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系統識別號 U0026-2707201814062200
論文名稱(中文) 結合集水區與水質生光模式分析污染負荷對水庫透明度之影響:以阿公店水庫為例
論文名稱(英文) Integrating watershed and bio-optical models for linking catchment loading to the depth of Secchi-disk: a case study in Agongdian Reservoir
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 環境工程學系
系所名稱(英) Department of Environmental Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生(中文) 李旻展
研究生(英文) Min-Zhang Li
學號 p56041251
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 198頁
口試委員 指導教授-張智華
口試委員-陳起鳳
口試委員-張嘉玲
中文關鍵字 水質模式  透明度  污染負荷  光學水質模式  整合模式 
英文關鍵字 Water Quality Modeling  Transparency  Loading  Secchi disk depth physical model  Intergrating Models 
學科別分類
中文摘要 優養化為臺灣水庫常見的水質問題,大部分被判定為優養化水庫的主因是由於低透明度所造成,低透明度又與水中懸浮固體物有關,因此為改善水庫優養化問題,在磷與懸浮物質削減的選擇上,需透過完整的污染負荷到透明度的整合模式進行評估。台灣年降雨量大且集中,加上地形陡峭等先天因素,每逢雨季便會造成大量地表沖刷流入水庫,造成水庫水質劣化,提高水處理成本、影響用水標的,須為此建立完整的水庫水質模式、針對水庫污染來源進行分析、制定污染改善方案,以改善水庫水質。本研究結合本實驗室之前期研究成果,以阿公店水庫為例,結合集水區模式、承受水體模式與透明度光學物理模式,整合為水庫光學水質模式。
阿公店水庫由於屬青灰泥岩,每逢颱風暴雨將會造成集水區土壤侵蝕流失而進入水庫,造成水質惡化與水庫大量淤積,因此設有每年定期實施空庫排淤之操作,以延長水庫使用壽命,平時則引流自旗山溪進行水庫蓄水為主。由於阿公店水庫的操作特性,本研究亦將模擬時間分為空庫排淤期與蓄水期分開討論。
阿公店水庫集水區水理模式有良好的模擬結果,率定年與驗證年之R2分別為0.953及0.757,唯逢降雨量大的情況下,入流量模擬植接有高估的情況。推估阿公店集水區污染負荷來源,包含懸浮固體物、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總磷、TOC、BOD等七項污染物,以入庫溪流(點源)、非點源及越域引水三者當中,非點源與越域引水佔95%以上,而入庫溪流(點源均不到5%,顯示阿公店水庫污染主要受集水區非點源污染與越域引水所影響。CE-QUAL-W2模擬結果顯示,當水庫進流水來源主要為降雨時,水庫污染物濃度除葉綠素a與總有機碳外,其他污染物濃度會有明顯短暫提高;蓄水期初期主要進水來源為越域引水,各項污染物濃度亦有短暫提高跡象。
透明度光學水質模式為根據水中光敏物質與當時環境光場特性進行模擬。以阿公店模擬水質進行透明度演算,空庫排淤期有較好的模擬結果,而蓄水期較不理想,原因為透明度物理模式在高透明度情況常有準確性不佳的情況發生,且由於W2模擬大量出流水導致的底泥再懸浮現象較不理想,模擬透明度值於蓄水期後期有明顯上升的異常情況,因此本研究建立之整合模式不適用模擬出現出流水導致底泥再懸浮之情況。
由三項阿公店水庫負荷主要來源進行污染削減模擬,發現以營養鹽為削減目標的策略無法有效改善透明度與優氧化指數,而透過削減越域引水之懸浮固體物與總磷,最能有效改善透明度。
英文摘要 Eutrophication is a common water quality problem of reservoirs in south Taiwan, and most of reservoirs which was identified as the eutrophic reservoir because of low transparency instead of chlorophyll-a. The cause of low transparency are mainly high concentration of suspended solids instead of chlorophyll-a. The strategy of restoring eutrophic reservoirs must be based on science as integrating watershed and bio-optical models for liking catchment loading to the depth of Secchi disk to simulate different load reduction scenarios. Therefore, this study was integrating watershed model, receiving water model and Secchi disk depth physical model to develop an integrating model.
The result of HSPF watershed hydrological modeling is acceptable. The simulated total inflow rate is close to observed inflow rate. The R2 value of calibration and validation are 0.5929 and 0.7574 respectively. According to loading estimation result, the loading constituents includes SS, NH4-N, NO3-N, NO2-N, TP, TOC, and BOD¬. The sources of pollutant loading in Agongdian Reservoir are point source from residents, nonpoint source, and cross-watershed diversion. Nonpoint source and cross-watershed diversion are the main resources with more than 95% proportion, and point source with less than 5% proportion. The variation trend of total loading is similar to precipitation change.
There are three loading reduction scenarios are simulated in this study. (1) Point source control: SS is reduced from 200mg/L to 20mg/L. TOC is reduced from 3.93 to 0.8 mg/L. PO43- is reduced from 1.33 mg/L to 0.16 mg/L. BOD is reduced from 5.92 to 2 mg/L (2) Nonpoint source control: TP and TN emission are reduced to 70% in fruit land. (3) Cross-watershed diversion control: SS is reduced to 60% and TP is reduced to 80%. In the result, the cross–watershed diversion control is the most effective one. Agongdian Reservoir is identified as eutrophic due to overloading of SS loading which leads to low transparency.
論文目次 摘要 I
致謝 VI
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XIV
第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 近年臺灣南區水庫之困境 4
2.1.1 南區水庫優養化現況 4
2.1.2 南區水庫的濁度與淤積問題 6
2.2 整合模式發展概況 10
2.3 集水區模式 13
2.3.1 非點源污染模式 14
2.3.2 非點源污染負荷推估方法 15
2.3.3 國內外非點源污染相關研究 17
2.4 承受水體模式選擇 18
2.5 光學水質物理模式 20
2.5.1 光學敏感物質 21
2.5.2 固有光學性質 22
2.5.3 外顯光學性質 23
2.5.4 生光模式(BOM) 24
2.5.5 輻射傳輸模式(RTM) 29
第三章 研究材料與方法 30
3.1 整合模式架構 30
3.2 研究區域現況 32
3.2.1 阿公店水庫背景 32
3.2.2 阿公店水庫操作策略 33
3.2.3 阿公店水庫水質狀況 34
3.3 資料前處理 40
3.3.1 集水區劃分結果 40
3.3.2 土地利用分類再確認 42
3.3.3 集水區人口分布調查 45
3.3.4 水理資料質量平衡 47
3.3.5 蓄水區域地形網格設置 51
3.3.5.1 CE-QUAL-W2網格設計原理 51
3.3.6 越域引水逐日水質推算 52
3.3.7 氣象資料 54
3.4 整合模式之模擬水質關係 56
3.5 模式基本假設 57
3.5.1 集水區模式假設 58
3.5.1.1 HSPF功能與模組 58
3.5.1.2 HSPF水理模式建構 60
3.5.1.3 污染負荷之假設—單位面積負荷法 65
3.5.2 承受水體模式假設 85
3.5.2.1 CE-QUAL-W2之應用 85
3.5.2.2 CE-QUAL-W2水理水質模式建構 86
3.5.2.3 CE-QUAL-W2變網格假設 89
3.5.2.4 CE-QUAL-W2水質模擬項目 93
3.5.3 透明度光學物理模式假設 100
第四章 結果與討論 103
4.1 集水區模式 103
4.1.1 集水區模式水理模擬結果 103
4.1.2 集水區污染負荷推估結果 107
4.2 承受水體模式 111
4.2.1 水理模擬結果 111
4.2.1.1 水位模擬結果 111
4.2.2 水質模擬結果 112
4.2.2.1 懸浮固體物模擬 113
4.2.2.2 葉綠素a模擬 114
4.2.2.3 總磷模擬 115
4.2.2.4 總氮模擬 116
4.2.2.5 總有機碳模擬 117
4.3 透明度模擬結果 118
4.3.1 觀測水質之透明度模擬結果 118
4.3.2 模擬水質之透明度模擬結果 120
4.4 集水區污染負荷減量對透明度之影響 122
4.4.1 削減後入流水質計算方式 123
4.4.2 各項削減措施前後比較 125
第五章 結論 129
5.1 結論 129
5.2 建議 131
參考文獻 132
附錄一 阿公店水庫集水區土地利用分類(國土版) 136
附錄二 CE-QUAL-W2模擬理論 140
附錄三 阿公店水庫水位水質模擬結果 168
附錄四 W2模式參數設定值 182
附錄五 浮游植物吸收曲線對應波常之係數值 192
附錄六 純水吸收及背向散射對應波常之係數值 193
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