水文平衡分析

覆蓋系統效能評估最主要的準則就是水文平衡，蒸發散覆蓋系統的設計比傳 統的掩埋場覆蓋系統設計更仰賴水文平衡分析，因為覆蓋系統中沒有一層不透水

（若施工良好，理論上不透水）的地工膜布，因此必須以水文平衡分析佐證其有 效性。所有有關蒸發散覆蓋的研究都必須以簡單或複雜的水文平衡來分析通過覆 蓋層的下滲量（圖 2-8）。最簡單的水文平衡式為：

I = P –R – D – E – ΔS

式中：I 為入滲（Infiltration or percolation），E 為蒸發散（Evapotranspiration）

P 為降水（Precipitation），R 為地表逕流（Surface runoff），D 為側向排水（Lateral Drainage），ΔS 為土壤貯水（Changes in soil-water storage 含水比增加量）。

圖 2-8 掩埋場蒸發散覆蓋之水文平衡(Winkler, 1999).

在評估時所採用的降雨量將影響評估的準確性。Koerner and Daniel (1997) 提出以最大時雨量資料來分析時，覆蓋系統下滲量可能為以最大日降雨量分析的 40 倍。但 Harianto (2008)探討在掩埋場覆蓋系統土壤材料中添加纖維以抵抗乾裂；

透過實驗室中的模型試驗發現對一多層構建的覆蓋系統而言，在採用 1926 年 -2006 年之間日本佐賀縣的最大時雨量試驗後，85 %以上的降水以逕流排除，僅 有約 2 % （約 2 mm）的降水下滲，其餘 13 mm 貯存於覆蓋系統土壤中（圖 2-9）。

尤其實驗結果推論，在較大降雨時只要能有效排除地表逕流，蒸發散覆蓋仍可有 效阻止入滲水下滲。

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圖2-9 100 mm/hr之降雨24小時內的蒸發散覆蓋水文平衡 (Harianto, 2008) 有許多研究以水文平衡來探討掩埋場蒸發散覆蓋的有效性，Abichou et al., (2003)探討蒸發散阻隔層覆蓋系統在美國佛羅里達州的可行性。佛羅里達州的降 雨量較高，年平均約為 1270 – 1651 mm，但年與年之間變化甚大，甚至於可以達 到兩倍，暴雨時則常見 24 hr 降雨達 500 mm；此降雨量及降雨型態近乎與台灣 中南部平原地區相當。研究結果顯示佛羅里達州也可以採用蒸發散阻隔層，只要 地表坡度適當，植生適合，則即使在年雨量達 1840 mm 的西北部地區，下滲量 小於 180 mm，低於採用傳統的夯實黏土層。又如 Yang et al. (2009)透過利用 48 年的氣象資料與水文數值分析，推論中國大連地區的掩埋場若採用 1.2 m 厚的蒸 發散阻隔覆蓋系統，就以足夠有效控制下滲量。

在模式方面，常用來進行蒸發散覆蓋水文平衡分析或滲流的模式包括：HELP、

EPIC、HYDRUS、UNSAT-H。前二者為水文平衡模式，無水流之計算；後二者 為非飽和水流模式，無水文平衡之分析，入滲水必須由簡易水文平衡分析自行假 設。

HELP 是美國工兵團專為掩埋場水文平衡分析開發的程式(Schroeder et al., 1994)，近二十年來早已成為美國環保署官方認可而每一個掩埋場設計都必須採 用的程式。HELP 是一擬二維（quasi-two-dimensional）模式。盧彥森 (2009)將之 應用於台灣掩埋場的水文平衡分析，將結果與實際滲出水水量對比，驗證該程式 只要有適當的氣候資料輸入在台灣一樣可以使用。但因 HELP 在植物蒸散量的估 計上較不準確，因此大多數研究者都發現 HELP 會高估下滲量，甚至於高達觀測 值的 4 倍(Benson and Pliska, 1996; Khire et al., 1997)。

EPIC 係一維水文平衡模式，EPIC 的開發始於 1980 年代，可推估各層的側 向水流，時距為一天，因此可納入各種以日為基準的氣象資料。EPIC 可估計植 物生長狀況、土壤沖蝕、水中的農藥與養分移動。

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HELP 與 EPIC 雖在水流分析部分較為簡單，但因為可納入氣候資料運算，

並已可提供各種植生供選擇以計算蒸發散量（表 2-3），故在使用上極為方便。且 雖 HELP 有高估下滲的情形，但對掩埋場而言屬於保守，故官方與業界仍然支持 其繼續應用。然而，因為在水流動態模擬部分欠缺，因此不夠精確。綜合考量兩 類模式，對於工程設計而言，仍以 HELP 與 EPIC 兩個模式可產出較為可靠之結 果。

表 2-3 EPIC 與 HELP 之蒸發散分析項目比較

模式分析項目 EPIC HELP

估計實際的根系生長 可 無

土壤密度與根系生長 可 無

土壤溫度與根系生長 可 無

在滲流模式方面，除了 HYDURS 與 UNSAT-H 有較多研究採用之外，也曾 有人採用 SEEP/W 與 LEACHM。基本上，UNSAT-H 與 HYDRUS 均為水流模式，

因此在涵蓋實際應用面的狀況較少，尤其對於氣象資料的輸入與植生資料並無內 建模式，無法直接讀取氣象資料計算水文平衡。因此使用上較為困難，氣象與逕 流、植物蒸散等資料必須經過前處理再予輸入。因此雖然分析較為精確，但不適 合在工程初步設計使用。且因為需要的假設較多，在工程評估與設計時，產出之 資料雖精確但不一定正確，其可信度反而較低。在較複雜的水流模式方面，

VADOSE/W 是專為模擬非飽和土壤中水流開發的二維分析模式，適用於邊坡穩 定、廢棄物掩埋場與整治場址覆蓋、農業灌溉等相關的分析。其考量之因子與輸 入之參數與 HELP 和 EPIC 類似，故可視為較 UNSAT-H 與 HYDRUS 實用，而較 HELP 與 EPIC 精確之程式。

UNSAT-H 前身是美國能源部補助開發的程式 UNSAT，內部並無估計植物生 長吸收水分的關係式，使用者必須自己由該模式中提供的幾種土壤水特徵曲線中 挑選可涵蓋此效應者。UNSAT-H 為一維有限差分模式，可模擬非飽和土壤中的 水流和熱流；模式求解修正Richard’s 偏微分方程式。該模式無法計算地表逕流，

僅能將無法入滲的水量指派為地表逕流。此模式可模擬非飽和水流、蒸發、蒸散。

但缺點是其忽略側向排水。若側向排水頗為顯著，則 UNSAT-H 會高估下滲量 (Morris and Stormont, 1999)。

Benson et al.(2000)針對毛細阻隔層的水文平衡，以 UNSAT-H 進行模擬評估 各層厚度、非飽和導水性質、天候對於毛細阻隔層覆蓋效能的影響。模擬結果顯 示毛細層的厚度和導水度對毛細層的水文平衡有顯著的影響；增加厚度和降低導 水度可以減少入滲。粗顆粒層的性質對於下滲量的影響較小。在天候因素的影響

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方面，在遇到降雨頻率愈高但強度較低但卻並非最高蒸發散潛能季節狀況時，土 壤的貯水能力應該更高。

Woyshner and Yanful (1995)分析加拿大魁北克省一處礦碴土壤覆蓋層的下滲 量，採用 HELP 計算水文平衡，再將結果輸入 SEEP/W。但是假設全年單一淨下 滲量穩態水流，包括非飽和層與飽和層。該場址降水中有 56 %蒸散、11 %地表 逕流、33 %入滲，分析得出約 34.4 mm 水量下滲通過覆蓋層。若僅以 HELP 模 擬，則約有 38 mm 下滲。Tami et al. (2004)曾採用 SEEP/W 與 SVFlux 分析具坡 度的毛細阻隔層覆蓋系統。

Zornber et al. (2003)探討一位於加州的超級基金整治場址蒸發散阻隔層覆蓋 系統之設計。結果發現，下滲量和植物根系深度、覆蓋厚度、飽和導水度之間的 關係是高度非線性的。但結果也發現蒸發散阻隔層覆蓋系統可以適用於許多條件 下。分析採用電腦程式 LEACHM 是一維有限差分水文平衡模擬模式，求解非飽 和水流Richard’s 偏微分方程式；該模式可分析地表蒸發與蒸散量。但因也是一 維模式，因此地表假設為水平，不考慮側向排水；無法入滲的部分就視為地表逕 流。LEACHM 曾被用在農業相關的計畫中與入滲計的監測資料比較，但尚未被 應用在覆蓋系統的模擬。該研究的敏感度分析顯示覆蓋層厚度是控制下滲量的最 主要因素。此外，植物根系深度和總降水量對覆蓋系統的效能影響較小。

在程式的比較方面，Wilson et al. (1999)利用 UNSAT-H、HELP、EPIC 以及 HYDRUS-2D 模擬 Hanford 場址覆蓋的入滲計(Lysimeter)資料，並提出程式之間 的功能比較。其研究結果發現 UNSAT-H 預測值和實際下滲量差異僅 0.25 cm，

HYDRUS-2D 差異值為 0.5 cm，HELP 高估下滲量 6.7 cm。Khire et al. (1997)根據 研究結果建議當進行初步評估與規劃時採用 HELP 即可，而當進行細部設計時則 採用較複雜的程式如 UNSAT-H 為之。

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第三章 研究方法

本章節主要說明本研究之研究方法，主要內容可分為四大部份：(1) 研究流 程，(2) 水文平衡模式HELP數值模擬，(3) 水文平衡模式HYDRUS-1D數值模擬，

(4) 覆蓋系統模型設定。

3.1 研究流程

研究方法流程主要可以分成以下步驟：

1. 考慮場址區域位置及氣象條件

首先選定以台灣北部(淡水)、中部(台中)、南部(台南)三個地區為場址位置，

分別代表台灣北部、中部、南部的氣候條件。而中部及南部地區降雨往往集中在 梅雨期及颱風時期數日，氣候類似半乾旱型氣候，適合使用蒸發散覆蓋層為覆蓋 系統。

2. 建立覆蓋系統模型

建立掩埋場覆蓋系統模型，以蒸發散覆蓋為覆蓋層條件，可分為單一土層覆 蓋及毛細阻隔覆蓋兩種。增加覆蓋層厚度及使用低透水性的土壤皆能降低水流下 滲量，故分別設定覆蓋層厚度為 1 m、1.5 m、2 m，及選用砂土質壤土、粉土質 壤土、砂土質黏土三種不同透水度的土壤種類組合。

3. 選擇土壤參數

選定了三種土壤進行模擬之前，必須控制三種土壤的基本參數。根據 Carsel and Parrish (1988)試驗結果提出的土壤參數，提供了 12 種類別土壤的殘餘含水量、

飽和含水量、飽和水力傳導係數。

4. 控制植生條件

以草本植物(grass)為植物參數條件，並設定植物生長期開始日、植物生長期 結束日、植物根系入土深度。

5. 輸入歷史氣象

根據中央氣象局所提供北部、中部、南部三地區之歷史氣象資料，輸入此三 代表性地區的氣候為模擬條件。

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6. 數值模擬

控制上述參數後，分別以 HELP 模式及 HYDRUS-1D 模式進行數值模擬。

模擬輸出後比較 HELP 模式及 HYDRUS-1D 模式的降雨量對應到的下滲量及累 積下滲量，對台灣地區掩埋場覆蓋層的可行性進行分析。

將以上所述之研究方法流程由下圖表示：

圖 3-1 研究方法流程圖 建立覆蓋系統模型

單一土層覆蓋 毛細阻隔覆蓋

選擇土壤參數

控制植生條件

輸入歷史氣象

HELP HYDRUS-1D

模式執行輸出 數值模擬

考慮場址區域位置及氣象條件