2012年5月14日 星期一

因應氣候變遷,創造海綿城市

 圖說:海綿城市示意圖:左側為大雨時,雨水全面進入城市之下,期以治洪儲水。右側為晴日,大面積水汽蒸發,冷卻都市,期以節能減碳。城市之下,則因為空氣與水流通,生命蓬勃發展,創造出地下濕地生態系統,稀釋與過濾污染物質,並捕捉汽機車排放二氧化碳,提供生態系統所需之無機碳。
 作者:柳中明
1、 陳瑞文2、陳起鳳3、劉銘龍4、陳明烈5、陳瑞成2、蕭香娟2 、陳世勳2 、陳庭豪2 (註)

(一) 問題與根絕理念

 本文提出打開水泥城市的氣孔,創造海綿城市,並提出建設所需工法之條件,且分別以建城3000年與200年的北京市與台北市為例,示範海綿城市的效益。海綿城市的構想,提供了人類未來永續的夢想,但一切起頭難,需要各界由建設海綿社區、海綿工業區著手,進行相關實驗,以強化本文所提出的效益,並進一步推廣建設海綿城市。

城市阻絕地球與大自然相接觸

 依據聯合國預估,現今人口已超過70億,其中約50%集中在城市,到2025年時,城市人口將再增加10億;那麼到2050年,若全球人口增加到90億,可能就約有至少70%集中在城市。城市不僅將持續成為政治與經濟中心,更會是災難損失的問題中心。


 依據IPCC在2012年就極端氣象災難的未來評估,指出全球破紀錄豪雨、乾旱、熱浪等將不斷出現,而在已開發國家則主要造成財產損失,但在人口增加快速的開發中與未開發國家則主要造成許多人員傷亡。所以,未來的城市災難損失將愈趨惡化。

 長期以來,各種城市改善策略,已被許多專家學者提出與測試過。但均無法根本解決城市建設的問題,那就是人口聚集的城市,建築與道路必定阻絕水與生態,成為與大自然相隔絕的人工環境。就好像人體皮膚被塗上油漆,皮膚就會壞死,人類住在壞死的地球表面,災難問題當然是頻繁發生。所以,豪雨時洪水迅速累積在道路上,淹水災難無法遏止;乾旱時,則城市成為水資源最缺乏的地區;熱浪,則高溫聚集,促發老弱者熱衰竭與耗電增長。

 人類要改善未來城市問題愈趨惡化的趨勢,就必須根絕城市是建築在壞死皮膚之上的問題。

根絕問題,創造海綿城市

 本文主張創造「海綿城市」,改變城市為一個活的生命體。

 「海綿城市」一詞,或許曾在某些小說創作中出現,但在學術研究領域,乃以澳洲人口研究學者(Budge, 2006)所提出的意涵為最明確,其乃指城市像海綿般將郊區人口集中吸附,而至偏遠鄉村人口持續減少,同時城市面積不斷擴大。再者,城市的發展會導致建築密集、道路疊架、車輛集中、污染累積,以及電力、油料、食物、水、廢棄物、廢水等各類物質匯集消耗或被創造。因此,海綿城市一詞也有學者意指城市問題的惡化趨勢。

 本文主張將「海綿城市」的虛擬觀點,轉變為事實,也就是讓人造城市,轉變為能夠吸存水、過濾空氣、過濾污染物質的超級大海綿,達到降溫、防洪、抗旱、捕碳等效益,根本解決人造城市阻絕水與生態的問題,邁向真正的生態與低碳城市。當然,這不是簡單的工作,許多大城市都已經歷數十年、數百年或是數千年的形成過程,實在不容易在短期內出現大變化。但是,未來全球古老城市的改造,將會是最為重要,因為這些城市仍將是未來人口持續增加累積的地區。

 要建立「海綿城市」,關鍵在將整個城市的地表改變為會呼吸的鋪面,也就是水與空氣可以穿透,如同人體皮膚的氣孔被打開,如此地表之下就會出現生命,而只有當水泥城市不再阻絕地球與大自然相接觸時,人類與地球環境系統就能夠共生互助,城市災難才可能減緩。

 具備生命機制的海綿城市,是不能依賴任何耗能的機械動力裝置,而必須是取大自然的水、空氣、土壤與人類排放的污染物及二氧化碳等為營養物,自動自發地在大雨時儲水、在大旱時釋出水汽、降溫與供水,就像人人熟悉的海綿。但是,最重要的是這個超級大海綿內存在著生態系統,能夠吸存污染物並將之分解轉化為生態系統所需的營業物質與有機體。

(二) 塑造條件

高承載高透水鋪面

 長期以來,城市規劃者都知道要增加綠地、生態空間,也知道城市需要地上與地下滯洪池、排洪與污水處理系統、及雨水回收再利用系統,並強調要建造綠建築、生態城市、建康城市、低碳城市等,更提出如低度衝擊開發(low impact development)、水敏感城市設計(water-sensitive urban design)等策略。但是,城市寸土寸金,有限的綠地、滯洪池等,並無法根本解決城市有效阻絕地球與大自然相接觸的問題。低度衝擊開發策略就主張以減少有效不透水面積為重點,但要真正創造海綿城市,則更需全面將不透水的人工鋪面改變為有效的透水鋪面,才可能在大雨時,城市地表如人體皮膚氣孔全面打開,暢快地吸存豪雨,再於大熱天釋出水汽、降低氣溫。

 要創造海綿城市,城市內的所有鋪面,需改變為高承載高透水鋪面,其必須具備以下必要條件:(1)高承載,鋪面的抗壓強度必須達到高運量的道路標準,也即能讓大卡車、重坦克等通行。(2)高透水,必須在各地破記錄降雨出現時,表面逕流量趨近於零,也即雨水直接穿透路面。(3)高儲水,鋪面之下設置相當厚度的碎石層,以儲存雨水,供平日與不時之需,也即是具備海綿功能。(4)創造鋪面下濕地,當鋪面之下的土壤能夠接觸到水與空氣時,生態系統就會自然發展,在鋪面之下形成濕地,也即是海綿中存在活的生命體。(5)平價,無論是造價與長期維護,都必須是平價,如此才可推廣到開發中及未開發國家。(6)永續性,鋪面的各種特性必須每年檢驗,確認不變,如平整、無裂痕、高承載、高透水、高儲水、地下濕地等。也因為如此,長期可以節省鋪面更換或修護所會浪費的資源與經費。

 值得強調的是:大幅鋪設高承載高透水鋪面,根本不需要任何耗能機械動力裝備,地表氣孔是自動打開,水與空氣在鋪面上下自由流動,就好像活的皮膚氣孔全面打開,城市就再也不是存在於壞死的皮膚之上。

 全球唯一符合本文提出之六點必要條件的高承載高透水鋪面,是採用JW生態工法所鋪設(陳等,2011) ,且已有相當時日的實驗證明成果。本文以下乃假設全球全面接受此新工法技術時,人類所居住的水泥城市會被改變為怎麼樣的世界?

 以上的討論強調改變人工鋪面,那麼面積龐大的建築屋頂,是否也該改變?原則上,屋頂雨水回收系統與綠屋頂鋪設,乃是現代綠建築的主要趨勢,但其並無法改變建築阻絕地球與大自然相接觸的事實。同時,屋頂雨水儲存承重有限,且綠色植物在屋頂需要供水與防範強風破壞。本文強調要讓開發中與低度開發國家的城市,也能改變為海綿城市,低建造成本與低維護經費的考量,非常重要。所以,強化屋頂雨水回收系統與綠屋頂建設等,是需要的,但非是必要的。

(三) 未來北京

北京市

 以下乃以建都三千年的北京為例,介紹海綿城市的優勢。

 中國北京市總面積16,410平方公里,扣除農業地10,959平方公里與未利用地2,073平方公里,建設用地面積為3,377平方公里,應屬綠地面積相當大的城市。北京市在2008年舉辦奧運,當時已將該城市改造為非常現代先進的城市。但是,2011年6月23日的一場大雷雨,雷雨強度達到每小時128公釐,多處地點日降雨量超過100公釐,超過排水系統的處理能力,即是每小時降雨量36到45公釐,結果是道路變成河川,配合下班高峰,大淹水也同時造成交通大癱瘓。顯示,人口密集的北京,綠地多在外圍,建築與道路建設密集,透水與排水不順,無法快速處理大豪雨的積水。

 假設北京市內超過6千萬平方公尺面積的道路,均鋪設高承載高透水鋪面,其最大優勢是省去兩側排水溝,雨水直接進入碎石層。譬如每一平米有100個孔洞排水,則62.7百萬平方公尺面積的道路表面有約62.7億個孔洞在排水,不僅不會有表面徑流,且不會出現阻塞不通現象。此外,假設道路下方設計儲存10cm厚度雨水,則每次大雨,約可儲存6.27百萬噸的水,其乃超過11個東京地下調節池(日本東京在神田川環狀七號線,費時15年興建地下調節池,以在暴雨時蓄水54萬立方公尺),且是在不必耗資提高雨水下水道的排洪標準下,自動提高了整個北京市的下水道標準。

 再假設3,377平方公里建設用地面積的10%,即約337.7百萬平方公尺為人行道、廣場、停車場等,配合62.7百萬平方公尺的道路,共約有四億平方公尺的鋪面,可以改鋪建為高承載高透水鋪面與道路。也假設鋪面下方設計可以儲存10cm厚度雨水,則每次大雨共約可儲存40百萬噸的水,超過74個東京地下調節池,也約相當於20個北京最大湖泊昆明湖(約能蓄水200萬噸)的蓄水量。如此,假設夏季某日雷雨的日累積雨量超越100mm,落在這片高承載高透水鋪面的雨水,約100mm將會全部儲存入鋪面之下,顯著降低北京市淹水機率。同時,雨水在鋪面下快速進入雨水下水道,再導入下游河川,會使得雨水在道路上累積的機率趨近於零,也即不易再出現暴雨淹水情景。

 此外,北京夏季午後氣溫可達38oC,地表溫度則可達50oC以上,市中心氣溫較昆明湖氣溫可以高達6.5 oC以上,也即呈現明顯的熱島現象。設若整個城市下方增加了20個昆明湖的蓄水量,水汽蒸發量會大幅增加,導致市區溫度下降與熱島現象緩和。確切的估算很難獲得,但可以假設熱島減弱一半來估計,市中心溫度可能下降3oC。依據中國學者研究(康與田,2004),冷氣機的設定溫度每調高一度,將會節約5%-8%的耗電,北京市將會因為市中心溫度下降三度,至少削減夏季冷氣使用近6-9億度耗電、60-90萬噸CO2與3,600-5,250噸SO2 排放。

 同時,市區內5百萬輛汽車所排放的廢熱與空氣污染物質,至少會有50%進入到透水鋪面之下(Liu et al., 2012),因此北京市空氣品質會顯著改善至少50%。其乃因為高承載高透水鋪面之下的濕地形成之故,包括至少捕捉汽車排放70% CO2(Liu et al., 2012)。因此,假設北京汽車數量是5百萬量,年平均里程是1.5萬公里,假設每部車的平均二氧化碳排放量是236g/km,則年總二氧化碳排放量是17.7百萬噸,因此高承載高透水道路約每年捕捉12.4百萬噸二氧化碳,其乃是直接促進地下生態系統發展所需的無機碳。

 以上估算並未將北京市民因為夏季氣溫下降與空氣污染改善,健康風險下降,公共衛生與醫藥服務的開銷減少,以及民眾健康提升、壽命延長的利益納入。更且,北京市綠地因為取得更多水資源,生態物種將會因為氣溫下降與空氣品質改善,而獲得更佳的發展環境。此外,以上估算也僅考慮北京夏季狀況,那麼海綿城市在其他季節的效益會是如何呢?北京位於半乾旱氣候地區,多了一個相當於20個昆明湖的儲水空間,顯然是對整體環境的改善是利多於弊,非常值得北京市府努力創建出此海綿城市。

(四) 未來台北

台北市

 類似的構想亦可用在建城二百年的台北市,全市總面積為271.8 平方公里,其中公園、綠地、兒童遊樂場、河濱公園及廣場等,總面積約22平方公里, 還不到全市的10%,可見城市寸土寸金,要增加綠地與創造生態棲息地,實非易事。建築用地121.5平方公里,約占全市的44.7%,實具典型水泥城市特徵。至於全市道路總長度為154 萬公尺,總面積為20.9平方公里,機動車輛數達近182 萬輛。

 假設建築用地的10%為人工鋪面如人行道、後巷、停車場、廣場、車道等,再加上道路面積,總共約33平方公里可以改鋪設高承載高透水鋪面與道路,並假設可有效儲存10cm雨水,則約相當於增加3.3百萬噸的儲水,相當於增加六座日本東京地下調節池。在此要特別說明:即使是高架道路亦可採用高承載高透水道路工法,且也可設計儲存雨水。事實上,鋪面下的有效儲存厚度,在適當地設計下,是可以增加的,若達到30公分厚度,則就是增加達18座日本東京地下調節池。

 台北市最大的湖泊是大湖公園的大湖,面積約為10萬平方公尺,平均深度為5公尺,約可儲水50萬噸,略小於東京地下調節池。所以,前述若台北市鋪設33平方公里的高承載高透水鋪面與道路,並假設可有效儲存10cm雨水,則約相當於增加6.6座大湖。若設計有效儲存30cm雨水,則約相當於增加19.8座大湖。

 依據過去研究,台北市熱島約為4.5度,而若是地面之下,可增加約19.8座大湖的儲水,粗估在夏季可以降溫3度上下。再依據市府資料,設若夏季空調調高1度,冷氣不外洩,就能省電九億八千六百餘萬度,約等於61萬公噸的二氧化碳,等於每年種樹5千萬顆。那麼都市降溫3度,就可以節約近30億度用電與避免180萬噸二氧化碳排放。

 若再加計高承載高透水道路存在地下濕地,具備捕捉汽機車排放空氣污染與二氧化碳功能,整個城市的空氣品質將更有效改善,現代人所擔心之pm2.5危害健康問題,亦將會有效防止。至於181萬汽機車排放二氧化碳,若假設年平均里程是4,500公里,假設每部車的平均二氧化碳排放量是236g/km,則年總二氧化碳排放量是1.9百萬噸,假設捕碳效率為70%,則約每年捕捉1.3百萬噸二氧化碳,其乃是直接促進地下生態系統發展所需的無機碳。

 台北市一年內降雨日數多,但出現單日降雨超過100mm的日數不多。所以,假設全市鋪設高承載高透水鋪面,單日至多儲存100mm降雨,則在扣除單日超過100mm的多餘雨量後,2007-2011年間的平均年總可儲存降雨量約為2,777mm。假設雨水儲存在鋪面之下後,就被運用在綠地、綠屋頂灌溉等,則全年相當於總儲存91.6百萬噸水,相當於183座大湖儲水量,也就是3.6座翡翠水庫的有效蓄水量(其為25.4百萬噸)。

 若設置有效儲水30cm,則全年至少儲存10座翡翠水庫的有效儲水量。這樣的數據相當驚人,對於台北市要避免水災、抑制熱島效應與因應乾旱缺水等,確實是相當有助益。

結論

 本文提出一個大膽而創新的構想:改變城市為超級大海綿,成為實體的海綿城市。當然是困難度與挑戰性非常大,但必定是二十一世紀人類發展主要趨勢。其與現今所在推動的城市綠化、生態城市、低碳城市、低度衝擊開發、綠建築等,完全沒有抵觸,卻能有效提高城市綠化面積、城市生態系統發展、城市節能減排、有效降低城市開發衝擊、強化綠建築功能等。

 改變人工鋪面為JW工法鋪設的高承載高透水鋪面,是已經非常成熟,並可以像組合拼圖般,跨區域推動,而達到全面性地改變。本文期望高瞻遠矚之士,能夠由建立海綿社區、海綿鄰里、海綿工業區、海綿工廠等開始著手,逐漸改變各地城市。同時,有興趣研究創造更高成效者,可同時進行深入實驗,探討治洪、儲水、綠化、降溫、抗旱、創造地下濕地、捕碳等效益。

致 謝

 本文作者感謝台達電子文教基金會支持研究計畫:「暴雨新紀元下都市脆弱度界定與調適策略評估:高承載透水鋪面之治水可行性評估」。


參考文獻

陳瑞文、柳中明、陳起鳳、崔鳳修,2011:高承載透水道路在「建築防洪」與「道路排水」應用之設計探討。低碳環境學會。52頁。

康艷兵、田孟晉,2004:提高空調房間設定溫度的節電效果分析。中國能源,26,28-31。

Budge, T., 2006: Sponge Cities and Small Towns: a New Economic Partnership. In The Changing Nature of Australia's Country Towns, Ed. by M. F. Rogers and D. R. Jones. P. 38-52. Victorian Universities Regional Research Network Press, Ballarat, Australia

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), 2012: Summary for Policymakers. In: Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation. Ed. By Field, C.B., V. Barros, T.F. Stocker, D. Qin, D.J. Dokken, K.L. Ebi, M.D. Mastrandrea, K.J. Mach, G.-K. Plattner, S.K. Allen, M. Tignor, and P.M. Midgley. A Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK, and New York, NY, USA, pp. 1-19.

Liu, C. M., J.-W. Chen, J.-H. Tsai, W.-S. Lin, M.-T. Yen and T.-H. Chen, 2012: Experimental studies of the dilution of vehicle exhaust pollutants by environment-protecting pervious pavement. Journal of the Air & Waste Management Association, 62:1, 92-102.


【註】
1低碳環境學會
2臺灣品岱股份有限公司
3中國文化大學土地資源系
4台灣大學環境工程研究所
5陳明烈建築師事務所
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