劉振宇1,2 摘要
集水區上游地下水水質之良窳，直接影響中下游地下水使用之安全，近年來濁水溪沖積 扇上游(南投區域)地下水因農業盛行導致硝酸鹽氮污染趨於嚴重，逐漸影響中、下地下水之 利用，本研究以多變量統計方法之因子分析，評估本區地下水水質結構、特徵及其在空間及 時間上之分佈與變化，並藉由現地水質調查及土地使用情況，研判潛在硝酸鹽氮污染源及可 能之地下水污染途徑。然後結合 DRASTIC 模式，評估與劃定本地區地下水易受污染區，最 後提出永續經營本區地下水使用方案。八項水質包括酸酸值、總硬度、電導度、氨氮、硝酸 鹽氮、鐵、錳及硫化物為因子分析之數據，本區域 2004~2006 年地下水水質因子分析研究果 穩定。鐵錳及硬度因子為台灣地下水水質特徵之ㄧ，皆為地層中溶出，而硝酸鹽氮則為地表 人為活動而導致；南投市之地下水水質呈氧化、酸性及高硝酸鹽氮之水質特徵，雲林斗六之 地下水水質呈還原、中鹼性及低硝酸鹽氮之特徵；DRASTIC 模式評估本區之硝酸鹽氮地下水 之污染潛勢結果，污染潛勢得分在 160 分以上之區域劃定為易受污染區，其中呈現高硝酸鹽 氮汙染潛勢包括埔里鎮、草屯鎮西半部、名間鄉西南側、竹山鎮北側及南投市內零星區域，
皆為南投縣之人口集中或農業盛行之區域。南投縣境內之硝酸鹽氮污染已超過 10 年以上且為 多重污染源，短期內雖未影響濁水溪沖積扇及台中盆地中游地下水區，但本區之地下水水質 條件已不適民生用水之需。鄉鎮市應積極推動地下水污染防治，人口密集之鄉鎮市應加速興 建衛生下水道，農業發達之鄉鎮應管理並輔導農戶減少使用農藥及化肥，以期達成地下水資 源保育與永續利用之目標。
關鍵詞：南投、因子分析、硝酸鹽氮污染、地下水、DRASTIC
1. 國立臺灣大學生物環境系統工程學系暨水工試驗所
2. 通訊作者，電子郵件：[email protected]
前言
集水區上游水質之良窳，對中下游地下水質影響重大，濁水溪沖積扇及台中盆地之上游 為南投地區 (以下簡稱本地區)，境內地勢除西側南投市、草屯鎮、名間鄉等為平原地形外，
其餘鄉鎮多為臺地或山地地形，地形高差變化極劇，且本地區因位於地面水水源之上游區域，
地表水資源供應充足，地下水資源於本地區不似彰化、雲林縣及台中盆地等西南縣市獲主管 機關重視，因而經濟部水利署建置之地下水觀測站網多以平原地下水區為主，僅部份觀測井 設置於濁水溪沖積扇上游。環保署之觀測井多屬場置性污染之水質監測功能，南投縣政府自 民國 91 年起逐步設置特定污染源地下水監測井達 22 口，由監測井之水質結果均顯示地下水 氮污染情形逐年惡化。台灣省自來水公司原自南投名間抽取地下水作為自來水水源，也於該 年改抽取水里溪之河水替代，顯示硝酸鹽氮污染已嚴重影響民生用水水源，必須盡速評估本 地區地下水氮之污染潛勢及因應方案。本研究目的為調查、分析南投地區地下水水質變化、
結構及特徵，採用 DRASTIC (US EPA, 1985) 評估本區污染潛勢，及提出有效之管理策略。
研究方法 研究區域
本區位居本島中央，台灣地理中心碑設於本縣埔里鎮，是全省唯一不濱海之縣份，面積 遼闊，南北長約九十五公里，東西寬約七十二公里，境內地勢除西側南投市、草屯鎮、名間 鄉等為平原地形外，其餘鄉鎮多為臺地或山地地形。本區內有台中地區與濁水溪沖積扇兩個 主要地下水區，其地下水來源主要來自濁水溪沖積扇上游、台中盆地及埔里盆地等三區域 (圖 1)；楊萬全等 (1976) 曾推估埔里盆地之地下水流入量約為每年 124×106噸，約合 3.93 CMS，
因此地下水蘊藏量相當豐沛，但經濟部水利署所建置之地下水觀測網，於本地區境內除竹山 鎮外，並無針對本地區地下水資源特性 (水量及水質) 進行例行之觀測，所以對於本地區地 下水流場特性及水質變化行為方面，各界所知甚為有限。
1997~2006 年水利署水文水資源資料庫中 13 口水位觀測井分別位於台中盆地及濁水溪 沖積扇兩大地下水區，分析南投地區地下水位及水位歷線變化，各井每年平均水位之標準偏 差值差異性較大，表示本區域之觀測井水位變動較為明顯，且地下水水位特性為易受到豐枯 水年而產生變動，則表示該地區地下水層滲透性佳、補注特性良好，為主要之地下水補注區；
以埔里盆地地下水位歷線結果而言，水位歷線在夏季豐水期水位抬升，在枯水期水位下降，
乾溼變化最為明顯，因此將豐水期間多餘之地面水引入沖積扇上游補注區內適宜之含水層，
增加其補注量，作為枯水期間抽取，以供各標的不足用水之使用，可達到地面水及地下水資 源之聯合運用。
為瞭解本區地下水流向，本研究蒐整經濟部水利署及南投縣政府之南投地區地下水水位 資料，繪製 2003 年本區地下水等水位線之空間分佈 (圖 2)，南投地區地下水源起於中央山脈 流至濁水溪沖積扇上游及台中盆地，流向大致以東南流至西此外，本區域之埔里盆地因地形 之條件，地下水型態為小區域型地下水區，且為蘊含較豐富地下水之最佳儲水位置，此外名 間地區也呈現類似於小區域型地下水區之型態。
本區地下水水質硝酸鹽氮、氨氮及硬度之濃度有普遍偏高情況，為南投縣內首要追蹤之 標的。本研究彙集濁水溪沖積扇上游地下水 (雲林、彰化、南投及台中) 2004~2006 年之 81 口觀測井水質資料觀測井分佈如圖 3，作為南投縣地下水水質時空分佈特性之探討。
2004~2006 年之地下水硝酸鹽氮濃度分佈 (圖 4)，三年之平均濃度 (3.3、5.8 及 5.5 mg/l) 呈現升高趨勢，且高硝酸鹽氮污染皆集中於南投市區及名間鄉，淺層的硝酸鹽氮濃度高於深 層，淺層地下水受到硝酸鹽氮污染較為明顯，其穿透之深度範圍約在 52~125.5 m，並有超過 管制限值的疑慮。2004~2006 年南投市之數口觀測井曾出現高濃度之硝酸鹽氮污染，由於附 近產業結構以農業用地為主，種植水稻、鳳梨、茶葉及生薑等作物，並盛產茶葉聞名，過量 施用肥料可能導致高硝酸鹽氮污染，然而目前硝酸鹽氮濃度分佈尚未見明顯污染擴大，但高 污染源接近於濁水溪沖積扇頂之區域，為透水性良好之地下水補注區，未來硝酸鹽氮汙染可 能有擴大之虞。本區域氨氮濃度分佈 (圖 5)，三年之平均濃度 (0.3、0.2 及 0.19 mg/l)，呈現 略減的趨勢，氨氮高污染中心皆分佈在彰化、雲林一帶。本區域硬度濃度分佈 (圖 6)，三年 之平均濃度 (257.9、248.4 及 232.1 mg/l)，但皆超過飲用水水質標準 (150 mg/l)，2005 及 2006 年於彰化淺層觀測井螺陽國小 (50)、柑園 1 (26) 之硬度分別為 580.3 及 605.1 mg/l，顯示淺 層硬度濃度偏高的趨勢，隨觀測井深度增加而降低，與硝酸鹽氮之垂向分佈相似，推測地下 水硬度之來源為地表或淺層地層。
自來水井水質檢測
主要選取南投縣境內台灣省自來水公司之水井，全區共 19 口水井，其中 11 口抽水/加壓 井為南崗工業區附近，另 10 口則靠近南投市區，以供居民作為民生用水 (民國 91 年 9 月以 前)，由於台灣省自來水公司之觀測井無法測得地下水位，因此現場僅進行量測水溫、pH 值 及導電度至少五次以上，直到最後連續三次各項參數符合採樣方法所規定之穩定標準，取得
新鮮之水樣。所採水樣依檢驗項目分別盛裝於無菌袋、100 公升採樣瓶 (PE 瓶)，隨即將水樣 置於冰箱中，並於當天將水樣利用全程低溫運至檢驗室分析，分析項目為 pH、氨氮、硝酸鹽 氮、鐵、錳、硬度、鈣及鎂。分析方法採用環保署公告之檢驗方法 (行政院環保署環境檢驗 所 http://www.niea.gov.tw/)。
因 子 分 析
本研究利用因子分析法 (Factor analysis) 進行水質資料分析，其目的為尋找原來變數的 線性組合使其變異數最大，進而將多個具相關之變數簡化為少數幾個無相關之變數，若變數 間皆不相關則無需利用此方法再簡化，屬一探索性資料分析方法。因子分析法與回歸分析最 大之差異為此法中每個變數皆視為同等，而迴歸分析為將變數分成自變數與應變數兩類，而 因子分析的優點是能降低維度，即減少變數個數，只考慮幾個主因子而不計權重較小之因子，
但缺點則是會損失少部份原始資料代表的訊息。而因子分析法之分析步驟簡述如下 (羅積 玉，1994；陳順宇，1998)：
1. 原始資料之標準化
由於各個變數之單位不同，故先將原始變量數 (15 項檢測項目) 與觀測樣本數 (100 口觀測井) 所構成的原始數據矩陣予以標準化轉換，標準化轉換後之數據矩陣，其平 均值為 0，變異數為 1。
2. 相關矩陣之主成分分析
由上述過程所產生之相關矩陣求解其特徵值及其相對應的特徵向量，再由單位特徵向 量矩陣與上述之標準化數據矩陣，可得一組由原始變量所重新組合且彼此互不相關的 新變量矩陣，然後其進行標準化處理。
3. 確定主因子
由於因子分析法中各個變數皆為同等，故由上述兩步驟可得數個新因子，且其數量與 原始變量數相同，此時必須對這些因子進行刪減，且保留重要主因子以簡化問題，而 主因子選取的方式一般有四種，包括陡坡測試 (scree test)、保留特徵值大於 1 之因子、
因子特徵值之解釋能力小於 5 %予以刪除，或採用前面數個變異量總和達到全部變異 量總和的 80-95 %之因子。
4. 因子軸旋轉
為使各個主因子與變數間關係更為清楚，須將上述過程中產生之因子負荷矩陣進行旋
為使各個主因子與變數間關係更為清楚，須將上述過程中產生之因子負荷矩陣進行旋