環境永續性評價與管理：環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之相關性研究－子計畫三：水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之相關性研究(III)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

環境永續性評價與管理：環境承載力、累積性衝擊評量及

政策環評與總量管制之相關性研究--子計畫三：水資源面

向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之

研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型計畫編號： NSC 95-2621-Z-002-006- 執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣大學生物環境系統工程學系暨研究所計畫主持人：童慶斌計畫參與人員：碩士級-專任助理：李庭鵑、林嘉佑碩士班研究生-兼任助理：廖偉廷、周玨澔處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 10 月 31 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評

與總量管制之相關性研究計畫(III)

Study of Environmental Carrying Capacity, Total Mass Control,

Strategic Environmental Assessment - Water Resources (III)

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC95－2621－Z－002－006－

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人

：童慶斌

計畫參與人員：廖偉廷、周玨澔、李庭鵑、林嘉佑

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：

國立台灣大學生物環境系統工程學系

中華民國

96 年 10 月 31 日

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中文摘要

本研究主要之目的在於發展永續性水資源管理策略，目前已完成總量管制之架構，藉由此總量管制的手段，可確保各項發展所導致之累積性衝擊不超過環境承載力，以達到水資源永續利用與社會經濟可持續發展，過去研究成果已探討政策環評與計畫環評之關係。今年度為此三年計畫之最後一年研究，而本年度之研究重點包括三個主要工作要項，第一在於探討落實已建立管理架構可能遭遇之困難與解決方法，包括環境承載力與累積性衝擊推估過程之不確定性與其影響，主要分析包含流量、模式參數、及監測點位置等對於環境總量推估不確定性之影響。第二個則將根據環保署所推動的國家與地方環境保護計畫，探討落實永續性環境管理措施可能遭遇之問題與解決方法。第三為研究要項著重於水資源總量分析，主要是在已建立之總量管制架構中，加入了地下水可供水量之評估，以提供未來支援地表水不足量使用之參考，研究中以台北地區供水區域為研究案例，在考量容許地下水位下，分析可允許之地下水安全出水量，將此地下水可供應量與地表水可供應量加以結合，修正區域水資源供給之承載力。本計畫最後將配合總計畫，整合研究成果編列永續性水資源管理相關教材。關鍵字：永續性、水資源、水質、環境承載力、累積性衝擊

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Abstract

The purpose of this study is to develop sustainable water resources management strategies. Currently, a framework of total quantity control has been established, which may help keeping cumulative impacts from exceeding environmental carrying capacities. Therefore, water resources can be sustainable used and economic and social development can be continued. In this study also identified the relationships between strategic environmental assessment and project environmental impact assessment. This annualized study is the ultimate in this three-year program and has three cardinal majors. First of all, this study proposes to focus on identifying possible encountered problems and their solutions to implement the sustainable management strategies that already established in prior two-year. Uncertainty analysis and its influence on developing management strategies will also be done. The main analysis of those uncertain influences includes stream flows, parameters of simulation models, locations of monitoring stations, and so on. The second propose is to examine the environmental protection plan which has implemented between national and local to fault problems and explore the possibility of solutions as sustainable management strategies in practice. Thirdly, in the aspect of water quantity, this year will focus on evaluating available groundwater supply based on the framework of total quantity control. The water supply system of Taipei area is chosen as a case study, which safe yields will be estimated based on the constraint of allowable minimal groundwater level. Regional carrying capacity of water supply should consider both surface and ground water. At last, this study cooperates to integrate with research results and already redacted a useful textbook for further study to be a guideline.

Keywords: Sustainability, Water Resources, Water Quality, Environmental Carrying

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水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評

與總量管制之相關性研究計畫(III)

目錄

頁次中文摘要 ... I Abstract ... II 目錄 ...III 圖目錄 ...V 表目錄 ...VI 第一章 前言 ...7 1.1 計畫緣起 ...7 1.2 計畫目標 ...9 1.3 研究架構 ...10 1.4 章節說明 ...10 第二章 文獻回顧 ...11 2.1 參數不確定性分析 ... 11 2.2 排放權交易 ...12 2.3 地下水總量管制 ...14 第三章 水質總量管制評估過程因子探討 ...17 3.1 流量不確定性分析 ...17 3.2 水質監測站位置對總量管制之影響 ...23 3.3 總量管制下區域公平性探討 ...34 3.4 排放交易制度探討 ...47

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第四章 地下水總量管制建立 ...50 4.1 地下水模式選擇及總量管制架構之建立 ...50 4.2 研究案例設計 ...54 4.3 各情境地下水可用水量評估研究成果與討論 ...56 4.4 小結 ...61 第五章 水質總量管制政策落實時可能會遭遇之問題與解決方案 ...62 5.1 以總量管制執行永續流域管理時可能遭遇之問題與解決 ...62 5.2 總量管理制度落實時本身之問題 ...68 5.3 排放交易制度輔助總量管理制度 ...69 5.4 地下水調配輔助流域水質管理 ...71 第六章 結論與建議 ...73 6.1 結論 ...73 6.2 建議 ...74 參考文獻 ...76 附錄 A 永續流域管理教材

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圖目錄

圖1-1 本研究架構 ...10 圖2-1 地下水管理模式分類一覽表 ...14 圖3-1 頭前溪流域集污區劃分圖 ...20 圖3-2 汙水量增加對河段水質濃度影響 ...22 圖3-3Gini coefficient ...39 圖3-4 總量與公平性回歸關係 ...40 圖3-5 DEA投入與產出圖...45 圖3-6 集污區分區DEA相對效率圖...46 圖4- 1 各抽水分區之反應矩陣係數 ...51 圖4- 2 不同土地利用之間之權重分佈示意圖 ...53 圖4- 3 地下水可使用量空間分佈之研究流程圖 ...55 圖4- 4 研究區域示意圖 ...55 圖4- 5 不同抽水時期之反應矩陣與各觀測井最大水位洩降值 ... 58 圖5.1 頭前溪流域各集污區之 BOD污染排放交易比 ...70

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表目錄

表3- 1 各參數對BOD總量敏感度分析...21 表3- 2 各集污區污水量變化對BOD總量敏感度分析...22 表3- 3 污染排放源資料 ...27 表3- 4 河川源頭資料 ...27 表3- 5 河川分段資料 ...28 表3- 6 推估之河段資料 ...28 表3- 7 增加監測站後推估之河段資料 ...29 表3- 8 反推水質參數所得各河段與分區之污染傳輸反應矩陣 ...31 表3- 9 反推水質參數所得之環境承載力 ...32 表3- 10 增加監測點之反應矩陣 ...33 表3- 11 增加監測點之環境承載力 ...33 表3- 12 T值與農業之Gini coefficient及河川總量變化關係表...39 表3- 13 不同分區公平性與總量DEA相對效率...46 表4- 1 設計案例相關參數設定 ...57 表4- 2 未考量地表土地利用與區域公平性各分區地下水可用水量空間分佈 ...60 表4- 3 考量地表土地利用之分區各分區地下水可用水量空間分佈 ...60 表4- 4 考量地表土地利用與區域公平性各分區地下水可用水量空間分佈 ...60

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第一章前言

1.1 計畫緣起 永續發展已成為全球關注之議題，而永續發展的真諦是「促進當代的發展，但不得損害後代子孫生存發展的權利」。因此，如何維持生態環境永續性與環境承載力不退化的情況下，持續進行人類社會、經濟發展，是未來政策考量與規劃所要面對的。故政府機關應以永續發展之角度出發，考量政策與計畫的各個層面，從地方尺度到國家尺度的整合，綜合評估政策是否能夠達到永續發展目標。為達到在社會、經濟與環境之永續發展目標，取決於環境系統從過去、現在、到未來可能遭受之累積衝擊(Cumulative Impact)與環境系統可承載之能力(Carrying Capacity)，若累積衝擊仍處於環境承載力可負荷的範圍，則永續得以維繫。本研究即以上述之理念，並將「環境承載力為一有限之總量」作為基本觀念向外延伸，希望能藉由總量管制的程序與永續發展的願景，有效地分配各項資源與污染涵容。依循我國永續發展研究委員會對於推動之研究方針，在於每一研究能具有政策導向、延續性、結構性及可操作性之四大要項，本研究將以台灣目前的環境管理制度切入主題，瞭解現階段政策導向，並以永續觀點建構合理之管理策略，運用於台灣目前深受氣候變遷衝擊而急需建構永續性管理制度之水資源。台灣目前之管理制度為維持永續發展，則須限制發展所造成之累積性衝擊不可超過環境承載力，因而由高階決策過程中，將環境承載力與總量管制方法與精神整合於政策環境影響評估(簡稱政策環評 )中，透過總量管制方法，有效進行環境管理，以合理分配與使用環境承載力。而為了達到以系統性的管理方式，建立一個上下策略與制度能相互承接的管理環境理系統，計畫環境影響評估( 剪生計畫環評 ) 再依據政策環評之結果與該階段建立之總量管制與分析準則作為環境管理之基準。而以水資源的角度，台灣對於河川水質之管理規劃，目前亦只是以事業放流水標準與河川水質標準為主要管理方法，進而限定各個產業之排放水濃度。雖然後續管理制度採用將排放標準加嚴，減少個別排放量，但在此策略之下，經過處理至符合放流水標準後，排入河川中仍會使河川水質逐漸惡化，並且為避免水質惡化情況發生，流域規

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劃甚至規定新進流域之廠商需要做到『零污染排放』，才能防止水體水質惡化，但這樣的規劃結果並不符合新舊廠商之間分配之公平性。因此，此水質管理方法並無考量水體可承受的污染總量，且無考量上下游的污染排放的空間累積衝擊，使得一旦有新的污染排放加入，污染量即會超過水體之涵容能力，而導致此管理方法對於污染源集中地區的水質仍難有顯著改善。依據目前水污染防制法中的總量管制之法令，目前並非強制要求所有區域都應進行總量管制;然而，若以永續發展的角度，各流域的污染管制將考量其承載力與累積性衝擊之影響，事先避免污染排放累積衝擊超過環境承載力，而不同於前者之管理制度在發生水質不符合規範標準而危害發生時，才以總量管制的方式管制作事後的補救，應當如後者以永續考量，事先評估環境之可承載力才能維繫環境資源並同時考量世代公平，符合現今追求之永續真諦。本研究目前執行為期三年(2005~2007 年 )之「環境永續性評價與管理—環境承載力及累積性衝擊評量與政策環評、總量管制之相關性研究」的第三年度計畫，該計畫第一年度計畫成果已研擬水質水量總量管制分析與基準，並以案例說明;第二年度則針對水質總量管制的分析與基準建立，進一步探討利用不同的水質模式評估的結果，除了藉由修正的水質模式與優選參數的啟發式演算法結合，改善水質模式檢定與驗證之正確性，更考量了總量分配過程中流域公平性問題。今年第三年度計畫，延續水資源議題，並更深入地整合分析環境承載力、累積性衝擊與總量管制間的相互關係;除了建立流域總量管制之最佳分配策略與探討水質監測站點對規劃結果之影響外，更進一步探討流域總量分配公平性之基準建立，並納入地下水總量管制問題，進行相關研究分析，使未來水資源規劃整合更趨完善。

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1.2 計畫目標 本研究之目的為在兼顧生態環境不退化與經濟社會可持續發展下，針對流域管理以總量管制之角度，探討政策環評、總量管制、承載力與累積性衝擊間之相互關係，並整合考量地下水總量管制，以建立更完整的水資源管理架構系統，內容中亦探討管理制度落實的可能性，以提供未來決策者決策之參考。本年度的計畫中，將以河川管理與地下水管制兩大方向論述。在河川管理的部分，加強分析流量不確定性的部分，並且考量水質監測站不同之設置與可排放污染總量的關係，以做為總量管制水質與水量監測的依據；而在公平性的部分，本研究在分配總量以使總量最大化的同時，亦以各種不同的角度探討流域與集污區之間污染總量分配之公平性問題，藉以延伸探討總量與公平性間的相互關係，最後本研究將討論排放交易的可能性，使總量之分配能在符合公平下達到最大之利用。在地下水管制方面，本研究亦由總量管制角度切入，以河川之生態基流量為限制，規畫流域之最大可利用抽水量，使流域管理制度能夠在社會經濟持續發展的前提下亦能維繫生態環境之永續性。台灣地狹人稠，在高度經濟發展之下，水資源問題日益嚴重，同時在全球氣候變遷的影響與自然環境特性因素下，水資源本已分配不均的台灣更面臨環境與生態問題惡化，使得水資源永續管理對於台灣整體發展具重要性。本研究將因應國際間永續發展研究趨勢及國內發展需求，以社會經濟發展、生態環境永續與氣候變遷衝擊等多面向議題，以及政府政策的永續發展作為水資源管理制度規劃主軸，本年度希冀藉由地面河川與地下水之總量，管理制度整合，並且延續前兩年之研究成果，深入探討環境承載力及累積性衝擊評量與政策環評、總量管制，使得流域管理制度能更趨完善。

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1.3 研究架構 圖1-1 本研究架構 1.4 章節說明 本計畫書分以六章節說明。第一章之計畫緣起、目標與研究架構等內容同前論述說明。第二章之文獻回顧，主要蒐集水質參數不確定性分析之研究方法以及污染排放權交易之相關文獻，並且增加國內外地下水總量管制文獻，作為本年度計畫執行參考。第三章探討地面水體之總量管制，包含流量不確定性、水質監測點位置、污染排放公平性與污染排放交易四大主題。第四章以地下水總量管制為主題，設計假設之簡例，建立一套考量地表土地利用與區域公平性之地下水總量管制之最佳化模式。第五章為國內施行總量管制可能遭遇的困難剖析與改善建議。第六章為本研究成果彙整，並於文末提出具體結論建議提供後續研究參考。文獻回顧流量不確定性分析監測點對模式參數之影響地下水總量管制之建立排放公平性之探討污染排放交易之可行性地面水體地下水體政策落實遭遇之問題結論與建議

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第二章

文獻回顧

2.1 參數不確定性分析 自然現象的變化往往相當複雜，而為了瞭解其變化之歷程，研究的過程中常須借助模式的模擬，以及數學式與資料的關係來探討自然現象，而水質模式即為評估水質變化與規劃流域管理策略重要的工具。但在污染物模擬中，常存在許多之不確定因素，Beck(1987)在水質模擬之回顧中即提出了下列四種不確定性之來源可供參考： (1)模式結構之不確定性 (2)模式參數之不確定性 (3)未來水質預測之不確定性 (4)透過精密實驗及監測系統減少推估資料造成預測結果之不確定性有鑑於不確定性將影響模擬之結果，因而對於不確定性之分析研究國內外均相當重視。針對流域水質模式應用方面，Melching(1992) 使用加強一階二矩法對 Streeter-Phelps 方程式進行不確定性分析，並與蒙地卡羅法與均值一階二矩法比較。Melching(2001)應用 LHS 及均值一階二矩法找出影響結合模式（包括非點源污染模式、污水處理模式及河川水質模式）之不確定性之關鍵參數。在河川流量分析方面，Alexander(2006) 等學者則有針對流量不確定性發展誤差分析模式，並對不同的時間尺度進行分析。國內文獻回顧部份，顏本琦等(1992)列出可應用風險分析之水利問題並簡單介紹風險與可靠度分析計算之一些方法。郭耀程(1994)以 WASP 水質模式配合均值一階二矩法對基隆和鹽分分佈進行風險分析。康晉展(1996)利用 QUAL2E、 ESTUARY 及 STREAM 水質模式模擬新店溪流域 Q75 流量下之水質，並以一階誤差分析法及蒙地卡羅法探討各種不確定因子對水質模擬之影響。

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2.2 排放權交易

排放權交易 (Emission Trading, ET)是將環境視為可在巿場上交易之財貨（marketable goods），管理者可依最適的環境品質目標決定可交易的排放權數量，透過巿場機能以達到最有效的防治成果。 Demsetz 在 1967 年提出的產權假說，其內容描述到產權制度之發生與演進乃是基於新舊制度之成本與效益權衡之比較結果，而演進的方向為無產權、共有產權、最後變為私有產權。產權之發生與演進皆來自於需求，當人口稀少而環境資源豐富時，環境資源彷彿無用完的一日，則此時環境的資源被視為免費財（free goods），且此時對於環境資源也不會有產權的主張。但當人口持續不斷的增加，每個人所能分配到的資源相對變得稀少時，土地是最先變為有價值的資源，因此開始出現私有土地的產權，但此時空氣、水源、動植物等資源還屬於公共財的階段；但隨著工業革命後，環境的污染日漸嚴重，水資源與野生資源等漸漸地不再是免費財，而轉變為共有制，即該財產屬於區域之居民所共有。而美國自 1975 年來逐步發展的空氣污染物雨水污染物的可交易排放許可證制度，即可視為共有空氣與水資源產權的居民，透過政府而逐漸將空氣雨水資源使用權轉換為私有化的發展過程。排放權交易之方式由於其有經濟上的誘因，不但能達到管制污染排放總量之目標，還能使污染防治成本較低且較具有效性。在水質標準之下，各項排放的污染量不可超過分配的污染負荷量，超過的部分則需消減。因此對於超過允許排放量者，必須進行污染消減，且因各種污染源達到排放許可的標準，其所需花費的成本不同，才促使工業參與污染排放交易的進行。如此不但可以改善水質以符合標準，亦可節省削減污染量所需花費的成本(Eheart et al., 1980)。張乃斌與蕭代基(1999)提出五種總量管制之防制工具，以達成排放污染總量管制的目標，分別是污染防治量補貼、污染防制成本補貼、行政管制、污染排放費、排放交易。其中污染排放費與排放交易制度具成本有效性，能以最小成本達成環境之總量目標，且有較高的誘因刺激廠商創新採用較新的污染處理設備。另外三種污染防治量補貼、污染防制成本補貼、行政管制是屬於非經濟誘因的工具。張乃斌與蕭代基(2000)探討排放交易時，提出不同集污區可利用水體排放轉換係數之倒數，作為污染排放交易比之依據，對於同一集污區者則是

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以交易比為「1」實施排放量交易。

可轉換的排放許可權(Transferable Discharge Permit Programs, TDP)為一種排放交易的規劃，因排放行為是有價值的財產權，利用污染管理方法中的成本效益法，可進一步進行轉移，以較經濟的方式達到環境的目標，在面對經濟成長的情況下亦可保護環境的品質，且可刺激污染排放者改善技術。Ng and Eheart (2005)利用均值一階二矩法(Mean-value First-order Second-moment, MFOSM)量化在污染排放許可交易後，對於系統符合環境品質標準之可靠度影響。其研究中對於非點源污染的排入，並無納入研究中，而研究中運用常態分佈決定背景濃度與反應矩陣，對於極端值便無法考量，亦將影響污染分配量之評估。排放交易的最佳化模式中，可加入水質標準之限制式，避免排放交易後，導致水質不符合標準。

Jarvie and Solomon(1998) 指出在點源與非點源污染相互間的排放權交易，常是因為控制非點源污染的成本低於控制點源污染的成本，因此促使交易進行。故進行點源與非點源污染交易前，必須評估其所耗費的所有成本是否低於發展一個新的技術削減點源污染的成本，交易才可能進行。排放交易最重要的考量是交易比。交易比是指削減一單位的非點源污染量，可獲得的點源污染污染排放權之比，例如交易比為 2:1，則是必須消減 2 單位的非點源污染量，方可取得 1 單位的點源排放許可。上述之研究中，除了張乃斌與蕭代基(2000)考量空間上污染傳輸之問題，使得污染排放交易比並非是 1:1 之外，本研究對於排放交易中排放權空間轉移之問題，與交易比與總量之關係，如何使污染交易之後也可符合水質標準，亦於第二年度計畫中討論之，本年度計畫中將加強討論排放交易制度於台灣環境中的可行性與未來如何落實於政策之中。

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2.3 地下水總量管制 地下水蘊藏量之空間分佈，若單只依據觀測井之水位資料是不夠的，需藉由地下水水流模式進行模擬，並且配合安全出水量(safe yield) 之觀念，在地下水的補充與供應之間維持平衡，在不致於影響自然環境之前題下，確立出地下水合理範圍內之最大可用水量。 Gorelick(1983) 整理之模擬地下水流與地下水管理模式的研究中，將地下水管理模式，大致上分為兩大類，一類為地下水水力管理模式(groundwater hydraulic management model)；另一類為地下水政策評估與分配模式 (groundwater policy evaluation and allocation models)。如下圖所示：圖 2-1 地下水管理模式分類一覽表其地下水水力管理模式則是直接探討水位洩降、水力水頭、抽水率等參數的模擬模式，其模式可以在水位洩降、水力坡降以及地下水產量等限制之下，確立出最佳抽水井位置以及抽水率；而此類型的模式其所利用的方法為嵌入式方法(Embedding method)與反應矩陣方法 (Response matrix approach)兩種； Aguado and Remson(1974)將優選模式嵌入於地下水水力管理模式當中，並應用於一維和二維的例子當中。Maddock(1974)利用 algebraic technological function(ATF)逼近實際上水位洩降與抽水量之關係，其假設(1)沒有垂直水流發生， (2)所

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有的抽水井皆完全穿透含水層，(3)流通係數與儲水係數可能為非均質，(4)抽水量於一個時期內是為常數，但可以隨著時期之不同而有所變化。國內方面，根據曹以松(1989)研究顯示，安全出水量之決定應包含地下水之補充能力、水權、經濟與能源、水質等四個方面，而從以上四者考慮所得之安全出水量，以其中之最小者可為該區域之安全出水量，此外，在同一研究區域當中，其安全出水量會因時間之不同而有所改變，例如地下水補注量會因季節性降雨之多寡而改變；又或者抽水井之位置以及抽水形態之不同而可能改變安全出水量，因此在決定安全出水量時，宜考量各種不同因素訂定之。陳美惠(2005)採取小尺度的概念，以屏東農田水利會隘寮圳灌區為研究區域，利用 MODMAN 軟體將地下水流連續性方程式、出水限制、洩降限制作為限制條件模擬出響應矩陣，再利用 LINDO 軟體解響應矩陣最佳解，並提出最大允許抽水量。另外於地下水政策評估與分配模式方面，則可應用於研究制度下的政策使用區域地下水所造成的影響，利如稅賦或是配額所帶來的影響。而地下水政策評估與分配模式又可以分為三種不同的模式進行分析與探討，分別為水力經濟反應模式(Hydraulic-economic response models)、模擬 -優選聯合模式 (Linked simulation-optimization models) 與分級模式(Hierarchic-al models)。水力經濟反應模式是反應矩陣方法的直接延伸，應用於地表的農業或其它用水的經濟效益扮演重要角色的一些聯合營運的問題，例如 Maddock and Haimes(1975)。模擬 -優選聯合模式則利用地下水含水層模擬結果當做是子區域經濟 -優選模式之輸入，每個時期的結果與資訊皆可利用於下時期之管理，又因為模擬模式和經濟管理模式是分開的，所以此模式可考慮複雜的社會、政策與經濟之影響；Young and Bredeho(1972)應用此模式發展經濟管理與數值模擬的串聯模式，以連串的優選模式考慮作物生產、農地應用以及水量調配的最大效益，然後進行地下水模擬，以反覆過程作長時間的分析。分級模式則是考慮將整個區域分解成數個子區域，利用反應矩陣方法，其中，模式將龐大且複雜的系統視為一系列的獨立系統，並進行多目標的考量；當遇到複雜的水資源分配問題要求詳細的大尺度優選管理策略時，則此模式即相當具有價值；Haimes and Dreizen(1977) 提出一多層的管理模式應用於一複雜的地表水地下水

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系統，其利用反應矩陣方法以及多層模式結構優選複雜的聯合營運系統。劉家昆(1995) 建立一套流域性地表水與地下水聯合營運模擬模式，藉以評估各種研擬之方案，進而求得最佳聯合營運之管理方案；其以淡水河流域之地表水地下水聯合營運為研究對象，首先將流域區分為以地表水運用為主之上游地區及地表水與地下水活動皆頻繁之下游多層含水層地區，地表水部份係採用地表水水權模式(徐年盛， 1992)，地下水部份則應用前水資會與台大土研所發展之台北盆地地下水水流模式(徐年盛， 1988)，並將此二模式適當地予以連結，使其成為一套較能完整模擬淡水河流域地表水與地下水聯合營運之模擬模式。不過此研究建立之聯合營運模式係以流域性水資源系統為單位，其分析此一系統內之水工結構物(例如水庫 )之興建與否，對系統內各種水文現象(如河川逕流量、地下水水位以及環境保育 )之影響程度，將地表水與地下水進行合理的規劃與管理。不過此研究並未針對地下水資源之開發利用進行探討與分析，而且其建議於後續研究中，利用水資源系統分析之優選方法，建立流域性地表水與地下水聯合營運之優選模式。

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第三章

水質總量管制評估過程因子探討

3.1 流量不確定性分析 本節之重點為探討集污區污水排水流量對於生物需氧量 BOD 濃度之影響，以分析集污區排水流量變化對 BOD 總量分配之影響與不同集污區流量與水質間之敏感度分析。在模擬模式中水質與水量參數若無完善的資料庫可供分析，易導致模式參數的不確定性，或是此一不確定性亦有可能來自於觀測資料的誤差，兩者皆有可能影響模式計算的結果，造成決策誤判，因此對於敏感度較大的參數，使用上應更加小心。本研究利用水質模擬模式結合最佳化模式，推估流域之最大可容許污染排放總量，並分析可能影響推估結果之參數，對其進行參數敏感度分析，而水質模式中會影響 BOD 濃度模擬結果之因子，包括流域源頭流量、水溫、與背景濃度，還有固定排放點源之 BOD 排放濃度、流量、BOD 祛氧係數、 BOD 沉降速率與再曝氣係數等水質水量參數。研究中水質參數之敏感度水質參數之敏感度分析是利用將參數值增加或減少一定的百分比(如變動 20%或 50％ )，進而推估模擬水質項目之變化尺度。每一次變動一個參數，由水質項目變化的尺度大小，以瞭解各參數對水質模擬結果之敏感程度。敏感度的表示方式有兩種分別如下： i i P C S Δ Δ = (3.1) i i i i P P C C S / / Δ Δ = (3.2) 其中 Pi 為參數 Pi 的改變量，Ci 為水質項目 Ci 濃度於 Pi變動下所模擬後之變化量。而(3.2)式為 (3.1)式的標準化型態。在永續性水質總量制度不確定性分析方面，本研究於第二年計畫中已針對水質模式中之水力參數(a、 b、 c、 d)、水質參數 (BOD 祛氧係數 K1 與 BOD 沉降速率 K3)、源頭流量與 BOD 濃度及設計水溫等項目進行不同參數設定對總量分配的敏感度分析，此分析過程中並假設各參數間無相關性，且各參數間為獨立。分析過程中以各種參數變動量之之±20%及 ±50%進行分析，以瞭解參數改變時，水質項目 BOD

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與 DO 濃度之改變量，並計算其敏感度值。分析結果如表 3.1。結果顯示，在分析的參數中，源頭流量對於 BOD 污染總分配量影響較大，其敏感度較大，敏感度值大表示此參數對 BOD 單位面積負荷影響較大，因此未來進行水質模擬與量測水質時，則需更加注意源頭流量，以降低模擬之誤差與不確定性。過去已討論水力參數、水質參數、設計水溫與源頭流量等參數對 BOD 總量最佳分配之影響，本研究更進一步以頭前溪流域為例，評估個別集污區污水流量對河川水質與總量分配之敏感度分析。頭前溪中共有六大集污區排水，從上游至下游依序為南河排水、竹東排水、崁下排水、關東六號橋排水、湳雅排水，與河段最下游之東大排水，如圖 3-1。經由水質模式結合最佳化模式，假設污水濃度不變情況下，評估各集污區污水量在變動±20%及 ±50%的情況下，對符合水質標準之最大可容許總量之影響。表 3-2 為各項水質參數不變且假設無相關性下，污水量變化對 BOD 總量的敏感度分析結果。由表 3-2 結果顯示，在頭前溪流域中，較上游的南河排水、竹東排水與崁下排水對於 BOD 污染總分配量影響較大，其敏感度較大，下游的關東六號橋排水與湳雅排水污水量的變動對 BOD 污染總量影響較不顯著，其原因為在最佳化模式總量分配下，上游集污區初始所能分配到的污染排放量較大，下游的關東六號橋排水與湳雅排水由於所處河段位置、河段抽排水與河段水質參數等因素，使得其所能分配到的污染排放量相對較少，因此下游集污區污水量增加減少對於總量分配的敏感度較小。若分開污水量增加對總分配量之影響與污水量減少對總分配量之影響來看，污水量減少方面，以崁下排水對 BOD 污染總分配量的影響最大，敏感度最大，污水量增加方面，則是南河排水對 BOD 污染總分配量的影響最大。在頭前溪流域中，假設污水濃度不變，當集污區排入河川之污水量增加時，由於進入河川之污染量增加，使得河段污染濃度增加，在不違反水質標準情況下，允許能夠排入河川的總污染量就會減少。一般而言集污區污水量增加越多，流域 BOD 的污染總分配量就會減少，且變動量越大，對總量分配的影響也越大，敏感度越大；若污水量減少，則會造成 BOD 之污染總分配量增加，但在竹東排水中，污水量增加，卻沒有造成 BOD 污染總分配量減少，其原因為當竹東排水污水量增加時，在最佳化模式中，為考量污染分配總量最大化，

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竹東排水會因為污水量增加而無法分配到 BOD 污染排放量，因此污水量增加並不會使 BOD 污染總分配量降低。依據表 3-2 之分析，頭前溪流域上游部分對於 BOD 污染總分配量影響較下游部分顯著，且當南河排水污水量增加時，會較顯著地降低 BOD 污染總分配量，因此在監測站點位置設置上，建議加強流域上游水質之監測及加強對南河排水水質之監測，確保總量管制後流域水質能夠符合河段水質標準，以達到流域永續發展之目標。在水質敏感度分析部分，本研究假設在集污區排水污水量濃度不變情況下，頭前溪流域中每個集污區同時增加其排放污水量 5% 、 10%、 20%、 30%與 40%時，對河段水質之影響，模擬結果如圖 3-1。圖中原始狀況線表示在不違反每個河段 BOD 水質標準 2ppm 情況下，經由最佳化模式進行流域總量分配，在此排放規範下流域從上游至下游的 BOD 水質變化情況，隨著每一集污區污水量增加 5%、10%、 20%、30%與 40%時，某些河段 BOD 濃度開始超過水質標準；頭前溪流域之湳雅取水口為新竹地區重要的飲用水取水口，其位置如圖 3-2 河段九垂直線標示。考慮飲用水用途，則河段九之取水口處須嚴謹地規範此區之水質合乎制定的河段水質標準。本研究針對整體流域對照每個河段須符合水質標準的情況，則流域污水量增加至 18%以內都還能符合取水口處的水質標準，但若增加超過 18%，則取水口處之 BOD 濃度亦會違反水質標準，因此為維持流域之永續發展，在水質水量的監測上應格外小心。上述研究中，污水量之變動量並無機率分布 (probability distributions)，乃因各個影響因子的機率分佈 (probability distributions) 常不易取得或資料庫無詳細資料，如每個集污區排水每年或每月之排放污水量，因此本研究建議未來應加強進行流域水質、水量資料庫之蒐集與建立，才可藉由更詳盡的資料進行更進一步的不確定性分析，如利用均值一階二矩法等方法，加入機率的分析，以輔助流域的規劃政策與決策。

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表 3- 1 各參數對 BOD 總量敏感度分析參數名稱參數增減百分比（%） BOD 總量增減百分比(%) 敏感度值（S） 20% -4.07 0.20 -20% 5.75 0.29 50% -8.37 0.17 a -50% 21.12 0.42 20% -2.04 0.10 -20% 2.17 0.11 50% -4.86 0.10 b -50% 5.67 0.11 c 20% 0.00 0 水力係數 d 20% 0.00 0 20% 2.75 0.14 -20% -2.82 -0.14 50% 6.74 0.13 K1 -50% -7.21 -0.14 20% 1.95 0.10 -20% -2.02 -0.10 50% 4.76 0.10 水質參數 K3 -50% -5.18 -0.10 20% 25.25 1.26 -20% -28.58 -1.43 50% 60.99 1.22 流量 -50% - - 20% -3.69 -0.18 -20% 3.69 0.18 50% -9.22 -0.18 源頭 BOD 濃度 -50% 9.22 0.18 20% 3.74 0.19 -20% -3.31 -0.17 50% 10.28 0.21 水溫設計水溫 -50% -7.57 -0.15

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表 3- 2 各集污區污水量變化對 BOD 總量敏感度分析集污區排污流量增減百分比 BOD 總量增減百分比敏感度絕對值(S) -20% 7.20% 0.36 20% -4.38% 0.22 -50% 30.73% 0.61 南河排水 50% -9.18% 0.18 -20% 3.67% 0.18 20% 0.63% 0.03 -50% 26.52% 0.53 竹東排水 50% 3.27% 0.07 -20% 4.55% 0.23 20% -0.85% 0.04 -50% 31.72% 0.63 崁下排水 50% -0.75% 0.01 -20% 0.33% 0.02 20% -0.26% 0.01 -50% 2.39% 0.05 關東六號橋排水 50% -0.26% 0.01 -20% 1.12% 0.06 20% -0.36% 0.02 -50% 5.24% 0.10 湳雅排水 50% -0.94% 0.02 圖 3-2 污水量增加對河段水質濃度影響

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3.2 水質監測站位置對總量管制之影響 本節主要以頭前溪流域之流域特性設計簡例，探討水質監測站位置如何影響水質參數之推估，以河川的溶氧量(DO)以及生化需氧量 (BOD)兩項水質指標為研究項目，利用修正過後之 Streeter-Phelps 方程式進行線性代數方程式之參數反推，期望在水質參數資料不足的情況下，藉由上述模式的優點，以找出未知的參數，並進一步分析各污染源排放點排放對水質控制點之影響，結合最佳化模式以推求各集污區水體允許排放污染量，作為未來環境管理時之依據。 3.2.1 監測點對模式參數之影響 為了有效推估水質之參數，本節主要探討參數不確定性來源，並著重於水質監測站對參數之影響。研究中利用修正過後之水質模式進行線性代數方程式之參數反推，進而建立出一套合理完善的水質參數推估方法。本研究針對河川中生化需氧量(BOD)以及溶氧量 (DO)兩個項目進行水質模擬，在此藉由陳韻如(2006)於『永續性河川水質管理系統之發展』中建立的水質模式為基礎，以評估水體中污染之傳輸與物理與化學反應過程，並在下文中說明此模式之內容。（一）水質模式之假設與理論此模式為依據 Streeter-Phelps 的 BOD 與 DO 於河川傳輸之數學方程式建立水質模式(Streeter and Phelps,1925)，配合給定之邊界條件以及排入污染源資料，評估河川各河段之水質濃度分佈。以下為此模式之假設與理論。 1. 依據河川分段原則將河川分段後，假設同ㄧ河段除了水質參數 (K_r、K₄)彼此不同外，其餘參數例如河川斷面、流速、水溫、DO 再曝氣係數(K₂)、飽和溶氧 (DO )等皆相同。 _sat 2. 本研究僅考量ㄧ維穩態情形，且遵守質量守恆定律。 3. 假設該河段各污染源與河川上游流入之污染物瞬間完全混合。 4. 流域視為一完整系統，且遵守質量守恆定律。 5. 河川中之 DO 耗氧來自於 BOD 以及底泥耗氧，而 DO 之增加來自於水體表面與空氣之間接觸之曝氣作用。

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6. 本研究參考過去文獻，將考量祛氧係數 (K_r)和底泥耗氧率 (K₄)對 BOD 之影響，本研究中需優選參數 K_r和 K₄，藉此描述 BOD 和 DO 之變化情形。

7. 根據文獻資料 (Thomann and Muller,1987)，當水體中懸浮物質濃度低於 30mg/L 時，沉降係數之影響將可忽略，故在此忽略之。 8. 由於河川延散作用與傳輸作用相比影響不大，故在延散係數上不做任何設定。（二）BOD 與 DO 之河川傳輸數學方程式本研究採用之 BOD 以及 DO 濃度反應式 (Streeter-Phelps,1925)乃為下列各式，推求各種距離之 BOD 濃度可用下式求出。 ( ) 0 ri i t K i i BOD e BOD = × − × i=1~n （3.4）其中BOD0i為i 河段之初始濃度或是與該點污染源混合後之 BOD 濃度，Kri 為i 河段之祛氧係數，ti為i 河段中污染物傳輸的時間，BODi為i 河段中污染物傳輸ti時間後之BOD 濃度或與排入污染之濃度混合前之 BOD 濃度，n 為河段數。各河段之溶氧缺乏量可由下式求得，在此加上底泥耗氧之影響，求得溶氧缺乏量後便可得知各種距離之DO 濃度(Chapra,1977)。 ( ) ( ( ) ( )) (1 ( )) ( ) 0 ai i Bi t K t K t K ri ai ri oi t K i i _H _K S e e e K K K BOD e D D ai i ri i ai i ai i × × − + − − × + × = − × − × − × − × （3.5）式中，D0 i 為 i 河段初始混合後之溶氧缺乏量， Di 為 i 河段中污染物傳輸 ti 時間後之溶氧缺乏量或與排入污染之濃度混合前之溶氧缺乏量，Ka i為 i 河段之再曝氣係數，其方程式為採用 Churchill et al.(1962) 之經驗公式如下(3.6) 式。 SBi 為 i 河段之底泥耗氧率 (即為 K4)， Hi 為 i 河段之平均深度。 31 . 2 026 . 5 0.969 1.673_× = − − i i ai u d K （3.6）式中u 為 i 河段之平均流速(ft/sec)，d−_i i為i 河段之平均水深(ft)。 DO_i = DO_sat_,_i −D_i （3.7）

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式中 DOsat,i 為 i 河段之飽和溶氧，其式以經驗公式 (American Public Health Association, APHA, 1985)，如 (3.8) 式。DOi 為 i 河段中污染物

傳輸 ti時間後之 DO 濃度或與排入污染之濃度混合前之 DO 濃度。 ) 10 621949 . 8 ( ) 10 243800 . 1 ( ) 10 642308 . 6 ( ) 10 575701 . 1 ( 34411 . 139 ) ln( 4 11 3 10 2 7 5 , i i i i i sat T T T T DO × − × + × − × + − = （3.8）若切割之河段中有污染源排入，其混合後之 BOD 及 DO 濃度可用下列兩式表示(Chapra,1977)。 i i i pi i i i q Q q BOD Q BOD BOD + × + × = 0 （3.9） i i i pi i i i q Q q DO Q DO DO + × + × = 0 （3.10）式中 BOD0 i為 i 河段與污染物混合後之 BOD 濃度， Qi 為 i 河段之河川流量，BODp i 與 DOp i分別為 i 河段之污染源 BOD 濃度與 DO 濃度，qi為 i 河段之污染源 BOD 之廢水量。由於模式中假設河川流況為定常態，且假設同一河段內之其餘參數值為相同，研究中利用 HEC-RAS 模式進行推估在各設計流量下，可能之斷面面積與各段水深及流速。此外由於河段的溫度會影響水質參數的變化，進而導致水質濃度的模擬，故利用(3.11) 式修正水質參數。 ) 20 ( 20 o − = T i Ti X X θ （3.11） XTi為該河段水溫下(T)之水質參數值， X2 0 i 為該河段在標準溫度 20℃時的水質參數值，θ 為各水質參數的修正係數，在此採用 QUAL2E 建議之數值，Kr 的修正係數為 1.047，而 K4的修正係數為 1.060。（三）河川分段原則上述模式於使用時必須將模擬河川進行河段劃分之工作，以下為該模式之河川分段方式：

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1. 河川分段時若有污染源匯入點進入，必須以污染源匯入點為分段點。 2. 河段內必須要有一個以上的監測站。 3. 若河段內只有一個監測站，則此監測站至上游分界點之間不可有其它污染源匯入點。 4. 河段內如果有兩個監測站以上，且其中有兩監測站之間無其他污染源匯入點，便可直接反推，但因為上游推求水質參數會造成誤差累積至下游，故不採取兩監測站間直接推求水質參數，而藉由上游慢慢往下游推估，以修正累積性誤差之影響。河川分段完畢後，每一河段內即無任何污染源匯入點，則假設水質變化情形完全符合(3.8)~(3.11) 式，則可利用聯立解線性代數的觀念，如下(3.12)與 (3.13) 式。 t BOD BOD K i i ri 1 ) ln( 0 _× = （3.12） ) 1 ( )) ( ( ( ) 0 ( ) ( ) ₍ ₎ 0 ai i ri i ai i K_ai t_i ai i t K t K ri ai ri i t K i i Bi e K H e e K K K BOD e D D S − × − × − × ₋ _× − × × − − × − × − = （3.13）藉由僅有之河川水質觀測資料，便可求解出分段後之各河段內的兩優選參數，若違反了上述之分段原則，則沒辦法利用上述觀念來反推求得優選參數。（四）案例設計本研究依據頭前溪流域特性設計一簡化之模擬河川，並參考過去的報告成果，以合理方式假設河川內之水力特性與水質等資料。首先利用水質模式模擬河川水質濃度，作為假設之各觀測站之水質紀錄資料，進而再假設河川內水質參數與河川分段方式為未知，利用解聯立線性代數方程式的方式結合上述河川分段原則進行優選，將優選推得的水質參數重新利用水質模式模擬出河川各觀測站之濃度，並與之前紀錄觀測站之濃度做比對，並探討在不同數目與位置之監測站，模擬濃度與實際觀測濃度的關係，以及水質參數之差異所在。設計的簡例假設總共有五個污染源排入點，其分別對應的污染排

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放資料，如表 3-3。表 3-4 為河川源頭之資料，兩個源頭分別來自於油羅溪上游與上坪溪上游。表 3-5 為河川分段之資料，由於每個河段內至少擁有一個水質監測站，包含 BOD 與 DO 兩個水質項目之濃度監測值，故可視為兩條限制式，因此本研究將 K₁與 K 結合成為₃ K_r，兩條限制式將用於反推 K_r與 K₄兩個參數值。本研究可經由兩方程式決定 K_r和 K₄兩變數，故此水質模式僅能求得 K_r以及 K₄，且前提是水質變化完全符合此兩條傳輸數學方程式，但在真實情況中水質並非如此線性化，故在模式本身尚待修改。此外，除了優選的參數外，其餘之參數皆視為同一河段皆相同，往後在作優選時必須也將其餘參數做實際的輸入。至於河川分段原則方面，由於此參數推估方法是利用聯立解線性代數方程式求解，若違反了河川分段原則，則無法利用線性代數求得參數解，而必須利用其它求解方法才能求得。表 3- 3 污染排放源資料河川名稱排放源名稱位置 (km) 流量 (CMD) BOD 排放量 (kg/day) 流達率 (%) 油羅溪南河排水 29.5 17815.29 1495.93 0.14 竹東排水 20.5 30003.87 2469.73 0.22 崁下排水 14.5 59240.51 3966.89 0.05 關東排水 11 12051.57 989.25 0.06 頭前溪湳雅排水 5.5 17663.59 1684.95 0.29 表 3- 4 河川源頭資料源頭名稱位置 (km) 流量 (CMD) BOD (mg/L) DO (mg/L) 油羅溪 33.5 215136 1.3 11.2 上坪溪 10 326592 0.5 9.5

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表 3- 5 河川分段資料河川名稱河段名稱 (km) 分段起點 (km) 分段終點 (km) Kr (1/d) K4 (1/d) K2 (1/d) 飽和溶氧 (mg/L) 平均流速 (m/s) 平均水深 (m) 平均溫度 ( )℃ 油羅溪河段一 33.5 23 1.3 1 37.39 9.09 0.88 0.28 20 河段二 10 4 1.3 1 16.98 9.09 1.25 0.55 20 上坪溪河段三 4 0 1.3 1 22.1 9.09 1.44 0.51 20 河段四 23 20.5 1.3 1 35.27 9.09 0.58 0.26 20 河段五 20.5 14.5 1.3 0.2 12.35 9.09 0.9 0.55 20 河段六 14.5 11 0.7 0.2 1.82 9.09 0.38 1.05 20 河段七 11 5.5 0.7 0.2 1.22 9.09 0.02 3.79 20 頭前溪河段八 5.5 0 0.7 0.5 2.73 9.09 0.01 6.21 20 表 3- 6 推估之河段資料河川名稱河段名稱 (km) 分段起點 (km) 分段終點 (km) Kr (1/d) K4 (1/d) K2 (1/d) 飽和溶氧 (mg/L) 平均流速 (m/s) 平均水深 (m) 平均溫度 ( )℃ 油羅溪河段一 33.5 23 0 0 37.39 9.09 0.88 0.28 20 河段二 10 6 0.83 0.38 12.5 9.09 0.8 0.51 20 上坪溪河段三 6 0 1.53 1.25 21.18 9.09 1.57 0.55 20 河段四 23 20.5 4.63 0.17 28.26 9.09 0.58 0.26 20 河段五 20.5 11 0.52 -0.99 4.71 9.09 0.65 0.81 20 河段六 11 8.2 1.1 1.37 2.24 9.09 0.03 3.34 20 頭前溪河段七 8.2 0 0.35 7.12 3.05 9.09 0.01 5.82 20 表 3-6 為河川分段原則下所推估出來之結果，由此可發現，分段數目僅能分成七段，與原先案例設計時的八段相差一段，且推估出來之參數與原先參數有相當程度之差異，即便如此，其模擬的濃度卻又與觀測濃度相當吻合，代表優選參數對於水質模擬意義較小或是監測站位置不恰當的關係，使得監測站的資料無法表現出水體的水質變化。此外，由於河段一在南河排水下游並未有監測站存在，造成反推水質參數時不確定性的來源，無法有效優選到該河段之水質參數，故此河段之兩個水質參數皆以 0 表示，形成在優選的過程中，自上游模擬濃度誤差的累積影響了下游水質參數的推導，甚至會造成參數負值

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的狀況。此誤差來源主要是因為原先河川分段中，某些河段內沒有水質觀測站，造成在求解的過程中，該河段自由度過大，造成反推水質參數時不確定性的來源，無法有效優選到該河段之水質參數，形成在優選的過程中，自上游模擬濃度誤差的累積影響了下游水質參數的推導，甚至會造成參數負值的狀況。因此本研究針對污染排入點後之河段位置，假設增加監測站之設置，以評估對優選參數結果之影響。研究中保留原有八個水質監測站，另外增加三個監測站，再以河川分段原則的方式，以前述之水質模式與線性代數反推水質參數，其結果如下表 3-7，可發現其優選結果與原先設計參數相接近，且模擬之水質項目與觀測值趨近相同。由此可知若監測站之設置位置和數量與水質參數之推估具有極大的相關性，若有足夠之監測站資料以反應河川水質特性，將可降低模擬時水質參數之不確定性。表 3- 7 增加監測站後推估之河段資料河川名稱河段名稱 (km) 分段起點 (km) 分段終點 (km) Kr (1/d) K4 (1/d) K2 (1/d) 飽和溶氧 (mg/L) 平均流速 (m/s) 平均水深 (m) 平均溫度 ( )℃ 油羅溪河段一 33.5 23 1.3 1 37.39 9.09 0.88 0.28 20 河段二 10 6 0.83 0.38 12.5 9.09 0.8 0.51 20 上坪溪河段三 6 0 1.53 1.25 21.18 9.09 1.57 0.55 20 河段四 23 20.5 1.29 0.81 28.26 9.09 0.58 0.26 20 河段五 20.5 14.5 1.3 0.17 12.35 9.09 0.9 0.55 20 河段六 14.5 11 0.7 0.23 1.82 9.09 0.38 1.05 20 河段七 11 5.5 0.7 0.2 1.22 9.09 0.02 3.79 20 頭前溪河段八 5.5 0 0.7 0.5 2.73 9.09 0.01 6.21 20 3.2.2 監測點對總量管制之影響 在經濟活動蓬勃發展的現況下，自然環境一直是人類賴以維生的主要依靠，主要原因是組成自然環境的系統皆有接受不同大小程度的衝擊，但在有限的資源前提下，如何讓系統在承受最大的污染衝擊且經濟利益最大的同時，不超過其所能容忍的最大負荷，是人類一直以來所追求的目標，而水體便是眾多系統之一。在水質要求的條件下，

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水體所能承受之污染排放最大負荷稱為涵容能力。本節將藉由上節建立之水質模式與案例設計，推估案例中河川 BOD 污染涵容能力之現值，並就監測點的位置對於涵容能力之影響作討論。（一）累積衝擊評估河川污染整治規劃與涵容能力分析配合水質模式進行模擬，以瞭解河川之污染傳輸情形或各區域可能造成之污染衝擊程度。藉由水質模式模擬評估，可分析不同污染源對河川各河段所造成之衝擊，以建立各河段間之水質污染反應矩陣，並評估該河川自上游至下游所承受之累積性衝擊。傳統的環境影響評估，主要只針對單一開發案件對環境造成的衝擊進行評估，卻忽略了此計畫，與不同時間、空間上的其他計畫，可能對環境產生累積性之影響。若是忽略累積性的影響，可能導致某一區域所承受的環境衝擊，在無形中超越其承載能力，造成環境品質下降。污染傳輸反應矩陣乃結合模擬單一污染源對河川污染衝擊程度，用來評估多重污染源自河川上游至下游所造成之累積性衝擊，將各河段污染源與水質間的反應關係建立為矩陣，以協助了解污染在河川各處的傳輸情形。污染傳輸反應矩陣，為評估不同分區污染排放源自河川上游至下游所造成之衝擊量大小，即反應矩陣縱向可分割成河川不同位置單元，來分析其衝擊量，然而在自然環境下，河川本身便存在一定之 BOD 濃度，稱之為環境背景值，其值會隨著河川上游源頭污染排放量不同而變化，故在應用反應矩陣的同時，應將環境背景值與污染源影響分開模擬討論，往後只需計算集污區可能污染量，為單位污染排放源(排入 100kg/day 之 BOD 污染量 )的多少倍，再乘上各河段之反應係數，並加上該格點之環境背景值，便可得知該污染量對各河段水質造成之累積性影響。表 3-8 即為案例設計中利用水質模式反推水質參數所推估之污染反應矩陣。

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表 3- 8 反推水質參數所得各河段與分區之污染傳輸反應矩陣上游---下游南河排水竹東排水崁下排水關東六號橋排水湳雅排水背景值 TO1 TO2 TO3 TO4 TO5 TO0 河段一起點 0.00 0.00 0.00 0.00 1.30 0.00 河段一終點 0.00 0.00 0.00 0.00 1.20 0.00 河段二起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 0.00 河段二終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 河段三起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 河段三終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 0.00 河段四起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.76 0.00 河段四終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.60 0.00 河段五起點 0.17 0.00 0.00 0.00 0.57 0.17 河段五終點 0.14 0.15 0.00 0.00 0.48 0.14 河段六起點 0.14 0.15 0.15 0.00 0.47 0.14 河段六終點 0.04 0.04 0.05 0.00 0.14 0.04 河段七起點 0.04 0.04 0.05 0.00 0.14 0.04 上游下游河段七終點 0.00 0.00 0.00 0.02 0.01 0.00 此反應矩陣如橫向排放源「南河排水」(TO1) ，在河段一排入 100kg/day 的 BOD 污染量時，所對應各河段之影響如河段一的終點為 0.4293，而河段二、三屬於上坪溪支流，故不受之影響，河段四之起終點分別為 0.18 與 0.14，往下游類推。至於集污區污染排放源是否需設定排入 100kg/day 的 BOD 污染量，則要視模擬該河川時流量設定值大小及該河川自淨能力為何來考量。（二）推估河川污染涵容量目前頭前溪共設有八個水質監測站，分別為內灣吊橋、瑞豐大橋、寶山水庫取水口、竹東大橋、竹林大橋、中正大橋、頭前溪橋、

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溪洲大橋，在限制式的設定下，根據河川分段原則的情形下，使得推估量必須要讓每個河段皆符合水質標準，找出河川能處理之最大污染排放量。 Optimization model 5 ~ 1 , 0 . . _, 1 = ≥ ≤ × =

∑

= i TO BOD RC TO T S TO MaxZ i j std ij i i N i 推估涵容能力之最佳化模式如上，其優選之決策變數為集污區最大 BOD 污染可排放量 TOi，限制式則設定在不超過此河段之水質BOD 標準規範。式中 BODi 為集污區 TOi 所排入之 BOD 污染濃度值，RCi j

表示 j 區受 i 區影響之 BOD 反應係數，BODs t d , j則代表 j 區之水質 BOD

濃度規範，此亦表示在受 i 區排污影響其 j 區之水質仍須符合此區之水質標準規範。反推水質參數所得之環境承載力如表 3-9 所示。表 3- 9 反推水質參數所得之環境承載力集污區面積 (ha) 水體分類河川集污區排入量 kg/day(BOD) 南河排水 10446.4 乙 186.21 竹東排水 2706.71 乙 693.96 崁下排水 5799.06 乙 224.71 關東六號橋 1628.35 乙 24.14 湳雅排水 1076.72 乙 25021.22 總計 26150.24 若是藉由增加監測站數目與調整位置，可減低推估水質參數時之不確定性，進而趨近於唯一解，隨著水質參數的改變，反應矩陣也會隨之改變，下表 3-10 為上節案例增加監測站數目後所推估出來之水質參數並藉由水質模式求得之反應矩陣，而表 3-11 為此反應矩陣所推估之環境承載力。

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表 3- 10 增加監測點之反應矩陣上游---下游南河排水竹東排水崁下排水關東六號橋排水湳雅排水背景值 TO1 TO2 TO3 TO4 TO5 TO0 河段一起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.30 河段一終點 0.38 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 河段二起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 河段二終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 河段三起點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 河段三終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 河段四起點 0.16 0.00 0.00 0.00 0.00 0.68 河段四終點 0.15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.64 河段五起點 0.14 0.17 0.00 0.00 0.00 0.60 河段五終點 0.13 0.15 0.00 0.00 0.00 0.55 河段六起點 0.12 0.14 0.15 0.00 0.00 0.50 河段六終點 0.11 0.13 0.14 0.00 0.00 0.46 河段七起點 0.11 0.13 0.14 0.15 0.00 0.45 河段七終點 0.01 0.01 0.02 0.02 0.00 0.05 河段八起點 0.01 0.01 0.01 0.02 0.15 0.05 上游下游河段八終點 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 表 3- 11 增加監測點之環境承載力集污區面積 (ha) 水體分類河川集污區排入量 kg/day(BOD) 南河排水 10446.4 乙 259.48 竹東排水 2706.71 乙 605.92 崁下排水 5799.06 乙 231.04 關東六號橋 1628.35 乙 117.49 湳雅排水 1076.72 乙 2571.44 總計 3785.37 藉由上述表格可得知，監測站的數目與位置會間接影響水質參數的推估，進而影響到環境承載力。增加監測點前後所推求湳雅排水處之可排放量分別為 25021.22 與 2571.44，相差近十倍，主要原因為河

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川分段之影響。增加監測點前之最後一個河段起點為距下游 8.2km 處，湳雅排水距下游 5.5km 處，且湳雅排水為水體水質標準交界處，其下游之水質標準為丙類水體，故湳雅排水口排入污染後，根據反應矩陣規劃，僅需在河段七終點時遵守丙類水體即可，由於此處流速緩慢，即使排入大量污染，也能在河段七終點時符合丙類水體。然而增加監測點後，由於最後一個河段之起點為距下游 5.5km 處，與湳雅排水口同一位置(假設湳雅排水口位於最後一個河段起點前不遠處 )，故湳雅排水口排入污染後，在最後河段之起點即必須遵守丙類水體標準，故推求出來之環境承載力降低。由上述得知，監測點的數目與位置，會影響河川分段數目與水質參數的推求，進而改變反應矩陣，此外最佳化模式中的限制式也會隨之改變，最終造成環境承載力推估上的變化。往後若能增加監測站之數目並位置恰當，對於推估水質參數與環境承載力上有極大之影響，且未來可進一步藉此針對河川管理制度探討合理之相關策略。 3.3 總量管制下區域公平性探討 公平性為總量管制之重要課題。河川涵容能力分配的過程中，若只考慮總污染分配量最大化，優化的雖然在經濟上可以得到一個滿意的解答，但在社會上並不一定能夠實現，因此本研究在原最佳化模式中，進一步考量流域公平性，讓流域永續發展的過程中，能夠同時兼顧到生態、經濟與社會層面，增加政策落實的可行性與可能性。本章節將分由兩個部份探討流域公平性。 3.3.1 總量與公平性間之調配關係 河川涵容能力為在不違反水質標準限制下，河川所能承載的最大污染排放量，但若只考量總量最大化下之優化結果常未能滿足不同集污區間污染分配之公平性。公平性為總量分配與管制之重要課題；而永續性總量管制於本研究中主要精神是推求在符合水質標準下，水體在可接受的風險下，考量了累積性衝擊影響，各集污區所能承受之最大污染排放量，將此視為河川承載力。因此其最佳化模式的決策變數為各集污區允許污染排入量推求流域整體最大允許污染排放總量，與過去總量管制之最佳化模式以污染削減量作為主要決策變數並以最小成本為目標函數有所不同。

環境永續性評價與管理：環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之相關性研究－子計畫三：水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之相關性研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

環境永續性評價與管理：環境承載力、累積性衝擊評量及

政策環評與總量管制之相關性研究--子計畫三：水資源面

向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評與總量管制之

相關性研究(III)

研究成果報告(完整版)

中 華 民 國 96 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評

與總量管制之相關性研究計畫(III)

Study of Environmental Carrying Capacity, Total Mass Control,

Strategic Environmental Assessment - Water Resources (III)

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC95－2621－Z－002－006－

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人

：童慶斌

計畫參與人員 ：廖偉廷、周玨澔、李庭鵑、林嘉佑

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：

國立台灣大學生物環境系統工程學系

中華民國

96 年 10 月 31 日

中 文 摘 要

Abstract

水資源面向環境承載力、累積性衝擊評量及政策環評

與總量管制之相關性研究計畫(III)

目 錄

圖 目 錄

表 目 錄

第一章 前言

第二章

文獻回顧

第 三 章

水 質 總 量 管 制 評 估 過 程 因 子 探 討

∑

∑

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

中華民國 96 年 10 月 31 日

計畫參與人員：廖偉廷、周玨澔、李庭鵑、林嘉佑

中文摘要

目錄

圖目錄

表目錄

第一章前言

第三章

水質總量管制評估過程因子探討