可否解台灣的渴？
作者／蘇志杰（詳細介紹見《科學人》）。
2023 年 7 月初，美國國家環境預測中心（NCEP）數據顯示，全球平均氣溫已連續創紀錄，而且紀錄恐怕還會持續被打破。聯合國秘書長古特瑞斯（António Guterres）於 7 月 27 日在聯合國總部嚴正警告：「全球暖化的時代已經結束，全球沸騰的時代（era of global boiling）已經來臨。」我們正見證著，極端氣候成為未來生活的日常，而「全球沸騰時代」造成地表水循環速度加快，並引起頻率逐漸提高的暴雨、洪水與乾旱，這意味著水資源的取得將會越來越不穩定。
過去幾年，台灣也受到全球極端氣候的影響。最明顯的現象之一，即為自 2000 年以來的百年大旱。直至今年 7 月 27 日，睽違了四年，終於盼到第一個發佈陸警的杜蘇芮颱風，緩解下半年水庫缺水的困境，但在長期極端氣候影響下，對於旱象的紓解卻不見得有太大的助益。聯合國把台灣列為全球缺水排行榜第 18 名，隨著極端氣候影響加劇，水資源不足對於國家的永續發展是重要的限制因子。
其實，自古以來海底地下水輸出在世界上許多沿海地區都是重要的水資源，例如古羅馬人會從船上自海底湧泉中取水飲用。海底湧泉在沿海的社會中，也具有重要的文化意義，例如印尼有間位於潮間帶湧泉上的印度教海神廟（Tanah Lot）便擁有大量的朝聖者和遊客。海底地下水輸出雖然早在 1970 年代即被提出，但直到 2000 年以後才成為重大的關注議題。
台灣的水資源主要來自於降雨，包含可蓄積於水庫、河道及埤塘的地表水與經補注進入地層的地下水。但長期的社會經濟發展、土地使用失序及氣候變遷導致土壤侵蝕加劇，造成水庫與河道系統淤積。為了滿足用水需求，地下水成為不得不的選擇，卻也加速了地層下陷、水質鹽化等問題。不同於地表水系統，地下水的補注所需時間長，因此在使用上有其限制。台灣為海洋島嶼，除了傳統水文地質學關注的陸地淡水資源，是否還有其他選擇？〈海底下有淡水！可以喝嗎？〉便介紹了未來水資源的可能選項。
台灣的海底地下水調查研究
目前在台灣從事海底地下水調查研究的人不多。台灣大學、中山大學、中央研究院、成功大學等數個團隊都陸續對台灣周邊進行相關的調查研究，特別是針對宜蘭及高屏沿海地區。
如何探查位於海底地層中的水體？前文作者的團隊使用了「受控電源電磁法」（controlled source electromagnetic, CSEM），傳統上為石油工業用於海底下的石油探勘。藉由沉積物中孔隙水的鹽度變化產生的導電度差異，來辨識出地層中是否具有較淡的水體。台灣是否具有如前文提及形成於上次冰河時期的淡水海底地下水體？台灣鄰近的台灣海峽及東海陸棚，在 LGM 都是出露的陸地，是值得進一步引進如 CSEM 等地球物理技術調查的未知之地。
▲鳥瞰採樣點：為高美濕地，A 為時間序列採樣站位，B 為清水大排排水口取樣位置，C 為大甲溪採樣點，D、E 及 F 為高美濕地自流井地下水採樣位置，G 為高美濕地外海海水採樣位置。
高美濕地：台灣首次應用氡及鐳同位素進行海底地下水研究
除了地球物理方法，調查海底地下水還有許多方式，國內目前大部份是使用滲流儀及地球化學示蹤劑輔以水文地質模型來進行研究，多數研究是著重於現象的驗證與輸出量估算，對於時序性變化與驅動力的討論仍少。時序變化主要與乾濕季的降雨輸入有關，驅動力則與來自陸地（水力梯度、密度梯度、熱梯度）或海洋（潮汐、波浪、海水面變化）作用有關，藉此可了解海底地下水的輸出方式，特別是估算使用水資源的效益及取水限制至關重要。
許多研究指出，沿海濕地位於陸地水體與海水強烈交換區，大量的物質交換對於生態與環境的衝擊甚大，因此我們選定，位於大甲溪出海口南側，具有大潮差、淺地下水層及鄰近調查區有自流井井位（參見下圖「潮汐之力」），推測為海底地下水輸出高潛能區的高美濕地做為研究地點，並在 2020 年發表了應用天然放射性核種氡（Rn）及鐳（Ra）同位素，進行高美濕地海底地下水輸出的研究成果。氡及鐳同位素具有兩個重要的地球化學特徵：其一是，氡及鐳同位素於地下水中富集程度較高；其二是化學性質保守，氡及鐳同位素於水體中的活度僅受控於放射性核種的生產率、衰變率、及不同水體之間的混合比例而改變。研究結果指出，濕季的海底地下水輸出通量高於乾季，而潮汐作用（tidal pumping）為高美濕地海底地下水輸出的主要驅動力。
▲潮汐之力：利用氡 222 質量平衡模式計算出乾季（上圖）及濕季（下圖）海底地下水輸出通量變化，結果顯示低潮位時具有高的輸出通量，而高潮位時則輸出通量低（折線圖為地下水輸出通量）。
永安臨海工作站：未來水資源調度的潛力股
2021 年，在中央大學應用地質所王士榮教授的邀請下，台灣大學團隊參與永安臨海工作站潮間帶海底地下水輸出位址的研究。不同於過去的調查地點，永安其潮間帶主要由礫石組成，於近岸區域上覆粗砂，退潮時沙灘上仍可見地下水體冒出，潮間帶的觀測井持續湧出淡水，顯示陸上的地下水層向海延伸部份持續有著淡水輸出。這些位於沿海地區，與陸地地下水層相連的水體，不論是淡水亦或是半淡鹹水（brackish water），都具有成為未來水資源的潛力。
▲神秘水流：中央大學永安臨海工作站，可見低潮位時，潮間帶仍有淡水持續流出。
▲源源不絕：永安臨海工作站上的觀測井，淡水從底部開口持續湧出。
太平島：環礁之下，來自末次冰盛期的海底地下水
位在台灣國境極南之地的太平島，是極重要的海底地下水輸出的研究地點。自小教科書即提及，太平島是南沙群島中最大且唯一具有淡水資源的天然島嶼。關於島上淡水資源，過去一直以海洋島嶼淡水透鏡體的形成理論解釋。這個形成理論，在於小型海島由於淡水與海水的密度差異，淡水地下水會以透鏡狀的形式漂浮在海水上方，成為重要的淡水資源。
▲深海淡水：2023 年勵進研究船 LGD2306 航次，於深水區 CTD05、T6、T7 進行分析，顯示在水深 150 公尺以上海水中具有高活度鐳 224，代表此處有海底地下水輸出，其中紅色線為太平島險礁區。
為了要評估太平島上的淡水資源，2016 年起，台灣大學的團隊在經濟部礦物局、內政部地政司及海委會國家海洋研究院的支持下，分別於太平島的 5 號及 7 號井設置溫度、鹽度探針及水位計。然後，每年登島進行水井及碼頭區的水體採樣，進行基本水質及天然放射性鐳同位素的分析。令人訝異的是，太平島近岸及碼頭區的分析結果顯示，這裡有超量的鐳 224，意味著有海底地下水輸出（參見上圖「深海淡水」）其主要的驅動力亦為潮汐作用（參見下圖「太平島的水」）。
▲太平島的水 ：超量鐳 224 分析結果顯示，潮位高低（黃色線）與放射性核種活度值大小成反向關係，海底地下水輸出的驅動力為潮汐作用。
▲太平島的海 ：2020 年 4 月 11 日至 13 日，台灣大學的研究團隊於太平島碼頭區進行海水時序分析採樣。
2023 年 5 月，我們再次造訪太平島。與先前不同，除了太平島的碼頭區及鄭和環礁內，我們在鄭和環礁外的深水區同樣進行海水的採集及鐳同位素的分析工作。初步分析顯示，鄭和環礁外也存在海底地下水輸出的訊號。此外，太平島上井水的碳 14 年代（參見下圖「太平島的井」）顯示：太平島 5 號井與 9 號井的水體為現代天水（meteoric water，指的是由降雨而來的水，也包括間接來自降雨的湖泊、河流、融冰等水體）。7 號井與 10 號井除了現代天水，尚有另一個來源。考量 LGM 全球海水面較今日低約 120～140 公尺，估計當時鄭和環礁出露面積約為 2,247 平方公里，接收雨水的面積遠大於目前的太平島（0.51 平方公里），這些積存的水體一直儲存在鄭和環礁下，並持續輸出至上覆海水中。
▲太平島的井 ：近年多次採樣太平島的井水，以碳 14 分析推測井水的年代與來源。
由於海底地下水輸出通常較周邊海水具有更高的營養鹽、更低的 pH 值、溫度和鹽度，對於珊瑚礁的生態系統代謝途徑和反饋具有重要影響。雖然太平島與台灣相距 1,600 公里，但海洋中的任何變化，不會受到距離的限制。我們可以在全球視角下，了解海洋在全球的環境、生態變遷中扮演的角色。
禍兮福之所倚，福兮禍之所伏
海底地下水輸是具潛力的未來水資源，在海陸物質交換上亦為重要角色。不同於河流輸出的地理位置固定，海底地下水輸出沿海岸線的分佈難以掌握，伴隨的營養鹽或污染物輸出可能對海洋生態環境造成衝擊。
海底富含流體的沉積層，常因為地震、風暴等外力作用引發沉積物液化，進而導致海床遭到破壞。2006 年屏東地震、2009 年莫拉克颱風及 2010 年甲仙地震後，連續幾年的災難，讓海底電纜沿著高屏海底峽谷及枋寮海底峽谷發生斷裂。2014 年台灣大學的研究團隊於枋寮海底峽谷頭部東側進行水下地形繪製（參見下圖「天然災害」），發現海床上出現西北—東南走向的沉陷地形，而此地形西北端下方即為屏東地震發生後第一條海底電纜斷裂的位置。而底質剖面儀資料亦指出，此一沉陷位置下方地層中出現沉積物液化構造。
▲天然災害：幾場天災導致台灣西南海域的海底電纜多處斷裂和海床沉陷位置相同，沿沉陷區下方地層甚至有沉積物液化構造（右下圖的白色區塊，即為液化產物）。
2017 年 5 月台灣大學團隊與美國蒙特利灣海洋研究所（Monterey Bay Aquarium Research Institute, MBARI）合作，利用自主式水下載具（AUV）對前述位置進行了高精度的地形測繪（參見下圖「深海測繪 」）。結果顯示，在這裡的沉陷區周邊遍佈彗星狀流體噴氣口結構，而表水水氡活度顯示，此一沉陷區也是海底地下水輸出的高潛勢區。
▲深海測繪 ：利用自主式水下載具（下方照片）下潛至高屏外海 進行海床測繪（紅框區），以了解屏東地震與多次天災後海床 的沉陷狀況。此法所得的解析度相當高，精度可達一公尺。
以科學為基礎研擬政策
海底地下水雖然具有成為未來水資源的潛力，但也有一些待解決的議題。不論是陸上或海底地下水資源，其形成及補注都需考量到氣候、地質、海洋及其過去的使用歷史，如同其他的自然資源，絕非取之不盡用之不竭。若做為水資源，將海水淡化技術應用於鹽度相對較低的海底地下水，的確深具潛力。但如同我們在台灣的案例，伴隨著海底地下水體的存在，也可能潛藏著引發海洋生態亦或是海床災害的可能性。只有透過詳實的科學調查與反覆論證，才能提供未來在政策擬定及施行上的堅實基礎。
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