國 立 交 通 大 學
土 木 工 程 研 究 所
碩 士 論 文
應用地理資訊系統與因子分析方法於地下水補
注潛勢評估─以濁水溪沖積扇為例
Assessing the Groundwater Recharge Potential
Using Geographic Information System and
Factor Analysis
- Case Study of Choshuihsi Alluvial Fan
研 究 生 ： 陳冠宇
應用地理資訊系統與因子分析方法於地下水補
注潛勢評估─以濁水溪沖積扇為例
Assessing the Groundwater Recharge Potential
Using Geographic Information System and
Factor Analysis
- Case Study of Choshuihsi Alluvial Fan
研
究 生：陳冠宇 Student：Kuan Y. Chen
指導教授：張良正
Advisor：Liang C. Chang
國
立 交 通 大 學
土
木 工 程 學 系 碩 士 班
碩
士 論 文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of Requirements
for the Degree of
Master of Science
in
Civil Engineering
April 2010
應用地理資訊系統與因子分析方法於地下水補注潛勢評
估─以濁水溪沖積扇為例
學生：陳冠宇 指導教授：張良正 博士 國立交通大學土木工程研究所摘要
由於地下水在台灣地區水資源供應上扮演著極重要的角色，因此地下 水資源的保育一直是個重要的議題，其中地下水補注為影響整個地下水系 統的關鍵因素之一。因此，本研究乃結合地下水補注因子分析與地理資訊 系統(GIS)，以評估地下水補注潛勢的空間分布並劃分高補注區域。 前述地下水補注因子分析考量之因子，包括土地利用、表層土壤種 類、河系密度、透水係數、平均年降雨量、降雨與地下水位變化相關性、 單位蓄水量變化等七項因子。而補注潛勢的計算則分為三個步驟，包括各 因子細項分數的給定、因子間權重的訂定以及補注潛勢總分之計算。其中 因子間權重的訂定乃基於Shaban et al. (2006)提出之因子分析方法，繪製 因子邏輯關係圖以給定因子間權重，而補注潛勢總分乃是各因子分數加權 後之總合。前述因子細項分數的給定及補注潛勢總分之計算等皆應用GIS 軟體輔助執行與展示。 本研究進一步將前述方法實際應用於濁水溪沖積扇，結果顯示扇頂區研院能源與資源研究所於 1996 年使用施蘭卜吉排列(Schlumberger Array) 之地電阻探測法及觀測井鑽探資料所推估之補注區界線相當接近。此結果 驗證了本研究提出之方法對地下水補注潛勢評估是個可靠有效的方法，亦 可作為地下水資源相關管理之輔助工具。
Assessing the Groundwater Recharge Potential Using
Geographic Information System and Factor Analysis -
Case Study of Choshuihsi Alluvial Fan
Student：Kuan-Yu Chen Advisor：Dr. Liang-Cheng Chang Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
Since groundwater, resources play a vital role in regional water supply, groundwater protection and conservation is an important issue in Taiwan. A systematic approach to assessing high recharge areas is a key factor in groundwater conservation. Therefore, this study proposes a systematic procedure that combines a factor-based method and geographic information system (GIS) to determine the spatial distribution of recharge potential and define high groundwater recharge areas.
This study selects seven factors to determine recharge potential: land use, surface soil type, drainage density, average annual rainfall, the correlation between rainfall and groundwater level variation, the variation of unit aquifer storage, and hydraulic conductivity. Calculating the recharge potential requires three steps; defining all factor scores, determining the weighting of factors, and summing the weighted factor scores. The purpose of the first step is to define the recharge score for each factor. A high factor score value represents high recharge potential for that factor. Second, the determination of weighting among factors was based on Shaban et al.’s factor analysis method, in that a diagram of logical relationship among factors is defined and the factor weights are computed based on the diagram. After determining the recharge score of each factor and its weighting, the total recharge score was obtained by summing all weighted factor scores. A high total score represents a high recharge potential. This study uses a GIS system for analysis, and all the values, including recharge potential, were spatially distributed.
This study applies the proposed method to Choshuihsi Alluvial Fan. Results show that the proximal area has a high recharge potential that
investigations conducted by the Industrial Technology Research Institute of Taiwan. This case study demonstrates that the proposed procedure is a reliable and efficient method of measuring groundwater recharge potential, and is therefore a useful tool for groundwater resource management.
謝誌
首先感謝恩師 張良正教授於學生碩士班修業期間，給予學術上的指導 與邏輯思考之培養，學生才得以順利完成學業，在日常中的待人處事哲學 更是讓學生受用無窮。感謝口試委員 江崇榮副所長、 葉昭憲教授以及 蘇 惠珍教授於口試時給予的寶貴意見，讓學生論文能更趨完善，在此致上衷 心謝意。感謝 史天元教授教導地理資訊系統專業知識，於課堂上還請來交 大防災中心慧蓉姐替我們示範講解。因分組製作期末報告的緣故，認識了 工研院佳惠姐、測量組同學恩銘、逸如、建成，感謝他們於學業上的幫助。 感謝 林峰田教授讓我旁聽地理資訊系統課程，雖然後來因有課衝堂，無法 新竹台北來回跑，但還是很高興上過您的課。感謝 王承德教授偷偷用學妹 的MSN跟我聊近況，真的很感謝您。感謝 鄭玉旭教授，在大學時期帶我們 上山做專題實驗，讓學生有了第一次撰寫專題論文的經驗。口試後，還使 用Facebook的聊天室詢問我近況，謝謝您。感謝 鄧慰先教授，由於大學通 識課程修過您的地理資訊系統概論，奠定了學生GIS的基礎，並且有了深厚 的興趣。 在交大的歲月裡，感謝水利組學長陳文哥、彬哥、貓哥、生哥、朱爺、 蘇哥、輝哥、君儀、柏成、為善、昱維、韋圻、瀚聖、阿牛在學業以及論 文上的大力協助與勉勵，很懷念大夥一同去好樂迪唱歌的歡樂時光。感謝訊組同學阿暉、志銘、十元、潘姐、地球、天恩、紅豆以及水利組同學阿 海的扶持。感謝資訊組學弟妹雲直、阿十、阿卡以及水利組學弟妹阜峻、 深惠、小魚、阿布的相伴與鼓勵。感謝其他研究室曾經給予過幫助的同學 們。感謝大學學伴恬恬於口試前的信心加持和提供「兔斯基跳NOBODY」 的影片讓我放鬆心情，口試後甚至還幫我慶祝，真的非常感動。感謝幼稚 園到現在仍有聯絡的青梅竹馬維倩的鼓勵，祝妳在挪威新婚快樂。注意看 看簽證國籍是否被挪威政府偷改為中國，最近鬧蠻大的新聞。感謝FarmVille 的農友們，讓我能夠短時間內達成遊戲任務，省下時間來做研究。感謝Mafia Wars的黑手黨兄弟們，在我做研究沒時間玩而被偷襲時，幫我擋刀擋槍， 搶劫還會分贓給我。感謝封神無敵的盟友們，能忍受我這長老為了做研究 消失那麼久，甚至還會幫我加油打氣。感謝瑪奇可愛的公會長，在我久久 登入一次，還是很熱情的跟我打招呼，並且詢問近況。感謝龜有公園前派 出所的兩津勘吉以及綜藝二人傳的神仙老爸，由於你們的搞笑演出，讓研 究室都充滿了我的笑聲。研究所生涯有了你們才會如此的歡樂和充滿活 力，認識你們真好。 感謝因協助老師計畫，認識的研究助理全哥、俊明、祐誠和彥勳以及 行政助理逸儒在計畫以及論文上的幫助、崧旭的楊順能經理和王韋力主 任、互動國際的洪家鴻高級專員和陳伯銜技術經理在GIS技術上的協助。其 中特別感謝楊經理與王主任於我申請研發替代役時，對我的大力推薦以及
對我的肯定。雖然受限於研發替代役名額，無機會於服役期間進入貴公司， 但希望以後仍有機會一起合作或工作。感謝在擔任老師系統分析專班助教 時認識的陳米山建築師對我的勉勵與建議，也提供我對鼻子過敏蠻有效果 的噴液劑，甚至介紹我認識他的家庭醫生。 感謝擔任工地主任的六叔，在我大學放假期間讓我去打工。感謝七叔 曾在我對論文不知所措時，請我去農工中心聊聊，並提供了我多個研究方 向與建議。感謝天上聖母、觀世音菩薩、福德正神、保生大帝等眾神明的 庇祐，讓我能順利完成碩士學位。最令我驚訝的是，口試日期竟然和保生 大帝生日是同一天，當天母親大人立刻早起到廣濟宮向保生大帝祈禱我能 口試順利。最後，最要感謝的是家人，爸爸、媽媽以及妹妹，從小到大無 論發生什麼事情，最關心我的肯定是家人。在研究所這段時間，由於很少 有機會回家，媽媽和妹妹數次來陪伴我好幾天，讓我覺得非常窩心。爸、 媽、妹，我真的好愛好愛你們。這篇謝誌是在母親節完成的，因此特別祝 福媽媽母親節快樂，身體健康，天天都是好心情。 2010.05.09 小宇 謹致於國立交通大學土木工程研究所
目錄
摘要 ... I Abstract ... III 謝誌 ... V 目錄 ... VIII 表目錄 ... XI 圖目錄 ... XIII 第一章 緒論 ... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究目的 ... 1 1.3 文獻回顧 ... 2 第二章 研究步驟 ... 8 第三章 研究方法 ... 10 3.1 潛勢評估因子與權重 ... 10 3.2 地下水補注潛勢評估流程 ... 20 3.3 地下水補注潛勢因子介紹 ... 24 3.3.1 地層內因 ... 24 3.3.2 水文外因 ... 26 3.3.3 綜合因素 ... 27第四章 濁水溪沖積扇地下水補注潛勢評估 ... 34 4.1 區域概述 ... 34 4.2 資料蒐集與處理 ... 54 4.2.1 土地利用 ... 55 4.2.2 表層土壤種類 ... 57 4.2.3 降雨與地下水位變化相關性 ... 58 4.2.4 平均年降雨量 ... 65 4.2.5 單位蓄水量變化 ... 67 4.2.6 透水係數 ... 71 4.2.7 河系 ... 73 4.3 因子分數圖層處理 ... 74 4.3.1 土地利用 ... 74 4.3.2 表層土壤種類 ... 75 4.3.3 降雨與地下水位變化相關性 ... 78 4.3.4 平均年降雨量 ... 79 4.3.5 單位蓄水量變化 ... 80 4.3.6 透水係數 ... 81 4.3.7 河系密度 ... 82
第五章 結論與建議 ... 89
5.1 結論 ... 89
5.2 建議 ... 90
參考文獻 ... 91
表目錄
表3.1-1、D 值之範圍及分數等級 ... 12 表3.1-2、R 值之範圍及分數等級 ... 12 表3.1-3、A 值之範圍及分數等級 ... 13 表3.1-4、S 值之範圍及分數等級 ... 14 表3.1-5、T 值之範圍及分數等級... 14 表3.1-6、I 值之範圍及分數等級 ... 15 表3.1-7、C 值之範圍及分數等級 ... 15 表3.1-8、常用水文地質參數之權重表 ... 16 表3.1-9、地下水補注潛勢影響因子之權重表(Shaban et al., 2006) ... 19 表3.1-10、地下水補注潛勢因子影響能力評估(Shaban et al., 2006) ... 19 表3.3-1、地下水補注主要影響因子示意表 ... 24 表3.4-1、地下水補注潛勢因子權重計算表 ... 31 表3.4-2、地下水補注潛勢因子分數表 ... 32 表4.1-1、濁水沖積扇地下水觀測井歸層表 ... 52 表4.2-1、圖資及數據來源表 ... 54 表4.2-2、圖資製作工具 ... 55 表4.2-3、95 及 96 年國土利用調查委託製作範圍表 ... 56表4.2-5、各雨量站徐昇氏網格之控制面積(續) ... 62
表4.2-6、各井之儲水係數與單位蓄水量變化 ... 69
表4.3-2、表層土壤種類計劃分類表 ... 76
圖目錄
圖2.1-1、研究步驟流程圖 ... 9 圖3.1-1、在拘限含水層及自由含水層之地下水位深度 ... 12 圖3.1-2、地下水補注潛勢相互影響因子概念圖(Shaban et al., 2006) ... 18 圖3.2-1、地下水補注潛勢評估作業程序 ... 23 圖3.4-1、地下水補注潛勢因子關係圖 ... 30 圖4.1-1、濁水溪沖積扇地質地表河川及水文地質剖面位置圖(中央地 質調查所，1999) ... 37 圖4.1-2、濁水溪沖積扇水文地質剖面 1 (全興-田中) (中央地質調查 所，1999) ... 38 圖4.1-3、濁水溪沖積扇水文地質剖面 2 (漢寶-田中) (中央地質調查 所，1999) ... 38 圖4.1-4、濁水溪沖積扇水文地質剖面 3 (芳苑-二水) (中央地質調查 所，1999) ... 39 圖4.1-5、濁水溪沖積扇水文地質剖面 4 (西港-田中) (中央地質調查 所，1999) ... 39 圖4.1-6、濁水溪沖積扇水文地質剖面 5 (海豐-觸口) (中央地質調查 所，1999) ... 40所，1999) ... 40 圖4.1-8、濁水溪沖積扇水文地質剖面 7 (箔子-土庫) (中央地質調查 所，1999) ... 41 圖4.1-9、濁水溪沖積扇水文地質剖面 8 (宜梧-東和) (中央地質調查 所，1999) ... 41 圖4.1-10、濁水溪沖積扇水文地質剖面 9 (大溝-古坑) (中央地質調查 所，1999) ... 42 圖4.1-11、濁水溪沖積扇水文地質剖面 10 (東石-崁腳) (中央地質調查 所，1999) ... 42 圖4.1-12、濁水溪沖積扇水文地質剖面 11 (全興-東石) (中央地質調查 所，1999) ... 43 圖4.1-13、濁水溪沖積扇水文地質剖面 12 (花壇-東榮) (中央地質調查 所，1999) ... 43 圖4.1-14、濁水溪沖積扇概念分層 ... 44 圖4.1-15、濁水溪沖積扇垂直水文地質剖面與流網圖(江崇榮，2006) ... 47 圖4.1-16、濁水溪沖積扇地下水分區示意圖(江崇榮，2005) ... 49 圖4.1-17、地下水各含水層補注來源示意圖(江崇榮，2006) ... 50 圖4.1-18、濁水溪沖積扇地下水觀測網站井分布圖 ... 53 圖4.2-1、濁水溪沖積扇土地利用研究分類圖層 ... 56
圖4.2-2、表層土壤種類原始圖層 ... 58 圖4.2-3、雨量站位置圖 ... 59 圖4.2-4、降雨與地下水位變化相關性因子所選取之地下水井分布圖 .... 60 圖4.2-5、豐榮(1)地下水位上升量與各區平均降雨量線性迴歸(a)平原 區(b)山區(c)全區 ... 63 圖4.2-6、各區降雨與受壓地下水井水位變化迴歸統計之 R2值比較圖 .. 64 圖4.2-7、各區降雨與非受壓地下水井水位變化迴歸統計之 R2值比較 圖 ... 64 圖4.2-8、降雨與地下水位變化相關係數等值圖 ... 65 圖4.2-9、本研究選取之雨量站 ... 66 圖4.2-10、本研究選取雨量站年雨量等值線圖(mm) ... 67 圖4.2-11、單位蓄水量變化因子所選用之地下水井分布圖(江崇榮， 2006) ... 70 圖4.2-12、單位蓄水量變化等值圖 ... 71 圖4.2-13、含水層一(F1)42 口地下水觀測站分布圖 ... 72 圖4.2-14、濁水溪沖積扇含水層一(F1)透水係數等值線圖 ... 73 圖4.2-15、濁水溪流域河系圖 ... 74 圖4.3-1、加權後土地利用潛勢分數分布圖 ... 75 圖4.3-2、加權後表層土壤種類潛勢分數分布圖 ... 77
圖4.3-4、1993~2008 年加權後平均年降雨量潛勢分數分布圖... 79 圖4.3-5、加權後單位蓄水量變化潛勢分數分布圖 ... 80 圖4.3-6、濁水溪沖積扇含水層一加權後透水係數潛勢分數分布圖 ... 81 圖4.3-7、加權後河系密度潛勢分數分布圖 ... 82 圖4.4-1、地下水補注潛勢總分分級圖 ... 85 圖4.4-2、地下水補注潛勢總分分級以及鄉鎮邊界圖 ... 86 圖4.4-3、50 分以上補注區界線與地電阻探測法研判之界線對比圖 ... 87 圖4.4-4、本研究與地電阻探測法研判之補注區範圍對比圖 ... 88
第一章
緒論
1.1 前言
由於地下水在台灣地區水資源供應上扮演著極重要的角色，因此地下 水資源的保育一直是個重要的議題，因此經濟部自民國 81 年起至 97 年 止，執行「臺灣地區地下水觀測網整體計畫」，執行期程分三期，於臺灣 九個地下水區及恒春和澎湖地區進行水文地質調查研究及地下水觀測井 建置工作，已完成建立臺灣地區水文地質基本資料、完善之地下水監測系 統、開發水文地質資料庫。水文地質調查研究共完成332 口（岩心總長度 67231 公尺）水文地質鑽探進行岩心分析研究並以水文地質資料庫儲存和 處理各項調查分析結果。 地下水補注為影響整個地下水系統的關鍵因素之一，其推估方法相當 複雜，方法亦相當多樣，本研究屬於半定量之地下水補注潛勢評估，乃結 合地下水補注因子分析方法與地理資訊系統(GIS)，提出一套有系統之方 式以評估地下水補注潛勢的空間分布，並劃分高補注區域。1.2 研究目的
本研究主要以因子分析方法進行補注潛勢評估，而由於各因子可透過 地理資訊系統進行圖層化，可進行空間分析以及展示成果，故將因子分析程，實際應用於濁水溪沖積扇劃定地下水高補注區邊界。
1.3 文獻回顧
文獻回顧主要分為兩個類別，一是與潛勢評估相關之文獻，另一為與 潛勢評估應用於地下水之相關文獻進行探討比較。 一、潛勢評估相關文獻 DRASTIC 模式為一地下水污染潛勢評估模式，為美國水井協會配合 美國環保署於 1985 年所提出，用以評估地區之污染潛勢，計算區域受到 污染的可能性大小，高污染潛勢代表該區域客觀上較易受到污染。在 DRASTIC 模式中，乃考慮七項水文地質參數(地下水位深度、淨補注量、 含水層介質、土壤介質、地形坡度、未飽和層影響、水力傳導係數)，結 合地理資訊系統評估一地區受污染潛勢之相對大小。張良正(1999)曾採用 DRASTIC 模式進行濁水溪沖積扇與屏東平原之地下水污染潛勢評估，該 模式同時考量七項水文地質參數，以評估該地區受污染潛勢之大小。由於 DRASTIC 評估模式中所考慮之水文地質參數有七項，因此將這兩個地區 以2 公里 × 2 公里的格網進行空間切割，並針對這七項參數來給定各網格 資料，再參考與修正DRASTIC 評估模式中所對應之每個參數的權重，經 加總後即可得到濁水溪沖積扇及屏東平原每個格網的總分，此分數即代表 各網格之污染潛勢；之後再利用MAPINFO 顯示出在這兩個地區的水文地其他類似 DRASTIC 模式以因子為基礎分析潛勢之文獻有，王敦儀 (2001) 以土壤沖蝕指標模式（SEIM）為理論基礎，配合各地降雨、地形、 土壤、覆蓋及土地利用等相關資料，運用Surfer 6.0 與 ArcView GIS 軟體 建立台灣地區土壤沖蝕潛勢圖，分析全島各地之土壤沖蝕潛勢。 陳 建 富 (2004) 針對行政院原住民族委員會自 1998~2001 年完成台灣全島 150 處 之調查部落社區中抽取21 處潛勢災害危險區，以多變量不安定指數分析 及倒傳遞類神經網路系統進行其環境潛勢災害風險評估模式之推導建 置。 戴君翰(2006) 選定 12 項坡地社區環境潛勢災害影響因子，進行獨立 性、交互性與融合性之統計檢定分析，再結合倒傳遞類神經網路與多變量 不安定指數統計分析法進行複相關迴歸及其受損風險評估模式之推導建 立，最後整合 GPS/GIS/RS 技術，完成一套適用於台灣南投地區內坡地社 區環境潛勢災害資料庫系統。侯春帆(2005) 以陳有蘭溪為崩塌潛勢研究對 象，選定六個因子，包括坡度、坡向、高程、地質、土地使用區分、距離 河道距離，各因子分別與現地之實際崩塌資料進行圖層套疊並透過不安定 指數法將各分級因子進行統計分析其中之潛感評分及各因子潛感權重，再 將各權重值以套疊方式，計算出總潛感值。陳柏帆(2006) 採用溪流長度、 有效集水區面積、 流域內邊坡坡度與坡向、地質、溪床平均坡度與潛在崩 塌比等七因子，因子間權重均假設為1，配合地理資訊系統進行土石流潛
歸來進行集水區之崩塌潛勢評估的模擬。選定集水區面積、河流長度、集 水區長度、集水區寬度、平均坡度、地質參數及道路長度等七種地形因子 並建立成地形因子資料庫，接著再把資料庫代入邏輯斯迴歸的模式中，利 用60 筆資料做訓練，40 筆資料做為驗證，建立一套邏輯斯迴歸之判別模 式。由上述文獻可歸納出二種因子間權重之作法，其一是因子間權重已經 固定或均為1，其二是以統計或類神經網路等方式決定因子間之權重。 二、潛勢評估應用於地下水之相關文獻 在地下水補注潛勢評估方面，有相當多文獻類似DRASTIC 模式以因子 為潛勢分析之基礎。Mukherjee (1996)提出許多影響地下水補注之因素，包 括地形、岩石種類、地質結構、風化程度、裂隙寬度、原生與次生孔隙率、 坡度、河系、土地利用、地表覆蓋以及氣候條件等因素皆相互控制著該區 域之地下水補注過程與流動方向。就目前常見之現地水文地質試驗與地球 物理探勘調查往往只著重於單一影響因素對地下水補注做評估，往往無法 同時考慮到不同條件之影響，相對地其調查資料之可信度將大幅降低 (Murthy, 2000)。Jasrotia et al. (2007) 利用遙感探測技術(Remote Sensing)與 地理資訊系統(Geographic information system , GIS)等技術，建構一平台做為 地下水人工補注潛勢區域(Potential zone for artificial recharge)劃分之用。其 劃分依據乃參考兩大類資料進行分析，第一類地表地質相關資料，大部分
水文土壤質地、坡度；第二類為含水層參數，其來源為現地資料，包含地 下水位深度、導水係數、水力傳導係數、蓄水係數、井之比容量及入滲能 力。再將此兩大類資料藉由地理資訊系統(GIS)之空間分析與整合後產出地 下水人工補注潛勢區圖層，配合河系網絡(Drainage network)圖層進行套疊， 以此作為執行補注地下水之依據，並用以驗證此圖層之正確性。最後近一 步將此地下水人工補注潛勢圖層之結果配合地形資料找出最適合補注的場 址，並建立一最後圖層作為最終成果之展現。此二篇文獻研究區域均屬於 岩石地形，故採用之因子無法直接套用於本研究，且無說明因子間權重如 何給定。 亦有以單一指標推估補注潛勢者，如Mondal et al. (2004)以降雨與地 下水位深度關係得到一相關係數，相關係數越大者代表補注潛勢能力越 佳。本研究參考其作法並加以擴充，作為本研究地下水補注潛勢因子之一 －降雨與地下水位變化相關性。而Braun et al. (2003)則進行兩個層次的圖 層 處 理 以 推 估 補 注 潛 勢 ， 首 先 歸 納 出 降 雨(Precipitation) 、 溫 度 (Temperature)、土壤種類(Soils)、與土地覆蓋(Land cover)等四項影響地下 水補注的顯著因子，再利用地理資訊系統(GIS)將上述顯著因子之圖層進 行空間分析再產生三張圖層，分別為滲透(Percolation)、地表逕流(Surface runoff)與根域(Root zone)三張圖層，各圖層個別依影響地下水補注潛勢的
加總即可得到，再依此判斷與劃定研究區域之地下水補注潛勢區域。其作 法並無考慮到三圖層影響補注潛勢之程度，即三圖層間之權重問題，而直 接分數加總，相當於因子間權重為1。
Shaban et al. (2006)以岩性(Lithology)、河系(Drainage)、線型構造 (Lineaments)、土地利用/覆蓋(Land use/Land cover)、岩溶區域(Karstic domains)等五項影響地下水補注潛勢之重要顯著因子評估黎巴嫩沿海喀 斯特地形山區之地下水補注潛勢。相較於其他文獻，Shaban 等人特別提出 了一套「因子邏輯關係圖」的概念，以訂定因子間之權重。本研究即採用 其方法，將於3.1 節詳細說明。葉信富等人(2008)採用岩性、土地利用/覆 蓋、線型構造、河系以及坡度等五項影響地下水補注潛勢之重要顯著因子 應用於知本溪與金崙溪流域之地下水補注潛勢評估，其因子權重之決定方 式與Shaban et al. (2006)近似。 江崇榮等人(2005)利用氚、溶氧及硝酸態氮做為地下水之示踪劑，利 用三者於水層中之濃度變化進而推估出地下水補注區之分布，其初步研究 指出濁水溪沖積扇之主要補注 來源，以扇頂為中心，包括八卦台地及斗六 丘陵之局部，總面積約285 平方公里，佔全地下水區面積之 13.7﹪。 林俊男(2000)考量八個地下水補注潛勢因子，以鄉鎮為單位推估濁水 溪沖積扇內各鄉鎮之地下水補注潛勢，其中八個因子包括增加一公尺水頭 之補注率、地表入滲潛力、定水頭邊界流失率、土地利用地表透水率、平
均年降雨量、稻作灌溉計畫水量、農業用地百分比、降雨日數。本研究則 以 1 公里見方網格為單位推估地下水補注潛勢，採用之因子亦與其不相 同。 張良正(1998)對屏東平原之地下水補注進行評估與分級，以飽和入滲 率與地下水位敏感度之乘積推估地下水補注潛勢並以此結果做為屏東平 原區域地下水補注分級之依據。進一步藉由MODFLOW 模式計算屏東地 區地下水位對於地表入滲之敏感度，並依此敏感度分析結果配合前述地表 土壤飽和入滲率評估區域補注潛勢與分級。 本研究將參考上述文獻評估地下水補注潛勢之方法，進行研究區域之 地下水補注潛勢評估；在補注潛勢因子之細部評分上，將參考 DRASTIC 之評分方法，對於補注潛勢因子間對於地下水補注潛勢之影響權重，則參 考Shaban et al.(2006)提出之方法，而在空間分析上則應用 GIS 之空間分析 功能，綜合前述地下水補注潛勢影響因子之評分標準，估算研究區域之地 下水補注潛勢。
第二章
研究步驟
本研究之研究步驟如圖2.1-1所示。第一階段是資料蒐集及彙整，主要 蒐集濁水溪沖積扇水文地質調查、地質鑽探、地下水水位、地下水水質、 土地利用、土壤圖、雨量及河川水系等資料。另外，再彙整國內外地下水 補注及保育相關報告與文獻。 第二階段為地下水補注潛勢流程建立，參考DRASTIC架構，考量土 地利用、表層土壤種類、年平均降雨量、透水係數、單位蓄水量變化及降 雨量與地下水位變化相關性等因子，給定相關權重，建立地下水補注潛勢 評估流程。 第三階段是圖資處理及建立，依照「地下水補注潛勢流程」所確立之 潛勢因子進行圖資的處理與建立。能申請取得之圖層即向相關單位申請， 包括土地利用、表層土壤種類、河系等，並使用GIS軟體進行網格交集、 地下水區切割等空間分析處理；無現成圖資的因子包括透水係數、單位蓄 水量變化、降雨與地下水位變化相關性、平均年降雨量，則由本研究蒐集 相關數據，內插處理後並建立因子圖層，亦需進行網格交集、地下水區切 割等空間分析處理。 第四階段為濁水溪沖積扇地下水高補注區劃分，乃根據地下水補注潛 勢評估流程計算後之補注潛勢分數，推估濁水溪沖積扇之地下水高補注 區。第五階段為劃分結果檢討與比較，乃將劃分結果與工業技術研究院劃 分之補注區界線進行比較。以上為本研究所採用之研究步驟，至於各階段 中所應用的主要分析方法將於下一章節進一步說明。 第一階段： 資料收集及彙整 第三階段： 濁水溪沖積扇補注潛勢因子圖資處理及建立 第二階段： 地下水補注潛勢流程建立 第四階段： 濁水溪沖積扇地下水高補注區劃分 第五階段： 地下水補注區劃分結果檢討與比較 圖2.1-1、研究步驟流程圖
第三章
研究方法
本研究建立一套完整的地下水補注潛勢之評估流程，並將之應用於濁 水溪沖積扇之地下水補注潛勢評估。本章節將說明地下水補注潛勢之評估 流程。首先於 3.1 節說明本研究所採用之方法。3.2 節說明地下水補注潛 勢評估流程。3.3 節進一步說明本研究所採用之補注潛勢因子。3.4 節再透 過因果分析方式，分析補注潛勢因子間相互關係，給予各補注潛勢因子互 相間之權重分數。各因子本身之補注潛勢分數圖層，則透過地理資訊系統 對各補注潛勢因子進行空間分析建立。 本研究最後再將各因子之潛勢分數圖層，以因子互相間之權重分數進 行整合，得到濁水溪沖積扇總體之補注潛勢分數圖層，以劃分研究區域之 地下水主要補注區。3.1 潛勢評估因子與權重
本研究的課題乃是地下水補注，而地下水補注的研究又可分為兩個層 次，一個乃是半定量的補注潛勢評估，另一個乃是定量的補注量推估，補 注潛勢可用以描述一個地區客觀上是否容易補注，然而實際上仍需有如降 雨等補注來源才能產生地下水補注，因此補注潛勢並不直接等同於補注 量。在潛勢評估方面，最具代表性乃是以DRASTIC 為代表的一系列以因 子權重分析為基礎的研究。本研究參考DRASTIC 的精神，進行補注潛勢DRASTIC 地下水污染潛勢評估系統是美國水井協會配合美國環保署 於 1985 年所提出，原本乃用以評估地區之污染潛勢，計算區域受到污染 的可能性大小，高污染潛勢代表該區域客觀上較易受到污染。原DRASTIC 模式中，乃考慮七項水文地質參數，以評估一地區受污染潛勢之相對大 小。由於此七項水文地質參數均可以圖層方式表示，故可結合地理資訊系 統(GIS)，將一地區之污染潛勢以圖形顯示。DRASTIC 模式除對一般性污 染物提出考慮水文地質參數之權重外，尚針對農業行為提出農業權重。經 由DRASTIC 模式所得之指標值本身並無不是污染發生機會之絕對值，其 只在顯示污染潛勢(發生機會)之相對大小。 1. DRASTIC 之水文地質參數及其評分 上述提到水文地質參數有七項，即為DRASTIC 名稱命名之由來：地 下水位深度(Depth to water, D)、淨補注量(Net recharge, R)、含水層介質 (Aquifer media, A)、土壤介質(Soil media, S)、地形坡度(Topography, T)、 未 飽 和 層 影 響(Impact of vadose zone, I) 與 含 水 層 水 力 傳 導 特 性 (Conductivity of the aquifer, C)。此七項水文地質參數皆可用地圖形式來表 現。DRASTIC 系統將考慮之七個水文地質參數分別轉換成 0~10 分之分數 等級。分別說明如下:
D 表示地面至地下水位之深度(圖 3.1-1)。一般而言，D 值愈小，則地下水 受污染之可能性愈高，其所對應的分數也較高。可從表 3.1-1 得知在實際 應用上，D 值範圍及其對應之分數等級。 圖3.1-1、在拘限含水層及自由含水層之地下水位深度 (2). R (淨補注量) 污染物質進入地層後，主要係受水之攜帶而移動，故來自地表之補注 水量提供了污染物於含水層中傳輸及擴散之能力。其關係可用表 3.1-2 表 示。 表3.1-1、D 值之範圍及分數等級 範圍(Range) 分數等級 (Rating) 呎 公尺 0~5 5~15 15~30 30~50 50~75 75~100 100+ 0~1.5 1.5~4.5 4.5~9.0 9.0~15 15~22.5 22.5~30 30+ 10 9 7 5 3 2 1 表3.1-2、R 值之範圍及分數等級 範圍(Range) 分數等級 (Rating) 呎 公尺 0~2 2~4 4~7 7~10 10+ 0~0.6 0.6~1.2 1.2~2.1 2.1~3.0 3.0+ 1 3 6 8 9 (3). A (含水層介質)
含水層介質之性質決定地下水於其間的流動能力，更影響到污染物之 傳輸及擴散。大體而言，介質之顆粒愈大或裂縫孔隙愈多，則其滲透性佳 且遲滯力愈差，污染可能性就愈高。所對應的分數也相對地高。表 3.1-3 表示主要介質種類及其分數等級。 表 3.1-3、A 值之範圍及分數等級 範 圍 (Range) 分數等級 (Rating) 典型分數等級 (typical Rating) 塊狀頁岩(Massive shale) 1-3 2 變質/火成岩(Metamorphic/igneous) 2-5 3 風化之變質/火成岩 (Weathered metamorphic/igneous) 3-5 4 薄層砂岩、石灰岩、頁岩層
(Thin bedded sandstone,limestone,shale sequeuces)
5-9 6
塊狀砂岩(Massive sandstone) 4-9 6 塊狀石灰岩(Massive limestone) 4-9 6 砂及礫石(Sand and gravel) 6-9 8 玄武岩(Basalt) 2-10 9 喀斯特石灰岩(Karst limestone) 9-10 10 (4). S (土壤介質) S 主要指未飽和層最上部生物作用明顯之部份。在 DRASTIC 系統 中，一般可指地表 3 呎(約 1 公尺)以內之表土風化層。S 值對污染潛勢之 影響主要決定於粘土種類，膨脹/收縮能力，土壤顆粒大小，以及有機質 含量，應用上可利用表3.1-4，來決定其所對應的分數。
表3.1-4、S 值之範圍及分數等級 範 圍 (Range) 分 數 等 級 (Rating) 薄或無(Thin or Absent) 10 砂礫(Gravel) 10 砂(Sand) 9 收縮及結塊粘土
(Shrinking and/or Aggregated clay) 7 砂質壤土(Sandy loam) 6 壤土(Loam) 5 坋質壤土(Silty loam) 4 粘質壤土(Clay loam) 3 非收縮及非結塊粘土
(Nonshrinking and nonaggregated clay) 1 (5). T (地形坡度) 地表坡度表污染物將很快為地表逕流所帶走，或能有足夠停留時間以 入滲至土層中。入滲機會大，則坡度所導致之污染可能性就高。應用上可 利用表3.1-5，來決定其所對應的分數。 表3.1-5、T 值之範圍及分數等級 範圍 (Range) 分數等級 (Rating) 0~2 2~6 6~12 12~18 18+ 10 9 5 3 1 (6). I (未飽和層影響) 此處之未飽和層於受壓含水層，其影響包括未飽和層及覆於該含水層 以上之飽和層；於自由含水層指地下水位以上之未飽和層。生物分解、中
和、過濾、化學反應、揮發及延散作用等均是於未飽和層中可能發生之過 程。此外，此層並影響到污染物傳輸之時間及量。實際應用可利用表3.1-6。 表 3.1-6、I 值之範圍及分數等級 範 圍 (Range) 分數等級 (Rating) 典型分數等級 (Typical Rating) 坋/粘土(Silt/Clay) 1-2 1 頁岩(Shale) 2-5 3 石灰岩(Limestone) 2-7 6 砂岩(Sandstone) 4-8 6 層狀石灰岩、砂岩、頁岩
(Bedded limestone, sandstone, shale) 4-8 6 含坋土及黏土之砂與礫石
(Sand and gravel with significant silt and clay) 4-8 6 變質岩/火成岩(Metamorphic/igneous) 2-8 4 砂及礫石(Sand and gravel) 6-9 8 玄武岩(Basalt) 2-10 9 喀斯特石灰岩(Karst limestone) 8-10 10 (7). C (含水層水力傳導特性) 水力傳導係數愈大，污染物愈易自污染源被移走，則地下水受污染之 潛能愈大，應用上可利用表3.1-7。 表3.1-7、C 值之範圍及分數等級 範圍(Range) 分數等級 (Rating) Gpd/ ft2 Cmd/m2 1-100 100-300 300-700 700-1000 1000-2000 2000+ <4 4-12 12-28 28-40 40-80 80+ 1 2 4 6 8 10
DRASTIC 系統中除對一般性污染物提出所考慮水文地質參數之一般 性權重外，另外農業耕作之施肥及農藥施放方式著重於表土層，對地下水 所可造成污染之途徑較明確，故針對農業行為提出農業權重(表 3.1-8)。
表3.1-8、常用水文地質參數之權重表
水 文 地 質 參 數 一般權重 農業權重 D (Depth to water table) 5 5
R (Net recharge) 4 4 A (Aquifer media) 3 3 S (Soil media) 2 5 T (Topography) 1 3 I (Impact of vadose zone) 5 4 C (Hydraulic Conductivity of the aquifer) 3 2
2. DRASTIC 污染評估指標之決定 決定上述七個水文地質參數之分數值(Rating)及權重值(weighting) 後，其相應之乘積和即為DRASTIC 污染評估指標值，如式 3.1-1 所示： r w r w r w r w r w r w r wD R R A A S S T T I I C C D DRASTIC = + + + + + + (式 3.1-1) 下標r 代表分數值(Rating) 下標w 代表權重值(weighting) 然而前述 DRASTIC 並無客觀之各因子間權重之計算方式，乃直接以 使用者經驗給定，因此本研究參考 Shaban 等人因子權重決定之方法，先 決定各個因子間之因果關係後再據以計算權重。以下將對 Shaban 等人的 作法做介紹。
Shaban et al. (2006)以岩性(Lithology)、河系(Drainage)、線型構造 (Lineaments)、土地利用/覆蓋(Land use/Land cover)、岩溶區域(Karstic domains)等五項影響地下水補注潛勢之重要顯著因子評估黎巴嫩沿海喀 斯特地形山區之地下水補注潛勢及全區之補注量。並依照此五個影響因子 間的主要影響關係與次要影響關係訂定因子間之權重比例。 根據圖 3.1-2 地下水補注潛勢相互影響因子概念圖給予判定，如各項 因子間存在主要影響關係(實線部份)，則給予 1.0 分之權重值；如各項因 子間存在次要影響關係(虛線部份)，則給予 0.5 分之權重值。之後再將各 因子進行分級，各分級皆有其權重分數(Weight)，最高為 10 分，最低為 1 分，如表3.1-9 所示。接著再把之前各因子所代表的權重比例(Rate)與因子 內部之分級所代表權重(Weight)乘積即可得到該因子內部分級對地下水補 注潛勢之影響能力，如表3.1-10 所示。
表 3.1-9、地下水補注潛勢影響因子之權重表(Shaban et al., 2006)
3.2 地下水補注潛勢評估流程
本研究將針對濁水溪沖積扇之水文地質特性，參考地下水補注潛勢研 究之相關文獻，整合地理資訊系統(GIS)，提出地下水補注潛勢評估流程， 以此流程為基礎進行濁水溪沖積扇地下水補注潛勢分析，流程架構如圖 3.2-1 所示。 在地下水補注潛勢因子部分，本研究考量「土地利用」、「表層土壤 種類」、「降雨與地下水位變化相關性」、「河系密度」、「平均年降雨 量」、「單位蓄水量變化」以及「透水係數」等七項主要影響因子(如表 3.2-1 所示)。而各影響因子相對權重之決定，後續將於 3.3 節進一步說明。 本研究將針對濁水溪沖積扇之水文地質特性，參考與地下水補注潛勢 相關之研究報告與文獻資料，提出地下水補注潛勢評估流程，並以其進行 濁水溪沖積扇地下水補注潛勢分析，補注潛勢評估流程如圖 3.2-1 所示。 在建立地下水補注潛勢因子方面，乃參考相關文獻資料，配合濁水溪沖積 扇之水文地質特性所訂定。 圖 3.2-1 主要說明地下水補注潛勢評估流程，首先為「選定地下水補 注潛勢因子與因子資料蒐集」，在補注潛勢因子選定部份，主要為參考研 究區域相關文獻資料以及配合研究區域之水文地質特性所訂定，而在補注 潛勢因子之資料收集方面乃針對研究區域蒐集點位資料、圖層資料等，接前，本研究以一公里見方之網格對研究區域各補注潛勢因子之GIS 圖層進 行空間切割，因此本計畫進行地下水補注潛勢評估時，將以一公里見方之 網格作為基本評估單位。 在「選定地下水補注潛勢因子與因子資料蒐集」之後，接著為兩個可 同時進行的步驟，分別為「繪製補注潛勢因子關係邏輯圖」與「給定補注 潛勢因子細部分類分數」。「繪製補注潛勢因子關係邏輯圖」乃是基於補 注潛勢因子間的因果邏輯關係繪製關係圖，再根據此關係圖作為下一步驟 「計算補注潛勢因子間之權重」之基礎，補注潛勢因子間的因果關係圖將 於3.4 節說明。「給定補注潛勢因子細部分類分數」是將補注潛勢因子根 據其資料型態或特性再進行細部分類，並依照各細部分類對補注潛勢影響 程度給定分數。 「計算補注潛勢因子間之權重」乃根據因子關係邏輯圖計算補注潛勢 因子間之權重。「計算各網格之補注潛勢因子分數」步驟須依因子的圖層 資料型態進行處理，因子圖層型態可分為面及點兩種型態。若因子的圖層 型態屬於面圖層，則需依照因子內各細部分類面積佔一網格之比例乘上各 細部分類之分數，再將各細部分類之分數加總即可得到該網格對應於該因 子之潛勢分數(式 3.2-1)。若因子的資料型態屬於點型態，由於因子資料是 由點位資料直接內插到各網格，因此將各網格上之資料對照因子細部分類
最後「以補注潛勢因子間之權重加權累加各因子分數」則是將各地下 水補注潛勢因子在網格上之分數乘上各因子影響地下水補注潛勢之權重 之後，再將各因子之分數加總即可得到該網格之補注潛勢總分(如式 3.2-2 所示)。
∑
∑
= = × = cno cno M j i cno M j cno j Area j RF j Area i AWA 1 , 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ...(式 3.2-1) ) ( ) ( 1 i AWA i TRF N cno i cno =∑
× = ω ...(式 3.2-2) ) (iAWAcno ：代表第 i 種補注潛勢因子網格圖層中，第 cno 個網格之因子潛
勢分數。
( )
j RFcno,i ：代表第i 種補注潛勢因子網格圖層中，第 cno 個網格內之第 j 種 細部分類分數。 ) ( j Area ：代表第 j 種細部分類區塊的面積。 cno M ：代表在第cno 個網格內的區塊數量。 ) (i ω ：代表第i 種補注潛勢因子的權重數值。 N ：代表補注潛勢因子個數。 cno TRF ：代表在第cno 個網格內的整體補注潛勢分數。選定地下水補注潛勢因子 與因子資料蒐集 給定補注潛勢因子 細部分類分數 計算各網格之 補注潛勢因子分數 繪製補注潛勢因子 關係邏輯圖 計算補注潛勢因子間之權重 以補注潛勢因子間之權重加權 累加各因子分數 圖3.2-1、地下水補注潛勢評估作業程序
3.3 地下水補注潛勢因子介紹
本研究根據前述考量之七項地下水補注潛勢因子可依據其性質大致區 分為三大種類(如表 3.3-1 所示)，第一類為地層內因，包含土地利用、表 層土壤種類以及透水係數；第二類為水文外因，包含河系密度和平均年降 雨量；第三類為綜合因素，包含降雨與地下水位變化相關性、單位蓄水量 變化。本節將針對各個補注潛勢因子做介紹以及說明其使用原因。 表3.3-1、地下水補注主要影響因子示意表 因子種類 潛勢因子 說明 地層內因 土地利用 地表土地使用性質、植被覆 蓋。 表層土壤種類 表層土壤種類分布狀況。 透水係數 透水係數K 值。 水文外因 平均年降雨量 長期平均年降雨量。 河系密度 每一網格內河川所佔面積比 例。 綜合因素 降雨與地下水位 變化相關性 降雨事件期間「降雨量」與「地 下水位上升量」迴歸統計之 R2 。 單位蓄水量變化 長期地下水位變化(標準差)與 儲水係數之乘積。 3.3.1 地層內因 此類因子為地表與淺層含水層本身對補注量之大小有顯著影響之因 子，本研究選定的有土地利用、表層土壤種類、透水係數以及河系密度等，一、土地利用
土地利用是影響地下水補注過程中很重要之因素，此因素包括居住區 域分佈以及植被覆蓋。人造建築物如房屋、道路以及堤防等都阻礙了地下 水補注(Bou Kheir et al., 2003)，雖然高密度植被覆蓋會增加蒸散率，減少 水滲透至地表，但有研究指出另外三項見解，(1)植物根部的生化分解有助 於鬆散岩石或土壤，使得水更容易滲透地表，(2)植被區帶可避免土壤水分 直接蒸發，(3)植物根部有吸附水分能力，可減少水分隨逕流帶走，故植被 覆蓋仍是有效提供地下水補注(Shaban et al., 2006)。Bromley et al. (1997) 亦指土地利用/覆蓋改變導致地下水補注量之差異，故如降雨量和蒸發散 量應考慮其時變性。Leduc et al. (2001)則利用地下水位變化量推估土地利 用或植被改變所造成之地下水補注量差值。綜合考量前述文獻之結論，本 研究將土地利用納入地下水補注潛勢因子。 二、表層土壤種類 表層土壤種類主要是以顆粒大小的不同來劃分，粒徑大小會造成土石 間的孔隙大小不同，同時也會影響降雨入滲到地下水中的效率。許多學者 均以此作為地下水補注潛勢評估因子，如 Murthy (2000)、Jaiswal et al. (2003)等，故本研究亦將表層土壤種類納入地下水補注潛勢因子。
易程度，因此其亦將影響降雨對含水層之補注，所以本研究將透水係數亦 列為補注潛勢評估因子之ㄧ。 四、河系密度 濁水溪沖積扇地下水補注主要來源為降雨與河川補注，故本研究亦將 河系密度納入地下水補注潛勢因子。本研究應用Greenbaum (1985)定義之 河系長度密度值(Drainage-length density)，每單位面積河系之總長度。河 系長度密度值與地下水補注有顯著之相關性，河系長度密度值越高之區域 代表越多地下水補注量。許多學者均以此作為地下水補注潛勢評估因子， 如Krishnamurthy et al. (1996)、Edet et al. (1998)、Murthy (2000)、Shahid et al. (2000)、Jaiswal et al. (2003)、Sener et al. (2005)、Yeh et al. (2008)等。
3.3.2 水文外因 水文外因是指對補注量有直接影響之外在因素，在此為平均年降雨 量，以下將進一步對此做說明。 台灣位在歐亞大陸及太平洋的交界處，獨特的地理位置加上季風、颱 風及周遭海流的交互影響，使台灣的降雨一直有著複雜的變化型態。地下 水的補注來源主要以天然降雨入滲為主，許多學者均以此作為地下水補注 潛勢評估因子，如Murthy (2000)、Sener et al. (2005)等。故本研究亦將年 平均年降雨量納入地下水補注潛勢因子。
3.3.3 綜合因素 綜合因素為除了前述可直接量測或經由現地調查與試驗取得之水文地 質相關因子外，其他能綜合反映補注量大小但需再經由人工分析始可求得 之相關因子。本研究目前以降雨與地下水位變化相關性及單位蓄水量變化 等因子考量之，以下將對此兩因子進一步說明： 一、降雨與地下水位變化相關性 此補注潛勢因子乃是經由迴歸統計方式，探討地下水位變化是否受降 雨之影響，其概念為先求得各降雨事件發生期間之「降雨量」與「地下水 位上升量」，再以所得之多組降雨量與地下水位上升量進行線性迴歸。迴 歸所得之相關係數 R2 (R-squared value) 代表降雨對地下水位變化之影響 程度，因此當此相關係數越高則補注潛勢分數亦相關較高。 二、單位蓄水量變化 儲水係數為含水層蓄水量估算重要參數，藉由儲水係數可評估含水層 補注潛勢之高低，本研究針對蒐集之儲水係數進行分析，於濁水溪沖積扇 上游補注區擁有較高之儲水係數。 各含水層蓄水量之增減，主要是由扇頂非受壓地下水層地下水面之升 降，亦即非受壓含水層地下水飽和含水體積之增減來儲存或支出；其餘受 壓含水層部分則屬於彈性蓄水，其蓄水量變化極小。若考慮受壓地下水
2004b)。 在同樣補注水量之下，非受壓含水層由於土層蓄水能力較受壓含水層 高，即比出水量大於儲水係數，前者之水位變化將較後者小，因此為反映 系統所受外來補注量的大小，本研究以「單位蓄水量變化」代表之，即地 下水位變化之標準差與儲水係數相乘所得，藉由此變化來反應前述之情 況。
3.4 補注潛勢各因子計分方式
每項補注潛勢因子對地下水補注而言，其影響效力並非皆佔有相同比 例，根據Shaban et al. (2006)之研究，各項潛勢因子之間，具有相依相存 之關係。因此本研究將參考Shaban et al. (2006)與 Yeh et al. (2008)等方式， 估算不同補注潛勢因子間權重比例。圖3.4-1 為補注潛勢影響因子間的因 果關係示意圖，其中補注潛勢影響因子互以實線或虛線連接，實線代表主 要影響，而虛線則代表次要影響，箭頭方代表被影響方，箭尾方向則代表 影響方。 舉例說明，「降雨與地下水位變化相關性」及「單位蓄水量變化」之 間有主要影響關係，其方向由「降雨與地下水位變化相關性」指往「單位 蓄水量變化」，代表「降雨與地下水位變化相關性」為因，「單位蓄水量 變化」為果。若由物理現象來探討，假設降雨與地下水位變化相關性高時，化。例如當一區域雨量豐沛時，其長期地下水位會較為穩定，若有雨季與 旱季之分則其水位變動則較大，因此「降雨與地下水位變化相關性」因子 為高相關性時，會影響地下水位之標準差，而「單位蓄水量變化」為地下 水位標準差與比出水量之乘積，因此將到影響，故「降雨與地下水位變化 相關性」對於「單位蓄水量變化」的關係視為主要影響。 在「單位蓄水量變化」對「降雨與地下水位變化相關性」為次要影響 部分，「單位蓄水量變化」為因，「降雨與地下水位變化相關性」為果。 「單位蓄水量變化」為地下水位標準差與儲水係數之乘積，而此兩項中僅 儲水係數會影響到地下水位，但對於「降雨與地下水位變化相關性」因子 而言，此兩項因素皆無法對其明確而直接的影響。比較前述兩種例子，其 影響程度有所差異，故分為主要影響與次要影響兩種。 由圖 3.4-1 可以明顯表示各項影響補注潛勢因子間之影響關係，為探 討不同影響因子影響力的大小比例，本研究因為主要影響給予較大的權重 值，在此給予 1.0 之權重值，而次要影響則給予 0.5 之權重值。計算主要 影響箭尾個數與次要影響箭尾個數即可累計該影響因子的影響權重。以 「土地利用」因子為例，其有一個主要影響箭尾與一個次要影響箭尾，因 此其權重值即為 1.5。之後再將各因子之權重除以各因子之權重加總後即 可得到各因子之權重百分比，表 3.4-1 即為補注潛勢因子權重計算表。完
分數。在一個補注潛勢因子之分類中，對於影響地下水補注潛勢最重要者 給予100 分，次要者則視影響地下水補注潛勢之大小適度調降分數，以此 類推定義因子內部所有分類之分數，例如土地利用之權重百分比為12%， 因此在土地利用因子中，影響地下水補注之分類最高分為100 分，加權後 為12 分(100×12%)，而河川為土地利用因子中影響濁水溪沖積扇地下水補 注最重要的分類，因此河川之分數即為 12 分，其餘分類依照影響地下水 補注潛勢的高低給予分數。表3.4-2 為補注潛勢因子分數表。 圖3.4-1、地下水補注潛勢因子關係圖
表3.4-1、地下水補注潛勢因子權重計算表 地下水補注潛勢因子 計算方式 權重值 權重百分比 土地利用 1(1)+1(0.5)=1.5 1.5 12% 表層土壤種類 3(1) =3.0 3.0 24% 降雨與地下水位變化相 關性 1(1)=1.0 1.0 8% 平均年降雨量 2(1)=2.0 2.0 16% 單位蓄水量變化 1(0.5)=0.5 0.5 4% 透水係數 2(1)=2.0 2.0 16% 河系密度 2(1)+1(0.5)=2.5 2.5 20% 總分 12.5 100% 主要影響(1.0)，次要影響(0.5)
表3.4-2、地下水補注潛勢因子分數表 地下水補注潛勢因子 代碼 分類與範圍 分數 土地利用 7 不透水區 0 6 裸露地 20 5 林地 40 4 灌木荒地 60 3 綠地 70 2 農耕地 90 1 河川 100 表層土壤種類 10 粘土 10 9 坋質粘土 20 8 粘壤土 30 6 壤土 40 7 砂質粘壤土 40 5 坋土 50 4 極細砂土 60 3 壤質細砂土 70 2 細砂土 80 1 粗砂土 90 11 石礫 100 降雨與地下水位變化 相關性 1 0.22~0.36 20 2 0.36~0.50 40 3 0.50~0.64 60 4 0.64~0.78 80 5 0.78~0.92 100 平均年降雨量(mm) 1 1000~1240 20 2 1240~1480 40 3 1480~1720 60 4 1720~1960 80 5 1960~2200 100
地下水補注潛勢因子 代碼 分類與範圍 分數 單位蓄水量變化 1 0~0.2 20 2 0.2~0.4 40 3 0.4~0.6 60 4 0.6~0.8 80 5 0.8~1.0 100 透水係數 1 0~0.024 20 2 0.024~0.048 40 3 0.048~0.072 60 4 0.072~0.096 80 5 0.096~0.120 100 河系密度(km/km2) 1 0~0.5 20 2 0.5~1.0 40 3 1.0~1.5 60 4 1.5~2.0 80 5 2.0~2.5 100
第四章
濁水溪沖積扇地下水補注潛勢評估
本研究將第三章提出之地下水補注潛勢流程實際應用於濁水溪沖積 扇。首先於4.1 節針對研究區域濁水溪沖積扇做區域範圍、水文地質架構、 地下水概念分層、地下水流系統等介紹，接著4.2 節說明資料收集與前置 處理的過程，4.3 節進行各補注因子分數圖層之處理說明，最後 4.4 節將 4.3 節各因子加權後之分數加總，得到濁水溪沖積扇總體之補注潛勢分數 圖層，依照分數加以分級，並劃分地下水高補注區。4.1 區域概述
由於以往十幾年來「台灣地區地下水觀測站網建置整體計畫」的執 行，已有相當豐富的研究與成果，以下將對濁水溪沖積扇區域範圍、水文 地質架構、地下水概念分層、地下水流系統及水文地質參數進行描述。 一、區域範圍 濁水溪沖積扇地下水區位於臺灣西部海岸之中段， 北起烏溪，南至北 港溪南岸，東以八卦台地及斗 六丘陵山脊線為界，並沿兩丘陵間之隘口向 東擴及竹山、名間一帶，西 臨臺灣海峽，面積約1,800 平方公里。本沖積 扇最主要之溪流為濁水溪，其主流發源自中央山脈西翼、合歡山以南與玉 山北側之間地區，向西切穿雪山－玉山帶、麓山帶與八卦－斗六丘陵區， 在丘陵區西側形成沖積扇系統，主流流經沖積扇之中央，向西注入臺灣海溪及北港溪等。濁水溪沖積扇地勢平緩，高程約介於海拔0~100 公尺之間。 二、水文地質架構 中央地質調查所於 88 年完成臺灣地區地下水觀測網第一期計畫濁水 溪沖積扇水文地質調查研究報告中，以濁水溪沖積扇 72 站之地層柱狀 圖，完成水文地質剖面 1 至 12，深度至 300 公尺左右，其平面分布圖如 圖 4.1-1 所示；並依據其岩性作地層的對比，以瞭解其地下水含水層分布 的情形，並進一步劃分出濁水溪沖積扇概念分層，包括含水層一(F1)、阻 水層一(T1)、含水層二(F2)、阻水層二(T2)、含水層三(F3)、阻水層三(T3) 以及含水層四(F4)。 在上述十二個剖面中，濁水溪以北的彰化縣為4 個剖面線及以南的雲 林縣為6 個剖面以及 2 個南北縱向剖面線，自北向南分別為：全興、線西、 頂番、東芳、花壇、員林、田中等觀測站為第一剖面，漢寶、洛津、文昌、 好修、溪湖、田中等觀測站為第二剖面，芳苑、路上、趙甲、原斗、溪州、 柑園、田中等觀測站為第三剖面，西港、潭乾、永安、竹塘、合興、田尾、 田中等觀測站為第四剖面，海豐、後安、興化、豐榮、港後、九隆、西螺、 莿桐、六合、烏塗、觸口等觀測站為第五剖面，海園、安南、馬光、田洋、 芳草、虎尾、虎溪、石榴等觀到站為第六剖面，箔子、飛沙、明德、番溝、 元長、宏崙、土庫等觀測站為第七剖面，宜梧、口湖、蔡厝、東光、番溝、
古坑等觀測站為第九剖面，東石、瓊埔、安合、新港、東榮、三和、崁腳 等觀測站為第十剖面。而濁水溪沖積扇主要有2 個南北縱向剖面線，第十 一剖面線觀測站為全興、線西、洛津、漢寶、芳苑、西港、後安、海園、 飛沙、口湖、宜梧、東石等觀測站，第十二剖面線觀測站為花壇、好修、 西湖、合興、永安、港後、馬光、田洋、安崙、土庫、舊庄、東榮等觀測 站。圖4.1-2 到圖 4.1-13 為濁水溪沖積扇 12 個地質剖面圖。
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 8 9 9 11 11 11 11 12 12 12 12 12 12 圖 4.1-1、濁水溪沖積扇地質地表河川及水文地質剖面位置圖(中央地 質調查所，1999)
田中 員林 花壇 東芳 頂番 線西 全興 圖4.1-2、濁水溪沖積扇水文地質剖面 1 (全興-田中) (中央地質調查所， 1999) 田中 溪湖 好修 文昌 洛津 漢寶 圖4.1-3、濁水溪沖積扇水文地質剖面 2 (漢寶-田中) (中央地質調查所，
二水 柑園 溪州 原斗 趙甲 路上 芳苑 圖4.1-4、濁水溪沖積扇水文地質剖面 3 (芳苑-二水) (中央地質調查所， 1999) 田中 田尾 合興 竹塘 永安 潭墘 西港
觸口 烏塗 六合 莿桐 西螺 九隆 港後 豐榮 興化 後安 海豐 圖4.1-6、濁水溪沖積扇水文地質剖面 5 (海豐-觸口) (中央地質調查所， 1999) 石榴 虎溪 虎尾 芳草 馬光 田洋 安南 和豐 海園 圖4.1-7、濁水溪沖積扇水文地質剖面 6 (海園-石榴) (中央地質調查所，
土庫 宏崙 元長 番溝 明德 飛沙 箔子 圖4.1-8、濁水溪沖積扇水文地質剖面 7 (箔子-土庫) (中央地質調查所， 1999) 東和 嘉興 舊庄 番溝 東光 蔡厝 口湖 宜梧
古坑 溫厝 崙子 北港 水林 大溝 圖4.1-10、濁水溪沖積扇水文地質剖面 9 (大溝-古坑) (中央地質調查所， 1999) 崁腳 三和 東榮 新港 安和 瓊埔 東石 圖4.1-11、濁水溪沖積扇水文地質剖面 10 (東石-崁腳) (中央地質調查所， 1999)
東石 宜梧 口湖 飛沙 海園 後安 西港 芳苑 漢寶 洛津 線西 全興 圖4.1-12、濁水溪沖積扇水文地質剖面 11 (全興-東石) (中央地質調查所， 1999) 東榮 舊庄 土庫 安崙 田洋 馬光 港後 永安 合興 溪湖 好修 花壇 圖4.1-13、濁水溪沖積扇水文地質剖面 12 (花壇-東榮) (中央地質調查所， 1999)
三、地下水含水層概念分層 濁水溪沖積扇由上而下可劃分四個含水層，三個阻水層，如圖4.1-14 所示。而含水層二分布範圍涵蓋全區，厚度最大，內夾有二至三層延展範 圍大之泥層，因此可將含水層二再劃分為含水層二之一及含水層二之二。 以下茲將四個含水層岩性分布變化說明如下： 含水層1 含水層2 含水層3 阻水層2 Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree 阻水層1 海岸 流域上游 阻水層3 含水層4 圖4.1-14、濁水溪沖積扇概念分層 (1) 含水層一(F1)
全區，從地表起最深約103 公尺，厚度從 19-103 公尺不等，平均厚度約 42 公尺。本層於沖積扇頂附近以礫石層和粗砂層為主，地層厚度較大； 經扇央及扇尾其岩性漸次變相為細砂層和泥層，含水層表面及內部常有延 展良好之厚泥層分布，造成地下水局部受壓或分段之現象。 (2) 含水層二(F2-1、F2-2) 其分布範圍涵蓋全區，深度介於在地表下35-217 公尺之間，厚度從 76-145 公尺不等，平均厚度約 95 公尺，為各含水層中厚度最大者。沖積 扇頂附近以礫石和粗砂層為主，與含水層一之間並無明顯之阻水層分隔。 扇央及扇尾地層材料粒徑變細，惟仍有粗砂或礫石層之存在，顯示含水層 二在蓄水及供水上之重要性。含水層二內夾有二至三層延展範圍較大之泥 層，因此以次區域性之阻水層界劃含水層二為含水層二之一及含水層二之 二。 (3) 含水層三(F3) 含水層三位於阻水層二以下，其分布範圍涵蓋全區，深度在140-275 公尺之間，厚度界於42-122 公尺之間，變異頗大，主要因濁水溪以北含 水層遠比以南發達所致，全區平均厚約86 公尺，規模略小於含水層二。 (4) 含水層四(F4) 含水層四位於阻水層三以下，由於其平均深度大於271 公尺，全區只
此少量資料難以對含水層四及阻水層四明確之描述。基本上扇頂附近仍以 礫石層及粗砂層分布為主，往扇央及扇尾則變相為細砂為主。其分布深度 約界於238-313 公尺間，厚度界於 6-51 公尺間，平均厚約 24 公尺，是各 含水層中厚度最小者。 將濁水溪沖積扇之地下水觀測井之井深度、水文地質資料剖面圖及前 人所分析之分層資料進一步初步判斷，其各觀測井位於所屬含水層分布如 表4.1-1 所示。 四、地下水流系統 欲瞭解地下水的補注來源，必須先知道其水位的消長情形，這需由流 域歷年來地下水水位觀測資料分析而得。監測井觀測所得地下水水位高 低，即代表了地下水量的多寡。水位的空間分布則描述了地下水的流向， 水位由高處往低處流動。將其地下水觀測紀錄畫出等水位圖，可以確定地 下水流網、地下水分區與邊界、補注區域及補注水源。蒐集越多空間上的 水位觀測資料，可以越瞭解現場流況，而越多不同時間的觀測則可以描述 不同時間補注量的變化情形。由水文地質的架構與地下水流系統的建立， 我們可以對於流域含水層的水文循環做出一個基本的概念模式。 濁水溪沖積扇各區之地面水文及入滲的特性皆不一致，降雨量之空間 分布與多寡會影響入滲的特性，也會對地表逕流造成顯著的變化，大體而 言，降雨量會從沿海至內陸逐漸增加，而在時間之分布上，雨季是介於4
月至9 月之間，主要透過地表入滲補注地下水，補注區域為扇頂非受壓區 與非扇頂非受壓區；另一個地下水主要補注來源為河川透過河床入滲補 注，由水文地質分布判斷，河水是由上游集水區河床滲漏後由礫石層補注 至地下水。利用地下水流網以判別雨水與河水如何補注至地下水，圖4.1-15 為濁水溪地下水層的垂直流網圖(江崇榮，2006)。濁水溪沖積扇頂附近由 厚礫石層組成，各地下水層互相連通，為各層之共同補注區，等水位線與 地下水流線顯示了地下水主要源於此共同補注區，然後向沿海流動。等水 位線及地下水流線同時也顯示了平原降雨及山區流下之河水和伏流水透 過東側扇頂各非受壓含水層補注至地下水層中，由此確定了扇頂非受壓含 水層為地下水主要補注區域，地下水由此流入後向西往沿海流動。
利用地下水流線及地下水氧同位素分布，可將濁水溪沖積扇地下水流 系統劃分成烏溪分區、員林花壇分區、濁水溪分區與北港溪分區 (江崇榮 等，2005)，示意如圖 4.1-16。各分區除了受到降雨補注外，還有河水與區 外地下水補注；烏溪分區之河水補注源為烏溪，員林花壇分區之河水補注 源為洋仔厝溪，濁水溪分區之河水補注源為濁水溪，北港溪分區之河水補 注源則為北港溪；員林花壇分區之區外地下水補注源為八卦山，北港溪分 區之區外地下水補注源則為斗六丘陵。 考量濁水溪沖積扇地下水系統中不同含水層間交互作用下之補注機 制，如圖4.1-17 所示。Qrain代表雨水年補注量，Qriver代表河水年補注量， O.R. gw Q 代表區外地下水補注量(山區伏流水之補注量)，三者相加即為地下水年補 注量Qr 。由於濁水溪沖積扇之扇頂為由深達將近三百公尺之礫石層所組 成，各含水層間在此區連通而無分層，因此山區地表逕流入滲之地下水可 由此處流入區內而補注至四個含水層中。第一含水層之地下水補注來源主 要為雨水Qrain、河水Qriver與區外地下水補注量 O.R. gw Q ；雨水Qrain、河水Qriver與 區外地下水補注量 O.R. F1 gw Q − 於第一含水層混和後再滲漏至第二含水層，因此 第二含水層之地下水補注來源為區外地下水補注量 O.R. F2 gw Q − 與第一含水層 之地下水QF1−2；第二含水層之地下水受到各補注源混合後再滲漏至第三含 水層，因此第三含水層之地下水補注來源為區外地下水補注量 O.R. F3 gw Q − 與第 二含水層之地下水QF2−3；同理可知，第四含水層之地下水來源為區外地下
水補注量 O.R. F4 gw Q − 與第三含水層之地下水 4 3− F Q 。 圖4.1-16、濁水溪沖積扇地下水分區示意圖(江崇榮，2005)
圖4.1-17、地下水各含水層補注來源示意圖(江崇榮，2006) 五、地下水觀測 濁水溪沖積扇地區上游河川與相關之地質條件不利建置水庫，仰賴地 下水水資源比例偏重，所以於第一階段（81 年度至 87 年度）最先實施。 目前計有地下水觀測站82 站（203 口），抽水試驗站 28 站（55 口），水 文地質調查站88 站。圖 4.1-18 為濁水溪沖積扇地下水觀測網分布圖。 六、水文地質參數 濁水溪沖積扇大致可區分為扇頂、扇央及扇尾區，扇頂區位於員 林、 溪州、西螺、虎溪、東和聯線以東，各含水層間無明顥之阻水層存在，地 面水可直接補注至深層，即所謂濁水溪沖積扇扇頂非受壓含水層區；扇央
層一覆於含水層一之上，各含水層間有明顯之阻水層存在，地面水無法直 接補注各含水層，唯以地層材 料而言，砂礫材料所佔之比例較大；扇尾區 位於扇央區以西至沿海，含水層一以上亦有阻水層覆蓋，各含水層間亦如 扇央區皆有明顯阻水層存在，唯其地層材 料中，砂礫所佔之比例較小，而 粉砂、泥、及粘土所佔之比例較大。透水係數 K 介於 10-3~10-5(公尺/秒) 之間，導水係數 T 介於 0.01～4.19(平方公尺/分)之間，比容量 Q/s 介於 0.34~208.33(立方公尺/小時/公尺)，含水層水力特性以扇頂最佳，扇央次 之，扇尾最差。 綜觀本節資訊，由水文地質剖面可繪出濁水溪沖積扇含水層之概念分 層，並可看出濁水溪沖積扇高程由東向西遞減，在東邊扇頂區大多為非受 壓含水層較容易受到補注，且可直接補注至各含水層。由水流系統圖可看 出第一層含水層主要補注來源有雨水、河水以及區外地下水補注量(八卦 山、斗六丘陵伏流水之補注量)，再配合地層架構可判斷出補注區大致分 布在上游扇頂非受壓含水層區域。
