國立交通大學
土木工程學系
碩士論文
降雨入滲對於地下水中含氯有機溶劑降解之影響
Effect of rainfall infiltration on degradation of chlorinated
sol-vents in groundwater
研 究 生：葉韋甫
指導教授：單信瑜 博士
降雨入滲對於地下水中含氯有機溶劑降解之影響
Effect of rainfall infiltration on degradation of chlorinated
sol-vents in groundwater
研 究 生：葉韋甫 Student：Wei-fu Yeh
指導教授：單信瑜 博士 Advisor：Hsin-yu Shan
國 立 交 通 大 學
土 木 工 程 研 究 所
碩士論文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering
College of Engineering
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
in
Civil Engineering
September 2012
Hsinchu, Taiwan, Republic of China.
I
降雨入滲對於地下水中含氯有機溶劑降解之影響
研究生：葉韋甫 指導教授：單信瑜 博士 國立交通大學土木工程研究所 摘要 本研究針對降雨入滲對於含氯有機溶劑污染場址降解之影響，藉由模擬地下水污染 物溶質傳輸的現象，對降雨入滲影響含氯有機溶劑之差異分佈進行分析。利用 Visual MODFLOW 套裝軟體 RT3D 數值模式來模擬含氯有機溶劑污染場址於地下水傳輸，評 估各關切污染物對濃度分佈之影響。RT3D 可模擬四氯乙烯降解作用產生三氯乙烯、二 氯乙烯、氯乙烯，各關切污染物的吸附作用使各污染物傳輸速度不同。模擬一假設場址 於不同降雨量與降雨區塊影響其濃度與分佈和選用一國內著名含氯有機溶劑污染場址 做研究案例。研究結果顯示，在假設場址模擬中，降雨量的大小與降雨區域性的不同不 僅會影響含氯有機溶劑之濃度與也會改變溶解相污染團的形狀與移動方向。實際案例場 址模擬結果顯示，降雨入滲對於地下水中含氯有機溶劑影響會因為都市區域有各式鋪面， 雖然會使實際入滲量隨不同地表狀況降低，間接影響入滲到地層中的入滲量，但是入滲 仍會影響污染團的濃度與分佈。 關鍵字: Visual MODFLOW、RT3D、含氯有機溶劑、污染傳輸模擬、入滲II
Effect of rainfall infiltration on degradation of chlorinated solvents in
groundwate
By
Student: Wei-fu Yeh Advisor: Hsin-yu Shan Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University Abstract
This research, evaluates the effect of rainfall infiltration on degradation of chlorinated solvents in groundwater by numerical simulation of groundwater contaminant transport with MODFLOW and RT3D. The anaerobic degradation of tetrachloroethylene (PCE) and all its daughter products such as trichloroethylene (TCE), dichloroethylene (DCE), vinyl chloride (VC) is taken into account by RT3D. In order to assess the effect of infiltration on the plume of dissolved chlorinated solvents a hypothetical aquifer was established. Infiltration was as-sumed to occur at various zones and rate to study the resulted change of the plume. In addi-tion, a real site contaminated by chlorinated solvents in Taiwan was selected for the case study. The results of the research illustrated that the size and different regional of the rainfall will affect the concentration and the direction of plume migration. On the other hand, results of the Taiwan DNAPL site simulation showed that the pavement reduced the effect of rainfall infil-tration and, in turn, its effect on the plume of chlorinated solvents in groundwater.
Keywords: Visual MODFLOW, RT3D, chlorinated solvent, contaminant transport simulation, infiltration
III
誌謝
此 篇 論 文 的 完 成 承 蒙 許 多 人 的 支 持 以 及 鼓 勵 ， 讓 我 在 曾 經 想 要 放 棄 之 時 卻 又 見 到 一 絲 曙 光 ， 特 別 感 謝 指 導 教 授 單 信 瑜 博 士 愛 心 與 耐 心 指 導 ， 得 以 順 利 完 成 ， 感 謝 老 師 這 些 日 子 來 ， 體 恤 學 生 的 不 足 ， 在 論 文 撰 寫 期 間 給 予 研 究 方 向 和 實 質 幫 助 ， 並 且 從 中 學 習 到 對 於 研 究 的 執 著 與 態 度 。 論 文 初 稿 ， 承 蒙 王 智 澤 博 士 與 劉 志 忠 博 士 於 百 忙 中 詳 加 審 閱 ， 並 於 口 試 時 給 予 實 際 又 寶 貴 的 意 見 ， 使 本 論 文 更 加 完 善 ， 在 此 致 上 十 二 萬 分 的 謝 意 。 在 研 究 所 期 間 ， 感 謝 彥 森 學 長 、 韋 恩 學 長 與 培 旼 學 長 對 於 我 的 照 顧 和 傳 授 軟 體 操 作 的 技 巧 與 經 驗 ， 也 感 謝 在 研 究 室 中 一 起 努 力 的 夥 伴 -凱 仁 給 了 我 許 多 的 支 持 以 及 鼓 勵 ， 學 弟 -智 緯 、 效 丞 、 潤 翰 、 昱 辰 ， 以 及 所 有 大 地 組 的 同 學 ， 在 最 後 幾 個 月 的 協 助 ， 使 得 小 弟 得 以 節 省 許 多 錯 誤 的 嘗 試 ， 感 謝 你 們 帶 給 實 驗 室 那 麼 多 歡 樂 。 最 後 ， 感 謝 我 的 家 人 ， 讓 我 在 求 學 過 程 當 中 無 後 顧 之 憂 ， 忙 碌 之 餘 總 是 為 我 加 油 打 氣 ， 感 謝 台 大 骨 科 醫 生 張 志 豪 在 我 受 傷 期 間 的 細 心 照 料 ， 感 謝 台 大 土 木 系 葉 明 生 博 士 教 導 軟 體 操 作 經 驗 ， 使 我 終 於 完 成 研 究 所 的 學 業 。 碩 士 生 涯 承 蒙 許 多 貴 人 的 指 導 與 協 助 ， 引 領 我 在 求 學 的 迷 霧 中 能 找 到 前 進 的 方 向 ， 同 時 也 讓 我 學 習 到 許 多 待 人 處 事 的 道 理 。 畢 業 後 就 要 離 開 校 園 ， 也 祝 福 我 的 師 長 與 諸 位 好 友 在 日 後 的 人 生 旅 途 都 能 平 安 順 心 ， 學 術 成 就 日 益 精 進 ， 僅 此 小 小 的 成 果 獻 給 以 上 所 有 關 心 我 的 人 。 謝 謝 ！ 葉 韋 甫 謹 誌 國 立 交 通 大 學 土 木 工 程 研 究 所 中 華 民 國 一 百 零 一 年 九 月IV
目錄
摘要 ... I Abstract ... II 誌謝 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VI 表目錄 ... XI 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景 ... 1 1.2 研究目的 ... 2 1.3 研究方法與流程 ... 2 第二章 文獻回顧 ... 4 2.1 含氯有機溶劑 ... 4 2.1.1 含氯有機溶劑之特性 ... 4 2.1.2 DNAPL 入滲之可能傳輸模式 ... 7 2.1.3 DNAPL 在水中之溶解相 ... 8 2.1.4 生物降解作用 ... 10 2.1.5 DNAPL 在水中溶解相之傳輸模式 ... 12 2.2 入滲對於地下水污染傳輸之影響 ... 14 2.2.1 降雨量分析 ... 15 2.2.2 入滲量推估方法介紹 ... 16 2.2.3 入滲對於含氯有機溶劑之影響 ... 18 2.3 MODFLOW 的控制方程式 ... 22 第三章 研究架構 ... 28 3.1 研究架構 ... 28 3.2 程式設定 ... 29 3.2.1 含水層格網建立與邊界條件 ... 29 3.2.2 降雨入滲量之變異性與降雨區域分佈 ... 32 3.3 國內某含氯有機溶劑污染場址之模擬假設 ... 35 3.3.1 XX 污染場址簡述 ... 35 3.3.2 模擬廠址時間 ... 36 3.3.3 數值模式格網建立 ... 36 3.3.4 地下水流模式邊界條件 ... 37 3.3.5 污染起始條件 ... 39 3.3.6 地下水厭氧還原脫氯模式 ... 40 3.3.7 吸附模式 ... 41 3.3.8 地層分部與水力傳導係數設定 ... 41V 3.3.9 模擬之雨量大小與入滲量 ... 43 3.3.10觀測井設置 ... 46 第四章 假設場址模擬結果 ... 48 4.1 假設場址模擬結果與分析 ... 48 4.1.1 各 Case 之濃度變化與污染團的範圍分佈 ... 48 4.2 實際 XX 場址模擬結果 ... 86 4.2.1 污染概況 ... 86 4.2.2 實際 XX 場址模擬結果與分析 ... 88 第五章 結論與建議 ... 99 5.1 結論 ... 99 5.2 建議 ... 100 參考文獻 ... 101 附錄 A ... 107
VI 圖目錄 圖 1-1 研究流程圖 ... 3 圖 2-1 DNAPL 在土壤與地下水層中之分佈行為 ... 8 圖 2-2 含氯碳氫化合物於地下環境之衰減機制示意 ... 10 圖 2-3 含氯烯類化合物還原脫氯反應途徑 ... 11 圖 2-4 地下水監測井取樣與 DNAPL 溶解相傳輸之關係... 19 圖 2-5 TCE 入滲模擬圖 ... 20 圖 2-6 TCE 溶於水中入滲模擬圖 ... 20 圖 2-7(a) 有鋪面抑制地表入滲之污染團影響範圍 ... 21 圖 2-7(b) 無鋪面抑制地表入滲之污染團影響範圍 ... 21 圖 2-8 後勁溪仁武橋段歷年乾、雨季逸散量 ... 22 圖 2-9 含水層網格化示意圖 ... 24 圖 2-10 兩網格間水流系統示意圖 ... 24 圖 2-11 三維空間中各網格元素間相對位置示意圖 ... 25 圖 2-12 反向分法求解概念圖 ... 26 圖 3-1 研究架構與方法 ... 28 圖 3-2 模擬廠址正面與側面設定之網格大小 ... 30 圖 3-3 假設場址數值模式概念示意圖 ... 31 圖 3-4 降雨量分佈一 ... 33 圖 3-5 降雨量分佈二 ... 33 圖 3-6 降雨量分佈三 ... 34 圖 3-7 降雨量分佈四 ... 34 圖 3-8 降雨量分佈五 ... 35 圖 3-9 XX 場址內外受污染之民井分佈圖 ... 36 圖 3-10 XX 場址數值模式格網建立 ... 37 圖 3-11 XX 廠址地下水流方向 ... 38 圖 3-12 TM-201 至 TM-206 切面位置 ... 38 圖 3-13 第一含水層及第二含水層監測井所測得的水位及其隨時間之變化 ... 39 圖 3-14 Google Map 下 XX 污染場址鳥瞰圖 ... 40 圖 3-15 場內地質剖面圖 ... 42 圖 3-16 在 Visual Modflow 模擬之地質剖面圖 ... 42 圖 3-17 XX 場址的地層柱狀圖 ... 43 圖 3-18 假設測站雨量分佈圖 ... 43 圖 3-19 鋪面入滲區塊分佈 ... 44 圖 3-20 場址數值模式概念示意圖 ... 47
圖 4-1(a) Case I-1250 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 50
圖 4-1(b) Case I-2500 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 50
VII
圖 4-2(a) Case I-1250 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 50
圖 4-2(b) Case I-2500 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 50
圖 4-2(c) Case I-5000 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 50
圖 4-3(a) Case I-1250 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 53
圖 4-3(b) Case I-2500 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 53
圖 4-3(c) Case I-5000 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 53
圖 4-4(a) Case I-1250 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 53
圖 4-4(b) Case I-2500 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 53
圖 4-4(c) Case I-5000 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 53
圖 4-5(a) Case I-1250 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 54
圖 4-5(b) Case I-2500 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 54
圖 4-5(c) Case I-5000 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 54
圖 4-6(a) Case I-1250 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 54
圖 4-6(b) Case I-2500 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 54
圖 4-6(c) Case I-5000 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 54
圖 4-7(a) Case I-1250 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 55
圖 4-7(b) Case I-2500 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 55
圖 4-7(c) Case I-5000 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 55
圖 4-8(a) Case I-1250 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 55
圖 4-8(b) Case I-2500 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 55
圖 4-8(c) Case I-5000 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 55
圖 4-9(a) Case II-1250 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 59
圖 4-9(b) CaseII-2500 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 59
圖 4-9(c) CaseII-5000 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 59
圖 4-10(a) Case II-1250 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 59
圖 4-10(b) CaseII-2500 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 59
圖 4-10(c) CaseII-5000 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 59
圖 4-11(a) Case II-1250 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 60
圖 4-11(b) CaseII-2500 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 60
圖 4-11(c) CaseII-5000 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 60
圖 4-12(a) Case II-1250 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 60
圖 4-12(b) CaseII-2500 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 60
圖 4-12(c) CaseII-5000 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 60
圖 4-13(a) Case II-1250 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 61
圖 4-13(b) CaseII-2500 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 61
圖 4-13(c) CaseII-5000 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 61
圖 4-14(a) Case II-1250 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 61
VIII
圖 4-14(c) CaseII-5000 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 61
圖 4-15(a) Case II-1250 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 62
圖 4-15(b) CaseII-2500 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 62
圖 4-15(c) CaseII-5000 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 62
圖 4-16(a) Case II-1250 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 62
圖 4-16(b) CaseII-2500 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 62
圖 4-16(c) CaseII-5000 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 62
圖 4-17(a) Case III-1250 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 66
圖 4-17(b) CaseIII-2500 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 66
圖 4-17(c) CaseII-5000 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 66
圖 4-18(a) Case III-1250 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 66
圖 4-18(b) CaseIII-2500 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 66
圖 4-18(c) CaseII-5000 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 66
圖 4-19(a) Case III-1250 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 67
圖 4-19(b) CaseIII-2500 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 67
圖 4-19(c) CaseII-5000 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 67
圖 4-20(a) Case III-1250 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 67
圖 4-20(b) CaseIII-2500 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 67
圖 4-20(c) CaseII-5000 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 67
圖 4-21(a) Case III-1250 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 68
圖 4-21(b) CaseIII-2500 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 68
圖 4-21(c) CaseIII-5000 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 68
圖 4-22(a) Case III-1250 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 68
圖 4-22(b) CaseIII-2500 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 68
圖 4-22(c) CaseIII-5000 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 68
圖 4-23(a) Case III-1250 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 69
圖 4-23(b) CaseIII-2500 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 69
圖 4-23(c) CaseIII-5000 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 69
圖 4-24(a) Case III-1250 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 69
圖 4-24(b) CaseIII-2500 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 69
圖 4-24(c) CaseIII-5000 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 69
圖 4-25(a) Case IV-1250 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 73
圖 4-25(b) CaseIV-2500 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 73
圖 4-25(c) CaseIV-5000 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 73
圖 4-26(a) Case IV-1250 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 73
圖 4-26(b) CaseIV-2500 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 73
圖 4-26(c) CaseIV-5000 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 73
IX
圖 4-27(b) CaseIV-2500 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 74
圖 4-27(c) CaseIV-5000 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 74
圖 4-28(a) Case IV-1250 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 74
圖 4-28(b) CaseIV-2500 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 74
圖 4-28(c) CaseIV-5000 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 74
圖 4-29(a) Case IV-1250 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 75
圖 4-29(b) CaseIV-2500 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 75
圖 4-29(c) CaseIV-5000 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 75
圖 4-30(a) Case IV-1250 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 75
圖 4-30(b) CaseIV-2500 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 75
圖 4-30(c) CaseIV-5000 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 75
圖 4-31(a) Case IV-1250 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 76
圖 4-31(b) CaseIV-2500 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 76
圖 4-31(c) CaseIV-5000 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 76
圖 4-32(a) Case IV-1250 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 76
圖 4-32(b) CaseIV-2500 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 76
圖 4-32(c) CaseIV-5000 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 76
圖 4-33(a) Case V-1250 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 80
圖 4-33(b) CaseV-2500 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 80
圖 4-33(c) CaseV-5000 之 PCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 80
圖 4-34(a) Case V-1250 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 80
圖 4-34(b) CaseV-2500 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 80
圖 4-34(c) CaseV-5000 之 PCE 側面濃度分佈圖 ... 80
圖 4-35(a) Case V-1250 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 81
圖 4-35(b) CaseV-2500 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 81
圖 4-35(c) CaseV-5000 之 TCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 81
圖 4-36(a) Case V-1250 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 81
圖 4-36(b) CaseV-2500 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 81
圖 4-36(c) CaseV-5000 之 TCE 側面濃度分佈圖 ... 81
圖 4-37(a) Case V-1250 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 82
圖 4-37(b) CaseV-2500 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖... 82
圖 4-37(c) CaseV-5000 之 DCE 鳥瞰濃度分佈圖 ... 82
圖 4-38(a) Case V-1250 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 82
圖 4-38(b) CaseV-2500 之 DCE 側面濃度分佈圖... 82
圖 4-38(c) CaseV-5000 之 DCE 側面濃度分佈圖 ... 82
圖 4-39(a) Case V-1250 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 83
圖 4-39(b) CaseV-2500 之 VC 鳥瞰濃度分佈圖 ... 83
X
圖 4-40(a) Case V-1250 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 83
圖 4-40(b) CaseV-2500 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 83
圖 4-40(c) CaseV-5000 之 VC 側面濃度分佈圖 ... 83
圖 4-41(a) 降雨量為 2500 mm/year PCE 污染擴散分佈圖 ... 90
圖 4-41(b) 降雨量為 2500 mm/year TCE 污染擴散分佈圖 ... 91
圖 4-41(c) 降雨量為 2500 mm/year DCE 污染擴散分佈圖 ... 91
圖 4-41(d) 降雨量為 2500 mm/year VC 污染擴散分佈圖 ... 92
圖 4-42(a) 降雨量為 1250 mm/year PCE 污染擴散分佈圖 ... 92
圖 4-42(b) 降雨量為 1250 mm/year TCE 污染擴散分佈圖 ... 93
圖 4-42(c) 降雨量為 1250 mm/year DCE 污染擴散分佈圖 ... 93
圖 4-42(d) 降雨量為 1250 mm/year VC 污染擴散分佈圖 ... 94
圖 4-43(a) 降雨量為 5000 mm/year PCE 污染擴散分佈圖 ... 94
圖 4-43(b) 降雨量為 5000 mm/year TCE 污染擴散分佈圖 ... 95
圖 4-43(c) 降雨量為 5000 mm/year DCE 污染擴散分佈圖 ... 95
XI 表目錄 表 2-1 台灣土壤與地下水管制標準值 ... 6 表 2-2 物理化學性質 ... 6 表 2-3 污染物之有效溶解度 ... 9 表 2-4 地下水中常見 20 種污染物及其污染之場址數目百分比 ... 15 表 2-5 「水土保持技術規範」逕流係數 C 值對照表 ... 17 表 2-6 「公路排水設計規範」逕流係數 C 值對照表 ... 17 表 2-7 「水文資料分析與電子計算機應用手冊」逕流係數 C 值對照表 ... 17 表 2-8 土壤質地與田間滲漏量之關係 ... 18 表 3-1 模擬降雨量編號表 ... 32 表 3-2 在 Modflow 的一階反應速率之範圍 ... 41 表 3-3 各土層的水力傳導係數 ... 42 表 3-4 逕流係數(C 值) ... 44 表 3-5 各用地每日有效入滲量(初始降雨量) ... 45 表 3-6 各用地每月有效入滲量(降雨量為初始 0.5 倍) ... 45 表 3-7 各用地每月有效入滲量(降雨量為初始 2 倍) ... 46 表 4-1 各 Case 與降雨量對照表 ... 48 表 4-2 Case I-1250 監測井濃度 ... 56 表 4-3 Case I-2500 監測井濃度 ... 56 表 4-4 Case I-5000 監測井濃度 ... 57 表 4-5 Case II-1250 監測井濃度 ... 63 表 4-6 CaseII-2500 監測井濃度 ... 63 表 4-7 CaseII-5000 監測井濃度 ... 64 表 4-8 CaseIII-1250 監測井濃度 ... 70 表 4-9 CaseIII-2500 監測井濃度 ... 70 表 4-10 CaseIII-5000 監測井濃度 ... 71 表 4-11 CaseIV-1250 監測井濃度 ... 77 表 4-12 CaseIV-2500 監測井濃度 ... 77 表 4-13 CaseIV-5000 監測井濃度 ... 78 表 4-14 Case V-1250 監測井濃度 ... 84 表 4-15 Case V-2500 監測井濃度 ... 84 表 4-16 CaseV-5000 監測井濃度 ... 85 表 4-17 不同入滲區域對污染物濃度減少百分比 ... 85 表 4-18 地下水污染調查結果 ... 87 表 4-19 Case 1 與 Case 2 觀測井濃度監測值 ... 97 表 4-20 Case 1 與 Case 3 觀測井濃度監測值 ... 98
I
第 一 章 緒 論
1.1 研 究 背 景
世 界 各 國 對 環 境 污 染 整 治 ， 幾 乎 都 是 自 目 視 可 知 的 河 川 、 空 氣 污 染 著 手，再 進 入 目 測 難 識 的 地 下 水 污 染。地 下 水 年 使 用 量 約 71 億 立 方 公 尺 ， 佔 總 用 水 量 的 40.6％ （ 經 濟 部 水 利 署 ， 2009）。 地 下 水 為 我 國 農 、 工 、 民 生 用 水 重 要 來 源 ， 隨 著 工 業 製 造 、 生 產 過 程 中 原 料 存 放 、 產 品 製 程 及 廢 棄 物 質 處 理 不 當 所 致 ， 污 染 地 點 可 能 為 仍 運 作 之 工 廠 、 停 止 生 產 之 工 廠 或 其 他 非 法 棄 置 地 區 。 此 外 ， 近 年 來 因 廢 棄 物 不 當 掩 埋 或 棄 置 ， 造 成 各 地 非 法 棄 置 場 址 污 染 土 壤 及 地 下 水 事 件 ， 均 是 因 為 工 業 廢 棄 物 未 妥 善 處 理 所 造 成 土 壤 及 地 下 水 污 染 ， 許 多 含 水 層 已 遭 到 不 同 污 染 物 質 侵 入 ， 造 成 地 下 水 質 惡 化 。 自 1980年 代 發 現 含 氯 有 機 物 溶 劑 釋 放 到 地 下 水 中 易 形 成 難 以 整 治 的 污 染 後 ， 其 性 質 特 殊 與 一 般 溶 解 性 污 染 物 之 行 為 大 不 相 同 。 因 人 為 不 當 之 管 理 與 處 置 ， 造 成 國 內 外 含 氯 有 機 溶 劑 成 為 土 壤 及 地 下 水 污 染 之 主 要 來 源 之 一 。 例 如 美 國 超 級 基 金 場 址 有 將 近 80％ 的 場 址 存 在 三 氯 乙 烯 及 四 氯 乙 烯 污 染 。 而 舉 凡 台 灣 污 染 場 址 如 RCA桃 園 廠 、 台 灣 氯 乙 烯 公 司 頭 份 廠 、 台 氯 林 園 廠 、 台 塑 林 園 廠 、 台 中 加 工 出 口 區 、 原 國 泰 塑 膠 竹 南 廠 、 飛 利 浦 竹 北 廠 ， 及 台 塑 仁 武 廠 等 工 業 區 ， 皆 為 國 內 遭 受 含 氯 有 機 溶 劑 污 染 之 場 址 。 目 前 關 於 確 認 含 氯 有 機 物 溶 劑 蓄 積 池 及 殘 餘 相 的 位 置 ， 以 及 處 理 含 氯 有 機 物 溶 劑 殘 餘 相 及 蓄 積 池 的 污 染，都 沒 有 很 完 善 的 解 決 方 法 。 問 題 的 困 難 點 在 於 含 氯 有 機 物 溶 劑 的 比 重 比 水 大 ， 所 以 造 成 污 染 範 圍 並 不 受 地 下 水 位 線 所 控 制 （ Dwarakanath, 1997） ， 而 殘 留 於 土 壤 層 或 河 川 底 質 中 ， 在 經 由 雨 水 入 滲 或 地 下 水 流 之 帶 動 下 ， 逐 漸 溶 解 釋 出 ， 對 鄰 近 污 染 地 區 的 地 下 水 、 地 表 水 及 土 壤 等 環 境 等 介 質 ， 造 成 嚴 重 且 長 期 的 環 境 危 害 。 所 以 ， 環 保 署 於 民 國 80 年 4 月 完 成 「 土 壤 污 染 防 治 法 (草 案 )」， 直 到 民 國 88 年 才 確 定 地 下 水 污 染 應 通 盤 納 入 考 量 ， 將 法 案 名 稱 更 改 為「 土 壤 與 地 下 水 污 染 整 治 法 」。因 為 土 壤 及 地 下 水 污 染 整 治 工 作 相 較 於 空、水 、 廢 、 毒 等 環 境 污 染 防 制 工 作 有 其 特 殊 性 ， 有 不 易 察 覺 、 複 雜 之 特 性 ， 也 因 為 其 污 染 的 危 害 影 響 是 日 積 月 累 的 ， 若 能 做 好 事 前 污 染 管 制 措 施 ， 將2
會 減 少 事 後 的 整 治 與 醫 療 費 用，並 對 人 民 安 全 多 一 分 保 障 (行 政 院 環 保 署， 2010) 。
1.2 研 究 目 的
本 研 究 藉 由 Vis ual MODFLOW 數 值 模 擬 的 軟 體 ， 模 擬 雨 水 入 滲 對 於 含 氯 有 機 溶 劑 在 地 下 水 污 染 溶 質 傳 輸 的 影 響 ， 以 了 解 在 晴 天 、 下 雨 與 梅 雨 季 節 的 濃 度 影 響 分 布 。 此 外，本 研 究 的 主 要 污 染 物 為 四 氯 乙 烯，所 以 利 用 Vi sual MODFLOW 數 值 模 擬 的 軟 體 之 中 的 RT3D數 值 模 式 模 擬 含 氯 化 合 物 於 地 下 水 傳 輸 過 程 中 生 物 降 解 的 結 果 ， 評 估 含 氯 有 機 溶 劑 污 染 場 址 因 為 雨 水 入 滲 之 影 響 是 否 改 變 四 氯 乙 烯 的 污 染 濃 度 與 污 染 路 徑 之 影 響 程 度 。
1.3 研 究 方 法 與 流 程
本 研 究 是 以 數 值 模 擬 來 探 討 導 雨 水 入 滲 量 的 改 變 是 否 影 響 含 氯 有 機 溶 劑 的 污 染 濃 度 與 污 染 範 圍 。 含 氯 有 機 溶 劑 污 染 物 傳 輸 為 多 相 流 傳 輸 ， 其 中 地 下 水 溶 質 傳 輸 為 污 染 向 外 擴 散 之 重 要 傳 輸 行 為。本 研 究 選 用 Visual MODF LOW 此 套 模 擬 系 統 ， 其 包 含 MODFLOW 和 RT3D 來 進 行 污 染 物 傳 輸 模 擬 。 本 研 究 首 先 對 含 氯 有 機 溶 劑 污 染 場 址 ， 污 染 傳 輸 行 為 相 關 文 獻 做 回 顧，再 將 場 址 參 數 設 定 輸 入 至 Visual MODFLOW內 建 立 場 址 模 型。藉 由 模 擬 結 果 ， 針 對 污 染 物 傳 輸 影 響 因 子 ， 入 滲 量 參 數 做 變 異 性 分 析 ， 評 估 入 滲 量 之 影 響 。3 研究結果 ※假設廠址模擬條件下，降雨量大小與降雨量分佈的差異性，比較觀測井濃度與污染團污染路徑 ※案例廠址模擬條件下，降雨量大小與降雨量分佈的差異性，比較觀測井濃度與污染團污染路徑 結果討論與建議 研究方法 ※ 藉由MODFLOW和RT3D模擬23年假設場址與實際案例場址地下水溶質污染傳輸行為。 假設場址參數設定: 1.假設各種雨水入滲區塊，模擬時間為1000天，每10天為一個模擬時段得到每10天之濃度分佈值。 2.實際案例場址參數設定，污染情境為23年PCE連續注入100mg/L，1 m3/day，有還原脫氯反應。 ※模擬之變化條件: 以台灣平均年雨量(2500)為模擬降雨量的標準作變化:分為0.5倍、1倍、2倍 文獻回顧 ※DNAPL污染傳輸形勢與溶質傳輸機制 ※入滲對於含氯有機溶劑之影響 ※Visual MODFLOW之數值模擬 ※實際案例場址水文資料收集 圖 1-1 研 究 流 程 圖
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第 二 章 文 獻 回 顧
2.1 含 氯 有 機 溶 劑
含 氯 有 機 溶 劑 為 重 質 非 水 相 液 體，純 有 機 液 體 在 水 溶 液 中 不 易 溶 解， 會 獨 自 形 成 分 離 相 的 液 體 ， 通 稱 為 非 水 相 液 體 (Non-aqueous Phase Liq-uids,NAP L)。 NAP L 依 照 和 水 的 密 度 關 係 又 可 區 分 為 兩 大 類：較 水 輕 者 稱 為 輕 質 非 水 相 液 體 (Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL)；較 水 重 者 稱 為 重 質 非 水 相 液 體 (DNAPL) (Schwille, 1988) 。 包 括 含 氯 有 機 溶 劑 、 雜 酚 油 (creosote)、 煤 焦 油 (coal tar)、 多 氯 聯 苯 (PCB)等 由 於 DNAPL 有 低 的 溶 解 度、高 密 度 及 低 黏 滯 力 的 影 響，使 得 DNAPL 在 土 壤 中 具 有 相 當 大 的 流 動 性。 水 與 DNAP L 相 對 地 為 低 密 度、高 黏 滯 性 流 體，因 此 水 與 溶 解 相 的 DNAP L 在 接 觸 面 上 會 造 成 不 穩 定 的 前 進 鋒 面 ， 即 所 謂 Vis cous Fingeri ng 現 象 (Homsy, 1987)。當 DNAPL 於 未 飽 和 層 中 會 以 四 種 相 體 (phase)存 在 ， 溶 於 空 隙 水 中 的 溶 解 相 (dissolved phase) ， 揮 發 空 氣 中 的 蒸 氣 相 (vapor phase)，連 續 相 狀 態 移 動 於 孔 隙 中 的 可 移 動 相 (mobile phas e)，獨 立 分 佈 孔 隙 中 的 不 可 移 動 相 (immobile phase) ， 又 稱 殘 留 量 (residues)， 因 此 ， 常 常 在 調 查 過 程 中 發 現 污 染 範 圍 並 不 會 受 到 地 下 水 位 線 所 拘 束（ Dwarakanath, 1997）。本 研 究 主 要 針 對 DNAP L 含 氯 有 機 溶 劑 中 的 四 氯 乙 烯、三 氯 乙 烯 、 二 氯 乙 烯 與 氯 乙 烯 來 做 為 這 次 的 研 究 污 染 物 質 。
2.1.1 含 氯 有 機 溶 劑 之 特 性
(1) 四 氯 乙 烯 (Tetrachloroet h yl ene 或 Tetrachl oroethene 或 Perchl oroethene ， 簡 稱 PCE 或 perc):
四 氯 乙 烯 又 稱 全 氯 乙 烯，被 廣 泛 用 於 乾 洗 和 金 屬 除 油 (Las h et al., 1998) ， 也 被 用 來 製 造 其 他 化 學 品 和 消 費 品 ， 四 氯 乙 烯 在 室 溫 下 是 不 易 燃 的 液 體，容 易 揮 發，有 刺 激 的 甜 味。急 性 高 劑 量 暴 露 可 導 致 暈 眩 、 噁 心 、 頭 痛 及 神 智 不 清 ， 嚴 重 者 可 導 致 死 亡 (Levine et al., 1981)。 慢 性 高 劑 量 暴 露 也 可 能 造 成 肝 及 腎 臟 病 變 (USEPA., 1985)。 乾 洗 業 勞 工 也 被 發 現 與 高 不 孕 率 與 高 自 發 性 流 產 有 關 聯 (Eskenazi et al., 1991b) 。
(2) 三 氯 乙 烯 (Trichloroeth yl ene 或 Trichloroet hene ， 簡 稱 TCE): 三 氯 乙 烯 是 工 業 常 用 溶 劑 ， 三 氯 乙 烯 在 常 溫 下 為 無 色 、 透 明 之
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液 體 ， 易 流 動 、 不 燃 燒 、 易 揮 發 ， 具 有 芳 香 味 的 液 體 ， 對 神 經 有 麻 醉 作 用 ， 長 期 接 觸 易 罹 患 肝 癌 、 腎 臟 癌 、 非 何 杰 金 氏 淋 巴 癌 、 前 列 腺 癌 和 多 發 性 骨 髓 癌 有 關 (Wartenberg, 2000)。
(3) 二 氯 乙 烯 (Di chl oroet hene, Di chloroeth yl ene ， 簡 稱 為 DC E) : 二 氯 乙 烯 有 1,1 -二 氯 乙 烯 (1,1 -Di chl oroeth yl ene) 與 1,2 -二 氯 乙 烯 (1,2-Di chloroet h yl ene) 兩 類， 1,2 -二 氯 乙 烯 有 順 -與 反 -兩 種 同 分 異 構 物 。 1,1 -二 氯 乙 烯 用 來 在 氯 乙 烯 、 丙 烯 腈 (Acr ylonit ril e) 、 烯 酸 酯 類
(Acr yl at es) ， 以 及 半 導 體 儀 器 製 程 中 高 純 度 矽 晶 膜 之 成 長 ， 1,1-二 氯 乙 烯 對 健 康 的 主 要 影 響 是 中 樞 神 經 系 統，可 能 發 生 的 症 狀 包 括：麻 痺、 暈 眩 、 抽 搐 、 失 去 知 覺 等 。 1,2-二 氯 乙 烯 在 常 溫 下 為 無 色 液 體 ， 暴 露 於 高 濃 度 的 1,2-二 氯 乙 烯 中 會 造 成 中 樞 神 經 系 統 損 傷 。 低 劑 量 下 導 致 噁 心 、 疲 倦 、 勞 累 與 眩 暈 等 症 狀 (Freundt et al., 1977) 。 (4) 氯 乙 烯 (Vi n yl Chlori de ， 簡 稱 為 VC ): 氯 乙 烯 在 常 溫 下 為 無 色 、 帶 甜 味 、 具 毒 性 的 氣 體 ， 氯 乙 烯 單 體 是 用 來 合 成 聚 氯 乙 烯 的 原 料，一 旦 形 成 聚 氯 乙 烯 之 後，就 是 穩 定、無 毒 的 物 質 。 氯 乙 烯 IARC分 類 屬 於 group 1的 致 癌 性 化 合 物 ， 確 定 對 人 體 具 致 癌 性。雖 然 在 一 般 工 廠 並 不 使 用 氯 乙 烯，但 是 因 為 三 氯 乙 烯 、 四 氯 乙 烯 等 有 機 溶 劑 在 自 然 環 境 中 會 因 為 脫 氯 降 解 作 用 產 生 氯 乙 烯， 因 此 在 許 多 污 染 場 址 中 ， 都 可 以 發 現 氯 乙 烯 。 因 此 ， 氯 乙 烯 在 美 國 CERC LA 場 址 優 先 危 害 物 質 清 單 中 高 居 第 四 名 ， 是 有 機 物 中 的 第 一 名 。 含 氯 有 機 污 染 物 具 有 潛 在 基 因 突 變 、 胚 胎 畸 形 、 致 癌 性 以 及 對 生 物 之 毒 害 與 環 境 中 不 易 被 分 解 之 特 性。表 2-1 是 針 對 這 些 含 氯 有 機 溶 劑 在 我 國 土 壤 污 染 物 管 制 標 準 及 地 下 水 污 染 物 管 制 標 準 值 之 列 表 2-2 以 及 基 本 物 理 化 學 性 質 介 紹 ， 其 中 ， 第 一 類 為 國 內 飲 用 水 質 標 準 之 地 下 水 ， 第 二 類 為 非 飲 用 水 水 源 水 質 保 護 區 內 之 地 下 水 。
6 表 2-1 台 灣 土 壤 與 地 下 水 管 制 標 準 值 污染物項目 土壤污染物之管制標準 值(mg/kg) 地下水污染物管制標準值(mg/L) 第一類 第二類 四氯乙烯 (Tetrachloroethylene) 10 0.005 0.05 三氯乙烯 (Trichloroethylene) 60 0.005 0.05 1,1-二氯乙烯 (1,1-Dichloroethylene) - 0.007 0.07 順-1,2-二氯乙烯 (cis-1,2-Dichloroethane) - 0.07 0.7 反-1,2-二氯乙烯 (trans-1,2-Dichloroethane) 7 0.1 1 氯乙烯(Vinylchloride) 10 0.002 0.02 資料來源：行政院環境保護署 表 2-2 物 理 化 學 性 質 污染物 Log Kow 分子量(grams) 水溶性(mg/L) 密度(g/cm 3 ) 四氯乙烯(Tetrachloroethylene) 3.4 165.8 200 1.62 三氯乙烯(Trichloroethylene) 2.61 131.4 1,100 1.46 1,1-二氯乙烯 (1,1-Dichloroethylene) 2.13 96.9 2,250 1.22 順-1,2-二氯乙烯 (cis-1,2-Dichloroethane) 2 96.9 3,500 1.28 反-1,2-二氯乙烯 (trans-1,2-Dichloroethane) 2.06 96.9 6,300 1.26 氯乙烯(Vinylchloride) 1.17 62.5 2740 0.91 資料來源：1.Lucius, et al, 1992
2.gosseptjm, environ SCI, technology 21,1987（毒管處提供） 3.Engineered Approaches to In Situ Bioremediation of Chlorinated Solvents
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2.1.2 DNAPL 入 滲 之 可 能 傳 輸 模 式
DNAP L 為 液 體 密 度 比 水 重 的 化 學 物 質 ， 具 疏 水 性 (不 易 溶 於 水 ) 一 旦 滲 入 土 壤 之 中，由 於 密 度 大 於 水，因 此 會 迅 速 向 下 移 動 直 至 不 透 水 層 ， 並 於 底 部 累 積 形 成 DNAPL 池 (DNAP L Pool)，在 移 動 過 程 中 於 未 飽 和 層 及 飽 和 層 孔 隙 介 質 中 形 成 殘 餘 相 (Wilson,1990)， DNAP L 會 緩 慢 溶 解 至 地 下 水 中 ， 以 下 是 DNAPL 在 土 層 中 之 傳 輸 情 形 (Reitsma and Marshall, 2000): 當 DNAPL 自 污 染 源 釋 出 而 侵 入 地 下 環 境 後，首 先 到 達 通 氣 層 土 壤，此 層 土 壤 之 孔 隙 中 ， 同 時 含 有 空 氣 及 吸 附 水 ， DNAP L 在 通 氣 層 時 可 能 揮 發 成 蒸 氣 相 、 溶 解 於 水 中 形 成 溶 解 相 、 殘 留 於 所 通 過 之 路 徑 而 形 成 殘 留 量 (resi dues )、 或 受 重 力 影 響 而 形 成 向 下 沈 降 的 移 動 相 (mobil e phase) 。 當 DNAP L 穿 過 毛 細 作 用 帶 及 地 下 水 位 面 ， 進 入 飽 和 含 水 層 後 ， 由 於 飽 和 含 水 層 的 土 壤 孔 隙 完 全 為 水 所 充 滿，因 此 DNAPL 無 法 揮 發 成 氣 相，而 以 溶 解 相 ， 殘 留 量 及 移 動 相 存 在 於 此 飽 和 含 水 層 中 ， 且 在 飽 和 含 水 層 會 繼 續 向 下 沈 陷 (見 圖 2-1)。此 外，雖 然 DNAPL 密 度 比 水 大，但 當 DNAPL 與 其 他 NAPL 污 染 混 合，使 得 整 體 比 重 小 於 水 時，DNAP L 仍 會 浮 在 地 下 水 面 ， 而 不 會 有 往 下 沈 陷 的 現 象 (US EPA, 2003)。 事 實 上 ， DNAPL 在 往 下 沈 降 的 過 程 中 ， 於 不 飽 和 層 及 飽 和 層 的 移 動 方 式 並 不 相 同 ， DNAP L 在 不 飽 和 層 中 可 能 以 一 均 勻 之 鋒 面 向 下 移 動 ;但 是 ， 當 DNAPL 由 不 飽 和 層 進 入 飽 和 層 時 ， 由 於 DNAPL 的 黏 滯 度 比 水 低 ， 因 此 DNAP L 與 水 間 的 介 面 並 無 法 保 持 穩 定 ，故 其 在 飽 和 層 移 動 是 如 同 指 狀 (fingers)般 地 向 下 移 動， 而 無 明 顯 之 鋒 面 存 在 (US EPA, 2003)。 此 外 ， 地 質 的 異 質 性 會 使 DNAPL 之 移 動 過 程 產 生 不 穩 定 流 ， 亦 能 夠 造 成 DNAPL 在 飽 和 層 以 指 狀 般 地 向 下 移 動 。
另 一 方 面 ， 當 DNAP L 在 移 動 過 程 中 碰 到 顆 粒 較 細 的 黏 土 層 (Cl a y Lens) 或 岩 床 底 部 (Bedrock) 時 ， 可 能 因 無 法 貫 穿 這 些 細 質 土 壤 ， 而 堆 積 並 形 成 停 滯 的 DNAP L Pool， 此 時 DNAPL 會 緩 慢 溶 解 於 地 下 水 中 ， 若 要 完 全 溶 解 需 數 百 至 數 千 年，然 而，連 續 體 狀 的 DNAP L 移 動 相 在 通 過 土 壤 孔 隙 時 會 不 斷 被 截 留 ， 而 在 土 壤 孔 隙 中 形 成 無 數 不 連 續 的 獨 立 體 狀 之 殘 留 量 (US EPA, 2003)， 此 殘 留 量 一 旦 形 成 後 ， 幾 乎 不 可 能 被 地 下 水 驅 動 (故 殘 留 量 又 稱 之 不 可 移 動 相 )，且 其 在 含 水 層 中 溶 解 緩 慢 (US EPA,2003)，形 成 持 久 性 的 污 染 源 ， 若 要 完 全 溶 解 可 能 需 數 年 至 數 十 年 。
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圖 2-1 DNAPL在 土 壤 與 地 下 水 層 中 之 分 佈 行 為 ( R eitsm a and M arshall, 2000 ; Ur ynowicz and Si egrist, 2000)
2.1.3 DNAPL 在 水 中 之 溶 解 相
DNAP L溶 於 水 中 形 成 溶 解 相 隨 地 下 水 可 溶 性 污 染 傳 輸 機 制 移 動 。 而 地 下 水 流 經 DNAPL造 成 可 移 動 相 的 移 動 與 殘 留 量 的 形 成 ， 與 毛 細 壓 力 、 孔 隙 、 水 流 、 界 面 張 力 等 因 素 有 關 (Bedient et al.,1994; Pankow and Cherr y,1996) 。 滲 透 其 間 DNAP L在 移 動 路 徑 上 會 形 成 殘 留 量 ， 不 再 受 重 力 或 周 圍 地 下 水 流 動 的 影 響 而 移 動 ， 但 仍 會 溶 於 水 中 ， 因 此 殘 留 量 為 一 持 久 性 的 污 染 源 (Johnson and Pankow, 1992; Longino and Kueper, 1995) ， 通 常 地 下 水 中 污 染 物 濃 度 ， 超 過 該 物 質 之 有 效 溶 解 度 之 1%， 表 示 場 址 內 非 常 可 能 有 DNAPL存 在 (USEPA, 1992)。
DNAP L在 水 中 溶 解 度 根 據 (Envi ronment ,2003) 研 究 顯 示 ， DNAP L經 常 以 混 合 溶 劑 的 型 態 被 傾 倒 、 棄 置 或 在 同 一 工 廠 的 污 染 池 中 同 時 儲 存 與 洩 漏 的 多 種 不 同 有 機 化 合 物 成 分 洩 漏 至 地 表 下 ， 因 此 同 時 有 數 種 DNAP L 的 情 況 實 際 上 是 多 數 案 例 。 DNAP L也 會 以 混 合 溶 劑 洩 漏 出 多 種 不 同 的 有 機 化 合 物 成 份 至 地 表，各 種 DNAP L 成 分 依 據 拉 午 爾 定 律 (Raoult’s Law)， 推 估 有 效 溶 解 度 是 其 莫 耳 分 量 和 單 一 物 種 的 溶 解 度 的 乘 積 (Banerjee, 1984)。 若 同 時 有 數 種 DNAP L存 在 的 情 況 下 ， 污 染 物 並 不 會 以 各 自 溶 解 度 溶 解 至 地 下 水 中 ； 而 是 各 種 成 分 會 因 為 溶 解 度 的 大 小 分 別 溶 解 進 入 地 下 水 中 。 水 中 若 有 多 種 污 染 物 ， 則 個 別 污 染 物 之 有 效 溶 解 度 將 會 降 低 ， 其 計 算 方 式 如 下 表 2-3：
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表 2-3 污 染 物 之 有 效 溶 解 度 資料來源：
Cohen and Mercer, DNAPL Site Evaluation, Chapter 7, 1993 i i e i X S S 其中， e i S 為i污染物之有效溶解度(mg/L) X 為混雜污染物中的i i莫耳分率 i S 為i污染物之水中溶解度 資料來源： UK Environment Agent, An Illustrated Handbook of DNAPL Transport and Fate in the Subsurface, Section 7, 2003 a S C i obs i
其中， obs i C 為i污染物的地下水濃度 S 為污染物之有效溶解度(mg/L) i 當a
大於0.01時表示有DNAPL污染的可能性 資料來源: Feenstra et al.,1991 w b d b s w K C C 其中，C 為地下水中之污染物分配濃度(mg/L) w C 為土壤實測濃度(mg/L) s b為土壤之總體密度(g/cm3) K 為地下水與土壤之間分布係數 d w為水份所佔之孔隙率10
2.1.4 生 物 降 解 作 用
大 部 分 含 氯 有 機 化 合 物 在 自 然 界 中 可 以 透 過 取 代 （ Substitution） 、 去 鹵 化 氫 （ Dehydrohalogenation） 、 氧 化 （ Oxidation） 與 還 原 （ Reduction） 等 反 應 進 行 分 解 。 化 氫 反 應 通 常 為 化 學 性 轉 換 ， 氧 化 為 生 物 性 轉 換 ， 而 取 代 與 還 原 則 可 能 為 兩 者 之 一 。 對 於 含 氯 碳 氫 化 合 物 之 自 然 衰 減 機 制 而 言 ， 則 以 生 物 性 的 厭 氧 還 原 脫 氯 反 應 為 最 重 要 ， 其 在 地 下 環 境 中 之 傳 輸 與 衰 減 機 制 如 圖 2-2所 示 。 含 氯 脂 肪 烴 的 生 物 降 解 通 常 循 著 一 階 反 應 進 行 ， 在 降 解 程 序 中 ， 含 氯 碳 氫 化 合 物 係 作 為 電 子 接 受 者（ Electron Acceptor ），氯 離 子 將 被 氫 離 子 取 代 。 常 見 的 含 氯 烯 類 化 合 物 還 原 脫 氯 的 轉 換 過 程 如 圖 2-3 所 示 。 圖 2-2 含 氯 碳 氫 化 合 物 於 地 下 環 境 之 衰 減 機 制 示 意 (Jang et al., 2008)
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圖 2-3 含 氯 烯 類 化 合 物 還 原 脫 氯 反 應 途 徑 (El Fantrouss i et al., 1998)
在 缺 氧 且 存 在 可 利 用 之 碳 源 及 電 子 接 受 者，以 及 存 在 適 當 的 營 養 鹽、 氧 化 還 原 電 位 、 Ph值 及 溫 度 時 ， 厭 氧 菌 會 降 解 含 氯 碳 氫 化 合 物 ， 將 含 氯 有 機 污 染 物 作 為 電 子 接 受 者 ， 四 氯 乙 烯 接 受 電 子 後 釋 出 氯 離 子 ， 而 原 本 氯 離 子 則 由 氫 取 代 ， 使 其 轉 化 成 中 間 產 物 三 氯 乙 烯 ， 然 後 再 脫 氯 可 能 轉 成 為 順 -1,2-二 氯 乙 烯、反 -1,2-二 氯 乙 烯 或 1,1-二 氯 乙 烯 三 種 同 分 異 構 物 ， 其 中 又 以 順 -1,2-二 氯 乙 烯 為 主，極 少 量 的 反 -1,2-二 氯 乙 烯 和 1,1-二 氯 乙 烯 ， 最 後 再 脫 氯 轉 換 成 氯 乙 烯 及 乙 烯 ， 乙 烯 可 能 會 轉 換 為 乙 烷 或 直 接 因 生 物 降 解 氧 化 為 二 氧 化 碳 與 水 (El Fantroussi et al., 1998)。另 一 方 面，由 於 PCE、 TCE 、 DC E及 VC 等 含 氯 碳 氫 化 合 物 的 氧 化 還 原 能 力 不 同 ， 因 此 隨 著 氯 化 程 度 的 減 少 ， 還 原 脫 氯 反 應 的 速 率 也 會 越 慢 （ Vogel and McCarty, 1985 ；
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Bouwer, 1994 ） ， 而 這 也 可 以 解 釋 為 什 麼 在 PC E與 TCE 污 染 且 有 還 原 脫 氯 反 應 進 行 中 的 場 址 ， 常 發 現 DCE與 VC持 續 存 在 ， 反 而 未 能 偵 測 到 PCE與 TCE 的 原 因 所 在 。
2.1.5 DNAPL 在 水 中 溶 解 相 之 傳 輸 模 式
DNAP L 在 飽 和 層 中 的 型 態 有 兩 種 形 式，一 為 溶 解 態，一 為 吸 附 態 。 但 是，若 發 生 地 下 水 位 變 動，使 得 部 分 液 態 的 DNAPL 以 殘 餘 飽 和 度 被 困 在 地 下 水 位 面 以 下 的 土 壤 孔 隙 中 ， 則 以 三 態 存 在 。 地 下 水 位 面 之 下 的 區 域 稱 為 地 下 含 水 層 (Aqui fer)， 而 地 下 水 流 動 可 利 用 達 西 定 律 (Darcy， s Law) 來 描 述 ： A i K q (2-1) 式 中 ，q為 滲 流 率 (Flow rate,L3/ T)， K為 水 力 傳 導 係 數 (L/T)，i為 水 力 梯 度 (無 因 次 )， A為 滲 流 截 面 積 (L2 ) 流 動 的 速 度 與 地 下 水 的 水 力 梯 度 成 正 比 ， 也 就 是 說 土 壤 中 的 孔 隙 越 大 ， 水 力 傳 導 係 數 越 大 ， 水 的 流 動 也 越 快 。 地 下 水 滲 流 速 度 可 利 用 達 西 定 律 得 到 ： e x n i K v (2 -2 ) 式 中 ，n
e為 有 效 孔 隙 率 。 溶 解 在 地 下 水 中 的 污 染 物 傳 輸 模 式 包 含 :平 流 (Advection) 、 擴 散 (Di ffusi on)以 及 機 械 延 散 (M echni cal dispersion) 。(1) 平 流 (Advection): 平 流 是 指 污 染 物 隨 著 水 分 子 因 水 頭 (地 下 水 位 )差 異 而 帶 動，隨 地 下 水 傳 輸 ， 其 一 維 傳 流 方 程 式 可 表 示 ： x C v t C x (2-3)
13 (2) 擴 散 (Diffusion): 擴 散 是 污 染 物 分 子 因 濃 度 差 異 驅 動 ， 污 染 物 從 較 高 濃 度 往 較 低 濃 度 區 域 移 動 。 物 質 在 水 中 擴 散 可 用 費 克 第 一 定 律 (Fick, s first Law) 來 表 示 : dx dC D F d (2-4) 式 中 ， D 為 擴 散 係 數 (Ld 2/ T) ， dx dC 為 濃 度 梯 度 (質 量 /體 積 /距 離 )。 負 號 表 示 從 濃 度 高 移 至 濃 度 低 的 情 況 。 此 外 ， 費 克 第 二 定 律 則 說 明 溶 質 濃 度 隨 時 間 之 變 化 情 形 ： 2 2 x C D t C d (2-5) 式 中 ， t C 為 濃 度 隨 時 間 之 變 化。而 在 土 層 中，溶 質 傳 輸 路 徑 並 非 直 線 前 進 ， 而 是 隨 著 孔 隙 路 徑 來 移 動 ， 導 致 實 際 上 的 傳 輸 路 徑 較 長 ， 所 以 傳 輸 的 速 度 較 慢 、 時 間 較 長 。 因 此 ， 在 孔 隙 介 質 中 的 有 效 擴 散 係 數 (D*) 可 表 示 : d D D* (2-6 ) 式 中 ，1， 為 曲 折 性 的 修 正 因 子 ， 其 值 介 於 0.5~0.01 之 間 。
(3) 機 械 延 散 (Mechni cal dispersion) :
機 械 延 散 則 是 因 溶 解 在 水 中 的 污 染 物，隨 著 水 分 子 的 真 實 運 動 路 徑 ， 顯 示 微 觀 真 實 的 流 速 差 異 和 流 動 方 向 不 一 ， 導 致 污 染 物 水 分 子 和 污 染 物 在 沿 水 流 方 向 縱 向 (Longitudinal)和 橫 向 (Transverse) 延 散 方 向 散 佈 。 縱 向 機 械 延 散 DmL Lvx (2-7) 橫 向 機 械 延 散 DmT Tvx (2-8) x v 為 平 均 線 性 流 速 (L/T)，L為 縱 向 延 散 度 (L)，T為 橫 向 延 散 度 (L)； 因 延 散 作 用 在 水 流 方 向 較 為 劇 烈 ， 因 此 通 常T約 為L的 十 分 之 一 左 右 。
14
(4) 水 動 力 延 散 (H ydrodynamic dispersi on) :
水 動 力 延 散 作 用 中 在 二 維 地 下 水 流 場 中 ， 縱 向 與 橫 向 水 動 力 延 散 係 數 ， DL與 DT分 別 表 示 為 ： * D v DL L x (2 -9 ) * D v DT T x (2 -10) 綜 合 水 動 力 延 散 傳 輸 機 制 ， 推 導 得 三 維 平 流 -延 散 方 程 式 (Freeze and Cherr y, 1979 ; Bear, 1972 ; Ogat a, 1970) ：
t C x C v z C D y C D x C Dx y z x 2 2 2 2 2 2 (2-11)
2.2 入 滲 對 於 地 下 水 污 染 傳 輸 之 影 響
土 壤 與 地 下 水 層 的 污 染 是 密 不 可 分 的 。 往 往 污 染 物 通 過 土 壤 ， 往 下 滲 漏 到 地 下 水 中 ； 反 之 ， 被 污 染 的 地 下 水 也 會 將 污 染 物 帶 到 原 本 未 被 污 染 的 含 水 層 土 壤 中 。 地 表 污 染 物 進 入 地 下 水 中 有 三 種 方 式 ： 已 被 污 染 之 地 表 水 經 由 天 然 補 注 途 徑 進 入 地 下 水 體 ， 或 是 工 業 和 家 庭 廢 棄 水 處 置 不 當 時 ， 受 污 染 之 用 水 及 污 染 物 經 由 地 表 水 入 滲 或 是 降 雨 入 滲 進 到 地 下 水 體 之 中 。 其 中 工 業 活 動 產 生 大 量 有 害 廢 棄 物 ， 包 含 各 種 以 固 體 、 液 體 存 在 之 化 學 物 質 ， 往 往 因 不 當 處 置 、 儲 存 、 任 意 棄 置 或 排 放 ， 而 經 由 土 壤 進 入 地 下 水 層 中，造 成 地 下 水 污 染，其 中 以 有 機 溶 劑 污 染 地 下 水 最 為 嚴 重 。 部 分 污 染 物 會 因 為 土 壤 的 吸 附 作 用 而 停 留 在 土 壤 中 。 但 是 ， 假 如 污 染 物 的 量 和 下 滲 的 水 量 充 足 ， 則 這 些 污 染 物 會 繼 續 往 下 滲 ， 直 達 地 下 水 含 水 層 。 因 為 吸 附 作 用 停 留 在 土 壤 中 的 污 染 物 ， 也 會 在 日 後 受 到 雨 水 的 入 滲 溶 解 釋 放 出 來 ， 隨 著 下 滲 的 污 染 團 繼 續 往 下 帶 到 更 深 層 土 壤 或 地 下 水 含 水 層 中 。 因 此 ， 往 往 將 被 污 染 的 土 壤 視 為 地 下 水 的 污 染 源 。 就 目 前 現 有 我 國 環 保 署 所 列 管 登 記 之 重 大 地 下 水 污 染 事 件 中 ， 以 有 機 溶 劑 所 佔 有 的 比 例 將 近 80%，其 中 又 以 含 氯 有 機 溶 劑 之 地 下 水 污 染 事 件 所 佔 有 的 比 例 最 大 。 美 國 環 保 署 對 546個 國 家 優 先 整 治 場 址 (National Priorit y Lis t, NP L) 中 所 做 的 調 查 統 計 ， 見 表 2 -4 ， 美 國 環 保 署 國 家 應 變 計 畫 (National Contingency Plan) (USEPA, 199 7)統 計 地 下 水 中 常 見 的 20種 污 染 物 及 其 所 污 染 之 場 址 數 目 百 分 比 。 其 中 最 常 見 的 是 具 有 DNAP L特 性 之 三 氯 乙 烯 (TCE)， 約 有 33%的 NAL場 址 之 地 下 水 中 有 發 現 。 其 他 如 四 氯 乙 烯 (PCE)， 三 氯 乙 烷 (TCA)及 二 氯 甲 烷 等 含 氯 有 機 溶 劑 ， 也 是 名 列 前 矛 。15 至 於 國 內 方 面 ， 則 有 美 商 無 線 電 公 司 (RC A) 因 有 機 溶 劑 處 置 不 慎 ， 造 成 TCE等 污 染 物 入 滲 至 土 壤 及 地 下 水 的 的 污 染 事 件。儘 管 目 前 已 知 的 地 下 水 受 TCE污 染 場 址 仍 相 當 有 限，然 而，由 於 TCE在 國 內 的 年 使 用 量 至 今 高 達 8,000公 噸 以 上 (行 政 院 環 保 署 , 2004)。 表 2-4 地 下 水 中 常 見 20種 污 染 物 及 其 污 染 之 場 址 數 目 百 分 比 順序 污染物 污染場比 例 順序 污染物 污染場比 例 1 Trichloroethylene(TCE) 33% 11 Chromium and Compounds 15% 2 Lead and Compounds 30% 12 1,1,1-Trichloroethane(1,1,1-TCA) 14%
3 Toluene 28% 13 Zinc and Compounds 14%
4 Benzene 26% 14 Ethylbezene 13%
5 Polychlorinated biphen-yls(PCB)
22% 15 Xylene 13%
6 Chloroform 20% 16 Methylene Chloride 12%
7 Perchloroethylene(PCE) 16% 17 Trans-1,2-dichloroethylene 11%
8 Phenols 15% 18 Mercury 10%
9 Arsenic and Compounds 15% 19 Copper and Compounds 9% 10 Cadmium and
Com-pounds 15% 20 Cyanides 8% 資 料 來 源 : US EPA (1997)
2.2.1 降 雨 量 分 析
台 灣 的 水 文 條 件 ， 年 平 均 降 雨 量 約 2,510 公 釐 ， 但 是 降 雨 時 空 分 布 不 均 ， 也 嚴 重 影 響 水 資 源 的 利 用 ， 78％ 的 降 雨 集 中 在 每 年 5到 10月 ， 其 中 又 以 颱 風 及 豪 雨 居 多 ， 大 雨 宣 洩 不 及 時 常 易 釀 成 災 害 ； 相 反 地 ， 枯 水 時 期 則 常 有 缺 水 情 況；而 降 雨 空 間 的 分 布 差 異 也 很 大，北 部 的 豐 枯 比 約 6比 4， 中 部 和 東 部 約 8比 2， 南 部 則 為 9比 1(經 濟 部 水 利 署 ,2010)。 (1) 有 雨 量 、 流 量 站 之 集 水 區 ， 建 議 採 用 以 下 方 法 進 行 推 估 ， 並 視 情 況 更 新 參 數 及 驗 證 模 式。例 如：無 因 次 單 位 歷 線、瞬 時 單 位 歷 線 、 地 貌 型 瞬 時 單 位 歷 線 及 水 筒 模 式 等 。 (2) 有 雨 量 但 無 流 量 資 料 之 集 水 區 ， 若 有 適 用 於 該 流 域 之 無 因 次 單 位 歷 線 ， 應 優 先 使 用 之 ， 否 則 應 利 用 降 雨 － 逕 流 模 式 中 之 合 成 方 法16 （ 三 角 形 單 位 歷 線 、 合 成 單 位 歷 線 等 ） 或 合 理 化 公 式 法 推 估 之 ， 但 應 注 意 各 方 法 之 限 制 條 件 。 (3) 有 年 最 大 瞬 時 流 量 資 料 之 地 點 ， 需 利 用 實 測 流 量 頻 率 分 析 方 法 進 行 比 較 驗 證 。 (4) 對 於 雨 量 、 流 量 資 料 缺 乏 之 集 水 區 ， 則 可 利 用 迴 歸 經 驗 法 或 比 流 量 法 等 法 推 估 之 。
2.2.2 入 滲 量 推 估 方 法 介 紹
(1) 逕 流 係 數 的 合 理 化 公 式 逕 流 係 數 為 地 表 面 逕 流 量 與 該 時 間 內 總 降 雨 量 之 比 值。逕 流 係 數 之 大 小 與 地 表 特 性 、 地 表 坡 度 、 地 表 蓄 水 量 、 土 壤 飽 和 程 度 及 降 雨 強 度 延 時 有 關 。 分 析 降 雨 量 時 須 特 別 留 意 分 析 區 域 內 之 降 雨 分 布 及 土 地 利 用 應 維 持 均 一 特 性 。 因 此 ， 當 分 析 面 積 小 於 10平 方 公 里 ， 考 量 區 域 特 性 變 化 不 大 時 ， 得 採 用 合 理 化 公 式 進 行 分 析 。 各 項 參 數 說 明 及 洪 峰 流 量 估 算 程 序 如 下 所 示 ： A I C QP 360 1 (2 -12) 其 中 ，QP： 某 特 定 設 計 頻 率 之 洪 峰 流 量 （ m3/s)； C ： 逕 流 係 數 ， 可 參 照 下 表 ； I ： 集 流 時 間 內 之 平 均 雨 量 強 度 （ mm/hr）；A
： 集 水 面 積 （ km2）。 逕 流 係 數 C 值 推 估 : 應 依 各 土 地 分 類 之 面 積 權 重 推 估 逕 流 係 數 C 值 ， 至 於 各 分 類 說 明 則 可 參 考 下 列 對 照 表 2-5、 2-6、 2-7。17 表 2-5 「 水 土 保 持 技 術 規 範 」 逕 流 係 數 C 值 對 照 表 集水區狀況 陡峻山地 山嶺區 丘陵地或 森林地 平坦耕地 非農業 使用 無開發整地區 0.75~0.90 0.70~0.80 0.50~0.75 0.45~0.60 0.75~0.95 開發整地區整 地後 0.95 0.90 0.90 0.85 0.95~1.00 資 料 來 源 : 水 土 保 持 技 術 規 範 表 2-6 「 公 路 排 水 設 計 規 範 」 逕 流 係 數 C 值 對 照 表 土地情形 C 值 土地情形 C 值 山區河川 0.75~0.85 平坦耕地 0.45~0.60 平地河川 0.45~0.75 水田及水塘 0.70~0.80 山區平地各半流域 0.50~0.75 市街區（建築面積＞60 ％） 0.50~0.90 險峻山坡地 0.75~0.90 住宅區 0.35~0.65 平緩山坡地 0.60~0.80 村落（建築面積＜30％） 0.30~0.50 覆蓋平原丘陵地 0.40~0.70 工業區 0.50~0.80 平地丘陵 0.35~0.60 公園、運動場 0.30~0.65 草原區 0.20~0.60 不透水鋪面 0.85~0.95 資 料 來 源 :公 路 排 水 設 計 規 範 表 2-7 「 水 文 資 料 分 析 與 電 子 計 算 機 應 用 手 冊 」 逕 流 係 數 C 值 對 照 表 集水區狀況 陡峻 山地 三紀層 山嶺區 丘陵地 或森林 地 平坦 耕地 灌溉中 水田 山地 河川 平地 小河川 流域之 大半為 平地之 大河川 一次暴雨逕流 係數％ 75~90 70~80 50~75 45~60 70~80 75~85 45~75 50~75 年逕流係數％ 70~85 60~75 40~70 35~60 － 70~80 40~75 45~70 資 料 來 源 : 水 文 資 料 分 析 與 電 子 計 算 機 應 用 手 冊
18 (2) 經 濟 部 水 利 署 經 驗 公 式 經 濟 部 水 利 署 設 計 規 範 之 經 驗 公 式 計 算 了 台 灣 在 水 稻 田 的 入 滲 率 估 算 方 法 ， 主 要 應 用 於 推 估 水 田 灌 溉 所 需 的 水 量 : f CI f 240 (2-13) 式 中， f 為 入 滲 率 (mm/day)， C 為 土 壤 黏 粒 百 分 比 (%)，I f 為 入 滲 係 數 依 土 壤 質 地 而 定 ， 當 C 值 百 分 比 越 大 ， 入 滲 率 就 越 小 ， 而 表 2-8為 各 種 不 同 土 壤 質 地 與 田 間 滲 漏 量 之 關 係 表 。 表 2-8 土 壤 質 地 與 田 間 滲 漏 量 之 關 係 土壤質地 黏粒含量(%) 入滲係數 滲漏量(mm/day) 砂質礫土 1.6 1 150 礫質砂土 5 1.1 43.7 砂土 8 1.2 25 壤質砂土 11.6 1.3 15.9 砂質壤土 14.9 1.4 11.5 壤土 18.2 1.5 8.8 黏質壤土 21.9 1.6 6.85 壤質黏土 27 1.7 5.24 黏土 33 1.8 4.04 中黏土 40 1.9 3.16 種黏土 49 2 2.45
2.2.3 入 滲 對 於 含 氯 有 機 溶 劑 之 影 響
當 含 氯 有 機 溶 劑 在 移 動 過 程 中 在 未 飽 和 層 中 所 殘 留 在 顆 粒 之 間 的 DNAP L會 隨 著 降 水 或 是 地 表 水 入 滲 而 緩 慢 溶 解 至 地 下 水 中 ， 加 上 地 下 水 流 經 過 飽 和 層 的 殘 餘 態 DNAPL時 ， 也 會 溶 解 出 部 分 DNAPL向 地 下 水 流 低 水 頭 的 區 域 產 生 持 久 性 的 污 染 源 (Grathwohl and Teutsch,1997) 。US EPA(1992) 研 究 之 結 果 當 地 下 水 流 速 在 0.1~1 m/day時 ， DNAP L時 所 溶 解 產 生 的 濃 度 可 接 近 DNAPL的 溶 解 度 。 Mercer and Cohen,1990 實 驗 結 果 在 25 ℃ 時 ， TCE約 為 1100 mg/L， 但 是 實 際 受 污 染 場 址 地 下 水 濃 度 僅 在 0.001~1 mg/L之 間，推 估 可 能 原 因 為 DNAPL污 染 傳 輸 受 到 擴 散、吸 附 、
19
降 解 ， 和 抽 取 地 下 水 與 乾 淨 地 下 水 稀 釋 ....等 影 響 因 子 導 致 測 出 的 濃 度 有 所 改 變 (Anderson et al., 1992a) 。 如 圖 2-2中 顯 示 ， 若 TCE的 溶 解 度 為 1,100 mg/ L，在 A點 水 中 DNAP L濃 度 可 能 接 近 溶 解 度；但 是 在 B點 則 因 為 經 過 影 響 因 子 ， DNAP L濃 度 會 降 低 ； C點 為 地 下 水 水 樣 實 際 之 監 測 點 位 ， 此 時 TCE 的 濃 度 因 為 監 測 井 內 的 稀 釋 作 用 只 有 溶 解 度 的 1.81%。 所 以 只 要 採 樣 所 得 的 地 下 水 水 樣 中 DNAP L濃 度 達 到 溶 解 度 的 1%，表 示 在 此 範 圍 附 近 可 能 存 在 DNAPL殘 餘 物 於 地 下 含 水 層 孔 隙 之 中 。 (Environment Agency UK, 2003)
圖 2-4 地 下 水 監 測 井 取 樣 與 DNAP L溶 解 相 傳 輸 之 關 係 (Environm ent Agency UK, 2003)
學 者 Ken Walton et al., 2011 模 擬 研 究 TCE在 非 飽 和 土 壤 中 有 無 與 水 溶 合 都 會 受 重 力 向 下 污 染 ， 不 同 在 於 過 程 中 如 果 和 水 溶 合 模 擬 結 果 顯 示 會 更 快 進 入 地 下 水 層 中 。 Sale and McWhorter,2001 與 Dekker and
Abriol a,2000 的 研 究 中 分 別 証 實 了 DNAP L污 染 團 受 到 導 水 度 異 質 性 以 及 入 滲 區 域 的 入 滲 量 變 化 等 相 關 影 響 因 子 有 絕 對 的 關 係 。
20
圖 2-5 TCE入 滲 模 擬 圖 (Ken Walton et al., 2011)
21
Carl A. Mendoza and Todd A. M cAl ar y,1990 研 究 顯 示 地 表 水 的 入 滲 會 影 響 溶 解 相 污 染 團 在 地 下 水 中 的 污 染 傳 輸 。 研 究 結 果 顯 是 在 表 面 鋪 上 不 透 水 布 的 在 延 著 地 下 水 流 方 向 污 染 團 範 圍 較 小 ； 相 較 於 只 鋪 一 部 分 不 透 水 布 的 污 染 團 影 響 下 游 範 圍 較 廣 。
圖 2-7 (a) 有 鋪 面 抑 制 地 表 入 滲 之 污 染 團 影 響 範 圍
圖 2-7 (b) 無 鋪 面 抑 制 地 表 入 滲 之 污 染 團 影 響 範 圍 (Carl A. Mendoza and Todd A. McAl ary,1990)
22 在 台 灣 林 啟 燦 等 人 長 時 間 監 測 資 料 ， 針 對 高 雄 市 的 後 勁 溪 仁 武 橋 做 調 查 結 果 顯 示，2006年 7月 之 前 仁 武 橋 段 氯 仿 呈 低 濃 度 且 趨 於 穩 定 之 狀 態 ， 從 7月 開 始 ， 氯 仿 濃 度 逐 漸 上 升 ， 此 結 果 一 直 持 續 至 11月 時 濃 度 才 開 始 下 降 ， 其 他 年 分 亦 呈 現 類 似 之 趨 勢 。 推 估 可 能 原 因 ： (1) 因 為 污 染 物 受 到 在 雨 季 時 強 降 雨，導 至 殘 留 於 土 壤 孔 隙 之 中 的 氯 仿 或 是 其 他 污 染 物 質 與 雨 水 互 相 混 合，順 著 雨 水 或 是 地 下 水 流 進 入 地 下 涵 水 層 中 ， 進 而 測 得 在 降 雨 時 的 污 染 濃 度 上 升 。 (2) 降 雨 量 大 時 地 下 水 位 上 升，導 致 地 下 水 位 高 於 殘 留 在 土 壤 中 的 氯 仿 ， 使 得 污 染 物 溶 解 在 地 下 水 中，造 成 在 雨 季 時 在 觀 測 井 所 測 得 之 氯 仿 濃 度 比 沒 降 雨 時 來 得 高 出 許 多 ， 都 是 可 能 造 成 污 染 濃 度 上 升 的 原 因 。 圖 2-8 後 勁 溪 仁 武 橋 段 歷 年 乾 、 雨 季 逸 散 量
2.3 MODFLOW 的 控 制 方 程 式
本 研 究 採 用 美 國 地 質 調 查 所（ U.S. Geological Survey）發 展 的 地 下 水 流 模 擬 方 程 式 MODFLOW（ McDonals and Harbugh,1998 ），來 建 立 地 下 水 流 之 數 值 模 式。MODFLOW 係 採 用 有 限 差 分 法（ Finite Difference Approach ） 來 求 解 地 下 水 流 控 制 方 程 式 ， 該 程 式 可 解 一 維 、 二 維 及 三 維 的 地 下 水 問 題 ， 從 1980年 代 發 展 至 今 ， 已 為 國 際 廣 泛 接 受 與 使 用 。 雨 水 入 滲 改 變 DNAP L在 地 表 下 的 汙 染 路 徑 ， MODFLOW 模 擬 的 主 要 目 的 在 於 計 算 地 下 水 頭 ， 已 有 許 多 附 屬 軟 體 藉 由 MODFLOW的 水 頭 計 算 來 進 行 模 擬 。
23 MODFLOW 將 含 水 層 分 割 成 適 當 個 數 的 網 格（ cell ）， 並 針 對 每 個 網 格 列 出 差 分 形 式 的 地 下 水 流 控 制 方 程 式 ， 未 知 數 為 地 下 水 頭 ， 最 後 再 利 用 數 值 方 法 求 地 下 水 頭 線 性 聯 立 方 程 式 之 近 似 解 。 然 而 ， 除 了 因 水 頭 梯 度 （ hydraulic gradient） 所 造 成 的 地 下 水 流 外 （ 達 西 定 律 ） ， 同 時 也 必 須 對 地 下 水 含 水 層 內 的 水 文 及 物 質 變 化 現 象 加 以 量 化 ， 如 河 川 、 湖 泊 與 含 水 層 的 互 動 與 側 向 補 注 、 人 為 的 抽 水 及 灌 注 等 。 本 研 究 M ODFLOW 的 處 理 程 式 採 用 體 心 式 有 限 差 分 法
（ Block-Centered Finite-Difference Approach ） ， 來 進 行 地 下 水 流 控 制 方 程 式 之 差 分 化 工 作 ， 有 限 差 分 法 是 將 一 連 續 的 物 理 區 間 ， 分 割 成 有 限 個 形 狀 規 則 的 網 格 ， 同 時 將 控 制 方 程 式 帶 入 離 散 的 格 點 中 ， 配 合 初 始 條 件 及 邊 界 條 件 ， 計 算 某 一 格 點 與 鄰 近 格 點 的 關 係 。 根 據 達 西 定 律（ Darc y， s Law）， 在 密 度 恆 定 下 ， 三 維 地 下 水 流 的 流 動 ， 可 以 用 下 述 之 偏 微 分 方 程 式 表 示 ： t h S W z h K z x h K y x h K x x y z s (2-14) 其 中 ， K 、x K 、y Kz分 別 為 沿 著 x、 y、 z主 軸 方 向 上 的 水 力 傳 導 係 數 [ L/ T]， 就 一 般 現 代 沖 積 層 而 言 ， z方 向 為 最 小 水 力 傳 導 係 數 的 方 向 ， 通 常 垂 直 地 表 ； W 為 進 出 單 位 體 積 模 擬 範 圍 之 水 量 [1/T]； h為 水 頭 值 [L]； Ss 比 儲 水 率 [1/L] ；t為 時 間 [T]。 此 控 制 方 程 式 假 設 網 格 為 飽 合 ， 即 屬 受 壓 狀 態 。 依 據 圖 2 -7， 可 求 得 差 分 化 的 控 制 方 程 式 公 式 (2 -14)。 首 先 定 義 三 個 主 軸 方 向 ： 列 （ Row） ， 每 一 列 的 間 距 為 Ci； 行 （ Column） ， 每 一 行 間 距 為 rj；層（ Layer），每 層 之 間 距 為 vk。同 時 根 據 水 流 連 續 性 方 程 式 ： 水 流 入 網 格 元 素 的 量 等 於 流 出 網 格 元 素 的 量 和 網 格 元 素 內 儲 存 量 的 變 化 率 之 總 和 。 可 表 示 為 ： V t h S Qi s (2-15) 其 中 ，Qi為 水 流 入 網 格 元 素 之 水 流 率 [L3/T]， S 為 網 格 之 比 儲 水 率s [1/ L] ， V 為 網 格 元 素 之 體 積 [ L3] ， h 為 在t時 段 內 之 水 頭 變 化 [L]。 於 公 式 (2-15)中 ， 以 正 值 之Qi 代 表 水 流 流 入 網 格 的 流 量 ； 反 之 ， 則 代 表 水 流 流 出 網 格 。
24
圖 2-9 含 水 層 網 格 化 示 意 圖
根 據 以 上 所 敘，由 Cell(i,j-1,k)和 Cell(i,j,k)之 間，依 據 達 西 定 律 (Darcy， s Law ) ， 由 Cel l(i,j-1,k)流 至 Cell(i,j,k)之 流 量 為q(i,j-12,k)， 如 圖 2-9所 示 ：
) 2 1 ( ) , , ( ) , 1 , ( ) k , 2 1 -j (i, ) k , 2 1 -j (i, -q j k j i k j i k i r h h v c KR (2-16A)
其 中h(i,j,k)為 Cell（ i,j,k） 之 水 頭 值 [L]； h(i,j1,k)為 Cell（ i,j-1,k） 之
水 頭 值 [L]；q(i,j-12,k)為 由 Cell（ i,j-1,k）通 過 兩 網 格 交 界 面 而 流 至 Cell（ i,j,k）
之 流 量 [L3
/T] ； KR(i,j-12,k)為 沿 著 Cell（ i,j-1,k） 和 Cell（ i,j,k） 的 j方 向 上
之 水 力 傳 導 係 數 [L/T]；civk為 垂 直 Cell（ i,j-1,k） 和 Cell（ i,j,k） 兩 網 格
間 列 方 向 上 之 截 面 積 [L2
]； (r j12)為 Cell（ i,j-1,k）網 格 中 心 與 Cell（ i,j,k）
網 格 中 心 的 距 離 [L]。
25
對 C ell（ i,j,k）來 說，在 三 維 空 間 中 其 相 鄰 的 網 格 除 了 上 述 Cell（ i,j-1,k） 外 ， 尚 有 Cell（ i,j+1,k）、Cell（ i-1,j,k）、Cell（ i+1,j,k）、 Cell（ i,j,k-1） 及 Cell（ i,j,k+1） 等 五 個 網 格 ， 均 與 Cell（ i,j,k） 有 水 流 的 交 換 ， 其 網 格 元 素 之 三 維 空 間 關 係 如 圖 2-11所 示 。 與 公 式 (2-16A)同 理 ， 則 可 推 導 出 其 他 五 個 流 進 、 流 出 Cell（ i,j,k） 的 流 量 關 係 式 ： ) 2 1 ( ) , , ( ) , 1 , ( ) k , 2 1 j (i, ) k , 2 1 j (i, -q j k j i k j i k i r h h v c KR (2-16B) ) 2 1 ( ) , , ( ) , , 2 1 ( ) k , j , 2 1 -i ( ) k , j , 2 1 -i ( -q i k j i k j i k i r h h v c KR (2-16C ) ) 2 1 ( ) , , ( ) , , 2 1 ( ) k , j , 2 1 i ( ) k , j , 2 1 i ( -q i k j i k j i k i r h h v c KR (2-16D) ) 2 1 ( ) , , ( ) 1 , , ( ) 2 1 -k , j (i, ) 2 1 -k , j (i, -q k k j i k j i k i r h h v c KR (2-16E) ) 2 1 ( ) , , ( ) 1 , , ( ) 2 1 k , j (i, ) 2 1 k , j (i, -q k k j i k j i k i r h h v c KR (2-16F) 其 中 ， KR(i-12,j,k)為 沿 著 Cell（ i-1,j,k） 和 Cell（ i,j,k） 的 i方 向 上 之 透
水 係 數 [L/T]；KR(i,j,k-12)為 沿 著 Cell（ i,j,k-1）和 Cell（ i,j,k）的 z方 向 上 之 透
水 係 數 [L/T]。
26 因 水 位 梯 度 所 造 成 的 水 流 外 （ 達 西 定 律 ） ， 尚 需 考 慮 由 系 統 外 抽 取 （ sink） 或 注 入 （ source） 網 格 的 水 量 ： ) , , , ( ) , , ( ) , , , ( ) , , , (
a
i j k n
p
i j k n h
i j k q
i j k n (2 -17) 其 中 ，a(i,j,k,n)為 第 n個 來 源 流 入 之 流 量 [L3/ T] ； p(i,j,k,n)為 與 內 部 水 頭 值 改 變 相 關 之 流 量 ， 其 值 為 常 數 [L2 / T]；q(i,j,k,n)為 與 內 部 水 頭 值 改 變 無 相 關 之 流 量 ， 其 值 為 常 數 [L3 / T]。 通 常 ， 若 有 N個 內 部 源 對 單 一 網 格 造 成 影 響 時 ， 其 總 流 量 可 表 是 成 ：
N n n k j i k j i N n n k j i N n n k j i p h q a Q 1 ) , , , ( ) , , ( 1 ) , , , ( 1 ) , , , ( k) j, (i, S (2-18) 而 MODFLOW 為 了 容 許 較 大 的 時 間 間 隔 （ t） 進 行 數 值 求 解 ， 所 以 採 用 向 後 差 分 法（ Backward Difference Approach ）進 行 對 各 時 段（ time step） 的 水 頭 計 算 ， 如 圖 2-12所 示 ， 其 求 解 方 法 如 下 ： 1 1 ) , , ( ) , , ( ) , , (
m m m k j i m k j i m k j it
t
h
h
t
h
(2 -19) 其 中 ：tm為 第 m段 被 估 計 時 所 代 表 的 時 間 ； tm1為tm的 前 一 個 時 間 ； m k j i h(, , ) 、 h(i,j,k)m1為 網 格 Cell（ i,j,k） 於 t 、m tm1時 間 所 對 應 的 水 頭 值 。 圖 2-12 反 向 差 分 法 求 解 概 念 圖27 污 染 物 於 含 水 層 之 傳 輸 控 制 方 程 式 可 以 下 式 表 示 (Clement, T. P.,1997)：
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q C r k m x x C D x t C c s s k i i j k ij i k k , 1,2,... (2-20) ) ,...( 2 , 1 , ~ ~ m n im r dt C c im (2 -21) 其 中 ， n為 污 染 物 物 種 總 數 ， m為 液 相 （ 或 稱 移 動 相 mobile） 污 染 物 物 種 數 ， Ck為 污 染 物 k之 溶 解 濃 度 ， Cs為 污 染 物 k之 溶 解 濃 度 ，Cim ~ 為 污 染 物 im之 固 相 濃 度 ， Di j為 延 散 係 數 （ dispersion coefficient ）， v為 孔 隙 速 度（ pore velocity），為 孔 隙 率 （ porosity）， qs及 Cs分 別 為 單 位 體 積 流 量 及
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