大甲及大安溪流域水量改善策略對BOD之影響研究

國 立 交 通 大 學

土 木 工 程 研 究 所

碩 士 論 文

大甲及大安溪流域水量改善策略對 BOD 之

影響研究

The Impact of Water Resource Strategies

on BOD for in Dajia and Daan Basin

研 究 生 ： 林君儀

指導教授 ： 張良正 博士

大甲及大安溪流域水量改善策略對 BOD 之影響

The Impact of Water Resource Strategies on BOD

for in Dajia and Daan Basin

研 究 生：林君儀

Student：Chun Y. Lin

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

July 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

大甲及大安溪流域水量改善策略對 BOD 之影響研究

學生：林君儀 指導教授：張良正博士 國立交通大學土木工程研究所

摘要

本研究以系統動力學為基本分析工具，並以大甲及大安溪流域為 研究區域，建立涵蓋水量調配與水質影響之區域水資源策略分析模擬 模式。並進一步就現有系統及增加越域引水、興建人工湖及自來水管 線汰換等不同調適策略，應用所建置之模式探討各改善策略對生化需 養量（BOD）之影響。 依現況建立流域河川及水庫水質系統動力模式，再結合水資源調 配系統動力模式，推求德基水庫及其河川的 BOD。水庫部份以二次 規劃法推求不同土地形態下的單位面積負荷係數及流達率，配合降雨 量分配，進一步推求水庫 BOD。河川 BOD 的流達率亦以二次規劃法 推求。案例模擬發現，其中越域引水及興建人工湖策略會造成下游河

段 BOD 惡化，自來水管線汰換策略則會讓 BOD 變好。故對河川 BOD

影響而言，以自來水管線汰換策略影響最小。

結果顯示本研究發展之流域水量水質模式，可探討不同水量改善

The Impact of Water Resource Strategies on

the BOD of Dajia and Daan Basin

Student：Chun-Yi Lin Advisor：Dr. Liang-Cheng Chang

Department of Civil Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

This research develops an integrated simulation model that combines water quality and water quantity simulation models by using system dynamics (SD). A proposed model was applied to assess performance of various policies on sustainable water resources management of Dajia and Daan basin. This assessment focused on evaluating the impacts of water resources developing alternatives on reservoir and river water quality. Two supply-side strategies - Taichung artificial lake and trans-basin diversion, and one demand-side strategy - water supply pipelines replacement, were examined by using the model with The Taichung basin as studied area.

Parameters related to water quality modeling were calibrated by using the quadratic programming. The water quality simulation model consists of two parts; simulation of BOD transport on reservoir upstream catchment and that on reservoir downstream river. BOD loading coefficients for different landscapes and transport coefficients of BOD in river flow were calibrated. Simulation results indicated that BOD concentration in river downstream section will increase and surpass the water quality criteria after a trans-basin diversion and Taichung artificial

lake were constructed. On the contrary, the BOD in the downstream river section will decrease after a water supply pipeline replacement.

The results demonstrated that the proposed policy assessment model can effectively investigate the performance of various scenarios and is a valuable tool for supporting the decision making of integrated basin management.

謝 誌

在交大這幾年時間，做了許多事：台中及中壢大學來回奔波的修 了不少課，也修了教育學程（雖然最後放棄了）、拿了 2 萬歐元歐盟 教育部伊莫拉斯獎學金、參與並舉辦一次全國性研討會，也讓我第一 次連續 48 小時沒睡、第一次自己發文去要資料、第一次開車送計劃 報告、兩年時間在語言中心當聽力課助教、第一次當班代服務同學， 太多印象的事了！親愛的交大，我的好多人生的第一次都是在這幾年 獻給”您”！ 感謝恩師張良正教授對於本研究的細心指導及求學階段中對學 生的待人處事與學問研究方面的訓練，讓學生對於很多事情的判斷及 想法，有別以往在大學時的思考方式。此外，在學術研究以外各方面， 學生感受到恩師的親和力，在求學階段，無時無刻關心我。謝謝口試 委員明新科技大學陳鴻輝副教授、逢甲大學蘇惠珍助理教授、楊朝仲 助理教授細心認真指正拙文，並於口試期間提出相當寶貴的意見，使 本文更加完備，在此謹致衷心謝意。特別是在交大求學期間，謝謝惠 珍學姐及朝仲學長在參與建教計劃中的訓練與指導，讓我收獲良多。 感謝屏東科技大學葉一隆教授，若沒有您在學術研究方面啟發與 鼓勵，就沒有今天就讀交大完成碩士學業的我。感謝中央研院環境變 遷中心高樹基助研究員，謝謝基哥在中研院期間在生活及各方面對於 我的照顧，讓我第一次在頂尖中央學術機構學習不少。再次感謝上述 兩位老師幫忙寫推薦信，讓我獲得歐盟獎學金這項榮譽。感謝中央大 學吳瑞賢教授，是您讓我國科會大專生計劃得以審核通過。 而在研究室方面必須先感謝何智超學長，耐心的指導我一步步完 成論文，計畫上的專業知識及無私的奉獻值得令我學習，我想您會被 稱為計劃之神實在當之無愧、陳宇文學長及蔡瑞彬學長的專業知識及

帶點顏色的幽默對話，讓我成長不少、葉明生學長的思考邏輯、陳鴻 輝學長多張技術證照及廣大人脈關係，都讓我欽佩，張老師底下的學 生，個個都是英雄豪傑。有幸認識各位學長，深感榮幸。 接著我要感謝碩士班的同學：小蘇、浚瑋、任馥，謝謝瑋哥及小 蘇在課業及學業上勉勵、明穎及昭延學長鼓勵、很懷念跟茹小妹、怡 釧、正偉、全哥、牛奶車、柏成、為善、昱維、阿牛、韋圻、瀚聖在 研究室渡過無數歡樂時光，特別是有小當家之稱柏成、茹小妹及韋 圻，讓我在那段時間大飽口福。謝謝阿海、冠宇、雲直、阜峻等學弟， 在我撰寫論文期間及口試時的幫忙，謝謝你們，祝福你們順利畢業。 謝謝歷任助理幼臣、俊明、祐誠在各方面幫忙。 感謝我的心靈導師陳端，在人生處世各方面指導及提攜，帶領我 進入認識悉曇梵文的世界，謝謝真如法林這個大家庭中諸位師兄弟的 鼓勵勵。感謝好友坤祥、小宇、小黑、冰凍龜、Howard、Jeffery 及 學弟葉小雄等人勉勵。謝謝我的摯友陳伯存博士，謝謝你在我人生的 求學路上不斷地鼓勵我，祝福你在博士後研究更上層樓。 最後非常感謝遠在高雄的家人:父親林青課、母親郭婷婷及小妹 林汐柔對我的全力支持，在我失意的時候，替我加油打氣。謝謝又又 日本及高雄來回奔波及支持，僅將此研究現給我最愛的家人及週遭支 持、關心我的人。 最後要感謝的是吉米，你是我寫論文重要推手及文思泉湧來源， 真得謝謝你的幫忙! 這幾年我最深體悟就是，交大=交作業大學，無論是課業及研究 學問都很紮實。 Jimmy 20090729

章 節 目 錄

中文摘要...I 英文摘要...II 謝誌...IV 章節目錄...VI 表目錄...VIII 圖目錄...X 第一章 緒論...1 1.1 研究緣起及目的 ...1 1.2 研究架構 ...2 第二章 文獻回顧 ... 5 第三章 研究方法 ...10 3.1 水資源系統調配動力模式 ...10 3.1.1 系統動力學之發展歷程...10 3.1.2 系統動力學原理說明...10 3.2 水庫污染源的推估 ...17 3.2.1 非點源污染的推估...17 3.2.2 水庫水質的推估...18 3.3 流域點源污染的推估 ...19 3.4 水質評估指標選定 ...20 3.5 水量評估指標選定 ...21 第四章 流域水資源調配及水質策略模擬模式建立 ...23 4.1 研究區域概述 ...23 4.1.1 流域環境自然概況 ...23

4.1.2 德基水庫集水區概況 ...25 4.1.3 流域水資源調配系統、設施、水文水質概述...32 4.1.4 流域水資源調配系統需求用水推估...44 4.2 模式架構說明 ...50 4.3 流域水質系統動力模型建立 ...53 4.3.1 集水區非點源污染模式推估與率定...53 4.3.2 水庫水質系統動力模型建立...57 4.3.3 河川水質系統動力模型建立與率定...58 4.4 流域水資源調配系統動力模型建立 ...74 4.4.1 水資源調配系統模式架構說明 ...74 4.4.2 地表水資源調配模式建立...75 4.4.3 水資源調配系統調適策略...77 第五章 情境模擬及分析 ...84 5.1 零方案及各種策略模擬結果 ...84 第六章 結論與建議 ...97 6.1 結論 ...97 6.2 建議 ...99 參考文獻...100

表 目 錄

表 3.4.2-1 地面水體分類及水質標準(BOD)... 21 表 4.1.2-1 82 年至 90 年德基水庫集水區土地利用衛星影像判釋結果 ... 29 表 4.1.2-2 84 年至 90 年間德基水庫集水區土地利用變遷面積... 29 表 4.1.2-3 71 至 85 年德基水庫上游平均旬降雨量... 31 表 4.1.3-1 德基水庫發電運轉規線表 ... 36 表 4.1.2 大甲溪水區、水體分類及水質標準公告說明表 ... 42 表 4.1.3-3 台中地區之目標年人口推估表 ... 45 表 4.1.3-4 台中地區之目標年普及率 ... 45 表 4.1.3-5 台中地區之目標年抄見率 ... 45 表 4.1.3-6 台中地區之目標年每人每日用水量(節約用水) ... 46 表 4.1.3-7 台中地區之目標年生活用水需求量推估(節約成長) ... 46 表 4.1.3-8 已編定(編定中) 工業區之目標年需水量表 ... 48 表 4.1.3-9 台中地區之目標年工業用水需水量... 49 表 4.3.1-1 各種土地利用型態之面積 ... 53 表 4.3.1-2 各種土地利用之 BOD 負荷係數範圍 ... 55 表 4.3.1-3 率定 BOD 單位負荷係數及流達率 ... 55 表 4.3.3-1 大甲溪流域匯集支流及排水幹線一覽表... 58 表 4.3.3-2 一般流達率建議值 ... 62 表 4.3.3-3 河段內集污區推估的人口數 ... 63 表 4.3.3-4 各河段人口平均年成長率 ... 64 表 4.3.3-5 河段內集污區推估的猪隻數 ... 66 表 4.3.3-6 87-93 年大甲溪流域畜養猪隻平均年成長率 ... 66 表 4.3.3-7 各河段事業污染推估值 ... 69

表 4.3.3-8 第一河段水質、流量測站實測資料及推估水質濃度... 70 表 4.3.3-9 第二河段水質、流量測站實測資料及推估水質濃度... 71 表 4.3.3-10 第三河段水質、流量測站實測資料及推估水質濃度... 72 表 4.3.3-11 各河段豐、枯水期之流達率 ... 72 表 4.4.3-1 台灣地區漏水率現況分析 ... 82 表 5.1.1-1 各種模擬方案推求的缺水指數 SI 表 ... 85

圖 目 錄

圖 1.1 研究流程圖 ... 4 圖 3.1.1 水庫供水操作之因果回饋環路圖 ... 12 圖 3.1.2 水庫供水操作之系統動力流圖 ... 12 圖 3.1.3 水資源供需示意圖 ... .15 圖 3.1.4 水資源供需因果回饋圖 ... 16 圖 4.1.1 德基水庫集水區地理位置圖 ... 26 圖 4.1.2 德基水庫集水區土地利用類別圖 ... 27 圖 4.1.3 德基水庫集水區雨量站分布圖 ... 30 圖 4.1.4 大安溪、大甲溪流域圖 ... 34 圖 4.1.5 台中地區現況水源調配系統圖 ... 35 圖 4.1.6 德基水庫發電運轉規線圖 ... 36 圖 4.1.7 德基水庫高程-面積-容量曲線圖... 37 圖 4.1.8 台中地區現大甲溪石岡壩歷年流量圖 ... 40 圖 4.1.9 大甲溪流域劃定及水體水質分類公告圖 ... 41 圖 4.1.10 生化需氧量 Boxplot 圖 ... 43 圖 4.2.1 流域水質系統架構圖 ... 52 圖 4.3.1-1 德基水庫集水區 91 年土地利用分類圖... 54 圖 4.3.1-2 水庫水質檢定結果圖 ... 57 圖 4.3.2 水庫水質系統動力推估模式圖 ... 57 圖 4.3.3 大甲溪流域匯集支流及排水幹線系統圖 ... 59 圗 4.3.4 流域水質系統動力模式圖 ... 60 圖 4.3.5 生活污染系統動力推估模式 ... 65 圖 4.3.6 畜牧污染系統動力推估模式 ... 68 圖 4.3.7 事業污染系統動力推估模式 ... 68

圖 4.3.8 第一河段水質檢定結果圖 ... 73 圖 4.3.9 第二河段水質檢定結果圖 ... 73 圖 4.3.10 第三河段水質檢定結果圖 ... 74 圖 4.4.1 台中地區現況水源調配系統圖 ... 76 圖 4.4.2 大安溪及大甲溪水源聯合運用輸水工程圖 ... 78 圖 4.4.3 越域供水系統動力模型 ... 78 圖 4.4.4 台中人工湖水源演算模擬之系統架構 ... 80 圖 4.4.5 台中人工湖水源調配系統動力模型 ... 81 圖 4.4.6 自來水管線汰換系統動力圖 ... 83 圖 5.1.1 各種策略下水庫 BOD 水質 Boxplot 圖... 86 圖 5.1.2 各種策略下第一河段水量 Boxplot 圖 ... 87 圖 5.1.3 各種策略下第一河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 87 圖 5.1.4 各種策略下第二河段水量 Boxplot 圖 ... 88 圖 5.1.5 各種策略下第二河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 89 圖 5.1.6 零方案策略第三河段水量 Boxplot 圖 ... 90 圖 5.1.7 零方案策略第三河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 90 圖 5.1.8 越域引水策略第三河段水量 Boxplot 圖 ... 91 圖 5.1.9 越域引水策略第三河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 92 圖 5.1.10 自來水管線汰換策略第三河段水量 Boxplot 圖 ... 93 圖 5.1.11 自來水管線汰換策略第三河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 93 圖 5.1.12 興建人工湖策略第三河段水量 Boxplot 圖 ... 94 圖 5.1.13 興建人工湖策略第三河段 BOD 水質 Boxplot 圖... 95

第一章 緒論

1.1 研究緣起及目的

台灣年平均雨量雖然高達 2,510 公厘，為世界平均降雨量之 2.6 倍， 但每人平均降雨量分配卻只有世界平均值的 1/6，而且因為河流短、地 勢陡，降雨量均直流入海。此外，降雨量分佈不均，約 80﹪集中於五至 十月之豐水期，且大部分為颱風暴雨，因此水資源水量之調配更加困 難。然除了水文狀況時間與空間分部不均外，隨著經濟發展及人口快速 成長，導致到水資源的需求與日俱增，因此如何有效調配水資源為一重 要課題。 過往水資源政策偏向開發新水源，然由於人民對環保及生態的意識 抬頭，開發新水源的困難度也比以往增加。因此，水資源開發政策已從 過去開發新水源的面向轉為現有水源設施聯合調配及需求面之管理。透 過區域性整體水利設施靈活彈性的聯合運用或降低需求以減少新水源 開發對環境或生態之衝擊，因此為政府目前所積極推動政策方針。 然除了水量供應問題外，工業發展與土地開發亦造成水質上的隱 憂。就上游集水區而言，台灣因地形陡峭，河川源短流急，上游集水區 遇暴雨時，土質鬆軟處本即易於出現崩塌，加以過往對水土保持工作之 重要性缺乏認知，森林濫伐及山坡地濫墾情形嚴重，導致集水區之水源 涵蓄能力及水庫水質不佳，依據環保署對台灣地區 22 座主要調查水庫 水質結果，以八十六年水庫優養化情況最為嚴重，20 座檢測水庫中有 15 座呈現優養化狀況，因此有必要加強水庫集水區之經營管理，以確保 水庫能提供質優量足之水資源。而人口集中造成都市化現象及工業發展 所排出之市鎮廢水、工業廢水、畜牧廢水及垃圾滲出水等，夾帶大量污

染物排入河川，由於廢水量大，超過河川之涵容能力，致使台灣之大小 河川大都受到不同程度的污染。據行政院主計處的資料顯示，2000 年台 灣地區 50 條重要河川中，河川污染的主要來源中，家庭污水佔 49.7% 最高，其次為工業廢水佔 36.3%及畜牧廢水佔 14%。由上述原因導致 部分之河川水資源無法有效利用，未來若能有效改善水質，則可提升河 川水源的利用率。 有鑑於此，本研究以「水量」及「水質」的系統思考方向，選定大 台中地區包括大甲溪和大安溪流域為研究地區，建立涵蓋水量調配與水 質影響之區域水資源策略分析模式，推求德基水庫及河川 BOD 水質濃 度。其中河川 BOD 濃度的流達率以二次規劃推求；水庫 BOD 濃度則是 以德基集水區 88 年土地利用情形，以二次規劃及單位面積負荷係數法 出推求不同土地形態下的單位面積負荷係數及流達率，配合降雨量分配 計算入庫的污染量，並進一步推求德基水庫 BOD 水質。應用所建立的 流域水質模式，探討不同水資源調適策略對於流域河川水質的影響，以 提供更完整而清晰之參考資訊，作為決策者參考。

1.2 研究架構

本研究流程圖如圖 1.1 在歷史觀測資收集部分：先收集大甲溪流域 之相關歷史資料，雨量部份收集中央氣象局、台電及水利署研究區域雨 量站資料，包括桃山、思源、平岩山、環山、無明山、捫山、黎山、松 茂、佳陽山、志佳陽大山、達見、松峰一共 12 個雨量站的日降雨量資 料，資料年份為民國 71–民國 85 年，一共 15 年。土地利用面積資料由 逢甲大學地理資訊系統中心所提供民國 88 及 91 年土地利用分類圖層、

水庫水質及水量資料則參考 91 年德基水庫集水區第四期整體治理規劃 報告採用其中民國 88 及 91 年實測資料、並參考環保署及水利署水文水 資源資料管理供應系統，收集歷年各月水質測站的河川水質實測資料及 歷年各月河川流量站的流量實測資料。在流域水質模式檢定部份：利用 二次規劃方法，分別率定出上游集水區單位面積污染負荷係數及流達 率，下游部分則率定河川污染量的流達率，並以此率定結果建立流域水 量水質模擬分析模式。近一步透過流域水資源調配模式探討各種水資源 策略，對於大甲溪流域水質衝擊影響，以作為大甲溪流域水資源管理之 參考。

歷史觀測資料收集

流域水質模式檢定

流域水量水質模擬分

析

流域水資源調配模

式

改善策略

圖 1.1 研究流程圖

第二章 文獻回顧

一、水質相關文獻 當集水區之林地、稻田、果園、茶園、菜園使用之有機肥料、農藥 及養殖漁業、畜牧業產生之污染以及社區之生活排水所產生有機污染量 超過水庫自淨能力時，將發生水庫水體優養化現象。因此水庫集水區土 地利用型態為影響水庫水質的主要原因之一。詹智全（2001）指出國內 尚未有水質是否優養化規定的標準方法，相關研究各有不同，也因此造 成優養化評估結果有所差異，目前國內外對水庫及和川水質研究結果如 下: 國內對於集水區污染已有多年之相關研究，主要進行污染源之調 查、污染負荷量（Pollutant Loads）及最佳管理作業等方面之研究。推估 集水區污染負荷量的研究有:蔣本基等（1987）經由採樣台北縣三峽地區 之都市及農業區域，來分析暴雨逕流的水量及水質，探討暴雨逕流所產 生之非點源污染；蘇煌池（1992）以負荷-阻抗概念推估水庫涵容能力 之可靠度及建立BOD、總氮及總磷之年污染負荷；余忠賢（1996）利用 單位面積、直接測量和相關分析三種方法，推估德基水庫非點源污染之 年總污染量；郭振泰等（1996）、陳怡靜（2000）利用德基水庫入流松 茂站的實測值及相關污染值線性迴歸經驗式，推估出每年入流德基水庫 污染總量；溫清光等（1999）（2001）對於曾文水庫及翡翠水庫等遊憩 活動、農業活動、社區、施工活動及工業活動系列之非點源污染調查、 並加以推估污染的負荷量；林宜秀（2003）以石門水庫集水區水質及流 量資料，利用單位面積法推估集水區污染量及保護帶的設置。

在河川及水庫水質部份，蘇煌池（1992）、李家鼎（2006）、呂銘淵 （2007）把BOD列為水庫水體參考水質指標之一。江漢全（1996）指出 BOD是測定生物性可氧化有機物唯一方法，國內水質監測在估算水承受 水體自淨能力上是不可缺少一項指標；張智華（1997）針對台灣南部工 業區及石化廠調查，並以swmm模擬推估SS、BOD、COD等單位面積年 負荷量。 在國外，在集水區污染方面：Tony（1989）探討集水區的污染類別 中，以農業區的地表逕流為主要來源，從農業區的污染源排放至水體； Duda（1993）提出美國環保署1990 年資料顯示，污染之來源主要為降 雨逕流、農業活動、礦場排水及水利工事等。 河川水質模式自 Streeter-Phelps（1925）兩人發表之Ohio River 之 BOD-DO 模式開始有大量相關研究；O’Conner（1960）以質量平衡證

明 Streeter-Phelps 之方程式，建立完整的理論基礎。Steel（1965）、Chen

（1970）將模式應用在感潮河段、湖泊、水庫及海洋等水質污染及水體 優養問題；由於對湖泊、水庫的水質重視而使理論發展漸趨成熟，為方 便對水質預測，模式逐漸被發展出來，Vollenweider （1983）視水體為 黑盒子而發展的零維模式，分析湖泊、水庫優養化的特性，此法簡單具 實用價值。 台灣河川水質惡化主要原因為受到有機性污染因子影響，其中生化 需氧量為表示河川受有機物的污染程度。Sawyer（1995）生化需氧量數 據在環工上有及廣泛之應用，它是測定家庭污水或是工業廢水最重要的 試驗。它亦是用來測定可被生物氧化的有機物量的方法，故生化需氧量 可作為河川污染的主要準則；澳州學者Scholz, G.（2002）與Bennett（2002）

均提及流域水資源的開發與利用，除滿足人類的需求外，還必需盡可能 地維持河川的健康。而周慧珍（1992）指出美濃水庫越域引水，會提高 高屏溪BOD濃度；鄒鄉銘（1998）則指出不同水庫操作對於水庫下游河 川的BOD濃度產生影響。 二、以系統動力學為基礎，兼顧水量與水質面向之相關文獻 本研究以系統動力學為基礎，綜合分析水量及水質之相互影響，故 相關文獻說明將以應用系統動力學進行分析之文獻進行探討。 在系統動力學研究方面，有效率的水資源規劃與管理是不容忽視 的，此一議題考量及政策面相關研究如下：XU et al.(2002)應用水資源系 統動力學(WRSD)分析中國大陸黃河流域的永續性；Stave(2003) 將系統 動力學應用於拉斯維加斯的水資源管理上；詹麗梅(2001) 利用系統動力 學理論建立區域供水系統之模擬模式，其中包含需水量預測與用水調配 模擬模式，並建立永續性評價指標體系與評價方法，以探討不同供水策 略對供水系統永續性之影響；黃鈺珊(2001)建構流域水資源使用與都市 系統動力模型，並以情境分析，針對當前高屏溪流域之水資源與都市發 展政策進行政策試驗，檢視其是否達到永續發展之理念；李明益(2001) 建立河川流域系統與水管理決策的系統動力學模式；張鴻斌（2003）以 系統動力思考角度探討污水下水道接管率的開闢與水污染增加速度的 時間關係，並進一步導入都市成長管理策略分析及引進BOT公私合營模 式，探討都市水污染長期變化趨勢。 探討有關於河川水質方面研究：李魁裕 (2001) 同時進行高屏溪水 量改善和水質改善方案的成本效益分析，特色為使用排放轉換函數結合

水質改善方案的成本效益分析，排放轉換函數是以 QUAL2E 水質模式 模擬。陳函馨（2002）以系統動力學建立感潮河川水理水質模式，了解 河川水質變化情形，並推估水質改善各階段河川涵容能力；李孟璁(2002) 以高雄愛河為研究對象，利用河川水質模式，配合上游集水區的人口變 化、土地使用以及降雨型態的差異，並使用系統動力學的軟體 STELLA 來建構模式模擬現況。童智偉(2000)則依據驅力-狀態-反應之永續指標架 構，探討流域性環境水質之永續力。以濁水溪流域為例，配合 VENSIM 系統動力學軟體建立環境管理決策支援系統，進行水質評量系統及動態 模擬分析。 Simonovic (1997)將系統動力學應用於埃及的水資源策略分析上， L. Gabriel et al. (2000) 架構出一個同時結合了水量模式 (MOSIM) 和水 質模式 (QUAL2E-UNCAS) 的水資源管理決策支援系統，並將其運用在

Piracicaba 流域；Sharon et al. (2001) 整合水量模式 (MODSIM) 和水質 模式 (HEC-5Q) ，並將其運用在 Klamath 流域，藉由此一整合模式的 模擬結果，篩選出能改善水質並滿足水量要求的策略；H.C.Guo(2001) 將系統動力學應用於中國大陸洱海(Erhai)湖流域的水質規劃與管理； C.C.Yang 等（2008）建立台灣中部地區大甲溪流域整體水量系統模式， 由指標計算結果來篩選出符合永續指標的策略組合，並進一步分析策略 組合財務面的衝擊；李任馥(2007) 提供高屏溪流域水量水質改善參考 外，並展示用系統動力學於河川水量水質管理策略評估的可行性；陳禹 志(2007) 以大甲溪流域為研究對象，針對各項污染源架構出因果回饋環 路，模擬評估增加河川生態基流量、養猪離牧、風景區遊憩污染防治及 鄉鎮污水下水道系統等相關防治方案之成效。

本研究以系統動力學為基本分析工具，以大甲及大安溪流域為研究

區域，建立涵蓋水量調配與水質影響之區域水資源策略分析模擬模式，

並就現有系統透過多元化改善策略，應用所建置之模式探討各改善策略

第三章 研究方法

3.1 水資源調配系統動力模式

3.1.1 系統動力學之發展歷程

系統動力學發源於 1960 年代，美國麻省理工學院（Massachusetts

Institute of Technology，MIT）之史隆管理學院（Sloan School of Management）的 Forrester 與同事在福特基金會（Ford Foundation）及 史龍基金會（Alfred P. Sloan Foundation）的贊助下，以回饋控制理論 （feedback control theory）分析工業系統，並應用在企業系統之管理 工作上。後續應用系統動力學的研究非常多如：1969 年，Forrester 利用系統動力這個新觀念進行都市動態（Urban Dynamics）之研究。 1970 年代初期，Meadows et al.（1972）應用系統動力模式分析探討 全球未來一世紀人口成長與工業發展之關係。Francisco et al.（1993） 利用系統動力模式來進行環境政策的評估與研究。Guo et al.（2001） 則利用系統動力模式分析中國大陸雲南省弭海湖盆地（Lake Erhai Basin）之地區性環境計畫及其環境管理策略。近年來系統動力學應 用日益廣泛，應用之課題包括了模擬地表水污染、模擬水庫供水系 統、生態系統族群變化、大氣化學與污染傳輸、溫室氣體與全球暖化 和現金流量的問題。

3.1.2 系統動力學原理說明

系 統 動 力 學 理 論 係 結 合 控 制 (Cybernetics) 、 系 統 論 (System

Theory)、資訊理論(Information Theory)、決策論(Decision Theory)、電 腦模擬(Computer Simulation)等理論成為一體的管理新方法、新工具 和新概念。系統動力學為描述、探索和分析複雜系統內流程、訊息、 組織疆界與策略的一種嚴謹的研究方法，其可透過定量化的系統模擬

與分析來進行系統結構與行為之設計。系統動力學是處理訊息回饋系 統之動態行為的一種方法論，它提供一種實驗的、定量分析的方法， 因此對於極複雜的動態、回饋且具時間滯延(Time Delay)的問題，能 提供整體、長期且較週延的解決方法。 系統動力學除了強調系統與時間之連動性外，另一重要之基礎為 因果之關連性，該意義有三：(1)藉由因果關係的確認來說明系統之 問題；(2)藉由因果關係的確認將複雜之問題作簡潔而系統化之表 示；(3)藉由變數間之因果關係來說明系統之範圍。其中，因果關係 之表示旨在說明兩個變數間之關係為正向或負向，而無數量上之意 義，意即數量之大小並不會影響到因果鍵之存在與否。進而若將一系 列之因果鍵串接成因果回饋關係環路，則可將因果關係發展為正向之 因果回饋關係環路或負向之因果回饋關係環路；正向之因果回饋關係 環路，係表示任何變數的變動，最後將使該原生變動之變數朝同方向 加強其變動幅度，造成自我之強化，而負向之因果回饋關係環路，則 表示任何變數的變動，最後將使該原生變動之變數產生抑制變動之效 果，造成自我之規律。藉由因果回饋圖的繪製，我們可以清楚了解各 變數的因果關係與作用方向，並瞭解結構的基本特性。例如圖 3.1.1 為水庫供水操作之因果回饋環路，其表示水庫蓄水量越多則可利用水 量(入流量＋水庫蓄水量)越多，當可利用水量越多或需求量越大時水 庫供水量就可以越多，但供水量越多的結果亦會導致水庫蓄水量的減 少，如此即構成了一個封閉的負回饋迴路，這表示水庫蓄水量（累積 變數）會隨著時間的前進，而趨近於某一個平衡水位。

狀態(水庫蓄水量) 產生(供水量) 可利用水量 入流量

+

+

+

-+

需求量 + 圖 3.1.1 水庫供水操作之因果回饋環路 (本研究繪製) 參考上述因果回饋環路，利用系統動力學的四個基本物件：存量 (Stock)、流量(Flow)、箭線(Connector)以及輔助變數(Auxiliary)來建構 系統動力流圖，如圖 3.1.2 所示。 水庫蓄水量(Stock) 入流量(Flow) 供水量(Flow) 可利用水量(Auxiliary) 需求量(Auxiliary) (Connector) (Connector) (Connector) (Connector) 圖 3.1.2 水庫供水操作之系統動力流圖 (本研究繪製) 1.存量（Stock）係表示某一系統變數在某一特定時刻的狀態，其數值 大小是累加了流入率（Inflow rate）與流出率（Outflow rate）的淨差 額所產生之結果，可說是系統過去活動結果之累積，如同水庫中蓄水 量即屬於一存量之概念。

行為，其數值多由存量變數與輔助變數之交互關係來決定，如同水庫 的入流量與供水量即屬於流動之概念。 3.輔助變數（Auxiliary）則用來針對前兩種變數進行各變數間交互關 係之補充說明，類似一般計算方程式中之參數，如水庫中之可利用水 量即屬此概念。 4.箭線(Connector)則用來連接變數間之關係，如可利用水量變數是由 入流量變數與水庫蓄水量變數組成。 於系統動力流圖各物件內輸入相關資料與數學式後，即為一系統 動力模型，此模型將能進行不同策略組合的情境模擬。 圖 3.1.3 為一水資源供需示意圖，包含了入流量、河川放水量、 需求供水量及未控制流量等。可以將變數區分為外部變數和內部變 數，外部變數是指可由觀測資料或其他相關報告蒐集而得，包含入流 量、水庫庫容量、淨水廠處理能力、管線限制及需求量，內部變數則 包含河川放水量，需求供水量、未控制流量以及水庫蓄水量等，其量 化關係必需依序計算求得。配合系統動力學的四大元件：存量、流量、 輔助變數跟箭線建立系統動力流圖，如圖 3.1.4 所示。最後輸入各變 數間之量化數學式，即可完成水資源調配模式。 內部變數其量化關係並需依序計算，首先計算下游河川放水量， 其量化數學式可由下式（3-1）表示： ) , ( min k L i , , , ,

∑

∈ + = it kt kt t k I S R OB _（3-1） 變數下標的第一個字母代表節點符號，下標的第二個字母代表時

間狀態，OBk,t是指在 t 時刻節點 k 之河川放水量，Ii,t是指 t 時刻線段

i 的流量，Sk,t是 t 時刻節點 k 的蓄水量，Lk是指所有流入節點 k 的入

保留水量以及下游優先水權保留量，Rk,t可由方程式（3-2）表示： t k M i t i t k DR B R , =

∑

, + , ⊂ （3-2） DRi,t是下游 t 時刻線段 i 之優先水權量，Bk,t表示節點 k 在 t 時刻 的生態保留水量，M 是指所有下游優先於 K 點取水之需求量（Dk,t） 的需求節點集合，生態基流量 Bk,t通常則以河川流量超越機率 95%的 量來估算。 需求供水量可由方程式（3-3）表示：

( )

( )

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + =

∑

∑

⊂ ⊂ j N k k t j t k t k L i t i t K I S OB D C P OD k k max , max , , min _{, , , ,} , （3-3） ODk,t是指從節點 k 在 t 時刻之需求供水量，Dj,t是指 t 時刻取水 節點 j 之目標需求量，NK是指取水來源取自節點於 k 之所有需求節點 集合，Cmaxk是指於取水來源取自節點 k 之淨水場處理能力， Pmaxk 是取水來源取自節點 k 之管線最大輸送容量。 若 K 點為非蓄水節點，則未控制流量可由（3-4）式推估，若為 蓄水節點，則未控制流量可由（3-5）式推估。

∑

∑

∑

⊂ ⊂ ⊂ ≤ − − + = > − − + − − − + = k k k L i t k t k t k t k t i t k L i t k t k t k t k t i L I t k t B t k t k t k t k S OB OD S I if ON S OB OD S I if S OB OD S I ON , , , , , , , , , , , , , , , , , max 0 max max （3-4）

( )

_∑

∑

− = ⊂L Kt kt i t i t k I OB OD ON , , , - , （3-5） 其中 ONk,t是指節點 k 在 t 時刻的未控制流量，Smaxk,t是指節點 k

節點 k 在下一時刻（t+1）的體積則由質量平衡來決定，可由（3-6） 式來表示：

∑

∑

⊂ ⊂ + = + − k k j W t j L i t i t k t k S I O S _{, 1 , , , （3-6）} Sk,t+1是指節點 k 在 t+1 時刻的體積，Oi,t是指節點 k 在 t 時刻的出 流量，其包含河川放水量、需求水量、未控制流量，Wk 是指從節點 k 所有的出流量集合，若節點 k 為非蓄水節點，則 S k,t 和 S k,t+1為 0。 圖 3.1.3 水資源供需示意圖 （資料來源：區域水資源永續利用之策略模擬與分析報告）

節點K 入流量 河川放水量 未控制流量 需求供水量 庫容 下游保留水量 需求量 管線限制 淨水廠處理能力 圖 3.1.4 水資源供需系統動力流圖 （資料來源：區域水資源永續利用之策略模擬與分析報告）

3.2 水庫污染源的推估

3.2.1 非點源污染的推估

本研究採用單位面積污染負荷法，所謂單位面積污染負荷（Unit Load）或或稱為排出係數（export coefficient），表示一地區單位土地 面積在單位時間的污染排出量，單位一般為 kg/ha/yr。單位負荷係數 值是根據長期取樣觀測來確定，或者是通過對流域內單一土地利用的 集水區的污染負荷係數做長期的觀測，然後用此通量除以監測年數和 集水區面積來計算。余忠賢（1996）指出當湖泊或水庫的流域面積很 大，土地利用類型多且複雜，而又不可能常年測量區域污染負荷，所 以可以採用單位面積法。因不同的用地型態對水庫水質的影響程度有 所差異，故在推估水體承受因人為開發、使用行為所衍生的污染負荷 量時，必須先界定出各種用地型態可能產生的單位污染負荷量。 欲利用單位污染負荷法推估水體污染負荷量時，需先將集水 區範圍內的土地依用地型態加以分類，再將各類用地之單位污染負荷 量配合集水範圍內各用地型態的面積，即可推估集水區的總污染量。 其推估公式如式（3-7）所示： i n i i A W M =

∑

× _（3-7） 式中: M:集水區各種土地利用的年污染負荷總量 i A：集水區內 i 類土地利用的總面積 i W : 集水區內 i 類地型態的單位面積污染的產生量 並非所有集水區污染負荷總量會在同時間流入水庫水體，本研究 將集水區污染量的流達率列入考慮，故將（3-7）式改寫成（3-8）， 再將流達率的污染總量以月降雨量來分配如（3-9）式。

) ( 1 i n i i i W C A M =

∑

× × = （3-8） P P M M t t = × _（3-9） 式中: i C :集水區內 i 類土地利用型態的流達率 t M :t 月時刻的入流污染量 P:總平均降雨量 Pt:t 月時刻降雨量

3.2.2 水庫水質的推估

水庫水體受到污染主要是集水區上游入流污染物所影響，本研究以 一質量平恆的簡化模式，建立較簡單、方便使用之水庫水質評估模 式，如（3-10）式所示。。

(

_{t t}

)

_t t t out t t t t t

c

S

C

M

C

O

M

C

C

O

S

₊₁

×

₊₁

−

×

=

−

×

=

−

+

₊₁

×

2

1

（3-10） 整理後水庫污染量濃度如（3-11）式，下所示 t t t t t t t t

O

S

C

S

C

O

M

C

×

+

×

+

×

×

−

=

+ +

5

.

0

5

.

0

1 1 （3-11） t S + t C : 初始水量， :水庫放流量， :下一時刻水量， ：初始濃度， ：下一時刻濃度， ：t 時刻的入流污染量， t O S_t+1 C_t 1 Mt

3.3 流域點源污染的推估

台灣河川水質惡化主要原因為受到有機性污染因子影響，其中生 化需氧量為表示河川受有機物的污染程度。生化需氧量數據在環工上 有及廣泛之應用，它是測定家庭污水或是工業廢水最重要的試驗。它 亦是用來測定可被生物氧化的有機物量的方法，故生化需氧量（BOD） 可作為河川污染的主要準則(Sawyer，1995)。 台灣河川因地理特性流速皆快且急速，故河川本身自淨能力影響 較小，衰減係數依據行政院環境署「台灣地區河川水質模式應用現況 及準則研擬之可行性研究」中，由計算生化需氧量衰減率結果得知， 可發現衰減作用於水質推估中影響很小，故本研究不考慮衰減作用。 由於取水的資料不易取得，故本研究將不考慮取水濃度。在河段 水質污染，只考慮點源污染的影響，暫不考慮非點源污染的影響。利 用質量平衡方法推估河川水質濃度並考慮流達率，如 3-12 式所示：

t

Q

t

Q

C

R

M

C

t i t i t i t i t i t i

Δ

×

Δ

×

×

+

×

=

− − , , 1 , 1 , , , （3-12） t i

M

_, ：t 時刻 i 河段之生化需氧量 t i

C

_{, ：t 時刻 i 河段之生化需氧量濃度} t i

C

_−1, ：t 時刻 i 河段上游之生化需氧量濃度 t i

R

_, ：t 時刻 i 河段之流達率 t i

Q

_{−1, ：t 時刻 i 河段上游之流量} t i

Q

_{, ：t 時刻 i 河段之廢水流量}

3.4 水質評估指標選定

現行我國有飲用水標準及地面水體分類及水質標準兩項水質標 準，本研究採用環保署訂定地面水體分類及水質標準，如表 3.4.2-1 所 示。其中，法規第四條明文規定陸域地面水體分類分為甲、乙、丙、 丁、戊五類，其適用性質如下： 一、甲類：適用於一級公共用水、游泳。 二、乙類：適用於二級公共用水、一級水產用水。 三、丙類：適用於三級公共用水、二級水產用水、一級工業用水。、 四、丁類：適用於灌溉用水、二級工業用水及環境保育。 五、戊類：適用環境保育。 其中: A、一級公共用水：指經消毒處理即可供公共給水之水源。 B、二級公共用水：指需經混凝、沈澱、過濾、消毒等一般通用之淨 水方法處理可供公共給水之水源。 C、三級公共用水：指經活性碳吸附、離子交換、逆滲透等特殊或高 度處理可供公共給水之水源。 D、一級水產用水：在陸域地面水體， 指可供鱒魚、香魚及鱸魚培 養用水之水源； 在海域水體， 指可供嘉臘魚及紫菜類培養用水 之水源。 E、二級水產用水：在陸域地面水體， 指可供鰱魚、草魚及貝類培養 用水之水源；在海域水體，指虱目魚、烏魚及龍鬚菜培養用水之水 源。

F、一級工業用水：指可供製造用水之水源。 G、二級工業用水：指可供冷卻用水之水源。 （資料來源:水污染防治法。） 表 3.4.2-1 地面水體分類及水質標準 監測項目 分 類 PH 溶氧量 (DO) mg/L 生化需氧量 (BOD) mg/L 大腸桿菌 (CFU/100ML) 懸浮固體 (SS) mg/L 氨氮 (NH3-N) mg/L 總磷 (TP) mg/L 甲 6.5-8.5 6.5 以上 1 以下 50 個以下 25 以下 0.1 以下 0.02 以下 乙 6.0-9.0 5.5 以上 2 以下 5,000 個以下 25 以下 0.4 以下 0.05 以下 丙 6.0-9.0 4.5 以上 4 以下 10,000 個以下 40 以下 0.4 以下 － 丁 6.0-9.0 3 以上 － － 100 以下 － － 戊 6.0-9.0 2 以上 － － 無漂浮物 且無油污 － － （資料來源：行政院環境保護署）

3.5 水量評估指標選定

由於全球氣候暖化的影響，未來台灣發生乾旱與洪澇的機會越來 越大，就供水而言必須維持農業用水、工業用水與生活用水的穩定供 水量，因此本研究將以過去水利單位常用之缺水指數 SI(shortage index)來評量供水的穩定度，以下將就該指標之定義與目標進行介紹。 (1)定義：缺水指數簡單描述年缺水量與年計畫供水量間之關 係，以缺水率(年缺水量/年計畫供水量)之平方表現年缺水之程度，並 以全期各年缺水率平方之平均為代表，將不同年間之缺水狀況予以平 均化，對特殊之枯旱狀況給予較高之權重。其可表示如下：式中 N 為模擬總年數

2 1 100

∑

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = N N SI 年計畫供水量 年缺水量 （3-13） (2)目標：此一準則須考慮用水人缺水之忍耐能力及水源調配支 援之能力，若用水人之忍耐能力越高則供水規劃準則可採較低之標 準，若其他水源支援能力低則供水規劃準則須採較高之標準，反之亦 然。然而，因為用水人對缺水之忍耐能力及水源調配支援能力的影響 因素錯綜複雜，一般在規劃水庫供水準則時無法細部分析，這些行為 之影響可依照過去使用之經驗來訂定，過去水利單位常以缺水指數 SI(shortage index)=0.5~2.0 作為供水計算標準，前水資會則使用缺水 頻率為十年一缺之狀況作為標準，使用不同供水準則將會有不同之供 水狀況及品質。本研究中將以 SI=1 作為缺水風險評判指標。

第四章 流域水資源調配及水質策略模擬模式建立

4.1 研究區域概述

4.1.1 流域自然環境概況 1、大甲溪流域 大甲溪本流發源於中央山脈之雪山及南湖大山，全長 124.2 公 里，流域面積為 1,235.7 平方公里，年平均逕流量約 21 億立方公尺。 上游地形群山環峙、河谷峭聳，源頭係由伊卡瓦溪及南湖溪匯流而 成，其中以源出於劈亞南鞍部的伊卡瓦溪為本流，東側納入七家灣溪 後向南流。至於南湖溪則發源於南湖大山，並有合歡溪及畢祿溪的匯 流。伊卡瓦溪及南湖溪於太保久處匯流後始成為大甲溪幹流。 大甲溪上游左岸發源於南湖大山、中央尖山及合歡山良南湖 溪、耳無溪及合歡溪等支流;右岸則發源於大壩尖山、次高山、大雪 山之七家灣溪、四季朗溪、志樂溪及匹亞桑溪等支流。德基水庫至谷 關間長 25 公里之河床，平均坡降 1/43，河床寬約 20 至 30 公尺，岸 峻流急，岩盤外露，為大甲溪水力最豐之一段，兩岸重山峻嶺，稜線 部份標高約為 2,500 至 3,000 公尺。自谷關以下至天輪電廠間兩岸較 為開展，河床寬達百公尺，再西行至馬鞍寮以後，西出山嶺，約束頓 減，河寬達 500 公尺以上。在天輪至石岡間大甲溪東側之山勢較高， 約在 500 至 2,000 公尺之間；西側則山勢較緩，平均高度在 500 至 600 公尺左右。 納入匹亞桑溪、小雪溪、馬崙溪、鞍馬溪、稍來溪、十文溪等 數條溪，流經谷關、白冷、馬鞍寮等至東勢流入平原。下游地形開展 寬闊、坡度平緩、坡降僅 1/90，過石岡後蜿蜒西流，而在清水鎮及大 安鄉交界處附近流入台灣海峽。

在大甲溪下游將大肚溪台地與后里台地截開分離，呈網狀流 路，迂迴於台中盆地北端，並堆積大量砂礫於河口，造成沖積扇，復 與大安溪沖積扇相疊，成一合流沖積扇。 大甲溪流域分屬 3 縣之 13 鄉鎮其行政區域宜蘭縣是上游發源地 與蘭陽溪流域鄰接，山地屬太平鄉；南投縣是上游合歡溪發源地屬仁 愛鄉；上游山區為的台中縣和平鄉。中下游為東勢鎮、新社鄉、石岡 鄉、豐原市、后里鄉、神岡鄉、外埔鄉、大甲鎮、清水鎮、大安鄉共 7 鄉 4 鎮。本流域交通發達，主要鐵路有縱貫鐵路山、海 2 線；主要 公路除國道 1 號、3 號及 4 號高速公路外，尚有省道台 1 線、台 3 線、 新竹豐原線（尖豐公路）及台 8 可通至其他各縣市，另外鄉、鎮公路 更是四通八達。 2、大安溪流域 大安溪發源於苗栗、新竹縣界之大壩尖山與雪山北斜面。上源 有二，北源為馬達拉溪，南源為雪山溪，兩溪匯流後稱大安溪，至象 鼻溪流轉向南行，其間納入大雪溪、北坑溪及南坑溪等支流，至士林 附近納匯雪山坑溪，繼納烏石坑溪，經過雙琦後轉向西行，至卓蘭納 老莊溪，行至火炎山附近納景山溪，經火炎山山麓，由大甲鎮西勢附 近注入台灣海峽。流路全長 95.8 公里，流經苗栗、台中兩縣，流域 面積約 758 平方公里。本流域水源不穩，年平均逕流量約 13.3 億立 方公尺，取水灌溉農田約 10,770 公頃。大安溪流域灌溉事業目前均 由台中農田水利會負責，營運績效卓著。但因河川豐枯水期流量差異 極為懸殊，因此，本區域水資源蘊藏雖屬豐沛，但枯水期逕流量很低， 水源不敷分配應用。鯉魚潭水庫位於大安溪支流景山溪之中上游， 水 庫容量 1.26 億立方公尺，壩址以上景山溪之集水面積 53.45 平方公

峻，向西傾斜，自卓蘭起海拔 500 公尺以下之丘陵起伏其間，蜿蜒連 綿。除濱海地區，平原殊不多見。 大安溪流域分屬 2 縣其行政區域為苗栗縣的泰安鄉、卓蘭鄉、三 義鄉與苑裡鄉，台中縣為和平鄉、東勢鄉、后里鄉、外埔鄉、大甲鄉 與大安鄉。其交通方面主要有台 3 線及苗 55 號線道，南北貫穿集水 區，另外有 5 條產業道路及 12 條農路分佈其中。 4.1.2 德基水庫集水區概況 1.德基水庫概述 德基水庫集水區涵括大甲溪在德基大壩以上天然稜線以內之流 域範圍（圖 4.1.1）。大甲溪位於台灣中部，全長 140 公里，總流域 面積為 1,236 平方公里。大甲溪流域雨量豐沛，中上游河道陡急，水 力資源豐富；下游河道較緩，兩岸平原地勢平坦，土壤肥沃，為農產 富庶之區。 為開發大甲溪之水力資源，台灣電力公司首於民國 50 年 10 月完 成谷關壩發電廠。接著在民國 62 年 12 月於其上游完成德基大壩，以 其大量容積調蓄大甲溪地表逕流發電。其後又陸續於下游興建青山、 天輪及馬鞍寮壩，設電廠發電。 德基大壩為一座混凝土拱壩，大壩高 180 公尺，壩頂標高為 1,411 公尺，滿水位標高為 1,408 公尺。滿水位時水庫水域面積約為 4.54 平 方公里，迴水端上及梨山，長達 14 公里，標高 1,409.5 公尺以下之水 庫原始總容積為 262,207,000 立方公尺。 依經濟部民國 91 年 3 月 20 日公告德基水庫蓄水範圍為設計最高

洪水位標高 1,408 公尺與其迴水所及蓄水域及大壩壩體、排洪道、排 砂道、左右岸翼牆、取水口等結構物及壩體下游消能池水域之水面及 地面，其範圍位於台中縣和平鄉梨山村，面積 457.9775 公頃（其中 蓄水域面積 454 公頃，結構物設施用地面積 3.9775 公頃）。 圖 4.1.1 德基水庫集水區地理位置圖 2.土地利用狀況 德基水庫集水區總面積 60,160.68 公頃，土地屬國有林班地者佔 90％以上（參見圖 4.1.2），近年來國有林之經營管理以保育為主， 並無伐木行為，除局部發生森林火災或豪雨崩塌外，植被鮮有變動。 除林班地外，位於德基大壩以上左岸及台八線與台七甲線沿岸地帶， 共有 4,390.64 公頃屬於已開墾利用之土地。 德基水庫集水區內農地利用，在坡度平坦、水源充足地區多種蔬

菜，目前蔬菜栽培面積已超過 400 公頃，主要分布於有勝溪、七家灣 溪等河谷沖積地及福壽山、武陵、環山嶺脊平坦地區，另外在華崗及 靠近花蓮之 73、74 林班亦有較大面積之蔬菜分布。 此外，德基水庫集水區在第三期治理計畫執行期間收回超限利用 土地 203.60 公頃，第四期治理計畫計收回超限利用土地 14.05 公頃， 對非法超限利用行為之抑止及輔導土地作合理利用，頗具成效。 圖 4.1.2 德基水庫集水區土地利用類別圖 (資料來源：91 年德基水庫集水區第四期整體治理規劃報告) 3.土地利用變遷分析 德基水庫集水區於民國 82 年 12 月、民國 83 年 9 月、民國 84 年 1 月、民國 84 年 10 月與民國 90 年 10 月之各年土地利用情形如表 4.1.2-1 所示，檢討民國 84 年 10 月與民國 90 年 10 月間之土地利用變 遷情形如表 4.1.2-2 所示。台灣中部九二一大地震發生於民國 88 年 9

月 21 日，由表 4.1.2-2 之土地利用變遷情形得知，九二一大地震發生 前後，德基水庫集水區之土地利用型態有明顯之變化，其中果園(含 茶園)面積減少 627.88 公頃、農墾地面積減少 275.19 公頃，林地面積 增加 2,666.34 公頃、草地面積增加 921.29 公頃、裸露地面積增加 999.05 公頃。 在九二一大地震發生後，果園(含茶園)面積與農墾地面積均有明 顯減少，由降雨逕流等途徑將果園(含茶園)與農墾地之營養源帶入水 庫之量也應相對減少，因此水庫水質九二一大地震後初期應相對變 佳。由九二一大地震前後之土地利用變遷情形顯示裸露地面積增加近 1,000 公頃，若果園(含茶園)與農墾地減少(約近 1,000 公頃)之部分面 積轉變為裸露地，致其表土可能易被暴雨沖蝕進入水庫，則經過一段 時間後將影響及水庫水質之變化。

表4.1.2-1 82年至90年德基水庫集水區土地利用衛星影像判釋結果 資料時間 82 年 12 月 83 年 9 月 84 年 1 月 84 年 10 月 90 年 10 月 土地利用 類別 面積 (公頃) 百分比 （%） 面積 (公頃) 百分比 （%） 面積 (公頃) 百分比 （%） 面積 (公頃) 百分比 （%） 面積 (公頃) 百分比 （%） 果園(含茶 園) 3,186.52 5.30 3,013.09 5.00 3,118.39 5.18 3,130.94 5.20 2,503.06 4.19 農墾地 443.62 0.74 443.32 0.74 318.64 0.53 464.84 0.77 189.65 0.32 林地 48,905.7 6 81.29 49,333.1 1 82.00 49,077.8 5 81.58 49,996.5 8 81.44 52,662.9 2 88.12 草地 296.7 0.49 464.16 0.77 677.37 1.13 471.98 0.79 1,393.27 2.33 水體 863.42 1.44 863.42 1.44 863.42 1.44 863.42 1.44 657.51 1.10 建地/道路 281.08 0.47 313.42 0.52 292.71 0.49 301.25 0.50 43.59 0.07 裸露地 2,931.16 4.86 1,288.85 2.14 1,140.83 1.90 1,310.36 2.18 2,309.41 3.86 無立木地 2,803.63 4.66 3,917.33 6.51 4,167.82 6.93 4,125.25 6.86 － － 雲 448.79 0.75 523.98 0.87 503.65 0.84 496.06 0.82 － － 總計 60,160.68 100.00 60,160.68 100.00 60,160.68 100.00 60,160.68 100.00 59,759.42 100.00 (資料來源：91 年德基水庫集水區第四期整體治理規劃報告及地理資 訊系統於主要水庫集水區管理之應用(2/2)) 表4.1.2-2 84年至90年間德基水庫集水區土地利用變遷面積 84 年 10 月至 90 年 10 月間土地利用變遷面積 土地利用類別 公頃 百分比(％) 果園(含茶園) _{-627.88 -1.04} 農墾地 -275.19 -0.46 林地 2,666.34 4.43 草地 921.29 1.53 水體 -205.91 -0.34 建地/道路 -257.66 -0.43 裸露地 _{999.05 1.66} (資料來源：91 年德基水庫集水區第四期整體治理規劃報告及地理資 訊系統於主要水庫集水區管理之應用(2/2))

4.降雨量概述 本區域位於中低緯度之交界，屬亞熱帶氣候區每年 10 月至翌年 4 月盛行東北季風，因中央山脈阻隔，故雨量較少。而每年 4 月至 9 月間盛行西南風、梅雨及颱風導致雨量豐沛。 大甲溪流域之降雨量以 4 至 9 月為最多，因流域此時處於迎風 地帶，雨量頗豐，同時因天氣炎熱造成對流旺盛導致雷雨益增。而到 了 7、8 月多颱風季節，更會受氣流影響挾帶大量颱風雨。每年 10 月 至翌年 3 月則為乾旱期，因地處東北季風背風地帶，雨量甚少。 本研究依據中央氣象局所提供之民國 71 年至 85 年雨量測站資 料，計算出德基水庫上游平均旬降雨量（如表 4.1.2-3）。雨量站的選 定大甲溪流域選定桃山、思源、平岩山、環山、無明山、捫山、黎山、 松茂、佳陽山、志佳陽大山、達見、松峰等雨量站，一共 12 站，其 雨量站分布位置如圖 4.1.3。 圖 4.1.3 德基水庫集水區雨量站分布圖

表 4.1.2-3 71 至 85 年德基水庫上游平均旬降雨量 時間（旬） 平均降雨量（mm） 1 22.29 2 30.54 3 32.22 4 63.02 5 94.83 6 73.48 7 75.16 8 93.59 9 84.68 10 100.80 11 106.34 12 73.55 13 84.11 14 82.40 15 158.44 16 139.02 17 56.77 18 77.48 19 56.44 20 36.39 21 111.44 22 97.18 23 86.47 24 108.76 25 89.88 26 85.02 27 82.70 28 34.43 29 19.07 30 31.24 31 16.74 32 29.50 33 16.25 34 7.89 35 14.83 36 34.43

4.1.3 流域水資源調配系統、設施、水文水質概述 1.流域水資源設施 大甲溪流域內主要水源調節設施為德基水庫與石岡壩，如圖 4.1.4。德基水庫儲蓄存上游主支流流量外，另自大甲溪支流志樂壩藉 輸水隧道進行大甲大安聯合運用，增加蓄水量。石岡壩攔蓄德基水庫 發電用水與德基水庫至石岡壩間未控制流量，可說是大甲溪水源運用 之樞紐，其水源引至豐原淨水廠處理後供應大台中地區，為大台中地 區公共用水之主要來源。 2.地表水源調配之系統架構圖 大台中地區水源調配系統圖如圖 4.1.5 所示，主要供給水源為大 甲溪、大安溪兩大水源，其中大甲溪流域主要的水源調配結構物有德 基水庫、石岡壩及豐原淨水場，德基水庫除引用大甲溪主流蓄存外， 另自大甲溪支流志樂溪越域引水。另外大安溪流域主要的水源調配結 構物有鯉魚潭水庫、士林攔河堰及鯉魚潭淨水場，其中鯉魚潭水庫位 於大安溪支流景山溪，為一離槽水庫，為補充本身水源之不足，另自 大安溪主流上之士林攔河堰越域引水。 大甲溪主要蓄水設施為德基水庫、石岡壩，農業用水依各圳路 取水位置予以合併考慮用水需求，區分為大甲溪上游灌區(白冷圳、 大茅埔圳、老圳、東勢本圳、八寶圳堰上游灌區)、石岡堰灌區(葫蘆 墩圳、八寶堰中下游灌區) 、大甲溪下游灌區(埤頭山圳、內埔圳、 虎眼一圳、虎眼二圳、五福圳、高美圳)等三個農業需求予以計算， 公共用水主要經由石岡壩進入豐原淨水場再配送至大台中地區。 大安溪主要蓄水設施為士林攔河堰、鯉魚潭水庫、景山溪攔河堰 等。農業用水則依特性區分為士林堰灌區(卓蘭圳、埔尾橫圳、矮山

圳、口潭圳、石壁坑、新店圳、頂店圳、后里圳、七公圳、城圳) 、 鯉魚 潭灌區(鯉魚潭圳) 、三灌圳(苑裡圳、日南圳、九張犁圳)，公共 用水則是由鯉魚潭水庫直接輸送至鯉魚潭淨水場再配送至大台中地 區。 3.現況地表水源調配之運用原則 大甲溪和大安溪之水工結構物運用規則說明如下： (1)德基水庫運用要點規定 德基水庫現行發電規線乃以水位進行控制操作(其發電規線如 表 4.1.3-1 及圖 4.1.6)，然本研究之水量模式以蓄水體積進行模擬演 算，因此規線值必須根據水位-面積-容積曲線(如圖 4.1.7 所示)進行轉 換，單位轉換後之發電規線如表 4.1.3-1 所示。德基水庫運用原則說 明如下： (1)水庫水位高於運用規線時，以電力系統調度為主，並配合下 游各標的用水需求放水。模擬時尖峰發電所需水量以天輪電廠發電水 路設計量(138 秒立方公尺) 每日滿足尖峰發電 6 小時計算。 (2)水庫水位等於或低於運用規線時，除電力系統處於緊急狀況 外，應配合下游各標的用水需求放水。下游公共用水標的放水量以目 前豐原淨水場處理能力 85 萬 CMD 為限。

鯉魚潭水庫 士林攔河堰 德基水庫 石岡壩 八寶堰 鯉魚潭淨水廠 豐原淨水廠 青山分廠 _德基分廠 谷關分廠 天輪分廠 天輪五號機 馬鞍機組 大 大 安 溪 溪 甲 圖例 淨水廠 發電廠 水庫 堰、壩 輸水管線 縣市邊界 流域邊界 圖 4.1.4 大安溪、大甲溪流域圖

圖 4.1.5 台中地區現況水源調配系統圖

表 4.1.3-1 德基水庫發電運轉規線表 月 旬 水位 (m) 容積 (104m3) 月 旬 水位 (m) 容積 (104m3) 上 1 1405.9 20120 上 19 1371.7 9457 中 2 1405.5 19933 中 20 1377.4 10724 1 下 3 1405.2 19793 7 下 21 1383.1 12268 上 4 1404.8 19620 上 22 1388.8 13940 中 5 1404.5 19500 中 23 1394.5 15740 2 下 6 1404.1 19340 8 下 24 1400.2 17780 上 7 1400.9 18060 上 25 1402.2 18580 中 8 1397.8 16908 中 26 1404.1 19340 3 下 9 1394.6 15772 9 下 27 1406.1 20213 上 10 1391.4 14748 上 28 1408 21100 中 11 1388.2 13760 中 29 1407.7 20960 4 下 12 1385.1 12830 10 下 30 1407.5 20867 上 13 1381.9 11932 上 31 1407.2 20727 中 14 1378.7 11062 中 32 1407 20633 5 下 15 1375.5 10230 11 下 33 1406.7 20493 上 16 1372.4 9593 上 34 1406.4 20353 中 17 1369.2 8913 中 35 1406.2 20260 6 下 18 1366 8065 12 下 36 1405.9 20120 1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 旬別 水位標高 (m)

德基水庫高程-面積-容積曲線 1280 1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 0 5000 10000 15000 20000 25000 容積(104 m3) 標高 (m ) 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 面積(ha) 標高-體積 標高-面積 圖 4.1.7 德基水庫高程-面積-容量曲線圖 （資料來源：區水資源永續利用之策略模擬分析） (2)石岡壩運用原則 大台中地區之公共用水係透過南幹渠向石岡壩取水，石岡壩水 量之來源如下: 1.上游德基水庫至石岡壩間之未控制流量。 2.德基水庫配合供水計畫，為滿足需求所釋放之水量。 3.德基水庫依照台電公司發電計畫而發電之尾水量。 (3)豐原淨水場處理說明 豐原淨水場 921 震災前目前處理能力為 130 萬 CMD，九二一震 災後為穩定供水目前處理能力為 85 萬 CMD，因此本研究之模擬皆以 處理能力 85 萬 CMD 為其模擬條件。

(4)士林攔河堰之操作原則 .天然進流量扣除下游保留流量後小於 302.4CMD 時，依台電公司調 度處之調度作每日調節運用，配合發電引水。 然進流量小於 6,912 萬 CMD 並扣除下游保留流量後大於 302.4 萬 CMD 時，得視需要調節士林壩水位，以設計引水量 302.4 萬 CMD 引水。 天然進流量大於 6,912 萬 CMD 時，應停止引水。 鯉魚潭水庫進行檢查、維修時，應配合減少引水或停止引水； 鯉魚潭水庫進行防洪運轉或緊急操作時，應停止引水。 壩、引水隧道及相關設施，因維修、檢查、緊急事故或天災等， 本壩得停止蓄水或引水。 (5)鯉魚潭水庫營運操作原則 鯉魚潭水庫主要透過專管將水送至鯉魚潭淨水場以供應大台中 地區公共用水，以供給公共用水為主，不提供農業用水，其下游農業 用水僅能引取天然流量。 鯉魚潭水庫水源來自景山溪及大安溪越域引水，但由於農業各 圳路對於天然流量有優先使用之權力，因此鯉魚潭水庫僅可蓄存天然 流量滿足農業需求後之剩餘流量。由於該系統之農業需求量在天然 (水庫位於圳路取水口上游)或人為(未增加發電效益，將三灌圳之權益 量以越域引水方式送進鯉魚潭水庫)條件影響下皆需經過鯉魚潭水 庫，因此鯉魚潭水庫除每日供應大台中公共用水外，亦須將農業需求 之權益水量放出，其放水原則如下： 1.每日供應景山溪各灌溉圳路需水量，惟依各圳計畫用水量供

應，但以該日景山溪之天然流量與各圳水權量兩者中較小者為限。 2.水庫每日供給苑裡圳、日南圳、九張犁圳需水量，惟依各圳計畫用 水量供應，但已由士林調整池引入該三圳之權益引水量與水權量兩者 之小者為限。 (6)鯉魚潭淨水場處理說明 鯉魚潭淨水場目前已完成二期擴充，因此現況處理能力為 110 萬 CMD。因此本研究之模擬皆以處理能力 110 萬 CMD 為其模擬條 件。 (7)水源運用順序 大甲大安溪聯合營運之水源運用順序是以大甲溪水源先提供， 不足量再由大安溪水源提供。另外需求之滿足順序為為先滿足民生用 水、其次為農業用水、最後才滿足工業用水，其中民生用水和工業用 水必須經過淨水場處理後供應，然各淨水場之原水水源各有不同，因 此配合水源運用順序和需求滿足順序，台中民生用水和工業用水之引 用水源順序為先由豐原淨水場提供，不足則由后里淨水場提供，最後 才由鯉魚潭供應。另外豐原淨水場的原水來自石岡壩引水；鯉魚潭淨 水場之原水水源先由石岡壩越域引水提供，最後才由鯉魚潭水庫提 供；后里淨水場之原水水源首先由石岡壩之越域引水提供，人工湖水 源次之，最後才由鯉魚潭水庫提供。 4.流域水文概述 大甲溪流域 5 至 10 月期間降雨量最多，因流域此時處於西南風 迎風地帶，雨量頗豐，同時天氣炎熱造成對流旺盛導致雷雨益增。而 到了 7、8 月多颱風季節，更會受氣流影響挾帶大量颱風豪雨。每年 11 月至翌年 2 月則為乾旱期，因地處東北風背風地帶，雨量甚少，

乾旱期雨量約維持在全年雨量之 19%左右。由歷年大甲溪石岡壩觀測 流量(如圖 4.1.8)，顯示大甲溪歷年流量枯旱排序前 3 位為民國 80、92、 91 年。 大甲溪石岡壩入流量 0 10000 20000 30000 40000 50000 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 年份 入流 量(萬立 方公 尺 ) 圖 4.1.8 台中地區現大甲溪石岡壩歷年流量圖 5.流域水質資料概述 行政院環保署為了讓國內各大河川水質能進行有效的管理，因 此依河川污染防治法制定了各大流域的河川水體水質標準，並且同 時在各大河川流域內設置了數個河川水質監測站，進行長期監測來 確保水質安全。依據水污染防治法第六條規定：「中央主管機關應 依水體特質及其所在地之情況，劃定水區，訂定水體分類及水質標 準」。另第五條規定：「為避免妨礙水體之用途，利用水體以承受 或傳運放流水者，不得超過水體之涵容能力」。行政院環保署參考

（1）各河段水體分類 大甲溪流域內的水區、水體分類及水質標準方式，主要是依據 流域內各河段的流量、水質現況、河段涵容能力、水資源之再利用及 廢污水處理能力等因素來訂定，依據上述的訂定原則，為保護大甲溪 流域之河川水體水質，行政院環保署民國 93 年依據水體水質標準劃 定並公告「大甲溪水區」，由發源地至大茅埔取水口訂定為甲類、大 茅埔取水口至石岡壩訂定為乙類、石岡壩至出海口訂定為丙類。如圖 4.1.9 為大甲溪流域劃定及水體水質分類公告圖，表 4.1.3-2 為大甲溪 水區、水體分類及水質標準公告說明表。

目前現況為

丙類水體

目前現況為

乙類水體

目前現況為

甲類水體

圖 4.1.9 大甲溪流域劃定及水體水質分類公告圖 （資料來源：區域水資源永續利用之策略模擬與分析報告）

表 4.1.3-2 大甲溪水區、水體分類及水質標準公告說明表 水區名稱 水區範圍 河段 水體分類 發源地至大茅埔 取水口 甲類 大茅埔取水口至 石岡壩 乙類 大甲溪水區 總流域面積共 1,235.73 平 方公里，行政區域包括台 中縣之和平鄉、新社鄉、 石岡鄉、東勢鎮、豐原 市、后里鄉、神岡鄉、外 埔鄉、清水鎮、大甲鎮、 大安鄉等之部分。 石岡壩至出海口 丙類 （資料來源：行政院環境保護署公告） （2）流域污染現況 本區域的污染源主要來自生活污水，其次為畜牧廢水和工業廢水 以及部分的遊憩污水。大甲溪橋站以上石岡壩以下的河段，水質在丙 類水體標準上下，無法供給飲用，只能作為工業及灌溉用水。石岡壩 下游的水質，在東勢橋、后豐大橋、高速公路、大甲橋下設有水質監 測站，作定期檢測。東勢橋測站的水質，可代表大甲溪主流承受污染 後流入石岡壩水源區的水質，其以往的檢測，溶氧量均合乎甲類水體 標準，生化需氧量則介於乙類至丙類水體標準；后豐大橋測站的水 質，因為受到來自豐原、后里、神岡等地的生活污水及工業廢水的污 染，水質明顯惡化；高速公路橋測站的水質，由於溪水自淨作用而減 緩污染程度，水體標準為丙類；大甲溪橋測站已接近出海口，屬感潮 河段，雖有大甲、外埔、清水等鄉鎮污水排入，但是受到潮水稀釋， 水體標準介於乙~丙類。

（3）流域水質水體達成率

本研究以環保署監測站民國96年的1~8月份的年大甲溪水

質監測資料，針對生化需氧量（Biochemical oxygen demand,

BOD）作為觀測項目，來進行統計分析。 生化需氧量（BOD）方面，長青橋和龍安大橋有 75%的達成率。 東勢大橋、石岡壩達成率為 100％符合乙類水體標準，下游部分后豐 大橋也有 100%的達成率，大甲溪橋的達成率介於 65~70％之間，而 高速公路橋水質最差，達成率不到 50%。圖 4.1.10 為生化需氧量 Boxplot 圖。 BOD (mg/l) 1 2 3 4 5 6 圖 4.1.10 生化需氧量 Boxplot 圖 (資料來源：區域水資源永續利用之策略模擬分析報告)

整 體 而 言 ， 大 甲 溪 歷 年 的 水 體 分 類 水 質 標 準 達 成 率 均 介 於

65~100％之間，其中河川污染程度指數（River Pollution Index, RPI） 屬未（稍）受污染的河段約維持在 90％以上，水質狀況尚可符合水 體公告標準。再由單項水質檢驗結果分析可知，生化需氧量(BOD)超 過水體分類水質標準的項目。石岡壩上游的水質大致可以符合乙類水 體，仍可供給二級公共給水，惟於豐水期懸浮固體偏高，增加豐原淨 水場的處理負荷。若以個別監測站分析，則最下游的高速公路橋及大 甲溪橋測站的水質狀況較差。 4.1.4 璃域水資源調配系統需求用水推估 參考中水局民國 95 年「中部地區水資源利用整體檢討規劃」之 推估各標的用水未來需求，其相關資料分述如下： 一、生活用水 本研究生活用水需求主要以中水局(2006)「中部地區水資源利用 整體檢討規劃」及自來水公司(2007)「台灣自來水現代化經營管理綱 要計畫」中所推估的資料，其推估節約用水之未來生活用水量。採用 公式如 4-1 式，各參數詳細資料見表 4.1.3-3～表 4.1.3-6；推估結果詳 見表 4.1.3-7。 自來水配水量＝人口數×普及率×每人每日用水量／抄見率 自行取水量＝人口數×(1－普及率)×每人每日用水量 （4-1）