模擬軟體介紹

BIOSCREEN模型(Newell et al., 1996)是針對地下水石油碳氫化合物污染的 模擬軟體。軟體本身為Excel電子試算表的介面，使用的是Domenico(1987)的一階 溶質衰減分析解。BIOSCREEN模型需要輸入一些有限的數值如滲漏速度、延散 度(縱向、橫向及垂直向)、遲滯係數、生物降解參數和污染物參數等等。其中生 物降解的參數包括使用一階衰減來估計生物降解速率或假設瞬時反應時提供電 子接受度等(Wiedemeier et al., 1999)。BIOSCREEN模擬將地下水中的污染物幾何 模型概念化成一個具有深度和寬度，且和地下水流方向垂直的平面，所以需要輸 入污染範圍的寬度和深度以及濃度值。使用BIOSCREEN模擬的案例包括美國坦 薩斯市中心(central Texas)在1991年儲油庫滲漏的石油碳氫化合物污染(Rifai&

Rittaler, 2004)。

二、BIOCHLOR

Biochlor(Aziz et al., 2000)為一污染傳輸的分析模型，是由Domenico(1987)的 一維平流延散方程式發展而來。Biochlor程式包括一個三維的延散、線性吸附作 用和經由脫氯作用的含氯有機溶劑生物降解模式。Biochlor模擬同樣需要一些參 數的輸入如水力傳導係數、水力梯度、有效孔隙率、延散度、土壤顆粒密度、生 物降解參數等等。Biochlor主要針對含氯有機溶劑如PCE/TCE等污染物進行模擬，

如美國Texas州東部1960-1994年的含氯有機溶劑污染(Hausman& Rifai, 2005)。

三、BIOPLUME III

BIOPLUME III為二維方向的有限差分模型，可用來計算地下水中碳氫化合 物好氧反應和厭氧反應生物降解，包括平流、延散、吸附作用以及離子交換等。

在BIOPLUME III中可以用三種不同的動力方程式(kinetic calculation)來模擬生物 降解，包括一階衰減、瞬時反應以及Monod動能(Rifai et al., 1997)。和BIOSCREEN 不同的是，BIOPLUME III的模擬參數中需要以地下水位面的深度作為校正值來

29 油滲漏(Rifai, Newell, Members, ASCE, Gonzales and Wilson, 2000)。

四、FEMWATER

本模式係由美國賓州大學(Pennsylvania State University)葉高次教授所發展 之數值模式，堪稱是目前世界上最被廣泛使用的地下水模式之一。FEMWATER 模式以有限元素法模擬地下水問題，經常被應於模擬飽和或不飽和土層中之地下 水流傳輸、不定邊界條件、污染物傳輸及海水入侵等問題。本模式係利用有限元 素法(空間上)與有限差分法（時間上）來求解地下水流問題與污染物傳輸問題。

FEMWATER乃利用葛爾金有限元素法(Galerkin Finite Element Method)求解地下 水流控制方程式，該控制方程式為基於流體質量守恆及非飽和層水分變化之修正 型理查方程式(Modified Richards equation)。本模式需要的輸入資料相當多，包括 除了一般地下水模式必需包含的初始條件、邊界條件與地下含水層地文參數(流 通係數、含水層厚度及有效孔隙率等)。

五、TOUGH2

TOUGH2是一個通用的孔隙/裂縫介質中多相流和熱流的數值模擬運算軟體。

它的數值編碼源自於MULKOM(Kissling, 1995)，是由勞倫斯柏克利國家實驗室 (Earth Sciences Division of Lawrence Berkeley National Laboratory)的地球科學部 中屬於熱儲工程、核廢料處理以及不飽和區水文應用部門所共同開發的模擬軟 體。

六、T2VOC

T2VOC是由TOUGH2模型所發展，為水、空氣和揮發性有機化合物(VOC)

30 式(Zheng 1990)。其中氯乙烯的脫氯反應使用一階降解動力來模擬(Bouwer, 1992；

Bradley and Chapelle, 1996；Davis and Carpenter, 1990；Vogel and McCarty, 1985,1987；Wiedemeier et al., 1999)。由於一階降解動力便於理解且容易使用於 污染物模擬，故被廣泛使用於污染物自然衰減的模擬中，且在過往的文獻、實驗 室模擬和現地污染場址中可以找到大量的一階降解參數資料，利於使用者真對污 染物的衰減率做估計和參考(Aronson and Howard, 1997；Suarez and Rifai, 1999)。

在RT3D程式的編碼裡包含了一個隱藏的反應求解方程式，使的程式可以充 分靈活的模擬不同類型的化學和微生物反應動力學。模式提供常見之化學反應模 組，主要分成六種化學反應模組，且可自訂化學反應模組:

1.模擬BTEX碳氫化合物和地下水含氧量作用，氧化降解反應模組。

2.模擬BTEX碳氫化合物生物降解反應模組，如圖2-12，包含電子接受者如O₂、 NO3-、Fe3+、SO42-、CO2。

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3.模擬固相與液相分配作用和降解模式。

4.模擬細菌生化反應影響電子接受者和電子供應者生物降解作用。

5.PCE/TCE/DCE/VC序列式厭氧還原脫氯作用一階降解反應模組。

6.PCE/TCE/DCE/VC好氧氧化反應和厭氧還原脫氯反應一階降解反應模組。

圖2-2 RT3D碳氫化合物生物降解反應式(Clement, 1997) 九、MODFLOW

MODFLOW是一個模擬三維地下水流傳輸的模擬軟體，它包含了不同的水 流和傳輸模式。

MODFLOW是目前最完整且操作介面簡易的地下水流傳輸的模擬軟體 (Waterloo Hydrogeologic Inc., 2002)，主要由一個可輸入參數的介面來引導使用者 設定地下水流的場址資料，由程式來效準、評估並輸出一個類三維的地下水流的 傳輸模型。需要輸入的參數包括水力傳導參數、邊界狀態、水壓(抽取井、雨量 滲漏、排水等)(Harbaugh et al., 2002)。

在MODFLOW中，我們利用一個地下水流的偏維分控制方程式來形容三維 的地下水流係統：

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x _xx

z _zz

z

應用MODFLOW相關的案例很多，包括美國PCE污染於1982-1990(Ling and Rifai, 2004)。在這份研究中，使用MODFLOW來模擬現地的水流環境(Harbaugh and McDonald, 1996)，而使用RT3D來模擬氯乙烯的傳輸性質(Clement, 1997)；在 美國多佛空軍基地(Dover Air Force Base)的現地含氯有機溶劑污染場址中也使用 MODFLOW來進行地下水污染模擬和評估(Clement, Johnson, Sun, Klecka, Bartlett, 2000)；在西元1999年美國猶他州(Utah)希爾空軍基地(Hill Air Force Base) 的石油碳氫化合物污染場址使用MODFLOW進行土壤及地下水污染模擬評估 (Lu et al., 1999)；耿慶文在西元2003年於中國淄博高新區以MODFLOW建立了符 合研究區域實際的地下水流場及水質數學模型，為模擬地下水污染的研究工具 (耿慶文, 2003)，而崔新穎也將MODFLOW應用於中國長春市工業區地下水流污 染模擬中(崔新穎, 2007)；而西元1952至1965在美國加州欣克利谷(Hinkley Valley) 的地下水重金屬鉻污染則為MODFLOW另一個地下水污染模擬的案例

(McDonald and Harbaugh, 1988)；Diepak Mohan則將MODFLOW應用於荷蘭鐵路

地下基礎的地下水柴油污染案例(Diepak Mohan, 2009)；而在美國Brooklawn石油 處理場的碳氫化合物地下水污染場址中也使用了MODFLOW進行現地地下水污 染模擬(Truex, Johnson, Spencer, Clement, Looeny, 2007)。

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