國立高雄大學人工溼地計畫對校園整體發展之效益評析
A Comprehensive Cost-Benefit Analysis of Constructed Wetland on
Campus Development of National University of Kaohsiung
黃世孟1、袁菁2、連興隆3、葉琮裕3 1 國立高雄大學都市發展與建築研究所教授 2 國立高雄大學土木與環境工程學系 副教授 3 國立高雄大學土木與環境工程學系 助理教授
摘要
本研究利用教育部九十二年度補助「永續大學推廣計畫」之經費，於國立高雄大 學週邊設置一套人工溼地系統，以處理環校水域受污染之水質（丁類水體）。此 一系統是由四組獨立之人工溼地串聯而成，分別為：氧化塘暫存池（90 m2）、第 一個 FWS 溼地（252 m2）、第二個 FWS 溼地（500 m2）、第三個 SSF 水平流溼地 （252 m2）、及第四個 SSF 垂直流溼地（344 m2），每一區塊之平均水力停留時間 約 3-5 天。預計處理水量為 140 CMD，處理目標是達到符合校內次級用水所需 之水質標準。由成本分析估計得人工溼地在 30 年操作過程中之總成本，約為傳 統污水處理系統之 1/2。人工溼地系統除了提供成本低廉之校內次級用水外，不 論是在校園景觀規劃、教師教學研究、社區環境教育、休閒遊憩、與生物多樣性 之永續發展等各面向皆具有相當程度的貢獻。一、前言
高雄大學設校以來一直以『永續』與『生態』議題作為校園的規劃準則，並 秉持著「綠色大學」的精神來打造這所台灣在千禧年所新設立的高等學府。除了 在校內規劃了大面積綠地，並在校園西區運用植栽佈置技術、施工技術模擬各類 型棲地環境如：親水空間生態池、亞熱帶闊葉生態密林等作為校園生態系統的復 育基地。另一方面，高雄大學利用校內全區之污水處理系統結合雨水收集回收再 利用，成功的建立了一套能提供校內次級用水（如澆灌用水、廁所衛生用水）之 中水系統，每年總節水量約 62,300 m3，回收比約 55.4%，估計相當於每年節省 約 80 萬台幣水費。 電話：07-5919378 傳真：07-5919376 Email：[email protected]高雄大學校園總體規劃的三項理念，即開放式的校園、可閱讀的校園、環境 復育的校園。校地面積 82.5 公頃的高雄大學校園，校地實際取得於「國立高雄 大學特定區都市計畫」中，約 340 餘公頃區段徵收範圍內的公共設施用地（圖一） [1]。大學創校初期的規劃理念，已將校園定位為大學城中的開放空間。因此， 校園發展朝無圍牆的大學校園規劃方式，清楚定位「開放式的校園」發展理念， 發揮了當前校園風格之特色。創校歷史淺短的高雄大學，反而珍惜與校園相關的 人文、歷史、社會、產業、環境、基地或建築物的任何資訊，校園規劃與建設方 案中，經常將興建工程的經費，創造課程與學習的機會。此外，由於國立高雄大 學是在很短的時間內，大量的填土造地，所形塑完成的新大學城。其興建方式完 全改變了原始地貌的水系，人文社會的農漁產業型態，以及自然生態的生物棲息 地，故使本校在發展過程中更重視環境復育，並將校園視為一生態復育場址。 圖一、國立高雄大學與特定區之行政位置圖
二、計畫緣起
利用教育部補助之永續大學推廣計畫，本校秉持著高大校園即是水與綠建設 計畫最佳實驗場所之精神，將校園視為一天然淨化處理場。在開放校園理念下， 嘗試將環校週邊水域之污染水體淨化後，除了提供校內次級用水所需之外，更近 一步提供未來社區相關次級用水之需。高大環校週邊水域主要是由流經典寶溪流 國立高雄 大學位置 國立高雄大學特定 區都市計畫區域之黑橋大排，與橋頭第一大排灌溉溝渠以及後勁溪支流所構成，如果水質良好 將會是極佳的親水區域，然而由於上述水體流經工業區及畜牧業發達之地區，水 質依河川污染指標評估常常列為嚴重污染水體，多數時間是在未能符合丁類陸域 地面水體標準之狀況（表一）[2]。故決定以兼具處理功能與環境教育意義之人 工溼地，來達成淨化高大環校水體水質之目的。 表一、環校水域之水質現況（黑橋大排）[2] 水質參數 測值 pH 7.9 溶氧量 (mg/L) 2.0 懸浮固體 (mg/L) 383 生化需氧量 (BOD5, mg/L) 41.9 氨氮 (mg/L) 19.4 總磷 (mg/L) 2.43
三、文獻回顧
（一）人工溼地天然處理系統(Natural treatment systems)是一項開發相當早的廢水處理技術 [3]。遠在十九世紀，歐洲即有利用當時稱為下水道農場(Sewage farm)的設備來處 理生活污水。天然處理系統利用自然界各式各樣的物理、化學、生物程序，包括 沉澱、過濾、氣體交換、吸附、離子交換、化學沉澱、氧化還原、光分解作用、 微生物降解、植物吸收等，來達到處理污染廢水之目的。常見的天然處理系統包 括：（1）以土地作為處理基地的系統(Land-based treatment system)如漫地流 (Over-land flow)，及（2）以水域作為處理基地的系統（Aquatic-based system）如 天然或人工溼地等。這一類的處理方式是將天然的系統視為一「生態反應器」 （Ecosystem reactor），其處理過程基本上也是以自然淨化速率進行，故效率較 低、土地面積需求較高，因此在 1950 年後漸為污水處理廠取代。此外臭味與蚊 蠅的滋生亦是此工法的潛在缺點之一。
有 鑒 於 「 永 續 發 展 」 已 成 為 世 界 各 國 的 共 識 ， 以 綠 色 科 技 （ Green technology ）、 與 生 態 工 法 （ Ecological engineering ） 等 環 境 友 善 的 技 術 （Environmental-friendly technology），來處理環境污染的問題，已成為國內外各 相關領域及政府機關相當重視的議題。人工溼地除了其工程實用上的價值外，其 特有的人文社經與教育等價值因此而得以被重新正視。
人工溼地為一窪地環境中內含砂石材質、水生植物、微生物及其他棲息 動物所構成之生態系統。一般區分為表面流動式(Free water surface, FWS)以及表 面下流動式(Subsurface flow, SSF)兩類型，利用前述之天然物理、化學及生物程 序，在不需能源輸入（或極少量外加能源）下達到淨化水質的效果[4]。此一工 法之技術層次低且操作維護需求低，因此能節省能源、降低操作成本且不會破壞 生態。人工溼地在植物種類選擇上，一般考慮能快速生長、容易移植、根系寬廣、 可適合生長於不同深度之植物為主，是否為原生植物並不是選取重點，常見的有 香蒲、蘆葦、薹草、燈心草、水芙蓉等。使用多種植物於人工溼地教單一植物種 類為佳[4]。 人工溼地除可做為輔助污水二級處理之後續再淨化處理（Polishing）外，已 被廣泛應用於生活污水、農業廢水、酸礦排水(Acid mine drainage)、垃圾掩埋場 滲出水、學校污水等[4-10]。其可處理之污染物包括一般耗氧性污染物（如 BOD/COD）、懸浮固體、氨氮、磷酸鹽、大腸桿菌、重金屬、毒性物質（如農藥、 除草劑 2,4-D）等。一般而言，人工溼地對生活污水 BOD 的處理效率約在 50-96% 之間；對懸浮固體的處理效率約在 45-86%之間；對氨氮的處理效率約在 16-99% 之間；對磷的處理效率約在 7-54%之間；對致病菌的處理效率則高達 90-99%[4]。 此一數據顯示，人工溼地在處理污水時因受限於各處理場址本身之特殊性或變異 性，其處理效果將有極大的差異。因此在設計時所需考慮之因子繁多如：氣候、 水質、水力條件、植物種類等。雖然國外已有完整之設計參數，本土化數據也在 這幾年當中在國內相關學者如嘉南藥理大學荊樹人、林瑩峰教授[e.g., 7-8]；中山 大學楊磊教授[e.g., 9]；雲林科技大學袁又罡教授等人的努力之下已見規模[e.g., 10]，本文仍針對相關設計參數做一說明。人工溼地之主要設計參數有（表二）： 水力停留時間、BOD5負荷、水力負荷、溼地尺寸、水深[3]。 表二、人工溼地之主要設計參數值[3] （二）效益評估方法 設計參數 人工溼地型態 表面流動式(FWS) 表面下流動式(SSF) 水力停留時間（天） 4-15 4-15 BOD5負荷（Kg/ha/天） <67.25 <67.25 水力負荷（m3 /m2/天） 0.014-0.047 0.014-0.047 長寬比 10:1 **** 水深（cm） 10-60 30-75
環境議題常常面臨到最大的問題是環境福利（welfare）的量化問題。我們知 道七股溼地的價值，知道黑面琵鷺的無價的價值(Priceless)，但是當在七股設立 高科技廠區或石化加工出口區等能夠製造出就業率，能夠計算出獲利等所有經濟 數據一一列出後，便顯的無價之寶的黑面琵鷺無從定價起。因此，在環境經濟學 的領域中衍生出如排放許可交易價格制度、碳稅等環境計量方法。嘗試如何將環 境福利做適當的量化則為本文重點之一。表三為歸納文獻資料所得之效益評估方 法，其中雖然市場價值法為最能將環境福利市場價格化的方法，但是其應用之限 制也最高；另一方面，著重於傳統陳述性的方法雖然在量化上無法價格化，但也 可藉由其他量化指標來突顯其重要性。 表三、常見之效益評估方法一覽表[5] 方法 應用性 說明 適用對象 備註 市場價值法 直接估價 人工溼地之產品或服務可 被市場流通貨幣估價 處理水量 量化之指標 最佳，但可操 作性最低。 損 害取 代成 本法 間接估價 因某理由以致於在缺乏人 工溼地情況下，所造成之 損害，需復原至損害前之 情況所需花費之成本 防洪控制 旅遊支出法 遊憩 人們願意到人工溼地參觀 所需花費在交通上的時間 與金錢，可相當於人工溼 地之價值 交通費支出 地價增值法 間接估價、 未來價值 因為人工溼地改善景觀、 環境、水質、空氣等，所 增加之土地價值可相當於 人工溼地之價值 不適用校區 人工溼地 附加價值法 間接估價 使用者來參觀人工溼地所 願意支付之金額 門票收入 不適用校區 人工溼地 歸納說明法 無法以貨幣 質量化，但 或可以其他 數據說明 皆適用 量化指標最 差，但可操作 性最高
四、結果與討論
(一)人工溼地設置 本研究之人工溼地佔地面積約 1400 m2，由四組分別獨立之溼地串聯所構 成，分別為：氧化塘暫存池（90 m2）、第一個 FWS 溼地（252 m2）、第二個 FWS 溼地（500 m2）、第三個 SSF 水平流溼地（252 m2）、及第四個 SSF 垂直流溼地（344 m2），每一區塊之平均水力停留時間約 3-5 天（圖二）。預計處理水量為 140 CMD， 處理水體為環校水域之黑橋排水灌溉溝渠。由於校園地基之高程遠高於水體，故 採用太陽能發電之抽水馬達取水至於具氧化塘功能之暫存池，再利用重力流的方 式輸送至各串聯之獨立溼地進行處理。 抽水井 變電站 電塔 入水暫存池 (90.8*0.75=68.1T) 第一FWS溼地 (7*36=252m )2 (5.2*17.4=90.48m )2 第三FWS溼地 蓄水量:252*0.6=151.2T 停留時間:3天 日流量:151.2/3=50.4T 第二FWS溼地 (8.9*56.2=500m )2 蓄水量:500*0.6=300T 停留時間:5.95天 日流量:300/5.95=50.4T 瀑氣區 (7*36=252m )2 蓄水量:252*0.6=151.2T 停留時間:3天 日流量:151.2/3=50.4T 溼地觀察廣場 生態溪流 SSF溼地 (水平流) 生態溝渠A 生態解說廊 溝渠B 生態溝渠C (8*43=344m )2 學生當量:50.4Tx20=1008人 校舍樓地板當量:1008x13=13104m2 圖二、人工溼地預定設置區域(a)平面配製圖、(b)校園相關位置圖、(c)剖面圖。 瀑氣區 第三FWS溼地 +30 +120 第二FWS溼地 +100 +40 +80 +50 -10 +50 入水暫存池 +90 +190 +190 (68.1T) +170 +120 現有道路 +80 +40 +120 第一FWS溼地 +120 +100 (應用連通管原理) (水平流) 生態溝渠 +10 +30 +50 +30 -30 -20 生態溪流 SSF溼地(a)
(b)
(c)
人工濕地區(二)人工溼地預期效益評析 (1) 人工溼地與污水處理廠之成本分析 在處理相同污水量（140 CMD）至符合次級用水標準的條件下，以連續操作 30 年作為比較基準，人工溼地所需之成本為： 初設成本（Capital cost）=3,000,000 NTD/廠 (1) 年維護成本（Maintenance cost）= 67,500 NTD/年 (2) 故 30 年之總成本為 509 萬元台幣。其中初設成本為本溼地計畫之預定建設經費， 年維護成本為國外實場經驗值之平均數換算台幣值[6]。 污水處理廠所需之成本可以下列方程式估計[11]： 初設成本 Cp = 47899×Q0.896 (3) 年維護成本 Cm = 3442×Q0.844 (4) 其中，Q 是處理量（CMD），利用此二方程式可估算得初設成本 423.4 萬台幣， 年維護成本約 222,917 元，故污水處理廠 30 年之總成本為 1092 萬元台幣。此一 分析顯示，人工溼地在設置成本上並未比傳統污水處理廠便宜很多，然而在後續 之操作維護成本卻遠低於傳統污水處理廠，故以 30 年長期之操作而言，人工溼 地預估機將比污水處理廠節省約 1/2 的成本（圖三）。 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 操作時間(年) 總成 本 (萬台 幣) 污水處理廠 人工溼地 圖三、人工溼地與傳統污水處理場所需成本之比較
(2)人工溼地之效益分析（表四） A.改善水體水質節省水資源 在人工溼地處理後之水質可滿足校內次級用水的水質標準下，此一處理水便 可取代以自來水作為次級用水之水源，故節省下之經費可由其相應之自來水水費 估計之。依台灣省自來水公司每度水價為 11.5 元計[12]，假設 140 CMD 的處理 水則每年可省下約 58.8 萬元之水費。 B. 教學研究課程實習 本計畫設置之人工溼地可提供相關系所教師研究教學之用，由於此人工溼地 由四組獨立之溼地系統組成，其可操作之實驗價值極高，所得之研究成果在此一 接近實場規模之人工溼地應具有代表性。其可預期之效益有：研究論文之品質與 數量及指導學生之人數可為量化指標。就課程方面而言，相關之大學部二、三年 級與研究所課程，皆可因此溼地之建立而提供實驗操作之機會。其所提供之效益 可就修課人數之學分費進行間接價值估算： 對一門三學分之「人工溼地實作」課程而言，假設修課人數上下學期共為 100 人，每人每學期修習總學分為 20 學分，每學期學費為 28000 元，則人工溼 地所提供之效益相當於： (28000 元/20 學分)×3 學分×100 人/年＝42 萬元台幣 (5) C. 社區總體營造與環境教育 高雄大學為 340 餘公頃區段徵收之「國立高雄大學特定區都市計畫」中的一 部份，社區居民將是此特定區的主要人口組成，故學校與社區的互動，教育的對 象應不限於高大學生而已，如何由學校來協助社區總體營造力量的興起，進而將 教育融入社區中，實為高雄大學責無旁貸的任務。藉由人工溼地特殊之環境意 涵，對特定區內預定之三所小學、一所中學、一所高中[1]，以及現有之援中國 小、中山高中之學生，利用高大之校園解說員志工系統，進行環境教育，使環保 教育能從根札起。 D. 校園景觀與遊憩 修飾校園週邊景觀，較單純綠美化之花園提供更多元之價值。若僅以在相同 位置進行校園綠美化之工作，則人工溼地之機會成本可視為綠美化所需之設置成 本，其值粗估約 50 萬台幣。此外人工溼地的設置可提供學生、社區人士、市民 等休閒遊憩之空間，其量化方式，可以流量率(人次/年)或附加價值法估算。
E. 生態多樣性 人工溼地提供了原生物種適合之棲地，將有助於吸引因校地開發，被迫遷徙 鳥類之返回，並增加生態多樣性。此一部分之量化可由生態多樣性指標、物種增 加或回流率估計之。 表四、人工溼地之相關效益一覽表 人工溼地之附加價值 說明 量化指標 改善水體水質節省水資源 取代自來水作為校內次級用 水水源 約 58.8 萬元 教學研究 提供相關系所之教師進行各 類人工溼地實驗，由於場址 已接近實場規模，故其數據 相當具有實用價值。 研究成果： 論文數量、指導學生 人數。 課程實習 提供高大學生、推廣進修人 士有關生態工法、人工溼地 之相關課程與現地實做。 約 42 萬/年 社區總體營造與環境教育 提供社區人士、國中小、高 中 之 環 境 教 育 實 地 觀 摩 解 說。 以「人次/年」表之 校園景觀 修飾校園週邊景觀，較單純 綠色美化之花園提供更多元 之價值。 約 50 萬台幣 遊憩 提供學生、社區人士、市民 等休閒遊憩之空間。 以「人次/年」表之 生態多樣性 提供原生物種適合之棲地， 吸引因校地開發，被迫遷徙 鳥類返回。 生態多樣性指標、物 種增加率
五、參考資料
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Wetlands,” Wetlands International and RIZA, The Netherlands.
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