水資源

Vol.01 2016 July / August 生存設計 離島水資源探討與設計介入

存 生 設計 Survival Design

COVERSTORY 水資源缺乏

急難用水資源問題 ˙ 天氣型態的改變 / 臺灣降雨型態的改變 / / 缺乏乾淨的飲用水 / 離島缺水問題 ˙ 缺水的離島 / 離島飲用水來源 /

海水淡化設計

離島缺水問題 ˙ 海水淡化優缺分析比較

國立雲林科技大學

工業設計系研究所

研究生 / 林昱成 指導教授 / 游元良

Yu-Cheng Lin Yuan-Liang Yu

Vol.02

碩士論文 Contents 封面故事 急難水用問題 離島缺水問題

文獻探討 臺灣水資源 VIRTUAL WATER 海水淡化 為真實世界設計 水資源戰爭 水的稅來 結論

研究方法 流程設計 小結

參考文獻

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生存設計 Surival Design

Cover Story 封面故事

急難水源問題 近年來，伴隨全球氣候變遷，極端氣候頻繁出現所導致的乾旱或是突發性大雨皆讓水庫 蓄水不易，水資源短缺在全球，已逐漸變成常態。因此本研究針對極端氣候災害後，當公共 建設無法正常運作滿足人類飲水基本生理需求問題進行設計與研究，以設計提供更加解決方 案，設計簡易利用自然光照且可重複使用之資源進行海水淡化並發揮急難救助之成效。

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臺灣水資源

天氣型態的改變 Changes in weather patterns 根據聯合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）於 2012 所出版的特別報告「促進氣候變 遷調適之風險管理－針對極端事件及災害（Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation，簡稱 SREX）於 2012 年所出版的 SREX 報告指出變動的氣候將導致極端天氣與氣候事件一些特性的改變，包含頻率、強度、空間範 圍、持續時間與發生的時間點，以及出現前所未見的極端天氣及氣候事件。極端值的改變可 連結到平均值、變異數及機率分配形狀的改變或以上樹值皆改變。由圖 1 可見氣候變遷導致 的暖化趨勢會如何影響極端事件（示意圖），若溫度數值呈現常態分佈的鐘形區域，大部分 的溫度數值皆落在鐘形中間區間內，兩側則代表發生頻率較小，圖 1a 呈現溫度平均值往右 偏移表示整體溫度變化趨於暖化（虛線），進而導致極熱天氣事件發生機率增加，極 5

生存設計 Survival Design

冷天氣事件發生機率減少；圖 1b 則顯示溫度平均值雖不變，但是變異程度增加（虛線）， 所以極熱天氣事件與極冷天氣事件的發生頻率都會增加；圖 1c 顯示整體分布曲線已改變， 故在平均值及變異程度皆有所改變。 除了溫度與總降水量，SREX 報告也根據目前科學家提出證據的一致性，將氣候變遷與 極端天氣事件的連結強度用證據充分程度表現（圖 2），證據極充分的極端事件包含極端高 溫（熱浪），海岸溢淹，極端降雨以及乾旱，表示氣候變遷將導致這些極端事件的發生頻 率增加。

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生存設計

圖 1 氣候變遷導致的暖化趨勢如何影響極端事件示意圖

圖 2、氣候變遷對極端氣候事件的影響，根據科學證據充分程度由左至右漸強 （來源 : Union of Concerned Scientists 網站根據 : IPCC SREX, 2012 整理）

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生存設計 Survival Design

台灣降雨型態的改變 Changes in rainfall 中研院學者汪中和發現受到全球暖化的影響，臺灣的氣候條件改變，一百年前整個臺灣 皆在北半球降雨帶中，但如今全球降雨帶已經往北推移，所以現在臺灣南部與東部已經離 開降雨帶，現在只剩下北部約四分之一的地方還在降雨帶中。 在氣候變遷下，水資源將成為下個世紀爭奪的重要資源，學者觀察防洪和防旱都將是我們 急需要面對的挑戰。

百年臺灣雨量變化表 ( 由中央氣象局提供，中央研究院地球科學研究所汪中和教授分析整理。)

百年臺灣雨量的變化 百年來台灣溫度上升的趨勢與全球一致，但速率更快，約為全球平均的 2 倍。 過去一百年來，台灣的降雨型態快速改變。半個世紀以來，乾旱與豪雨反覆發生了四個週 期。在 1950 年以前，溫度還在自然的範圍內上升，雨量的變化溫和且與溫度同步。可是到 了 1950 年之後，人為的溫室效應似乎超過了地球所能調節的自然門檻，雨量呈現劇烈變化， 8

生存設計

從高峰到低谷，再從低谷到高峰，而且它反復發生四個週期，現在剛經過第五個週期的豪 大雨高峰。自 1980 年起，在溫度開始急速上升的過程裏，台灣的降雨強度也開始跳了一級， 比之前所經歷過的都更加強烈。 氣候暖化對台灣降雨特徵的主要改變，就是強降雨增加、小雨減少以及降雨日數減少。自 1940 年以來全台灣降雨量增加並不明顯，但是南北差異逐漸擴大，北部增多而南部減少， 形成「北濕南乾」的狀態。 另一方面，全台灣自北至南全年降雨日數都在不斷降低，自 1940 年以來已經減少了一、 二個月，因此單日降雨強度自北至南也都在不斷增強。根據研究，全球溫度每增加 1 度， 台灣前 10% 之強降雨就增加 140%，小雨也減少 70%。五十年來台灣每年平均小雨日數已從 70 日減少到 35 日。

臺灣雨量、降雨日數、降雨強度變化表。( 由中央氣象局提供，中央研究院地球科學研究所汪中和教授分 析整理。)

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生存設計 Survival Design 生存設計 Survival Design

Cover Story 封面故事

離島缺水問題

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生存設計

缺水的離島 ( 以澎湖為例 ) Penghu water shortage 澎湖位於臺灣西南方，中國大陸與臺灣之間的臺灣海 峽上，地形破碎地懸浮在台海水道上，象徵乾燥的北回 歸線從中劃過，從此決定了澎湖天生缺水的命運。 當東北季風通過管狀的台灣海峽時，力道愈發強勁。 整個冬日，陰霾灰沉的雲層壓得低低的，裊裊起落飄游， 但雨就是下不來；平均高度還不到海拔三十公尺的方山 地形，既攔不住空中水氣，也留不住好不容易才降下來 的雨滴。潦凜的季風沸海覆舟，捲起鹽沫與塵土，形成 一道黏稠而附著力強的鹽霧，澎湖人稱它「鹹水煙」， 而鹹水煙所到之處，玻璃起霧，金屬斑駁，樹葉焦黃， 少了雨水把鹽分沖掉，作物很快便枯萎、壞死。 ( 經典，2001)。 澎湖群島年平均降雨量僅約 1000 公釐，約為台灣地區 的 40 ﹪，且大部分集中於 4 月至 9 月，主要為梅雨季節 及颱風季節降雨，又全島幾乎無山丘及森林涵養水源， 絕大多數的降雨很快就流入大海，故水資源十分有限。 除強風少雨外，年蒸發量遠大於年降雨量，也是本地氣 候的一大特色，更是造成缺水的主因之一。( 經濟部水 利署，2013)

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離島飲用水來源 Drinking water sources 自 1998 年開始，經濟部水利署對澎湖縣施 以興建和改善地面水庫的計劃，並引進民間企 業興建海水淡化廠，來滿足澎湖本島各區的用 水需求。但氣候異常時，澎湖地區仍會發生嚴 重的缺水情形，需從台灣本島運水供需應急。

供水現況 目前澎湖本島之水源主要以地表水 ( 湖庫 水 )、地下水 ( 包括深井與鹽化井 ) 及海水淡 化水為主，分配位置如右圖所示。

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生存設計

澎湖自來水供應比例表。

由於過度使用地下水導致地下水位下降與水井鹽化，因地勢平坦，缺乏高山，不能產 生地形雨。平均年降雨量僅約 1000mm。因為風速、日照等氣候因子的影響，年蒸發量 可高達 1600 多毫米，無法留住地表水所以現今大多依靠海水淡化廠提供當地居民與遊 客所使用的淡水，佔全淡水供應比的 55.3%。 13

生存設計 Survival Design

海水淡化帶來的影響 Desalination plants effect on environment 最初反滲透技術與多級閃蒸技術在海水淡化領域相互競爭，到了 1980 年代末，反滲 透技術成為了市場上的主流（中東地區例外。這主要是由於反滲透技術的突破─新能源 回收體系，能源回收體系將淡化海水所需的能量減少大約一半。現在，所需的能量可以 等於或小於遠距離抽取淡水所需的能量。

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生存設計

海水淡化的影響與優點 : 新能源回收方式，將淡化海水所需的能量減少大約一半，現在所需的能量可以等於或 小於遠距離抽取淡水所需的能量。在適合情況下，海水淡化可以對開發和消除貧困發揮 作用。據國際海水淡化協會報導，海水淡化技術現已在 200 個國家中使用。全世界約有 3 億人依靠淡化水滿足他們的部分或全部的日常所需。反滲透技術已擴展至其他領域， 新式薄膜可過濾病源體和農藥等較大的粒子。 這些薄膜經常與反滲透技術一起使用，構成一個更完善的系統，讓受污染的水資源得 以被利用、被重複使用、或被安全地回歸到環境中，進而增加了我們可利用的水資源。

海水淡化的影響與缺點 : ( 一 ) 能 耗 成 本： 海 水 淡 化 的 能 量 損 耗 是直接決定成本高低的關鍵。 ( 二 ) 資 源 消 耗： 海 水 淡 化 發 展 所 需 的 工程材料中，以金屬消耗量最大，每年 消 耗 煤 量 達 500~1000 萬 噸， 資 源 將 不 堪重負。 ( 三 ) 海 洋 環 境 污 染： 海 水 淡 化 所 排 出 的 大 量 濃 鹽 水， 含 鹽 量 一 般 是 海 水 的 兩倍，且溫度高於海水，通常直接排入 海洋中。因此廢海水中的熱能會使局部 海域水溫升高，導致某些浮游生物急遽 繁殖和高度密集，造成海洋生物大量死 亡。海水水溫的升高還會使海水中的溶 氧量降低，影響生物的新陳代謝，甚至 使生物群落發生改變，破壞海洋生物的 棲息環境。 ( 引用於財經知識庫 )

聖地牙哥位於 Carlsbad，全美最大的海水淡化場南加。

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海水淡化的技術 :

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實驗設計

海水淡化設計 海水淡化 Water Cone 圖 1 Water Cone 使用情境圖

圖 2. Water Cone 倒出乾淨蒸餾水

獲 得 2007 年 度 National Energy Globe Award 國 際 能 源 創 意 獎 的 Stephan Augustin，是德國寶馬集團的設計師，他所設計的低成本的淨水器 Water Cone 是使 用塑料板為主要材質，經過防紫外線與耐磨處理下可在陸地與水上使用，其原理是依 靠太陽能與水蒸氣的自然物理現象，將海水注入後在高熱下將水蒸氣集結，並可過濾 海水中的鹽分，因此一天下來可獲得約 1.6 升的飲用水。而之所以采用錐形設計，是 因為在寶馬的風洞實驗室裡接受過最大風速 55km/h 的考驗，除了颱風天外，非常適 合各種天候下使用，此外防海水侵蝕的特殊材質，在正常操作下可使用五年之久。

逆滲透海水淡化

薄膜淡化技術則以逆滲透法（reverse osmosis, RO）為 主，是海水淡化技術的新主流，目前約有 6 成的淡化廠 採用，且比重逐年提高。逆滲透法盛行的 主要原因在於建廠快速、消耗能源較少、 操作容易，大型逆滲透海水淡化廠的興建 費用與產水成本已經低於其他海水淡化製 程。 圖 3 澎湖馬公的逆滲透海水淡化機組

圖 4 逆滲透海水淡化流程

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生存設計 Survival Design

急難太陽能海水淡化器

自然光線透過凸透鏡照射聚焦於金屬桿上一點，使之溫度 快速上升，並用滴管將海水滴入，當海水接觸到高溫金屬管 時快速汽化，蒸餾過濾且至集氣罩中行程可使飲用淡水，可 有效地殺死水中細菌等有害物質。

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實驗設計

圖 1 海水淡化器示意圖

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生存設計 Survival Design

研究方法 研究方法與流程 本研究旨在探討產品設計師在當環境缺乏公共建設或該建設無法供應滿足 人類飲水基本生理需求問題進行設計與研究。

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生存設計

預期成果 將以上序之設計方針導入創新設計流程，先將各 需求項目分析歸納出三階 :

海水淡化案例分析

海水淡化設計思維

水淡化設計思維

根據第二章文獻探討

了解現今環境未來所面挑

最後以執行設計的方式做

所歸納出海水淡化產

戰的與轉變並考慮周遭環

為案例驗證。本段驗證的

品 特 徵 優 缺 比 較， 彙

境因素，參考相關文獻進

形對研究法以澎湖水資源

整並逐一分析、篩選。

行實驗，將實驗數據進行

為 產 品 設 計 主 題， 以 最

期望能進一步歸納該

紀錄並加以修正改進。

終歸納的產品設計要素，

產 品 主 要 要 點， 作 為

並從活動中進行設計與修

後續研究之主要參考

改。

檢視條件。

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生存設計 Survival Design

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生存設計

參考資料 1.Union of Concerned Scientists, IPCC SREX, 2012

http://content.cdlib.org/view

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ct.asp?xItem=22834&CtNode=5344

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