土木工程就是文明工程(V)
土木工程與世界文明演進 – 自來水與污水下水道的部分

文/圖：洪如江

一、 自來水工程
人類誕生之初，不難就近從自然水域取得潔淨之水，滿足飲用、清潔、製作食品、農耕、畜牧、等等需要；即使對水域稍有污染，天然河水，泉水，與地下水，也多有「自淨」的能力，不至於發生問題。但當人口大量增加之後，尤其當大量人口向城市集中之後，城市附近水源的污染，遠超過自然水體的自淨能力，不得不從遠地的潔淨水源取水。以人力挑水或獸力運水，不但成本太高，而且杯水車薪，難以滿足需求，於是有賴土木工程方法，構建自來水系統，解決問題。早在6000年前的埃及，就已經在尼羅河築壩引水，構建一種「維生系統」(life-preserving system)，支持家庭用水之供應。波斯灣文明古國，在4000多年前，也構築渠道引水供應城鎮之用。印度古文明，在西元前1800年，就已經在河道磊石為壩而引水供城市之用(Pannell，1964)。早在幾千年前的羅馬帝國，其輸水工程，在平地用明渠，逢山開隧道，過河建輸水高架橋，由水源地至一個城市的輸水工程總長度有達數十公里者；留到目前最著名的高架水道橋有法國南部的嘉德水道橋(Pont du Gard，19BC-)與西班牙中部的西歌維雅水道橋(Segovia aqueduct，2nd C.,AD~)。

法國南部古羅馬嘉德水道橋(Pont du Gard)之一近景 (何卲元先生攝)	西班牙中部Segovia的古羅馬水道橋，西元第2世紀至今 (林銘郎教授攝)

現代化自來水系統出現之前，曾經在世界各地爆發水媒疾病，尤其是霍亂(cholera)流行，造成大量人畜死亡。一般認為霍亂源自印度的恆河(Ganges River)，經由貿易的來往，傳至俄羅斯、西歐，然後及於北美洲。第一次霍亂大流行，發生於1816-1826，源自孟加拉，1820傳至印度，然後擴散至中國與裏海等地。第二次霍亂大流行，發生於1829-1851，在1832傳至倫敦(6,536人死亡)、巴黎(20,000人死亡)，法國(10萬人死亡)；1849，更嚴重的大流行發生於英國、法國、與北美洲，死者達數萬人之多，包括美國總統Polk。第三次霍亂大流行，發生於1852-1860，俄羅斯死者超過100萬人，1853-1854，倫敦死亡1萬多人。此後，雖尚有多次流行，但規模逐漸縮小且多發生於未建立現代化自來水系統之地區。參考維基百科全書(Wikipedia，the free encyclopedia)網頁。

1829，英國雀兒喜(Chelsea)自來水公司的工程師James Simpson發明「慢濾法」，原水經淨水廠「慢濾池」細沙層的過濾之後幾乎所有的污染物質及水媒細菌皆已被攔阻於細沙層之中。John Snow 醫生，根據他對1830年代與1840年代倫敦蘇荷(Soho)地區霍亂的研究，證明霍亂與水污染的關係(Pannell,1964)。此後，凡建立現代化自來水工程系統的地區，水媒性的傳染病就告絕跡，可見自來水工程系統對人類文明的貢獻。但仍然有許多落後地區，尚未建立現代化自來水工程系統，局部性的霍亂流行，尚難完全斷絕。

一個現代化的自來水工程系統，包括「水源地」，水源地至淨水廠的
「輸水工程」，「淨水廠」，市區「配水管網」，與用戶端的「配水池(或水塔) 」、「制水閥門」、「用戶專管」、與「戶內用水設備」。為建立一個現代化的自來水系統，動用所有的工程科技系統(材料工程科技，能源工程科技，資訊工程科技，與生物工程科技)及「土木工程」、「機械工程」、「電機工程」與「化學工程」的作業。
水源地，有的在河道建築攔河堰，將河水逼高，以渠道、管道、或隧道，引水至淨水廠，或先引水至離槽水庫再輸水至淨水廠；有的在河川主河道建壩形成水庫；有的將水儲存於地下土層中，形成地下水庫。翡翠水庫，為台北市及部分台北縣的潔淨水源。

大台北地區自來水的水源：翡翠水庫 (齊柏林先生攝)	台北市公館自來水廠混凝池(洪如江攝)

淨水廠中，原水先經過「混凝系統」，加入混凝劑(通常用明礬)，凝聚水中夾泥，再進入「沉澱池」，將已凝聚泥沙沉澱於池底待機排除；將沉澱池上層之水導入「過濾池」，經過幾道沙層的過濾，再進入「清水池」，如果清水太硬(含礦物質太多)則需加以軟化，然後加氯氣或臭氧消毒後，以重力或壓力送入市區「配水管網」。

潔淨自來水經市區配水管網之後，送至用戶端的配水池(或水塔)，再經制水閥門之控制(開或關)，進入用戶專管，然後到戶內用水設備(水龍頭)。流出水龍頭的自來水，須尚留有部分消毒藥劑(餘氯、或臭氧)，才能保證未受到新的污染。

先進國家，自來水多已能生飲。台灣的自來水，在自來水廠的清水池內，皆能生飲；但台灣市區配水管網多已老舊，水管破裂或接頭鬆動，不但漏水嚴重，而且常常發生地下水夾帶污染物質滲入管內，而使管網中之自來水受到污染而不能生飲，但因自來水配水管網埋在地下，改善漏水難以張顯政績，政客多不感興趣。此外，也因配水管網老舊，如用較高壓力配水至各層樓房，則許多水管將會爆裂而使極為大量的自來水噴出地面。因此，用戶多另在一樓裝設水池(目前多改用不銹鋼大水桶)，再將自來水抽送屋頂水塔，然後通至戶內用水設備(水龍頭)。自來水存在一樓水池與屋頂水塔(目前多改用不銹鋼水桶)中可能受到污染，需煮沸才能飲用。這種落伍的系統，增加成本，而且，幾乎所有公寓屋頂皆有水箱或不銹鋼水桶，形成台灣獨有的奇觀。

在自來水普及率方面，台灣差強人意，但仍有相當大的地區(例如雲林)，因無水庫作為水源，故大肆抽用地下水用作家庭自來水或養殖魚蝦，為造成嚴重地盤下陷的原因之一。至於生飲方面，經自來水廠處理過之水，可以生飲；流出自來水廠之後至流出水龍頭之時，皆不可以生飲。就自來水的供應與生飲而言，台灣為一開發中國家。

自來水的末端：水龍頭(洪如江攝)

二、 污水下水道工程系統
城市中的家庭、工商業、公共場所、等等的污水，先進國家多已有完善的污水下水道及處理系統。接污水管至每一污染源(家庭、工商業、公共場所、等等)，將污水抽送污水處理廠，處理至合乎法規之放流標準，再排放至天然水域。目前的趨勢，利用濕地(wetland)從事先期污水處理，去污率常可達80%以上。

污水下水道系統完善之後，絕大部分家鼠及家庭昆蟲，宣告絕跡。

根據內政部營建署民國95年12月31日之「台灣地區污水處理率統計表：用戶接管普及率及污水處理率統計一覽表」中之公共污水下水道接管戶數數據加以計算：

國際組織所調查的國家之中，台灣整體的污水下水道接管率為倒數第一名，比印尼、馬來西亞等等國家還不如。就污水下水道接管率而言，台灣為不文明國家。台灣，偶而會發生由老鼠(及跳蚤)所傳染的病毒疾病，並非沒有原因。

污水處理廠，美國桔郡(洪如江攝)	全世界還有非常龐大的人口用陶罐搬運家庭用水 (洪如江攝)

三、 結論
人類文明的誕生，首賴築城與引水灌溉，解決安全與生活的最起碼需求。但在人類大量繁殖之後，水的供應，尤其是潔淨自來水的供應，遂一躍而成為首要的事件。在已開發國家，多已建立完善的自來水系統，用者習以為常，根本毫不在意地使用，甚至於浪費、濫用。內行人其實早已憂心忡忡地在擔憂下一代子孫飲用水的來源問題。現在的大多數人，甚至於包括大部分的工程師，並不了解在歷史上，曾經有多少人因為霍亂大流行而死亡。更少人了解到，終結霍亂大流行，靠的是潔淨自來水系統。而自來水系統，最初靠土木工程師所建自來水廠的「慢濾池」(Pannell,1964)。潔淨自來水的供應，消除水媒傳染病，尤其是霍亂。土木工程之一環的自來水系統，對人類文明的維繫與躍昇，極為重要。

今天，大台北地區的水源在翡翠水庫，其140公尺高的拱壩為其關鍵；大高雄地區的主要水源在南化水庫，其87.5公尺高的土石壩為其關鍵；兩者都是台灣土木工程師的作品。

參考文獻
Pannell,1964, An Illustrated History of Civil Engineering：V. Water Supply & Public Health, Thames and Hudson, London.
Wikipedia, The Free Encyclopedia : Cholera.