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大禹治水   疏導重於圍堵       天道治水   涵養更甚於疏導

  防洪治水及水資源的儲存保護自古以來即成為人類在開疆僻土過程中,為保持既有建設成果最大之困擾;其原因主要在於土壤滲透係數太低,或存在相對不透水層,因此雨水容易經由 地表流失,但是土壤之含水量一但達到飽和,卻同樣很難迅速排放出來,產生地層軟弱滑動、崩塌下陷之後果。

  頃近一再發生的美濃水庫抗爭、汐止水患、神木村土石流等,都再再證明傳統上以人定 勝天、急功近利、巧取豪奪的方式所建造的堤防、水庫,粗暴的企圖將萬物所賴以滋生 的雨水圍堵專供己用的歐美科技,最終將面臨大地的反撲。事實上堤防也許可以防止十 數次的小水災,但卻無法抵擋水位年年增高且必然發生的大水災,而且大自然將一次就 連本帶利的摧毀收回,更令人扼脕的是雨季時堤防固然迅速排水,卻導致旱季又有無水 可用的困境;至於水庫,美國自從1930年起大量建造水庫,並以人定勝天而自豪,但卻 於1980年起,即停止建造並逐漸廢除,因為最終評估的結論竟然是得不償失!

  其實大自然原本的機制是一種聚沙成塔、潛移默化、循序漸進的過程,森林綠地遍佈地 底的毛細根鬚,迅速吸收了大部分的豪雨,減少地表水流,降低洪水成災的機會,而且 毛細根鬚所導入土壤的水分將逐漸擴散滲透、過濾沉降至地下水層,形成安全無虞、潔 淨無比的超大型水庫,乾旱期間再逐漸釋放回歸河川湖泊;這種一舉兩得、順天應人的 智慧卻因為人類開疆闢土的野心,濫墾濫伐而破壞殆盡,即便立即提倡保林造林亦將因 為百年樹木時間太久而顯得緩不濟急,因此,開發一種以人為方式模擬樹根毛細吸水作 用的材料,大量植入集水區,立即恢復裸地吸水功能,勢必成為二十一世紀解決淹水、 缺水及地層下陷、土壤液化等諸多問題的不二法門。

  僅以10公里見方的土地面積來說,若能使深度10公尺以內的土壤含水量增加20﹪則可蓄存二 億噸的雨水,河川洪峰水位不但得以大幅降低,更可提供台灣兩千萬人口兩個月的用水 量,而其埋設費用僅及建造堤防水庫的數分之一而已,由此可見利用大地本身為蓄水庫 其效益潛力驚人,但先決條件必須開發一種能耐強大土壓及永不堵塞的毛細透水材料。

  此外,缺水地區的農業發展因為地面灌溉必然伴隨大量的蒸發損失及浪費,因此勢必發展出一種地下供水材料及方法,該材料必須長期使用不被泥沙、根鬚堵塞,水量可藉毛細作 用而均勻分布,且能同時用來控制水位,避免植物窒息生長不良。

  此外擋土牆、鐵公路、隧道、新生地等工程發生災害事故,追究原因大多與土壤大地的排水 不良有關,本發明利用大自然原有機制及四種物理現象 【毛細力】【虹吸力】【表面張 力】【重力】 來解決大自然所造成的問題,將可為二十一世紀同時解決水資源不足及水 患不斷等災害作出巨大的貢獻。

 

本研究發明之目標及其說明

  大地土壤之透排水,自古以來即成為人類在開疆僻土過程中,為保持既有建設成果最大之困擾;其原因主要在於土壤透水係數太低,或存在相對不透水層,因此雨水對大地滲透的速度固然緩慢,但是土壤之含水量一但達到飽和,卻同樣很難迅速排放出來,產生地層軟弱滑動、崩塌下陷之後果。

  此外,由於道路、建築物等建設不斷的擴增,森林綠地砍伐破壞殆盡,使原本具有涵養水份能力的土壤面積大幅減少,豪雨時全部逕流匯集為地表水流,造成頃近發生之汐止水患、林肯大郡、信義村土石流等災變,人民生命財產之損失無數,全國人心惶惶卻束手無策。

  其實早在數千年前,大禹治水即已發現水流只能疏導,不可硬擋之道理。如今歐美科技亦不斷發展出各式各樣符合導水觀念之透排水材料,但由於土壤中遍佈各種粗細級配顆粒,對目前所開發出來的透排水材料均無可避免的產生淤積堵塞、日久失效之後果。有鑑於此乃利用【毛細力】【虹吸力】【重力】【表面張力】 等四種大自然現象,設計出一套模擬大自然生態機制、防堵塞、促進排水、低成本、易施工、突破傳統思維之排透水材料。

  本毛細透排水帶由於毛細功能類似樹根,垂直埋設,豪雨時可如同樹根涵養雨水迅速滲入地下儲水層,避免大量地表水之流失、沖刷、洪澇等問題;水平埋設於植物根部下方,毛細現象可定時適量自動輸送水份、營養液等,避免過量、蒸發等耗損;此外更可應用於高爾夫球場、公園綠地、屋頂花園、擋土牆背面水平垂直排水、山坡地開發之水土保持、建築物地下室之防水及排水、新生地或軟弱地層之預壓排水、鐵公路路基及路肩排水、垃圾掩埋場汙水處理、自來水場沉澱池等一般用途。

 

排 水 原 理

   傳統設計上,透水管材大致於管截面上半部開設小孔或槽溝作為進水孔,下半部無孔盛接進入水流,並將進入水流導引朝向出口排放,埋設時開孔部朝上,四周須包覆級配沙石層、不織布等過濾層,再覆土一公尺以上滾壓夯實,該設計使土壤內之細顆粒無可避免的因重力隨同進水水流滲入透水管內,同時也逐漸在管外開孔處或過濾層週邊產生淤積,終至完全堵塞為止。

本發明則一反傳統改採薄片式軟質橡塑膠材料,其上開設密集槽孔【參考附圖】,槽孔設計上為內大外小,且埋設時溝槽面向下,如此一來,當土壤內飽含水份時,由於圓孔直徑約為1 mm ,而溝槽寬度只有0.3 mm ,產生毛細現象,迫使水流自行由下往上倒吸進入毛細導管內(注意: 水流之行為一如電流, 永遠趨向阻力最小處流動) 如此一來,土壤中被水流夾帶之顆粒將因重力自行向下沉澱過濾,達成第一道防堵效果;且溝槽進水口寬度較導水毛細管直徑窄小許多,就算有少數漏網之魚的細小顆粒進入,不是再度從溝槽向下沉降回歸土壤,就是隨同管流向外出口排放( 因溝槽寬度極小,即使有能進入毛細管內之顆粒,相對於毛細管較大之直徑而得以順暢流出) ,如此得以避免淤積之現象發生,產生第二道的防堵效果;此外,細長狀槽溝本身較個別分離孔洞設計更不易堵塞,產生第三道的防堵效果。

但是,朝下之溝槽既能進水,理論上也必因重力造成回漏之後果,此時本發明則巧妙利用表面張力現象使水流在窄溝槽上自動形成封閉水膜,防止回漏;當水開始進入帶体內部時,毛細現象會自然而然對土壤中之水份產生抽吸之效果,直到灌滿、封閉並開始朝出口向外排放;當水流順坡而下到達出口溢出時,將因埋設落差產生虹吸現象,進一步對土壤內部產生抽吸負壓,大幅增加吸排水之效率。

本發明巧妙的利用四種大自然力量【毛細、虹吸、重力、表面張力】 自動達成吸水、過濾、封閉、排水等動作,但其結構亦極為精巧細密,主要的困難在於厚度僅2mm 的軟質薄塑膠片上,必需每隔1.5mm開設1mm 直徑之毛細管,每根毛細管再縱向剖開0.3mm寬度之槽溝,本發明人歷經多年無數次之失敗才得以開發成功,並經2 年之模型試驗,確定其實際應用效果,並與多位學者專家討論該設計可能發生之疑慮,茲大致歸納如下:

一、 耐久性 : 由於本發明可採一般PVC、HDPE等聚合材料成型,不腐朽,抗紫外線,成本低,百年不壞
二、 青苔滋生性 : 青苔生長之要件為陽光,才得以進行光合作用,埋設於土壤中之透水材料應無該項顧慮,且本透水帶必要時可於生產製造過程中加入抗霉菌材料
三、 水垢附著性 : 水垢之形成一般為高溫冷卻後,鈣離子迅速還原形成,如鍋爐管,其內壁須定期除垢, 土壤中則無高溫環境之可能;且本發明之結構設計為底部開孔,游離鈣亦將因重力沉澱回歸土壤

 

特 性 優 點

 

1. 不易堵塞 :一勞永逸無後續保養維護之困擾。
2. 主動排水 :利用毛細力及虹吸力產生負壓式的主動排水方式,效率遠優於傳統自流式排水。
3. 高滲透性: 開孔率25﹪ 以上, 透水係數0.2cm/秒 以上,抗拉力、抗穿刺力等物性均遠優於任何傳統設計。
4. 有效集水面積更大 :以同体積、同重量之材料相較,本發明為平面式,遠比管狀的集水面積為大。
5. 抗土壓力強 :從斷面來看,本發明結構上類似拱橋原理,能承受極大之土壓,施工上甚至容許直接滾壓夯實。
6. 不需級配砂石濾材 :傳統透水材施工上無可避免的須大量級配砂石作為過濾層,本發明則可直接埋設,在砂石日漸短缺的今天,意義尤為重大。
7. 儲存、施工容易 :本發明可製成大面積片狀或長條形捲筒狀,不佔空間,易於儲存、搬運、施工。
8. 防洪抗旱功能 :由於毛細功能類似樹根,本發明亦可垂直埋設,豪雨時可模擬樹根吸收雨水 滲入地下儲水層,避免大量地表水之流失、沖刷、洪澇等問題。
9. 灌溉功能 :農業須大量水源,傳統上渠道、噴灑、澆灌等灌溉方式,太過浪費,本發明亦可埋設於植物根部下方,利用毛細現象定時定量輸送作物生長足夠之水份、營養液等,避免流失蒸發。
10. 用途廣泛 :高爾夫球場、運動場、棒球場、公園綠地、農業園藝、屋頂花園、擋土牆背面水平垂直排水、山坡地開發之水土保持、整地工程地下排水、垃圾掩埋場汙水處理、自來水場沉澱池、鐵公路路基及路肩排水、崩塌地排水處理、隧道工程排水、建築物地下室之防水及排水、低窪潮溼地或受鹽份影響土地之排水、新生地或軟弱地層之預壓排水、土壤液化之防範、水庫堤防之滲漏水處理 。

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