第一章 前言
1.2 研究方法與步驟
第一章 前言
1.1 研究緣起與目的
近年來，台灣地區隨著民眾對於環境保護意識昇高，政府也逐漸重視環境議 題，尤其著重於水污染防治工作。然而，在政府面對河川污染嚴重狀況之下，須 逐一釐清造成污染嚴重的原因，並對症下藥，然而在投入大量資源後，河川水質 卻沒有明顯的改善，使得政府單位在整治工作上，遇到了瓶頸。在檢視國外河川 整治經驗下，政府除了進行全面性、連續性的河川基線資料調查外，也開始引入 國外適宜模式分析工具，透過模式分析，快速掌握及預測處理成效，以收發揮有 限資源，重點整治之效。
因國內並無自行開發且成熟的模式工具，故大都仰賴國外成熟模式，透過案 例研析，將模式引入使用。然而國外水質模式之建構，是以大陸型河川寬廣且流 速較平緩為基礎，致使其沿用之水質參數或水理計算等，雖不適用，但仍持續沿 用及建立。國內在引入此類模式使用時，鑑於太多水質參數設定、缺少本土化參 數值以及原始碼更改不易，在遷就使用上，就造成模擬結果無法適時反應現況。
本研究鑑於以上困難及現況，對常用複雜模式進行本土化之修正，並透過實 地現場調查，建立本土化參數，進而納入底泥議題，利用模式維度增加，使底泥 管理及整治也可透過模式進行分析及預測，最後再引入動態概念，建構出一可模 擬感潮河段之 2 維動態水理水質模式，以協助管理者決策輔助。
1.2 研究方法與步驟
本研究之方法為分析現行模式使用上的狀況及困難，修正模式原始碼，將部 分重要參數空間化，其次透過現地調查及實驗分析，取得河川水質參數；再者，
擴增模式摸擬範圍，由 1 維河川增納入底層底泥模擬，使模式具備模擬底泥有機 污染物之功能；最後利用 24 小時連續觀測數據，建立主支流河川之日變化曲線，
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並以單一潮週，進行潮週內之水質變化模擬。
研究步驟共分為參數空間化、參數調查、底泥網格建立、動態水量水質模式 等四大部分，其研究流程如圖 1.2-1 所示。各流程之簡易說明及其所在章節說明如 下:
1. 研究步驟一:參數空間化，詳細內容參見本研究第三章
本步驟主要挑選國內常用的模式，並以已完成模擬之成果，進行比對分析，
提出若無空間化水質參數，對於台灣此類河川特性，將無法良好應用。除此之外，
本研究特提出 BOD5以及 BODU之轉換係數，對於長期被使用者忽略的 BOD5以及 BODU之轉換係數，其模擬結果造成較重大的影響。迄今，台灣在應用上並無太大 問題，主要原因為現行模擬的河川水體 BOD5濃度太高，袪氧係數相對較大，因此 其轉換係數幾乎等於 1，故若轉換問題，對模擬結果不致影響。但若河川經由整治 後，其袪氧係數下降，轉換係數就不等於 1，其結果即影響到整個 BOD5模擬曲線。
2. 研究步驟二:參數調查，詳細內容參見本研究第四章
此步驟接續前一步驟，考量袪氧參數之設定皆參考國外文獻建議值，基於環 境背景不同，於本研究中針對研究區域內之水質參數調查，先引用國外實驗室方 法，建立參數實驗方法，經由二年的測試及修正，提出一適宜之調查及實驗方法，
並提出研究區域之水質參數值範圍，供後續研究參考。
3. 研究步驟三:底泥網格建立，詳細內容參見本研究第五章
考量底泥管理日益重要，本研究擴增水質模式維度，於水體下層增設另一層 底泥網格，為一土壤網格，透過水與底泥的傳輸交換，使得原訂之底泥需氧量不 再需要輸入，而為一模擬結果，使模式自動計算底泥需氧量，未來對於底泥相關 管制措施之執行，模式也可以進行預測。
4. 研究步驟四:動態模式建立，詳細內容詳見本研究第六章
本研究最後透過全流域主支流 24 小時連續監測結果，分區建立支流排水入流 歷線，並擇定一潮汐週期，進行全河系之動態水理水質模擬。因研究區域重點管
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制區塊主要位在感潮河段內，對於漲退潮下之河川水質，較難以預測及估計。本 研究主要透過一系列對模式的修正及本土化，使得模式可以提供感潮期間，不同 時間點之水質變化趨勢，其結果可供管理單位在操作相關措施時之參考。
圖 1.2-1 研究流程與步驟 1.3 文獻回顧
當污染物自外部進入河川水體後，將隨水流至下游逕自出海，或受吸附沉降 作用，至下游沉積成為受污底泥。惟目前受限於河川水體與底泥之觀測頻率、現 有檢測技術、流域尺度以及應用與整治規劃目的等條件，河川水體與底泥中，有 機物與營養鹽之分析，通常考量浮游植物與碳循環、氮循環、磷循環、懸浮固體、
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底泥需氧量等因子，應用光合-呼吸作用(photosynthesis & respiration)、祛氧
(deoxygenation)、硝化(nitrification)、脫硝(denitrification)、礦化(mineralization)、水 生植物淨生長率(net growth rate)，配合水體流動(advection)、介面延散(dispersion)、
顆粒吸附(adsorption)、沉降(settling)、再懸浮(resuspension)、自體衰減(decay)、底 泥需氧量(SOD)等傳輸機制，分析有機質與營養鹽在河川水體與底泥間之流布 (transport & fate)。
Lung, W. S., and Light, R. N. (1996 b)應用 WASP5 針對 Old Women Creek 之銅 化物在濕地生態系統中，於底泥與水體間之傳輸與演變，模擬內容包含水生植物
─美洲黃蓮(Nelumbo lutea)、總磷、水中與底泥間之溶解態/非溶解態銅化物、懸浮 固體等，本研究以 Old Women Creek 濕地中葉綠素 a 與總磷之實測值進行模式校正，
以美洲黃蓮對於銅化物之飽和吸附量做為模式驗證依據，精確量化濕地生態系統 對於銅污染之去除效益，做為後續濕地規劃之設計條件。
劉格非和吳先琪(民 95)以波譜法改善水理模式，並以座標轉換推估淡水河口到 關渡橋之地形，再應用寬度平均之深度二維水質與底泥運移模式，針對淡水河口 之溶氧、鹽度、懸浮固體、重金屬與底泥進行模擬。由調查與模式模擬成果顯示，
懸浮固體易因絮凝產生沉泥，並對污染物產生吸附作用。
Kuo, J. T., Liu, W. C., Lin, R. T., Lung, W. S., Yang, M. D., Yang C. P., and Chu, S.
C. (2003)應用 CE-QUAL-W2 對翡翠水庫之優養化進行分析，以連續 1 年的模擬，
完成水庫垂向水溫之校正及驗證，完成的水體熱分層模擬後，再進行水庫表層、
中層、底層之溶氧、氨氮、總磷、葉綠素 a、硝酸氮、SS 之模擬，並檢定合適之 水質參數，完成翡翠水庫水理水質模式之建置，最後應用模式進行水庫優養化分 析，建議以適當污染減量管制措施減少 50 %以上的磷污染負荷量時，將可令翡翠 水庫水質由中養/優養改善至貧養。
Kuo, J. T., Lung, W. S., Yang, C. P., Liu, W. C., Yang, M. D., and Tang, T. S.
(2006)應用 CE-QUAL-W2 對曾文水庫與德基水庫之優養化進行分析，以連續 2 年的模擬，進5
行水庫水位與水溫之校正及驗證，完成的水體熱分層模擬後，再進行水庫溶氧、
氨氮、總磷、葉綠素 a、硝酸氮、SS，並檢定合適之水質參數，完成曾文水庫與德 基水庫水理水質模式之建置，最後應用模式進行水庫優養化分析，建議以適當污 染減量管制措施減少德基水庫 30~55 %以上的磷污染負荷量時，將可令水質由中養 /優養改善至貧養。
Chang(2005)結合 VIMS 動態水理模式、SWMM 與 WASP，針對匯流入 Chesapeake Bay 之 Back River 中之 PCBs 污染，發展 3 維動態 PCBs 演變與傳輸模 式。模式必須滿足 1.水平衡(water balance)：提供環流與混合機制、2.懸浮質平衡 (solids balance)：提供吸附、沉降與再懸浮機制、3.模擬物質平衡(contaminant mass balance)：聯結源點項與源滅項(source and sink)以及內部自體轉換機制。模式先行 完成鹽度(salinity)與懸浮質之模擬與分析，確立河川中之傳輸與沉降等機制後，再 加入 PCBs 之垂向延散、吸附、氧化、自體衰減等機制，完成 PCBs 在 Back River 流布之情形。
Yang, C. P., Kuo, J. T., Lung, W. S., Lai, J. S., and Wu, J. T. (2007)應用 RMA2 與 WASP5 模擬二重疏洪道濕地之營養鹽、重金屬與水生植物在水體與底泥間之傳輸 與演變，並進行模式敏感度分析。主要模擬內容為在明顯的感潮效應下，溶解態/
非溶解態之鋅化物與銅化物，在水體中之傳輸與擴散、受水生植物吸收、受懸浮 固體吸附及沉降成為底泥間之交互作用，供後續評估二重疏洪道之濕地系統對於 重金屬污染之去除成效。
Liu, W. C., Chang S. W., Jiann, K. T., Wen, L. S., and Liu, K. K. (2007)針對河川 中重金屬污染物 2 種型態：溶於水之溶解態及吸附於懸浮固體上之非溶解顆粒態。
以本研究中，以分佈係數決定相對比例後，應用垂直 2 維水理水質模式，模擬淡 水河系中(包含大漢溪、新店溪、基隆河與淡水河本流)，在感潮效應影響下，水體、
鹽度、懸浮固體及銅化物之傳輸與擴散行為，發展重金屬污染之水質水裡模式。
本研究應用本流土地公鼻、關渡橋、臺北橋、大漢溪新海橋、新店溪中正橋、基
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隆河百齡橋之實測潮週水位、潮週流速及潮週鹽度，完成 2D 動態水理模式校驗證，
提供水質模式所需之水理動力條件，模擬淡水河中總銅、顆粒態銅及溶解態銅之 2D 傳輸、擴散、吸附與沉降行為，並應用情境模擬方式，底泥條件改變之後，對 水體中銅化物之影響與變化，最後並依情境模擬結果，推論外部銅污染負荷之可 能分佈位置。
Lung, W. S., and Nice, A. J. (2007)應用 CE-QUAL-W2 與 WASP5，以垂向 2 維 動態模擬，探討 Patuxent 河口在不同的營養鹽負荷量衝擊下，對於浮游植物與水 中溶氧的影響。模式模擬內容為感潮效應下，2D 水體傳輸與延散作用、BOD 之祛 氧作用、氨氮之硝化作用、懸浮固體垂向 2D 運動、溶解態/非溶解態磷鹽之礦化 作用、非溶解態之磷化物與氮化物對懸浮固體之吸附與沉降行為、底泥需氧量等。
本研究中，應用 Patuxent 河口處之表層與底層之實測鹽度、Nottingham 與 Broomes Island 表層與底層之溫度、葉綠素 a、氨氮、硝酸鹽氮進行模式校驗證，並應用情 境模擬方式，推論營養鹽負荷量之衝擊下，上游浮游植物之生長情形較下游為敏
本研究中，應用 Patuxent 河口處之表層與底層之實測鹽度、Nottingham 與 Broomes Island 表層與底層之溫度、葉綠素 a、氨氮、硝酸鹽氮進行模式校驗證，並應用情 境模擬方式，推論營養鹽負荷量之衝擊下，上游浮游植物之生長情形較下游為敏