109 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境科學概論（B）》

本題主要探討氣候變遷與極端氣候事件（如澳洲森林大火）的關聯，以及森林大火對環境（空氣、水、土壤）的影響。

核心觀念：

1. 氣候變遷與極端氣候事件的關聯：氣候變遷會增加極端天氣事件發生的頻率和強度。
2. 森林大火的環境影響：森林大火會釋放大量污染物，並影響空氣、水和土壤的品質。

解題步驟：

一、氣候變遷在此事件中的角色

氣候變遷，特別是全球暖化，使得地球平均溫度升高，這會導致：

• 乾旱加劇：高溫和降雨模式改變會使植被更加乾燥，成為易燃物。
• 熱浪頻繁：更頻繁、更強烈的熱浪事件會進一步加劇乾旱和植被的乾燥程度。
• 極端天氣事件增加：氣候變遷被認為是導致澳洲近期經歷更頻繁、更嚴重的乾旱和熱浪事件的原因之一，這些條件為森林大火的發生和蔓延創造了極為有利的環境。

二、污染物在環境中的傳輸與轉化，以及對空氣、水、土壤品質的影響

森林大火會釋放出大量的污染物，這些污染物會在環境中傳輸並發生轉化，進而影響空氣、水和土壤的品質。

(A) 對空氣品質的影響

1. 污染物釋放：燃燒過程會釋放出大量粒子物（PM$_{2.5}$、PM$_{10}$）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO$_{2}$）、氮氧化物（NO$_{x}$）、揮發性有機化合物（VOCs）以及多環芳香烴（PAHs）等有害物質。
2. 傳輸：
   • 近距離：燃燒產生的煙霧和懸浮粒子會嚴重影響火災發生地及其周邊地區的空氣品質，導致能見度降低，空氣變得渾濁。
   • 遠距離：大氣環流系統會將這些污染物輸送到數百甚至數千公里之外。例如，2019-2020年的澳洲森林大火產生的煙霧曾飄到紐西蘭、南美洲，甚至影響到北半球。
3. 轉化：在空氣中，污染物會與其他化學物質發生反應，例如 NO$_{x}$ 和 VOCs 在陽光作用下可形成地面臭氧（O$_{3}$），這是一種二次污染物，對人體健康和植被有害。
4. 影響：
   • 健康影響：吸入高濃度的粒子物和有害氣體會引發或加劇呼吸道疾病（如哮喘、支氣管炎），心血管疾病，並可能導致急性中毒。
   • 能見度降低：影響交通運輸和日常生活。
   • 氣候影響：燃燒釋放的 CO$_{2}$ 是溫室氣體，加劇氣候變遷；懸浮粒子（如煙塵）則可能影響區域甚至全球的輻射平衡。

本題旨在釐清「食物、能源與水鏈結」(FEW nexus) 的概念，並要求舉例說明其交互關係。

核心觀念：
「食物、能源與水鏈結」是指食物生產、能源生產和水資源利用之間存在著高度相互依賴和影響的系統性關係。這三個要素的供應和需求緊密相連，其中一個要素的變化會對其他兩個要素產生連鎖反應。

定義：
食物、能源與水鏈結（Food-Energy-Water nexus）是一個分析框架，用來理解和管理這三個關鍵資源之間複雜的相互關係。它強調，在規劃和決策時，不能孤立地看待食物、能源或水，而必須考量它們之間的交互作用，以達到資源的永續利用和供應安全。

食物系統對能源和水的需求：

• 食物生產：需要大量的水進行灌溉，需要能源進行耕作（曳引機、肥料生產）、加工、運輸、冷藏和烹飪。
• 水資源：食物生產是全球最大的用水戶之一。

能源系統對食物和水的需求：

• 能源生產：許多能源生產過程（如水力發電、火力發電冷卻、生質燃料生產）需要大量的水。
• 生物質能源：種植用於生產生物質能源的作物（如玉米、甘蔗）需要土地、水和肥料，這會與食物生產爭奪資源。
• 水力發電：水庫的建設會影響下游的用水和生態。

水資源系統對食物和能源的需求：

• 食物生產：如前所述，灌溉是水資源的主要用途。
• 能源生產：冷卻發電廠、水力發電、水力壓裂（fracking）等都需要大量水。
• 水處理與輸送：將水輸送到用戶端和處理污水也需要能源。

舉例說明：

1. 生質燃料生產與糧食安全/水資源的衝突：
   • 情境：為了減少對化石燃料的依賴，一些國家大力發展生質燃料（如以玉米或甘蔗為原料的乙醇）。
   • 鏈結：
     • 食物：種植生質燃料作物佔用了大量耕地，可能減少用於生產糧食的土地，推升糧食價格，影響糧食安全。
     • 水：種植這些作物需要大量的水進行灌溉，加劇了水資源的壓力，尤其是在水資源匱乏的地區。

本題要求解釋「線性經濟」與「循環經濟」的定義，並說明循環經濟的運作模式及挑戰。

核心觀念：

1. 線性經濟 vs. 循環經濟：資源利用模式的根本差異。
2. 循環經濟的原則與實踐：如何設計、生產、消費和回收。
3. 循環經濟的挑戰：實施過程中可能遇到的障礙。

一、線性經濟 (Linear Economy)

• 定義：線性經濟是一種「取用-製造-丟棄」（take-make-dispose）的經濟模式。產品從原材料的獲取開始，經過製造、使用，最終被丟棄，無法再利用。
• 特點：
  • 資源消耗高，不可再生資源被大量開採。
  • 產生大量廢棄物，對環境造成嚴重污染（土地、水、空氣）。
  • 經濟增長依賴於不斷增加的資源消耗。
• 例子：傳統的消費模式，例如購買一次性餐具、快速時尚（fast fashion）產品，使用後直接丟棄。

二、循環經濟 (Circular Economy)

• 定義：循環經濟是一種旨在最大限度地延長產品、組件和材料的使用壽命，並使其在最高效的效用和價值下得以重複利用和再生，以減少廢棄物和資源消耗的經濟模式。其核心是「減量、再利用、再循環」（Reduce, Reuse, Recycle）。
• 原則：
  • 設計源頭減廢：產品設計時就考慮到耐用性、易維修性、易拆解性，以及使用再生或可回收材料。
  • 延長產品生命週期：透過維修、再製造（remanufacturing）、翻新（refurbishment）等方式，讓產品在功能上保持良好狀態，延長使用時間。
  • 資源的循環利用：將產品或其組件、材料透過再利用、再循環（回收）等方式，重新導入生產和消費系統。
  • 再生能源的利用：盡可能使用再生能源來驅動生產和消費過程。
  • 系統性思維：將生產、消費、廢棄物管理視為一個相互關聯的系統。

三、循環經濟的運作模式舉例

循環經濟的運作模式可以從不同層級和不同產業來理解：

1. 產品設計與製造：

   • 模組化設計：例如，某些電子產品（如手機、電腦）採用模組化設計，當某一部分損壞或過時時，可以單獨更換或升級，而不是整個產品報廢。
   • 易維修性：設計家電時，確保零件易於取得且易於更換，鼓勵消費者維修而非直接購買新品。
   • 使用再生材料：例如，使用回收塑膠製造新的塑膠製品，或使用回收金屬製造新的金屬零件。

2. 產品使用階段：

   • 共享經濟 (Sharing Economy)：例如，汽車共享、工具共享平台。使用者無需擁有產品，而是按需租用，提高了產品的使用率，減少了生產需求。
   • 產品即服務 (Product-as-a-Service, PaaS)：例如，照明公司提供「照明服務」而非直接銷售燈具。使用者支付使用照明的時間或亮度，而公司負責燈具的維護、升級和回收，這促使公司設計更耐用、易維護的產品。
   • 維修與翻新：鼓勵和發展維修產業，例如手機維修店、二手家具翻新。

3. 廢棄物管理與再利用：

   • 高質再循環 (High-Quality Recycling)：不只是將廢棄物熔融再製成價值較低的產品，而是盡可能恢復其原有品質，用於生產同類產品。

核心觀念

本題考查土壤與地下水污染場址之「健康風險評估」與「風險溝通」，重點不只是說明名詞，更要能連結污染場址調查、暴露途徑、受體、風險計算、利害關係人參與及後續風險管理。

一、風險的基本概念

污染風險可表示為：

$$\text{風險}=\text{危害性} \times \text{暴露程度}$$

其中：

• 危害性：污染物造成致癌、非致癌毒性、發育毒性、基因毒性或其他健康危害的能力。
• 暴露程度：人體或生態受體接觸污染物的濃度、頻率、時間及接觸方式。
• 受體：可能受到污染影響的人或生物，例如居民、兒童、工人、農民、地下水使用者及水生生物。

風險並不等於污染濃度本身。即使污染物濃度很高，若沒有有效的污染傳輸途徑或暴露受體，實際風險未必同樣高；反之，濃度不高但長期飲用受污染地下水，仍可能產生顯著健康風險。

二、風險評估的定義

風險評估是以科學方法，系統性分析污染物之危害性、暴露途徑、暴露量與受體健康效應，並估算污染造成不良健康影響之機率或程度的過程。

其主要目的包括：

1. 判斷污染是否可能對人體健康或生態環境造成危害。
2. 確認需要優先處理的污染物、污染區域與暴露族群。
3. 估算可接受或不可接受的風險程度。
4. 作為污染整治目標、整治方式、土地利用管制及後續監測的依據。

風險評估本身是科學分析；如何選擇整治方式、是否限制土地利用及如何分配資源，則屬於後續的風險管理。

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風險評估的主要內容與步驟

完整的污染場址風險評估通常包括以下四個核心步驟，並以污染場址概念模型貫穿各階段。

一、危害辨識

危害辨識是確認污染物是否具有致癌性、非致癌毒性或其他不良健康效應。

執行內容包括：

• 調查污染物種類及其濃度。
• 判定污染物的物理、化學及毒理特性。
• 蒐集動物試驗、流行病學研究及毒理資料。
• 判斷污染物可能造成的健康效應，例如：
  • 癌症
  • 神經毒性
  • 肝腎毒性
  • 生殖與發育毒性
  • 免疫毒性
  • 皮膚或呼吸道刺激
• 確認污染物是否為致癌物，並區分致癌與非致癌效應。

危害辨識的結果，是決定後續應採用致癌風險模式、非致癌危害商數，或兩者同時評估。

二、劑量—反應評估

劑量—反應評估是分析人體接受不同劑量的污染物後，產生不良健康效應的關係。

常見毒理參數包括：

• 參考劑量 $RfD$：長期每日攝取而不致產生顯著非致癌健康危害的估計劑量。
• 參考濃度 $RfC$：長期吸入污染物而不致產生顯著非致癌健康危害的估計空氣濃度。
• 致癌斜率因子 $SF$：單位平均日劑量所對應的終生癌症風險增加量。
• 致癌單位風險：吸入或飲用某污染物特定濃度時，造成終生癌症風險增加的估計值。

非致癌污染物通常以暴露劑量與參考劑量比較；致癌污染物則以終生平均日劑量與致癌斜率因子估算癌症風險。

三、暴露評估

暴露評估是風險評估的核心，必須回答：

1. 污染物從哪裡來？
2. 經由何種介質傳輸？
3. 透過何種途徑進入人體？
4. 哪些人暴露？
5. 暴露多少、多久及多頻繁？

1. 污染源與環境介質

污染源可能包括：

• 工廠製程或儲槽洩漏
• 廢棄物堆置
• 地下管線破損
• 農藥或肥料使用
• 掩埋場滲出水
• 受污染土壤或地下水

主要環境介質包括：

• 表土
• 深層土壤
• 地下水
• 地表水
• 土壤氣體
• 室內或室外空氣
• 農作物及其他食物

2. 常見暴露途徑

人體暴露途徑包括：

• 誤食或攝食污染土壤、地下水或食物
• 飲用受污染地下水
• 吸入揮發性污染物或土壤粉塵
• 皮膚接觸污染土壤、地下水或地表水
• 食用受污染農作物、魚類或畜產
• 污染地下水揮發後經土壤氣體進入室內，形成室內空氣暴露

3. 場址概念模型

應建立「污染源—傳輸途徑—暴露點—受體」的場址概念模型：

$$\text{污染源} \rightarrow \text{環境介質} \rightarrow \text{傳輸途徑} \rightarrow \text{暴露點} \rightarrow \text{受體}$$

只有當污染源、完整傳輸途徑與暴露受體同時存在時，才形成完整暴露途徑。

例如：

$$\text{受污染土壤} \rightarrow \text{地下水} \rightarrow \text{民井} \rightarrow \text{飲用} \rightarrow \text{居民}$$

若該民井已停用，或地下水未供人飲用，則飲用地下水途徑可能不成立，但仍須確認是否存在其他暴露方式。

4. 暴露劑量計算

一般可用平均每日劑量 $ADD$ 表示非致癌暴露：

$$ADD= \frac{C \times IR \times EF \times ED}{BW \times AT}$$

其中：

• $C$：污染物濃度
• $IR$：攝入率或接觸率
• $EF$：暴露頻率
• $ED$：暴露期間
• $BW$：體重
• $AT$：平均時間

致癌風險需考慮終生平均，因此使用終生平均日劑量 $LADD$：

$$LADD= \frac{C \times IR \times EF \times ED}{BW \times AT_{\text{life}}}$$

其中 $AT_{\text{life}}$ 通常以終生期間表示。若不同年齡階段的體重、攝入量及暴露頻率不同，應分別計算各年齡階段，再加總其暴露量。

不同暴露途徑的風險應分別計算，例如飲水、攝食土壤、吸入及皮膚接觸，最後再依污染物與暴露途徑加總。

四、風險特性描述

風險特性描述是整合前述資料，說明場址對人體健康可能造成的風險程度、不確定性及主要風險來源。

1. 非致癌風險

非致癌風險通常以危害商數 $HQ$ 表示：

$$HQ=\frac{ADD}{RfD}$$

吸入暴露時，可使用：

$$HQ=\frac{平均暴露濃度或暴露劑量}{RfC}$$

若同一受體暴露於多種具有相同或相近毒性作用的污染物，則可計算危害指標 $HI$：

$$HI=\sum_{i=1}^{n}HQ_i$$

一般而言，$HQ$ 或 $HI$ 越大，表示非致癌健康危害越值得關注；但數值大於 1 並不代表必然發病，而是表示暴露量超過毒理參考值，需要進一步管理或降低暴露。

2. 致癌風險

致癌風險可表示為：

$$Cancer\ Risk=LADD \times SF$$

若同一受體有多種污染物或多條暴露途徑，總致癌風險為：

$$Total\ Cancer\ Risk=\sum_{i=1}^{n}LADD_i \times SF_i$$

致癌風險通常以機率表示，例如 $10^{-6}$ 代表每一百萬名具有相同暴露條件的人，估計增加一例癌症風險。實際判定仍須依主管機關採用的風險基準、土地利用情境及管理政策辦理。

3. 不確定性分析

風險估算涉及許多不確定性，例如：

• 採樣數量不足或污染分布不均。
• 污染物濃度具有時間與空間變異。
• 地下水流向與污染傳輸模式不確定。
• 居民實際飲水量、接觸頻率及暴露時間不同。
• 毒理參數來自動物試驗或有限的人體資料。
• 兒童、孕婦、老人及慢性病患者的敏感度不同。
• 使用平均濃度或最大濃度可能造成不同結果。

因此，風險評估應清楚說明假設、資料品質、模式限制及可能高估或低估風險的因素，必要時進行敏感度分析或情境分析。

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污染場址風險評估的執行內容

政府機關辦理土壤與地下水污染場址風險評估時，通常應包括以下工作。

一、前期資料蒐集與場址調查

• 污染源及歷史使用資料調查。
• 工廠生產、原料、燃料及廢棄物資料調查。
• 土壤、地下水、地表水及空氣採樣。
• 地質、土壤、水文地質及地下水流向調查。
• 污染物濃度、分布範圍及污染羽流調查。
• 土地利用、人口分布及敏感受體調查。
• 現有飲用水井、農業用水井及灌溉情形調查。

二、建立場址概念模型

將污染源、污染介質、傳輸機制、暴露途徑及受體整合成圖示或文字模型，並列出：

• 已確認的完整暴露途徑。
• 尚待確認的潛在暴露途徑。
• 因缺乏資料而暫時排除的暴露途徑。
• 需要補充調查的關鍵資料。

三、選定評估情境與受體

應依土地現況與未來可能用途設定情境，例如：

• 現況住宅用地。
• 工業或商業用地。
• 農業用地。
• 兒童遊戲或學校用地。
• 工地施工情境。
• 地下水作為飲用水或灌溉水的情境。

並分別評估一般成人、兒童、現場工作者、居民、農民、地下水使用者及其他敏感族群。

四、污染物篩選與毒理參數選用

本題旨在評估推動電動車（EVs）對環境的正負面影響，涵蓋其生命週期中的各個環節。

核心觀念：

1. 電動車的優勢：零尾氣排放，有助於改善城市空氣品質。
2. 電動車的劣勢與挑戰：生產過程的環境足跡（電池製造），電力來源的碳排放，廢棄電池處理。
3. 生命週期評估 (Life Cycle Assessment, LCA)：評估電動車整體環境影響的關鍵工具。

一、推動電動車對環境的正面影響

1. 改善城市空氣品質：

   • 零尾氣排放：電動車在運行過程中不產生尾氣排放，如氮氧化物（NO$_{x}$）、懸浮粒子（PM$_{2.5}$）、一氧化碳（CO）、揮發性有機化合物（VOCs）等。
   • 降低城市空氣污染：這對於空氣污染嚴重的城市地區尤為重要，能顯著降低因交通排放造成的呼吸道疾病、心血管疾病等健康問題，改善居民生活品質。
   • 減少溫室氣體排放（運行階段）：雖然總體碳排放取決於電力來源，但在使用階段，電動車本身不直接排放 CO$_{2}$。

2. 降低對化石燃料的依賴：

   • 能源多元化：減少對石油的依賴，有助於提升國家能源自主性，降低國際油價波動對經濟的影響。
   • 減少開採與運輸的環境衝擊：石油的開採、運輸和煉製過程本身會帶來環境污染（如漏油、棲地破壞、溫室氣體排放）。

3. 促進再生能源發展（潛在）：

   • 與電網互動：電動車的電池可以作為儲能單元，與電網互動（V2G, Vehicle-to-Grid）。在再生能源（如太陽能、風能）發電量大但需求低時儲存電力，在再生能源發電量不足或需求高峰時將電力回饋給電網。
   • 平滑電網負載：有助於提高再生能源的利用率，減少電網波動。

二、推動電動車對環境的負面影響與挑戰

1. 生產階段的環境足跡：

   • 電池製造：
     • 資源開採：電動車電池（特別是鋰離子電池）需要用到鋰、鈷、鎳、稀土等稀有金屬。這些金屬的開採過程可能涉及大規模土地擾動、水資源消耗、化學藥品使用，並可能對當地生態環境和社區造成破壞（如爭議礦區、水污染）。
     • 能源密集：電池製造過程本身是能源密集型的，如果用於生產的電力主要來自化石燃料，則會產生顯著的碳排放。
   • 車輛製造：相較於傳統燃油車，電動車的生產過程（特別是電池組件）可能需要更多的能源和材料。

2. 電力來源的碳排放：

   • 「燃燒」替代「排放」：電動車的運行是否環保，很大程度上取決於其充電所使用的電力是來自何種能源。