以生態工法淨化水庫水質
控制優養化研究計畫
委辦機關：行政院環境保護署
執行機關：國立台灣大學
計畫主持人：郭振泰
共同主持人：吳俊宗、吳先琪
顧
問：林正芳、龍梧生
研究人員：吳銘圳、陳怡靜、楊州斌、仇士愷、
簡鈺晴、葉齡云、許嘉珍
執行期間：
94 年 1 月 20 日~ 94 年 12 月 31 日
中華民國
94 年 12 月
甲、委辦單位 行政院環境保護署 乙、執行單位 國立台灣大學 丙、年 度 94 年度 計畫編號 EPA-94-U1G1-02-102 丁、研究性質 □基礎研究 ■應用研究 □技術發展 戊、研究領域 水庫水質優養化控制 己、計畫屬性 ■科技類 □非科技類 庚、全程期間 94 年 1 月 20 日～94 年 12 月 31 日 辛、本期期間 94 年 1 月 20 日～94 年 12 月 31 日 0 億 4,700 千元 資本支出 經常支出 土地建築ˍˍˍˍˍ千元 人事費2,000 千元 儀器設備ˍˍˍˍˍ千元 業務費1,650 千元 其 他ˍˍˍˍˍ千元 材料費ˍˍˍˍˍˍ千元 壬、本期經費 其 他1,050 千元 癸、摘要關鍵詞（中英文各三則） 生態工法、水庫水質、優養化
Ecological Engineering,Reservoir Water Quality,Eutrophication
參與計畫人力資料： 參與計畫 人員姓名 工作要項 或撰稿章節 現職與 簡要學經歷 參與時間 (人月) 聯絡電話及e-mail 帳號 郭振泰 計 畫進 度控 管及 生 態工法可行性評估 台 灣大 學土 木系 教 授、博士 12 (02)33664243 kuoj@ntu.edu.tw 吳俊宗 藻類相採樣、分析及 生 態工 法可 行性 評 估 中 研院 生物 多樣 性 研 究中 心 暨 台灣 大 學 生態 與演 化生 物 研究所教授、博士 12 (02)27899590-451jtwu@gate.sinica.edu.tw 吳先琪 庫區優養化治理、內 外 部負 荷推 估 及 生 態工法可行性評估 台 灣大 學環 工所 教 授、博士 12 (02)23629435 scwu@ntu.edu.tw 林正芳 監 測數 據統 計分 析 及 生態 工法 可行 性 評估 台 灣大 學環 工所 教 授、博士 12 (02)23627427 cflin@ntu.edu.tw 龍梧生 提 供國 外水 庫治 理 經 驗及 生態 工法 可 行性評估 美國 University of Virginia 土 木 系 教 授、博士 12 WL@virginia.edu 吳銘圳 監 測數 據統 計分 析 及 生態 工法 可行 性 評估 蘭 陽技 術學 院 環 安 系助理教授、博士 12 (03)9771997-206 puba.wu@msa.hinet.net 陳怡靜 水 庫底 泥對 優養 化 之 影響 及計 畫內 容 撰寫、彙整 台 灣大 學環 工所 博 士後研究員、博士 12 (02)23629435 d87541003@ntu.edu.tw 楊州斌 水質資料分析、研討 會 辦理 及計 畫內 容 撰寫、彙整 台 灣大 學土 木系 博 士後研究員、博士 12 (02)33664274-29 d88521002@ntu.edu.tw
計畫成果中英文摘要
(簡要版)
一、中文計畫名稱：以生態工法淨化水庫水質控制優養化研究計畫二、英文計畫名稱：Eutrophication control for reservoir water quality by
ecological engineering 三、計畫編號：EPA-94-U1G1-02-102 四、執行單位：國立台灣大學 五、計畫主持人（包括共同主持人）：郭振泰教授、吳俊宗教授、吳先琪教授 六、執行開始時間：94 年 1 月 20 日 七、執行結束時間：94 年 12 月 31 日 八、報告完成日期：94 年 12 月 31 日 九、報告總頁數：294 頁 十、使用語文：中文、英文 十一、報告電子檔名稱：EPA94U1G102102.DOC 十二、報告電子檔格式：WORD 2000 十三、中文摘要關鍵詞：生態工法、水庫水質、優養化
十四、英文摘要關鍵詞：Ecological Engineering, Reservoir Water Quality, Eutrophication
十五、中文摘要： 本計畫重要成果摘要如下： (一)蒐提國內水庫歷年報告及基本資料，顯現多為逐漸加重優養化之趨勢，內部氮磷污 染來源則為水庫集水區等外部而來，去除方法建議以曝氣之方式來去除氮磷等污染 物。另外優養化之改善亦可以： 1. 物理方式：攪動水體、放流中底層水、遮光等方法。 2. 化學方法：硫酸銅等殺藻劑，改變水中營養鹽組成。 3. 生物方法：放養魚類或抑制藻類生物與人工溼地等。 (二)本計畫同時收集美國、日本、歐洲及中國大陸湖泊水庫營養鹽控制策略及案例分析， 國外有使用蘆葦、菱角與布袋蓮等方式控制優養化之案例，並以曝氣方式控制與打 破分層，來抑制優養化。其曝氣之動力來源則以風力與太陽能，以節省能源。
全國水庫庫區控制優養化技術研討會；最後選定蘭潭水庫及新山水庫列為最優先整 治之水庫： 1. 蘭潭水庫：入流口設置一處人工溼地，經費約 5000 萬元，每年操作維修費 200 萬元。增設及維修曝氣設備2066 萬元，每年操作維修費 100 萬元。 2. 新山水庫：增設 2 座曝氣設備經費 3000 萬元，每年操作維修費 500 萬元。進水 沉澱池 5000 萬元，每年操作維修費 500 萬元。水質自動監測設備 300 萬元，每 年操作維修費50 萬元。 十六、英文摘要：
The accomplishment of this study is summarized as follows:
1. Following a review of the gathered study reports, data, and information, excessive nitrogen and phosphorus loads from the watershed are identified as the main cause of increasing
eutrophication in Taiwan’s reservoirs.Reaeration is recommended to be the main practice to
control reservoir eutrophication. In addition, the following mitigative measures are also recommended:
(a) Physical processes: water column destratification, selective withdrawal, and shading
(b) Chemical processes: using copper sulfate to kill algae and changing the nutrient composition in the water column
(c) Biological processes: fish farming, algal growth control, and man-made wetland construction
2. Other practices for lake and reservoir eutrophication control are also identified from a
number of case studies in US, Japan, Europe, and China. They include growth aquatic species such as Phragmites communis L., Trapa natans L. var. bicornis Mak., and Eichhornia crassipes Solms to control eutrophication. In addition, reaeration and destratification are used to reduce reservoir eutrophication, with wind power and solar energy as the main power source to save energy.
3. Data and information analyzed were presented at 9 regional technical workshops in northern, central, and southern Taiwan and one national workshop. Experts from academia, research institutions, regulatory agencies, and stake holders were invited to attend and to critique the results. Shinsan and Lantan Reservoirs have been identified as the first sites for implementing eutrophication control.
(a) Lantan Reservoir: a man-made wetland (NT$50M as the construction cost; NT$2M as annual operating cost. Additional reaeration equipment (NT$20.66 as construction cost and NT$1M as annual operation and maintenance cost)
annual operation and maintenance cost); Sedimentation Pond (NT$50M as construction cost and NT$5M as annual maintenance cost); and automatic water quality monitoring facility (NT$3M and NT$0.5M for construction and annual operation and maintenance)
計畫名稱：以生態工法淨化水庫水質控制優養化研究計畫
計畫編號：EPA-94-U1G1-02-102
計畫執行單位：國立台灣大學
計畫主持人(包括協同主持人)：郭振泰教授、吳俊宗教授、吳先琪教授
計畫期程：94 年 1 月 20 日起 94 年 12 月 31 日止
計畫經費：4,700 千元
摘要
本計畫重要成果摘要如下： (一)蒐提國內水庫歷年報告及基本資料，顯現多為逐漸加重優養化之趨勢，內部氮磷污 染來源則為水庫集水區等外部而來，去除方法建議以曝氣之方式來去除氮磷等污染 物。另外優養化之改善亦可以： 1. 物理方式：攪動水體、放流中底層水、遮光等方法。 2. 化學方法：硫酸銅等殺藻劑，改變水中營養鹽組成。 3. 生物方法：放養魚類或抑制藻類生物與人工溼地等。 (二)本計畫同時收集美國、日本、歐洲及中國大陸湖泊水庫營養鹽控制策略及案例分析， 國外有使用蘆葦、菱角與布袋蓮等方式控制優養化之案例，並以曝氣方式控制與打 破分層，來抑制優養化。其曝氣之動力來源則以風力與太陽能，以節省能源。 (三)本計畫並完成邀請相關機關團體、專家學者辦理北、中、南部共 9 場座談會及 1 場 全國水庫庫區控制優養化技術研討會；最後選定蘭潭水庫及新山水庫列為最優先整 治之水庫： 1. 蘭潭水庫：入流口設置一處人工溼地，經費約 5000 萬元，每年操作維修費 200 萬元。增設及維修曝氣設備2066 萬元，每年操作維修費 100 萬元。沉澱池5000 萬元，每年操作維修費 500 萬元。水質自動監測設備 300 萬元，每
年操作維修費50 萬元。
英文摘要
The accomplishment of this study is summarized as follows:
1. Following a review of the gathered study reports, data, and information, excessive nitrogen and phosphorus loads from the watershed are identified as the main cause of increasing
eutrophication in Taiwan’s reservoirs.Reaeration is recommended to be the main practice to
control reservoir eutrophication. In addition, the following mitigative measures are also recommended:
(a) Physical processes: water column destratification, selective withdrawal, and shading
(b) Chemical processes: using copper sulfate to kill algae and changing the nutrient composition in the water column
(c) Biological processes: fish farming, algal growth control, and man-made wetland construction
2. Other practices for lake and reservoir eutrophication control are also identified from a
number of case studies in US, Japan, Europe, and China. They include growth aquatic species such as Phragmites communis L., Trapa natans L. var. bicornis Mak., and Eichhornia crassipes Solms to control eutrophication. In addition, reaeration and destratification are used to reduce reservoir eutrophication, with wind power and solar energy as the main power source to save energy.
3. Data and information analyzed were presented at 9 regional technical workshops in northern, central, and southern Taiwan and one national workshop. Experts from academia, research institutions, regulatory agencies, and stake holders were invited to attend and to critique the results. Shinsan and Lantan Reservoirs have been identified as the first sites for implementing eutrophication control.
(a) Lantan Reservoir: a man-made wetland (NT$50M as the construction cost; NT$2M as annual operating cost. Additional reaeration equipment (NT$20.66 as construction cost and NT$1M as annual operation and maintenance cost)
(b) Shinsan Reservoir: 2 reaeration facility (NT$30M for construction and NT$ 5M as annual operation and maintenance cost); Sedimentation Pond (NT$50M as construction cost and NT$5M as annual maintenance cost); and automatic water
operation and maintenance)
前言
根據行政院「挑戰2008」國家發展重點計畫－水與綠建設計畫內容，近年來由於集 水區的過度開發使用，造成水庫水質有優養化的趨勢。因此，如何加強水庫水質的監測 並延長水庫的使用壽命，確保水庫安全及永續經營，為未來水資源保育及集水區污染防 治工作之重大課題。 生態工程是以近自然的方法，為傳統工程注入新的力量與重新發展的契機。本研究 力期以近自然的工法整治湖泊水庫，達到降低營養鹽及維持生態的平衡。國內首次以生 態工法整治湖泊案例為拐子湖(又稱青蛙湖)。研究方法
圖 1 為本計畫之工作流程圖。 本研究以去除水庫庫區內部營養鹽，降低水庫優養化程度為目標。 一、蒐集國內10 座優養化水庫庫區 10 年以上研究、調查報告及論文，完成水庫庫區基 本資料建檔，並分析提出各座水庫庫區歷年優養化趨勢、各座水庫內部氮磷污染來 源、去除水庫內部氮磷方法、去除方法施作結果之工法(生態工法、現地處理工法) 類別及適用條件、去除效率及建設、維護操作成本等分析。 二、蒐集 10 年以上美國、日本等國家去除水庫庫區營養鹽現地處理、生態工法報告及 研究資料，分析提出： (一) 各現地處理、生態工法去除水庫內氮磷之案例分析、工法類別、反應機制、適 用條件、去除效率、操作維護成本等。 (二) 去除水庫庫區內部氮磷及控制藻類過度繁殖之策略。 三、邀相關機關團體、專家學者辦理十場座談會，並提出可行的分年持續研究的方向、 計畫內容及行動計畫。圖1 計畫工作流程圖 資料蒐集 水質資料分析 內外部總磷負荷 資料推估 藻類相資料分析 召開北、中、南部 九次座談會及一次 全國性成果發表會 先進國家去除湖泊 水庫庫區營養鹽方 法及案例分析 擬定淨化水庫水質 控制優養化方法 (生態工法或現地處理方法) 評估水庫水質優養 控制成效 (新年度計畫) 選定蘭潭及新山水庫列為最 優先整治之水庫，其餘9 座 水庫順序均略相等。
本研究首先對國內 11 座優養化水庫近十年來之水質資料整理歸納、分析。特別是 水庫藻類相及內外部總磷負荷推估。 經由藻類相分析顯示，微囊藻(Microcystis)在全台多數的水庫都有出現，並經常形 成藻華現象。其大量滋長的主因是有機污染所造成，因此藻種喜好有機污染物作為其碳 源，尤其當水中有適量的氨氮和有機氮污染物時，更有利於其大量滋長。其形成之藻華 有以下特性： 1. 在有有機污染的水域易大量滋長。 2. 季節性出現：微囊藻喜好高溫，即在水溫較高的月份有利於其大量滋長，因此，其 出現有季節性，多在春末到秋初之期間，以夏季為滋長最旺盛期。 3. 微囊藻細胞內具有氣泡，多浮游於約 3 公尺以上之表水水域，尤其在表水一公尺以 上其密度最高。 由於微囊藻大量滋長有前述之特性，要削減其數量或防止其滋長可用下列數種方法： 1. 物理工法 (1) 曝氣－增加底層溶氧，避免底層變成還原態，以減少氨氮和溶解磷的產生。 (2) 攪動水體－破壞水體之分層現象，使藻體被帶到水體之下層(hypolimnion)而 逐漸死亡。 (3) 中、底層水放流－排除污染物，減少營養鹽負荷。 (4) 遮光－水表遮光，減少微囊藻類行光合作用的機率。 2. 化學工法 (1) 施用硫酸銅等殺藻劑，但有後遺，需嚴格控制劑量和使用時機。 (2) 改變水中營養鹽組成，如添加特定營養鹽類，改變 N/P 比值等，以改變水中 藻類相的組成。 (3) 施用其他之微囊藻生長抑制劑。 3. 生物工法 (1) 放養可攝食微囊藻之魚類，如草鰱魚等。但須控制放養之魚類數量，不使其造成 水質惡化現象。
數量。 (3) 用人工濕地等工法，去除入流水之有機污染物，可有效防止微囊藻之滋長。 由水庫內外部總磷負荷推估，顯示由底泥釋放之總磷為造成水庫水質變差重要因素 之一。內部營養源比例較高之水庫有新山、明德、鯉魚潭、仁義潭、蘭潭、鏡面及牡丹 水庫。降低內部營養源可在庫內， 1. 保持底層有氧狀態 2. 遮斷庫底與水體間之傳輸 3. 維持上層水穩定之分層 4. 提高生物質之沉降率 由國外湖泊水庫整治經驗顯示，要控制湖泊水庫之水質需長期的努力。同時根據營 養鹽去除案例之結果， 1. 打破分層及曝氣法在某些水庫內確實可以發揮降低優養化的功能。 2. 控制分層方法之實施，需要對水庫水文及水質有相當之了解與及時監控之能力。 3. 以風力與太陽能做為動力來源，可以在較廣闊的水庫內設置機具，且節省能源，是 可以選擇的方案。 4. 攪拌機在水庫中造成某種景觀上之破壞，為其缺點。 本計畫執行期間，同時邀請相關機關團體、專家學者辦理北、中、南部共 9 場座談 會及 1 場全國水庫庫區控制優養化技術研討會。最後選定蘭潭水庫及新山水庫列為最優 先整治之水庫，並對工程部份提出整治建議。其餘 9 座優養化水庫為避免資訊不足，造 成判斷誤差，所以整治之優先均概略相等。
結論
本計畫經一年來對環保署指定之國內11 座優養化水庫(新山水庫、明德水庫、永和 山水庫、仁義潭水庫、蘭潭水庫、鯉魚潭水庫、白河水庫、鏡面水庫、澄清湖水庫、鳳 山水庫及牡丹水庫等)進行調查研究，可得到下列之結論： 1. 在環保署指定之11 座優養水庫中，由藻類相分析結果顯示，多是已有若干程度優養微囊藻(Microcystis)、葡萄藻(Botryococcus)和甲藻(Peridinium)等；有些會產生臭土 味、霉味等異味，如顫藻(Oscillatoria)、魚腥藻(Anabaena)、尖頭藻(Raphidiopsis)； 有的體型較大，常造成自來水廠的濾床阻塞。 2. 微囊藻是目前水庫中較嚴重影響水質的藻種，它會產生毒素，且在所研究的11 座水 庫都有它，因此是最優先要設法控制的藻類。其他藻類縱使滋長，對水質影響也較 小。而且，微囊藻是優養化的指標種，若能控制它的滋長，也就是控制了優養化。 其大量滋長的主因是有機污染所造成，因此藻種喜好有機污染物作為其碳源，尤其 當水中有適量的氨氮和有機氮污染物時，更有利於其大量滋長。可用物理、化學或 生物工法來削減微囊藻數量或防止其滋長。 3. 根據水庫內外部總磷負荷推估，顯示由底泥釋放之總磷為造成水庫水質變差重要因 素之一。內部營養源比例較高之水庫有新山、明德、鯉魚潭、仁義潭、蘭潭、鏡面 及牡丹水庫。降低內部營養源可在庫內保持底層有氧狀態，遮斷庫底與水體間之傳 輸，維持上層水穩定之分層，及提高生物質之沉降率。 4. 由國外湖泊水庫整治經驗顯示，要控制湖泊水庫之水質需長期的努力。打破分層及 曝氣法在某些水庫內確實可以發揮降低優養化的功能。而控制分層方法之實施，需 要對水庫水文及水質有相當之了解與及時監控之能力。以風力與太陽能做為動力來 源，可以在較廣闊的水庫內設置機具，且節省能源，是可以選擇的方案。然而攪拌 機在水庫中造成某種景觀上之破壞，為其缺點。 5. 選定蘭潭水庫及新山水庫列為最優先整治之水庫，工程部份建議如下： A、蘭潭水庫 (1) 在入流口建置一處人工濕地，經費概估新台幣 5,000 萬元整。維修操作費每年概估 200 萬元整。預期效益為水庫中總磷濃度由 66 µg/L 降為 50 µg/L。 (2) 水庫增設及維修既有曝氣設備，經費概估新台幣2,600 萬元整。維修操作費每年概估 100 萬元整。預期效益為水庫內部總磷負荷由 669 kg/yr 降為 435-535 kg/yr。 B、新山水庫 (1) 水庫設置二組曝氣設備，經費概估新台幣 3,000 萬元整。維修操作費每年概估 500
(2) 設置進水沉澱池，經費概估新台幣5,000 萬元整。維修操作費每年概估 500 萬元整。 預期效益為改善新山淨水廠進入新山水庫之水質。 (3) 建議設置新山水庫水質自動監測系統工程，經費約新台幣 300 萬元整。維修操作費 每年概估 50 萬元整。預期效益可將水庫不同深度之水質變化狀況，即時傳送至控制 中心研判，有助於淨水處理與原水調配作業之時機掌握。
建議事項
對本研究計畫之建議為： 1. 在環保署指定之 11 座優養水庫中，除了澄清湖、鳳山、蘭潭及牡丹水庫曾做過底泥 調查外，其餘水庫皆無底泥調查資料。而澄清湖及鳳山水庫之數據又稍嫌老舊(民國 79、80 年甘泉計畫期間實測數據)，因此建議對這些水庫進行底泥採樣，以了解各水 庫之底泥營養鹽及重金屬成分。 2. 持續對環保署指定之 11 座優養水庫進行較詳細之藻種採樣，以建立各水庫之藻種資 料庫。 3. 目前環保署對水庫水質之採樣為每季一次，為更進一步了解水庫水質變化及提高水 質模式之模擬準確度，建議修改為每月一次。同時，水溫及水質資料需有隨不同深 度之監測資料，而不是只有水庫表面、中、庫底三層。 4. 可利用衛星技術於水庫優養化預測，並結合水庫水質模式，進一步預測水庫未來水 質。 5. 參考美、日國家控制湖泊水庫優養化方法，將之應用於國內優養化水庫，並觀察其 整治成效。 6. 蘭潭及新山水庫列為優先整治之水庫，故需有更詳細之採樣資料來做為效益評估之 依據。同時需有一新的計畫案，來評估這二座水庫整治前與整治後之工程效益。7.
加強對水庫污染整治之民眾參與與宣導。期末報告基本資料表 計畫成果中英文摘要(簡要版) 計畫成果摘要(詳細版) 目錄--- i 表目錄--- viii 圖目錄--- x 第一章 前言--- 1-1 1.1 計畫緣起及背景--- 1-1 1.2 計畫工作內容--- 1-2 1.3 報告內容--- 1-3 參考文獻--- 1-4 第二章 水庫內優養化趨勢分析方法--- 2-1 2.1 水庫內優養化趨勢分析--- 2-1 2.1.1 水質優養化評估方法--- 2-1 2.1.2 衛星技術應用於水庫優養化之預測--- 2-5 2.1.3 監測數據統計分析--- 2-9 2.2 水庫內造成優養化、藻華現象之關鍵污染物及污染型態--- 2-20 2.2.1 磷為關鍵污染物--- 2-21 2.2.2 氮為關鍵污染物--- 2-21 2.2.3 有機物為關鍵污染物--- 2-21 2.2.4 污染型態--- 2-22 2.3 水庫內藻類、營養鹽及代謝污染物間之問題、關係--- 2-23 2.3.1 藻毒--- 2-23 2.3.2 異味與臭味--- 2-23 2.3.3 胞外有機代謝物--- 2-26 2.3.4 營養鹽減量後，主要藻類及代謝污染物之變化情形 --- 2-26
2.4 水庫底泥對優養化之影響--- 2-30 2.4.1 水庫底泥來源及組成--- 2-30 2.4.2 影響底泥營養鹽釋出之重要參數--- 2-31 2.4.3 底泥模式應用--- 2-32 2.4.4 底泥調查與治理--- 2-34 2.5 水庫水質模擬--- 2-38 2.5.1 水庫水質模式--- 2-38 2.5.2 集水區非點源污染模式連接水庫水質模式之模擬--- 2-41 參考文獻--- 2-43 第三章 國內優養化水庫資料調查--- 3-1 3.1 國內水庫水質現況--- 3-1 3.2 新山水庫--- 3-8 3.2.1 水庫基本資料--- 3-8 3.2.2 水庫之入流量--- 3-9 3.2.3 水質監測結果--- 3-10 3.2.4 水庫之藻類相--- 3-13 3.2.5 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-15 3.3 永和山水庫--- 3-17 3.3.1 水庫基本資料--- 3-17 3.3.2 水庫之入流量--- 3-18 3.3.3 水質監測結果--- 3-19 3.3.4 水庫之藻類相--- 3-23 3.3.5 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-23 3.4 明德水庫--- 3-24 3.4.1 水庫基本資料--- 3-24 3.4.2 水庫之入流量--- 3-25 3.4.3 水質監測結果--- 3-26 3.4.4 水庫之藻類相--- 3-30
3.5 鯉魚潭水庫--- 3-32 3.5.1 水庫基本資料--- 3-32 3.5.2 水庫之入流量--- 3-33 3.5.3 水質監測結果--- 3-34 3.5.4 水庫之藻類相--- 3-38 3.5.5 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-38 3.6 仁義潭水庫--- 3-40 3.6.1 水庫基本資料--- 3-40 3.6.2 水庫之入流量--- 3-41 3.6.3 水質監測結果--- 3-42 3.6.4 水庫之藻類相--- 3-48 3.6.5 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-48 3.7 蘭潭水庫--- 3-49 3.7.1 水庫基本資料--- 3-49 3.7.2 水庫之入流量--- 3-50 3.7.3 水質監測結果--- 3-51 3.7.4 水庫之藻類相--- 3-58 3.7.5 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-59 3.8 白河水庫--- 3-60 3.8.1 水庫基本資料--- 3-60 3.8.2 水庫之入流量--- 3-61 3.8.3 水質監測結果--- 3-62 3.8.4 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-66 3.9 鏡面水庫--- 3-67 3.9.1 水庫基本資料--- 3-67 3.9.2 水庫之入流量--- 3-68 3.9.3 水質監測結果--- 3-69 3.9.4 水庫內外部總磷負荷推估--- 3-72
3.10.1 水庫基本資料 --- 3-74 3.10.2 水庫之入流量 --- 3-75 3.10.3 水質監測結果 --- 3-76 3.10.4 水庫之藻類相 --- 3-79 3.10.5 水庫內外部總磷負荷推估 --- 3-79 3.11 澄清湖水庫 --- 3-81 3.11.1 水庫基本資料 --- 3-81 3.11.2 水庫之入流量 --- 3-82 3.11.3 水質監測結果 --- 3-82 3.11.4 水庫之藻類相 --- 3-86 3.11.5 水庫內外部總磷負荷推估 --- 3-86 3.12 牡丹水庫 --- 3-88 3.12.1 水庫基本資料 --- 3-88 3.12.2 水庫之入流量 --- 3-89 3.12.3 水質監測結果 --- 3-90 3.12.4 水庫之藻類相 --- 3-93 3.12.5 水庫內外部總磷負荷推估 --- 3-93 3.13 11 座水庫優養限制因子及底泥調查概況 --- 3-95 3.13.1 11 座水庫優養限制因子 --- 3-95 3.13.2 11 座水庫底泥調查概況 --- 3-96 參考文獻--- 3-98 第四章 水庫庫區優養化治理--- 4-1 4.1 水庫庫區營養鹽去除策略 --- 4-3 4.1.1 水庫營養鹽狀況之診斷--- 4-3 4.1.2 截斷外部營養來源--- 4-3 4.1.3 底泥磷的穩定化--- 4-3 4.1.4 隔絕底泥--- 4-3 4.1.5 用水稀釋--- 4-4
4.1.7 調控取水深度--- 4-7 4.1.8 強制循環--- 4-7 4.1.9 利用食物鏈控制藻類--- 4-8 4.1.10 生態系統控制 --- 4-8 4.1.11 收穫藻類 --- 4-8 4.1.12 降低水位 --- 4-9 4.1.13 底泥移除 --- 4-9 4.1.14 底層水曝氣 --- 4-9 4.1.15 化學藥劑除藻法原理 --- 4-12 4.2 優養改善方法評估 --- 4-14 4.2.1 建立替選方案--- 4-14 4.2.2 各種方案的限制因子及基準--- 4-15 參考文獻--- 4-18 第五章 先進國家去除水庫庫區營養鹽之案例分析--- 5-1 5.1 美國湖泊水庫營養鹽控制策略及案例分析 --- 5-1 5.1.1 美國湖泊水庫營養鹽控制策略--- 5-1 5.1.2 美國湖泊水庫營養鹽案例分析--- 5-2 5.2 日本湖泊水庫營養鹽控制策略及案例分析 --- 5-15 5.2.1 日本湖泊水庫營養鹽控制策略--- 5-15 5.2.2 日本湖泊水庫營養鹽案例分析--- 5-34 5.3 歐洲及中國大陸湖泊水庫營養鹽控制策略 --- 5-41 參考文獻--- 5-44 第六章 國內水庫問題及診斷方法--- 6-1 6.1 國內水庫藻類現況與問題 --- 6-1 6.1.1 國內水庫藻類診斷方法--- 6-2 6.1.2 微囊藻形成藻華的主因和特性--- 6-6 6.1.3 防除微囊藻之工法--- 6-6 6.2 水庫底泥國內案例分析 --- 6-7
6.2.2 蘭潭水庫--- 6-8 6.2.3 鳳山水庫--- 6-9 6.3 水質模式預測水庫污染物削減量 --- 6-9 參考文獻--- 6-11 第七章 國內優養化水庫優先整治計畫--- 7-1 7.1 蘭潭水庫 --- 7-1 7.1.1 蘭潭水庫近十年水庫藻種變化--- 7-1 7.1.2 蘭潭水庫既有曝氣工程效益評估--- 7-2 7.1.3 水庫水質模式優養預測分析--- 7-6 7.1.4 微囊藻藻華之治理對策--- 7-7 7.1.5 去除污染物之生態工法--- 7-8 7.1.6 評估工法對水質改善效益--- 7-8 7.2 新山水庫 --- 7-11 7.2.1 新山水庫近十年水庫藻種變化--- 7-11 7.2.2 評估工法對水質改善效益--- 7-12 7.2.3 新山水庫採樣結果討論--- 7-13 7.3 澄清湖水庫 --- 7-21 7.3.1 澄清湖歷年來之改善規劃工作--- 7-21 7.3.2 澄清湖底泥清除--- 7-23 7.3.3 澄清湖既有曝氣工程效益評估--- 7-24 7.3.4 評估工法對水質改善效益--- 7-25 7.4 鳳山水庫 --- 7-26 7.4.1 鳳山水庫歷年來之改善規劃工作--- 7-26 7.4.2 鳳山水庫既有曝氣工程效益評估--- 7-27 7.4.3 評估工法對水質改善效益--- 7-29 7.5 白河水庫 --- 7-29 7.5.1 白河水庫歷年來之改善規劃工作--- 7-29 7.5.2 評估工法對水質改善效益--- 7-31
7.7 牡丹水庫 --- 7-32 7.8 明德水庫 --- 7-32 7.9 永和山水庫 --- 7-32 7.10 仁義潭水庫--- 7-33 參考文獻--- 7-34 第八章 結論與建議--- 8-1 8. 1 結論 --- 8-1 8. 2 建議 --- 8-2 附表1 11 座水庫基本資料 附錄一 執行計畫經費表 附錄二 94 年度「以生態工法淨化水庫水質控制優養化研究計畫」 第一次工作進度報告、期中報告及期末報告會議紀錄 附錄三 94 年度「以生態工法淨化水庫水質控制優養化研究計畫」 第一次至第十次座談會會議紀錄
表2.1.1-1 OECD 單一參數判定優養化之標準 --- 2-2 表2.1.1-2 Carlson 單一參數判定優養化之標準 --- 2-2 表2.1.1-3 美國環境保護署單一參數判定優養化之標準--- 2-2 表2.1.1-4 環保署制定之湖泊水質標準--- 2-2 表2.1.3-1 常態與對數常態分布之參數特性--- 2-11 表2.1.3-2 各種分布之機率密度函數以模擬環境污染物濃度之變異性- 2-12 表2.1.3-3 常態分布的檢測方法--- 2-14 表2.1.3-4 美國環保署建議之異常值統計測試方法--- 2-18 表2.4.4-1 國內外底泥孔隙水磷濃度範圍--- 2-36 表2.5.1-1 評估湖泊水庫的優養化模式--- 2-39 表3.2.5-1 國內水庫底泥總磷釋出通量比較--- 3-15 表3.2.5-2 新山水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-16 表3.3.5-1 永和山水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-23 表3.4.5-1 明德水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-31 表3.5.5-1 鯉魚潭水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-39 表3.6.5-1 仁義潭水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-48 表3.7.5-1 蘭潭水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-59 表3.8.4-1 白河水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-66 表3.9.4-1 鏡面水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估--- 3-73 表3.10.5-1 鳳山水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估 --- 3-80 表3.11.5-1 澄清湖水庫總磷之內外總磷部負荷比例推估 --- 3-87 表3.12.5-1 牡丹水庫總磷之內外部總磷負荷比例推估 --- 3-94 表3.13.1-1 11 座水庫優養限制因子 --- 3-95 表3.13.2-1 11 座水庫底泥調查概況 --- 3-96 表4-1 各種水庫湖泊治理方案 --- 4-2 表4.1.4-1 加拿大英屬哥倫比亞幾個湖底隔絕處理的例子--- 4-4 表4.1.5-1 Moses 湖中各部分 4 月至 9 月的稀釋率變化及 5 月至 9 月平均
表4.1.6-1 湖泊以底層抽水改善水質的案例--- 4-6 表4.1.14-1 湖泊以底層曝氣改善水質的案例 --- 4-11 表4.1.15-1 硫酸銅除藻法處理成本一覽表 --- 4-14 表4.2.2-1 優養改善方法之限制因子及篩除基準--- 4-16 表5.1.2-1 美國環保署清淨湖泊計畫若干湖泊水庫的優養治理措施--- 5-4 表5.1.2-2 美國田納西流域管理局水庫(以庫內曝氣方法治理)--- 5-5 表5.2.1-1 日本環境省指定 10 個整治湖泊水庫之污染負荷與水質濃度結果 --- 5-16 表5.2.1-2 日本環境省指定 10 個整治湖泊水庫的水質變化(TP) --- 5-16 表5.2.1-3 日本環境省指定 10 個整治湖泊水庫的水質變化(TN)--- 5-17 表5.2.1-4 日本環境省指定 10 個整治湖泊水庫的水質變化(COD)--- 5-17 表5.2.1-5 日本湖泊水庫水質改善方法--- 5-18 表5.2.1-5 底泥浚谍法之效果--- 5-20 表5.2.1-6 日本優養湖泊底泥浚谍實例--- 5-21 表5.2.1-7 底泥覆蓋或固定法之去除效果--- 5-22 表5.2.1-8 強迫循環法之特性及效果--- 5-23 表5.2.2-1 日本霞浦湖淨化設施之設計資料--- 5-38 表6.1.1-1 國內各種優養化程度水庫中常出現的主要藻種--- 6-3 表6.1.1-2 國內水庫產生土臭味(geosmin)和霉臭味(MIB)之藻類--- 6-6 表7.1.6-1 蘭潭水庫設置工法預期效益--- 7-10 表7.5.1-1 白河水庫歷年淤積統計表 --- 7-30 表7.5.1-2 白河水庫歷年相關清淤數量概況--- 7-31
圖1.3-1 計畫工作流程圖 --- 1-4 圖2.1.2-1 OECD 之葉綠素為分類標準判斷翡翠水庫水質優養化狀況-- 2-7 圖2.1.2-2 OECD 之透明度為分類標準判斷翡翠水庫水質優養化狀況-- 2-7 圖2.1.2-3 OECD 之葉綠素為分類標準判斷曾文水庫水質優養化狀況-- 2-8 圖2.1.2-4 OECD 之透明度為分類標準判斷曾文水庫水質優養化狀況-- 2-8 圖2.2-1 水庫之藻華現象 --- 2-20 圖2.2.4-1 水庫之藻類採樣--- 2-22 圖2.3.2-1 國內水庫會產生微囊藻毒的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa) --- 2-24 圖2.3.2-2 國內水庫常發現之微囊藻毒--- 2-24 圖2.3.2-3 水庫產生臭土味的魚腥藻(Anabaena vulguire) --- 2-25 圖2.3.2-4 水庫產生霉臭味的顫藻(Oscillatoria tenue) --- 2-25 圖2.3.5-1 翡翠水庫藻類資料庫網站--- 2-27 圖2.3.5-2 曝氣機運抵青蛙湖開始進行安裝--- 2-28 圖2.3.5-3 機運作時之情形，此機型自水中曝氣，其曝氣量大，但噪音低， 是德國新科技產品。--- 2-28 圖2.3.5-4 整治前的拐子湖水滋長許多福壽螺，岸邊長滿螺卵，許多水生植 物難以成長，水生態遭破壞。--- 2-29 圖2.3.5-5 施行生態改善法後，水不再發臭，提供居民一個休憩場所。 --- 2-29 圖2.4-1 磷於水庫集水區之流佈與循環--- 2-30 圖2.4.2-1 應用深水攝影技術於翡翠水庫大壩水下 85 米處示蹤劑實驗 2-33 圖2.4.3-1 底泥磷傳輸概念模式--- 2-34 圖2.4.4-1 翡翠水庫現場底泥採樣照片--- 2-37 圖2.4.4-2 翡翠水庫底泥分層含水量、有機質、總磷及總氮變化--- 2-37 圖2.5.1-1 W2 格網示意圖--- 2-39 圖2.5.1-2 德基水庫 88 年水質模擬與實測結果 --- 2-40
圖2.5.1-4 翡翠水庫 85 年大壩站垂向葉綠素 a 模擬與實測結果 --- 2-41 圖2.5.2-1 曾文水庫 88 至 90 年集水區入流量之模擬與實測結果--- 2-42 圖2.5.2-2 曾文水庫 88 至 91 年表水層溶氧之模擬與實測結果--- 2-42 圖3.1-1 92 年度台灣地區主要水庫卡爾森優養指數比較圖 --- 3-2 圖3.1-2 92 年度台灣地區主要水庫優養現況 --- 3-3 圖3.1-3 82 至 93 年台灣地區 12 座主要水庫卡爾森優養指數比較圖 ---- 3-4 圖3.1-3 82 至 93 年台灣地區 12 座主要水庫卡爾森優養指數比較圖(續)3-5 圖3.1-4 展示環境資訊系統水庫水質網頁之內容--- 3-6 圖3.1-4 展示環境資訊系統水庫水質網頁之內容(續)--- 3-7 圖3.2.1-1 新山水庫--- 3-8 圖3.2.1-2 新山水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-9 圖3.2.2-1 新山水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-9 圖3.2.3-1 新山水庫水質監測站--- 3-10 圖3.2.3-2 新山水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-10 圖3.2.3-3 新山水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-11 圖3.2.3-3 新山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-12 圖3.2.3-3 新山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-13 圖3.2.4-1 微囊藻形成的藻華現象(新山水庫)--- 3-14 圖3.2.4-2 形成藻華的微囊藻經常會產生微囊藻毒(microcystins) --- 3-14 圖3.3.1-1 永和山水庫--- 3-17 圖3.3.1-2 永和山水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-18 圖3.3.2-1 永和山水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-18 圖3.3.3-1 永和山水庫水質監測站--- 3-19 圖3.3.3-2 永和山水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-19 圖3.3.3-3 永和山水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-20 圖3.3.3-3 永和山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-21 圖3.3.3-3 永和山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-22 圖3.4.1-1 明德水庫--- 3-24
圖3.4.2-1 明德水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-25 圖3.4.3-1 明德水庫水質監測站--- 3-26 圖3.4.3-2 明德水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-26 圖3.4.3-3 明德水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-27 圖3.4.3-3 明德水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-28 圖3.4.3-3 明德水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-29 圖3.5.1-1 鯉魚潭水庫--- 3-32 圖3.5.1-2 鯉魚潭水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-33 圖3.5.2-1 鯉魚潭水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-33 圖3.5.3-1 鯉魚潭水庫水質監測站--- 3-34 圖3.5.3-2 鯉魚潭水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-34 圖3.5.3-3 鯉魚潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-35 圖3.5.3-3 鯉魚潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-36 圖3.5.3-3 鯉魚潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-37 圖3.5.4-1 在優養化的水庫常出現顫藻(Oscillatoria sp.)，顯示有機污染。 --- 3-38 圖3.6.1-1 仁義潭水庫--- 3-40 圖3.6.1-2 仁義潭水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-41 圖3.6.2-1 仁義潭水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-41 圖3.6.3-1 仁義潭水庫水質監測站--- 3-42 圖3.6.3-2 仁義潭水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-42 圖3.6.3-3 仁義潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-43 圖3.6.3-3 仁義潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-44 圖3.6.3-3 仁義潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-45 圖3.6.3-4 仁義潭水庫取水口附近水溫、總磷及總氮之分層變化--- 3-47 圖3.7.1-1 蘭潭水庫--- 3-49 圖3.7.1-2 蘭潭水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-50 圖3.7.2-1 蘭潭水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-50
圖3.7.3-2 蘭潭水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-52 圖3.7.3-3 蘭潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-53 圖3.7.3-3 蘭潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-54 圖3.7.3-3 蘭潭水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-55 圖3.7.3-4 蘭潭水庫取水口附近水溫、總磷及總氮之分層變化--- 3-57 圖3.7.4-1 柱孢藻(Cylindrospermopsis raborski)在有機污染時優勢滋長， 可能有毒。--- 3-58 圖3.8.1-1 白河水庫--- 3-60 圖3.8.1-2 白河水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-61 圖3.8.2-1 白河水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-61 圖3.8.3-1 白河水庫水質監測站--- 3-62 圖3.8.3-2 白河水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-62 圖3.8.3-3 白河水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-63 圖3.8.3-3 白河水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-64 圖3.8.3-3 白河水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-65 圖3.9.1-1 鏡面水庫--- 3-67 圖3.9.1-2 鏡面水庫集水區土地利用型態分佈--- 3-68 圖3.9.2-1 鏡面水庫 92~93 年水庫之入流量--- 3-68 圖3.9.3-1 鏡面水庫水質監測站--- 3-69 圖3.9.3-2 鏡面水庫 82~93 年卡爾森優養指數--- 3-69 圖3.9.3-3 鏡面水庫 82~93 年表水域水質監測結果--- 3-70 圖3.9.3-3 鏡面水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-71 圖3.9.3-3 鏡面水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續)--- 3-72 圖3.10.1-1 鳳山水庫 --- 3-74 圖3.10.1-2 鳳山水庫集水區土地利用型態分佈 --- 3-75 圖3.10.2-1 鳳山水庫 92~93 年水庫之入流量 --- 3-75 圖3.10.3-1 鳳山水庫水質監測站 --- 3-76 圖3.10.3-2 鳳山水庫 82~93 年卡爾森優養指數 --- 3-76
圖3.10.3-3 鳳山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-78 圖3.10.3-3 鳳山水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-79 圖3.10.4-1 角星鼓藻(Staurastrum sp.)在優養化的水庫出現，是指標藻種。 --- 3-80 圖3.11.1-1 澄清湖水庫 --- 3-81 圖3.11.2-1 澄清湖水庫 92~93 年水庫之入流量 --- 3-82 圖3.11.3-1 澄清湖水庫水質監測站 --- 3-83 圖3.11.3-2 澄清湖水庫 82~93 年卡爾森優養指數 --- 3-83 圖3.11.3-3 澄清湖水庫 82~93 年表水域水質監測結果 --- 3-84 圖3.11.3-3 澄清湖水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-85 圖3.11.3-3 澄清湖水庫 82~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-86 圖3.12.1-1 牡丹水庫 --- 3-88 圖3.12.1-2 牡丹水庫集水區土地利用型態分佈 --- 3-89 圖3.12.2-1 牡丹水庫 92~93 年水庫之入流量 --- 3-89 圖3.12.3-1 牡丹水庫水質監測站 --- 3-90 圖3.12.3-2 牡丹水庫 89~93 年卡爾森優養指數 --- 3-90 圖3.12.3-3 牡丹水庫 88~93 年表水域水質監測結果 --- 3-91 圖3.12.3-3 牡丹水庫 88~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-92 圖3.12.3-3 牡丹水庫 88~93 年表水域水質監測結果(續) --- 3-93 圖3.12.4-1 有機污染的超優養化水庫常出現螺旋藻(Spirulina platensis) --- 3-94 圖4.1.6-1 水庫抽排下層水之裝置圖--- 4-6 圖4.1.8-1 四種深層水強制混合的方法--- 4-8 圖4.1.14-1 底層曝氣的裝置之一 --- 4-10 圖4.1.14-2 底層曝氣的裝置之二 --- 4-10 圖4.1.15-1 在高鹼度水體下 pH 與銅濃度及銅的物種之關係圖 --- 4-13 圖4.1.15-2 在低鹼度水體下 pH 與銅濃度及銅的物種之關係圖 --- 4-13 圖4.2.2-1 選擇改善措施簡單的決策樹--- 4-17
圖5.1.2-2 太陽能曝氣機接上較短的水管所造成的水體循環現象示意圖。此 方法將汲水端設於變溫層，只循環上層水。--- 5-6 圖5.1.2-3 太陽能曝氣機接上較長的水管所造成的水體循環現象示意圖。此 方法將汲水端設於接近底部，將遠達數哩外底部水循環至上層--- 5-6 圖5.1.2-4 風力曝氣機所造成的水體循環現象示意圖(案例一)--- 5-7 圖5.1.2-5 風力曝氣機所造成的水體循環現象示意圖(案例二)--- 5-8 圖5.1.2-6 1988 年至 1990 年 1 號水庫出流水之錳濃度的變化圖 --- 5-9 圖5.1.2-7 1 號水庫在 1990 年夏季其溫度與溶氧隨深度之分佈圖--- 5-9 圖5.1.2-8 裝置了曝氣機 5 週後其溫度與溶氧隨深度之分佈圖--- 5-10 圖5.1.2-9 在 1990 年夏季 1 號水庫與來 2 號水庫其溫度與溶氧隨深度之分 佈圖--- 5-10 圖5.1.2-10 佛羅里達州 Apopka 湖沼澤流道--- 5-12 圖5.1.2-11 Hillsdale 湖泊位置圖--- 5-13 圖5.2.1-1 連續揚水裝置--- 5-24 圖5.2.1-2 間歇式空氣揚水筒--- 5-25 圖5.2.1-3 深層曝氣循環機--- 5-26 圖5.2.1-4 純氧式陸上吹入型系統--- 5-26 圖5.2.1-5 純氧式水中吹入型系統之提案圖--- 5-27 圖5.2.1-6 人工浮島(乾式)--- 5-33 圖5.2.1-7 人工浮島(濕式)，霞浦湖土浦湖--- 5-33 圖5.2.2-1 日本琵琶湖及水質監測站位置--- 5-34 圖5.2.2-2 日本琵琶湖 1996 年水溫變化圖 --- 5-35 圖5.2.2-3 日本琵琶湖 1979 至 1996 年 BOD、TP 及 TN 變化情形 --- 5-36 圖5.2.2-4 日本霞浦湖及水質監測站位置--- 5-37 圖5.2.2-5 Nakamura 與 Shimatani 所設計的人工浮島--- 5-39 圖5.3-1 義大利的 Lake Annone--- 5-41 圖5.3-2 中國大陸的太湖種植菱角 --- 5-42 圖5.3-3 雲南滇池觀鷗渡輪 --- 5-43
圖6.3-2 牡丹水庫 91-92 年遞減率與最大葉綠素 a 之關係圖(預測) ---- 6-10 圖7.1.2-1 庫內架設原有曝氣系統位置--- 7-3 圖7.1.2-2 原有曝氣系統曝氣管組成--- 7-3 圖7.1.2-3 曝氣前後蘭潭水質氨氮(a)、總磷(b)及葉綠素 a (c)濃度變化- 7-5 圖7.1.3-1 總磷在一完全混合水體之平衡示意圖--- 7-6 圖7.1.6-1 擬規劃之蘭潭水庫生態工法場址--- 7-9 圖7.2.3-1 新山水庫水溫實測結果(94 年 6 月 2 日)--- 7-14 圖7.2.3-2 新山水庫溶氧實測結果(94 年 6 月 2 日)--- 7-14 圖7.2.3-3 新山水庫 pH 實測結果(94 年 6 月 2 日) --- 7-15 圖7.2.3-4 新山水庫採樣平面圖(94 年 8 月 22 日) --- 7-15 圖7.2.3-5 新山水庫水溫實測結果(94 年 8 月 22 日) --- 7-16 圖7.2.3-6 新山水庫溶氧實測結果(94 年 8 月 22 日) --- 7-17 圖7.2.3-7 新山水庫 pH 實測結果(94 年 8 月 22 日)--- 7-17 圖7.2.3-8 新山水庫藻類數量分佈結果(94 年 8 月 22 日) --- 7-18 圖7.2.3-9 新山水庫浮游動物數量分佈結果(94 年 8 月 22 日) --- 7-18 圖7.2.3-10 新山水庫水溫實測結果(94 年 10 月 20 日) --- 7-19 圖7.2.3-11 新山水庫溶氧實測結果(94 年 10 月 20 日) --- 7-19 圖7.2.3-12 新山水庫 pH 實測結果(94 年 10 月 20 日)--- 7-20 圖7.2.3-13 新山水庫溶解性反應磷實測結果(94 年 10 月 20 日)--- 7-21 圖7.2.3-14 新山水庫藻類數量實測結果(94 年 10 月 20 日) --- 7-21 圖7.3.1-1 澄清湖底泥浚渫清除(抽送至放乾區運離)(940426 拍攝)--- 7-23 圖7.3.1-2 澄清湖底泥放乾清除(曬乾運離)(940426 拍攝--- 7-23 圖7.3.3-1 澄清湖曝氣區及空壓機站配置圖--- 7-24 圖7.3.3-2 澄清湖導流幕安裝示意圖--- 7-25 圖7.4.2-1 鳳山水庫曝氣區及空壓機站配置圖--- 7-28 圖7.4.2-2 鳳山水庫導流幕及生物介質濾材安裝配置圖--- 7-29
第一章 前言
1.1 計畫緣起及背景
根據行政院「挑戰2008」國家發展重點計畫－水與綠建設計畫內容(行政院， 2002)，近年來由於集水區的過度開發使用，造成水庫水質有優養化的趨勢。因 此，如何加強水庫水質的監測並延長水庫的使用壽命，確保水庫安全及永續經 營，為未來水資源保育及集水區污染防治工作之重大課題。 「生態工程(Ecological Engineering)」這一個名詞是由佛羅里達大學教授 H. T. Odum 於 1962 年首先提出，因此被稱為「生態工程學之父」(張，民國 93 年)。Mitsch 及 Jorgensen 於 1989 年彙整具有共同特質與原則之各類型工程技 術並賦予定義，明確界定「生態工程」的觀念及適用範疇(林與邱，民國 92 年)。 在 1980 年代，台灣已有類似的生態工程在推動，其中最著名的是宜蘭五結鄉冬 山河的親水公園。近幾年，生態工法大量被利用在結合河溪流域生態規劃、復育、 植生及景觀設計。 生態工程是以近自然的方法，為傳統工程注入新的力量與重新發展的契機。 本研究力期以近自然的工法整治湖泊水庫，達到降低營養鹽及維持生態的平衡。 國內首次以生態工法整治湖泊案例為拐子湖(又稱青蛙湖)(吳，民國 89 年)。楊(民 國93 年)利用生態工法整治美濃中正湖，使用人工湖內湖(artificial lagoon) 及人工浮島(artificial floating islands)改善湖體的水質。
環保署水保處在甘泉計畫執行期間(民國 79 至 82 年)(郭等，民國 79、80 年； 駱等，民國81、82 年)，曾發展出台灣湖泊水庫優養化的各種評估方法及改善水 質的策略。最近幾年，經濟部水利署為配合國土綜合開發計畫、合理調配運用水 資源、促進經濟產業繁榮發展，以奠定國家長期發展之基礎，並兼顧維護自然環 境生態、提升國民生活品質及落實水資源永續利用，不斷推動台灣地區中小型水 庫的整治規劃研究計畫及水庫保育技術與推廣計畫之編擬(賴等，民國 91、92 年)。而環保署監資處之環境水質監測評核計畫(吳等，民國 91 年；林等，民國 92 年；王等，民國 93 年)亦對台灣主要水庫水質做持續性的監測。這些資料均可 提供做為本研究計畫之參考文獻。
1.2 計畫工作內容
依照合約內容，本計畫之工作內容敘述如下： 一、蒐集國內10 座優養化水庫庫區淨化水質、控制優養化 10 年以上研究、調查 報告及論文： (一) 國內優養化水庫，為新山水庫、明德水庫、永和山水庫、仁義潭水庫、 蘭潭水庫、鯉魚潭水庫、白河水庫、鏡面水庫、澄清湖水庫、鳳山水 庫及牡丹水庫等。 (二) 按各座水庫完成建立水庫總蓄水量、水庫管理機關、水庫特性、水庫 用途、10 年以上水庫水質等之基本資料。 (三) 分析並至少提出下列分析結果： 1. 歷年水庫內優養化趨勢分析。 2. 水庫內造成優養化、藻華現象之關鍵污染物及污染型態。 3. 水庫內藻類、營養鹽及代謝污染物間之問題、關係，及營養鹽減量 後，主要藻類及代謝污染物之變化情形。 4. 水庫底泥對優養化之影響。 5. 各座水庫去除水庫庫區氮磷方法、去除方法施作結果之工法(生態工 法、現地處理工法)類別及適用條件、去除效率及建設、維護操作 成本等分析。 二、蒐集 10 年以上美國、日本等國家去除水庫庫區營養鹽現地處理、生態工法 報告及研究資料至少40 份報告，至少分析提出： (一) 各現地處理、生態工法去除水庫內氮磷之案例分析、工法類別、去除 反應機制、適用條件、設計條件、操作條件、去除效率、操作維護成 本及應注意事項等。成果應至少有比較分析表。 1. 案例分析應至少依水庫特性、現地處理或生態工法、國別之不同， 至少有6 個分析案例，並提出案例之特點及注意事項。 2. 工法類別分析方向有人工浮島、底泥清除或其他處理方式等。 3. 適用條件應至少包含原水濃度、地理條件、水理條件等。 4. 設計條件應至少包含除污原理、污染負荷、水力負荷、去除率等。5. 操作條件應至少包含維護頻率、維護人力、如何執行等。 (二) 去除水庫庫區內部氮磷之策略。應至少含各國管制策略、輔導措施及 適用我國水庫管理之適用性分析。 三、邀相關機關團體、專家學者辦理十場座談會，並提出可行分年持續研究的方 向、計畫內容或行動計畫： (一) 應就目前國內各水庫研究報告，依各水庫為整治水庫優養化，建議 10 座水庫整治之優先序、尚需調查之計畫內容及執行經費，並分三年提 出。對於可立即執行整治之水庫，應提出行動計畫內容及執行預估經 費。 (二) 應至少現勘 10 座水庫庫區各 1 次，確認各水庫的基本資料及分析資 料，並建議庫區內部以水文、水力、生態、生物、物理等方法以控制 藻類生長及降低營養源濃度之方法，並建議可施作現地處理或生態工 法之地點及方式。 (三) 邀相關機關團體、專家學者至少完成 10 場次座談會(至少 170 人次)， 出席費及差旅費由本計畫支應。座談對象含各水庫管理機關、集水區 管理機關、曾研究水庫之專家學者等。辦理時機如下： 1. 完成各水庫基本資料及分析資料後，應至少完成北中南各 1 次諮詢 座談會議。 2. 完成國外資料蒐集後，應至少完成北中南各 1 次諮詢會議。 3. 分年研究方向初稿完成後，應至少完成北中南各 1 次諮詢會議。 4. 辦理全國水庫庫區控制優養化技術研討會一場。
1.3 報告內容
本報告內容共分成八章。第一章為前言；第二章為水庫內優養化趨勢分析方 法；第三章為國內優養化水庫資料調查；第四章為水庫庫區優養化治理；第五章 為先進國家去除水庫庫區營養鹽之案例分析；第六章為國內水庫問題及診斷方 法；第七章為國內優養化水庫優先整治計畫；第八章為結論與未來工作。圖1.3-1 為本計畫工作流程圖。本執行計畫經費表詳見附錄一。圖1.3-1 計畫工作流程圖 11 座水庫現勘及 資料蒐集 水質資料分析 內外部總磷負荷 資料推估 藻類相資料分析 召開北、中、南部 九次座談會及一次 全國性成果發表會 先進國家去除湖泊 水庫庫區營養鹽方 法及案例分析 擬定淨化水庫水質 控制優養化方法 (生態工法或現地處理方法) 評估水庫水質優養控制成效 (新年度計畫) 選定蘭潭及新山水庫列為最 優先整治之水庫，其餘9 座 水庫順序均略相等。
參考文獻
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第二章 水庫內優養化趨勢分析方法
2.1 水庫內優養化趨勢分析
目前國內用來評估水庫水質優養化的方法，是採用民國79-82 年環保署甘泉 計畫執行期間，由郭振泰、駱尚廉、吳先琪、吳俊宗及林正芳等教授參考國外文 獻及本土案例所制定的「湖泊水庫水質改善及優養化評估法之建立和調查－技術 手冊」迄今(郭等，民國 79、80 年；駱等，民國 81、82 年)。張穗蘋、吳俊宗及 陳伯中等教授(民國 87、88 年)曾針對環保署所委託監測的台灣地區二十座水庫 水質，進行數據分析、查核與研判並提出整治規劃策略。除使用卡爾森優養指數 來評判水庫之優養程度外，並使用雷達圖表示法判析水庫之優養程度，初步認為 可行，同時採用水體水質標準比值呈現各污染物之污染情形。 由於時空的變遷，目前台灣地區主要水庫水質有一半達優養化狀態，為有效 控制各類污染源對水庫之影響，改善水庫水質優養化現象，故需有一套完善的監 測數據統計分析及評估水庫水質優養化的方法。以下說明各種評估水庫水質優養 化之方法。 2.1.1 水質優養化評估方法 當大量的污染物質排入水庫中，在適當的水溫、酸鹼度、日照及水位等環境 因素下，將導致水庫中藻類大量異常繁殖、死亡，消耗水中溶氧，造成優養化。 其優養程度依所含營養物質多寡，分為優養、普養及貧養三類。一般評判水庫水 質的優養指標，可分為單一參數指標法及多變數指標法等，說明如下： 一、單一參數指標法 單一參數指標法包括世界經濟合作發展組織(OECD)的判定標準、Carlson (1977)及美國環境保護署(U.S. EPA, 1974)制定的單項營養鹽濃度優養判定標準 (駱等，民國 82 年)。水質參數為總磷、葉綠素 a 及透明度(或沙奇盤深度)，水質 參數與水體優養程度之關係如表2.1.1-1 至表 2.1.1-3 所示。在國內，由環保署所 制定之湖泊水質標準如表2.1.1-4 所示。表 2.1.1-1 OECD 單一參數判定優養化之標準 項 目 等 級 總磷(µg/L) 葉綠素a (µg/L) 透明度(m) 貧養 < 7.9 < 2 > 4.6 貧養－普養 8－11 2.1－2.9 4.5－3.8 普養 12－27 3－6.9 3.7－2.4 普養－優養 28－39 7－9.9 2.3－1.8 優養 > 40 > 10 < 1.7 表2.1.1-2 Carlson 單一參數判定優養化之標準 項 目 等 級 總磷(µg/L) 葉綠素 a (µg/L) 透明度(m) 貧養 < 12 < 2.6 > 4 普養 12－24 2.6－7.2 2－4 優養 > 24 > 7.2 < 2 表2.1.1-3 美國環境保護署單一參數判定優養化之標準 項 目 等 級 總磷(µg/L) 葉綠素 a (µg/L) 透明度(m) 貧養 < 10 < 4 > 3.7 普養 10－20 4－10 2－3.7 優養 > 20 >10 < 2 表2.1.1-4 環保署制定之湖泊水質標準 項 目 分 級 溶氧量 (mg/L) 生化需氧量 (mg/L) 懸浮固體 (mg/L) 氨氮 (mg/L) 總磷 (mg/L) 甲 6.5 以上 1 以下 25 以下 0.1 以下 0.02 以下 乙 5.5 以上 2 以下 25 以下 0.3 以下 0.05 以下 丙 4.5 以上 4 以下 40 以下 0.3 以下 － 丁 3 以上 － 100 以下 － － 戊 2 以上 － 無漂浮物且 無油污 － －
二、多變數指標法
多變數指標法為根據兩個以上之水質參數，分項計算後，合併為卡爾森優養
指數(Carlson trophic state index, CTSI)。此法為根據水中透明度、葉綠素 a 及
總磷，分別依下列公式計算：
TSI (SD) = 60－14.41 ln SD TSI (Chl-a) = 9.81 ln Chl-a＋30.6
TSI (TP) = 14.42 ln TP＋4.15 式中： SD = 透明度(m) Chl-a = 葉綠素 a 濃度(µg/L) TP = 總磷濃度(µg/L) 卡爾森優養指數(CTSI) = 3 ) ( ) ( ) (SD TSI Chl a TSI TP TSI 所得結果： CTSI < 40 為貧養狀態 40 ≤ CTSI ≤ 50 為普養狀態 CTSI > 50 為優養狀態 由於卡爾森優養指數評估法所使用之參數易受季節的影響，而有明顯的變 動。在台灣常因暴雨或颱風而造成水庫水體濁度偏高，使得卡爾森優養指數評估 法中的透明度及總磷參數會有偏差，無法反映實際優養化程度。 三、藻類指標法 除了水中的污染物濃度可以作為評判水質優養化的指標外，生長在水庫中的 藻類，是反映水質狀況最好的生物指標。目前國內較常採用的方法為藻類優養指 數法及歧異度指標法。 (一) 藻類優養指數法 利用水庫中出現的貧養、普養和優養條件及其出現的頻度的各別總和(分別
ATSI = (Foligo+ Fmeso)/( Feu+ Fmeso)
所得之ATSI >1.5 為貧養水質，0.5<ATSI<1.5 為普養水質，ATSI<0.5 為優養水質。
藻類優養指數法不受季節影響，可以彌補卡爾森優養指數受季節及濁度影響之缺 點。 (二) 歧異度指標法 藻類群落之種岐異度值會隨水質之優養化情形產生變化，在一般水庫中，其 數值之大小和水質之優養化程度成負相關，即優養化程度愈厲害，藻類群落之種 岐異度值愈低。其中以Shannon 與 McIntosh 歧異度指數最能反映水質狀況。 (1) Shannon 歧異度指數(H)： i s i i P P H 2 1 log
式中，Pi為i 種藻類之存在率(又 Pi = Ni/N，其中 Ni為i 種藻類數量，N 為所有 藻類數量)，s 為藻類種數。 (2) McIntosh 歧異度指數(MCI)： 2 / 1 2 1 ] ) ( [ 1
s i i P MCIShannon 歧異度指數(H) 及 McIntosh 歧異度指數(MCI)，可求其平均綜合 值，以作為水質指數(QI)。 % 100 5 2 1 H MCI QI 對一般水庫而言，當QI＞75 時為優良水質，約相當於貧養水質；當 50＜QI＜75 時，則屬中等水質；當QI＜50 則為不良水質，即相當於優養化水質。
2.1.2 衛星技術應用於水庫優養化之預測
以傳統之水庫水質監測方法，常受限於採樣位置點及時間點的問題，在進行
水 體 大 面 積 長 期 之 監 測 上 ， 有 其 困 難 性 。 目 前 地 理 資 訊 系 統(geographic
information system, GIS)與衛星遙測之技術(remote sensing, RS)已漸成熟，並具 有資料收集迅速、監測頻率高、可同時探測不同物質及大範圍監測等優點，以遙 測技術集合地理資訊系統，應用在水質監測方面除可降低成本外，還可有效掌握 影響水庫水質的參數，並由以往的點資料，推估至面狀資料，以進行水庫全區域 的水質監測與評估，可廣泛且迅速監測水庫集水區及水庫水質，另結合衛星影像 水質分析與水庫水質模式，進而預測水庫未來之水質。在國內，應用衛星技術於 水庫優養化的研究大致整理如下： 1. 鄭與葉(民國 87 年)，以德基水庫為示範區域，利用人工採樣之水質資料及 迴歸內插資料配合一般克利金法，建立水質空間的變異特性，並比較以 Carlson 優養化程度指標判釋美國大地衛星多光譜影像資料。 2. 楊等人(民國 88 年)，以翡翠水庫為研究區域，採多元迴歸模式分析遙測資 料，以較佳迴歸公式轉換水庫水質優養化判斷參數，最後再配合模糊綜合評 價法及單一參數 OECD 及多變數 Carlson 指標判釋水質優養化狀況，並結 合 GIS 系統處理、展示圖形化之結果。其迴歸公式之精度以 R2及 P-value 來評估，而R2皆大於 0.9，P-value 皆小於 0.05，可見其迴歸模式是非常可 靠的。 3. 雷與鄭(民國 88 年)以德基水庫為示範區域，配合水質採樣紀錄，利用美國 大地衛星之多光譜影像，建立德基水庫水質污染空間分布之情形，並經迴歸 分析及 HYDRO_GEN 隨機變域模擬，合理地評判各種營養狀況發生之機 率，並針對Carlson 模式之主要因子，最大透明度及透明度倍率因子予以改 正，將CTSI 修訂成更為符合德基水庫現地情形之營養狀況指標 TTSI。其研 究中各種模式之相關係數接近0.9，亦證明其參數轉換的精確度。 4. 陳等人(民國 91 年)以永和山水庫為研究區域，使用法國 SPOT 衛星像之監 測永和山水庫水質資料，建構衛星各波段組合之影像因子與各項水質參數間 的模型關係，做統計迴歸分析以尋求最佳迴歸公式，最後再採類神經網路模
式試驗做一比較。
5. Yang 等人(1999)利用衛星遙測影像資料，進行德基水庫水質狀況之監測，
並透過 QUAL2E 對其水質情況做一短期預測，最後再利用 GIS ERDAS
IMAGIN 軟體展示推估結果之影像。
6. Yang 等人(2000)透過衛星影像資料轉換現地水質參數，再以 QUAL2E 分析
並模擬水質污染模式，透過GIS 相關處裡軟體進行展示。
7. Cheng 與 Lei (2001)以 Landsat TM 影像及多變數 Carlson 指標判釋德基水 庫優養化情形。 8. 本研究團隊主持人郭振泰教授與中興大學土木系楊明德教授(民國 93 年)， 利用法國史波特(SPOT)衛星系列，預測翡翠及曾文水庫的水質狀況。圖 2.1.2-1 與 2.1.2-2 為利用 SPOT 衛星預測翡翠水庫水質優養結果，圖 2.1.2-3 與2.1.2-4 則為曾文水庫水質優養預測結果。 目前利用遙測技術轉換水質參數之困難大多在於現地資料的數目及分布，如 能增加參考資料將更能增進迴歸公式的精度以及推估大範圍水體的可靠度。同 時，衛星拍攝時間與採樣日期的配合亦是國內學者研究的限制，因為國內的衛星 影像取得，常受制於國外的資源衛星影像提供者，不容易找到理想中的影像，以 及預約或訂購的程序繁瑣，除了能經由中央太遙接收站取得的影像之外，其他的 資源衛星影像對於需要長期追蹤監測的研究是最大的限制，但是未來如能採用華 衛二號的影像此一窘境將能獲得改善。
OECD—CHLA：貧 養 貧養~普養 普養 普養~優養 優養 圖2.1.2-1 OECD 之葉綠素為分類標準判斷翡翠水庫水質優養化狀況(1999/4/15)
OECD—SD：優 養 優養~普養 普養 普養~貧養 貧養
63424 5248 0 0 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 貧養 貧養~普養 普養 普養~優養 優養 水質狀況 N o. of pi xe ls ln(Chl-a) = -1.878 * ( ln(b3) / ln(b2) ) + 2.569 圖2.1.2-3 OECD 之葉綠素為分類標準判斷曾文水庫水質優養化狀況(2002/11/26) 128 192 33024 9600 25728 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 貧養 貧養~普養 普養 普養~優養 優養 水質狀況 N o . o f p ix el s SD = -1.320 √b1+ 9.206 圖2.1.2-4 OECD 之透明度為分類標準判斷曾文水庫水質優養化狀況(2002/11/26)
2.1.3 監測數據統計分析
環境監測檢驗數據在統計學上有其獨有之特性，下面說明其特性要項： 1. 第一項特性是環境樣品為具空間與時間變異特性，就環境水體而言，同一採
樣點的樣本變數(variable)隨時間不同而有差異，這種現象普遍在平流運動 (advection) 較 為 激 烈 的 水 體 如 河 川 ， 但 傳 導 係 數 (Darcy conductivity coefficient)較高的地下水體亦為如此，而水庫水體因具較長的水力停留時 間，是故其水體水質之時間變異不若河川水體。而就空間變異特性而言，幾 乎所有之環境水體都不是學理上的完全混合體，是故水體水質有其空間分布 差異性。 2. 第二項特性是異常值，即分析數據偏離常態值，原因可能是採樣方式或分析 檢測失誤或是在記錄過程之錯誤。異常數據的再確認是一項很重要的工作， 若是因為採樣分析過程所造成之錯誤，得以因而加以改正，倘若是確實真值 無誤，也可因此發現異常之環境問題。 3. 第 三 項 特 性 是 可 能 含 有 大 量 低 於 偵 測 極 限 之 數 據 ， 統 計 學 上 稱 之 為”censored data”，當環境品質特別是背景狀態無污染時，良多之環境檢 測結果可能因指標項目之濃度太低，甚至低於偵測極限無法檢出，此部份結 果通常會造成數據統計分析上之困擾。 4. 第四項特性是環境品質檢測數據之數量龐大，然而這些數據大都是隨機採樣 的結果(happenstance data)，除非在特定目的下的採樣分析或是由連續監測 所得之結果，大部分環境水體水質資料均是隨機採樣的結果，是故數據資料 間的時空關連特性較小，單一資料之獨立性高。其都僅僅代表某一時間和某 一空間的結果，如此，經年累月下來，龐大的數據資料仍須運用統計方法分 析其背景分布和趨勢。 5. 第五項特性是非常態分布型態，環境品質之分布型態並非對稱於平均值之鐘 型分布，而是具有偏斜特性(skewness)，因此利用環境資料建立特有之分布 型態是環境資料統計分析處理上很重要的一項工作。
