2.1 碳循環與溶解態有機碳
全球的碳素以不同比例的形態及含量貯存在地球各碳庫之中，依碳貯量 之多寡可分為海洋碳庫（Ocean pool）、陸域碳庫（Land pool）及大氣碳庫
（Atmospheric pool）等，河流及湖泊系統則扮演著各碳庫間連通及調節的 屬物質（Dillon and Mollot., 1997; Ravichandran, 2004）並降低河水表面紫外 線輻射，保護水中生物（Wolf et al., 2017），為環境污染物重要的吸附劑
（Schlesinger et al., 2000）與水源酸化主要原因（Bishop et al., 2000）。因此，
其濃度與通量的變化，不僅意味著碳素在碳庫間的轉移，也會對水域生態、
飲用水水質等方面造成影響。過去十多年間，許多研究指出，河流與湖泊內 溶解態有機碳有逐漸增加之趨勢（Battin et al., 2009），並與氣候變遷、酸沉 降降低（Monteith et al., 2007）、氮沉降增加（Findlay, 2005）、土地利用方式 改變（Garnett et al., 2000）、降雨量與逕流模式改變或大氣中二氧化碳濃度 增加（Evans et al., 2006）有關。其中，又以歐洲與美洲相關研究居多（Freeman et al., 2001），而多數歐洲研究顯示，歐洲境內河川中溶解態有機碳增加幅度 較北美洲更高（Monteith et al., 2007）。然而，亦有研究顯示，溶解態有機碳
在歐洲境內並未隨時間增加（Oni et al., 2013），更有研究結果指出瑞士境內 溶解態有機碳濃度在較長時間尺度下減少，而Räike 等人在 2016 年於芬蘭 的研究中則發現，1975 年至 2014 年之間，芬蘭境內 12 條河流中溶解態有 機碳增加，2 條減少，其他 15 條無顯著變化。
台灣境內過去關注氣候變遷下之碳循環研究主要集中於大氣中之碳與 水體內顆粒態有機碳，鮮少關注溶解態有機碳於碳循環中之增減，然而，台 灣除據國際能源總署IEA 於 2018 年出版之能源使用二氧化碳（CO2）排放 量統計資料顯示，2016 年能源使用 CO2排放總量為257.8 百萬公噸，占全 球排放總量的0.8%，全球排名第 21 位；每人平均排放量為 10.98 公噸，全 球排名第19 位，碳排放密集度為 0.26 公斤 CO2/美元，全球排名第 47 位（行 政院環境保護署，2018）。2019 年，Lee 等人發表於 Scientific Reports 期刊 報告中，目前每年由河川輸入海洋中的碳大約為0.9Pg，其中溶解態有機碳 佔其中0.17~0.22 Pg，年均濃度為 5.29 mg/L（Lee, et al, 2019），而台灣境內 八個河川採樣點之溶解態有機碳平均濃度為0.78 mg/L，遠低於世界平均之 5.29 mg/L，然而，其年均產量 22.51kg/ha/yr 卻遠高於世界平均之 14.4~19.3 kg/ha/yr，該研究更指出台灣境內河川溶解態有機碳產出與坡度、流量密切 相關，因此，除關注大氣中排放之溶解態有機碳外，水體中之溶解態有機碳 亦為氣候變遷情境下，必須審慎以待之碳循環改變中重要一環。
2.2 氣候變遷
氣候變遷議題近年來已成為全球共同關注且關注度極高之議題。研究指 出，氣候變遷為長期氣候特性改變，並可能造成短期氣候變異加劇，極端氣 候頻率增加，進而導致人類社會與自然環境災害增加（Tung and Lin., 2008）。
Walsh（2002）、Trenberth（2006）等人之研究發現，受全球氣候變遷之影響，
颶風所帶來之降雨、降雨頻率與強度會隨之增加，且若在二氧化碳排放量為 今之兩倍情況下，降雨強度將會更加劇烈。為彙整並了解氣候變遷之研究成 果，聯合國成立政府間氣候變遷專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）定期發布氣候變遷相關信息，並於 2013 年第五次評 估報告（AR5）指出人類活動中「燃燒化石燃料」的行為，極可能是 1950 年來造成全球暖化的主要原因，且21 世紀後期，中緯度陸地、潮濕之熱帶 區域豪大雨發生頻率、強度及降雨量增加可能性將隨氣候變遷情況日益加劇 而大增。經濟合作暨發展組織（The Organization for Economic Co-operation and Development, OECD）指出，亞洲超大型城市人口不斷成長，沿海都市 居民將是最大受害者，台灣位處低緯、太平洋颱風生成路徑上與板塊交界帶 上，地質條件脆弱，更是擁有多重風險。
Tung et al.（2002）等人發現，全球暖化將使台灣地區的氣候與水文情 況趨向極端化，柳中明於2005 年之研究報告分析過去台灣地區降雨資料顯 示，台灣地區因極端降雨事件之治災規模與範圍大幅增加，台灣隨著都市發 展各種土地開發，土地利用型態產生改變，不透水面積增加，增加瞬時雨水 逕流量，此種情形下，更易受氣候變遷影響。2012 年行政院經建會核定之
「國家氣候變遷調適政策綱領」，提到在氣候變遷影響下，臺灣水資源領域 所面臨之六大挑戰，其中一項便是河川污染問題，豐水期時河川濁度上升，
影響河川生態，使供水系統惡化；枯水期河川自淨能力與容受能力下降。
綜合上述原因，氣候變遷對水質惡化有極大影響，故，本研究欲探究氣 候變遷情境下，溶解態有機碳所受之影響。
2.3 L
OADEST模式
過去，許多集水區因其位於高危地區或設置固定採樣裝置困難而導致集
水區水文資料取得受到極大限制。為針對採樣困難或過去採樣資料缺乏等集 水區進行水文評估，美國地質調查局以FORTRAN 語言編碼開發 Loadest 模 式，主要用於評估採樣頻率較低且資料缺乏之水體內營養鹽、汙染物、氮與 磷之通量計算評估上（Bhasker et al., 2013）。
模式內透過統計方式進行多元迴歸分析與校正，建立回歸方程式，過去 研究顯示，Loadest 模式估算水體內總懸浮物質、總氮及總磷等汙染物質皆 能在一定誤差內準確評估其值（Sushil et al., 2013）。其中，在於評估集水區 內總氮上，Loadest 模式推估結果與實際採樣結果差距小，其中一項研究結 果顯示，在評估美國Neuse River 流域六個採樣點中的總氮含量，五個採樣 區僅高估5%，另一個則低估 1%，整體 R2值介於0.97~0.99 之間，NSE
（Nash-Sutcliffe efficiency）值亦高達 0.71~0.92（Bhasker et al., 2013）。而在 不同汙染物負載的估算上， Wickramaarachchi 等人（2014）的研究結果顯 示，估算總懸浮固體上，斯里蘭卡境內的Gin 河，其觀測值與估計值間之 R2達0.85。
綜合上述，Loadest 模式為簡易且方便之估算工具，且能廣泛應用在估 算水體中之汙染物，2016 年刊於美國地理研討會之研究以 Loadest 模式推估 緬因灣內溶解態有機碳含量，並發現二十條採樣河川中有十條河川在1950 至2013 年間，冬季輸出均大幅增加，而十四條河川內有十三條河川在 1930 年至2013 年間冬季亦大幅增加之趨勢（Huntington et al., 2016）。
2.4 T
AIWAP 模式
氣候變遷整合評估模式（Taiwan Water Resources Assessment Program to Climate Change, TaiWAP）由台灣大學生物環境系統工程學系永續發展研究
室所開發，包含了模式中包含氣候變遷預設情境（Scenarios）、氣候變遷產 生器（Weather Generator）、集水區流量模擬（GWLF 水文模式）及氣候變 遷風險評估所需的氣候情境以及氣象合成模式，亦同時針對氣候變遷下水資 源風險評估，整合了水文模式、水資源評估模式、灌溉需水量評估模式等，
並提供多準則排序評估法作為氣候變遷調適的支援決策工具，其主要功能為 評估資源永續利用與因應氣候變遷之調適。
過去Tung et al.等人（2014）利用 TaiWAP 模式評估氣候變化下區域供 水系統的承載能力和可持續性，Li.（2013）以 TaiWAP 評估氣候變遷與土地 利用對聖文森蒙特婁集水區流量之衝擊，其研究結果顯示，在氣溫方面個大 氣環流模式中兩個時段都呈現上升趨勢，從+0.77 度至+3.28 度不等，雨量 模擬在模式間則是呈現高度波動情形，從+46%至-75%不等，而在河川流量 方面模式在兩時段皆呈現減少趨勢，從+39%至-99%不等，而 Chung.（2010）
研究結果亦顯示，氣候變遷會導致枯水期流量大幅減少0.2% ~ 43.9%，而氣 候變遷對流量豐、枯水期分佈之影響大於其對流量年總變化量之影響。
2.5 SWAT 模式
SWAT 模式（Soil and Water Assessment Tool）為美國農業局農業研究服 務（United States Department of Agriculture Agricultural Research Service, USDAARS）的 Jeff Arnold 博士所開發，是一個具有物理機制，須參數率定 之集水區尺度水文水質模式，可以評估集水區在不同土地利用、土壤分佈與 管理作業下對水文、泥砂、營養鹽、微生物和農藥承載之影響（USDA, 2019）。
SWAT 模式為半分布模式（Semi-Distributed）之水文模式，次集水區的劃分 為透過河流交會點來繪製，接著以土地利用、土壤特性與坡度等地文參數，
定義門檻值，劃分次集水區及每一個水文單元（Hydrological Response Unit,
HRU），以模擬單元內的流量輸出。
SWAT 模式應用廣泛，Pohlert et al.（2005）於德國 Dill 河流域，應用 SWAT 模式對該地區但營養鹽點源及非點源汙染進行模擬，其研究結果顯示，
模式可以有效的模擬月營養鹽資料（NSE=0.66~0.77），且對於汙染物的季節 性趨勢，預測結果與實際情況大致符合；在輸砂方面，Addis et al.（2016）
以伊索比亞高原山區小型集水區為例，進行流量及輸砂量之模擬，研究結果 顯示，SWAT 模式能有效模擬日流量；在氣候變遷衝擊下，Ficklin et al.等人
（2009）利用 SWAT 模式評估了加州聖華金集水區內對於氣候變遷之敏感 度，並發現該地區對於氣候變遷之影響非常靈敏，而農業活動與灌溉時間等 均會影響當地水質，而林冠州（2017）則利用 SWAT 模式模擬翡翠水庫上 游集水區日流量與硝酸鹽氮輸出量（NSE>0.65），並從其模擬成果了解氮肥 於農地移動的路徑與分布，並驗證SWAT 模式在台灣集水區的適用性。整 合上述資訊，SWAT 模式被廣泛應用在許多地區之水文、水質相關之研究與 氣候變遷情境評估等，對於集水區內經營管理有非常大的幫助。
2.6 小結
由上述文獻回顧可以了解，過去諸多研究結果顯示Loadest 模式可提供 有效且簡易之統計回歸式作為水文資料欠缺之集水區評估與模擬汙染物輸 出量的模式，且能適切模擬該地區汙染物輸出量，以彌補採樣不足等因素所 造成之資料缺漏。透過TaiWAP 模式所提供之氣候資料與 SWAT 模式模擬集 水區日流量，可幫助了解未來氣候變遷情境下之汙染物總輸出，