火環帶中的臺灣
臺灣大學土木工程系碩士生陳明毅

地震帶

地震是臺灣的重大天然災害之一，根據統計結果，全世界大多數地震發生在三條主要地震帶，分別為環太平洋地震帶、歐亞地震帶以及中洋脊地震帶，其中又以環太平洋地震帶所發生的地震最多，全世界有80%的地震跟60%的活火山就在環太平洋地震帶上。環太平洋地震帶(又稱火環帶，如圖1所示)是一個圍繞太平洋，全長約4萬公里，地震與火山爆發頻繁的地區，火環帶上有一連串海溝、列島與火山，板塊運動非常劇烈，而我們所居住的臺灣就位於火環帶上。

圖1：火環帶 (圖片來源：《維基百科》http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pacific_Ring_of_Fire.png)

地震的傳說與成因

人類自古以來對於地震這種大自然界強大的力量有不同的想像，各地皆有千奇百怪的傳說。中國人認為地震是地牛翻身，日本人覺得是大鯰魚翻身，紐西蘭傳說地下住著一位女神，當女神發怒的時候，會揮動手腳，造成大地振動，於是便發生地震，美國人則認為地球支撐在一隻大烏龜上，當烏龜移動時就會產生地震。

小兵立大功～生物燃料電池的原理及應用
國立臺灣大學環境工程學研究所 楊政憲、林彥妗

前言

相較於許多傳統的環保能源，如風力發電、太陽能發電及地熱發電，生物燃料電池 (biological fuel cell) 是一種日益增長的替代能源技術。其中微生物燃料電池 (microbial fuel cell, MFC) 是一種微生物藉由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate, ATP)將有機或無機化合物氧化產生化學能，使電子 (electron)轉移至最終的電子受體產生電流的系統[1]。

不同於限制氧化電子受體的化學燃料電池與酵素燃料電池，微生物燃料電池有更強大的適應性[2]。到目前為止，不同的菌種如：genus Geobacter、Enterobacter、Shewanella和Bacillus經測試在微生物燃料電池中之產能具有最佳的功率。近期相關研究著重於微生物燃料電池內填充混合的微生物菌種，特別是關於它們對營養源的適應性：菌種彼此的競爭力及總體趨勢，使系統更穩定且效果更佳，且研究發現其相較於培養純菌種的系統可以得到更高密度的電流[3]。

原理

生物燃料電池之原理主要藉由微生物做為催化劑，將化學能轉化為電能。其系統組成包含陽極 (anode)、陰極 (cathode)及半滲透膜 (semi-permeable membrane)。如下圖所示，生物燃料電池之陽極灌入含有有機物之燃料供微生物反應，即提供微生物之基質 (fuel)；陰極則灌入氧氣作為氧化劑；半滲透膜只容許帶正電的離子通過，即陽極中產生之質子 (proton, H⁺)，該薄膜介於陽極槽與陰極槽間將其分隔。為避免反應機制於陽極發生，故此系統為封閉式系統，使陽極成無氧狀態，陽極不會發生反應，且陰極灌入氧氣後產生反應使質子濃度減少，誘發陽極經半滲透膜產生滲透作用。

在陽極中，基質藉由微生物行氧化反應 (oxidation)，生成二氧化碳 (carbon dioxide, CO₂)、電子及質子。以葡萄糖 (glucose, C₆H₁₂O₆) 為例，當微生物於陽極反應時，會將葡萄糖分解產生二氧化碳、質子並釋出電子產生能量，其反應機制如下(式一)：

陽極： (式一)

陰極中的氧氣則接受電子，與氫離子結合還原成水分子，如式二所示。其電子通過外部電路轉移至陰極；同時質子通過薄膜轉移至陰極。質子與電子於陰極再與氧氣行還原反應 (reduction-oxidation)產生水，反應機制如下：

陰極： (式二)

生物燃料電池產電機制

(1)   如下圖所示，於陽極加入基質供微生物反應 (Fuel in)，基質於微生物氧化作用下，生成質子、電子、及代謝產物 (CO₂)，並將基質反應後之廢液排出 (Outlet)。

(2)   產生的電子於陽極表面經外部電路傳輸至陰極，且產生的質子經半透膜由陽極傳遞至陰極。

(3)    於陰極中，導入電子受體 (O₂ in)，使氧氣和遷移來之質子與陰極表面之電子發生還原反應，並將反應後所產生之產物 (H₂O)排出 (Outlet)。

臺灣河川特色與治理
經濟部水利署陳展裕副工程司

臺灣河川的特色

臺灣本島所有河川都由中央山脈或其鄰近的山區發源，分別向東、西注入太平洋或臺灣海峽。由於地形上標高超過1,000公尺的山區占本島總面積約31.5%，與歐美及亞洲鄰近國家的河川相比，臺灣的河川流路相對短而急促，且坡降大(如圖1所示)，上游山區之坡降常超過1/100，為下游平原地區之5~10倍。

由於臺灣地質質地脆弱且多崩塌，洪水時常狹帶大量泥沙，造成集水區或河道周遭地區的土砂災害。加上臺灣位於北太平洋西側的颱風路徑上，每年侵襲的颱風平均約3.5次，豪大雨數十次，這些颱風豪雨和不良的天然環境，造成臺灣地區的單位時間降雨量、河川的最大洪水量到達時間，以及洪水的土砂含量常接近世界紀錄，此為臺灣河川的特色，也是造成治理困難的主因。

圖1 臺灣河川與歐、美及亞洲鄰近河川坡降比較示意圖 （圖片來源：經濟部水利署簡介）

臺灣河川的治理

臺灣地區主要的河川防洪治理工程，大多數在日據時代即已開始規劃並且局部實施，只是早年的防洪設施簡陋，一遇洪水就會潰決，徒耗人力財力。

多元化水資源開發
經濟部水利署盧瑞興正工程司

水資源建設的重要性

水是人類及動植物生存發展的必需品之一，水資源建設更是提升國民生活品質及促進社會經濟持續發展的關鍵基礎建設；其不僅是產業發展與環境保護中不可或缺的有限資源，同時也直接影響產業經濟結構、社會人文與環境變遷。長期來政府極為重視水利建設，以提供穩定且量足質優的生活與產業用水，作為臺灣經濟蓬勃發展的基礎。

臺灣水資源條件特殊、缺水風險高

臺灣地區雖降雨豐沛，惟在時間及空間上分佈極不均勻，11~4月枯水期與5~10月豐水期的雨量比，北部區域為4：6，中部區域為2：8，南部區域為1：9 (如圖1)。豐、枯水期雨量差異懸殊，導致枯水期水量無法供應用水需求，須透過水庫蓄豐濟枯維持供水穩定。台灣水庫總有效容量約僅19億立方公尺，但每年卻必須供應約43億立方公尺水量，平均每座水庫年運用次數超過2次才能滿足用水需求（石門水庫甚至超過4次）。又近年全球降雨異常加劇，已造成旱澇災害交替頻繁，水文極端現象明顯且強度增高，受災範圍與程度均較過去嚴重，導致缺水風險已逐漸影響經濟發展，並對國家永續發展造成威脅。

臺灣地區各標的用水情形
經濟部水利署李椋蒼副工程司

臺灣地區用水情形概述

臺灣地區水資源的使用標的主要為農業用水、民生用水及工業用水等，依據內政部人口統計資料民國99年底臺灣地區總人口數為2,316萬2,123人，而該（99）年度全臺民生、農業及工業等各標的年用水總量為170.64億立方公尺，其中民生用水總量為32.56億噸，農業用水為122.05億噸，工業用水為16.03億噸，如圖1。

圖1 臺灣地區民國99年度各標的用水概況

99年度民生用水情形

一、用水量概述

民國99年臺灣地區平均每人每日民生用水量（含自來水供水及自行取水）為386公升，北部地區民生用水量為431公升/人/日，中部地區為371公升/人/日，南部地區為329公升/人/日，東部地區為396公升/人/日，離島地區為191公升/人/日，如圖2。

圖2 民國99年度民生用水量（公升/人/日）

臺灣地區民生用水量32億5,624萬立方公尺，其中自來水供水量為30億8,437萬立方公尺，自行取水量為1億7,187萬立方公尺，自來水供水占民生用水量之94.72%，如圖3。

圖3 民國99年生活用水量水源比

二、自來水民生供配水量

99年臺灣地區由自來水供配民生水量為30億8,437萬立方公尺，占總民生用水量（含自來水供水及自行取水）之94.72%，較98年31億8,648萬立方公尺減少1億211萬立方公尺；其中北部地區15億7,203萬立方公尺，中部地區7億1,865萬立方公尺，南部地區為7億1,586萬立方公尺，東部地區7,074萬立方公尺、離島地區708萬立方公尺

輻射塵有多猛？
國立中央大學環境工程研究所陳彥凱

2011年3月11日，日本東北地方外海三陸沖發生強大的地震，除引起嚴重傷亡的海嘯外，亦導致日本福島核能電廠嚴重的輻射外洩危安事件。此事件引起全球關注，也讓近鄰的台灣民眾陷入恐慌，原因之一就是輻射塵(Radioactive Fallout)

(圖片來源：維基百科)

萬一飄過來，會對環境與民眾健康造成什麼樣的影響？在談論輻射塵之前，我們應該先了解何謂「輻射」？輻射為何與核能有關？

何謂輻射、輻射塵？

核能電廠利用核分裂產生的熱能發電，而核分裂的過程中會產生許多放射性物質，例如銫137 (¹³⁷Cs) ^註1。這些不穩定的放射性物質會持續釋出游離輻射 ^註2。「輻射」從字面上可直接理解為一種傳播與傳遞能量的過程，而輻射能量的傳遞可藉由波或粒子進行，例如放射性物質經衰變產生的α粒子、β粒子或γ射線等。暴露在這些傳遞較強能量的游離輻射下，就可能對人體細胞造成傷害，對人體健康的危害程度也會隨著輻射暴露量上升而增加。「輻射塵」就是在大氣環境中遭到放射性物質附著/汙染的懸浮微粒。輻射塵除可能因為核能電廠嚴重的危安事件而產生外，核子武器試爆也會產生大量的輻射塵。

有地震！居家房屋怎麼選？
國立臺灣大學土木工程系吳宗翰

臺灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊的交界處，菲律賓海板塊以每年8.2公分的移動速度向西北移動^[1]，由於兩塊板塊互相推擠的過程中能量不斷累積，當其能量累積到一定程度便會釋放出來，而造成地震。因此臺灣經常發生地震，一般民眾常會有房子蓋得愈高，地震所造成的搖晃就會愈大，房子愈不安全的疑慮。其實，並非房子愈高，就愈不安全，房屋安全與否主要跟房屋本身的結構有關，而搖晃程度則與建築物自然振動頻率與其阻尼比有關係，阻尼比可簡單解釋為系統削減掉的振動能量與原系統振動能量之比例，阻尼比一般會介於0~1，當阻尼比恰好等於1時，系統可以有效的削減振動能量，少數情況下阻尼比會大於1，表示物體受到外力不會振動，但需要花一段時間漸漸回復至原本狀態，例如記憶枕頭；而當建築物自然振動頻率與地震所造成的振動頻率達簡單整數，如1:1、1:2、2:3時就會產生共振現象，建築物的振動幅度會因為共振而有加成的作用，如圖1。而曾有學者針對灣地區建築物高度與基本振動周期之相關性進行研究^[2]，該研究指出，鋼筋混凝土設計的房子，其高度與周期計算如公式(1)，其中T為周期，h_n為地表面至頂樓之高度；依據公式(1)反推h_n則會如公式(2)

圖1、共振現象的發生原因

根據中央氣象局地震報告^[3]，九二一大地震時車籠埔斷層由南端的振動周期約為0.25秒；北端的振動周期約為1秒，依據公式(2)可推算會產生共振的大樓高度約為14公尺及80公尺，再依據每層樓高3.6~4.2公尺來反推，在斷層北端對於樓層數3-4樓的RC建築有較大的振動幅度；在斷層南端對於樓層數19-22樓的RC建築有較大的振動幅度。然而地區不同，其地質條件亦不同，因此由於地震所造成的振動頻率也會有所不同；像臺北信義區的地震頻率一般介於0.8~3Hz^[4]，換算成周期則介於0.33~1.25秒，再換算成大樓高度則是20~100公尺高，約為4-6樓高的建築物以及23-28樓高的建築物。而花蓮地區，由於地質相較於臺北盆地來得堅硬許多，自然振動頻率較高，振動周期較短，因此低矮的建築物對於地震較容易產生共振現象。

沙塵暴有多威？
國立中央大學大氣系碩士班葉宗鑫撰稿

何謂沙塵暴？
大氣中有許多肉眼看得見與看不見的懸浮微粒，「沙塵」就是屬於肉眼看得見的一種懸浮微粒，而「沙塵暴」則是使能見度惡化的災害性天氣現象。沙塵暴形成之後，受強風揚起的沙塵會使得空氣中含有大量的塵土，進而遮蔽日照並使能見度大幅下降，而強烈的沙塵暴有時可讓能見度降低至50公尺以下，故俗稱「黑風」或「黑風暴」。

(圖片來源：維基百科)

對一般大眾而言，沙塵暴最具體的意象就是電影《神鬼傳奇》中經典的橋段，主角差點被突如其來的滾滾黃沙（沙塵暴）所吞噬。但對氣象學家而言，沙塵暴是水平方向能見度低於1000公尺的風沙現象。

沙塵暴災害

沙塵暴除了會嚴重降低能見度之外，還可能會對人體健康、農業、交通、空氣品質，甚至天氣等造成影響。當沙塵暴來臨時，會在短時間大幅增加空氣中的懸浮微粒，空氣中的懸浮微粒濃度通常可高於平常日的數倍，而且濃度增加較多的多是細小的微粒。

沙塵暴影響期間，假如民眾在戶外未做好防護措施則容易吸入過多沙塵，沙塵在傳輸過程中亦可能挾帶或混合大量的空氣污染物，會造成過敏性鼻炎甚至引發咳嗽、氣喘、眼睛不適、皮膚過敏、皮膚癢等症狀。落地的沙塵則可能累積在農作物的葉面表層，阻塞氣孔且妨礙光合作用的進行，造成農業的重大損失。強烈的沙塵暴更可使得當地的交通癱瘓，例如飛機會因為能見度過低而無法起飛與降落，或是行駛的汽機車因為道路能見度差而發生事故等。如果當地沙塵暴事件相當嚴重，甚至會出現泥雨的奇特天氣現象。

沙塵暴成因

沙塵暴的成因可分為沙塵來源與物理機制，沙塵來源主要是在乾旱與沙漠地區，來源地通常具有土質鬆軟、乾燥、無植被或草木生長和沒有積雪等地表特徵。物理機制則是強烈的地面風和垂直不穩定的氣象條件，使地表沙塵被強風捲起，再經由空氣垂直運動抬升傳輸至大氣層中。全球三大沙塵暴源區分別為：黃土高原（中國西北和外戈壁沙漠）、撒哈拉沙漠和澳大利亞中西部。

臺灣水，哪去了？
經濟部水利署葉俊明正工程司

臺灣地區降雨豐沛

全球陸地的年降雨量平均值約900毫米，臺灣地區年平均降雨量達2,500毫米左右(詳圖1及圖2)，約為全球平均的2.8 倍，是單位面積降雨量相對較多的國家。

(註)本圖為日本國土交通省水資源部依據GRID TSUKUBA 網站數據作成 圖1：全球陸地之年平均降雨量分布

圖2： 臺灣地區歷年降雨量

人口密度高，人均水資源賦存量偏低

宏觀地從世界各大洲的水資源賦存量（=降雨量扣除蒸發散量後再乘上面積）與人口分布比率來看，亞洲擁有世界人口的60％，但水資源賦存量僅占全球36％(詳圖3)，人均水資源賦存量只有世界平均值的60％左右。至於臺灣地區單位面積降雨量雖高，但因國土面積狹小而人口眾多，換算每人每年能分配的降雨量不足4,000m³/人年，經2005年ESI(Environment Sustainable Index)評比為全球146個國家中的第18位缺水國家。

環境水體中的新興污染物怎麼來的？
國立臺灣大學環境工程學研究所 莊英志，林彥妗

隨著科技的進步與生活的發展，開創了現代人便利的生活模式，然而在這看似為人類帶來許多有利發展的背後，是否隱藏著人類有所不知的危機？

現代醫藥科學的發展，讓許多新藥物的研發有相當快速的進展，也造福了許多病患；然而在使用藥物的同時，也伴隨著廢棄藥物處理不當的風險。如果將廢棄不用的藥物任意丟棄，不但造成醫療資源的浪費，也會使環境賀爾蒙(內分泌干擾物質)增加，並影響整個生態環境。此外，工廠裡所使用的工業用溶劑、添加物與新興材料 （例如：奈米材料），如果被任意排放至環境水體中或在廢水處理過程中未經適當地處理，其殘留物質則會流入環境，可能造成環境污染與長遠的生態影響。

現代生活中，存在著許多我們肉眼看不到的污染物，它們的存在可以是極微量的，甚至難以藉由科學儀器分析鑑定，這類微量存在的污染物一般稱之為「微量污染物」。近年來，環境中的微量污染物被廣泛討論並研究，在這些污染物中，「新認定或尚未認定」、「未受法規規範」及毒理資訊缺乏或有限之化學污染物，我們稱之為「新興污染物」。新興污染物絕大多數未被包含在現有之污染物例行性監測計畫中，通常因分析檢測技術提升或改良，才在近期被檢出而受到重視，其多寡一般以在環境中的濃度大小來計算。在水體環境中其範圍介在μg/L (ppb) 到 ng/L (ppt) 之間 (μ=10^-6、n=10^-9)。

當這些污染物在環境中達到一定含量時，可能會對環境及生物造成危害。新興污染物的可能來源包括：家戶或個人不當的藥物棄置 （例如：把藥物丟入馬桶沖掉）、醫院廢水、農業用地、製藥與化學工業工廠、高科技產業排放污染物、飲用水消毒副產物、食品添加劑、消費性日常用品溶出物及微生物等。縱使這些污染物經過廢水處理廠的處理才排放到自然環境中，但某些特定的污染物還是不能完全被去除與分解，如此一來就造成殘留，而殘留的污染物或其在環境中經轉化之潛在危害物質可能存在於河川、河口、地下水道以及海洋中。

近十年來，科學家致力於環境水體中新興污染物的研究，其污染物種類主要包含：藥物及個人保健用品、內分泌干擾物質 (環境荷爾蒙)、生活日用品、全氟化物、其他工業用化學物質、飲用水消毒副產物及微生物(如圖1)。以藥物與個人保健用品的環境影響來看，易造成環境污染的包括抗生素、藥水、針劑。已有研究指出醫藥類污染物會使雄性成年古比魚 (產於西印度群島的一種熱帶魚)的精子數量減少，也會造成能抵抗抗生素的細菌種類增生。在某些藥品中，可能存在著內分泌干擾物質，也就是俗稱的「環境荷爾蒙」，其不但會干擾生物的生殖、發育，也會影響體內荷爾蒙的合成與作用。殺蟲劑與工業用化學物質中，含有被廣泛應用的「全氟烷酸類」化學物質(如圖2)，雖然其毒性尚在探討與研究中，但此類物質對環境的影響不容忽視，暴露在含有這類物質的環境中會影響實驗動物的免疫系統，也會對其肝臟產生影響，甚至可能有致癌的危險。