第四章 研究方法
4.4 水質模式建立
本研究採用國內使用普遍之QUAL2K 水質模式作為評估水體水質之 工具，水質模式建立之首要工作為河川分段切割，本研究參考過去對高 屏溪之研究，將高屏溪主支流共分為九個河段及85 個單元，河段分割及 單元數如表4.1，各分段示意圖如圖 4.2 所示，在水力參建立方面，
QUAL2K 擁有兩種水理特性模式：
表4.1 高屏溪水質模擬河段分割、單元數及水體分類
主支流名稱 河段編號 起點 終點 單元數 水體 分類
1 新發大橋 六龜大橋 8 甲
荖濃溪
2 六龜大橋 里港大橋 15 乙
3 三地門 里港大橋 7 乙
隘寮溪
4 里港大橋 里嶺大橋 2 乙
5 民權大橋 甲仙橋 6 甲
6 甲仙橋 月眉橋 17 乙
旗山溪
7 月眉橋 里嶺大橋 13 乙
8 里嶺大橋 高屏溪攔河堰 5 乙 高屏溪
9 高屏溪攔河堰 出海口 12 丙
1 2
Reach 3
Reach 4
33
1. 流量係數法(Discharge Coefficients)：
U = aQb H = cQd Ac= Q/U
Q ：流量，m3/sec U ：平均流速，m/sec H ：平均深度，m Ac：截面積，m2
a,b,c,d：經驗常數，由水位流量率定曲線計算截距與斜率而得。
2. 梯形斷面法 (Trapezoidal Cross Section)：
B s s H H
A
c
0 0 . 5 (
s1
s2)
S01/2 A
5/3 n P2/3
Q
c
1
1
222 1
0
B H s
sH s
sP
其中
ss1、ss2：河道兩旁之坡降斜率，無因次 B0：河道底部之寬度，m
B
0Q, U
1 1
s
s1s
s2H
S
0B
1Ac：河道斷面積，m2 Q：流量，m3/sec S0：能量坡降，無因次
n：摩擦係數(曼寧粗糙係數)，0.01~0.1 P：水力半徑，m
H：該單元之河道高度
研究將引採用流量係數法(張乃斌，1998)，式中 a、b、c、d 將隨河 段不同而有所差異，研究蒐集參數如表4.2。並針對生化需氧量及水中氨 氮含量探討，水質參數方面將對以下參數校正：BOD 去除速率、再曝氣 係數及氨氮去除率，其餘係數將採用QUAL2K 之內訂參數。
1. BOD 去除速率：
河川中溶氧的消耗主要包含碳及含氮的有機生化需氧、底泥耗氧及 藻類呼吸時所使用的氧等。在BOD 方面則可分為 CBOD 及 NBOD，由 於NBOD 發生時間較晚且量測不易，故簡易型水質模擬大多考量 CBOD 值。
BOD 去除速率 Kr等於去氧速率K1加上不消耗溶氧之BOD 去除係數 K3，表示成下列方程式：
Kr = K1 + K3 其中
Kr = 河川中 BOD 去除速率 K1 = 脫氧速率
K3 = 因有機物沉澱、揮發所引起之 BOD 去除速率
2. 溫度修正係數：
溫度方面，由於水溫變化會對水質造成影響，故需對溫度做校正，
由於水質模擬參數常以攝氏20°C 為正常溫度，故當溫度不為 20°C 時將 以Holley 式作修正
KT = K20θ(T-20) 式中
KT = T°C 溫度之係數值 K20 = 20°C 下之係數值 θ = 溫度修正係數 3. 再曝氣係數：
再曝氣係數K2表示由大氣中轉移到水體裡之速率，河川之流速、水 深等等皆會對其影響，本研究將採用較常被使用之O’Connor and Dobbins 公式，如下所示：
K2(20°C) = 12.9×U0.5/d1.5 其中
U = 流速 0.5~1.5ft/s d = 水深 1~30ft
K2 = 0.05~12.2 day-1(20°C 以 e 為底)
47
表4.2 QUAL2K水力參數 起點終點 a b c d 新發大橋六龜大橋 0.3116 0.2930 0.2054 0.3203 荖濃溪 六龜大橋里港大橋 0.3116 0.2930 0.2054 0.3203 三地門里港大橋 0.5090 0.0620 0.2040 0.4440 隘寮溪 里港大橋里嶺大橋 0.6913 -0.0630 0.4207 0.1414 民權大橋甲仙橋 0.1147 0.5160 0.1801 0.3230 甲仙橋月眉橋 0.1147 0.5160 0.1801 0.3230 旗山溪 月眉橋里嶺大橋 0.2369 0.2561 0.2604 0.3802 里嶺大橋高屏溪攔河堰 0.4207 0.1414 0.2287 0.3326 高屏溪 高屏溪攔河堰出海口 0.0504 0.5089 0.2690 0.2066
在模擬方面將針對豐水期(5 月～10 月)作模擬，使用軟體為美國環保 署所研發之QUAL2K V2.07，可模擬 DO、BOD、氨氮、有機氮、亞硝酸 鹽氮、有機磷、溶解磷及大腸桿菌等汙染物，可依使用者需求任意組合 16 種水質參數做模擬，研究中將針對 BOD、DO 及氨氮做模擬，以 2005 年水質監測資料為率定標準，2006 年水質監測資料為驗證標準，對不同 月份(5~10 月)分別率定及驗證，結果如圖 4.3~4.38 所示。
本研究將利用經過上述率定及驗證之QUAL2K模式，模擬水體中 BOD、DO及氨氮之變化，並依照行政院環保署所訂定之水體水質分類標 準，探討在固定污染排入下，引水量對水質造成之影響，研究中將 QUAL2K利用Excel VBA加入水體水質判斷程式，並以馬可夫鏈蒙地卡羅 法模擬各月份之支流源頭流量，搭配不同情境設定，討論其水質變化情 形。此外，亦將討論水質達成率之問題，即依照水體分類水質標準，配 合QUAL2K所分割之河川單元，檢視每一單元是否符合該河段之水體分 類水質標準，達成率則為全流域各單元之達成百分比。
0 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值 NH3-N(mg/L)
監測站測值 模式模擬值
圖4.8 5 月份氨氮驗證結果
0 NH3-N(mg/L)
監測站測值 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值
0 NH3-N(mg/L)
監測站測值 模式模擬值
圖4.20 7 月份氨氮驗證結果
0 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值 NH3-N(mg/L)
監測站測值 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值
0
BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值
0 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值 BOD(mg/L) 模式模擬值
監測站測值