重力聯合抽水試驗觀測初步分析

區域地下水資源評估，最為重要的就是該區的水文地質特性描述與水文參 數推求。一般評估方式，多以大量建置地質鑽井、水位井等方式，配合水質調 查、自然地質外露現況，做為評估依據。但執行上多因耗費龐大，以致取樣點 有限，且當進行大範圍推估時，時常遇到時效性較差與取樣不足等情況。本計 畫將嘗試以重力觀測提供另一種可能的方法，推估水文地質參數。

以重力方法觀測地下水變化，在國內外皆屬試驗階段，其受限於三大主要

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因素，第一為精密重力觀測技術的發展，第二為地質架構的建置，第三為合理 數值模式的模擬。陸地重力觀測儀器發展迄今已三十多年，儀器觀測精度不斷 提升，現今市售陸地絕對重力觀測儀器，其準確度已可達 1μgal，可用於偵測 區域地下水位整體變化(Hwang et al., 2009)。經濟部所屬水利署與中央地質調查 所，長期投資於台灣地下水觀測與地質架構建置，已對平原區的水文地質架構 有著詳盡的描述。數值模式的發展基於詳盡的地質調查與水文模式分析，配合 理論計算與高速電腦發展，已趨於可實際反衍現地水文變化。如現地重力觀測 能與調查現況、數值模擬達到一定程度的對比驗證，其優勢在於花費少、非破 壞性 監 測、 涵蓋 面 積大 、 環境 限制 少 、高 時 效與 高準 確 度 (Howle, Phillips, Denlinger, & Metzger, 2003)。

以抽水試驗事件而論，抽水試驗藉由連續抽取特定深度之地下水，形成動

Bauer-Gottwein, 2009)，以 groundwater vista 介面進行操作，配合實際觀測水位 資料作為邊界條件，並納入已知水文地質參數，建置抽水歷程的三維洩降情 形。利用洩降範圍所形成的質量空缺，積分空缺範圍對重力量測儀器的影響 Az，藉以模擬重力變化，並推估實驗區可能的 Sy值。

內城站抽水試驗，實驗位置在宜蘭縣榮源國中(24°43'08", 121°41'15" )內，

於原有地下水位觀測井旁另鑿新井，形成雙井。抽水試驗以新鑿井為連續抽水 井與第一觀測井，於抽水期間放置抽水馬達與水位計，同時觀測抽水量與洩降 深度，而原水位觀測井為第二觀測井，量測離抽水井一定距離之水位洩降情 形。內城站抽水試驗大致分成兩階段，第一階段為分級試水，第二階段為定量 試水。於 2013 年 5 月 17 日上午 8 時 37 分起進行五級連續分級試水，每級 100

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分鐘，共計 500 分鐘。自第一級抽水量 86.20 cmh，逐級增加抽水量為 117.40 cmh、145.60 cmh、178.40 cmh 至第五級最大抽水量為 205.90 cmh，五級試水後 抽水馬達關閉，觀測水位回覆。靜置 24 小時後，5/18 傍晚進行第二階段的定量 試水，以固定最大抽水量 205.90 cmh，連續抽水 48 小時，進行相關數據收集與 分析。

如圖 4.2-13 所示，在定量抽水開始後的第 86~166 分鐘間，絕對重力數值自 基準值 978900157.4μgal 降低至 978900155.0μgal，重力差值達 2.4μgal，重力 差值的標準偏差為 0.9μgal。數值模擬方面如圖 4.2-14 所示，我們假定一個以 抽水井為中心，長與寬皆 100 公尺的實驗區域，地層狀況為均質，並令抽水造 成的水位洩降，只發生在距離抽水井 50 公尺以內的範圍，50 公尺以上的洩降其 影響量小到可以忽略不計。利用台糖水位觀測計於計算區間中(自定量抽水開始 第 8 6 至 166 分鐘)，抽水井與第二觀測井的平均水位洩降(抽水井 0.87m，第二 觀測井 0.33m)資料，作為 MODFLOW 數值模型的水位洩降邊界條件，地質條件 則利用抽水試驗報告中的給定參數值作為輸入，模擬一組可能的抽水洩降三維 模型。所有計算格點因水位變化而產生的重力變化效應，利用公式(4.2-3)可以 求得總影響量 Az，而考量實際觀測量重力變化量Δg 為 2.4μgal，利用公式(3) 即可推得 Sy為 0.37。納入絕對重力儀的觀測不確定度，在 68%的信心水準中，

內城站的 Sy值合理範圍應介於 0.19 至 0.55 間。

圖 4.2-13 絕對重力儀 FG5 觀測重力背景值(臺灣時間 2013/5/17 03:10~05:00AM) 與定量試水期間絕對重力值 (臺灣時間 2013/5/18 19:47~21:07PM)

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圖 4.2-14 以實際水位觀測資料為控制條件，利用 MODFLOW 模擬內成站抽水狀 況之三維洩降圖。

內城站抽水試驗，重力實驗成功於定量試水期間，量得地下水質量損失產 生 2.4μgal 的重力值影響，而數值模擬顯示考量重力觀測不確定度，內城站 Sy

值應介於 0.19 至 0.55。分級試水期間，絕對重力儀觀測到質量之減損，精密水 準測量則觀測到地表的微幅變形。分級試水後的靜置期，地下水位回升，絕對 重力值也回復至背景重力基準值。雖然評估的準確度尚待改進，但也證明以重 力方法進行水文地質參數評估的研究方向，值得持續發展與精進。

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