底泥傳輸機制探討

底泥與水體的污染傳輸機制，主要可分為水理與水質 2 種機制，其中水理傳 輸機制主要演算水中物質傳輸之傳動效能與方向，由主/支流流量(flow rate)、河床 糙度(roughness)、河床高程與坡度(elevation & slope)等基礎資料，透過質量平衡 (mass balance)、動量平衡(momentum balance)、能量平衡(energy balance)等演算機 制，得出各個河段不同的通水斷面積(cross section area)、水體積(volume)、流速 (velocity)、水力深度(hydraulic depth)等水力條件，並透過沉降(settling)、再懸浮 (resuspension)、延散(dispersion)之設定，決定污染物質在底泥與水體間之傳輸 (advection)、延散、稀釋(dilution)等效應。

水質傳輸機制主要演算水中污染物質自體或是與不同污染物質間之交互反應 (interaction)，導致原物質之削減與新物質之生成，因此必須確立各物質之間合成、

分解等化學反應，明確給定連結方式與限制條件，方可正確演算中間物質、最終 物質、催化劑等在各階段化學反應流程之生成與削減情形，其概念模型如圖 5.2-1 所示。若以污染物質特性區分，可分為有機質、營養鹽與懸浮質，以下針對各污 染物質之重點反應機制說明。

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圖 5.2-1 河川底泥與水質污染傳輸機制概念模型 1.有機質與營養鹽

在有機質與營養鹽的傳輸機制，通常可將之視為一個以水生浮游植物 (phytoplankton)進行各項生化反應機制為中心的循環系統，或稱為碳循環系統，透 過生物對於氮、磷等營養鹽的攝取與排放，配合溶氧平衡的各項反應機制，完成 氮循環、磷循環。參考目前美國環保署(USEPA)最新版之 Water Quality Analysis Simulation Program Version 7.4 (2009)之指引手冊、Water Quality Modeling For Wasteload Allocations and TMDLs (Lung, 2001)、Sediment Flux Modeling (Di Toro, 2001)及 MWH(民 102b)等文獻，並綜整上述有機質與營養鹽循環，以及溶氧平衡 之關係，其在水體與底泥間之淨反應可繪製如圖 5.2-2 所示。其不外乎可用碳循環、

磷循環以及氮循環來加以說明。

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圖 5.2-2 營養鹽於水體與底泥之循環示意圖 A.碳循環

在碳循環的演算過程中，實際上係針對選定浮游植物或葉綠素 a (chlorophyll a)，

依μg-C/μg- chlorophyll a 約 25~30 之比例換算成等量的碳源，再依碳氮磷比(一般 而言，常用 C:P:N=100:10:1)換算氮源與磷源後，再進行相關的數值演算。

在碳循環的生化反應機制中，主要探討浮游植物的生長率(growth rate)、死亡 率(death rate)、光合作用(photosynthesis)與呼吸作用(respiration)等反應機制，因此 必須考慮溫度、光照度、太陽輻射等外在環境因素。當進行光合作用時，釋出氧 氣成為水中溶氧；進行呼吸作用時，則消耗溶氧合成 CO2 自水體釋出後散逸至大 氣中。當植物生長時，針對營養鹽的攝取，則必須考量溶解態無機磷(dissolved inorganic phosphorus, DIP) 例如正磷酸鹽(orthophosphate)、溶解態無機氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)例如氨氮(ammonia)與硝酸鹽(nitrate)等營養鹽的含量；當植 物死亡時，則必須考量植物殘骸分解成碳源、氮源與磷源比例與分解率，其中碳 源成為等待氧化分解的 BOD，與溶氧結合進行祛氧反應(deoxygenation)，成為 CO2

散逸至大氣中。氮源與磷源則成為有機氮(organic nitrogen, ON)與有機磷(organic phosphorus, OP)，各自進入所屬的氮循環與磷循環。部分殘骸沉降成為底泥中的有 機質，視水中濃度梯度以及沉降或再懸浮等機制，再進入水體參與其他反應機制，

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或直接在底泥表層進行耗氧分解反應，被視為底泥需氧量(sediment oxygen demand, SOD)的其中一種因素。

B.磷循環

在磷循環的反應過程中，主要考量植物死亡後釋出有機磷，其中部分一部分 有機磷則經過礦化(mineralization)成為無機磷，而無機磷可能因生物生長所需被攝 取，而自水體中減少。另一部分沉降成為底泥的有機磷與無機磷，亦有可能隨水 中濃度梯度以及沉降或再懸浮等機制，再進入水體參與磷循環反應機制。

C.氮循環

在氮循環的反應過程中，水中部份有機氮在成為無機的氨氮後，透過硝酸菌 與亞硝酸菌的硝化作用(nitrification)，與溶氧結合成為硝酸鹽。在生物生長的過程 中會同時攝取氨氮與硝酸鹽，而在生物死亡後，則釋出有機氮。另一部分的有機 氮與氨氮則沉降成為底泥視水中濃度梯度以及沉降或再懸浮等機制，再進入水體 參與其他反應機制，或直接在底泥表層進行耗氧的硝化反應，亦可視為底泥需氧 量的一種因素。少部分硝酸鹽進入缺氧的深層底泥中，經過厭氧微生物的脫硝作 用(denitrification)，成為氮氣(N₂)散逸至大氣中。

2.懸浮質

懸浮質的傳輸機制以隨水流動、沉降與再懸浮為主，通常與懸浮質的粒徑、

內聚力(cohesiveness)與剪應力(sheer stress)有關，其來源包含水體本身懸浮質含量 之懸浮載(suspended load)、水流沖蝕河道邊坡進入水體之沖瀉載(wash load)、以及 對河床底部淘刷造成的底床載(bed load)，精確的懸浮沉滓運移演算，必須考量懸 浮質運移後，造成水體密度、通水斷面以及水力特性長度的改變，以及河道邊坡 的土質以及底床的護甲效應，因此一般均以 2D~3D 動態的方式，配合相關參數，

如：曼寧係數(Manning n)、史茲克係數(Strickler coefficient)、砂粒阻力係數(drag force coefficient)、荷載律常數(loading-law coefficient)、渦動滯性係數、運動黏滯係 數、摩擦係數等參數，部分經驗公式，如：Meyer-Peter and Muller equation、Bagnold

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equation，以及假設性條件，如：流速-水深的對數分布、摩擦速度與無因次底床剪 應力的設定等條件，完成建立懸浮質的傳輸機制。

當懸浮質於水體中運移時，可能因水體流動影響、或懸浮質瞬間大量排入，

使水力變化太大導致水力不連續的現象或無法滿足流體演算限制，如：庫朗數限 制(Courant number limit)，即無法執行下一時間步幅演算。因此以水質模擬或大範 圍的流域整治規劃的觀點，為使懸浮質傳輸機制能穩定演算，通常都將懸浮質演 算加以簡化，因此在以河川水質演算為主的模式(如 WASP、QUAL2K)以滿足質量 平衡(mass balance)為主，配合傳流、延散、沉降、或再懸浮等機制，完成懸浮質 在水中的流布狀況。

綜合以上傳輸機制，可以了解到水體與底泥間之互動機制相關繁複，然而在 進行後續水質模式擴建上，應採逐步分階段進行。其中底泥需氧量與懸浮質之探 討，為最優先之步驟，其次再來探討更詳細之其他化合物，例如有機化合物、重 金屬、甚至新興污染物等。在底泥需氧量之組成上，就如先前所述，其在有機質 與營養鹽的傳輸過程，經由擴散、傳流、沉降等過程所組成，然而其真正表現於 水體或底泥上的應是氧量的消耗。鑑此，本研究將透過模式網格的擴充，利用溶 氧的負值來呈現底泥需氧量的總體表現

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