土木工程就是文明工程(VII)
土木工程與防災

文/圖：洪如江

一、 1970年以來重大災難的回顧
● 1970年11月12日，熱帶汽旋侵襲東巴基斯坦(今之孟加拉)，50萬人遇難，農作物全遭毀損。
● 1976年7月28日，中國唐山大地震(規模7.8)，24.2萬人遇難，16.4萬人受傷。震倒房屋大多為土磚或木構造。
● 1991年4月29日，熱帶汽旋侵襲孟加拉，13.8萬人遇難，1千萬人無家可歸。
● 1995年1月17日，日本阪神大地震(規模7.2)，6434人遇難，43,752人受傷，災民32萬人。震倒房屋大多為標準日式木造住宅，住戶大多為關東大地震(1923年9月1日，規模7.6)之後逃出者或其後代。許多脆性鋼筋混凝土高架橋倒塌。
● 1999年9月21日，台灣大地震(當地規模7.3)，2,505人（含失蹤52人）遇難，11,305人受傷（含重傷701人）。房屋倒塌數量最多重者為中小學校舍，全毀而需全面重建293校。造成人命傷亡最多者為高度49.5公尺左右(逃避50公尺以上超高樓必須辦理結構外審之規定)之多棟高樓。凡通過結構外審之超高樓，無一受損。石岡壩因斷層錯動而斷裂，功能全失；台3線公路在中部災區的路線與車籠埔斷層重疊，線上或相近的公路橋樑無一倖免，幾乎全毀或嚴重損傷；選址與選線不當，係因工程規劃當年工程地質的知識不足。當大地震發生時，中央氣象局的地震測報系統在102秒（稱為反應時間，response time）之內自動定出主震的發震時間、規模、震央位置、與震度分布，並且立刻自動將這些資訊發送至有關機構（尤其是中央災害防救中心）、個人、與網站。因為有這個全世界最好的地震測報系統，救災工作得在數小時之內開始；當日傍晚，首批國外救難部隊已經到達災區。地震亦使台灣中部山體嚴重破裂，引發大量坍方與相當人命傷亡；並在其後的幾次颱風豪雨侵襲時，發生更多坍方及土石流，並導致嚴重災害；許多災害調查及研究皆指出：發生嚴重災害之處，皆為人力不可對抗之危險地區。
● 2001年1月13日，薩爾瓦多大地震(規模7.6)，引發大量山崩及堰塞湖，1200多人遇難。
● 2001年1月26日，印度Gujarat省烈震(規模7.7)，二萬多人遇難。房屋全倒37萬戶，半倒92萬戶，震倒房屋大多為土磚或木構造。
● 2004年12月26日，南亞印尼蘇門答臘西方海域（3.267°N/ 5.821°E）發生強烈地震及海嘯；23萬遇難；無家可歸者高達數百萬人。
● 2005年8月28日至8月31日，卡崔娜颶風(Hurricane Katrina)侵襲紐奧良市，多處堤防潰決，紐市大部分被水淹沒，遇難者超過1800人，財產損失超過美元800億。考其原因，紐奧良全市平均標高低於海水平面約1公尺；防洪與防衛湧浪全靠堤防。但堤防強度不足抵抗湧浪水壓，潰堤難免；堤防高度(13-19呎)低於湧浪高度(估計達20呎)，洪水溢流在所難免。其他致災原因包括：洪水氾濫所帶來的泥沙沖積因築堤而完全停止，紐奧良市海側與河側濕地日益減少，紐奧良市失去天然緩衝防衛之屏障；在密西西比河沖積三角洲抽採石油，再加築堤，導致地盤下陷；堤防基礎深度與強度皆不足；堤防維修不足。進一步討論，參考中國土木水利工程學會土木水利32卷5期(民國94年10月)。
● 2005年10月8日，巴基斯坦管轄之克什米亞大地震(規模7.6-7.7)，7萬多人遇難，大多死於建築結構不良。
● 2008年5月2日至3日，熱帶汽旋納吉斯(Cyclone Nagis)侵襲緬甸，遇難者可能超過10萬人，數十萬人無家可歸。
● 2008年5月12日，中國四川省大地震(規模7.8或7.9)，半個亞洲感受震動。已知遇難者超過萬人。（編註：中國官方已於5月18日上修地震規模至8.0）

二、 災害之原因
從上述重大災難加以深入分析，發生災害的原因大致有下列三大項：
● 人口日益增加，不得不居住於敏感地區：例如，低窪地區、貼近活動斷層。
● 過度開發，自毀天然緩衝及防衛之屏障：例如，消除沼澤、濕地、紅樹林；與水爭地；濫墾、濫伐、濫開山區道路，消除保護水土的森林，並引發百倍於天然的坍方及土石流；超抽地下水所造成地盤下陷。
● 貧窮的弱勢族群，防災工程簡陋且疏於維護；學校建築脆弱，在強烈地震侵襲時領先倒塌；脆性工程結構不耐地震作用；高樓建築逃避結構審查。

三、 土木工程與災害防治(Civil Engineering in Disaster Prevention and Control)
3.1 一般說明
火山爆發、地震、颱風、豪雨、洪水、坍方、土石流、乾旱、暴潮、等等「天然災變」(Natural Hazards)，本屬自然現象；人類不可能阻擋火山爆發、地震、颱風、豪雨、等等自然現象的發生，也不可能治理這些自然現象；人類只能防、治這些自然現象所引發的「災害」(Disasters)。
人類沒有「無限防災」的能力。少數人有意或無意進入危險之地(例如洪水或土石流必經之地、活動崩塌地、活動斷層帶、等等)而要求全民付出無限的代價(物資、人力、甚至於許多人命)是不應該的；何況，這些少數人進入危險之地，幾乎必然使危險程度升高(舉例而言，在山區開路，將使山崩的數量與体積增加100倍之多)，公權力應該阻止之。

土木工程防災，也是有其限度。以洪水災害防治工程而言，堤防(例如中國湖北省的超級堤防，荊江大堤)只能防衛5至10年一遇的洪水災害，三峽大壩也只能防衛百年一遇的洪水災害；超過百年一遇的洪水災害，只能算是「人力不可對抗的事件」(西方人所謂Act of God)，只能由保險機制或政府救濟加以照顧。以土木工程與建築預防地震災害而言，工程結構也只能針對某一地震「震度」(簡言之，地震作用力)加上一個「安全系數」(設計力量與預期地震作用力的比值)加以設計；若發生一個超級大地震，其作用力大於「設計力量乘安全系數」，也只能算是「人力不可對抗的事件」。

中國長江三峽大壩，其水庫可發揮防衛200年一遇洪水的功能 (蔡立盛攝，2004)

土木工程雖然沒有「無限防災」的能力，但極端的災害倒底少見；在人類正常的生活之中，土木工程還是能夠提供大部分的防災功能。以防衛洪水災害而言，雖然許多人(尤其指許多外行人)在詬罵堤防的防洪功能；但是在防衛5至10年一遇的洪水災害，大多靠堤防，因為還有效而且經濟。超過5至10年一遇的洪水災害，需要其他防災措施，例如分洪(疏洪)道、水庫、河道管理、山溪出口的滯洪池、集水區的經營管理、等等。但最有效的防洪措施是各河溪源頭的山區「森林」，其每一棵大樹能夠在豪雨之時涵蓄1.5噸的水份，在乾旱之時緩緩釋放出來；但森林不可能在短期內製造出來，因此，山區森林的保護極為重要。

3.2 土木工程與洪水災害的防治

3.2.1分洪(疏洪)工程防災
個人意見，大禹治水，其實是採用分洪工程；所謂「禹疏九河、導至四海」的傳說，應該是挖了九條疏洪道，將洪水導入大海，類似今日的二重疏洪道，將淡水河部分洪水分流至台北盆地下游，而不是靠浚深河床以利排水。因為以今天科技的發達，浚挖機具的厲害，中國大陸也不可能浚挖黃河(或其他淤積嚴重的河川)的大量泥沙以利排洪。

台灣基隆河上游的洪水不必先流經台北盆地再進入淡水河出海；員山仔分洪(疏洪)道工程完工之後，汐止不再受到基隆河洪水的淹入而房地產價格大漲。台北市的基隆河堤防與防洪牆不必加高，甚至還可以降低，讓台北縣市的居民有比較大的機會去接近自然水域。但汐止必須管理內部排水系統以免內水氾濫成災。

員山仔分洪道在基隆河上游的入口 （孫荔珍先生提供）	員山仔分洪道出海口（孫荔珍先生提供）

3.2.2 堤防工程防災
堤防工程，通常用來保護城鎮以免洪水氾濫成災；但堤防只能防衛有限的洪水，例如長江在湖北省的荊洲大堤只能防衛十年一遇的洪水。更大的洪水，單靠更高更大堤防，不一定經常有效，有時反而升高危險。因為堤防無論多高多大，相對於河流的長度而言，非常細小，而且脆弱，易於因天然力量(例如洪水、地震)或人力而破壞。堤防一旦潰決，越高的堤防，災害越嚴重。

台北市撫遠街堤防的防洪效果（李錫堤教授攝）

台北市大直防洪牆的防洪效果（李錫堤教授攝）

台北市淡水河堤防的防洪效果（李錫堤教授攝）

3.2.3 水庫工程防災
水庫，具灌溉、發電、防洪、公共給水、觀光、等等功能。但水庫必須設置有效的排沙道，以免下游河道及河口的泥沙供應不足而發生橋樑及堤防基礎裸露與海岸後退之災。尼羅河三角洲，在尼羅河主河道上游建設阿斯萬(Aswan)水庫之後，泥沙供應減少，海水開始入侵。
長江三峽水庫，以其390億立方公尺的庫容，在水庫上游發生豪雨而經由「洪水演算」得知有大洪水逼近之前，先將庫水排放200億立方公尺左右以容納並防衛百年一遇的洪水。但超過百年一遇的洪水，只能讓人口密度比較小或比較不重要的地區淹水。長江三峽大壩，設置高水準排沙道，其效果尚待長期觀測。
近年來，鑑於地表水庫的種種缺點與環保團體的反對，採用「離漕水庫」與「地下水庫」成為一種趨勢。

3.2.4河道管理
以今天的工程技術，橋樑跨度(橋墩至橋墩的中心距離)已經可以到達1990.8公尺(日本明石大橋)，實在沒有道理讓道路工程機關(構)在河道中樹立太多的橋墩而妨礙河水的順暢流通。基隆河在汐止下游不遠處的狹窄河段，樹立十多個橋墩，在大洪水來臨時，難免迴水倒灌汐止地區。陳有蘭溪的筆石橋，在桃芝颱風侵襲之時，阻擋土石流的順暢通過，筆石橋及筆石社區的大部分被土石流沖失，居民遇難者眾多。
河川尤其不得有違章建築或種植行為，也不應在壓力之下將河堤向河道中心移動而導致河川寬度縮小。

3.2.5 山溪出口滯洪池
當豪雨的降雨中心發生在河川上游的山區時，河川支流的山溪通常會發生山洪暴發的情形；在溪口設置「滯洪池」讓山洪暫時停流在滯洪池中，以減少下游平地的洪水強度。

3.2.6防潮閘工程防災
河川，當集水區持續豪雨而有山洪暴發之時，常巧遇漲潮與海水倒灌河川下游段。而河川下游段兩岸多為人口密集的城市所在之地。
英國倫敦，曾經發生暴潮由泰晤士河口倒灌而淹水的災害。經建設防潮閘加以保護，未再發生淹水之災。
荷蘭的鹿特丹，也曾經發生暴潮而致淹水，建防潮閘之後，未再發生淹水之災。

防衛英國倫敦免於暴潮攻擊的泰晤士河防潮閘(Thames Barrier)，平時全景（洪如江攝）	風平浪靜之時，泰晤士河防潮閘版轉入水中，方便船隻通過（洪如江攝）

防衛荷蘭鹿特丹免於暴潮攻擊的防潮閘，全景 （洪如江攝）	荷蘭鹿特丹防潮閘一翼近景（洪如江攝）

3.2.7 土木工程防治古蹟淹水之例
中國甘肅省武威天梯山大佛寺之前建一拱壩，以免上升的湖水淹沒大佛寺。

中國甘肅武威天梯山石窟大佛寺外之護寺拱壩，防阻湖水灌進佛寺（洪如江攝）	中國甘肅武威天梯山石窟大佛寺內側（洪如江攝）

中國甘肅武威天梯山石窟大佛寺內受到拱壩保護的大佛像 （洪如江攝）

3.2.8 其他洪水災害防治措施
城鎮之中，多留公園、綠地、池塘，涵蓄水份；街道及人行道採用透水鋪面，讓地表漫流洪水滲入地下。

參考文獻
邱建國(2005/02)，「南亞大地震與海嘯」，土木水利第32卷第1期，4-6頁。
洪如江與陳亮全(2005/02)，「1993年7月12日之日本北海道西南方地震海嘯事件的回顧與檢討」，土木水利第32卷第1期，7-9頁。
洪如江(2006/08)，天、地、人與大地工程，財團法人台灣省大地工程技師公會與財團法人台北市大地工程技師公會發行。
美國地質調查所，http://www.usgs.gov/。
日本氣象廳，http://www.jma.go.jp/。
中國土木水利工程學會土木水利32卷5期(民國94年10月)。