅動的對流與彌散 (Advection and Dispersion driven by Groundwater Flow)：
   • 一旦 TCE 進入地下水系統，它會隨著地下水流的方向進行對流遷移。
   • 同時，由於地下水流的紊流和介質的非均質性，TCE 會在裂隙和基質之間發生彌散（縱向彌散和側向彌散），擴大污染羽的範圍。在裂隙發育的含水層中，裂隙流是主要的傳輸方式，可能導致污染物快速長距離遷移。
3. 揮發與擴散 (Volatilization and Diffusion)：
   • 如果污染羽接近地表或與地表水體接觸，TCE 可能會揮發到大氣中，尤其是在淺層地下水。
   • TCE 也可能在孔隙水中進行擴散，但相較於對流，擴散速率較慢，主要在污染羽的邊緣區域起作用。

風險：

1. 長期地下水污染：TCE 在還原性環境下較穩定，不易生物降解，因此一旦污染形成，可能長期存在於地下水中，成為難以清除的污染源。DNAPL 的存在更是長期污染的根源。
2. 飲用水源污染：如果污染羽擴散到飲用水井的取水範圍，將嚴重威脅飲用水安全。TCE 具有毒性，對人體健康有害。
3. 對生態系統的影響：可能透過地下水滲入地表水體，影響水生生物。
4. 揮發性風險：若 TCE 揮發至建築物內部（土氣交互作用），可能對室內空氣品質和人體健康造成危害。

(b) 可能產生的次級污染物及其健康風險：
在還原性環境下，TCE 的降解途徑主要是還原脫氯 (reductive dechlorination)。這個過程通常是分階段的，會產生一系列的氯代乙烯和乙烷衍生物。
降解途徑與次級污染物：
TCE (三氯乙烯) $\rightarrow$ DCE (二氯乙烯) $\rightarrow$ VC (氯乙烯) $\rightarrow$ Ethene (乙烯) / Ethane (乙烷)

1. DCE (二氯乙烯, Dichloroethylene)：
   • TCE 的主要降解產物是 1,2-二氯乙烯 (1,2-DCE) 和 1,1-二氯乙烯 (1,1-DCE)。其中 1,1-DCE 通常比 1,2-DCE 更難進一步降解。1,2-DCE 又有順式 (cis-1,2-DCE) 和反式 (trans-1,2-DCE) 異構體。
   • 健康風險：DCE 類污染物同樣具有毒性，對肝臟、腎臟和神經系統有損害。1,1-DCE 被列為可能的致癌物。
2. VC (氯乙烯, Vinyl Chloride)：
   • DCE 可能進一步脫氯生成氯乙烯 (VC)。VC 是所有這些氯代烴中毒性最大、致癌性最強的污染物之一。
   • 健康風險：VC 是國際公認的人類致癌物 (Group 1, IARC)，主要與肝癌、血管肉瘤等癌症有關。