中華大學 碩士論文

中華大學 碩士論文

環境因子對溪流生態結構之影響研究—

以筏子溪為例

The Influences of Environmental Factor to Stream Ecological Structure : A Case Study of Far-Zhi Stream

系 所 別 ：土 木工程學系碩士班 學號姓名：M10004007 張書華 指導教授：周 文 杰 博 士 莊 明 德 博 士

中華民國 102 年 8 月

摘要

河川的生態環境特性，受到內在水域環境(如水文、棲地、水質、食物來源、生 物群聚等)交互作用控制，並間接地受到外在陸域環境(如氣候、地形、土地利用狀況 等)的影響。許多生態學者亦認為河川的棲地品質對生態品質有一定的影響。本研究 以筏子溪作為研究河段，蒐集筏子溪生態與環境調查資料，利用相關係數矩陣、多變 量分析及結構方程模式(SEM)等分析方法，探討環境因子與生態因子之關係。並以研 究河段於不同時間(如高鐵施工與颱風期間)及不同空間(如不同樣區)，其環境品質與 生態品質SEM結構關係。研究結果發現:

1.由研究河段不同時間SEM分析，結果發現河道整理及高鐵施工河段之SEM變化比較 類似，其中有受到河川整理後比無河川整理其環境品質與生態品質之因果關係較 明顯。由研究河段不同位置SEM分別結果發現:第1、2、3樣區與第4、5樣區之環境 品質與生態品質SEM結果類似，並無空間上太大的差異。

2.當有河道整理時其生態品質與環境品質關係較無河道整理時明顯；無河道整理時環 境品質主要可能為家庭及養殖污水(NH3)，有河道整理時環境品質主要可能為整治 工程造成(SS)；有無河道整理環境品質主要因子並不相同。

3.以結構方程模式建立之溪流生態結構，可以反應不同環境因子(如河道工程及颱風事 件等)對生態品質於時間與空間上的影響與河溪生態環境結構的變化，可作為河川 環境復育與改善的依據。

關鍵字:筏子溪、環境因子、生態因子

ABSTRACT

Environmental characteristics of river ecologies have been mutually influenced and controlled by the internal aquatic environment (such as hydrology, habitats, water quality, food resources, and biological populations). They are also under the indirect influences of external terrestrial environments (such as climates, geological form, and land use situation) as well. Many ecologists believe that river habitat quality would exert a certain degree of influence to overall ecological quality. This research conducted a case study using Far-Zhi Stream. Ecological and environmental data on Far-Zhi Stream were collected and analyzed using correlation coefficient matrices, multivariate analysis as well as Structural Equation Modeling (SEM) to study the relationship between environmental and ecological factors.

The same methods were also used to study SEM structural relationships between environmental quality and ecological quality of the river during different periods (such as during construction of the High Speed Rail (HSR) and typhoon events) and different areas (chosen by sampling). Study results found that:

1. SEM analysis across different periods found that river sections that underwent restoration exhibited similar SEM changes to sections undergoing HSR construction;

sections that underwent restoration exhibited a more distinct relationship between environmental quality and ecological quality compared to sections that were not restored. SEM analysis of different river sections found that the 1st, 2nd and 3rd sampling zones exhibited similar environmental quality and ecological quality compared to the 4th and 5th zones. Spatial differences were not very significant.

2. The relationship between ecological quality and environmental quality in sections that underwent restoration was not as distinct as those that did not; environmental quality of un-restored river sections may be affected by residential or animal farming sewage (NH₃), while the environmental quality of restored sections was probably caused by restoration engineering (SS). Hence, major environmental quality factors of the two sections were different.

3. River ecological structures constructed using SEM could reflect temporal and spatial influences exerted by different environmental factors (such as river channel engineering and typhoon events) on ecological quality, and show changes to river ecology and environment structures as well. This information could provide a reference for the

Keywords: Far-Zhi stream, environmental factor, ecological factor.

誌謝

在碩士的兩年製作論文感受到，執筆如千斤重，寫作如拖犁難，思緒如塞車堵，

心情如高考慌，但是有莊明德教授的諄諄教誨，在論文指導上花了很多時間指導也費 了很多心思在論文修改上，而周文杰教授在我遇到瓶頸時，提供我指導與協助，也在 背後不停地鼓勵與提攜，讓我可以完成論文，也謝謝土木系所有老師的指導，指引我 明燈般的路，在此致上最誠摯地感謝。

求學階段感謝學長們謝適任、龔國嘉、曾友聖等在課業上的幫助，以及一起求學 的同窗好友們陳志旻、莊育杰、蔡明峰、蔡依珊、蔡京霆、簡孝宜、林子堯、劉威巡 等，在專業領域上的互相學習，以及互相砥礪，還有在此由衷感謝所有關心我、幫助 我的人，在我遇到困惑與迷失，給我意見，在抉擇時有所判斷，並讓我的碩士生活增 添了不少色彩。

研究所都充滿挑戰與學習中成長，完成研究所論文，承蒙周文杰教授、莊明德博 士，從論文題目方向、研究方法的使用、寫作論文技巧的傳授，讓我受益良多，雖然 剛開始對於論文跌跌撞撞，寫作從無到有，有過挫折、有過掙扎、有過無助、還好有 同學們互相陪伴、互相成長、互相鼓勵，也才成全心投入論文的撰寫，在此表達內心 誠摯的感謝。

最後要感謝我的家人與父母，對我的成長的過程中，全心的栽培與付出，讓我在 求學階段，無後顧之憂，並且一直關心以及支持，讓我得以完成學業，而求學階段的 已完成，該規劃人生的下一個目標，並不斷在專業領域上的學習，與充實自我的成長，

完成另一階段的目標。

張書華謹致 中華民國一百零二年八月於中華大學

目錄

摘要 ... II ABSTRACT ... III 誌謝 ... V 目錄 ... VI 表目錄 ... VIII 圖目錄 ... X 附件目錄 ... XIII

第一章、緒論 ... 1

1.1 研究動機與目的 ... 1

1.2 研究流程 ... 2

第二章、文獻回顧 ... 4

2.1 棲地生態相關研究 ... 4

2.2 環境因子對生物群聚影響研究 ... 11

第三章、研究河段選取與資料蒐集 ... 17

3.1 研究河段選取 ... 17

3.2 筏子溪基本介紹 ... 18

3.3 資料的蒐集與整理 ... 21

3.3.1 水文因子 ... 22

3.3.2 水質因子 ... 25

3.3.3 氣象因子 ... 26

4.1 皮爾森相關係數矩陣 ... 29

4.2 多變量分析 ... 30

4.3 結構方程式模式(SEM) ... 32

第五章、結果與討論 ... 35

5.1 環境因子選取 ... 35

1.相關性分析 ... 35

2.多變量分析 ... 37

3. 環境因子選取綜合分析 ... 43

5.2 筏仔溪環境生態結構模式 ... 44

5.2.1 生態品質 SEM 模式 ... 44

5.2.2 環境品質 SEM 模式決定過程 ... 47

5.2.3 生態品質與環境品質 SEM 模式建立 ... 51

5.2.4 有無河道整理 SEM 模式比較 ... 54

5.2.5 有無高鐵施工 SEM 模式比較 ... 60

5.2.6 有無颱風事件 SEM 模式比較 ... 66

5.2.7 研究河段不同樣區 SEM 比較 ... 72

第六章、結論與建議 ... 78

參考文獻 ... 80

附件一 ... 84

附件二 ... 95

表目錄

表 3.1 研究河段選取評估表 ... 17

表 3.2 筏子溪調查採樣站選點原則 ... 21

表 3.3 平均法、面積法、回歸法之 MSE 表 ... 25

表 3.4 鳥類總資料表 ... 26

表 3.5 流量站基本資料 ... 84

表 3.7 魚類棲地環境、攝食習慣 ... 86

表 3.13 集泉橋 73 年(1984 年)一年每日流量資料 ... 92

表 3.14 集泉橋 74 年(1985 年)一年每日流量資料 ... 93

表 3.15 颱風資料(1985~1984) ... 94

表 4.1

表 5.1 皮爾森相關矩陣分析 ... 36

表 5.2 筏子溪 MDS 分析 ... 40

表 5.3 筏子溪第二階段 MDS 分析結果 ... 42

表 5.4 環境因子選取綜合分析結果 ... 43

表 5.5 生態品質之初選 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 46

表 5.6 生態品質之修正 SEM1 模式路徑係數表(ML 法) ... 47

表 5.7 環境品質之初選 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 49

表 5.8 環境品質之修正 SEM1 模式路徑係數表(ML 法) ... 50

表 5.9 生態品質與環境品質 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 53

表 5.10 生態品質與環境品質 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 53

表 5.11 無河道整理 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 57

表 5.12 有河道整理 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 57

表 5.13 無河道整理 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 58

表 5.14 有河道整理 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 58

表 5.18 無高鐵施工 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 64

表 5.19 有高鐵施工 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 64

表 5.20 有無高鐵施工環境品質與生態品質 SEM 路徑係數表(ML 法、SLS 法) ... 65

表 5.21 無颱風事件 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 69

表 5.22 有颱風事件 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 69

表 5.23 無颱風 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 70

表 5.24 有颱風 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 70

表 5.25 有無颱風事件環境品質與生態品質 SEM 路徑係數表(ML 法、SLS 法) ... 71

表 5.26 第 1、2、3 樣區 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 75

表 5.27 第 4、5 樣區 SEM 模式路徑係數表(ML 法) ... 75

表 5.28 第 1、2、3 樣區 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 76

表 5.29 第 4、5 樣區 SEM 模式路徑係數表(SLS 法) ... 76

表 5.30 河段樣區環境品質與生態品質 SEM 路徑係數表 ... 77

圖目錄

圖 1.1 研究流程圖 ... 3

圖 2.1 河川生物群集生態模式圖 ... 4

圖 2.2 河川生態系統之基本結構圖 ... 5

圖 2.3 魚類生態矩陣考量架構 A ... 6

圖 2.4 魚類生態矩陣考量架構 B ... 7

圖 2.5 筏子溪採樣鳥類生活棲地分類表 ... 9

圖 2.6 候鳥遷徙的分類 ... 10

圖 2.7 筏子溪採樣的候鳥 ... 10

圖 2.8 河川生物多樣性的問題 ... 11

圖 2.9 新竹柯子湖溪 ... 12

圖 2.10 車路巷橋施工魚類數量變化圖 ... 13

圖 2.11 生態多樣性的 SEM ... 14

圖 2.12 筏子溪河川結構物 ... 15

圖 2.14 筏子溪橋處之河床質粒徑分布圖 ... 16

圖 3.1 筏子溪流域 ... 18

圖 3.2 筏子溪流域地質狀況 ... 19

圖 3.3 筏子溪試驗河段航空照片示意圖 ... 20

圖 3.4 集泉橋與大肚站 73~74 年的回歸線 ... 23

圖 3.5 集泉橋流量站 73~74 年面積法、回歸法、實際值之比較 ... 24

圖 3.6 筏子溪東海橋下游整治工程分年分期圖 ... 28

圖 3.7

圖 4.1

圖 4.2

圖 4.3

圖 4.7

RIMER

圖 4.8

IOENV

圖 4.9 操作性定義 ... 143

圖 4.10 分析方法與輸出內容 ... 144

圖 5.1 筏子溪環境因子與生態因子聚類分析結果 ... 37

圖 5.2 筏子溪環境因子與生物因子 MDS 分析結果 ... 39

圖 5.3 筏子溪第二階段 MDS 分析 ... 41

圖 5.4 生態品質之初選 SEM 模式 (ML 法) ... 45

圖 5.5 生態品質之修正 SEM1 模式(ML 法) ... 45

圖 5.6 生態品質之修正 SEM2 模式(ML 法) ... 46

圖 5.7 環境品質之初選 SEM 模式(ML 法) ... 48

圖 5.8 環境品質之修正 SEM1 模式(ML 法) ... 48

圖 5.9 環境品質之修正 SEM2 模式(ML 法) ... 49

圖 5.10 環境品質與生態品質之 SEM(ML 法) ... 52

圖 5.11 環境品質與生態品質之 SEM(SLS 法) ... 52

圖 5.12 無河道整理環境品質與生態品質之 SEM 模式(ML 法) ... 55

圖 5.13 有河道整理環境品質與生態品質之 SEM 模式(ML 法) ... 55

圖 5.14 無河道整理環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 56

圖 5.15 有河道整理環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 56

圖 5.16 無高鐵施工環境品質與生態品質之 SEM 模式 (ML 法) ... 61

圖 5.17 有高鐵施工環境品質與生態品質之 SEM 模式 (ML 法) ... 61

圖 5.18 無高鐵施工環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 62

圖 5.19 有高鐵施工環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 62

圖 5.20 無颱風環境品質與生態品質之 SEM 模式 (ML 法) ... 67

圖 5.21 有颱風環境品質與生態品質之 SEM 模式 (ML 法) ... 67

圖 5.22 無颱風環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 68

圖 5.23 有颱風環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 68

圖 5.24 第 1、2、3 樣區環境品質與生態品質之 SEM 模式(ML 法) ... 73

圖 5.25 第 4、5 樣區環境品質與生態品質之 SEM 模式(ML 法) ... 73

圖 5.26 第 1、2、3 樣區環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 74 圖 5.27 第 4、5 樣區環境品質與生態品質之 SEM 模式(SLS 法) ... 74

附件目錄

附件 3.1 水文資料 ... 95

附件 3.2 水質檢測項目表 ... 100

附件 3.3 水質檢測項目表 ... 104

附件 3.4 氣象資料 ... 124

附件 3.5 生物資料 ... 132

附件 3.6 颱風資料 ... 137

附件 4.1.1 皮爾森相關係數矩陣 ... 140

附件 4.1.2 軟體使用步驟 ... 141

附件 4.1.3 結構方程模式(SEM) ... 145

第一章、緒論

1.1 研究動機與目的

以台灣地區為例，臺灣主要以中央山脈比較偏東，所以河流東短西長，河川陡峭、

坡度大、水流急，枯水期的時候水量小，洪峰期的時候流量十分龐大，水流含沙量大，

台灣主要 21 條河流，大約佔台灣面積 68.4%，代表台灣河流的特性是坡度大、洪水 時流速急、破壞力也大，所以臺灣早期之河川發展與管理工作較偏重於治水、利水的 水利設施，較少整體河川環境生態的考量(尤清，1995)。

過去有關河川生態的分析研究，大多偏向於對物種生活特性與棲地環境的研究，如林 偉彥(2003)藉由水族生物檢方法(Aquatic Organisms environment Diagnostics，簡稱 AOD)建立魚類水質適性基準(HSC)，但是較少對生物因子與環境因子的關聯研究。張 騌麒(2009)研究用結構方程模式(SEM)探討溪流生態結構，但僅限於水質因子為主。

呂映昇、孫建平(2010)針對台灣間爬岩鰍、高身鯝魚與明潭吻虎對於河川水流環境與 生物習性的研究。本研究為對溪流生態結構作整體性的探討，將選取研究河段作河川 生態結構分析，多以時間(工程施工河段及颱風事件前後)及空間(不同河段)其生態結 構之特性，以特性作為河川環境復育與改善的依據。

1.2 研究流程

本研究共分成六個章節，研究流程說明如下:

探討環境因子與生物因子對溪流生態結構的影響，本研究選取筏子溪作為研究河 段，依據上述之研究、動機，多方面進行資料蒐集包括:行政院環保署之全球環境水 質監測資訊網、行政院農委會特有生物研究保育中心、交通部中央氣象局、台灣地區 河川流量資料庫、經濟部水利署第三河川局與規劃報告書等相關資料的蒐集，並將資 料分類七部分包括水文因子、水質因子、生物因子、氣象因子、河川整理因子、颱風 因子、高鐵因子等進行整理。研究河段的位置以李訓煌(2002)現地調查樣區資料分析，

以河川整治工程的工期、或有無颱風為時段分割點，以皮爾森相關矩陣、多變量分析 等進行資料相關分析，以選取較顯著之環境因子與生物因子，再以結構方程模式進行 環境品質與生態品質之分析，以探討不同時間與空間條件下研究河段環境品質與生態 品質之變化(圖 1. 1)。

研究動機與目的

研究河段選取

河段資料蒐集 河段資料蒐集

生物因子 (魚類、鳥類調查資料)

生物因子 (魚類、鳥類調查資料)

環境因子 (颱風、河川整理、

高鐵施工、水質、

水文、氣象資料)

因子選取分析

(相關分析、MDS、Cluster、Bioenv) 因子選取分析

(相關分析、MDS、Cluster、Bioenv)

SEM結構方程模式建立 SEM結構方程模式建立

時間分割 (工程時段、

颱風事件) 時間分割 (工程時段、

颱風事件)

空間分割 (不同樣區)

環境因子對生物因子 變化影響

結果與討論 結果與討論

第二章、文獻回顧

2.1 棲地生態相關研究

河川棲地生態指一物種、或物種種族、或物種聚集、或群落的自然條件（Clements and Shelford，1939）。而棲地（habitat）是一個物種或多個族群棲息的自然環境，棲 地的完整性會影響物種的生存、繁衍等，因此，保護棲地的完整性相當重要。為了改 善此情形，將不單單保育物種，而是連同物種棲息的自然環境一同保育，才能維持該 棲地的完整性，以供生態系順利運作(蔡雯嘉，2012)。

抽排水

水質

水溫、溶氧量、

酸鹼度、營養鹽、

混濁度、沉積物、

毒物

生物交 互作用

競爭、共生、

生態區位離化

河流生物 群聚結構 河道型態

寬度、深度 曲度、坡度

水流型

流速、流量 季節變化

能量來源

外來物輸入、

有機物粒質大小、

初級生產物

河岸植物

種類、罩蓋度

氣候

降水、氣溫 日照、風力

地質 地形 土地利用

物理性 棲地

覆蓋物、底質組 成複雜度

圖 2. 1 河川生物群集生態模式圖(汪靜明，2000)

河川生物群集生態的結構代表河川的生物多樣性。而河川生物群聚組成受到陸域 環境因子與水域環境因子相互影響決定。河川生物多樣性的環境因子有：常見之河川 生物多樣性的環境控制因子有：（1）氣候、（2）河道型態、（3）水流型、（4）地質、

地形、土地利用（5）河岸植物、（6）水質、（7）能量來源、（8）生物交互作用、（9）

河流生物群聚結構、(10)物理性棲地（如圖 2. 1）。

川生物間的交互作用（如競爭、共生），該河川生態系之生物群聚結構及多樣性的特 質就此形成。

圖 2. 2 河川生態系統之基本結構圖（汪靜明，2000）

河川生態系統包括了河川物化環境和河川生態環境兩種組成(圖 2. 2)。

河川生態系主要包括：

(1)非生物因子(河川物化環境包括了空氣、陽光、水文、岩石、化學物質等) (2)生物因子(河川生物環境是棲息於河川中或依賴河川維生的動、植物與微生物)

每一因子在生態系中都有一定的地位，扮演一定的角色，彼此間相互影響(葉有 仁，2003)，以酸鹼檢定一般養殖物所能適應水中鹼酸度約在6～8之間，通常pH值小 於4.5時，會導致魚體死亡。酸的另外一個作用是阻止蛋白質產生變性，造成魚組織、

河 川 生 態 系

河川物化環境

陽光(能量) 空氣(如氧氣、二

氧化碳) 水文(水流)

岩石(如河道之岩石、土壤)

化學物質(如無機元素、有機化合物)

其他(如風力、溫度、濕度)

河川生物環境

植物(如河岸植被、

水生植物) 動物

初級消費者(草食 性) 次級消費者(肉食

性或雜食性) 高級消費者(肉食

性或雜食性) 微生物(如細菌與

真菌)

變化。陳俊雄(2005)研究利用水棲昆蟲來做為外雙溪流域的監測指標，以2005年1月 至2005年12月間外雙溪流域五個採樣站，就環境因子及水棲昆蟲的調查結果，應用主 成份分析(principal component analysis，PCA)排序技術(ordination)，探討水棲昆蟲群聚 與環境因子梯度間之關係。由分析之結果顯示，水棲昆蟲各群聚在開發嚴重樣區，影 響下游棲地變化，在各採樣站之間具有顯著之差異如環境因數酸鹼值、導電度、濁度、

磷酸鹽、氨氮、鹼度與硬度之參數，在季節之間則無顯著差異存在，各參數間具有高 的相關性則以水溫、生化需氧量、酸鹼值、導電度、氧化還原電位、磷酸鹽及鹼度呈 度顯著之差異，而這些生物與非生物因子所構成關係著河川生態系。在河川生態系的 食物鏈中，各種河川生物分別扮演了生產者、消費者和分解者的角色(圖2. 2)，劉昌 明、劉曉燕(2008)對於黃河流域的生態系統以魚類與鳥類為主要關鍵，而河川生態指 標因河川而有所差異，指標魚種的豐富度、生物多樣性、生態完整性，反映出魚類生 存狀況。

圖 2. 3 魚類生態矩陣考量架構 A(蘇暐哲，2008) 生物

因子

主要棲息地 旱季、雨季 成魚、幼魚、魚苗、產卵

產卵 時間、溫度習性、遷移距離、位置、對環境的連接性、

產卵群性

遷移 溯河產卵、降和洄游產卵、棲地範圍、對環境連接性

的需求、季節性

地域性遷移 棲地範圍、攝食、生活習性

營養 營養群性、食物偏好、攝食、相關群落

容忍度 鹽度、溫度、淤泥、低溶氧、水汙染

體型 口的位置、身體的斷面、形狀、長度、氣囊

生活史 成魚壽命、幼魚出現時間、雜交潛力

圖 2. 4 魚類生態矩陣考量架構 B(蘇暐哲，2008)

河川魚類以鯉科為多數，有偏敏捷的側扁形與泳速快的流線形魚類，溪流中鯉科 的生活棲地如台灣石(魚賓)、台灣馬口魚、粗首鱲、平頜鱲喜歡水流湍急的高溶氧量 溪流，主要吃石頭上的藻類與水生昆蟲，河川底棲魚類如短吻小鰾鮈魚喜歡水流比較 平緩的溪流底部，黃昏時，群聚魚類啃食溪流底部的藻類，泥鰍喜歡有爛泥巴的水域 中，而冬季會潛入泥土中蟄居 ，鯽魚喜歡水草多的泥質淺水溪流或野塘，對於鹽分 與水溫容忍能力很高，蝦虎科魚類腹鰭癒合而特化成吸盤狀，能牢牢攀附石頭，喜好 水流緩，水質良好的集水區(林春輝，1994)。

魚類的生活史中，繁殖後代是魚類生活中的大事，大多數的淡水魚類所產的卵都 是黏著卵，黏著於水底石塊或水草周圍。水草行光合作用產生氧氣，可以彌補水中不 足的氧氣，因此不但利於幼魚的呼吸作用，同時也提供幼魚隱蔽及逃開敵害的場所。

而其他如慈鯛親魚會用身體上的構造保護魚卵或幼魚，以放在口中的習性、鰟鮍將卵 產於河蚌的腮內孵化，河蚌提供鰟提供鰟鮍的幼魚孵化的環境，而鰟鮍將產卵管插入 河蚌時，河蚌的幼蟲寄生在鰟鮍的魚鰭裡，兩種生物形成一種微妙的互利共生的狀態 (詹見平、陳瓊如，2002)。

環境 因子

流水

河川型式與級序 流速偏好 深度偏好 河床底質 位置偏好 產卵位置 避難位置

靜水

湖泊型式 河床底質 位置偏好 產卵位置

低，simpon’s指標卻相反，利用環境因子指標以因素分析不同層級之代表因子，發現 環境因子受建物、水溫、導電度、溶氧量與酸鹼值因素影響魚類分佈情形，最後利用 空間分布圖分析生物指標受到建物斷流與季節的流量因素，造成阻礙讓洄流性魚類無 法上溯回產地產卵。

史方方、黃薇(2009)丹江口水庫對漢江中下游影響的生態學分析，水庫低溫水的 下洩使的魚類繁殖季節推遲。根據水庫水溫垂直分佈結構，利用分層取水設施，以提 高下洩水的水溫，並滿足下游魚類產卵、繁殖的需求。

大部分魚類的主要呼吸器官為鰓呼吸，利用溶解於水中的氧氣，透過鰓上的微血 管進行氧氣和二氧化碳的交換，而魚卵或剛孵化的幼魚是利用卵黃表皮或胸鰭的微血 管進行氧氣交換。但在缺氧環境下魚類的狀態，缺氧的水環境造成魚類消化和吸收能 力下降影響生長，游泳的速度也會變慢影響攝食，導致魚類生存困難(李黎、曹振東、

付世建，2005)。

王漢泉(2002)研究河川淡水河、高屏溪、二仁溪、大甲溪、中港溪、朴子溪、頭 前溪、東港溪與雙溪的魚類相監測，參考日本學者津田及森下所制定的水質以作為判 斷，將五個水質等級指標，分別為未受污染指標魚種（鯝魚）、輕度污染指標魚種（石 (魚賓)、台灣櫻口鰍）、普通污染指標魚種（平頷鱲、粗首鱲）、中度污染指標魚種

（烏魚、花身鯻、環球海鰶、鯉魚、鯽魚）及嚴重污染指標魚種（大眼海鰱、吳郭魚、

泰國鱧魚、大鱗鯔、琵琶鼠），不但可藉洄游性魚種存在與否及魚類生物指標了解河 川生態結構，搭配河川理化水質評估方法(RPI)更能反應長期水中環境的變化，直接 反應河川水質好壞。

魏曉萍、黃雲和、徐家盛、陳莉(2003)利用模糊理論將筏子溪、赤蘭溪的生態調 查資料做研究，以其環境因子(不封底比、底質組成、護岸材料、護岸坡度、植物覆 蓋率、水質、水深)、生物因子(魚類多樣性、蝦蟹類多樣化、水生昆蟲多樣性)建立各 因子隸屬函數與權重評估，並使用模糊理論的方法考量其關聯性，利用其關聯性推行 綜合之生態品質等級的評估方法。

鳥類棲息喜好，從複雜的城鎮到資源豐富的森林，或者是人煙稀少的的區域都有 特定的族群分布，分類有城鎮、農地、河口、河流、湖泊、低海拔到高海拔。城鎮地 區的鳥類受到人為干擾，比起其他地區鳥類適應環境的能力非常強也有各自的生活習 慣，如麻雀喜歡在沙堆中洗澡，洗去身上的寄生蟲，綠繡眼以身手敏捷與靈巧利用倒

懸身體吸食花蜜；而農田地區的鳥類農夫長期間耕作，有許多的昆蟲、農作物、草仔 可以攝食，如斑文鳥喜歡吃稻殼、大卷尾善於控制飛行，而領域性非常強，紅尾伯勞 會把吃不完的東西插在樹枝上，等待下次覓食(袁孝維、鄧子菁，2000)。

河川地區的鳥類有流動的水域環境，有豐富的魚、蝦、水生昆蟲可以飽餐一頓，

如小剪尾喜歡在乾淨的水域活動，代表溪流環境良好，湖泊地區的鳥類喜歡在靜止水 域環境，水裡與岸邊蘊藏著豐富的生物，提供鳥類棲息、築巢與覓食的棲所，湖泊區 域的鳥類如綠頭鴨腳有蹼可以游泳、油脂披覆全身的絨毛可以防水禦寒。(袁孝維、

鄧子菁，2000)。

將筏子溪的生態調查鳥類資料分類成七部分(圖 2. 5)、候鳥遷徙分類(圖 2. 6)、筏 子溪的採樣候鳥(圖 2. 7)。

圖 2. 5 筏子溪採樣鳥類生活棲地分類表(本研究依照生態調查資料分類) 鳥類生活

棲地

城鎮 麻雀、白頭翁、綠繡眼、家燕、八哥、小雨燕、

赤腰燕

農地 黃頭鷺、斑文鳥、喜鵲、紅尾伯勞、小雲雀、大

卷尾、灰頭鷦鶯、栗小鷺、棕扇尾鶯

河口 田鷸

河流 黃鶺鴒、灰鶺鴒、翠鳥、小白鷺、大白鷺、中白

鷺、蒼鷺、夜鷺、綠簑鷺、洋燕

湖泊 綠頭鴨、紅冠水雞、白腹秧雞、

低海拔森林 樹鵲、珠頸斑鳩

中海拔森林 小卷尾、小彎嘴、紅鳩、粉紅鸚嘴、黑枕藍鶲

圖 2. 6 候鳥遷徙的分類(資料來源:www.dtes.chc.edu.tw)

圖 2. 7 筏子溪採樣的候鳥 候鳥遷徙

留鳥 本地的鳥種，長年居住在此，一年四季皆可見。

夏候鳥 冬季在南方低緯度地區活動，再於春、夏季飛來臺

灣河口沙洲繁衍

冬候鳥 北方高緯度地區活動，因冬天嚴寒，所以南遷到臺

灣度冬

過境鳥 鳥類在其春秋遷徙過程中，在臺灣短暫停留休息，

再往南遷移

迷鳥 原先分布及遷徙區域都不在臺灣，卻因天候(如颱

風)等因素迷了路 夏羽、

冬羽

鳥類的羽毛因使用逐漸褪色磨損，為了永保飛行能 力及自然的保護色，鳥類羽毛會週期性的更換。

冬候鳥

小環頸鴴 8月~翌年4月在淡水濕地

小水鴨 9月~翌年3、4月在河口、水田、溪流、湖泊

大葦鶯 9月~年6月出現在淺水或半鹹水區水生植物中

青足鷸 8月~翌年5月於海濱、河口及沼澤地

紅隼 9月間~翌年4月北返

磯鷸 6月至7月在河口海岸、沼澤、溪澗及湖邊

藍磯鶇 6至8月間紀錄明顯減少

黑臉鵐 10月~翌年5月離去

白腹鶇 11月~翌年的4月間離台

花嘴鴨 11月~翌年2月於河口、池塘、沼澤地及水田

短翅樹鶯 10月~翌年4月灌木叢、長草叢、次生林、竹林

2.2 環境因子對生物群聚影響研究

一個自然棲地或生態系統環境，若受到外在力量影響被分裂稱為棲地零碎化

（habitat fragmentation），此現象會使得物種面臨「棲地流失」（habitat loss）及「棲地 退化」（habitat degradation）等問題(蔡雯嘉，2012)，遺傳基因無法互相交流，可能造 成棲地的生物多樣性下降，甚至該生態系統瓦解 ，而汪靜明 (1999)、Allan and Flecker( 1993)研究針對導致河川生物多樣性的威脅，與外在力量有直接和有間接的影 響因素包括全球環境的氣候變遷、河川集水區伐木與水土流失、河川水體化學與有機 物及熱污染等水質污染、河川生態基流量不足、河川生態基流量不足與水文不穩定、

農林漁牧業及工商等人類開發活動的干擾、生物棲地的碎塊化、惡化與消失、河道淤 積和攔阻、河川渠道化、水泥化和景觀美質人工化(如圖 2. 8)。

圖 2. 8 河川生物多樣性的問題(汪靜明 1999；Allan and Flecker 1993)

截彎取直工程對河川特性之影響，可從水理及水質兩方面的改變，蜿蜒河道截彎 取直後，河道長度變短，河道坡降變陡，會導致上游銜接之河道河床產生溯源沖刷的 形式向上游發展及水位下降，而下游河道產生淤積及水位抬高之情形（Lane, 1947）。

河川生物多樣 性的問題

全球環境的氣候變遷 河川集水區伐木與水土流失

河川水體化學與有機物及熱污染等水質污染 河川生態基流量不足

河川生態基流量不足與水文不穩定 農林漁牧業及工商等人類開發活動的干擾

生物棲地的碎塊化、惡化與消失 河道淤積和攔阻

河川渠道化、水泥化和景觀美質人工化

圖 2. 9 新竹柯子湖溪(曾晴賢，2007)

李繼尊、陳華宗 (2003)對於河川生態之衝擊，如河川整理將河道拉直整平、清 除高灘地，施工時把植物生存所需含有營養鹽的土壤清除、河川底質清除掉、原有植 栽剷除，等於削減動物棲地之面積或截斷動物遷徙廊道之連續性，也改變了河川的物 理性棲地環境，使得河川棲息地之植被結構、長度、寬度、河床及河岸的橫縱向坡度、

河川廊道的連結度與連通性隨之改變(如圖 2. 9)，而工程施工完成後河川環境棲地因 子的改變，造成河川的河道寬度、河岸坡度均改變，水理及水質特性改變後，促使水 中及沿岸土壤的種類、分佈面積、空間層次結構及分佈連續性的改變，而使河川生態 結構遭到破壞，產生河川生物多樣性的問題。

圖 2. 10 車路巷橋施工魚類數量變化圖(許少華，2008)

許 少 華 (2008) 筏 子 溪 生 態 監 測 計 畫 書 ， 調 查 發 現 車 路 巷 橋 改 建 工 程 從 2007/9~2008/9的工期，上游有攔河堰拆除工程與下游環境經過工程整理，水流集中且 流速較快。因進行整治後原水泥護堤拆除，整個環境的大幅變化導致部分原本可能利 用該環境之鳥類、陸域昆蟲等生物遷移至其他類似的環境棲息，造成生物資源減少之 原因可能是S1(2008/7)、S2(2008/8)產生之擾動改變了河川的流況與濁度，使生物種數 減少，而S3(2008/9)、S4(2008/10)施工完，可以採樣到明潭吻蝦虎、中華花鰍，代表 施工期間影響生活在河川底部的魚類存活(圖2. 10)。溫博文(2005)研究烏溪探討標的 魚種石(魚賓)之流量與棲地可使用面積之關係、水域環境潭瀨類型分佈。在台灣的河 川因為洪、枯時期河川流量差異甚大，又常因水工結構物的阻隔作用或枯水期時降雨 量不足，造成水位相差過大或流量嚴重不足的情況，使得枯水期水量枯竭而未達到維 持河川生物生存的基本流量時，該地區的生態平衡就可能遭受到破壞。

圖 2. 11 生態多樣性的 SEM

張騌麒、孫建平(2009)研究水文在河流生態系統影響，自然流態有五個重要之組 成要素影響著河流生態系統之生態完整性，分別為流量的季節型態、極端流量發生的 時間、洪水與乾旱的頻率與延時、季節與每年的流態變化、流量情況改變的速率這五 種組成要素，將流量資料分為 32 個水文指標，現地採樣取得的水文資料，使用主成 份分析進行簡化變量之數值，挑出 11 個重要水文指標分為 7 個影響因素，以結構方 程模式（SEM）探討水文指標針對不同的水質指標(SS、NH3、BOD、DO)，發現颱 風、梅雨季節等因素影響的極端流量最大值、較長時的氣流、季風所影響的極端流量 最大值、受暴雨、洪水、乾旱發生次數影響的情況對水質的影響占最主要，接著對生 態指標 SI 作分析，對於水文狀況使台灣水質和生態所造成的影響，主要是以 4 月、5 月、6 月的梅雨季和 7 月、8 月的颱風(如圖 2. 11)。

圖2. 12筏子溪河川結構物(張慶武，2010)

鍾丁茂、張豐年、文魯彬(2006)指出筏子溪河道全面拓寬，利用固床工、植生樁、

RC樁穩定河床，以及過度植栽，造成生態棲地環境一下子遭受到破壞，植物與浮游 生物因為固床工或RC的結構導致無法生存，魚類因為無法攝食而造成死亡，也因為 水文環境與底質環境而慢慢滅絕。吳約西(2007)表示筏子溪流域2001年7月受到納莉 颱風迫害，東海橋上游河道通洪斷面不足造成部分河岸沖毀。2003年4月筏子溪治理 計畫，2004年2月敏督利颱風來襲重創大里溪支流沿岸地區造成淹水。2006年1月到 2007年9月東海橋上游河段第一期河川治理工程與台中市政府配合河道治理改建西屯 路永安橋2007年3月完工。2007年7月底到2008年6月永安橋上游河段第2期治理計畫。

2007年12月到2008年12月連仔溪橋下游河段第三期治理計畫(如圖2. 12)。

潘俊弘(2010)研究筏子溪發現兩年調查經過2008年7月卡玫基颱風與98年8月莫 拉克颱風過後，發現大水會破壞上、中游之棲地多樣性，但會增加下游之棲地多樣性。

陳珮晴(2012)研究筏子溪發現工程事件和颱風事件所造成的河川環境棲地破壞，需要

圖 2. 13 筏子溪橋處之河床質粒徑分布圖(許少華，2009)

許少華(2009)經濟部水利署第三河局筏子溪生態監測計畫，利用民國八十年前台 灣省水利局規劃總隊辦理「筏子溪治理規劃報告」之實際河床底質採樣的分析成果。

筏子溪河床底質以卵礫石為主，分別為1988年與2009年之筏子溪河床質粒徑分析(如 圖2. 13)，可發現近年來筏子溪之河床底質粒徑有略微細化之現象，其主要的原因可 能是河防護岸等蛇籠、箱籠施作時，就地取材較大粒徑。蘇水龍(2012)研究二仁溪提 出魚種群聚結構在不同整治時期比較2002 與2008的調查，將水質主成分分析結果顯 示，二仁溪測站水質改善受潮汐與季節流量影響較大，有部分河段是受到工業汙染，

而生物指標分析結果顯示物種歧異度指數(H’)與COD、NH3-N 成反比，與DO成正比。

魚種記錄中出現嚴重污染指標魚種，2008 年魚種記錄中雖出現嚴重污染指標魚種：

斑海鯰、大鱗鮻、吳郭魚、大眼海鰱、琵琶鼠，除斑海鯰，污染指標物種個體比2002 年魚種紀錄的數量減少；魚種群聚結構最能反應出水質變化，常態性調查魚種群聚結 構，將可呈現河川品質改善程度。

第三章、研究河段選取與資料蒐集

3.1 研究河段選取

台灣地形受到歐亞板塊和菲律賓板塊擠壓形成第三紀年輕地質狀態，而台灣山高 陡峭，使河川形成河身短、坡度大、流速快的特色，選擇台灣中部河川，進行了解與 資料的蒐集，方力行、陳義雄(1999)把台灣中部重要河川包括大安溪、大甲溪、烏溪 與濁水溪作為研究河段選取代表性河川，而選取河段以調查可行性、資料的長期性、

授權的使用性，依據表 3. 1 之研究河段選取評估表選定烏溪(廖培明，2010)。

表 3. 1 研究河段選取評估表

河川名稱 調查可行性 資料長期性 授權使用性* 備註

大安溪 X V X 河川工程干擾

大甲溪 V X X 無河川情勢調查、馬鞍壩

烏溪 V V V

濁水溪 X V X

水質含沙量高、集集攔河 堰

註:1.V 有、X 無 (資料來源:廖培明，2010) 2.*代表本研究可以取得烏溪的調查資料

本研究係以國內相關學術單位及機關建立之臺灣地區河川生態資料庫為基礎，經 彙整後，選擇以調查項目及長度較適宜之不同型態（如上、中、 下游河段，或都會 型與鄉野型河段等）之河川生態資料，進行河川棲地改變對生態因子（如魚類、水生 昆蟲、鳥類、藻類等）與環境因子(如水質、水理等)之影響及評估研究。其選取原則 如下：

一、代表性：地區之河川具有明顯的特色，如不同型態（如上、中、下游河段，或都 會型與鄉野型河段等）之資料。

二、效用性：調查項目及資料長度較宜進行河川棲地評估分析使用。

查資料較為完整，而筏子溪更有長達 11 年長期生態環境調查資料紀錄(2000 年~2011 年，調查頻度為月)，於筏子溪研究河段永安橋、東海橋、筏子溪橋、鐵路橋與集泉 橋各設置調查樣區(許少華，2008)。

由於東海橋至虹揚橋河段正在進行堤岸與河川整理工程、高速鐵路的工程與颱風 事件的影響，研究暴雨條件和工程前後下，棲地隨流量大小的狀況，並探討環境因子 條件下，干擾生態環境與施工對棲地生態造成的改變而影響河川生態中水生生物的生 存空間(孫凱政，2004)。

3.2 筏子溪基本介紹

圖 3. 1 筏子溪流域(資料來源:經濟部水利署-重要河川圖)

筏子溪位於台中市區是烏溪的支流，筏子溪位於台中市，屬都市型河川，坡度較 大里溪水系、貓羅溪及北港溪平緩，屬礫石河床。沿岸有高速鐵路、中彰快速道路、

高鐵聯外道路、國道 1 號等道路通過，橋墩座落於河道中 (水利署第三河川局、如圖 3. 1)。

筏子溪流域地質狀況

圖3. 2筏子溪流域地質狀況(李訓煌、張世倉，2005)

筏子溪流域範圍內有一條車籠埔斷層，斷層帶成鋸齒狀延伸，屬逆衝斷層形式，

東側為抬升側，在地形上緊鄰山地，而這條斷層線使筏子溪流域分兩大區塊，東邊由 臺地堆積層與沖積層以礫層含礫黏土層與黏土層而成，挾有灰黑色之砂岩薄層所組成

，西邊由卓蘭層、頭嵙山層、桂竹林層及南莊層、水裡坑層，卓蘭層主要為典型砂頁 岩互層的地層，頭嵙山層頭嵙山主稜是呈南高北低，地勢自東向西漸降，為火炎山地 形景觀，桂竹林層及南莊層以淺海相的砂岩與頁岩為代表，富含海相化石(如圖 3. 2)。

圖 3. 3 筏子溪試驗河段航空照片示意圖(李訓煌，2004)

本研究根據李訓煌(2004)經濟部水規所的報告，第一、二樣區範圍為東海橋-烏橋，

東海橋上游，河面寛度漸漸縮減，兩岸植生茂密，河道中多沙洲分佈，兩岸為箱籠及 蛇籠護岸；第三樣區範圍為筏子溪橋-東海橋，筏子溪橋上游河道中有多處沙洲，河 道水緩寛平，左岸有一處變電所與內新莊子溪排水，高灘地上分佈多處高壓電塔，兩 岸高灘地多為草本植物及低矮灌叢，植生茂盛；第四樣區範圍為烏日高鐵站附近-筏 子溪橋，右岸因高速鐵路烏日站施工，左岸因交流道興建護岸改以生態工法施工，流 路受工程施工影響而不斷改變，並不穩定；第五樣區範圍為烏溪筏子溪匯流口-集泉 橋附近，河段匯流口水量較大，右岸高灘地因兩岸堤防及道路施工，主要為草本植物 及低矮灌叢，左岸為中和堤防及中彰快速道路 (如圖3. 3)。

3.3 資料的蒐集與整理

本研究以筏子溪主要探討施工河段和河川整理對於水域生態物種是否受水質、棲 地、氣候的變化而增減的情況，由筏子溪生態調查計畫書(2/2)歸納出表 3.2 筏子溪調 查採樣站選點原則，選出集泉橋、永安橋、東海橋、筏子溪橋、鐵路橋等五個樣點，

環境因素有工程施工與河川整理、水工或橋梁設置處，生態長期連續調查代表生物因 素可以了解溪流生態結構受到水質、棲地、工程施工與河川整理的影響。

表 3. 2 筏子溪調查採樣站選點原則 筏子溪

調查樣點

工程施工 河川整理

重要污染 源流入點

水工、橋 樑設置處

長期資料

調查 合計

集泉橋 v v v v

4

車路巷橋 v v 3

永安橋 v v v v

4

東海橋 v v v v

4

高知橋 v v 3

筏子溪橋 v v v v

4

劉厝堤處 v v 2

生活圈四

號道路橋 v v 2

鐵路橋 v v v v

4

永安坑橋 v v 2

光明橋 v v 2

註:1.數字粗體線加上斜體是最後選取河段 2.有 v 代表河段有相關資訊

(經濟部水利署第三河川局，筏子溪生態監測計畫成果報告，2009、本研究整理) 本研究藉由汪靜明提出之河川生態群集生態模式架構圖中(如圖 2.1)分五大類(包 括:外力因子、水文因子、水質因子、氣候因子及生態因子)進行資料蒐集與整理。分 別說明如下:

1. 水文因子部分:包括水深因子(代碼設為 WD)、流速因子(代碼設為 WV)、流量因 子(代碼設為 Q)、均溫因子(代碼設為 T)、日照因子(代碼設為 DH)

2. 水質因子部分：包括水溫因子(代碼設為 WT)、溶氧因子(代碼設為 DO)、酸鹼值

3. 氣象因子:包括溫度因子(代碼設為 T)、日照因子(代碼設為 DH)

4. 生態因子：分別為歧異度指數因子(Shannon diversity,代碼設為 H)、物種量因子 (代碼設為 n)、物種數因子(代碼設為 s)。魚類物種數因子(代碼設為 Fishs)、魚類 物種量因子(代碼設為 Fishn)、魚類歧異度因子(代碼設為 FishH)、鳥類物種數因 子(代碼設為 Birds)、鳥類歧異度因子(代碼設為 BirdH)、鳥類物種量因子(代碼設 為 Birdn)

5. 外力因子部分:包括颱風因子(代碼設為 TY)及高速鐵路施工因子(代碼設為 HR)

3.3.1 水文因子

(a)流量資料整理

因筏子溪流量站只有集泉橋流量站，但因資料僅有 73 及 74 兩年(如表 3.4、表 3.5)，

故利用烏溪流域大肚站流量站的資料，補遺筏仔溪流域集泉橋流量站資料 2002~2007 的資料。

由補遺水文資料方法包括面積法和回歸法如下:

1. 面積法:本研究採用烏溪大肚橋站流量歷線資料(53~76 年)補遺筏仔溪流域集泉橋 流量站出口段之流量資料^{集泉橋流量站}_{大肚站流量站}= (_1980.65^133.02)^0.9，根據筏子溪低水治理規劃報告 (1988)深水槽設計流量資料敘述說明由流量延時曲線分割不同組別機率之流量，

將此流量帶入輸砂公式或輸砂量率定曲線求出輸砂量，再將輸砂量乘以對應之機 率區間，決定各組別最大值得相對應流量為建槽流量，因筏仔溪集泉橋流量站僅 73、74 年兩年資料。

2. 回歸法:本研究以集泉橋流量站和烏溪大肚橋站流量站在 73 和 74 年的每日流量 資料，利用 EXCEL 繪圖計算出趨勢線方程式(如圖 3. 4)。

以方程式

y  ax  b











 n y a n x nb

0 )

( ²

  





 n x n y a n x b n x

2

)2

(

n x n x y x n y n x a n







 

x

a

y

b  

  

 ^{n n x x x}   ^x

^{n n y y y y} 

r













 

圖 3. 4 集泉橋與大肚站 73~74 年的回歸線

回歸法做圖後回歸式 Y=0.044X-0.232，R²=77.6%，X 軸是烏溪大肚站位於所有 河川匯流河川，所以流量數值比較高，Y 軸是筏子溪集泉橋站位於筏仔溪匯流烏溪附 近，因為是烏溪的支流所以流量數值比較低。

y = 0.0445x - 0.2327 R² = 0.7769

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

筏子溪集泉橋每日流量

圖 3. 5 集泉橋流量站 73~74 年面積法、回歸法、實際值之比較

0 50 100 150 200 250 300 350

單位:cms

單位:日期

筏子溪集泉橋1984~1985流量資料

平均法

面積法

回歸法

實際值

本研究根據流量站資料庫 73 和 74 年的筏子溪流域集泉橋流量站資料補遺水文資 料的面積法和回歸法以及實際值做圖比較圖(如圖 3.5)，三條線的趨勢線都相似，面 積法比實際值較高，回歸法又比起實際值低，以面積法和回歸法加總的平均法，最後 利用 MSE 值判斷，因為實際值在 X 軸 1984/07/04 附近有一個極端值，主要 1984 年 有一個亞力士中度颱風(如表 3.15)與日流量有一個極端值(表 3.13)所以造成面積法之 MSE 增高，回歸法由線性回歸計算會有低估的趨勢，造成 MSE 值降低，選擇介於 MSE 中間數值的平均法，消除掉面積法和回歸法的極端值取得個平衡，所以以平均 法之流量資料為資料的基準(表 3.3)。

表 3. 3 平均法、面積法、回歸法之 MSE 表

計算方法 MSE 最後選取

平均法 117.3 v 面積法 180.1

回歸法 102.3 註:有 v 代表最後選取方法 (b)水文因子

本研究藉由利用 Q 流量-平均法，補遺間接計算求得流量，而特有生物保育中心 現地採樣筏子溪各段樣區資料取得水深、流速、水溫(如附件 3. 1)。

水文資料因子(代碼):流量 (Q)、水深 (WD)、流速 (WV)、水溫 WT)

3.3.2 水質因子

本研究根據特有生物保育中心採樣資料，水質因子(代碼):酸鹼值 (PH)、導電度 (con)、溶氧量 (DO)為主，而臺中市政府環境保護局取得 2001~2010 相關水質檢測項 目資料為輔(如附件 3. 2 附件 3. 3)，化學需氧量 (BOD)、氨氮 (NH3)、總磷 (P)、大 腸桿菌 (EC)、酸鹼值 (PH)。

3.3.3 氣象因子

本研究藉由中央氣象網站進行蒐集有氣象資料和颱風資料 (如附件 3. 4)，整理資 料台中測站從 2002 年到 2010 年每個月分所記錄的資料，氣象資料包括平均溫度、日 照時數，而颱風資料說明每個颱風的編號、中文名稱、英文名字、警報期間、接近台 灣的強度。

本研究採用氣象資料因子(代碼):日照數(DH)、均溫(T)、颱風(TY)。

3.3.4 生態因子與環境因子

本研究藉由特有生物保育中心得到生態調查資訊從 2002~2007 現地採樣 44 種魚 類(如表 3. 6)與 74 種鳥類資料(如表 3. 4)，生態指標採用指標有物種量、物種數、物 種歧異度指數三大類。

本研究採用生態資料因子(代碼):魚類物種數(Fishs)、魚類物種量(Fishn)、魚類物 種歧異度(FishH)、鳥類物種數(Birds)、鳥類物種量(Birdn)、鳥類物種歧異度(BirdH)。

表 3. 4 鳥類總資料表

中文名稱 中文名稱 中文名稱 中文名稱

八哥 金背鳩 綠頭鴨 虎鶇

八哥屬 青足鷸 綠繡眼 綠蓑鷺

大白鷺 洋燕 緋秧雞 白頭翁

大卷尾 紅尾伯勞 翠鳥 棕扇尾鶯

大花鷚 紅冠水雞 蒼鷺 虎皮鸚鵡

大葦鶯 紅隼 褐色柳鶯 黑臉鵐

小水鴨 紅梅花雀 樹鵲 白腹鶇

小白鷺 紅鳩 橙頰梅花雀 棕沙燕

小雨燕 紅臀鵯 環頸雉 花嘴鴨

小青足鷸 家八哥 磯鷸 黑領椋鳥

小雲雀 家燕 藍磯鶇 短翅樹鶯

小環頸鴴 栗小鷺 鷹班鷸 黃小鷺

小彎嘴 珠頸斑鳩 白鶺鴒 黃尾鴝

小鷿鸐 粉紅鸚嘴 池鷺 黃頭扇尾鶯

中白鷺 彩鷸 灰頭鷦鶯 黃頭鷺

田鷸 麻雀 灰鶺鴒 黃鶺鴒

白尾八哥 喜鵲 赤喉鷚 黑枕藍鶲

白腰草鷸 斑文鳥 赤腰燕

白腹秧雞 斑點鶇 夜鷺

3.3.5 外在影響因子

1.外在因素的整理

A. 本研究至第三河川局蒐集筏子溪工程資料，筏子溪的歷年河川整理資料由每年的 11 月份到翌年的 5 月份，但避開颱風豪雨期間。

B. 台中高鐵烏日站工期 2004~2006 年完工，工程範為 0K899~2K899(如圖 3. 6)。

2.颱風影響因子

筏子溪受到桃芝、納莉與敏督利颱風的侵襲，使河川堤防造成災害，颱風資料從 2002~2010(如附件 3. 6)

圖 3. 6 筏子溪東海橋下游整治工程分年分期圖(經濟部水利署第三河川局，2005)

第四章、研究方法

本研究藉由皮爾森相關係數矩陣(pearson product-moment correlation coefficient Matrix)、多變量分析，進行環境因子及生態因子之篩選；再以結構方程模式(SEM)，

建構溪流生態結構模式，分別說明如下:

4.1 皮爾森相關係數矩陣

皮爾森相關係數矩陣敘述:

使用共變數可以用來量變項的關聯方向零相關、負相關、正相關，為了要能互相 比較，就得讓單位化作一樣。將每個變項標準化(standardization)，使平均數為 0，標 準差為 1，克服了單位的問題，然後重新計算共變數。

將研究河段蒐集資料依環境因子及生態因子分別列表，計算因子間之皮爾森相關矩陣 係數(如公式 4.4、公式 4.5)；可得相關係數矩陣，並檢定相關係數是否顯著(α=0.05)(如 公式 4.6)。

相關係數公式為𝑟_𝑋𝑌 = _𝑆^𝑆𝑋𝑌

𝑋𝑆_𝑌 (4.4 ) 其中:Sxy 為因子 X 與因子 Y 之共變異數

Sx 為因子 X 之標準偏差，Sy 為因子 Y 之標準偏差

 

 

 





 

 

 







XnYn Y

X Y X

Y X Y X

Yn X Y

X Y X

XY

r r

r

r r

r r

r

r

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

2 3 1 3

2 2 1 2

1 2

1 1 1

(4. 5)

T 檢定公式t = ^𝑟

√^1−𝑟2 𝑁−2

(4.6)

4.2 多變量分析

本研究應用英國Plymouth marine laboratory所發展之Primer5.0多變量分析應用程 式(Clarke and Warwick，2001)，包括聚類分析(Cluster)、一階MDS分析、二階MDS分 析、Bioenv分析等。

多變量分析的項目:

1. 聚類分析(Cluster Analysis)：以Bray-Curtis相似性係數，計算生態因子、環境因子 組成在因子間之相似程度，以距離作為分類的依據，相對距離愈近的，相似程度 愈高，歸類成同一群組。

2. 非介量序列分析(multidimensional scaling，MDS程式)：以非介量空間尺度從多個 樣本之相似或相異程度的觀察資料矩陣， MDS 不但可以分析量化資料，也可 以分析次序性資料，呈現各生物因子、環境因子、外在因素因子組成而因子間之 分布情形(包括一階MDS分析、二階MDS分析)。

3. 生態因子與環境因子相關分析(BIOENV程式)：依據各樣區間生態因子及環境因 子組成，因子之相似性係數，以第二階段MDS分析生態因子與環境因子之對應 關係，並根據各環境因子所計算之相似性係數，分析生態因子與環境因子之相關 性。

多變量分析原理:

1. MDS:評估環境因子與生態因子於MDS空間上之相對距離，作為各因子之適用 性比較。評估指標與指標生態間之級序相關係數愈大，表示評估指標與指標 生態間於MDS空間之相對距離愈近。先以式(4.7)求得不同樣點生態群聚之相 似係數矩陣（S

jk’），再將相似度矩陣依級序大小轉換為級序矩陣(Os

i’)。由 PRIMER 5.2多變量分析應用程式可得MDS分析結果並求得環境因子之相似 度矩陣（Or

i’）。不同因子間(如生態因子與環境因子)之相關性可以級序相關 係數（Spearman rank coefficient）求算（如式(4.8)）。

Bray-Curtis Similarity coefficient ：

  _ ^{  }



 







 

 

p i

jk

y y

y y S

1 ' 1

1

100 (4.7) S’jk：樣點i與樣點k生物群聚之相似係數值

yij：樣點i之物種j之生物數量 yik：樣點k之物種i之生物數量 p：物種數(i=1~p)

Spearman rank coefficient：

 ^

 



) 1 (

1 6 _i^N _{i i}

s

Or Or

N

 N

Osi ：因子一(如生物因子)級序矩陣 Ori ：因子二(如環境因子)級序矩陣

N：矩陣元素數(number of matrix elements)

2. 聚類分析(Cluster analysis):主要是使用計量資料，加以計算各觀察體的相似性 (similarity)，並計算出各觀察體間的距離(如公式 4.9)，將最接近的兩個觀察 體結合為一組，接著再算出合併後的觀察體間距離，並重複上述的程序，將 資料的觀察體加以分類，進而有效分類各群集的性質。









i bi p

i ai bi ai p i b

a

x x

y y x

x S

1 2 1

2 1

) )(

(

) ) (

( ， (4.9)

3. BIOENV 分析:其環境因子非相似性矩陣與生態因子 Bray-Curtis 相似性矩陣 之間形成最大的等級相關。而以 Spearman 相似性係數，以最大相關計算的 環境因子與生態因子的最佳化，採用原理上類似於逐步多重回歸的 Bioenv 分 析，找出與生態因子最佳化的環境因子組合。軟體設定 1 個相關係數 ρ 值，

4.3 結構方程式模式(SEM)

結構方程模式(SEM，Structural Equation Modeling)是多變量統計軟體，由線性模 式包括迴歸分析、變異數分析、共變異數分析一樣，SEM 包括路徑分析及驗證性因 素分析等。藉由科學方法和科學思考運用，進行分析解釋，為了解釋問題以專業與科 學性的方式尋找，稱之為建構，透過路徑圖的方式提出研究架構，經由操作性定義，

提出各構建間的因果關係，而構建分為應變數(果，內生變數)與獨立變數(因，外生變 數)，再將依變數指定會對模式產生變化的路徑上，而 SEM 探討多個無法直接觀測到 建構間之因果關係模式，我們可以直接觀測到，且測量變數間沒有測量誤差時，可以 使用回歸分析來探討變數間的因果關係，例如討論環境品質和生態品質之間的關係，

想了解環境品質中多重性測量變項對生態的關聯性，然後對建構間的關係建立的結構 方程模式進行分析探討，SEM 模式建模步驟如圖 4.1。

SEM 敘述:

SEM 模式路徑圖由連結變數間的曲線或箭頭所組成，可以清楚敘述潛在變項與 測量變項之間的因果關係，透過線性關係式，利用模式的檢定計算執行相關數據，並 探討變數間的線性關係，並對顯性變數與潛在變數之因果模式做假設的檢定 SEM 是 探討可觀測變數間的關係，也可以探討建構的測量系統，最重要的功能在於結合測量 系統與建構間的因果關係(圖 4.2)。

SEM 原理:

將變數間的關係式轉換成變異數間的關係式的關係，SEM方程模式使變數多而且 結構複雜的關係，利用變數間的共變數矩陣來驗證變數間是否存在某種關係式的方法 (公式於附件4.1.3結構方程模式SEM))。SEM 模式之概念圖如圖4.1 SEM結構示意圖，

測量變項V1、V2 與V3 受到潛在變項(F1)的影響，形成一個獨立的測量模式，而測 量變項V4、V5 與V6 則受到另一個潛在變項(F2)的影響，形成另一個獨立的測量模 式。兩個潛在變項之間具有因果關係的假設，以單向箭頭來表示。干擾因素部分，對 於潛在變項F2與潛在變項F1為D，而對於測量變項V1 ~V6為e1 ~e6 (張騌麒、孫建平，

2009)。

圖 4. 1 SEM 模式圖 SEM的估計方法項目:

1. 最概法(Maximum likelihood ， ML法)

以矩陣相除(



^

^S





^ 



(

 tr  S  F

最概法可以得到數據估計的漸近標準誤差，由標準誤差可評估數據估計的穩定度 及顯著性統計檢定，而最概法估計提供模式適合度的統計量，但是ML法(最大概似法) 資料必需為常態分布。

2. 常用最小平方法(Unweighted least squares，OLS法)

以矩陣相減

^{S } 

^







) 1

(

 tr S  F

3. 廣義最小平方法(Generalized least squares，GLS法)







) 1

(

 tr S  F

4. 無尺度最小平方法(Scale-free least squares，SLS法)

SLS(無尺度最小平方法)法則無分布之限制,但無法計算P值及RMSEA

F1 F2

V1

V2

V3

V5 V4

V6

1

e4

1

e5

1

e6 e1

e2

e3

D

1 Structure model

Measurement model 1 Measurement model 2

圖 4. 2 SEM 建模步驟

表 4. 1 SEM 模式適合度檢定數值範圍

指標 數值範圍 理想範圍

卡方值 0 以上 不顯著

P-value 0 以上 0.05 以上 GFI 0~1 0.9 以上 AGFI 0~1 0.8 以上 RMSEA 0 以上 0.05 以下

Start

模式結構設定

參數推估

適合度檢定 模式修正

最適模式

模式完成與解釋 NO

YES

第五章、結果與討論

5.1 環境因子選取

1.相關性分析

本研究利用皮爾森相關係數，探討環境因子與生態因子之相關性，顯著水準 α=0.025 水準下(如表 5.1)，表中數字為黃色為相關性顯著，環境因子與生態因子探討 如下:

1. RC (河川整理):與生態因子較無明顯的顯著相關。

2. TY (颱風):與魚類歧異度呈現正相關；與鳥類物種數呈現負相關。

3. HR (高鐵施工):與魚類物種數與魚類物種量呈負相關；與鳥類歧異度呈現正相 關。

4. WD (水深):與魚類物種量呈現負相關。

5. WV (流速):與魚類物種量呈現負相關。

6. Q (流量):與魚類物種量；與鳥類物種數呈現負關係。

7. WT (水溫):與魚類物種數；與鳥類物種數呈負相關。

8. T (均溫):與鳥類物種數呈負相關。

9. DH (日照數):與魚類物種數和魚類物種量呈正相關。

10. PH(酸鹼值):與鳥類物種量數呈正相關。

11. DO(溶氧量):與魚類歧異度呈正相關。

12. RPI(河川汙染指標):河川汙染指標與魚類物種數和魚類歧異度呈負相關；與鳥類 物種數與鳥類歧異度呈正相關。

13. con(導電度):與魚類物種數、魚類物種量、魚類歧異度呈負相關；與鳥類物種量 呈正相關。

14. SS(懸浮固體):與魚類物種數、魚類歧異度呈現負相關；與鳥類物種數與鳥類歧異 度呈現正相關。

異度呈現正相關。

選取環境因子與生態因子間有兩項以上顯著關係之因子。其中環境因子有:TY(颱 風)、HR(高鐵)、Q(流量)、WT(水溫)、DH(日照數)、RPI(河川汙染指標)、con(導電度)、

SS(懸浮固體)、NH3(氨氮)、BOD(生化需氧量)、EC(大腸桿菌)。生態因子有:Fishs(魚 類物種數)、Fishn(魚類物種量)、FishH(魚類歧異度)和 Birds(鳥類物種數)、Birdn(鳥類 物種量)、BirdH(鳥類歧異度)(如表 5. 1)。

表 5. 1 皮爾森相關矩陣分析

RC TY HR WD WV Q WT T DH PH DO RPI con SS NH

BOD P EC 選取 因子 Fishs -0.08 0.07

-0.03 -0.09 -0.03 0.13 0.14 0.18 -0.06 0.10

-0.14 -0.27

Fishn 0.09 -0.16

-0.16 0.22 -0.12 0.03 -0.04

-0.08 0.08 -0.19 -0.09 -0.11 * FishH -0.11 0.18 -0.09 0.00 -0.06 0.14 0.09 0.12 0.10 -0.12 0.17

-0.11

Birds 0.08

-0.07

-0.02 0.32 0.16 0.21 0.22 0.13 0.10 0.24 * Birdn -0.08 0.07 -0.05 0.08 0.08 0.10 0.02 -0.01 0.03 0.25 0.03 -0.01 0.21 -0.05 -0.02 -0.14 -0.13 -0.01 * BirdH -0.09 0.02 0.31 0.11 0.06 -0.08 0.02 0.07 -0.12 -0.07 0.01 0.22 -0.10 0.18 0.08 0.14 0.16 0.18 * 選取

因子

註:1.有粗體加上底色的是顯著水準 α=0.025 水準下 2.*代表選取因子