應用非點源汙染模式SWAT模擬翡翠水庫上游集水區流量及氮素之輸出與移動

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(1)國立臺灣師範大學地理學系第四十六屆碩士論文. 應用非點源汙染模式 SWAT 模擬翡翠水庫上游集水區流量及氮素之輸出與移動. 指導教授: 李宗祐博士、郭乃文博士研究生: 林冠州. 中華民國 106 年 7 月.

(2) 國立臺灣師範大學地理學系碩士論文摘要研究所別:地理學研究所碩士班論文名稱: 應用非點源汙染模式 SWAT 模擬翡翠水庫上游集水區流量及氮素之輸出與移動指導教授:李宗祐博士、郭乃文博士研究生:林冠州論文內容:共一冊，文約五萬餘字，共分六章十四節，並以六百餘字摘要說明. 摘要人為活動發展產生的非點源汙染難以了解其移動途徑而使得控制不易，其中農業活動所使用的肥料為非點源汙染的主要來源之一，翡翠上游集水區茶葉種植對水質的影響，一直是關注的焦點。本研究透過 SWAT 模式模擬翡翠水庫上游集水區 2012 年至 2014 年間日流量與日硝酸鹽氮之輸出量，並藉由 SWATCUP 檢定該集水區肥料施放量，進而從模式模擬之結果了解氮肥於農地移動路徑與分布，藉以評估肥料被茶樹利用之情形。SWAT 模式於模擬日流量與河川日硝酸鹽氮輸出量皆達到良好的水準以上(Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient>0.65)，各集水區肥料檢定成果落於 200~420kg/ha，符合農糧署建議之施放量。本研究先探討水質採樣頻率對於硝酸鹽氮觀測值推估之影響，成果顯示九十天採樣頻率所造成的年推估誤差最大(各集水區誤差最大可達 1692%)；並從氮素移動路徑分析，得出大部分集水區茶樹吸收量皆少於其輸入總量（含乾濕沉降與肥料）之 60%，顯示有 40%以上輸入的氮素儲存在土壤、入滲至地下水或進入河川；翡翠水庫上游集水區茶園氮素單位面積輸出量高於森林約 3~7 倍，茶園地表逕流氮素輸出量為森林的 5~25 倍，茶園側向流氮素輸出量為森林的 1~8 倍，茶園土壤氮素輸入量為森林的 2~8 倍，茶園地下水輸出量為森林 2~6 倍，顯示人為農地施肥對於河川與土壤將有所影響。肥料減半情境之模擬結果顯示，在收穫減少約 10~20% (約 60~100kg/ha 之產量)之情況下，各氮素移動路徑可削減約 50%之輸出量。本研究驗證了 SWAT 模式在臺灣集水區的適用 I.

(3) 性，未來配合經濟模式的評估，將可綜觀模擬農業策略對於集水區環境與農業產值之影響，做為集水區經營規劃的參考依據。. 關鍵字 : 非點源汙染，SWAT 模式，硝酸鹽氮模擬，氮肥，水流移動路徑，氮素移動路徑. II.

(4) The master thesis abstract of Department of Geography, National Taiwan Normal University Thesis Title : Application of nonpoint source pollution model SWAT to evaluate streamflow and the flow pathways of nitrogenous fertilizer in the upstream watershed of Feitsui Reservoir. Adviser : Lee, Tsung -Yu and Guo, Nae-Wen Student : Lin, Guan-Zhou. Abstract Human activity-induced nonpoint source pollution cannot be well controlled owing to its unpredictable pathways. Fertilizer is one of the most important nonpoint pollution sources in the cultivated watersheds. Tea cultivation located in the upstream of the reservoir would hence pollute the water of the reservoir. This study used SWAT to simulate daily runoff and nitrate flux in the upstream watersheds of the Feitsui Reservoir in 2012-2014. Besides, SWAT-CUP was used to calibrate fertilizer amount. Through the investigation of modeling results, we wanted to identify the flow pathways of nitrogenous fertilizer and evaluate the efficiency of fertilization by comparing the amount of fertilizer with the amount of nitrogen that uptake by tee trees. SWAT can simulate the observed daily runoff and nitrate flux well (NashSutcliffe model efficiency coefficient >0.65). The result showed that during the period of 2012 to 2014 the amount of applied fertilizer was between 200kg-N/ha to 420kgN/ha in each watershed. This study investigate the water quality sampling frequency how to influence the nitrate flux estimation of daily simulated .The result show the ninety days frequency will cause the most deviation of the yearly nitrate flux estimation ( most deviation is 1682%) .We analyze the nitrate pathways demonstrate the uptake of tea tree was less than 60% of the total nitrogen input (including dry/wet deposition and fertilizer), indicating more than 40% of the nitrogenous fertilizer was either flushed off to the stream or stored in the watershed, e.g. in soil or to groundwater. The agriculture land exported nitrogen was 3-7 times of the forest. The tea farm surfaceflow exported nitrogen was 5~25 times of the forest and the lateral flow exported nitrogen was one 1~8 times of the forest. The tea farm of nitrogen input to soil was 2~8 times of forest III.

(5) and the tea farm groundwater exported nitrogen was 2~6 times of forest which demonstrate the human activity will influence the soil and river We set the situation of fertilizer application half to simulate the nitrogen pathways and tea harvest. The result demonstrated that the harvest will loss about 10~20% (about 60 ~100kg/ha), but it could loss about 50% nitrogen of each pathways. We expect to coordinate the nitrogen stored in soil and the tea trees mature to make fertilizer half strategy and analyze the influence of economy and watershed environment. We hope that this strategy can promote to the other watershed of eutrophication in the future. Key words: non-point pollution, SWAT model, nitrate modelling, nitrogen fertilizer, flow pathway,nitrogen pathway. IV.

(6) 目錄第一章前言.................................................................................................................. 1 1.1 研究動機 ............................................................................................................. 1 1.2 研究目的 ............................................................................................................. 2 第二章文獻回顧.......................................................................................................... 3 2.1 非點源汙染模式 ................................................................................................. 3 2.2 人為活動對水質的影響 ..................................................................................... 6 2.2.1 大氣沉降 ...................................................................................................... 6 2.2.2 農業活動 ...................................................................................................... 7 2.3 人為活動對水質的影響 ..................................................................................... 8 第三章研究區域與研究方法.................................................................................... 11 3.1 研究區域概況 ................................................................................................... 22 3.2 研究方法 ........................................................................................................... 17 3.2.1 研究資料 .................................................................................................... 17 3.2.2 河川硝酸鹽氮之濃度與通量 .................................................................... 17 3.2.3. SWAT 模式簡介 ...................................................................................... 22. 3.2.4. SWAT-CUP 簡介 ..................................................................................... 33. 3.2.5 檢定驗證指標簡介 ..................................................................................... 34 第四章流量與硝酸鹽氮模擬成果 ........................................................................... 37 4.1 日流量模擬 ....................................................................................................... 37 4.1.1 思源橋集水區 ............................................................................................ 37 4.1.2 坪林拱橋集水區 ........................................................................................ 40 4.1.3 大林橋集水區 ............................................................................................ 43 4.1.4 金瓜寮溪橋集水區 .................................................................................... 46 4.1.5 流量參數比較與探討 ................................................................................. 49 4.2 硝酸鹽氮日輸出量模擬 ................................................................................... 50 4.2.1 思源橋集水區 ............................................................................................ 50 4.2.2 坪林拱橋集水區 ........................................................................................ 55 4.2.3 大林橋集水區 ............................................................................................ 58 4.2.4 金瓜寮溪橋集水區 .................................................................................... 62 4.3 作物收穫量模擬成果........................................................................................ 66 V.

(7) 第五章模擬成果分析與討論.................................................................................... 69 5.1 採樣間隔與觀測值推估之不確定性 ............................................................... 69 5.2 水流移動途徑分析 ........................................................................................... 72 5.2.1 思源橋集水區 ............................................................................................ 72 5.2.2 坪林拱橋集水區 ........................................................................................ 85 5.2.3 大林橋集水區 ............................................................................................ 97 5.2.4 金瓜寮溪橋集水區 .................................................................................. 109 5.2.5 各集水區水流移動路徑分析比較 ........................................................... 121 5.3 氮素移動途徑分析......................................................................................... 123 5.3.1 思源橋集水區氮素的移動路徑............................................................... 123 5.3.2 坪林拱橋集水區氮素的移動路徑........................................................... 127 5.3.3 大林橋集水區氮素的移動路徑............................................................... 131 5.3.4 金瓜寮溪橋集水區氮素的移動路徑....................................................... 135 5.3.5 氮素移動路徑比較分析........................................................................... 139 5.4 人為活動與自然環境氮素輸出量比較 ......................................................... 141 5.4.1 各集水區土地利用氮素輸出量比較....................................................... 141 5.4.2 思源橋集水區農地與森林氮素路徑輸出量比較................................... 146 5.4.3 坪林拱橋集水區農地與森林氮素路徑輸出量比較............................... 148 5.4.4 大林橋集水區農地與森林氮素路徑輸出量比較................................... 151 5.4.5 金瓜寮溪橋集水區農地與森林氮素路徑輸出量比較........................... 154 5.4.6 各集水區農地與森林氮素路徑輸出之比較與分析............................... 156 5.5 肥料施放削減成效評估以思源橋和坪林拱橋為例 ..................................... 157 5.5.1 思源橋集水區 .......................................................................................... 157 5.5.2 坪林拱橋集水區 ...................................................................................... 160 第六章結論與建議.................................................................................................. 163 參考文獻.................................................................................................................... 166. VI.

(8) 表目錄表 3- 1 思源橋集水區 2012 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 29 表 3- 2 思源橋集水區 2013 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 29 表 3- 3 思源橋集水區 2014 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 30 表 3- 4 坪林拱橋集水區 2012 年茶樹收穫設定表 ................................................... 30 表 3- 5 坪林拱橋集水區 2013 年茶樹收穫設定表 ................................................... 30 表 3- 6 坪林拱橋集水區 2014 年茶樹收穫設定表 ................................................... 31 表 3- 7 大林橋集水區 2012 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 31 表 3- 8 大林橋集水區 2013 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 31 表 3- 9 大林橋集水區 2014 年茶樹收穫設定表 ....................................................... 32 表 3- 10 金瓜寮溪橋集水區 2012 年茶樹收穫設定表 ............................................. 32 表 3- 11 金瓜寮溪橋集水區 2013 年茶樹收穫設定表 ............................................. 32 表 3- 12 金瓜寮溪橋集水區 2014 年茶樹收穫設定表 ............................................. 33 表 3- 13 各檢定指標對照表改自(D. MORIASI ET AL., 2007) .................................... 36 表 3- 14 檢定驗證參數統整表 ................................................................................... 36 表 4- 1 思源橋集水區水文參數檢定表 ..................................................................... 40 表 4- 2 坪林拱橋集水區水文參數檢定表 ................................................................. 43 表 4- 3 大林橋集水區參數檢定表 ............................................................................. 46 表 4- 4 金瓜寮溪流量檢定參數表 ............................................................................. 49 表 4- 5 思源橋集水區硝酸鹽氮自然背景參數檢定表 ............................................. 53 表 4- 6 思源橋集水區肥料檢定表 ............................................................................. 54 表 4- 7 坪林拱橋集水區肥料檢定表 ......................................................................... 57 表 4- 8 大林橋集水區自然背景參數檢定表 ............................................................. 60 表 4- 9 大林橋集水區肥料檢定表 ............................................................................. 61 表 4- 10 金瓜寮溪橋集水區自然參數檢定表 ........................................................... 64 表 4- 11 金瓜寮溪橋集水區肥料檢定表 ................................................................... 65 表 4- 12 思源橋及坪林拱橋集水區收穫成果表 ....................................................... 66 表 4- 13 大林橋集水區收穫成果表 ........................................................................... 67 表 4- 14 金瓜寮溪橋集水區收穫成果表 ................................................................... 68 表 5- 1 思源橋集水區農地各時期水流移動路徑水流總量 ..................................... 79 表 5- 2 思源橋集水區非農地各時期水流移動路徑水流總量 ................................. 84 表 5- 3 坪林拱橋集水區農地各時期水流移動路徑水流總量 ................................. 91 表 5- 4 坪林拱橋集水區非農地各時期水流移動路徑水流總量 ............................. 96 表 5- 5 大林橋集水區農地各時期水流移動路徑水流總量 ................................... 103 表 5- 6 大林橋集水區非農地各時期水流移動路徑水流總量 ............................... 108 表 5- 7 金瓜寮溪橋集水區農地各時期水流移動路徑水流總量 ........................... 115 表 5- 8 金瓜寮溪橋集水區非農地各時期水流移動路徑水流總量 ....................... 120 表 5- 9 各集水區農地水流移動路徑水流總量 ....................................................... 122 表 5- 10 各集水區非農地水流移動路徑水流總量 ................................................. 122 表 5- 11 思源橋集水區農地氮素削減比例(%) ....................................................... 159 表 5- 12 坪林拱橋集水區農地氮素削減比例(%) ................................................... 162 VII.

(9) 圖目錄圖 3- 1 翡翠水庫上游集水區 ..................................................................................... 11 圖 3- 2 坪林拱橋集水區區域圖 ................................................................................. 12 圖 3- 3 坪林拱橋集水區土地利用圖 ......................................................................... 13 圖 3- 4 大林橋集水區區域圖 ..................................................................................... 13 圖 3- 5 坪林拱橋集水區土地利用圖 ......................................................................... 14 圖 3- 6 金瓜寮溪橋集水區區域圖 ............................................................................. 15 圖 3- 7 金瓜寮溪橋集水區土地利用圖 ..................................................................... 16 圖 3- 8、圖 3- 9 2012 與 2013 年思源橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 18 圖 3- 10 2014 年思源橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 ........................... 18 圖 3- 11、圖 3- 12 2012 與 2013 年坪林拱橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線.......................................................................................................................... 19 圖 3- 13 2014 年坪林拱橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 ....................... 19 圖 3- 14、圖 3- 15 2012 與 2013 年大林橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 .............................................................................................................................. 20 圖 3- 16 2014 年大林橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 ........................... 20 圖 3- 17、圖 3- 18 2012 與 2013 年金瓜寮溪橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線...................................................................................................................... 21 圖 3- 19 2014 年金瓜寮溪橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線 ................... 21 圖 3- 20 SWAT 模式模擬流程圖 ............................................................................... 23 圖 3- 21 CN 值曲線圖 ................................................................................................. 24 圖 3- 22 水在 KINEMATIC STORAGE MODEL 中假定之狀態 ........................................ 25 圖 3- 23 SWAT-CUP 參數檢定流程圖 ...................................................................... 34 圖 4- 1 思源橋集水區流量模擬檢定成果圖 ............................................................. 38 圖 4- 2、圖 4- 3 思源橋集水區流量模擬成果與取對數軸散佈圖 .......................... 38 圖 4- 4 思源橋集水區流量驗證成果圖 ..................................................................... 39 圖 4- 5、圖 4- 6 思源橋集水區流量驗證一般與取對數軸散佈圖 .......................... 39 圖 4- 7 坪林拱橋集水區流量模擬檢定成果圖 ......................................................... 41 圖 4- 8、圖 4- 9 坪林拱橋集水區流量檢定一般與取對數軸散佈圖 ...................... 41 圖 4- 10 坪林拱橋集水區流量模擬驗證成果圖 ....................................................... 42 圖 4- 11、圖 4- 12 坪林拱橋集水區流量驗證一般與取對數軸散佈圖 .................. 42 圖 4- 13 大林橋集水區流量檢定成果圖 ................................................................... 44 圖 4- 14、圖 4- 15 大林橋集水區流量檢定一般與取對數軸散佈圖 ...................... 44 圖 4- 16 大林橋集水區流量驗證成果圖 ................................................................... 45 圖 4- 17、圖 4- 18 大林橋集水區流量驗證一般與取對數軸散佈圖 ...................... 45 圖 4- 19 金瓜寮溪橋集水區流量檢定成果 ............................................................... 47 圖 4- 20、圖 4- 21 金瓜寮溪橋集水區流量檢定一般與取對數軸散佈圖 .............. 47 圖 4- 22 金瓜寮溪橋集水區流量驗證成果圖 ........................................................... 48 圖 4- 23、圖 4- 24 金瓜寮溪橋集水區流量驗證一般與取對數軸散佈圖 .............. 48 圖 4- 25 思源橋集水區硝酸鹽氮檢定成果圖 ........................................................... 52 圖 4- 26、圖 4- 27 思源橋集水區硝酸鹽氮檢定一般與取對數軸散佈圖 .............. 52 圖 4- 28 坪林拱橋集水區硝酸鹽氮檢定成果 ........................................................... 56 圖 4- 29、圖 4- 30 坪林拱橋集水區硝酸鹽氮檢定一般與取對數軸散佈圖 .......... 56 VIII.

(10) 圖 4- 31 大林橋集水區硝酸鹽氮檢定成果 ............................................................... 59 圖 4- 32、圖 4- 33 大林橋集水區硝酸鹽氮檢定一般與取對數軸散佈圖 .............. 59 圖 4- 34 金瓜寮溪硝酸鹽氮檢定成果圖 ................................................................... 63 圖 4- 35、圖 4- 36 金瓜寮溪硝酸鹽氮檢定一般與取對數軸散佈圖 ...................... 63 圖 5- 1 坪林拱橋集水區不同採樣頻率之百分比誤差 ............................................. 71 圖 5- 2 大林橋集水區不同採樣頻率之百分比誤差 ................................................. 71 圖 5- 3 金瓜寮溪橋集水區不同採樣頻率之百分比誤差 ......................................... 72 圖 5- 4 思源橋集水區 2012 年農地水流移動路徑 ................................................... 75 圖 5- 5 思源橋集水區 2013 年農地水流移動路徑 ................................................... 76 圖 5- 6 思源橋集水區 2014 年農地水流移動路徑 ................................................... 77 圖 5- 7 思源橋集水區農地全年水流移動路徑分佈圖 ............................................. 78 圖 5- 8 思源橋集水區農地各時期水流移動路徑分佈圖 ......................................... 78 圖 5- 9 思源橋集水區 2012 年非農地水流移動路徑 ............................................... 80 圖 5- 10 思源橋集水區 2013 年非農地水流移動路徑 ............................................. 81 圖 5- 11 思源橋集水區 2014 年非農地水流移動路徑 ............................................. 82 圖 5- 12 思源橋集水區非農地全年水流移動路徑分佈圖 ....................................... 83 圖 5- 13 思源橋集水區非農地各時期水流移動路徑分佈 ....................................... 83 圖 5- 14 坪林拱橋集水區 2012 年農地水流移動路徑 ............................................. 87 圖 5- 15 坪林拱橋集水區 2013 年農地水流移動路徑 ............................................. 88 圖 5- 16 坪林拱橋集水區 2014 年農地水流移動路徑 ............................................. 89 圖 5- 17 坪林拱橋集水區農地全年水流移動路徑分佈圖 ....................................... 90 圖 5- 18 坪林拱橋集水區農地各時期水流移動路徑分佈圖 ................................... 90 圖 5- 19 坪林拱橋集水區 2012 年非農地水流移動路徑 ......................................... 92 圖 5- 20 坪林拱橋集水區 2013 年非農地水流移動路徑 ......................................... 93 圖 5- 21 坪林拱橋集水區 2014 年非農地水流移動路徑 ......................................... 93 圖 5- 22 坪林拱橋集水區非農地全年水流移動路徑分佈圖 ................................... 95 圖 5- 23 坪林拱橋集水區非農地各時期水流移動路徑分佈圖 ............................... 95 圖 5- 24 大林橋集水區 2012 年農地水流移動路徑 ................................................. 99 圖 5- 25 大林橋集水區 2013 年農地水流移動路徑 ............................................... 100 圖 5- 26 大林橋集水區 2014 年農地水流移動路徑 ............................................... 101 圖 5- 27 大林橋集水區農地全年水流移動路徑分佈圖 ......................................... 102 圖 5- 28 大林橋集水區農地各時期水流移動路徑分佈圖 ..................................... 102 圖 5- 29 大林橋集水區 2012 年非農地水流移動路徑 ........................................... 104 圖 5- 30 大林橋集水區 2013 年非農地水流移動路徑 ........................................... 105 圖 5- 31 大林橋集水區 2014 年非農地水流移動路徑 ........................................... 106 圖 5- 32 大林橋集水區非農地全年水流移動路徑分佈圖 ..................................... 107 圖 5- 33 大林橋集水區非農地各時期水流移動路徑分佈圖 ................................. 107 圖 5- 34 金瓜寮溪橋集水區 2012 年農地水流移動路徑 ....................................... 111 圖 5- 35 金瓜寮溪橋集水區 2013 年農地水流移動路徑 ....................................... 112 圖 5- 36 金瓜寮溪橋集水區 2014 年農地水流移動路徑 ....................................... 113 圖 5- 37 金瓜寮溪橋集水區農地全年水流移動路徑分佈圖 ................................. 114 圖 5- 38 金瓜寮溪橋集水區農地各時期移動水流路徑分佈圖 ............................. 114 圖 5- 39 金瓜寮溪橋集水區 2012 年非農地水流移動路徑 ................................... 116 IX.

(11) 圖 5- 40 金瓜寮溪橋集水區 2013 年非農地水流移動路徑 ................................... 117 圖 5- 41 金瓜寮溪橋集水區 2014 年非農地水流移動路徑 ................................... 118 圖 5- 42 金瓜寮溪橋集水區非農地全年水流移動路徑分佈圖 ............................. 119 圖 5- 43 金瓜寮溪橋集水區非農地各時期水流移動路徑分佈圖 ......................... 119 圖 5- 44 思源橋集水區 2012 年農地氮素移動路徑 ............................................... 125 圖 5- 45 思源橋集水區 2013 年農地氮素移動路徑 ............................................... 125 圖 5- 46 思源橋集水區 2014 年農地氮素移動路徑 ............................................... 125 圖 5- 47 思源橋集水區 2012 年農地各生長時期氮素移動路徑 ........................... 126 圖 5- 48 思源橋集水區 2013 年農地各生長時期氮素移動路徑 ........................... 126 圖 5- 49 思源橋集水區 2014 年農地各生長時期氮素移動路徑 ........................... 126 圖 5- 50 坪林拱橋集水區 2012 年農地氮素移動路徑 ........................................... 129 圖 5- 51 坪林拱橋集水區 2013 年農地氮素移動路徑 ........................................... 129 圖 5- 52 坪林拱橋集水區 2014 年農地氮素移動路徑 ........................................... 129 圖 5- 53 坪林拱橋集水區 2012 年農地各生長時期氮素移動路徑 ....................... 130 圖 5- 54 坪林拱橋集水區 2013 年農地各生長時期氮素移動路徑 ....................... 130 圖 5- 55 坪林拱橋集水區 2014 年農地各生長時期氮素移動路徑 ....................... 130 圖 5- 56 大林橋集水區 2012 年農地氮素移動路徑 ............................................... 133 圖 5- 57 大林橋集水區 2013 年農地氮素移動路徑 ............................................... 133 圖 5- 58 大林橋集水區 2014 年農地氮素移動路徑 ............................................... 133 圖 5- 59 大林橋集水區 2012 年各生長季氮素移動路徑 ....................................... 134 圖 5- 60 大林橋集水區 2013 年各生長季氮素移動路徑 ....................................... 134 圖 5- 61 大林橋集水區 2014 年各生長季氮素移動路徑 ....................................... 134 圖 5- 62 金瓜寮溪橋集水區 2012 年農地氮素移動路徑 ....................................... 137 圖 5- 63 金瓜寮溪橋集水區 2013 年農地氮素移動路徑 ....................................... 137 圖 5- 64 金瓜寮溪橋集水區 2014 年農地氮素移動路徑 ....................................... 137 圖 5- 65 金瓜寮溪橋集水區 2012 年各生長季氮素移動路徑 ............................... 138 圖 5- 66 金瓜寮溪橋集水區 2013 年各生長季氮素移動路徑 ............................... 138 圖 5- 67 金瓜寮溪橋集水區 2014 年各生長季氮素移動路徑 ............................... 138 圖 5- 68 各集水區氮素移動途徑比例統整 ............................................................. 140 圖 5- 69 思源橋集水區各土地利用氮素輸出量 ..................................................... 141 圖 5- 70 坪林拱橋集水區各土地利用氮素輸出量 ................................................. 142 圖 5- 71 大林橋集水區各土地利用氮素輸出量 ..................................................... 143 圖 5- 72 金瓜寮溪橋集水區各土地利用氮素輸出量 ............................................. 144 圖 5- 73 各土地利用三年平均氮素輸出量 ............................................................. 145 圖 5- 74 2012 年思源橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 147 圖 5- 75 2013 年思源橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 147 圖 5- 76 2014 年思源橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 148 圖 5- 77 2012 年坪林拱橋集水區農地與森林硝酸鹽氮輸出比較圖 ..................... 150 圖 5- 78 2013 年坪林拱橋集水區農地與森林硝酸鹽氮輸出比較圖 ..................... 150 圖 5- 79 2014 年坪林拱橋集水區農地與森林硝酸鹽氮輸出比較圖 ..................... 151 圖 5- 80 2012 年大林橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 152 圖 5- 81 2013 年大林橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 153 圖 5- 82 2014 年大林橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ................................. 153 圖 5- 83 2012 年金瓜寮溪橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ......................... 155 X.

(12) 圖 5- 84 2013 年金瓜寮溪橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ......................... 155 圖 5- 85 2014 年金瓜寮溪橋集水區農地與森林氮素輸出比較圖 ......................... 156 圖 5- 86 思源橋集水區正常施肥成果圖 ................................................................. 158 圖 5- 87 思源橋集水區肥料減半成果圖 ................................................................. 158 圖 5- 88 坪林拱橋集水區正常施肥成果圖 ............................................................. 161 圖 5- 89 坪林拱橋集水區肥料減半成果圖 ............................................................. 161. XI.

(13) 第一章前言 1.1 研究動機水是人類生存很重要的資源，我們日常生活都無法離開水，同時為水生動植物生存的地方，近年來臺灣面臨極端氣候的威脅，洪水、山崩、土石流等災害層出不窮。2015 年 8 月的蘇迪勒颱風侵襲臺灣，北部地區受到颱風影響，新店溪上游的崩塌導致源水濁度過高，台北幾百萬人生活用水受到汙染，好幾天用水都有問題，因此為了解原因並找出解決方案，水庫上游的水土保持與人為開墾行為必須再度檢視，了解現在人為活動所造成的衝擊與制定相關治理策略來實施。臺灣地狹人稠，上游地區多有開發，尤其是在水庫的上游集水區，水汙染大部分都在關注泥沙與重金屬等等的汙染物，除了幾個重金屬與濁度項目外，肥料的施放(L. Wu, T.-Y. Long, & W. J. Cooper, 2012)也會對水質造成嚴重的汙染，其中的營養鹽例如硝酸鹽氮、氨氮與磷會使河川藻類大量滋生造成優養化的現象，其他國家對於上游水庫優養化減緩的治理，都以減少氮與磷進入上游集水區河川的方式達到保護水庫水質的目的(Conley et al., 2009)，但不只有陸地上的水體需要關注，海洋同樣會受到陸地上的活動而受影響，根據 Steffen et al. (2015)認為維持地球永續發展的 11 項指標中，已經有 3 項指標因為人類活動的關係而超過了設定的門檻，可能會影響到地球的生態平衡，門檻中的生物化學流中總氮與總磷的輸出已經到高風險的程度，相較於磷，氮的風險來得更高，海洋死區的分布大多位於陸地上農業活動或人類活動比較密集的沿岸，顯示陸地上之汙染將影響海岸之生態，其中人為汙染包含氮與磷，皆藉由地表逕流從農業與都市等地區沖刷入河川中，最終流入海洋。上游地區的農業活動是上游河川硝酸鹽氮與磷的重要來源，上游農業活動對河川水質造成的衝擊對為陸域與海洋汙染研究重要一環，尤其是高山農業或經濟作物造成的汙染與集水區水土保持的破壞(Somura et al., 2012)。翡翠水庫是台北重要的水庫，供應大台北都會區民眾之日常用水，目前翡翠水庫上游為水源保護區，致力於水質保護與非點源汙染監測，但坪林拱橋等地區山坡地仍有許多農業活動，例如:茶園、菜園等等(Chu et al., 2013)，為了解上游人為活動氮素的輸入量與輸出途徑，本研究想探討肥料施放對水質的影 1.

(14) 響，進一步了解翡翠上游集水區不同集水區內人為與自然土地利用地區輸出的氮素含量與氮素傳輸移動的方式，探討人為活動額外施放之肥料與未施肥地區氮素輸出的差異，並在最後透過非點源汙染模式設定施肥情境評估減緩水質汙染之策略成效，達到維護水質的目的。. 1.2 研究目的本研究欲探討人為活動對翡翠水庫上游集水區的衝擊，了解集水區自然背景狀況與農業施肥狀況並針對作物生長吸收量並找出最能減緩水質汙染之施肥方式。為此必須先模擬河川流量與硝酸鹽氮輸出量，利用模式檢定模擬肥料施放量，因臺灣上游集水區有流量變異大的特性，為準確掌握其流量與硝酸鹽氮之輸出變化，本研究模擬將以日尺度模擬為主要目標。其次臺灣位於季風氣候區，夏秋兩季常有颱風侵襲，颱風所造成的輸出量必須在模擬時充分考量，本研究將進一步探討有颱風與無颱風狀況日硝酸鹽氮輸出量推估值之差異，藉以了解如用此推估值進行模式檢定可能會造成多大的誤差狀況，此外本研究欲在最後進行集水區硝酸鹽氮之削減或減少策略之制定，除了能準確模擬河川日硝酸鹽氮輸出量外，還須了解水流與氮素之移動途徑以及作物氮素每日吸收量，所以後續會探討翡翠水庫上游集水區氮素每日移動狀況與作物吸收量，分析農地與森林氮素各移動路徑輸出的差異，最後將透過施肥量之設定，了解農地氮素各移動途徑與河川硝酸鹽氮輸出通量的削減成效。以下統整四點本研究欲實際達到的主要目的如下: (1) 模擬翡翠水庫上游集水區日尺度流量與硝酸鹽氮輸出量並評估模擬成效 (2) 比較有颱風與無颱風資料對於推估每日硝酸鹽氮輸出量之影響，並了解硝酸鹽氮推估值的誤差量 (3) 了解集水區內各種土地利用上之水流與氮素的移動途徑 (4) 制定肥料施放策略，與現在施肥行為氮素各路徑數值做比較. 2.

(15) 第二章文獻回顧 2.1 非點源汙染模式全球的氣候型態漸漸地在改變，氣溫與降雨特性的改變(Wang et al., 2013) 使河川與集水區的水循環有所變化，河流是結合集水區水文過程與反應的產出，河流會受到蒸發散以及人類使用而損失或減少，水文模式是一個可以評估氣候與人為發展對於集水區水循環衝擊的工具，經常使用在土地利用改變對河川的影響(Costa et al., 2003)，與氣候變遷下不同季節河川流量變化(Nohara et al., 2006)等等的議題中。水汙染在近幾年也是一個重要的議題，人為活動排放大量汙染物進入河川，使水庫優養化與海岸優養化的案例層出不窮，為了解人為活動對河川的汙染影響，必須要先了解河川水污染的來源。河川水汙染的來源主要來自於點源與非點源汙染，點源汙染來源固定較好追蹤，非點源汙染隨著地表逕流移動，難以找出來源與輸出量，因此非點源汙染模式經常與水文模式整合，取得更精細的來源與輸出資料，並經模式模擬河川流量與非點源汙染的輸出量(Rode et al., 2010)，以下將針對各個非點源汙染模式進行探討。 GWLF 模式為美國康乃爾大學 Haith 教授等開發，模式目的為模擬集水區流量、營養鹽以及輸砂等用途，GWLF 為集塊式水文模式，地表逕流模擬使用美國水土保持局所開發之 SCS Curve Number 方程式結合蒸發散等公式計算水平衡與流量，輸砂部分則利用 USLE 輸砂方程式來進行模擬估算(Haith et al., 1992)，GWLF 應用廣泛，不同的領域內皆有案例可循，例如流量模擬 (Schneiderman et al., 2002)、氣候變遷(H. Chang et al., 2001; Lin et al., 2007)以及非點源汙染模擬(X. Du et al., 2014; Georgas et al., 2009)等等。在臺灣，非點源汙染同樣環境造成衝擊並影響集水區內生態系平衡，有學者開始利用模式模擬臺灣地區集水區內非點源汙染輸出，GWLF 為其中一種非點源汙染模式，Ning et al. (2006)為評估臺灣南部高屏溪流域輸砂與營養鹽之輸出量，應用 GWLF 模式進行模擬，結合各時期之衛星影響與土地利用，檢視土地利用改變對非點源汙染之影響，並發現果樹面積之增加將影響水質，森林面積的減少將使輸砂量增多，可見人為活動對於水質與非點源汙染輸出量確實有影響。在臺灣氣候變遷同為重要的議題，GWLF 模式也用在此議題中，Li et al. (2009)評估臺灣未來氣 3.

(16) 溫與降雨變化，並探討不同氣候模式的差異，流量變化使用 GWLF 模式進行模擬探討，並發現未來有乾季越乾，濕季越濕的狀況，氣溫的上升與降雨集中與模式中之流量模擬有所影響，因此氣候變遷對流量之影響會搭配水文模式進行探討。綜合上述，GWLF 是一個經常被使用之水文模式與非點源汙染模式，能有效模擬集水區內流量與非點源汙染輸出量。 HSPF (Hydrological Simulation Program—Fortran)為美國環保署開發模擬集水區非點源汙染與水質之模式，模式為概念式，能連續模擬集水區非點源汙染輸出量，同時 HSPF 也有考量點源汙染之影響，是一個功能完善的非點源汙染模式，其中包含三個模組，分別為 PERLND、IMPLND 與 RCHRES，這三個模組分別是模擬自然循環中水質變化、集水區汙染負荷量與集水區水體汙染傳輸與集水區土地輸出量(Singh et al., 2005)，HSPF 常與 BASINS 一同使用，為目前許多人使用之非點源汙染模式，應用上十分廣泛，包括非點源汙染(Mishra et al., 2009; Mishra et al., 2007)、氣候變遷與集水區經營管理等等。非點源汙染模擬的部分，Ribarova et al. (2008)為探討單一洪水事件之流量與非點源汙染輸出量，使用 HSPF 模擬小時時間尺度之流量與非點源汙染輸出量，並探討模式使用在未來評估事件輸出量之可能性。除了非點源汙染模擬的案例，氣候變遷對流量與非點源汙染之影響同為 HSPF 使用之領域，Göncü et al. (2010)為評估氣候變遷對該地區水庫與水資源之影響，使用 HSPF 結合未來氣候情境模擬土耳其未來流量變化，以及土地利用對氣溫與降雨之影響，並可從結果推估對水庫蓄水量的影響。HSPF 為一個完整且多人使用之模式，具有完善的非點源汙染與傳輸模擬之模組，可以準確模擬集水區非點源汙染量，應用在許多的研究與管理用途上。 AGNPS(Agricultural Nonpoint Source)為美國農業研究發展部與水土保持局合作開發，模式以事件為基礎，目標是模擬農業集水區從小許面積到兩萬公頃面積之逕流、輸砂與河川水質，模式結合許多不同的經驗性公式來進行模擬，例如:地表逕流模擬是使用 SCS Curve Number 公式，輸砂是使用 USLE 公式等等，模式以網格為單位模擬集水區輸出量，網格大小約 16X16 公頃(Young et al., 1989)。AGNPS 應用範圍廣泛，包括流量、輸砂、水質與模式之修正與改良。模式修正與改良方面，Cho et al. (2008)想探討 AGNPS 在小範圍集水區模擬狀況，利用韓國兩個小集水區為案例進行流量模擬並探討使用 GIS 的不同網格 4.

(17) 分割法去修正 AGNPS 網格大小與分配對模擬結果的影響，從結果發現不同的網格法會影響洪峰流量與單一事件之水文模擬。除了模式修正外，逕流與非點源汙染模擬同為 AGNPS 應用之領域，許多地區皆有使用之案例，Mostaghimi et al. (1997)利用 AGNPS 模擬維吉尼亞州小集水區之流量與非點源汙染輸出量，從檢定與驗證結果來看，該模式能準確模擬集水區輸出狀況，並運用此模擬結果制定集水區汙染削減與經營管理的策略。AGNPS 模式為一個完善且運用網格進行集水區模擬之模式，模式內含許多經驗公式，經常運用在許多水文與水質領域中。 SWAT 模式(Soil and Water Assessment Tool)為美國農業水土保持局開發之半分布式水文模式，透過將集水區分割成更細的 HRU(Hydrologic Response Unit)來進行水文與水質模擬，其水質模擬項目繁多，例如:硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、輸砂以及有機氮等等，模式設計以物理為基礎並結合經驗性公式模擬自然現象，如氮循環與磷循環等等，經驗性公式則是使用 SCS Curve Number 與 MUSLE 等等模擬地表逕流與輸砂等等之水文現象(Neitsch et al., 2011)。SWAT 模式為很多人使用之非點源汙染模式，應用領域相當廣泛，包括水資源、氣候變遷與非點源汙染等等之議題與探討。水資源的議題，例如 Santra et al. (2013) 運用 SWAT 模式模擬農業集水區之流量，藉以評估是否會有供水不足之現象，並找出河川較為敏感的參數，評估當地之水文條件。氣候變遷的議題，則有 L. Zhang et al. (2012)等人欲探討氣候變遷對中國東北石頭口門水庫之影響，藉由 SWAT 模式了解流量變化與河川水文特性，並探討水質變化與淤積的狀況。非點源汙染模擬，則有 Yesuf et al. (2015)運用 SWAT 欲探討非洲衣索比亞高山上游集水區人為土地利用開發對於輸沙的影響，並發現隨著森林的減少，人為活動的增加，將使地表逕流上升，使輸砂量增加，而作者最後也提到該模式可與氣候變遷氣候情境結合，針對該水區進行集水區經營管理。統合上述 SWAT 模式運用在許多地區之水文與水質模擬之研究，並可結合氣候變遷情境評估未來之影響，對集水區經營管理策略制定有直接性之幫助。. 5.

(18) 2.2 人為活動對水質之影響水對我們人類是重要的資源，不論是生理上、經濟上都非常仰賴水源，但人為開墾卻無意間破壞了上游水源區的生態，並造成了污染，影響了河川生態系甚至棲息在近海邊的生物。過去幾十年，石化燃料的使用，以及農業活動讓更多的氮進入到空氣中或土壤中，使氮循環改變以及大氣沉降增加(Boyer et al., 2006; Seitzinger et al., 2010)，本節將從大氣沉降與農業活動對環境的影響，進行回顧探討。. 2.2.1 大氣沉降大氣是氣體與懸浮粒子移動的重要的管道，隨著風吹到世界各地，這些懸浮粒子通常來自於人為活動，例如:工業以及交通工具的排放(Prospero et al., 1996)，大氣沉降是指在大氣中的粒子因雨水或重力因素等掉落到地表上的過程，可分為乾沉降與濕沉降兩種，當空氣中含有硝酸根與二氧化硫時，與雨水混和，就會形成帶酸性的雨水，又稱酸沉降(Miller, 1975)，這些沉降將會進入到集水區，並使集水區中氮循環與微生物作用發生改變，影響硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮之輸出量，Zheng et al. (2002)等人研究沉降對環境 DIN 與氨氮等輸出的影響，發現中國在 2000 年排放的𝑁𝑂𝑥 已經高達 11.3Tg/year，𝑁𝐻3 有 13.6Tg/year 之多，降雨每年約有 2.6~48.2kgN/ha 的 DIN 沉降到地表上，使自然界本身的氮含量增加，進而影響 DIN 之輸出量。如果就自然環境的影響來探討，Dise et al. (2009)在森林地區測到每年氮沉降已經超過 25kg/ha 之多，這將會影響該森林的氮循環與 DIN 的輸出量。因此人為活動確實影響了自然循環，並且有可能使循環造成改變與加速，但是大氣沉降並非只在陸地生態系會有影響，水體同樣的會受到大氣沉降而受到變化與干擾。Paerl (1997)探討海岸優養化之現象，發現大氣沉降為海洋來說帶來大量的氮源，大氣沉降提供每年約 300~1000mgN/𝑚2 的無機氮進入到海岸的水體中，人為活動排放之無機氮成為海洋主要氮來源之一，並將使海岸優氧化速度加快，沿岸海洋生態系將會受到影響。湖泊與水庫同為陸地上較為靜態之水體，除了河川輸入的來源外，大氣沉降是額外之氮源，大量無機氮進入到湖泊中，將對水體內之循環造成影響，Elser et al. (2009) 等人提出，當沉降到湖泊中無機氮量變多時，湖泊內的生物化學循環將有變化，藻類生長之氮限制影響將減少，改由磷限制控制藻類之生長，由此可見人 6.

(19) 為活動造成之大氣沉降對生物圈之循環與生長機制是有所影響的。綜合上述回顧，大氣沉降是額外的無機氮源，使陸域與水中生態系之氮循環發生改變，因此非點源汙染之模擬，必須考慮大氣沉降所帶來之影響。. 2.2.2 農業活動農業是人類生產糧食之重要活動，作物須仰賴土壤中的養分才能生長，自從哈伯法的發明，人們開始能將大氣中的氮轉化為氮肥，使氮這個營養鹽開始能夠被人為所施放，除氮之外，磷、鎂、鉀元素皆為肥料中之成分，以供應作物生長所需，但如果施放過多，則會對環境造成影響，甚至造成汙染與生態破壞，因此肥料之施肥管理有其重要性(Strebel et al., 1989; Zhu et al., 2002)。從土地利用來看，農地集水區硝酸鹽氮輸出到河川中營養鹽的含量確實比森林集水區高，且牲畜的養殖，同樣也會增加集水區氨氮的污染的輸出量(Vogt et al., 2015)，但並非只有地表水會受到影響，農地上之地表水滲透到地下，將會汙染到地下水，增加地下水氮的濃度，影響人們之用水(Puckett et al., 2010)，因此肥料的施放影響的並非單一路徑，而是會跟著水流動到各個水循環系統中，產生連鎖的反應與影響。非點源汙染削減與肥料控制有密不可分之關聯性，許多文章都有探討到肥料削減確實會減少非點源汙染之輸出量，Lundy et al. (2012) 指出肥料施放時間會影響到水質好壞，準確的施肥時間，作物可以吸收完整養分且減少進入水中的磷達到水質管理的效果，從亞洲地區的稻米耕作來探討，S.-K. Chen et al. (2013) 發現肥料施放後，稻田排水時的水中氮含量較高，並且淺層地下水相較與深層受到肥料的影響較大，因此肥料施放和排水的控管可以有效的減緩集水區水質的惡化。肥料施放量固為重要，不同的肥料種類，也代表著不同的分解量與溶解量，Yang et al. (2012)提出降雨與𝑁𝑂3 和𝑁𝐻4 的輸出量呈現正相關，肥料的種類也會影響到營養鹽溶解入水中的速度，傳統肥料的溶解量會比有機肥料來的高，對於河川影響較大，因此有機肥的使用也可以減少對化學肥料的依賴，達到與施放化學肥料同等需要的元素量(Sultana et al., 2014)。肥料的影響除了水質外，對土壤的影響同樣很大，Hirono et al. (2009) 研究提到在 1993 年茶葉施肥量超過 1000kgN/ha，肥料的大量施放將會造成土壤酸化，影響茶樹生長，到 2002 年後有些許減少，每年約有 600kgN/ha 左右的施放量，肥料減少的 7.

(20) 效益作者則利用 Mann-Kendall 進行分析，顯示水質有越來越好的趨勢，將減緩土壤酸化的現象，土壤酸化對於茶樹的影響，則可以從 Oh et al. (2006)了解到肥料施放會造成土壤變酸，影響到茶樹根系發育，茶樹吸收營養的效率將受到影響，除了根系的影響，高濃度的𝑁𝑂3 與𝑁𝐻4 會使更多氮經過硝化作用等等揮發到空氣中，當一年氮輸入量超過 1200kg/ha，𝑁2 O揮發的量會是一年氮輸入量 300kg/ha 的三倍多，Cheng et al. (2015)表示肥料施放太多會使土壤裡反硝化作用排出之𝑁2 O增加，揮發量增加 10~35%之多。農業活動中施肥的行為，將使氮磷循環與機制受到影響，造成環境汙染的問題更加嚴重，非點源汙染有很大一部分來自於農業活動，進行水庫上游集水區之非點源汙染模擬與削減時，上游集水區的農業活動必須被詳加考慮，藉由探討肥料施放量對於水質的影響的議題與研究，讓非點源汙染量降低，才為治本的方法。. 2.3 非點源汙染模式之選擇與應用第一節簡介了許多非點源汙染模式，每個模式之概念與模擬方法都有所不同，其中 SWAT 模式為近幾年來廣泛應用之模式，許多研究案例均利用 SWAT 模式進行模擬分析，有學者統整後提出 SWAT 模式之優點如下，第一 SWAT 模式模擬所需資料不多，具有敏感性分析與不確定分析之功能，對於集水區水文與水質背景之了解與參數敏感性之探討，可以提供精準的數據；第二 SWAT 模式在全球分布式非點源汙染模式中，使用之案例是最多的，模擬之準確度同樣不輸其他的非點源汙染模式(Wellen et al., 2015)。此外 Niraula et al. (2013)利用 SWAT 與 GWLF 模式模擬同一個集水區之總氮與總磷之輸出量，指出因 SWAT 模式具有氮循環與磷循環之考量，因此在氮與磷之模擬中，SWAT 模擬之準確度會比 GWLF 高。綜合上述文獻，本研究欲以 SWAT 模式為工具，模擬翡翠水庫上游集水區之非點源汙染輸出量與硝酸鹽氮之移動路徑。SWAT 模式使用領域廣泛，包含土地利用對水文與水質的影響(J. Du et al., 2013; Pikounis et al., 2003)、非點源汙染模擬(Abbaspour et al., 2015; Lee et al., 2010)以及氣候變遷(X. Zhang et al., 2007)與集水區經營管理(Jayakrishnan et al., 2005; Ullrich et al., 2009) 等面向，以下將針對 SWAT 模式應用之面向與議題進行回顧。極端氣候的現象使乾旱與洪水發生的頻率增加，生活用水的影響更為重要議題，許多研究藉由流量模擬與輸出成果了解河川水量供應來源(Fiseha et al., 8.

(21) 2013; Shi et al., 2007)，例如 Saha et al. (2014)利用 SWAT 模式模擬澳洲亞斯河集水區的流量，並從水移動路徑與參數了解集水區的水文特性，發現 90%的雨水會因蒸發而損失，45%的河川基流是來自於地下水，因此蒸發對該區域之水資源有著很大的影響。除流量模擬外，結合氣候變遷情境評估未來水資源狀況也應用在許多的案例中，例如 Ficklin et al. (2009)模擬聖華金河在不同的氣候變遷情境下，流量的變化，該地區為農業盛行之集水區，水資源對當地居民耕作是很重要的，作者發現溫度上升將會使作物需水量與蒸發散量增加，不同情境下該集水區流量反應有很大的差別，所以氣候變遷對該聖華金河灌溉與用水等等有高敏感性。了解集水區水文特性與水流移動路徑為評估水資源之重要方式，可為現階段決策者或欲進行氣候變遷影響評估者提供重要的資訊。集水區水文特性與水流移動路徑的成果可與非點源汙染結合，應用在非點源汙染途徑與非點源汙染削減與策略的領域，例如 Pohlert et al. (2005)等人利用 SWAT 模式模擬非點源汙染與點源汙染，並透過肥料情境與反硝化作用的設定，了解肥料施放後在集水區的移動與存續時間，測試反硝化作用對於模擬非點源汙染之影響，與作物吸收在模式裡的狀況，這對肥料管理與非點源汙染削減是很重要之資訊，並可找出最適合之肥料施放狀況。除此之外，不同的肥料元素移動路徑也大不相同，從地表逕流、側向流與地下水中總氮與總磷的輸出量得知集水區汙染來源，並選擇合宜的非點源汙染削減措施(Green et al., 2008)。人為開發對於自然環境的影響可從模式中土地利用輸出量來進行比較與評估，許多文獻皆對農地或都市氮輸出量與森林氮輸出量進行比較，發現農地或都市的氮輸出量大於森林許多倍(Vogt et al., 2015; L. Wu, T.-y. Long, X. Liu, et al., 2012; Y. Wu et al., 2012)，不同的作物氮輸出量不盡相同，高山農業的氮輸出量是平地水稻的 5 倍以上，可見高山農作對環境的影響相較於水稻嚴重 (Somura et al., 2012)。非點源汙染除了氮之外，輸砂同為非點源汙染模式模擬之項目，例如 Oeurng et al. (2011)模擬法國農業集水區輸砂與有機碳之輸出量，發現輸砂年最大輸出量與最小輸出量相比可差 25 倍，且侵蝕率之大小與坡度與土地利用有關，Setegn et al. (2010)將 SWAT 模式應用到非洲衣索比亞的輸砂模擬，並且大略估算其輸砂量，發現高山地區是主要之供砂來源，坡度與土壤沖蝕成正比的關係。台灣的狀況則與歐洲地區不太相同，除了地表沖蝕外，山崩 9.

(22) 也是輸砂暴增的主因之一，在莫拉克颱風之後，臺灣南部高屏溪流域的輸砂特徵有明顯的改變，崩塌地面積增加讓土壤沖蝕與土石流之況狀更容易發生，中尺度規模之降雨更造成以往要暴雨才能造成的輸砂量，山坡地之防治顯得格外重要(C. H. Chang et al., 2015)。非點源汙染模式 SWAT 應用層面廣泛，是了解集水區水文與汙染狀況之良好工具，透過模式我們可以一窺無法觀測到的自然現象，上述文獻指出人為活動是造成非點源汙染的主要原因，如何提出減少非點源汙染的策略為現在許多學者與政府努力的方向，除了土地利用情境設定外，肥料削減的方法可能造成農民的收穫損失，如何維持收穫量並減少非點源汙染為本研究欲嘗試與努力之地方。. 10.

(23) 第三章. 研究區域與研究方法. 3.1 研究區域概況. 圖 3- 1 翡翠水庫上游集水區翡翠水庫是位於中華民國臺灣新北市的一座水庫，水庫位於新店溪支流北勢溪之上，庫區範圍涵蓋新北市新店區、石碇區與坪林拱橋區，總容量約 4 億 6 百萬立方公尺，為臺灣第二大的水庫，集水區範圍則涵蓋新北市坪林拱橋區、雙溪區、石碇區與新店區，總面積 303 平方公里，本研究的研究區翡翠上游集水區包含坪林拱橋、大林、金瓜寮溪三個集水區所組成，集水區位於新北市坪林區，東經 121°42'，北緯 24°56'之間，氣候為副熱帶季風氣候，年均溫為 21.1℃，年雨量為 3500mm，夏季平均氣溫約 25.6℃，冬季平均溫度約 15.9℃，年平均相對濕度為 85.8%，翡翠水庫上游集水區盛產茶，因此在坪林拱橋與逮魚堀溪的山坡上皆可看到茶樹之種植，而該地區種植的茶種為文山包種茶、東方美人茶等等。. 11.

(24) (1)思源橋與坪林拱橋集水區. 圖 3- 2 坪林拱橋集水區區域圖坪林集水區面積為 10272.58 公頃，其中又可以思源橋為界區分為思源橋以上之思源橋集水區與思源橋以下至坪林拱橋的坪林拱橋集水區，坪林拱橋與思源橋集水區的海拔最高為 998 公尺，最低為 150 公尺，為典型的臺灣上游集水區。本研究在此集水區共有兩個水質採樣站，一個為思源橋，另一個為下游之坪林拱橋拱橋，集水區之流量模擬之氣象資料，採用太平與坪林拱橋林兩個自動氣象站之氣象資料。土地利用的部分，該集水區以森林為主 90.35%，其次為農地 5.01%、都市 1.91%、草地 1.22%、裸露地 0.19%與水體 1.31%，土壤分布以幼黃土 40.89%為最多，其次為崩積土 27.15%、石質土 18.98%、黃壤 9.91%、岩石 1.38%、無母質 0.99%，其餘為混和地 0.7%，坪林拱橋地區農業以茶樹為主要經濟作物，茶葉年產量可達 550kg/ha，茶種有東方美人茶與包種茶等，為北部最大之茶產地。. 12.

(25) 圖 3- 3 坪林拱橋集水區土地利用圖 (2)大林橋集水區. 圖 3- 4 大林橋集水區區域圖 13.

(26) 大林橋集水區面積為 7538.63 公頃，該集水區海拔最高為 1112 公尺，最低為 150 公尺，本研究在此集水區有一個水質採樣點，即為最下游的大林橋，集水區流量模擬所需之氣象資料，則採用上游的碧湖自動氣象測站資料，土地利用的部分該集水區以森林為主 95.65%，其次為農業 2.15%、都市 0.7%、草地 0.43%、裸露地 0.13%、水體 0.94%，土壤的分布以石質土為最多 50.43%、其次為幼黃土 34.02%、崩積土 12.9%、黃壤 1.83%、岩石 0.53%，無母質 0.29%，該地區農業同樣以茶樹為主要之經濟作物，茶種有東方美人茶與包種茶等。. 圖 3- 5 坪林拱橋集水區土地利用圖. 14.

(27) (3)金瓜寮溪橋集水區. 圖 3- 6 金瓜寮溪橋集水區區域圖金瓜寮溪為北勢溪上游的支流之一，該集水區面積為 2198.69 公頃，海拔最高為 1037 公尺，最低為 196 公尺，本研究在此集水區有一個採樣點，在最下游的仁里板橋，模式模擬集水區流量所需的氣象資料，則來自於金瓜寮溪橋集水區旁相進的九芎根自動氣象站，土地利用的部分，以森林為主占 92.71%，其次為農地 5.39%、都市 0.61%、草地 0.46%、裸露地 0.06%與水體 0.77%，土壤的分布以崩積土最多 50.49%，其次為石質土 26.04%、幼黃土 22.96%與黃壤 0.5%，此外該集水區亦為翡翠水庫上游集水區的觀光遊憩景點，許多遊客絡繹不絕，其中有著觀魚自行車步道，吸引許多遊客前往。 15.

(28) 圖 3- 7 金瓜寮溪橋集水區土地利用圖. 16.

(29) 3.2 研究方法 3.2.1 研究資料本研究使用的水質資料為自行觀測之成果，採樣地點為思源橋、坪林拱橋、大林橋與金瓜寮溪橋，採樣頻率為一週兩次與兩週一次，包含 2012 年至 2014 年所有颱風時期三小時一次的水質採樣數據，SWAT 模式輸入資料的部分，SWAT 模式需要輸入土地利用、土壤與數值地形資料作為集水區流量與水質模擬之判斷依據，土地利用來源為國土測繪中心 2005 年之土地利用調查資料，土壤資料來自內政部營建署，數值地形資料主要來自 ASTER 網站，氣象資料使用年段為 2012 年至 2014 年，資料來源為翡翠翠水庫管理局之水文年報，年報包含風速、輻射、相對溼度等資料，氣溫及雨量資料來自於該集水區中的自動氣象測站，分別為太平、坪林、碧湖與九芎根四個測站。. 3.2.2 河川硝酸鹽氮之濃度與通量本研究水質採樣時間為 2012 年至 2014 年，採樣頻率為一周兩次與兩周一次，並且包含颱風時期的採樣資料，有四個採樣點，分別為坪林拱橋拱橋、思源橋、大林橋與仁里板橋，包含颱風時期資料的採樣點，分別為坪林拱橋、大林橋與金瓜寮溪橋該三個採樣點為翡翠水庫上游三個集水區的最下游處，以採樣點為基準畫出集水區與進行水質模擬的部分。日硝酸鹽氮輸出量推估計算，因沒有每天採樣數據，無法得知每天的硝酸鹽氮輸出量，因此需透過通量計算公式的協助，推估未採樣日期的硝酸鹽氮輸出量。推估方法有很多種，例如直接平均（Global mean）或流量加權平均（Flow weighted）等，而本研究選擇利用簡易並在許多研究與案例中使用的率定曲線（Rating Curve）法建立流量與硝酸鹽氮之關係式，其估算方法如下式所示: FLUX = m × ∑𝑇𝑗=1 𝑄𝑗 × 𝐶𝑗 = 𝑚 ∑𝑇𝑗=1 𝑎𝑄𝑗𝑏+1. (1). 公式中 FLUX 為研究期間的硝酸鹽氮總輸出量(kg)，m 為單位轉換係數，T 為推估的總天數(day)，Qj 為第 j 天的流量(cms)，Cj 為利用Qj 推估第 j 天的硝酸鹽氮濃度，其中C = a𝑄 𝑏 ，a、b 可利用觀測的硝酸鹽濃度與採樣當日的對數值，以線性迴歸推求，如果 b>0，則代表其硝酸鹽氮輸出量會隨著流量提高而明顯增加。以下為各集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線與其相關係數𝑅 2 。 17.

(30) (1)思源橋集水區. 圖 3- 8、圖 3- 9 2012 與 2013 年思源橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 圖 3- 10 2014 年思源橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 18.

(31) (2)坪林拱橋集水區. 圖 3- 11、圖 3- 12 2012 與 2013 年坪林拱橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 圖 3- 13 2014 年坪林拱橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 19.

(32) (3)大林橋集水區. 圖 3- 14、圖 3- 15 2012 與 2013 年大林橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 圖 3- 16 2014 年大林橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 20.

(33) (4)金瓜寮溪橋集水區. 圖 3- 17、圖 3- 18 2012 與 2013 年金瓜寮溪橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 圖 3- 19 2014 年金瓜寮溪橋集水區流量與硝酸鹽氮通量之率定曲線. 21.

(34) 3.2.3 SWAT 模式簡介 SWAT 模式(全名為 Soil and Water Assessment Tool)為美國水土保持局 Jeff Arnold 博士開發，目的是為了預測不同土地利用與土壤等因子對於水、輸砂、水質輸出的影響，此模式以物理為基礎結合經驗公式，並透過各種參數的輸入計算流量、水質與輸砂等輸出量，物理過程包括水的流動、泥沙輸送、氮磷循環的模擬為主其餘則是透過經驗方程式進行運算。 SWAT 模式為半分布式(semi-distributed)水文模式，次集水區的劃分則是透過河流交會點來繪製，接著透過輸入土地利用、土壤與坡度等參數，定義門檻值劃分次集水區以及每一個水文單元(Hydrological Response Unit，HRU)藉以去模擬單元內之流量、輸砂、營養鹽等等的輸出，主要應用在非點源汙染研究與集水區經營管理等用途，圖 3-20 為 SWAT 模式模擬流程圖，透過土地利用與氣候等資料輸入後，即對流量成果進行檢定驗證確定水文參數的數值，用於後續進行硝酸鹽氮模擬設定，此外日硝酸鹽氮的模擬需包含作物參數與施肥日子的推估，因為集水區農民農地施肥並不固定，透過大約之施肥量與農民施肥日之參考，設定肥料之施放日期與施放方式，利用 SWAT-CUP 進行與氮相關參數與肥料之檢定驗證，以下將針對各項目模擬方法進行簡介。. 22.

(35) 圖 3- 20 SWAT 模式模擬流程圖. 23.

(36) 1.地表逕流模擬地表逕流模擬為水文研究重要的一環，是流量與非點源汙染模擬研究的基礎。SWAT 模式模擬地表逕流以 SCS Curve Number 法進行估算，該方程式最早也是由美國開發並應用在小型的鄉村集水區，藉由雨水與逕流之關係建立而成，估算土地利用與土壤條件產生的地表逕流量(Rallison et al., 1982)。 SCS curve number 公式為: 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 =. (𝑅𝑑𝑎𝑦 −𝐼𝑎 ). 2. (2). 𝑅𝑑𝑎𝑦 −𝐼𝑎 +𝑆. 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 是累積地表逕流量或超滲降雨量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑅𝑑𝑎𝑦 為當天之降雨深度 (mm 𝐻2 𝑂)，𝐼𝑎 是初始入滲量(mm 𝐻2 𝑂)，S 為保留係數(mm 𝐻2 𝑂)會因為土壤與土地利用變化而改變，而 S 參數的估算如下: 1000. S = 25.4 (. 𝐶𝑁. − 10). (3). 這裡的 CN 值為當天該地區的 CN 值，另外𝐼𝑎 為初始入滲量，通常會被設定為 0.2S，因此完整公式如下 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 =. (𝑅𝑑𝑎𝑦 −0.2𝑆). 2. (4). 𝑅𝑑𝑎𝑦 −0.8𝑆. 當降雨量大於𝐼𝑎 時，才會有地表逕流的發生，若小於𝐼𝑎 則會全部入滲到土中，如果用圖表來呈現 CN 值對應到之降雨-逕流轉換量，則如圖 3-18 所示。. 圖 3- 21 CN 值曲線圖 24.

(37) 在較大的降雨事件下，洪峰之模擬與地表逕流不同，洪峰流量是採用合理化公式進行模擬，其公式如下: 𝑞𝑝𝑒𝑎𝑘 =. 𝐶×𝑖×𝐴𝑟𝑒𝑎. (5). 3.6. 𝑞𝑝𝑒𝑎𝑘 是指洪峰流量(𝑚3 𝑠 −1)，C 為逕流係數，i 為降雨強度(mm/hr)，Area 為集水區面積(𝑘𝑚2 )，3.6 為單位換算之係數。地表逕流產生後，流入河道需有一段延時，尤其在比較大的次集水區，更需要時間流入河道，此時河道中水量則需要考量地表逕流延遲參數來進行計算，如下式所示: ′ 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 = (𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 + 𝑄𝑠𝑡𝑜𝑟,𝑖−1 ) × (1 − 𝑒𝑥𝑝 [. −𝑠𝑢𝑟𝑙𝑎𝑔 𝑡𝑐𝑜𝑛𝑐. ]). (6). ′ 上式中𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 為主河道河川流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 為次集水區當天產生之地. 表逕流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑠𝑡𝑜𝑟,𝑖−1 為前幾天儲存或延遲在次水區之地表逕流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑠𝑢𝑟𝑙𝑎𝑔為地表水延遲參數，𝑡𝑐𝑜𝑛𝑐 為次集水區之集流時間。 2.側向流模擬除地表逕流會流入河道外，側向流同為另一個水流移動途徑，當水進入到土壤中，有些水會在表層土壤中進行流動，尤其是水力傳導度較高的土壤中，坡長與坡度都會影響側向流的計算。SWAT 模式中側向流之模擬是採用 Sloan et al. (1984)的方法，假定飽和地表下逕流與側向流都是在飽和區間平行移動，且水力傳導度與坡度需要夠達到該門檻值才會發生，該示意圖如 3-22 示:. 圖 3- 22 水在 Kinematic storage model 中假定之狀態 25.

(38) 上圖中，𝐷𝑝𝑒𝑟𝑚 為表層可透水之土壤深度，𝐿ℎ𝑖𝑙𝑙 為坡長，𝑎ℎ𝑖𝑙𝑙 為斜坡的坡度，在 Kinematic wave 概念上，將側向流與飽和地表下逕流歸類為一起，假定水流位於飽和區與不滲透層之間，沿著邊坡底岩平行流動，在邊坡的飽和水量計算上則是利用以下公式 5 進行計算: 𝑆𝑊𝑙𝑦,𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 =. 1000∗𝐻𝑂 ∗∅𝑑 ∗𝐿ℎ𝑖𝑙𝑙. (7). 2. 𝑆𝑊𝑙𝑦,𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 為坡地每單位面積之飽和水層含水量(mm)，𝐻𝑂 為坡地出水口顯示之飽和水層厚度(mm/mm)，𝐿ℎ𝑖𝑙𝑙 為坡長(m)，1000 為公尺轉換為毫米之單位轉換，側向流之計算主要由上式跟邊坡飽和水量計算等參數組合而成，如下式 6 所示: 𝑄𝑙𝑎𝑡 = 0.024 (. 2∗𝑆𝑊𝑙𝑦,𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 ∗𝐾𝑠𝑎𝑡 ∗𝑠𝑙𝑝 ∅𝑑 ∗𝐿ℎ𝑖𝑙𝑙. ). (8). 𝑄𝑙𝑎𝑡 為邊坡側向流量(mm)，𝑆𝑊𝑙𝑦,𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 為坡地每單位面積之飽和水層含水量 (mm)，𝐾𝑠𝑎𝑡 為飽和水力傳導度(mm/h)，𝑠𝑙𝑝為高程單位距離。 3.淺層地下水量模擬淺層地下水層為河川基流補注來源，淺層地下水來源為地表水滲透，滲透過程將會把地表與土壤中的成分帶入淺層地下水層，這些過程在河川流量與水質模擬尤其重要，以下將介紹 SWAT 模式中有關河川基流補注等相關公式。淺層地下水總水量的計算是透過水平衡，將河川基流補助與地表水滲透等進行計算，藉以了解淺層地下水總水量，公式如下: 𝑎𝑞𝑠ℎ,𝑖 = 𝑎𝑞𝑠ℎ,𝑖−1 + 𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑠ℎ − 𝑄𝑔𝑤 − 𝑤𝑟𝑒𝑣𝑎𝑝 − 𝑤𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑠ℎ. (9). 上述公式𝑎𝑞𝑠ℎ,𝑖 為淺層地下水在第 i 天的水儲存量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑎𝑞𝑠ℎ,𝑖−1 為淺層地下水在第 i-1 天的水儲存量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑠ℎ 為進入補助淺層地下水水量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑔𝑤 為從淺層地下水流出補注河川基流之水量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑟𝑒𝑣𝑎𝑝 為土壤缺水時從淺層地下水補注回土壤的量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑠ℎ 這裡指的是人為抽水量(mm 𝐻2 𝑂)。淺層地下水主要來源為雨水，雨水除了成為地表逕流，同時還會滲透入土壤中，隨著重力往下流動，進入淺層地下水層中，其計算公式則與土壤滲透有關，該公式如下: 1. 𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑖 = (1 − 𝑒𝑥𝑝[−1/𝛿𝑔𝑤 ]) ∗ 𝑤𝑠𝑒𝑒𝑝 + 𝑒𝑥𝑝 [− 𝛿 ] ∗ 𝑤𝑟𝑐ℎ𝑔,𝑖−1 𝑔𝑤. 26. (10).

(39) 上述公式中𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑖 為第 i 天進入補注的淺層地下水量(mm 𝐻2 𝑂)，𝛿𝑔𝑤 為水流從地表流入淺層地下水的延時(天)，𝑤𝑠𝑒𝑒𝑝 是每天通過土壤底層的水量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑟𝑐ℎ𝑔,𝑖−1為第 i-1 天補注的淺層地下水量(mm 𝐻2 𝑂)。河川基流來自淺層地下水的補注，調節了河川乾季的水量與河川生物的存活，河川基流為淺層地下水減少的因素之一，其每日河川基流量計算方式如下: 𝑄𝑔𝑤,𝑖 = 𝑄𝑔𝑤,𝑖−1 ∗ 𝑒𝑥𝑝[−𝛼𝑔𝑤 ∗ ∆𝑡] + 𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑠ℎ ∗ (1 − 𝑒𝑥𝑝[−𝛼𝑔𝑤 ∗ ∆𝑡]). (11). if 𝑎𝑞𝑠ℎ > 𝑎𝑞𝑠ℎ𝑡ℎ𝑟,𝑞 𝑄𝑔𝑤,𝑖 = 0. if 𝑎𝑞𝑠ℎ > 𝑎𝑞𝑠ℎ𝑡ℎ𝑟,𝑞. 上述公式中𝑄𝑔𝑤,𝑖 為淺層地下水補注第 i 天的河川基流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑔𝑤,𝑖−1 為第 i-1 天的淺層地下水補注的河川基流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝛼𝑔𝑤 為退水常數，∆𝑡為一天經過的時間，𝑤𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑠ℎ 為第 i 天淺層地下水層補充量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑎𝑞𝑠ℎ 是第 i 天初始的淺層地下水儲存量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑎𝑞𝑠ℎ𝑡ℎ𝑟,𝑞 為發生河川基流補注之淺層地下水量門檻值(mm 𝐻2 𝑂)。 4.硝酸鹽氮移動模擬農業活動施放大量肥料(氨氮、硝酸鹽氮等)，將造成土壤酸化的現象，並且這些並未被植物吸收之硝酸鹽氮，藉由水流進入河川、地下水、土壤中，將可能影響土中與水中的氮循環過程，為了瞭解硝酸鹽氮是透過進入河川的主要途徑，本研究利用 SWAT 模式中硝酸鹽氮移動公式的計算，了解其每日的移動途徑分布比例，以下為硝酸鹽氮在水中移動濃度的計算: −𝑤. 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 =. 𝑁𝑂3𝑙𝑦 ∗{1−𝑒𝑥𝑝[(1−𝜃 𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 ]} )∗𝑆𝐴𝑇 𝑒. 𝑙𝑦. (12). 𝑤𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒. 上述公式中𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為隨水流移動的硝酸鹽氮濃度(kg N/mm 𝐻2 𝑂)， 𝑁𝑂3𝑙𝑦 為在不同層中硝酸鹽氮的總量(kg N/ha)，𝑤𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為每一層水流移動量(mm 𝐻2 𝑂)，𝜃𝑒 為陰離子除外的孔隙率係數，𝑆𝐴𝑇𝑙𝑦 為土壤層飽和含水量((mm 𝐻2 𝑂)。而每一層水流移動則分為地表逕流、側向流與流失的滲透的部分，在不同土層有不同水流移動的計算，如以下所示 𝑤𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 = 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 + 𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 + 𝑤𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦. for top 10 mm. (13). 𝑤𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 = 𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 + 𝑤𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦. for lower soil layers. (14). 27.

(40) 上式中𝑤𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為每一層水流移動的水量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 為每天產生的地表逕流量(mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 為土壤層中的側向流(mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦 為每日水滲透入土壤底部的水量(mm 𝐻2 𝑂)。硝酸鹽氮經由地表逕流、側向流與滲透入地下水層的量，是經由濃度、水流與硝酸鹽氮融入水中的比例來進行計算，以下為硝酸鹽氮被水流移動途徑帶入河川總量的計算方法。 (1)地表逕流: 𝑁𝑂3𝑠𝑢𝑟𝑓 = 𝛽𝑁𝑂3 ∗ 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 ∗ 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓. (15). 這裡𝑁𝑂3𝑠𝑢𝑟𝑓 為被地表逕流帶走的硝酸鹽氮總量(kg N/ha)，𝛽𝑁𝑂3為硝酸鹽氮滲透率，𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為土壤表層 10mm 中硝酸鹽氮的濃度(kg N/ mm 𝐻2 𝑂)， 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 為每天產生的地表逕流量(mm 𝐻2 𝑂)。 (2)側向流 𝑁𝑂3𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 = 𝛽𝑁𝑂3 ∗ 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 ∗ 𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦. for top 10 mm. 𝑁𝑂3𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 = 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 ∗ 𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦. for lower soil layers. (16) (17). 上述公式中𝑁𝑂3𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 為硝酸鹽氮經由側向流從該層帶出的總量(kg N/ha)， 𝛽𝑁𝑂3為硝酸鹽氮滲透率，𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為該層移動水流中硝酸鹽氮濃度(kg N/ mm 𝐻2 𝑂)，𝑄𝑙𝑎𝑡,𝑙𝑦 為側向流從該層流出的水量(mm 𝐻2 𝑂)。 (3)硝酸鹽氮滲透量 𝑁𝑂3𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦 = 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 ∗ 𝑤𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦. (18). 上述公式中𝑁𝑂3𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦 為硝酸鹽氮滲透入土壤底層的總量(kg/ha)， 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑁𝑂3,𝑚𝑜𝑏𝑖𝑙𝑒 為該層移動水流中硝酸鹽氮濃度(kg N/ mm 𝐻2 𝑂)，𝑤𝑝𝑒𝑟𝑐,𝑙𝑦 為水滲透入土壤底層的水量(mm 𝐻2 𝑂)。 6.作物收穫設定本研究作物生長設定指的是 SWAT 模式內部作物生長相關參數設定，例如收穫日期、收穫效度、作物再生長日期、下次收穫預計收取比例與作物生長目標等等，這些設定會藉由收穫量來反映是否正確，因此本研究透過坪林拱橋地區茶葉實際收穫量與模擬收穫量進行對比，確定該地區之收穫相關參數設定。茶葉之作物參數設定參照楊秀珠 (2007)中茶樹生長所需養分來進行設定，養分吸收的方式是以新梢 45%，木材 25%，茶葉約 30%為氮養分分配比例，茶. 28.