系統動態模式應用於評估環境承載力

建 構 環 境 承 載 力 系 統 動 態 模 式 首 要 之 步 驟 為 分 辨 何 者 為 stock、flow、

and auxiliary。此 外，為 配 合 本 研 究 群 第 一 階 段 永 續 發 展 指 標 體 系 之 研 究 成 果 ， 本 子 計 畫 初 步 擬 定 構 想 如 下 說 明 ， 惟 仍 須 於 研 究 過 程 中 與 其 他 子 計 畫 做 雙 向 討 論 。

建 立 系 統 動 態 模 式 主 要 原 件 為 蓄 存 (Stock or Level)、 流 量 (Flow or Rate)、與 助 動 (Converter or Auxiliary)。而 永 續 發 展 指 標 根 據 CSD 之 Driving force-State-Response (DSR)架 構 ， 狀 態 （ State） 指 標 用 以 描 述 永 續 發 展 狀 態 ， 驅 力 指 標 則 為 影 響 狀 態 改 變 之 驅 動 力(Driving force) ， 而 回 應 指 標 (Response)則 用 於 描 述 為 回 應 狀 態 改 變 所 採 用 之 政 策 ， 三 類 指 標 會 互 相 影 響 ， 如 圖 5.2。 則 將 兩 者 結 合 可 考 慮 步 驟 如 下

1. 各 子 計 畫 選 定 1∼ 2 個 狀 態 變 數 為 蓄 存 原 件 ， 狀 態 變 數 則 可 能 為 一 種 承 載 力 ， 此 承 載 力 應 與 多 目 標 模 式 目 標 函 數 相 同 ；

2. 永 續 發 展 指 標 中 ， 驅 力 (Driving force)與 回 應 力 (Response)指 標 在 系 統 動 態 模 式 由 輔 助(converter or auxiliary)原 件 表 示 ；

3. 評 估 蓄 存 原 件 之 輸 入 與 輸 出 ， 輸 入 代 表 供 給 ， 輸 出 代 表 需 求 。 有 些 蓄 存 原 件 可 能 無 輸 入 ， 如 土 壤 ；

4. 可 由 輸 入 與 輸 出 判 斷 是 否 有 超 過 承 載 力，作 為 永 續 發 展 指 標 值 之 計 算 ；

5. 驅 力 與 回 應 力 指 標 會 影 響 承 載 力 狀 態 及 其 輸 入 與 輸 出 ；

6. 承 載 力 狀 態 亦 會 受 其 他 狀 態 影 響 ， 此 部 分 將 由 本 子 計 畫 整 合 。

進 行 政 策 環 境 影 響 評 估 程 序 中 之 篩 選 與 範 疇 界 定 時 ， 必 須 有 工 具 作 為 評 估 之 依 據 ， 本 研 究 將 依 據 其 他 各 子 計 畫 所 提 出 評 估 政 策 環 評 之 環 境 指 標 ， 建 立 整 合 性 指 標 體 系 之 系 統 動 力 評 估 模 式 。 藉 由 系 統 動 力 模 式 建 立 評 估 模 式，並 訂 定 各 指 標 之 權 重，建 立 一 綜 合 指 標，最 作 為 政 策 執 行 與 否 之 依 據 ， 使 政 府 通 過 的 政 策 ， 皆 能 符 合 永 續 發 展 之 原 則 。

建 立 系 統 動 力 模 式 主 要 原 件 為 蓄 存 (Stock or Level)、 流 量 (Flow or Rate) 、 與 助 動 (Converter or Auxiliary) 。 而 永 續 發 展 指 標 根 據 CSD 之 Driving force-State-Response (DSR)架 構 ， 狀 態 （ State） 指 標 用 以 描 述 永 續 發 展 狀 態 ， 驅 力 指 標 則 為 影 響 狀 態 改 變 之 驅 動 力(Driving force)， 而 回 應 指 標(Response)則 用 於 描 述 為 回 應 狀 態 改 變 所 採 用 之 政 策 ， 三 類 指 標 會 互 相 影 響 ， 如 圖 5。 則 將 兩 者 結 合 可 考 慮 步 驟 如 下

1. 各 子 計 畫 選 定 狀 態 變 數 為 蓄 存 原 件 ， 狀 態 變 數 則 可 能 為 一 種 承 載 力 、 累 積 之 影 響 、 或 累 積 影 響 與 承 載 力 合 成 之 指 標 ；

2. 永 續 發 展 指 標 中 ， 驅 力 (Driving force)與 回 應 力 (Response)指 標 在 系 統 動 力 模 式 由 輔 助(converter or auxiliary)原 件 表 示 ；

3. 評 估 蓄 存 原 件 之 輸 入 與 輸 出 ， 輸 入 代 表 供 給 ， 輸 出 代 表 需 求 。 有 些 蓄 存 原 件 可 能 無 輸 入 ， 如 土 壤 ；

4. 可 由 輸 入 與 輸 出 判 斷 是 否 有 超 過 承 載 力 ， 作 為 永 續 發 展 指 標 值 之 計 算 ；

5. 驅 力 與 回 應 力 指 標 會 影 響 承 載 力 或 累 積 性 影 響 狀 態 及 其 輸 入 與 輸 出 ；

6. 某 一 承 載 力 或 累 積 性 影 響 狀 態 亦 會 受 其 他 狀 態 影 響 ， 此 部 分 將 由 本 子 計 畫 整 合 。

驅力指標 狀態指標 回應指標

圖 5.2 DSR 永 續 發 展 指 標 系 統 相 互 關 係

圖 5.3 則 為 一 整 合 性 水 土 資 源 系 統 動 力 模 式 概 念 圖 ， 於 研 究 過 程 中 將 予 以

假 設 若 政 府 欲 採 取 加 高 水 庫 高 度 之 政 策 ， 對 於 水 資 源 的 影 響 上 ， 主 要

第 六 章 相 關 分 析 模 式

於 前 述 章 節 中 評 估 永 續 發 展 其 主 要 之 工 具 多 以 系 統 動 力 模 式 進 行 分 析 ， 此 章 節 中 將 應 用 於 評 估 水 質 之 相 關 模 式 加 以 介 紹 。 在 河 川 水 質 之 模 擬 部 分 分 為 點 源 污 染 與 非 點 源 污 染 ， 且 河 川 與 水 庫 所 遭 受 的 污 染 的 特 性 亦 不 同，因 此 兩 者 發 生 的 機 制 不 同，因 此 在 此 分 別 採 用 QUAL2E 與 Vollenweider Eutrophication Model 以 及 GWLF 模 式 進 行 模 擬，在 河 川 水 質 污 染 部 分 則 是 採 用 QUAL2E 評 估 BOD 於 河 川 傳 輸 之 情 形 與 涵 容 能 力 ， 進 而 藉 由 反 應 矩 陣 評 估 累 積 性 之 衝 擊 ， 以 評 估 該 河 川 是 否 符 合 永 續 性 ， 而 在 水 庫 污 染 部 分 則 是 採 用 Vollenweider Eutrophication Model 模 式 分 析 水 庫 中 允 許 排 入 之 總 磷 ， 以 及 上 游 流 入 之 污 染 量 ， 對 水 庫 造 成 之 累 積 性 衝 擊 ， 由 於 水 庫 中 的 總 磷 屬 於 非 點 源 污 染 主 要 是 在 暴 雨 發 生 時 由 逕 流 沖 刷 流 入 水 庫 中 ， 在 此 是 以 GWLF 模 擬 可 能 產 生 之 非 點 源 污 染 量 ， 進 而 排 入 河 川 與 水 庫 中 ， 再 分 別 由 QUAL2E 與 Vollenweider Eutrophication Model 分 析，污 染 之 累 積 性 衝 擊 是 否 超 過 環 境 承 載 力 ， 下 面 分 別 介 紹 這 些 相 關 模 式 。

6.1 QUAL2E

QUAL2E 水 質 模 式 係 由 美 國 環 保 署 所 發 展 完 成 之 多 功 能 河 川 水 質 模 式 。QUAL2E 模 式 針 對 樹 枝 狀 河 川 而 言 ， 使 用 者 可 根 據 需 要 ， 任 意 組 合 15 種 水 質 參 數 ， 模 擬 常 態(Steady-State)下 之 河 川 水 質 。 QUAL2E 模 式 之 基 本 理 論 為 一 維 的 傳 統 延 散 質 量 傳 輸 方 程 式 。 它 可 描 述 河 川 水 質 隨 時 間 與 空 間 之 變 化 情 形 ， 其 計 算 方 式 是 將 整 個 流 域 依 水 理 特 性 切 割 成 若 干 河 段 ， 再 將 每 一 河 段 分 成 具 有 等 間 距 之 計 算 元 素 ， 且 相 同 河 段 內 元 素 具 有 相 同 之 水 力 特 性(如 坡 度 、 斷 面 積 及 糙 度 等 )與 生 物 係 數 (如 BOD 去 除 率 、 藻 類 沉 澱 率 等)。

模 式 原 理 與 方 法 為 傳 統 延 散 質 量 傳 輸 方 程 式 。 它 可 描 述 河 川 水 質 隨 時 間 與 空 間 之 變 化 情 形 。 其 求 解 方 式 為 以 數 值 內 差 分 法(Numerical Implicit Finite Difference) 之 高 氏 消 除 法 (Guassian Elimination) 及 反 代 入 法 (Back

Substitution)解 有 關 之 偏 微 分 方 程 式，其 中 包 括 溫 度 及 藻 類 生 長 項 目 之 收 斂 試 驗。可 模 擬 之 水 質 項 目 有，保 存 性 物 質(三 類 )、非 保 存 性 質 (二 類 )、溫 度 、 生 化 需 氧 量 、 溶 氧 、 藻 類 、 有 機 氮 、 氨 氮 、 硝 酸 氮 、 亞 硝 酸 氮 、 有 機 磷 、 溶 解 磷 、 大 腸 菌 。 在 應 用 上 有 部 分 限 制 ， 如 河 段 分 段 最 多 50 段 、 元 素 數 目 每 段 不 超 過 20 個 及 總 數 500 個 、 源 頭 元 素 數 目 最 多 10 個 、 節 點 元 素 數 目 最 多 9 個 與 流 入 及 流 出 元 素 數 目 最 多 50 個 。

6.2 GWLF (Generalized Watershed Loading Functions)

GWLF 是 由 康 乃 爾 大 學 所 發 展 的 。 主 要 是 用 來 評 估 來 自 於 大 尺 度 的 的 農 業 與 都 市 集 水 區 中 氮 與 磷 的 點 源 與 非 點 源 負 載 。 並 且 可 推 估 在 幾 種 不 同 土 地 利 用 的 管 理 措 施 下 ， 其 污 染 改 善 的 效 率 性 (Haith and Shoemaker, 1987)。此 模 式 的 優 點 是 以 集 水 區 之 物 理 特 性 建 構 之 模 式，所 以 並 沒 有 大 量 的 參 數 值 必 須 一 一 檢 定 之 。GWLF 模 式 包 含 了 降 雨 與 逕 流 、 土 壤 沖 蝕 與 沈 積 物 ， 還 有 總 磷 與 總 氮 的 負 載 推 估 等 模 擬 。 目 前 的 版 本 尚 未 加 入 有 毒 物 質 與 金 屬 的 考 量 。 此 模 式 是 以 日 為 單 位 作 為 時 間 模 擬 的 間 距 ， 也 可 做 每 年 與 季 節 性 的 時 間 尺 度 分 析 。 此 模 式 用 利 用 簡 單 的 傳 輸 路 徑 進 行 模 擬 ， 主 要 是 依 據 流 達 率 的 觀 念 。 另 外 ， 模 擬 的 結 果 可 用 來 確 認 污 染 源 並 加 以 排 列 ， 並 可 進 行 流 域 範 圍 中 的 管 理 規 劃 土 地 利 用 的 改 變 可 能 造 成 的 衝 擊 。 這 個 模 式 應 用 在 中 尺 度 的 集 水 區 有 不 錯 的 成 果。(Haith and Shoemaker, 1987)。GWLF 可 用 於 混 合 的 集 水 區 。 時 間 尺 度 是 屬 於 連 續 。

GWLF 是 一 個 結 合 semi-distributed/lumped 參 數 的 的 集 水 區 模 式。對 於 地 表 負 載 ，他 是 屬 於 分 散 性 的 ，他 允 許 各 種 不 同 的 地 表 覆 蓋（ 土 地 利 用 ），

但 是 每 一 個 區 域 是 假 設 其 屬 性 是 屬 於 均 質 的 。 模 式 無 法 模 擬 空 間 分 散 性 區 域 的 污 染 源 ， 但 是 可 簡 單 的 匯 集 每 個 區 域 的 進 入 至 集 水 區 總 量 的 負 載 。 對 於 地 表 下 的 負 載 ， 模 式 是 採 用 lumped(集 塊 性 的 )參 數 進 行 水 平 衡 的 評 估 。 並 沒 有 清 楚 的 區 分 哪 些 區 域 是 對 地 下 水 的 水 量 有 所 影 響 的 。 此 模 式 計 算 地 表 下 飽 和 區 與 未 飽 和 區 每 天 的 水 平 衡 。 在 此 入 滲 是 利 用 降 雨 與 融 雪 的 量 減 去 地 表 逕 流 與 蒸 發 散 量 所 計 算 而 得 。

GWLF 是 利 用 SCS-CN 的 方 法 與 每 天 的 氣 候 資 料 （ 降 雨 與 溫 度 ） 模 擬 地 表 逕 流 。 土 壤 沖 蝕 與 沈 澱 物 的 產 生 是 利 用 土 壤 沖 蝕 萬 用 公 式 推 估 ， 根 據 每 個 區 域 每 個 月 的 降 雨 逕 流 係 數 與 每 個 月 的 KLSCP 混 合 值 所 獲 得 。 應 用 沈 澱 物 的 傳 輸 率 與 傳 輸 的 容 量 計 算 沖 蝕 量 ， 進 而 推 估 每 個 區 域 的 沈 澱 物 產 生 量 。 其 中 沈 澱 物 的 傳 送 率 （delivery ratio） 是 依 據 集 水 區 的 大 小 ， 而 傳 輸 的 容 量(transport capacity)則 是 依 據 平 均 每 日 的 逕 流 。 地 表 營 養 鹽 的 損 失 是 利 用 地 表 逕 流 中 溶 解 性 的 氮 與 磷 係 數 與 沈 澱 物 係 數 去 推 估 每 一 個 農 業 區 域 產 生 的 量 。 點 源 的 排 放 也 可 能 造 成 溶 解 性 的 損 失 。 模 式 中 也 考 慮 了 施 肥 面 積 與 可 能 造 成 營 養 鹽 腐 敗 的 系 統 。 而 都 市 中 所 排 入 的 營 養 鹽 是 以 固 體 的 方 式 推 估 ， 以 指 數 累 積 與 washoff 函 數 推 得 這 些 污 染 的 負 載 。 地 表 下 的 營 養 鹽 損 失 是 利 用 溶 解 性 的 氮 與 磷 係 數 ， 推 估 淺 層 地 表 水 流 入 河 川 的 營 養 鹽 負 載 ， 地 表 下 的 模 式 對 於 整 個 區 域 的 推 估 只 考 慮 單 一 整 體 性 的 參 數 值 。 蒸 發 散 的 推 估 是 利 用 每 天 的 氣 候 資 料 與 土 地 利 用 的 覆 蓋 因 子 。 最 後 在 水 平 衡 的 部 分 ， 是 採 用 每 天 降 雨 、 降 雪 、 初 始 未 飽 和 帶 的 蓄 水 量 、 最 大 可 用 區 域 蓄 水 量 與 蒸 發 散 量 值 所 建 立 。

在 河 川 當 中 營 養 鹽 的 負 載 包 含 了 溶 解 性 與 固 體 性 的 狀 態 ， 溶 解 性 的 營 養 鹽 會 伴 隨 著 逕 流 、 點 源 與 地 下 水 流 而 排 入 河 川 中 。 固 體 狀 態 的 營 養 鹽 大 多 來 自 於 都 市 區 域 的 點 源、土 壤 沖 蝕 以 及 部 分 原 料 的 沖 刷 所 產 生。在 GWLF 中 非 都 市 地 區 的 營 養 鹽 負 載 是 藉 由 逕 流 與 水 沖 蝕 地 表 土 壤 的 運 移 ， 非 都 市 地 區 的 營 養 鹽 負 載 是 來 自 於 數 種 不 同 的 土 地 利 用 的 區 域 ， 每 個 區 域 是 以 均 值 的 方 式 考 量 ， 每 個 區 域 的 區 分 是 關 係 著 其 土 壤 與 覆 蓋 的 型 態 。 每 一 個 區 域 溶 解 性 的 負 載 是 由 逕 流 的 體 積 乘 上 與 氮 與 磷 平 均 溶 解 的 濃 度 可 得 知 。 溶 解 性 營 養 鹽 濃 度 是 可 參 考 GWLF 手 冊 中 的 參 數 值。農 業 營 養 鹽 中 固 體 狀 態 的 推 估 是 利 用 每 個 月 的 沈 澱 物 產 生 量 與 平 均 沈 澱 物 營 養 鹽 的 濃 度 而 得 。

6.3 Vollenweider Eutrophication Model

此 模 式 主 要 假 設 湖 泊 水 體 之 濃 度 為 充 分 混 合 ， 且 流 入 湖 泊 之 水 量 等 於 流 出 之 水 量 ， 湖 泊 中 的 水 體 容 量 將 不 會 有 所 改 變 ， 其 平 衡 方 程 式 如 下 ：

CQ

6.4 水資源系統動力模式

系 統 動 力 模 式 中 三 個 主 要 原 件 為 （1） 儲 存 （ Level & Stock）、（ 2） 流 動 （Rate & Flow）、（ 3） 助 動 （ Auxiliary & Converter）。 此 三 個 原 件 之 相 互 關 係 與 意 義 已 於 第 五 章 說 明 之 。 本 研 究 以 系 統 動 力 模 式 建 立 各 水 資 源 系

系 統 動 力 模 式 中 三 個 主 要 原 件 為 （1） 儲 存 （ Level & Stock）、（ 2） 流 動 （Rate & Flow）、（ 3） 助 動 （ Auxiliary & Converter）。 此 三 個 原 件 之 相 互 關 係 與 意 義 已 於 第 五 章 說 明 之 。 本 研 究 以 系 統 動 力 模 式 建 立 各 水 資 源 系