第三章 水質總量管制評估過程因子探討
3.2 水質監測站位置對總量管制之影響
本 節 主 要 以 頭 前 溪 流 域 之 流 域 特 性 設 計 簡 例，探 討 水 質 監 測 站 位 置 如 何 影 響 水 質 參 數 之 推 估 ， 以 河 川 的 溶 氧 量(DO)以 及 生 化 需 氧 量 (BOD)兩 項 水 質 指 標 為 研 究 項 目 ， 利 用 修 正 過 後 之 Streeter-Phelps 方 程 式 進 行 線 性 代 數 方 程 式 之 參 數 反 推，期 望 在 水 質 參 數 資 料 不 足 的 情 況 下 ， 藉 由 上 述 模 式 的 優 點 ， 以 找 出 未 知 的 參 數 ， 並 進 一 步 分 析 各 污 染 源 排 放 點 排 放 對 水 質 控 制 點 之 影 響，結 合 最 佳 化 模 式 以 推 求 各 集 污 區 水 體 允 許 排 放 污 染 量 ， 作 為 未 來 環 境 管 理 時 之 依 據 。
3.2.1 監 測 點 對 模 式 參 數 之 影 響
為 了 有 效 推 估 水 質 之 參 數，本 節 主 要 探 討 參 數 不 確 定 性 來 源，並 著 重 於 水 質 監 測 站 對 參 數 之 影 響。研 究 中 利 用 修 正 過 後 之 水 質 模 式 進 行 線 性 代 數 方 程 式 之 參 數 反 推，進 而 建 立 出 一 套 合 理 完 善 的 水 質 參 數 推 估 方 法。本 研 究 針 對 河 川 中 生 化 需 氧 量(BOD)以 及 溶 氧 量 (DO)兩 個 項 目 進 行 水 質 模 擬 ， 在 此 藉 由 陳 韻 如(2006)於 『 永 續 性 河 川 水 質 管 理 系 統 之 發 展 』中 建 立 的 水 質 模 式 為 基 礎，以 評 估 水 體 中 污 染 之 傳 輸 與 物 理 與 化 學 反 應 過 程 ， 並 在 下 文 中 說 明 此 模 式 之 內 容 。
（ 一 ） 水 質 模 式 之 假 設 與 理 論
此 模 式 為 依 據 Streeter-Phelps 的 BOD 與 DO 於 河 川 傳 輸 之 數 學 方 程 式 建 立 水 質 模 式(Streeter and Phelps,1925)，配 合 給 定 之 邊 界 條 件 以 及 排 入 污 染 源 資 料，評 估 河 川 各 河 段 之 水 質 濃 度 分 佈。以 下 為 此 模 式 之 假 設 與 理 論 。
1. 依 據 河 川 分 段 原 則 將 河 川 分 段 後 ， 假 設 同 ㄧ 河 段 除 了 水 質 參 數 (Kr、K4)彼 此 不 同 外，其 餘 參 數 例 如 河 川 斷 面、流 速、水 溫、DO 再 曝 氣 係 數(K2)、 飽 和 溶 氧 (
DO )等 皆 相 同 。
sat2. 本 研 究 僅 考 量 ㄧ 維 穩 態 情 形 ， 且 遵 守 質 量 守 恆 定 律 。
3. 假 設 該 河 段 各 污 染 源 與 河 川 上 游 流 入 之 污 染 物 瞬 間 完 全 混 合 。 4. 流 域 視 為 一 完 整 系 統 ， 且 遵 守 質 量 守 恆 定 律 。
5. 河 川 中 之 DO 耗 氧 來 自 於 BOD 以 及 底 泥 耗 氧，而 DO 之 增 加 來 自 於 水 體 表 面 與 空 氣 之 間 接 觸 之 曝 氣 作 用 。
6. 本 研 究 參 考 過 去 文 獻 ， 將 考 量 祛 氧 係 數 (Kr)和 底 泥 耗 氧 率 (K4)對
式 中 DOsat,i 為 i 河 段 之 飽 和 溶 氧 ， 其 式 以 經 驗 公 式 (American Public
1. 河 川 分 段 時 若 有 污 染 源 匯 入 點 進 入 ， 必 須 以 污 染 源 匯 入 點 為 分 段
放 資 料 ， 如 表 3-3。 表 3-4 為 河 川 源 頭 之 資 料 ， 兩 個 源 頭 分 別 來 自 於 油 羅 溪 上 游 與 上 坪 溪 上 游 。 表 3-5 為 河 川 分 段 之 資 料，由 於 每 個 河 段 內 至 少 擁 有 一 個 水 質 監 測 站 ， 包 含 BOD 與 DO 兩 個 水 質 項 目 之 濃 度 監 測 值 ， 故 可 視 為 兩 條 限 制 式 ， 因 此 本 研 究 將 K1與
K 結 合 成 為
3 Kr， 兩 條 限 制 式 將 用 於 反 推 Kr與 K4兩 個 參 數 值 。 本 研 究 可 經 由 兩 方 程 式 決 定 Kr和 K4兩 變 數 ， 故 此 水 質 模 式 僅 能 求 得 Kr以 及 K4， 且 前 提 是 水 質 變 化 完 全 符 合 此 兩 條 傳 輸 數 學 方 程 式，但 在 真 實 情 況 中 水 質 並 非 如 此 線 性 化 ， 故 在 模 式 本 身 尚 待 修 改 。 此 外 ， 除 了 優 選 的 參 數 外 ， 其 餘 之 參 數 皆 視 為 同 一 河 段 皆 相 同，往 後 在 作 優 選 時 必 須 也 將 其 餘 參 數 做 實 際 的 輸 入。至 於 河 川 分 段 原 則 方 面，由 於 此 參 數 推 估 方 法 是 利 用 聯 立 解 線 性 代 數 方 程 式 求 解，若 違 反 了 河 川 分 段 原 則，則 無 法 利 用 線 性 代 數 求 得 參 數 解 ， 而 必 須 利 用 其 它 求 解 方 法 才 能 求 得 。表 3- 3 污 染 排 放 源 資 料 河川名稱 排放源名稱 位置
(km)
流量 (CMD)
BOD 排放量 (kg/day)
流達率 (%) 油羅溪 南河排水 29.5 17815.29 1495.93 0.14
竹東排水 20.5 30003.87 2469.73 0.22 崁下排水 14.5 59240.51 3966.89 0.05 關東排水 11 12051.57 989.25 0.06 頭前溪
湳雅排水 5.5 17663.59 1684.95 0.29
表 3- 4 河 川 源 頭 資 料
源頭名稱 位置
(km)
流量 (CMD)
BOD (mg/L)
DO (mg/L)
油羅溪 33.5 215136 1.3 11.2
上坪溪 10 326592 0.5 9.5
表 3- 5 河 川 分 段 資 料
的 狀 況。此 誤 差 來 源 主 要 是 因 為 原 先 河 川 分 段 中，某 些 河 段 內 沒 有 水
水 體 所 能 承 受 之 污 染 排 放 最 大 負 荷 稱 為 涵 容 能 力。本 節 將 藉 由 上 節 建 立 之 水 質 模 式 與 案 例 設 計 ， 推 估 案 例 中 河 川 BOD 污 染 涵 容 能 力 之 現 值 ， 並 就 監 測 點 的 位 置 對 於 涵 容 能 力 之 影 響 作 討 論 。
（ 一 ） 累 積 衝 擊 評 估
河 川 污 染 整 治 規 劃 與 涵 容 能 力 分 析 配 合 水 質 模 式 進 行 模 擬，以 瞭 解 河 川 之 污 染 傳 輸 情 形 或 各 區 域 可 能 造 成 之 污 染 衝 擊 程 度。藉 由 水 質 模 式 模 擬 評 估，可 分 析 不 同 污 染 源 對 河 川 各 河 段 所 造 成 之 衝 擊，以 建 立 各 河 段 間 之 水 質 污 染 反 應 矩 陣，並 評 估 該 河 川 自 上 游 至 下 游 所 承 受 之 累 積 性 衝 擊 。
傳 統 的 環 境 影 響 評 估，主 要 只 針 對 單 一 開 發 案 件 對 環 境 造 成 的 衝 擊 進 行 評 估 ， 卻 忽 略 了 此 計 畫 ， 與 不 同 時 間 、 空 間 上 的 其 他 計 畫 ， 可 能 對 環 境 產 生 累 積 性 之 影 響。若 是 忽 略 累 積 性 的 影 響，可 能 導 致 某 一 區 域 所 承 受 的 環 境 衝 擊，在 無 形 中 超 越 其 承 載 能 力，造 成 環 境 品 質 下 降 。
污 染 傳 輸 反 應 矩 陣 乃 結 合 模 擬 單 一 污 染 源 對 河 川 污 染 衝 擊 程 度，用 來 評 估 多 重 污 染 源 自 河 川 上 游 至 下 游 所 造 成 之 累 積 性 衝 擊，將 各 河 段 污 染 源 與 水 質 間 的 反 應 關 係 建 立 為 矩 陣，以 協 助 了 解 污 染 在 河 川 各 處 的 傳 輸 情 形。污 染 傳 輸 反 應 矩 陣，為 評 估 不 同 分 區 污 染 排 放 源 自 河 川 上 游 至 下 游 所 造 成 之 衝 擊 量 大 小，即 反 應 矩 陣 縱 向 可 分 割 成 河 川 不 同 位 置 單 元 ， 來 分 析 其 衝 擊 量 ， 然 而 在 自 然 環 境 下， 河 川 本 身 便 存 在 一 定 之 BOD 濃 度 ， 稱 之 為 環 境 背 景 值 ， 其 值 會 隨 著 河 川 上 游 源 頭 污 染 排 放 量 不 同 而 變 化，故 在 應 用 反 應 矩 陣 的 同 時，應 將 環 境 背 景 值 與 污 染 源 影 響 分 開 模 擬 討 論，往 後 只 需 計 算 集 污 區 可 能 污 染 量，為 單 位 污 染 排 放 源(排 入 100kg/day 之 BOD 污 染 量 )的 多 少 倍，再 乘 上 各 河 段 之 反 應 係 數，並 加 上 該 格 點 之 環 境 背 景 值，便 可 得 知 該 污 染 量 對 各 河 段 水 質 造 成 之 累 積 性 影 響。表 3-8 即 為 案 例 設 計 中 利 用 水 質 模 式 反 推 水 質 參 數 所 推 估 之 污 染 反 應 矩 陣 。
表 3- 8 反 推 水 質 參 數 所 得 各 河 段 與 分 區 之 污 染 傳 輸 反 應 矩 陣 上游---下游
南河排水 竹東排水 崁下排水 關東六號
橋排水 湳雅排水 背景值
TO1 TO2 TO3 TO4 TO5 TO0
河段一起點 0.00 0.00 0.00 0.00 1.30 0.00 河段一終點 0.00 0.00 0.00 0.00 1.20 0.00 河段二起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 0.00 河段二終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 河段三起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 河段三終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 0.00 河段四起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.76 0.00 河段四終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.60 0.00 河段五起點 0.17 0.00 0.00 0.00 0.57 0.17 河段五終點 0.14 0.15 0.00 0.00 0.48 0.14 河段六起點 0.14 0.15 0.15 0.00 0.47 0.14 河段六終點 0.04 0.04 0.05 0.00 0.14 0.04 河段七起點 0.04 0.04 0.05 0.00 0.14 0.04 上
游
下 游
河段七終點 0.00 0.00 0.00 0.02 0.01 0.00
此 反 應 矩 陣 如 橫 向 排 放 源 「 南 河 排 水 」(TO1) ， 在 河 段 一 排 入 100kg/day 的 BOD 污 染 量 時，所 對 應 各 河 段 之 影 響 如 河 段 一 的 終 點 為 0.4293， 而 河 段 二 、 三 屬 於 上 坪 溪 支 流 ， 故 不 受 之 影 響 ， 河 段 四 之 起 終 點 分 別 為 0.18 與 0.14， 往 下 游 類 推 。 至 於 集 污 區 污 染 排 放 源 是 否 需 設 定 排 入 100kg/day 的 BOD 污 染 量 ， 則 要 視 模 擬 該 河 川 時 流 量 設 定 值 大 小 及 該 河 川 自 淨 能 力 為 何 來 考 量 。
（ 二 ） 推 估 河 川 污 染 涵 容 量
目 前 頭 前 溪 共 設 有 八 個 水 質 監 測 站 ， 分 別 為 內 灣 吊 橋 、 瑞 豐 大 橋 、 寶 山 水 庫 取 水 口 、 竹 東 大 橋 、 竹 林 大 橋 、 中 正 大 橋 、 頭 前 溪 橋 、
溪 洲 大 橋 ， 在 限 制 式 的 設 定 下 ， 根 據 河 川 分 段 原 則 的 情 形 下 ， 使 得 推
表 3- 10 增 加 監 測 點 之 反 應 矩 陣
上游---下游
南河排水 竹東排水 崁下排水 關東六號
橋排水 湳雅排水 背景值
TO1 TO2 TO3 TO4 TO5 TO0
河段一起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.30 河段一終點 0.38 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 河段二起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 河段二終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 河段三起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 河段三終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 河段四起點 0.16 0.00 0.00 0.00 0.00 0.68 河段四終點 0.15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.64 河段五起點 0.14 0.17 0.00 0.00 0.00 0.60 河段五終點 0.13 0.15 0.00 0.00 0.00 0.55 河段六起點 0.12 0.14 0.15 0.00 0.00 0.50 河段六終點 0.11 0.13 0.14 0.00 0.00 0.46 河段七起點 0.11 0.13 0.14 0.15 0.00 0.45 河段七終點 0.01 0.01 0.02 0.02 0.00 0.05 河段八起點 0.01 0.01 0.01 0.02 0.15 0.05 上
游
下 游
河段八終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
表 3- 11 增 加 監 測 點 之 環 境 承 載 力
集污區 面積
(ha) 水體分類 河川集污區排入量
kg/day(BOD)
南河排水 10446.4 乙 259.48
竹東排水 2706.71 乙 605.92
崁下排水 5799.06 乙 231.04
關東六號橋 1628.35 乙 117.49
湳雅排水 1076.72 乙 2571.44
總計 3785.37
藉 由 上 述 表 格 可 得 知，監 測 站 的 數 目 與 位 置 會 間 接 影 響 水 質 參 數 的 推 估，進 而 影 響 到 環 境 承 載 力。增 加 監 測 點 前 後 所 推 求 湳 雅 排 水 處 之 可 排 放 量 分 別 為 25021.22 與 2571.44， 相 差 近 十 倍 ， 主 要 原 因 為 河
川 分 段 之 影 響 。 增 加 監 測 點 前 之 最 後 一 個 河 段 起 點 為 距 下 游 8.2km 處 ，湳 雅 排 水 距 下 游 5.5km 處，且 湳 雅 排 水 為 水 體 水 質 標 準 交 界 處 ， 其 下 游 之 水 質 標 準 為 丙 類 水 體，故 湳 雅 排 水 口 排 入 污 染 後，根 據 反 應 矩 陣 規 劃，僅 需 在 河 段 七 終 點 時 遵 守 丙 類 水 體 即 可，由 於 此 處 流 速 緩 慢 ， 即 使 排 入 大 量 污 染 ， 也 能 在 河 段 七 終 點 時 符 合 丙 類 水 體 。 然 而 增 加 監 測 點 後，由 於 最 後 一 個 河 段 之 起 點 為 距 下 游 5.5km 處，與 湳 雅 排 水 口 同 一 位 置(假 設 湳 雅 排 水 口 位 於 最 後 一 個 河 段 起 點 前 不 遠 處 )， 故 湳 雅 排 水 口 排 入 污 染 後 ， 在 最 後 河 段 之 起 點 即 必 須 遵 守 丙 類 水 體 標 準 ， 故 推 求 出 來 之 環 境 承 載 力 降 低 。由 上 述 得 知 ，監 測 點 的 數 目 與 位 置 ， 會 影 響 河 川 分 段 數 目 與 水 質 參 數 的 推 求 ， 進 而 改 變 反 應 矩 陣 ， 此 外 最 佳 化 模 式 中 的 限 制 式 也 會 隨 之 改 變，最 終 造 成 環 境 承 載 力 推 估 上 的 變 化。往 後 若 能 增 加 監 測 站 之 數 目 並 位 置 恰 當，對 於 推 估 水 質 參 數 與 環 境 承 載 力 上 有 極 大 之 影 響，且 未 來 可 進 一 步 藉 此 針 對 河 川 管 理 制 度 探 討 合 理 之 相 關 策 略 。