台南運河水質改善的前景(1999-2001)
黃家勤／台南市環盟常務理事
今年三月市府與顧問公司簽訂運河整治規劃設計及監造服務合約之後，運河的整治工作正式啟動，此一整治計劃包括運河本體以及周邊環境的整體改造，涉及層面極廣，工作內容亦相當龐雜，需要各方配合分頭進行。由於水為運河的主體，因此運河整治工作應以水質改善為首要目標，對於這一點市府與一般民眾以及受委託的規劃單位都有一致的共識，至於如何進行水質改善則尚未形成具體方案。二十一世紀都市發展協會於今年六月舉辦了一場運河污染整治專家座談會，就運河污染整治可能面臨的問題以及可行的整治方法進行意見交換，本文就本人在會中所提見解做進一步解說，一方面希望有助於民眾瞭解運河水污染整治工作的內容，同時也希望規劃單位在擬定整治方案過程，對於本文提出的各項問題作深入的探討，期能以最少的成本，達到運河水質改善的目標。
地表水體水質變化涉及複雜的物理、化學及生物化學程序，而水質的好壞亦有各種水質參數加以界定。為求精確，專業人員使用各種數值來描述水質狀況，這些數值不易為非專業人員所瞭解。雖然如此，一般大眾對於水體水質的好壞仍有相當準確的直覺判斷，本文以這樣的直覺判斷為基礎，來說明台南運河的水質現況，以及可行的污染整治方式。
地表水體水質不良有兩種主要的情況，一種為水中溶氧不足，另一種為水體優養化。溶氧所指的是溶解於水中的氧氣，這些氧氣主要來自水面與大氣的氣體交換。魚貝類及其他水生動物都需要從水中攝取氧氣，因此足夠的溶氧是維持水體健全生態必備的條件。
水中溶氧更重要的功用是維持水體的自淨能力。地面水體隨時都承受天然或人為的污染，但透過水體內各種天然的物理、化學以及生物化學程序，這些污染物可以逐漸被去除，使水體恢復乾淨的狀態，此一現象稱為水體的自淨作用。因此，只要污染物排入的速率不高於水體自淨作用的速率，則水體雖然承受污染，水質仍然可以維持在良好狀態。反之，若污染物排入速率超過水體的自淨能力，則水中污染物將逐漸累積，終至產生水質不良的各種負面效應。
水體自淨作用包含眾多的程序，其中最重要者為稀釋、沉澱，以及生物分解。稀釋與沉澱為物理程序，而生物分解則涉及污染物化學組成的改變。家庭廢水含有高濃度的有機物，這些有機物排入水體中逐漸為水中微生物所分解。在水中溶氧充足的情況下，有機物被微生物分解後的產物為水與二氧化碳等，穩定、無色、無味的物質，水體可以逐漸恢復清淨狀態。
由於大氣氧氣進入水中的速率有其極限，若水體含有過量的有機污染物，致其氧氣消耗速率大於補充速率，則水中溶氧將被耗盡，水體呈現厭氧(沒有氧氣)狀態。有機物厭氧分解的產物為有機酸、甲烷、氨、硫化氫等不安定物質或有臭味的氣體，水體會有水色烏黑、發臭、冒泡等現象，如台南運河部分河段呈現的狀況。因此，維持足夠的水中溶氧為水體水質保護最基本的要求。
水體溶氧的維持可以透過污染物排入量的控制或氧氣供應量的提昇來達成，污水截流可以減少有機物排入量，河中設置曝氣設備則可提高溶氧進入速率，達到維持水中足夠溶氧的目的。
家庭廢水中人體的排泄物、廚餘、清潔劑等，除含有大量有機耗氧物質之外，還含有植物生長所需的營養 (主要為氮與磷)，這些物質排入地面水體將造成水中藻類大量生長，此一現象稱為水體的優養化現象，亦即水中營養過剩而造成藻類等水生植物大量生長的現象。優養化一詞譯自英文eutrophication，原意為營養逐漸過剩的過程。因此，優養化的『養』為營養的養，而非氧氣的『氧』。藻類是可以行光合作用的微型植物，這類植物體型微小，大部分需要在顯微鏡下才看得到。在營養及陽光充足的地方，藻類大量繁殖，使水體呈現混濁的綠色、黃綠色或褐色，因此優養水體無法提供清澈、透明等愉快的視覺感受，藻類同時造成令人排拒的腥臭味。優養化對大眾的親水意願造成重大的影響。
優養水體另一特色為水中溶氧的大幅度日夜變化。水中藻類白天行光合作用產生氧氣，使得優養水體日間溶氧量高升，夜間藻類光合作用停止而呼吸作用持續，使得水體溶氧大幅降低。高級魚種無法適應優養水體夜間的低溶氧量環境，因此優養化影響水體生態的健全發展。
防止水體優養化必須將家庭污水收集處理，減少營養鹽排入量。傳統水處理程序以去除有機耗氧物質為主，對於營養鹽的去除效果非常有限。因此，經過污水處理廠處理的污水雖然清澈透明，但排入河中經陽光曝曬仍將造成藻類繁生的優養化現象，因此污水處理廠放流水的排放地點必須慎重考慮。例如安平污水廠放流水若依規劃排入內海，則內海及港區的優養情況將無法獲得改善。
台南運河沒有天然流量，乾季河中以家庭污水為主，因此河水烏黑發臭，經常處於厭氧狀態。夏天雨水較多，雖然河水不致於厭氧發臭，但此時陽光充足，水體嚴重優養，藻類繁生，水呈混濁的黃綠色。改善運河水質之主要目標在防止河水溶氧過低以及水體優養化，治本的方法必須將有機耗氧物質以及營養鹽的排入加以控制。運河沿岸五個污水截流站操作之後，可將大部分家庭廢水截流至安平污水廠處理，污染的情況將得到大幅改善。然而污水截流之後，運河底部污泥所含的有機物將繼續消耗水中溶氧，底泥的營養鹽亦將持續釋出，延續運河的優養化現象。由於問題源自於底泥，因此目前考慮挖除底泥以改善運河水質似乎是理所當然的，然深入探討可以發現，挖泥在改善運河水質的成效上可能遠不如預期，其原因說明如下。
造成水質問題的底泥為位於河床表面，含水量及有機物含量極高的污泥，此層污泥如水一般容易流動，不易清除乾淨，且清出的泥水體積龐大，不但處理費用昂貴且容易發生再次污染。運河部分河段兩年前曾經執行污泥清除，但由拍攝的照片判斷，所清除的都為堅硬的深層泥土而非表層有機污泥，對於污染去除及水質改善的效果不大。由於有機污泥流動性高，任何方法都只能清除一定比例，若外界污染物不再排入，則殘留的污泥分解完畢後，水質即可獲得改善。因此，唯有外界污染源根絕之後，污泥清除才可達到水質改善的目的，否則污染物仍將進入水體並沉積河床，繼續影響水質。運河周圍污水雖已截流，但雨天的雨水逕流仍將挾帶大量污染物進入運河並沉積於河床，抵銷挖泥的效果。
一般觀念認為雨天水流是乾淨的，此一認知並非完全正確。都市地區地面在晴天累積大量污染物，這些污染物在降雨初期被雨水淋洗並沖刷進入河川，因此降雨初期的水流含有高濃度的污染物，其污染程度往往超過家庭廢水。這些污染物流入運河之後，一部分將沉入河床成為底泥。
由於雨水逕流流量很大，截流系統無法加以攔截處理，此一污染來源未經消除，則底泥清除將無法達到水質改善的目標。此外，由於運河河水循環不良，雨水沖下的污染物將在河中長期滯留，造成運河雨季水質不良。
由於暴雨逕流污染伴隨降雨全面發生，其污染控制亦須在市區全面進行才可達到效果。需要執行的工作包括街道清掃、垃圾管理、溝泥清除、車輛排氣控制、初期逕流截流處理以及所有避免雨水與物質接觸的措施，因此暴雨逕流污染控制並非短期內可以達到的標。污水截流之後，運河雖可望不再污黑發臭，但雨季期間仍將因逕流污染導致水質不良，且不論底泥清除與否，逕流污染物將持續沉積，繼續影響運河水質。因此，污水截流後進一步的運河水質改善必須考慮污泥清除以外的方式。雖然河中曝氣可以提高水中溶氧，但曝氣無法解決優養化問題，曝氣造成的攪動甚至會加重河水的優養化狀況。
以人工方法促進運河河水循環，可以迅速帶離底泥所釋出以及雨水逕流帶入的污染物，防止因污染物長期滯留造成的底層河水缺氧以及河水優養化等負面效應。雖然抽取海水進入稀釋可以達成此一目標，但此一方式必須支付巨額的工程費用以及長期的電費支出。
使用單向閘門可以利用海水潮汐促成河水循環。閘門分設於運河兩端，其中一端閘門只允許漲潮時海水進入，另一端閘門則只允許退潮時河水流出，藉由潮汐漲落可以造成運河的單向循環。其設備簡單，操作上亦非常容易。根據實地觀察，漲潮時海水可向運河推進約一公里，設置單向閘門則每天兩個潮汐週期，河水可推進約兩公里，總長八公里的運河，河水約每四天可置換一次。考慮運河部分河段寬度及水深較大等因素做保守估計，則運河河水每星期至少可以有一個循環。此一方案在先前的運河水質整治規劃中曾被提到，評估結果認為，單獨使用無法達到預定的水質目標。但截流系統操作之後運河水質已得到大幅改善，設置單向閘門進一步改善運河水質的構想值得市府及規劃單位重新加以評估。
污水截流為運河水質改善最重要的工作，此項工作已經完成，而進一步的改善水質方案是否需要以及效果如何，則有待探究。由於下水道雨天溢流等因素，底泥挖除能否達到運河水質改善效果仍有疑問，市府在投入巨額經費進行底泥清除之前，有必要對其效果詳加評估。而促進河水循環的方式所費極少，無論做為單獨的水質善方案或配合其他方案實施都值得加以考慮。
我們期待運河整治之後可以提供台南市民高品質的親水環境，然雨水逕流對於運河水質的影響是個不容忽視的問題。整治後的運河預期將與台灣絕大多數水體一樣，呈現相當程度的優養化，河水將帶有濁度與顏色，甚至藻類的臭味。而每次降雨之後河水將有數天時間水質不良，夏季午後陣雨產生的高溫逕流與挾帶的大量有機耗氧物質，會在短時間內耗盡水中溶氧，常會造成魚群集體死亡。事先瞭解這些限制因素，則運河水上活動及親水設施的規劃更能符合實際。
地表水體水質變化涉及複雜的物理、化學及生物化學程序，而水質的好壞亦有各種水質參數加以界定。為求精確，專業人員使用各種數值來描述水質狀況，這些數值不易為非專業人員所瞭解。雖然如此，一般大眾對於水體水質的好壞仍有相當準確的直覺判斷，本文以這樣的直覺判斷為基礎，來說明台南運河的水質現況，以及可行的污染整治方式。
地表水體水質不良有兩種主要的情況，一種為水中溶氧不足，另一種為水體優養化。溶氧所指的是溶解於水中的氧氣，這些氧氣主要來自水面與大氣的氣體交換。魚貝類及其他水生動物都需要從水中攝取氧氣，因此足夠的溶氧是維持水體健全生態必備的條件。
水中溶氧更重要的功用是維持水體的自淨能力。地面水體隨時都承受天然或人為的污染，但透過水體內各種天然的物理、化學以及生物化學程序，這些污染物可以逐漸被去除，使水體恢復乾淨的狀態，此一現象稱為水體的自淨作用。因此，只要污染物排入的速率不高於水體自淨作用的速率，則水體雖然承受污染，水質仍然可以維持在良好狀態。反之，若污染物排入速率超過水體的自淨能力，則水中污染物將逐漸累積，終至產生水質不良的各種負面效應。
水體自淨作用包含眾多的程序，其中最重要者為稀釋、沉澱，以及生物分解。稀釋與沉澱為物理程序，而生物分解則涉及污染物化學組成的改變。家庭廢水含有高濃度的有機物，這些有機物排入水體中逐漸為水中微生物所分解。在水中溶氧充足的情況下，有機物被微生物分解後的產物為水與二氧化碳等，穩定、無色、無味的物質，水體可以逐漸恢復清淨狀態。
由於大氣氧氣進入水中的速率有其極限，若水體含有過量的有機污染物，致其氧氣消耗速率大於補充速率，則水中溶氧將被耗盡，水體呈現厭氧(沒有氧氣)狀態。有機物厭氧分解的產物為有機酸、甲烷、氨、硫化氫等不安定物質或有臭味的氣體，水體會有水色烏黑、發臭、冒泡等現象，如台南運河部分河段呈現的狀況。因此，維持足夠的水中溶氧為水體水質保護最基本的要求。
水體溶氧的維持可以透過污染物排入量的控制或氧氣供應量的提昇來達成，污水截流可以減少有機物排入量，河中設置曝氣設備則可提高溶氧進入速率，達到維持水中足夠溶氧的目的。
家庭廢水中人體的排泄物、廚餘、清潔劑等，除含有大量有機耗氧物質之外，還含有植物生長所需的營養 (主要為氮與磷)，這些物質排入地面水體將造成水中藻類大量生長，此一現象稱為水體的優養化現象，亦即水中營養過剩而造成藻類等水生植物大量生長的現象。優養化一詞譯自英文eutrophication，原意為營養逐漸過剩的過程。因此，優養化的『養』為營養的養，而非氧氣的『氧』。藻類是可以行光合作用的微型植物，這類植物體型微小，大部分需要在顯微鏡下才看得到。在營養及陽光充足的地方，藻類大量繁殖，使水體呈現混濁的綠色、黃綠色或褐色，因此優養水體無法提供清澈、透明等愉快的視覺感受，藻類同時造成令人排拒的腥臭味。優養化對大眾的親水意願造成重大的影響。
優養水體另一特色為水中溶氧的大幅度日夜變化。水中藻類白天行光合作用產生氧氣，使得優養水體日間溶氧量高升，夜間藻類光合作用停止而呼吸作用持續，使得水體溶氧大幅降低。高級魚種無法適應優養水體夜間的低溶氧量環境，因此優養化影響水體生態的健全發展。
防止水體優養化必須將家庭污水收集處理，減少營養鹽排入量。傳統水處理程序以去除有機耗氧物質為主，對於營養鹽的去除效果非常有限。因此，經過污水處理廠處理的污水雖然清澈透明，但排入河中經陽光曝曬仍將造成藻類繁生的優養化現象，因此污水處理廠放流水的排放地點必須慎重考慮。例如安平污水廠放流水若依規劃排入內海，則內海及港區的優養情況將無法獲得改善。
台南運河沒有天然流量，乾季河中以家庭污水為主，因此河水烏黑發臭，經常處於厭氧狀態。夏天雨水較多，雖然河水不致於厭氧發臭，但此時陽光充足，水體嚴重優養，藻類繁生，水呈混濁的黃綠色。改善運河水質之主要目標在防止河水溶氧過低以及水體優養化，治本的方法必須將有機耗氧物質以及營養鹽的排入加以控制。運河沿岸五個污水截流站操作之後，可將大部分家庭廢水截流至安平污水廠處理，污染的情況將得到大幅改善。然而污水截流之後，運河底部污泥所含的有機物將繼續消耗水中溶氧，底泥的營養鹽亦將持續釋出，延續運河的優養化現象。由於問題源自於底泥，因此目前考慮挖除底泥以改善運河水質似乎是理所當然的，然深入探討可以發現，挖泥在改善運河水質的成效上可能遠不如預期，其原因說明如下。
造成水質問題的底泥為位於河床表面，含水量及有機物含量極高的污泥，此層污泥如水一般容易流動，不易清除乾淨，且清出的泥水體積龐大，不但處理費用昂貴且容易發生再次污染。運河部分河段兩年前曾經執行污泥清除，但由拍攝的照片判斷，所清除的都為堅硬的深層泥土而非表層有機污泥，對於污染去除及水質改善的效果不大。由於有機污泥流動性高，任何方法都只能清除一定比例，若外界污染物不再排入，則殘留的污泥分解完畢後，水質即可獲得改善。因此，唯有外界污染源根絕之後，污泥清除才可達到水質改善的目的，否則污染物仍將進入水體並沉積河床，繼續影響水質。運河周圍污水雖已截流，但雨天的雨水逕流仍將挾帶大量污染物進入運河並沉積於河床，抵銷挖泥的效果。
一般觀念認為雨天水流是乾淨的，此一認知並非完全正確。都市地區地面在晴天累積大量污染物，這些污染物在降雨初期被雨水淋洗並沖刷進入河川，因此降雨初期的水流含有高濃度的污染物，其污染程度往往超過家庭廢水。這些污染物流入運河之後，一部分將沉入河床成為底泥。
由於雨水逕流流量很大，截流系統無法加以攔截處理，此一污染來源未經消除，則底泥清除將無法達到水質改善的目標。此外，由於運河河水循環不良，雨水沖下的污染物將在河中長期滯留，造成運河雨季水質不良。
由於暴雨逕流污染伴隨降雨全面發生，其污染控制亦須在市區全面進行才可達到效果。需要執行的工作包括街道清掃、垃圾管理、溝泥清除、車輛排氣控制、初期逕流截流處理以及所有避免雨水與物質接觸的措施，因此暴雨逕流污染控制並非短期內可以達到的標。污水截流之後，運河雖可望不再污黑發臭，但雨季期間仍將因逕流污染導致水質不良，且不論底泥清除與否，逕流污染物將持續沉積，繼續影響運河水質。因此，污水截流後進一步的運河水質改善必須考慮污泥清除以外的方式。雖然河中曝氣可以提高水中溶氧，但曝氣無法解決優養化問題，曝氣造成的攪動甚至會加重河水的優養化狀況。
以人工方法促進運河河水循環，可以迅速帶離底泥所釋出以及雨水逕流帶入的污染物，防止因污染物長期滯留造成的底層河水缺氧以及河水優養化等負面效應。雖然抽取海水進入稀釋可以達成此一目標，但此一方式必須支付巨額的工程費用以及長期的電費支出。
使用單向閘門可以利用海水潮汐促成河水循環。閘門分設於運河兩端，其中一端閘門只允許漲潮時海水進入，另一端閘門則只允許退潮時河水流出，藉由潮汐漲落可以造成運河的單向循環。其設備簡單，操作上亦非常容易。根據實地觀察，漲潮時海水可向運河推進約一公里，設置單向閘門則每天兩個潮汐週期，河水可推進約兩公里，總長八公里的運河，河水約每四天可置換一次。考慮運河部分河段寬度及水深較大等因素做保守估計，則運河河水每星期至少可以有一個循環。此一方案在先前的運河水質整治規劃中曾被提到，評估結果認為，單獨使用無法達到預定的水質目標。但截流系統操作之後運河水質已得到大幅改善，設置單向閘門進一步改善運河水質的構想值得市府及規劃單位重新加以評估。
污水截流為運河水質改善最重要的工作，此項工作已經完成，而進一步的改善水質方案是否需要以及效果如何，則有待探究。由於下水道雨天溢流等因素，底泥挖除能否達到運河水質改善效果仍有疑問，市府在投入巨額經費進行底泥清除之前，有必要對其效果詳加評估。而促進河水循環的方式所費極少，無論做為單獨的水質善方案或配合其他方案實施都值得加以考慮。
我們期待運河整治之後可以提供台南市民高品質的親水環境，然雨水逕流對於運河水質的影響是個不容忽視的問題。整治後的運河預期將與台灣絕大多數水體一樣，呈現相當程度的優養化，河水將帶有濁度與顏色，甚至藻類的臭味。而每次降雨之後河水將有數天時間水質不良，夏季午後陣雨產生的高溫逕流與挾帶的大量有機耗氧物質，會在短時間內耗盡水中溶氧，常會造成魚群集體死亡。事先瞭解這些限制因素，則運河水上活動及親水設施的規劃更能符合實際。
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