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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

360期2022年3月號

出版日期:2022/03/18

正方形 Icon 觀念探索Trend

抗旱城市 光環不再

翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。

艾爾帕索市長年節水有成,為人所稱道;如今在氣候變遷的影響下,它的適應能力逐漸被逼至極限。

秋收前夕,這天下午天氣暖和,來到距離德州艾爾帕索市(El Paso)約20哩外的郊區,泰瑞斯(Ramon Tirres Jr.)開著卡車轉向,左右兩邊都是農地,卻一片荒蕪。這兩塊田占地70英畝,原本現在應該長滿了棉花,卻跟他總共將近1,000英畝的農地一樣,今年只能棄耕。算下來,他的棉花田約有三分之二都荒廢了。

泰瑞斯在這裡務農已經47個年頭,炎熱氣候適合他栽種的胡桃樹,他的農田位於這片山谷裡,土壤肥沃,但少了水,一切都是枉然,過去這幾年的水荒更是嚴重。

泰瑞斯和鄰居的灌溉水源大多來自於格蘭河(Rio Grande),這條河的源頭在科羅拉多州南部高山,蜿蜒流經新墨西哥州,沿著德州與墨西哥邊境流經此地。但遇到像今年這樣很少下雪下雨的年頭,水源短缺。泰瑞斯是可以抽地下水來應急,但成本很高,也不是所有農地都有抽水機。

農民是當地水荒的最大受災戶,但他們會落入這個困境,其實並不意外,畢竟 艾爾帕索位於德州西部一端,緊鄰契瓦瓦沙漠(Chihuahuan Desert),每年降雨量只有9英吋,遠遠低於全國平均的約30英吋。

然而,艾爾帕索長年來是節水有成的模範城市,70萬民眾找到在沙漠生活、甚至欣欣向榮的一套方法。放眼全球各地,人口成長與氣候變遷逐漸導致水資源面臨短缺壓力,其他城市多年來紛紛向艾爾帕索取經。

艾爾帕索能做的事都做對了,除了發起各種計畫說服民眾減少用水,還部署技術系統(包括鹽水淡化與廢水回收)增加水資源。這些因應措施耗資幾億美元,讓艾爾帕索的規劃能力在國際上贏得美名。當地水利公司的前總裁更曾公開宣稱,艾爾帕索是座「抗旱」城市。

只不過,艾爾帕索縱使有詳盡的抗旱計畫,近來也一再面臨嚴重乾旱的考驗。隨著氣候變遷加速,各城市爭相設法因應,科技顯然是解決之道,能夠改善缺水地區的生活品質,避免民眾外流。然而每一種新措施都有代價,也都可能把某些人排除在外。隨著水資源的壓力愈來愈大,艾爾帕索和其他缺水地區讓我們不得不問:因應措施究竟可以做到什麼地步?

象山水庫(Elephant Butte Reservoir)是象山水壩(Elephant Butte Dam)所形成的人工湖,座落於艾爾帕索以北約2個小時車程的山區。水庫裡的岩石有一條水位刻度,就跟浴缸的水痕一樣。科羅拉多州山上的融雪先流到水庫,再釋放到河裡,經由美國墾務局(Bureau of Reclamation)分配給新墨西哥州與德州的不同灌溉區,最終來到泰瑞斯的農地。

現在的水位遠遠低於刻度位置,四周暴露出好幾百英呎的岩石與水壩。10月時,水庫蓄水率只剩5%左右。

過去100多年來,象山在多數時候為南方這片流域帶來穩定水源,「但偶爾會出現好幾年的嚴重水情,就跟現在一樣,」象山發電廠主管卡明森(Ben Kalminson)說,水庫這時就會見底。

2020年1月到2021年8月期間,美國西南部經歷罕見乾旱,雨量只有約17英吋,低於20年平均值的24英吋。根據氣候模型,要發生2020年的低雨量,機率只有約2%。美國國家大氣中心(National Center for Atmospheric Research)氣候研究員辛普森(Isla Simpson)表示,換算下來,2020年乾旱是50年難得一見的事件。

辛普森也說,沒有證據顯示氣候變遷是造成雨量短缺的原因,因為乾旱每隔一段時間就會發生,但如果再考量高溫因素,乾旱的嚴重程度與氣候變遷所扮演的角色就更加顯著。

由於熱空氣的含水量高於冷空氣,氣溫愈高,水分蒸發愈多。這個效應可以透過蒸氣壓差(Vapor Pressure Deficit)測量,亦即大氣含水量最大值與含水量實際值的差異。蒸氣壓差高,代表空氣亟需水分;而乾旱的影響預計更加嚴重,因為水氣會更快從河流、湖泊、土壤、甚至植物蒸發。

根據氣候模型,蒸氣壓差要達到西南部在2020年的程度,機率只有約0.4%,因此這差不多是每200年一遇的事件。辛普森說,沒有氣候變遷的推波助瀾,根本不會這麼嚴重。隨著氣溫升高,高蒸氣壓差的情況將更加常見:2030年前,西南部的蒸氣壓差每10年就會出現2020年的高數值,「我們走到了臨界點,開始在現實生活看到氣候變遷的訊號,」辛普森說。

農家從格蘭河引取灌溉水,艾爾帕索市民的飲用水則是鑿取自地下的含水層,但這個重要的水源同樣岌岌可危。

1979年,德州水利發展局(Texas Water Development Board)預估,艾爾帕索在2031年前將無地下水可用。當年,市民人均每日用水量超過200加侖,用水大多抽取自當地的2個含水層,一個是東邊的休可盆地(Hueco Bolson),另一個是西邊的梅西拉盆地(Mesilla Bolson)。

往後20年,水利局發起宣導活動,鼓勵民眾減少用水量,例如草坪改種本地植物等等。現在的人均每日用水量已降至134加侖,雖然仍舊高於全國平均(82加侖),但小於國內其他乾燥氣候的地區,例如亞利桑那州(145加侖)與猶他州(169加侖)。

影響所及,含水層的狀態稍有改善。「水位還是在減少,但不是劇烈下降,」艾爾帕索水利公司的資源處主管雷納特(Scott Reinert)說。儘管如此,含水層仍舊是供水多、進帳少。

艾爾帕索水利公司每年從休可盆地抽取4萬到5萬英畝英呎的地下水,替換約5,000英畝英呎的水。英畝英呎是各家水利公司的水量單位,相當於1英畝地(略大於半個足球場)1英呎深的水量。其他地下水與格蘭河也會補注水量,但恐怕趕不上抽水速度。

艾爾帕索水利公司計畫抽取地下水至少再50年,但有些研究人員認為,休可盆地的水源可能會提早耗盡,尤其艾爾帕索還不是唯一仰賴這處水源的城市。

墨西哥的華雷斯市(Juarez)緊鄰格蘭河,位於艾爾帕索的正南方,目前人均用水量約為艾爾帕索的一半,但由於人口不斷增加,水源又幾乎全部來自於休可盆地,因此對含水層的水位也有重大影響。

德州大學艾爾帕索分校土木工程專家梅爾(Alex Mayer)說,在2個城市又抽水、人口又成長的情況下,有些地下水井再過40年左右可能開始乾涸。但問題可能不必那麼久就會浮出檯面,因為抽水頻繁已經逐漸影響地下水的水質。

泰瑞斯跳下卡車,走向一根狀似電線桿的裝置。他打開鐵箱,啟動開關,抽水機轟然作響,只見水管噴出淺褐色的地下水,流進繞著田地周圍的混凝土水道。

河流供水不足的時候,泰瑞斯可以從這樣的水井抽水補充。水井散落在他的農地,從深達幾百英呎的地底抽水。地下水的灌溉成本雖然比河水更高,但遇到乾旱時,卻可以維持作物生存,也能拯救他的生計。

泰瑞斯鑽回卡車,掏出自己用塑膠水瓶下半部做出的採樣杯,還有一個看似腎上腺素注射筆(EpiPen)的裝置。讓水井抽水幾分鐘後,他把採樣杯裝滿水,將筆型裝置的一頭浸在水裡。

裝置上頭有個小螢幕,顯示數字愈來愈高,讓泰瑞斯看了直搖頭。這個裝置能夠偵測電流在水裡流動的狀態,藉此測量出含鹽量,結果數字顯示2,400ppm(百萬分點濃度),高於2年前暑假的1,600ppm。

鹽分濃度過高,核桃樹尤其容易受損,長得雜亂,果實又結得少。泰瑞斯注意到,有些樹林邊緣的幾棵樹看起來有點病奄奄。他一臉擔心,因為地下水如果含鹽量太高,他就沒辦法用來灌溉作物。

休可盆地蘊含約1,000萬英畝英呎淡水,以及3倍多的半鹹水。每次有抽水機抽取淡水,鹹水就愈來愈靠近城市。

艾爾帕索的天然地下水原本從北沿著格蘭河南流,卻因為抽水行為而倒流。地下水流動緩慢,幾10年才會看到明顯變動,但如果農家與大型城市用水戶維持現在的抽水行為,半鹹水最終會多過剩餘的淡水,整個地區的水井只好作廢。

艾爾帕索不等淪落到那個地步,正在設法將半鹹水加以利用。

應用鹹水在過去幾乎是不可能的任務,但20世紀發展而成的逆滲透與其他過濾技術,帶來新的可能性。

鹹水淡化占全球人類用水量的一小部分,但比重正在增加。2005年到2018年間,全球鹹水淡化產能增加了2倍,目前將近有3億人的用水來自於淡化廠。多數淡化廠鄰近海邊,約有6成淡化廠將海水脫鹽,而近半數淡化產能位於中東與北非。但在2007年,艾爾帕索啟動全球最大的淡化廠,希望善加利用休可盆地含水層的半鹹水。

「我們是有需求就生產的淡化廠,」廠長路易茲(Art Ruiz)邊說,邊帶著我走進中控室,裡頭的監視器監測著水流、水壓和馬達速度。透過遠端那面牆的窗戶,可以看到造價9,000萬美元的淡化設施,所處的建築物比高中體育館大不了多少。水管與馬達整齊排列在一面牆,上頭掛了超大的美國國旗。聽到嗡嗡聲,才知道廠房正在運作。

路易茲說的「有需求就生產」,是指淡化廠在用水高峰期能夠增加產量,例如酷暑或聖誕節等假日,因為大家在家時間變多,用水量也跟著增加。產能全開時,淡化廠每天可生產逾2,700萬加侖的淡水,但多數時候的產水量少很多,只占全市用水需求的5%左右──艾爾帕索每日用水需求達8,500萬到1.45億加侖不等。

這座淡化系統採用逆滲透技術,使用壓力讓半鹹水穿過薄膜,上頭的孔隙小到連鹽分都穿透不了。淡化過程的成本高昂。抽地下水再消毒的成本每英畝英呎約250美元,反觀將半鹹水淡化的成本要多出近2倍,約700美元。

儘管成本不斐,淡化地下水已成為艾爾帕索的關鍵水源之一,也是重大的應變計畫,為未來預先做準備。為了讓供水相對不受乾旱期所影響,艾爾帕索進行了兩個主要基礎建設,一個是這座淡化廠,另一個的企圖心更大。

愈來愈多水資源管理公司把焦點轉向廢水,認為廢水處理完後,可以成為寶貴的資源。美國西部陸續有新型廢水回收廠正在興建,最受人注目是位於南加州、造價幾10億美元的廢水回收廠,計畫在2030年前後啟動。

艾爾帕索處理與回收部分廢水已有幾10年的歷史,處理過的廢水用來灌溉公園草坪與高爾夫球場,或者是冷卻工廠與發電廠的設備,淨水如今大多重新注入含水層。不過艾爾帕索水利公司技術長崔卓(Gilbert Trejo)懷抱更遠大的願景。

直接飲用再生水(Direct Potable Reuse)又稱「馬桶到水龍頭的水回收」(Toilet-To-Tap Recycling),是廢水回收技術的極致。從淋浴、水槽、乃至於馬桶所回收的廢水,經過一般程序處理,分離出固體、氯消毒,接著進一步處理,包括過濾、二度氯消毒與紫外線消毒,最後再輸到市內各個家庭,用於廚房、浴室與花園。

現在的水回收系統多數會經過湖泊、河流等天然來源,很少有據點使用直接飲用再生水技術。納米比亞有個處理站是目前營運最久、規模也最大的據點。崔卓說,艾爾帕索目前正在設計一座處理廠,規模預計是美國最大,計畫2025年開始營運,造價約1億美元。

崔卓希望,新廠將提供另一個穩定的水源,在水位低落時減輕含水層的負擔。居民大致接受這個構想,如果有人不認同,通常也是反對成本過高,而不是覺得「噁心」。但這項計畫並非萬無一失。8月時,兩條將水輸送到現有回收廠的輸水管在城市西區破裂。

這兩條輸水管原本應該互為備用,結果同時破裂,導致廢水倒流到住家的浴缸與庭院。隨著輸水管每天出現更多裂痕,艾爾帕索必須找到能夠容納廢水的地方,只好把腦筋動到格蘭河,只有這裡每天可以容納幾百萬加侖的洩漏廢水。

展望未來幾10年,艾爾帕索還不至於完全無水可用,但要滿足城市所需,只會更加困難,成本也會更高。鹹水淡化與廢水回收等技術,固然有助於解決問題,但隨著情況日益險峻,許多人賴以生活的解決方案將愈來愈複雜。這些系統高度工程化,如果把規模擴大,往往也可能衍生出新的風險,例如先前必須直接將未經處裡的廢水抽到河裡。

艾爾帕索市政府官員未來將繼續設法未雨綢繆。事實上,艾爾帕索水利公司已買下約6萬6,000英畝的土地,地點位在德州戴爾市以東90英哩處。這片土地擁有水權,如果艾爾帕索自己的水資源用罄,該公司計畫在戴爾市鑿井,把水抽回艾爾帕索。

把水從戴爾市抽回艾爾帕索再處理,每英畝英呎的水需要3,000到5,000美元,成本是廢水回收的至少1倍以上,更是抽取地下水或格蘭河地表水的10倍以上。

這些高成本的解方不久預計反映於市民的水費。崔卓說,調漲水費也只是用來維持既有系統。

對有些人來說,漲幅不會太大,2021年的調漲內容涵蓋水費、廢水費與暴雨汙水處理費(Stormwater Fee),人均每月增加1.37美元。低用量家庭享有豁免,可望有助於無法負擔的民眾。艾爾帕索約19%的民眾為低收入戶,高於全國的約12%。

崔卓說,這次只是第一波調漲。有民眾抗議未來還要調漲水費,但水利公司沒辦法再延遲。「艾爾帕索的水費只會愈來愈貴,」他說:「而且很快就會上調。」

河流對岸的姊妹市華雷斯市,同樣面臨水供應逐漸吃緊的問題,基礎建設可能需要類似的整修與升級,但資金更是短缺。

能夠在沙漠保持水源滾滾不斷,這些調整似乎只是小小的代價,然而隨著人口增加、乾旱期拉長、地球持續暖化,未來的挑戰愈來愈艱鉅。

時序進入2022年,美國西部的氣候預計再度出現反聖嬰現象,冬季可能不下雨,水庫又是不見進帳的一年。無論是泰瑞斯和其他小農,還是艾爾帕索市政府官員,仰賴格蘭河為生的民眾可能也得不到預期的配水量。

儘管水荒嚴重,許多市民還是會選擇固守家園。泰瑞斯計畫一直耕種下去,他說自己身上留著農家子弟的血液。在沙漠耕作雖然可能更加艱苦,但本來就沒有輕鬆的一天。

「農人自古以來就是跟天氣對抗的命,」他說:「適應就好,也不得不適應。」

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