oldsue2008: 10/6：科學PISA研究社～地層下陷

【科學PISA研究社】10/6課程內容：地層下陷

問題一：地層為麼會下陷？

地層下陷的主要原因可大致歸納為下列幾種：

(一)地下水超抽－－承載應力減小，導致地盤沉陷。

(二)地下水水位下降－－承載負荷增加，造成土壤壓密。

(三)地面構造物－－由於高樓的建造，引起承載負荷的增加。

(四)地震－－砂性土壤因地震而引起沉陷。

(五)深基礎開挖及採礦－－引起地盤移動，而導致地層，下陷。

(六)淺覆蓋開挖－－隧道、涵洞、管線設施所作的淺覆蓋開挖等。

(七)地盤本身之上升或下沉現象。

第1類：自然現象

一般的地層下陷可以說是自然現象，從河流所沖積下來的沙石所構成的沖積平原，當沙石的顆粒愈小，壓實的程度就愈明顯，這是屬於自然的地層下陷。當外力的作用，例如車子震動，施工震動，建築物的重量等，都會壓密地層，這是第二種無法避免的地層下陷。

第2類：人為的破壞

超抽地下水也會造成地層下陷，這就是屬於人為的破壞了。由於土壤間原本會存在著一些地下水分，這些水分子會有水壓力，因此會撐住土壤，當我們超抽地下水時，土壤顆粒間的水分不見了，只剩下空氣。而空氣很容易被擠出去，這時候就會造成土壤收縮，也就是我們在地表所看到的地層下陷了。

問題二：何謂地下水？

一般地下水的定義有二種，就廣義而言，凡是屬於地面以下的水分均稱為地下水；

另就狹義而言，只要地層水達到飽和的水分即稱為地下水。

在學術及資源應用上均採用狹義的定義。

地下水存在的型式可分為二大類（如圖片）：

1.自由地下水：
為地下水面與不透水層之間的飽和帶地下水，其水面可自由起伏，而位於該自由含水層上取水的水井稱為「淺井」、「自由水井」等。

2.受壓地下水：
居於上、下二層不透水層之間的含水層內所含的水，若鑿井取水至該含水層，則水面可上升到與補注源頭一樣高。在受壓含水層上取水的水井通常稱為「深井」、「受壓井」等。

問題三：地下水抽取對環境造成的負面影響？

地下水是存在於土壤顆粒間的孔隙中，在飽和含水層中土壤固體顆粒與孔隙水體共同承擔土壤荷重及外加應力，其中，固體顆粒承受的應力稱為「有效應力」(effective stress)，孔隙水體則以水壓力承受。

當大量抽取地下水，補注水源來不及補充，使地下水水位長期處於下降趨勢時，由於孔隙水壓力減少，其原來由孔隙水體承受的應力轉嫁至固體顆粒承受，即造成土體的有效應力增加，此現象促成個別固體顆粒扭曲或破碎，以及因滑動或滾動而引起顆粒間的相對運動並趨向緊密排列，減少土壤孔隙，發生壓密作用(consolidation)，進而在地表面產生下陷的現象，我們稱為「地層下陷」。

另於沿海地區，當地下水被抽取過多，上游的地下水來不及補充，淡水壓力面小於海水面時，就造成了「海水入侵」的現象。

然而，若強制不抽取地下水，使得地下水水位逐步升高，即孔隙水壓力相對地增加情況下，此時在飽和非黏性土體〈通常大部分為砂土層〉，一旦承受動態荷重〈如：地震力、機器振動力或爆炸等〉作用下，土體會產生超額孔隙水壓力，使有效應力衰減，當土體內的有效應力歸零時，則完全喪失抵抗變形能力，而產生流動的現象，我們稱為「土壤液化」。

故地下水必須適度的抽取。當過度抽取造成地層下陷、海水入侵時，對自然生態環境與人類生活品質均會帶來相當程度的衝擊，並會引致地下水資源涵蓄能力降低、地勢低窪易生洪水氾濫或溢淹、建築物、工程結構物與維生系統設施損壞、環境生態之轉變，以及地下水與土壤鹹化等災害。

另地下水水位若過高，且有動力造成土壤液化時，則會造成其上的結構物承載力不足及該土層的永久變形沈陷等災害。

問題四：地層下陷會造成什麼影響呢？

(一)地下水資源涵蓄能力降低

地層發生壓密作用，其厚度減少、孔隙率減低，所能涵蓄之地下水水量亦相應減少，造成下陷地區之地下水資源容易耗竭。

(二)地勢低窪易生洪氾溢淹

地層下陷區因為歷史沈陷累積肇致地勢低窪，使原有排水坡度改變，引發排水困難，逢雨易積水不退。沿海地區，因地勢低陷，地面低於海平面，海堤因堤頂高程下降，保護程度降低，故時而引致海水倒灌。

(三)建築物、工程結構物與維生系統設施損壞

地下水位下降導致地層有效應力增加而壓密，地面建物或橋墩、橋台等，因沈陷率增加而致結構損壞，自來水、瓦斯管線等維生管線與下水道則因彎曲壞損而洩漏。

(四)環境生態之轉變

受地層下陷區地勢低窪影響，部分土地因長期積水不退，逐漸發展形成濕地型態。

問題五：台灣地層下陷的現況為何？

各縣市101年度最新下陷情勢：

(1)全台持續下陷面積286.47平方公里
(年平均下陷速率超過3公分之面積)

(2)持續下陷面積最嚴重之地區：雲林縣

(3)下陷速率最快之地區：雲林縣(虎尾鎮)

(4)累積最大下陷量之地區：屏東縣

問題六：超抽地下水，地層下陷是否有救？

「超抽地下水造成土地下陷，是永不復返的變化。」淡江大學水資源管理與政策研究中心主任虞國興斬釘截鐵地說，即使停止抽用地下水，讓地下水位逐漸趨於穩定，地層沈陷也不會立刻中止。

問題七：防治「地層下陷」的措施？目前有什麼成效？

(1)查封私井減少抽用

(2)分析用量爭取水源

(3)養殖用水改用海水

◎以屏東縣為例：

經過屏東縣府防治下陷措施，下陷範圍已從92年的768平方公里縮小到去年261平方公里，預計到109年將減抽1億噸地下水；另縣府輔導養殖業從過去抽取地下水逐步改為海水飼養、鼓勵種植雜糧降低水稻面積、推動平地造林，對涵養水源都有幫助。

屏東縣近年沿海地下水水位回升，地層下陷已趨緩，101年最大下陷速率是每年1.9公分。屏東縣水利處長謝勝信指出，這幾年縣府嚴格管制地下水，目前全縣合法水井約1萬多口；尤其在莫拉克颱風後，台糖等用水大戶減少抽取地下水，加上當地人意識下陷帶來的危機，都讓下陷區有了重生的機會。屏東縣政府也推動「養水種電」，面積已達43公頃，減少了抽取地下水的機會，下陷問題稍獲緩解。

下圖說明：

沿海地區養殖戶跨堤抽取海水的管線交錯在堤防上，綿延數公里，成了養殖重鎮另類「奇觀」。

問題七：地層下陷和「高鐵」有什麼關係？

中南部地層下陷惡化，引發外界對高鐵安全的疑慮。

高鐵與雲林東西向快速道路交叉點的土庫路段，去年地層下陷高達六點五公分最為嚴重，高鐵希望雲林沿線農民不要抽地下水，水利署計畫封閉1115口井，農民很不服。

◎為何雲林地層下陷問題如此嚴重？

雲林縣長蘇治芬表示，現在農用井多屬於淺水井，對地層下陷影響並不大，影響大的是自來水公司與水利會共八百口的深層水井，並水利會的水資源分配，出現問題。

問題八：臺灣過去到現在的海平面變化？

自1950以來，每個測站的海平面高度在長時間尺度下都處於上升的趨勢。
海平面高度上升最快速的時期皆發生在1970與1990年代。
臺灣週遭測站 (高雄KS、基隆KL) 海平面高度上升率最大值發生於1990年代後期 (超過10公厘/年)，與全球及其他區域性海平面高度變化一致，並在1997-1998年間上升高度速度隨著聖嬰現象而出現下降情形。

◎臺灣近海海平面高度變化與全球海平面高度變化比較：
下表為自1955年後海平面上升速率比較，在1993-2003年間驗潮儀所測得海平面上升速率為5.7公厘/年，略高於衛星所測得的5.3公厘/年，與西太平洋其它區域性海平面上升速率相近，而遠大於全球平均值3.1公厘/年。(1951-2009)