非點源汙染模式

全球的氣候型態漸漸地在改變，氣溫與降雨特性的改變(Wang et al., 2013) 使河川與集水區的水循環有所變化，河流是結合集水區水文過程與反應的產 出，河流會受到蒸發散以及人類使用而損失或減少，水文模式是一個可以評估 氣候與人為發展對於集水區水循環衝擊的工具，經常使用在土地利用改變對河 川的影響(Costa et al., 2003)，與氣候變遷下不同季節河川流量變化(Nohara et al., 2006)等等的議題中。水汙染在近幾年也是一個重要的議題，人為活動排放大量

(Schneiderman et al., 2002)、氣候變遷(H. Chang et al., 2001; Lin et al., 2007)以及 非點源汙染模擬(X. Du et al., 2014; Georgas et al., 2009)等等。在臺灣，非點源汙

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HSPF (Hydrological Simulation Program—Fortran)為美國環保署開發模擬集 水區非點源汙染與水質之模式，模式為概念式，能連續模擬集水區非點源汙染 輸出量，同時 HSPF 也有考量點源汙染之影響，是一個功能完善的非點源汙染 模式，其中包含三個模組，分別為 PERLND、IMPLND 與 RCHRES，這三個模 組分別是模擬自然循環中水質變化、集水區汙染負荷量與集水區水體汙染傳輸 與集水區土地輸出量(Singh et al., 2005)，HSPF 常與 BASINS 一同使用，為目前 許多人使用之非點源汙染模式，應用上十分廣泛，包括非點源汙染(Mishra et al., 2009; Mishra et al., 2007)、氣候變遷與集水區經營管理等等。非點源汙染模擬的 部分，Ribarova et al. (2008)為探討單一洪水事件之流量與非點源汙染輸出量，

使用 HSPF 模擬小時時間尺度之流量與非點源汙染輸出量，並探討模式使用在

AGNPS(Agricultural Nonpoint Source)為美國農業研究發展部與水土保持局 合作開發，模式以事件為基礎，目標是模擬農業集水區從小許面積到兩萬公頃 面積之逕流、輸砂與河川水質，模式結合許多不同的經驗性公式來進行模擬，

例如:地表逕流模擬是使用 SCS Curve Number 公式，輸砂是使用 USLE 公式等 等，模式以網格為單位模擬集水區輸出量，網格大小約 16X16 公頃(Young et al., 1989)。AGNPS 應用範圍廣泛，包括流量、輸砂、水質與模式之修正與改 良。模式修正與改良方面，Cho et al. (2008)想探討 AGNPS 在小範圍集水區模擬 狀況，利用韓國兩個小集水區為案例進行流量模擬並探討使用 GIS 的不同網格

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分割法去修正 AGNPS 網格大小與分配對模擬結果的影響，從結果發現不同的 網格法會影響洪峰流量與單一事件之水文模擬。除了模式修正外，逕流與非點 源汙染模擬同為 AGNPS 應用之領域，許多地區皆有使用之案例，Mostaghimi et al. (1997)利用 AGNPS 模擬維吉尼亞州小集水區之流量與非點源汙染輸出量，

從檢定與驗證結果來看，該模式能準確模擬集水區輸出狀況，並運用此模擬結 果制定集水區汙染削減與經營管理的策略。AGNPS 模式為一個完善且運用網格 進行集水區模擬之模式，模式內含許多經驗公式，經常運用在許多水文與水質 領域中。

SWAT 模式(Soil and Water Assessment Tool)為美國農業水土保持局開發之 半分布式水文模式，透過將集水區分割成更細的 HRU(Hydrologic Response Unit)來進行水文與水質模擬，其水質模擬項目繁多，例如:硝酸鹽氮、亞硝酸鹽 氮、輸砂以及有機氮等等，模式設計以物理為基礎並結合經驗性公式模擬自然 現象，如氮循環與磷循環等等，經驗性公式則是使用 SCS Curve Number 與 MUSLE 等等模擬地表逕流與輸砂等等之水文現象(Neitsch et al., 2011)。SWAT 模式為很多人使用之非點源汙染模式，應用領域相當廣泛，包括水資源、氣候 變遷與非點源汙染等等之議題與探討。水資源的議題，例如 Santra et al. (2013) 運用 SWAT 模式模擬農業集水區之流量，藉以評估是否會有供水不足之現象，

並找出河川較為敏感的參數，評估當地之水文條件。氣候變遷的議題，則有 L.

Zhang et al. (2012)等人欲探討氣候變遷對中國東北石頭口門水庫之影響，藉由 SWAT 模式了解流量變化與河川水文特性，並探討水質變化與淤積的狀況。非

6 2006; Seitzinger et al., 2010)，本節將從大氣沉降與農業活動對環境的影響，進行 回顧探討。

2.2.1 大氣沉降

大氣是氣體與懸浮粒子移動的重要的管道，隨著風吹到世界各地，這些懸 浮粒子通常來自於人為活動，例如:工業以及交通工具的排放(Prospero et al., 1996)，大氣沉降是指在大氣中的粒子因雨水或重力因素等掉落到地表上的過

(2009)在森林地區測到每年氮沉降已經超過 25kg/ha 之多，這將會影響該森林的 氮循環與 DIN 的輸出量。因此人為活動確實影響了自然循環，並且有可能使循 環造成改變與加速，但是大氣沉降並非只在陸地生態系會有影響，水體同樣的 會受到大氣沉降而受到變化與干擾。Paerl (1997)探討海岸優養化之現象，發現 大氣沉降為海洋來說帶來大量的氮源，大氣沉降提供每年約 300~1000mgN/𝑚² 的無機氮進入到海岸的水體中，人為活動排放之無機氮成為海洋主要氮來源之 一，並將使海岸優氧化速度加快，沿岸海洋生態系將會受到影響。湖泊與水庫 同為陸地上較為靜態之水體，除了河川輸入的來源外，大氣沉降是額外之氮 源，大量無機氮進入到湖泊中，將對水體內之循環造成影響，Elser et al. (2009) 等人提出，當沉降到湖泊中無機氮量變多時，湖泊內的生物化學循環將有變 化，藻類生長之氮限制影響將減少，改由磷限制控制藻類之生長，由此可見人

7 壞，因此肥料之施肥管理有其重要性(Strebel et al., 1989; Zhu et al., 2002)。從土 地利用來看，農地集水區硝酸鹽氮輸出到河川中營養鹽的含量確實比森林集水 區高，且牲畜的養殖，同樣也會增加集水區氨氮的污染的輸出量(Vogt et al., 2015)，但並非只有地表水會受到影響，農地上之地表水滲透到地下，將會汙染 到地下水，增加地下水氮的濃度，影響人們之用水(Puckett et al., 2010)，因此肥 料的施放影響的並非單一路徑，而是會跟著水流動到各個水循環系統中，產生 賴，達到與施放化學肥料同等需要的元素量(Sultana et al., 2014)。肥料的影響除 了水質外，對土壤的影響同樣很大，Hirono et al. (2009) 研究提到在 1993 年茶 葉施肥量超過 1000kgN/ha，肥料的大量施放將會造成土壤酸化，影響茶樹生 長，到 2002 年後有些許減少，每年約有 600kgN/ha 左右的施放量，肥料減少的

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效益作者則利用 Mann-Kendall 進行分析，顯示水質有越來越好的趨勢，將減緩 土壤酸化的現象，土壤酸化對於茶樹的影響，則可以從 Oh et al. (2006)了解到肥 料施放會造成土壤變酸，影響到茶樹根系發育，茶樹吸收營養的效率將受到影 響，除了根系的影響，高濃度的𝑁𝑂₃與𝑁𝐻₄會使更多氮經過硝化作用等等揮發 到空氣中，當一年氮輸入量超過 1200kg/ha，𝑁₂O揮發的量會是一年氮輸入量 300kg/ha 的三倍多，Cheng et al. (2015)表示肥料施放太多會使土壤裡反硝化作 用排出之𝑁₂O增加，揮發量增加 10~35%之多。農業活動中施肥的行為，將使氮 樣不輸其他的非點源汙染模式(Wellen et al., 2015)。此外 Niraula et al. (2013)利用 SWAT 與 GWLF 模式模擬同一個集水區之總氮與總磷之輸出量，指出因 SWAT 模式具有氮循環與磷循環之考量，因此在氮與磷之模擬中，SWAT 模擬之準確 度會比 GWLF 高。綜合上述文獻，本研究欲以 SWAT 模式為工具，模擬翡翠 水庫上游集水區之非點源汙染輸出量與硝酸鹽氮之移動路徑。SWAT 模式使用 領域廣泛，包含土地利用對水文與水質的影響(J. Du et al., 2013; Pikounis et al., 2003)、非點源汙染模擬(Abbaspour et al., 2015; Lee et al., 2010)以及氣候變遷(X.

Zhang et al., 2007)與集水區經營管理(Jayakrishnan et al., 2005; Ullrich et al., 2009) 等面向，以下將針對 SWAT 模式應用之面向與議題進行回顧。

極端氣候的現象使乾旱與洪水發生的頻率增加，生活用水的影響更為重要 議題，許多研究藉由流量模擬與輸出成果了解河川水量供應來源(Fiseha et al.,

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2013; Shi et al., 2007)，例如 Saha et al. (2014)利用 SWAT 模式模擬澳洲亞斯河集 水區的流量，並從水移動路徑與參數了解集水區的水文特性，發現 90%的雨水 會因蒸發而損失，45%的河川基流是來自於地下水，因此蒸發對該區域之水資 源有著很大的影響。除流量模擬外，結合氣候變遷情境評估未來水資源狀況也 應用在許多的案例中，例如 Ficklin et al. (2009)模擬聖華金河在不同的氣候變遷 情境下，流量的變化，該地區為農業盛行之集水區，水資源對當地居民耕作是 源汙染途徑與非點源汙染削減與策略的領域，例如 Pohlert et al. (2005)等人利用 SWAT 模式模擬非點源汙染與點源汙染，並透過肥料情境與反硝化作用的設 (Somura et al., 2012)。非點源汙染除了氮之外，輸砂同為非點源汙染模式模擬之 項目，例如 Oeurng et al. (2011)模擬法國農業集水區輸砂與有機碳之輸出量，發 現輸砂年最大輸出量與最小輸出量相比可差 25 倍，且侵蝕率之大小與坡度與土 地利用有關，Setegn et al. (2010)將 SWAT 模式應用到非洲衣索比亞的輸砂模 擬，並且大略估算其輸砂量，發現高山地區是主要之供砂來源，坡度與土壤沖 蝕成正比的關係。台灣的狀況則與歐洲地區不太相同，除了地表沖蝕外，山崩

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也是輸砂暴增的主因之一，在莫拉克颱風之後，臺灣南部高屏溪流域的輸砂特 徵有明顯的改變，崩塌地面積增加讓土壤沖蝕與土石流之況狀更容易發生，中 尺度規模之降雨更造成以往要暴雨才能造成的輸砂量，山坡地之防治顯得格外 重要(C. H. Chang et al., 2015)。

非點源汙染模式 SWAT 應用層面廣泛，是了解集水區水文與汙染狀況之良 好工具，透過模式我們可以一窺無法觀測到的自然現象，上述文獻指出人為活 動是造成非點源汙染的主要原因，如何提出減少非點源汙染的策略為現在許多 學者與政府努力的方向，除了土地利用情境設定外，肥料削減的方法可能造成 農民的收穫損失，如何維持收穫量並減少非點源汙染為本研究欲嘗試與努力之

非點源汙染模式 SWAT 應用層面廣泛，是了解集水區水文與汙染狀況之良 好工具，透過模式我們可以一窺無法觀測到的自然現象，上述文獻指出人為活 動是造成非點源汙染的主要原因，如何提出減少非點源汙染的策略為現在許多 學者與政府努力的方向，除了土地利用情境設定外，肥料削減的方法可能造成 農民的收穫損失，如何維持收穫量並減少非點源汙染為本研究欲嘗試與努力之