108 年 國立臺灣大學生物環境系統工程學系碩士班乙組《生態工程》

本題主要探討「韌性都市」的觀念及其在都市水循環與洪水管理上的應用。

核心觀念： 韌性都市（Resilient City）是指一個城市能夠在面對各種衝擊（如氣候變遷、自然災害、經濟衰退、社會動盪等）時，有效預防、應對、恢復並適應，維持其基本功能與結構。其核心在於「彈性」、「適應性」與「恢復力」。

詳解：

1. 韌性都市的定義：
   韌性都市是一種城市發展的理念與策略，強調城市系統（包括基礎設施、社會網絡、經濟體系、生態環境等）在面對外部衝擊或壓力時，能夠吸收、適應、抵抗並快速恢復其原有的功能與結構，甚至在衝擊後能變得更加強韌。它不只是強調風險的「降低」，更側重於衝擊發生時的「應變」與「恢復」能力。

2. 都市水循環與洪水管理在韌性都市架構下的應用：
   在韌性都市的架構下，都市水循環與洪水管理不再僅是傳統的「工程防洪」（如築高堤防、擴大排水管網），而是更強調系統性的、多層次的、整合性的解決方案。

   • 可能的應用方式與做法：

     • 整合性水管理（Integrated Water Management, IWM）：
       • 概念： 將都市的水資源、排水、污水、雨水、水質、生態等各面向進行統籌規劃與管理，打破過去各自為政的局面。
       • 應用： 採用「綠色基礎設施」（Green Infrastructure, GI）與「灰色基礎設施」（Grey Infrastructure, GI）相結合的策略。
         • 綠色基礎設施： 例如透水鋪面、綠屋頂、生態滯洪池（兼具景觀、淨水功能）、雨水花園、都市林、濕地等。這些設施能增加雨水的滲、滯、留、淨，減緩地表逕流，降低洪水瞬間流量，並有助於地下水涵養與水質改善。
         • 灰色基礎設施： 傳統的排水管渠、抽水站等，但會針對其設計標準進行評估，使其能因應更極端降雨事件，並與綠色基礎設施協同運作。
       • 說明： 透過多樣化的設施組合，建立一個能夠分散風險、多管齊下的水管理系統。即使某一部分設施失效，其他設施仍能發揮作用，維持城市的基本運行。

本題主要探討在都會公園規劃中，如何透過植栽綠化來提升生物多樣性。

核心觀念： 生物多樣性（Biodiversity）是指地球上生命的多樣性，包括物種多樣性、遺傳多樣性與生態系多樣性。在都市環境中，生物多樣性往往受到嚴重威脅，因此都會公園的規劃成為提升生物多樣性的重要場域。

詳解：

進行都會公園植栽綠化的規劃，以提升生物多樣性，應遵循以下原則：

1. 營造多樣化的棲地結構（Habitat Heterogeneity）：

   • 原則： 避免單一樹種、單一層次的綠化，而是要創造具有不同高度、不同密度、不同類型的植被空間。
   • 應用：
     • 垂直結構： 規劃喬木層、灌木層、草本層、地被層等不同高度的植被，模仿自然森林的結構，為不同類型的動物（如鳥類、昆蟲、小型哺乳動物）提供棲息、覓食、繁殖的場所。
     • 水平結構： 設置疏林、密林、草生地、水域、裸露地（如沙地、岩石區）等不同環境，滿足不同物種的需求。例如，留設一些枯木或堆積落葉，為昆蟲和兩棲爬蟲類提供棲所。
   • 目的： 增加可供利用的生態位（Niche），吸引更多不同生態習性的物種進駐。

2. 選用本土化、多樣化的植物種類（Native and Diverse Plant Species）：

   • 原則： 優先選用原產於本地、適應當地氣候與土壤條件的植物。
   • 應用：
     • 多樣性： 選擇多樣的開花結果植物（如不同季節開花、結果的樹種），為傳粉者（如蜜蜂、蝴蝶）和鳥類提供持續的食物來源。
     • 生態連結： 選擇能支持特定昆蟲（如特定蝴蝶的食草）或鳥類（如提供堅果、漿果）的植物。
     • 避免外來入侵種： 嚴格篩選，避免種植具有高度擴散能力、可能威脅本地生態的植物。
   • 目的： 建立穩固的食物鏈與生態網絡，減少對外部資源的依賴，並支持本地特有種的生存。

本題探討「綜合治水」策略下，用於降低開發區暴雨逕流的具體措施。

核心觀念： 綜合治水（Integrated Flood Management）是一種結合了工程與非工程手段、上游與下游、土地利用與水資源管理、防洪與環境生態等多面向考量的治水理念。其目標是透過多種措施的組合，達到更有效、更永續的防洪效果。降低開發區暴雨逕流是綜合治水的重要一環，旨在從源頭減少進入排水系統的水量。

詳解：

「綜合治水」策略下，有效降低開發區暴雨逕流的措施，主要可分為「源頭減量」與「分流減洪」兩大方向。以下列舉兩項措施：

1. 低衝擊開發（Low Impact Development, LID）技術的應用：
   • 說明： LID 是一種環境友善的都市開發與雨水管理方式，強調模仿自然水文循環，在開發過程中盡量減少對土地的擾動，並就地處理雨水。其核心理念是「源頭減量」與「分散處理」。
   • 具體措施範例（屬於 LID 的一部分）：
     • 透水鋪面（Permeable Pavement）： 在停車場、人行道、庭院等區域使用透水性材料（如透水磚、透水混凝土、瀝青透水混凝土），讓雨水能直接滲入地下，減少地表逕流。
     • 綠屋頂（Green Roof）： 在建築物屋頂種植植被，屋頂上的土壤和植物能夠吸收、滯留雨水，蒸發散失一部分，延緩並減少雨水進入排水系統的量。
     • 雨水花園（Rain Garden）： 在低窪處設計具有滲透性的花園，收集周圍區域的雨水，透過植物吸收與土壤滲漏，達到淨化與減量的效果。

本題延續上一題，要求針對提出的兩項降低開發區暴雨逕流的措施（LID 技術與雨水貯留設施），各提出兩項「生態工程」的具體建設，並說明其原因。

核心觀念： 生態工程（Ecological Engineering）是一種將生態學原理與工程技術相結合的學科，旨在設計、建造和管理能夠在環境中發揮生態功能的人工或半人工生態系統。其核心是利用自然過程來解決環境問題，並同時追求環境效益、社會效益與經濟效益。

詳解：

上一題提出的兩項降低開發區暴雨逕流的措施是：
A. 低衝擊開發（LID）技術的應用
B. 設置雨水貯留與利用設施

以下針對這兩項措施，各提出兩項合適的「生態工程」建設，並說明原因：

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針對措施 A：低衝擊開發（LID）技術的應用

生態工程建設：

1. 生態滯洪池/濕地（Ecological Detention Ponds/Wetlands）：

   • 建設內容： 在開發區內適當區域，設計具有緩坡、植被覆蓋、多樣化水深與底質的滯洪空間，模擬或建構成人工濕地。
   • 應用於 LID： LID 強調就地處理，生態滯洪池/濕地可作為集水區雨水匯流的節點，提供大量的滯洪空間，減緩洪峰。同時，其植被和水體能有效進行水質淨化，並提供生物棲息地。
   • 原因說明：
     • 生態效益： 透過多樣化的植被（挺水、浮葉、沉水植物）和水體環境，可吸引多樣的鳥類、兩棲爬蟲類、昆蟲（如蜻蜓、蝴蝶）及水生生物，顯著提升區域生物多樣性。
     • 水質淨化： 濕地中的植物根系、微生物及物理沉澱作用，能有效去除雨水中攜帶的懸浮物、氮、磷等污染物，改善出流水質，達到「生態淨化」的效果。
     • 滯洪減洪： 相較於傳統的混凝土滯洪池，生態滯洪池的緩坡與植被能減緩水流速度，增加滲漏，並能緩慢釋放，有效降低瞬間洪峰流量，達到減洪目的。
     • 景觀與遊憩： 良好的生態滯洪池/濕地可成為公園綠地的一部分，提供生態教育與遊憩價值。

2. 植被緩衝帶/植草溝（Vegetated Buffer Strips/Swales）：

   • 建設內容： 在停車場邊緣、建築物周邊、道路側邊等區域，設置寬度足夠、植被生長良好的緩衝帶或連續的植草溝系統。
   • 應用於 LID： LID 強調利用植被的滲、滯、淨功能。植被緩衝帶與植草溝能有效攔截、吸收、過濾來自硬鋪面（如屋頂、道路、停車場）的逕流。
   • 原因說明：
     • 逕流減量與延緩： 植被與土壤能吸收一部分雨水，植物的攔截作用減緩水流速度，整體上延緩了逕流抵達排水系統的時間，降低了洪峰。
     • 污染物去除： 植被的攔截、吸附作用，以及土壤的滲濾，能有效去除雨水中夾帶的泥沙、油污、重金屬等污染物，達到「生態淨化」的效果。
     • 生態廊道： 這些綠色帶狀設施，特別是較寬的緩衝帶，可作為小型野生動物（如昆蟲、小型哺乳動物）的遷徙通道，增加棲地的連結性。

本題要求針對滯洪池的規劃設計，列舉三項，並說明其應用目的與原理，可輔以圖或數學式。

核心觀念： 滯洪池（Detention Basin/Pond）是為減緩洪水、降低下游河道水位而設計的人工水體。其規劃設計需兼顧防洪功能與附加的生態、環境、社會效益。人工濕地（Constructed Wetland）是另一種生態工程設施，常與滯洪池結合，以提升水質淨化與生態功能。本題將滯洪池視為「人工濕地」，強調其多功能性。

詳解：

滯洪池的規劃設計，除了基本的水力學計算（如容積、進出流速率）外，更需考量其多樣化的功能。以下列舉三項主要規劃設計，並說明其目的與原理：

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規劃設計一：多層次坡度與植被設計（Multi-level Slopes and Vegetation Design）

• 目的：

  1. 水質淨化與生態棲地營造： 透過不同深度的水域和多樣化的植被，模擬自然濕地的生態淨化功能，並提供多樣的棲地。
  2. 減緩水流與降低侵蝕： 緩坡植被能減緩進入池中的水流速度，減少池底與池壁的沖刷侵蝕。
  3. 景觀與遊憩： 營造豐富的視覺景觀，提升親水性與休憩價值。

• 原理：

  • 水質淨化：
    • 淺水區/濕地區（Emergent/Shallow Zones）： 設置較淺的水域，種植挺水性、浮葉性植物。這些區域的水流速度最慢，有助於懸浮物的沉澱（沉砂）。植物根系及附著的微生物能吸收水中的氮、磷等營養鹽，進行生物降解。
    • 中深水區（Submerged/Deep Zones）： 設置較深的水域，種植沉水性植物，或維持較大的水體面積。這有助於更多的水體與底泥接觸，微生物活動更廣泛，並能提供水生生物（如魚類、無脊椎動物）的棲地。
    • 沉砂區： 在進水口附近設計較寬闊、水流緩和的區域，利用重力沉降作用，將雨水中夾帶的大顆粒泥沙沉澱下來，保護下游設施，也便於後續清淤。
  • 生態棲地： 不同水深、不同植被類型（如水邊的蘆葦、水中的藻類、水面的浮萍）能吸引不同生態習性的生物，如鳥類、兩棲爬蟲類、昆蟲、魚類、底棲無脊椎動物等，形成食物網。
  • 水力學原理： 緩坡設計（例如 1:3 至 1:6 的坡度）能增加滯洪池的表面積，降低平均水深，並有利於植物生長，水流通過時受到的阻力增加，進而減緩流速。
    • 數學概念： 曼寧公式（Manning's Equation）可用於估算流速：
      $v = \frac{1}{n} R^{\frac{2}{3}} S^{\frac{1}{2}}$
      其中 $v$ 為流速，$n$ 為曼寧粗糙係數（植被會增加 $n$ 值，降低流速），$R$ 為水力半徑，$S$ 為坡度。緩坡設計意味著 $S$ 值較小，植被則影響 $n$ 值。

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規劃設計二：生態進出水口與導流結構（Ecological Inlets/Outlets and Flow Guidance Structures）

• 目的：

  1. 有效引導水流與控制水位： 確保雨水能順暢進入滯洪池，並在排放時能被有效控制。
  2. 減少對生態的衝擊： 避免傳統工程化的進出水口對周邊生態造成的衝擊，例如利用生態工法。
  3. 分級排放與水質緩衝： 設計分級的溢流結構，在水位不高時優先利用生態淨化，水位高時才進行強制排放。

• 原理：

  • 生態進水口：
    • 設計： 採用緩坡、植被化的進流渠道，或設置生態格框（如木樁、石籠、植被網格）來減緩水流衝擊，並提供生物棲息點。
    • 原理： 減少水流直衝造成的底質擾動與侵蝕，並利用這些結構的表面積，附著微生物，進行初步的水質淨化。
  • 生態出水口：