新虎尾溪流域污染源管理與涵容能力分析
陳世卿，雲林縣環境保護局局長 沈淑妧，雲林縣環境保護局水保科科長 陳勝恭，能碩工程顧問股份有限公司技師
計畫編號：99-001
摘要
人類的活動不斷的污染環境，在國內污水下水道的普及率仍不高的狀況下 ， 未經妥善處理的廢污水，大量的污染物持續排入河川，造成各大河川嚴重污染 水質管理及污染控制策略也依序的建立與執行。為了評估所應用水質管理及污染 控制的成效，許多水質模式也因應而生，本研究計晝以新虎尾溪流域為研究對 象，利用QUAL2K 水質模式模擬新虎尾溪河川水質狀況，提供主管機關針對污 染 源進 行相 關管 制策 略研 擬。 模擬 後得 知， 新虎 尾溪 涵容 能力 BOD 約為 1,255kg/day，目前污染物排入量約為 2,722 kg/day，已超過其涵容能力，如欲達 到河川丙類水體水質分類標準，應削減54%污染物排入量。該流域於中正橋後水 源大量被截取作為灌溉用水，致下游之溪水流量急遽減少，在後續集污區污染 源污染物排入時，造成DO 急速的降低，甚至降至 2 mg/L 以下，水質多呈中度 至嚴重污染，其中以豐橋至海豐橋污染程度最為嚴重，該河段主要污染源以生 活污水及畜牧廢水為主。
關鍵字：新虎尾溪、涵容能力、QUAL2K、水質模式
一、前言
雲林縣為農業大縣，其污染源主要為生活污水及畜牧廢水，近年因工業區 紛紛成立，工業廢水也逐漸佔一席之地。雲林縣內有濁水溪、新虎尾溪、北港溪等 三大流域，其中新虎尾溪流域為典型農業河川，主要污染源以生活污水及畜牧 廢水為主，該流域污染程度一直處於中度污染至嚴重污染，且至目前為止尚無 文獻資料推估新虎尾溪流域污染情形，因此本研究將推估新虎尾溪流域最大容 許污染排放量後，並進行污染削減探討，可作為河川水質後續管理之探討。
二、整體架構流程
本研究主要針對新虎尾溪進行河川水質進行模擬，首先將蒐集彙整相關資 料分析污染源及污染量，點源污染主要包含家庭生活污水、工廠廢水污染、畜牧 廢水污染，亦有因不同之土地利用而造成之非點源污染；並將行政院環境保護 署長期河川水質監測資料進行統計分析，並進行水質模式建立，模擬河川水質 推求河川涵容能力，最後分別進行探討，擬定改善方案。整體架構流程如圖1 所 示。
彙整相關資料
集污區劃分
污染量推估
進行河段劃分
整理水力特性
QUAL2K模擬
以QUAL2K推求 涵容能力
擬定水質改善方案
收集流域內各排水渠水質 、流量及其分佈狀況 。
流域集污區劃分及選定主要模擬河段 。
針對各工廠的排水渠 、家庭污水、農業廢水進行推 估。或直接量測入流排水路之排水管的污染量 。
將模擬河道，依據各河段水力特性 ，將河川劃分成 數個河段(reaches)，各河段具有均一水力特性 (constant hydraulic characteristics)。
包含流速、流量、曼寧粗造係數、河道坡度、有效 河寬及有效水深等 。
模擬河川水質現況,，並進行模式驗證。
分析項目包括BOD、DO、SS及氨氮。
利用模式模擬推估涵容能力 ，以了解河川水質BOD 濃度最大容許濃度，反推BOD濃度削減量。分析項 目為生化需氧量及氨氮 。
針對法律、技術、環境及成本面來作考量 ，以提出 短中長期方案。
圖1 水質模式建立流程
三、研究項目
1、選定新虎尾溪流域為研究區域。（自新庄子排水至海豐橋河段）
2、新虎尾溪流域污染調查。
3、劃定新虎尾溪集污區範圍。
4、分析環保署水質監測資料，瞭解新虎尾溪流域水質現況及推估可能之污染來 源。
5、應用 QUAL2K(Q2K)水質模式，進行水質模擬及推估。
6、檢討建議流域整體性總量管制措施，以供參考。
四、河川涵容能力推估
（一）、流域環境資料彙整
新虎尾溪位於台灣中部，為一縣市管河川，幹流長度49.85 公里，流域面 積109.26 平方公里，分佈於雲林縣中部偏北地區。主流發源於莿桐鄉重興村，
向西流經榮村、甘厝而出莿桐鄉後，大致沿著西螺鎮、二崙鄉、崙背鄉、麥寮鄉四 鄉鎮與虎尾鎮、土庫鎮、褒忠鄉、東勢鄉、台西鄉五鄉鎮之間的邊界西流，最後注 入台灣海峽，主要支流包含清水港、過溪子、新莊子、港尾、崙背、麥寮等排水，平 均坡度 1：1080。相關流域資料的取得包含：
1、流域之水文資料彙整
向水利署或河川局及其所屬單位收集轄內流域之水文流向資料，並將資 料彙整。
2、事業單位列管資料彙整
事業單位列管資料及排放量，由環保署提供之水污染源管制資料管理系 統取得，並將資料彙整。
3、生活污水資料彙整
劃定集污區之範圍，由當地戶政事戶所取得人口數，推算生活污水產生 量。
4、利用 GIS 系統推估非點源污染
利用GIS 系統查詢統計各不同類型的土地利用面積，再進一步的推估統 計各集污區非點源污染總量。
（二）、河川涵容能力分析
河川污染的成因係由於污染物（物質、生物或能量）未經妥善處理排入河川 超過河川的涵容能力（carrying capacity），致無法進行自淨作用，影響河川水 體之正常用途，進而危害國民健康及生活環境。本研究建立河川區域排水列管事 業基本資料及排放量，並完成雲林縣新虎尾溪流域之涵容能力推估，以做為雲 林縣河川污染整治策略參考。
1、模式的介紹
水質模式是以數學方法來模擬水體、底床中溶解或懸浮態物質的物理、化學 與生物之傳輸反應過程，可以評估影響河川水質的因子，預估河川整治計畫或 稽查管制計畫等執行前後污染物排放量增減後所可能引起的水質變化。一般欲分
析的水質項目為SS、DO、BOD 及 NH3-N 等，而可以應用的水質模式非常多，如 QUAL2K、WASP 、Aquatox 、EPD-RIV1…等。 以下就 Q2K 之參數進行介紹:
（1）、水理模擬
河川流量的大小影響河川水體水質濃度甚距，河川流量會受枯豐水期的影 響，進入河川水體的污染量亦可能受枯豐水期的影響而有差異，一般而言，在 時間分佈上，應以水質情況最為嚴重的季節為河川污染分析的主要對象(陳宜清，
2008)，而本計畫分析的河段，僅下游海豐橋受潮位影響，流量穩定，故可以定 常流況分析其水質變化。
Q2K 模擬分析的河段為定常(steady)或擬動(psudo-unsteady) 狀態，以質量守 恆原則評估流量，詳圖2。在已知河川流量，與具備流量、流速與水深現場資料 的前提下，流速與水深可以下列經驗公式求得：
U=aQb H=αQβ
其中a、b、α、β 為經驗常數，需要由現場流量、流速與水深的關係率定而來 (陳宜清，2008)，表 1 為 Q2K 提供之建議值。
或者，河床截面為規則的斷面，並已知坡度，則河川流量（流速與水深）
可以曼寧公式計算而來：
3 / 2
3 / 5 2 / 1
P A n Q= So c
其中P 代表平均有效水力半徑；So代表水力坡度；n 代表曼寧係數（一般依 河道表面的粗糙程度，n 值範圍為 0.015 到 0.15）； 代表截面積。
Q2K 中可以加入河工結構物，如堰之跌水，並允許取水、伏流（地下水）、
側入流（污染源流量）等流量改變因子。
表1 流量-流速-水深函數之參數建議值
方程式 係數 一般標準值 範圍
U=aQb b 0.43 0.4－0.6 H=αQβ β 0.45 0.3－0.5
（2）、水質控制方程式
Q2K 可以模擬動態之水質變化，基本控制方程式為一維傳流與質量擴散傳 輸式，方程式內容包括傳流、延散、進出控制體之源(Sources)與滅(Sinks)及水質 間相互之物理、化學和生物反應作用。Q2K 允許傳流和延散這兩種傳輸方式只在 水流的主要流向，及假設每一個計算河段為完全混合(completely mixing)。其控 制方程式如下：
( ) ( )
ii i i i i i i i i i i i
i out i i i i i i
i S
V c W V c
c E V c
c E V c Q V c Q V Q dt
dc = −1 −1 − − , + '−1 −1 − + ' +1− + +
其中，c=污染物濃度(mg/L 或 µg/L)，Q=流通河段 i-1，i 及 i+1 間的流量 (cms)，Qab,i=河段 i 之流出流量(cms)，E=河段 i-1 及 i 間的延散係數(m2/s)，V=河 i 之水體體積(m3)，S=河段 i 內之反應生成或消失(g/m3/day 或 mg/m3/day)， Wi = 河段 i 之額外污染負荷 [g/d or mg/d]， Si =河段 i 內之反應生成或消失[g/m3/d or mg/m3/d]，公式為：
∑
∑
= =+
= npsi
j
j npsi j i nps psi
j
j psi j i ps
i Q c Q c
W
1
, , , 1
, , ,
其 中 cps,i,j 為 the jth point source concentration for element i [mg/L or μg/L],
cnps,i,j 為 the jth non-point source concentration for element i [mg/L or μg/L]。
其運動模式包含：溶解、水解、氧化、硝化、脫硝、光合作用、死亡及呼吸等；
質量傳遞包括：再曝氣、沈降、底泥需氧(sediment oxygen demand，SOD)及沈積 物無機碳流(sediment inorganic carbon flux)等。整個質量平衡關係包括河段內傳輸、
延散、與大氣傳輸、底泥間之交換、與底層藻類之交換等。如圖3。
i i + 1
i− 1 Qi−1 Qi
Qin,i Qout,i
i out i in i
i Q Q Q
Q = −1 + , − ,
圖2 QUAL2K 所計算河段的流量平衡示意圖
大氣轉換 atmospheric
transfer 物質萃出
mass abstraction 物質進入
mass load
入流 inflow
延散 dispersion
出流 outflow
延散 dispersion i
底部藻類 bottom algae
泥沙 sediments
圖3 質量平衡圖(陳貞樺，2007) 2、水質模式建立及驗證
主要針對預定分析河川水系，主流、支流及污染源等，做一詳細分析調查。
下列分別描述水質模式建立與模擬的依據：
（1）、河段之劃分
依據河川流域特性，選定主要分析的河道，Q2K 需要將模擬河川分割成數 個 計 算 單 元(computational element) ， 依 各 單 元 具 有 均 一 水 力 特 性 ( 陳 貞 樺 ， 2007)，圖 4 所表示為新虎尾溪流域及集污分區，圖 5 為本研究模擬河段，河川 分段為數個河段(reaches)，每個河段可定義其上下游斷面相關地理位置，河段 的長度不一定要相同。
（2）、水力特性與流量
河川流量的大小影響河川水體水質濃度甚距，河川流量會受枯豐水期的影 響，進入河川水體的污染量亦可能受枯豐水期的影響而有差異，一般而言，在 時間分佈上，應以水質情況最為嚴重的季節為河川污染分析的主要對象。本計畫 進行現場勘查河道河床斷面、植生、坡度、粗糙度等，與測量河寬、水深與流速，
做為輸入Q2K 各計算單元之河寬、邊坡之依據。
（3）、污染源與量
針對欲模擬流域及河段沿岸污染源排放流量與污染濃度進行調查，建立各 污染源及其所對應的排放渠道位置。另針對區內點及非點污染源、分佈及排放量 強度的資料收集與調查工作。最後構成河川污染負荷的污染量為污染流達量，一 般而言，流入河川之廢污水量會較實際排放量為低，而影響流達量的因素隨各 區域的人文、地理與環境水文特性而異。
（4）、Q2K 所需參數
Q2K 所需參數包含水理參數、水文參數、氣象參數、化學計量之基本數值及 監測資料等，並非每項模式內所提供之參數都需輸入，主要輸入與模擬項目相 關之因子即可。(陳貞樺，2007) 本研究流速及水深之計算採用率定曲線公式，指 數採用一般建議值，流量採取現地實測作為規劃設計流量。
表2 所需輸入之 QUAL2K 參數
參數分類 輸入項目
水理參數 流量係數法之 a、b、α、β 水文參數 Q75、Q50
氣象參數 氣溫、水溫、露點、風速、風量
監測參數 各水質測站之長期DO、BOD 之平均值、極大值、極小值、源頭水 質測站之實測值
其他參數 測站高程、設計溫度、BOD 之相關參數（k1、k2及k3）、底泥耗氧 量（SOD）、NH3-N、NO3-N、pH、日照時間、經緯度、基本化學計 量
（5）、模式的驗證
模式建立的一項重要工作為模式驗證，以證明該模式確實可以應用於所模 擬的河川，並已輸入正確的資料與選用適當的參數。利用平均絕對百分誤差
（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）可就不同模式、不同組實測數據比較 其優點，當MAPE 值越小，表示模擬值與實際值越接近平均絕對百分誤差。本 研究建立新虎尾溪水質模式，DO 模擬檢定值為 10 %，屬良好的預測； BOD 模擬檢定值為22 %，屬合理的預測。
（6）、涵容能力分析
本研究參考陳宜清(2008)建議涵容能力分析之程序進行，說明如下：
1、 先區分河系為數段，分段原則以測站為斷點，非點源匯入點則以分區計算。
2、 由上游往下游方向，每次程式檢驗一段為原則。
3、 檢驗時調整該段污染量，再以 Q2K 模擬與環保署測站比較，待該段水質達 測站限制標準時，則該段污染輸入量為該段之涵容能力。
4、 逐步調整各該段之水質與測站之限制標準，則該流域之涵容能力即完成。
圖4 新虎尾溪流域及集污分區圖
出海口 (38. 3) 鹿場課幹線
新庄子排水( 39.9)
過溪子大排( 26.1) (36.1) 莿桐橋下排水
(36)莿桐一號橋
( 34.4) 甘厝分線
(25.4) 湳仔排水
(34.7) 新虎尾溪橋
清水港排水( 31.5)
( 26) 中正橋
(18)豐橋
(6) 海豐橋 (6.2) 西麥寮排水
新庄子大排( 16.5 (15.8) 崙背大排水
莿桐分區西螺分區 過溪子分區新庄子分區
崙背分區麥寮分區
) 1
3 2
4
5
圖5 新虎尾溪模擬河段
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 mgO 2/L
DO 模擬值
2009/6/5實測值
莿 桐 一 號 橋 x 新 虎 尾 溪 橋 x
中 正 橋 x
海 豐 橋 x 豐
橋 x
距離(Km)
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 mgO 2/L
BOD 模擬值
2010/3/1實測值
莿 桐 一 號 橋 x 新 虎 尾 溪 橋 x
中 正 橋 x
海 豐 橋 x 豐
橋 x
距離(Km)
圖6 新虎尾溪水質模式模擬驗證
五、研究成果
1. DO 模擬結果：，DO 值在中正橋前大致都能符合丙類水體水質標準，在豐 橋之後，則因湳仔排水幹線大量引用新虎尾溪為灌溉用水，至使河川流量突 然變低，在後續污染源排入時，造成DO 急速的降低，使得下游豐橋及海豐 橋DO 值偏低，甚至降至 2 mg/L 以下。經由模式模擬分析，如欲提高下游測 站的溶氧值，應於莿桐分區及西螺分區等集污區採取削減部份的污染物排入 估計應分別削減約10%及 70%。另因在湳仔排水幹線後，河川流量降低，新 庄子大排、崙背排水、西麥寮排水幹線等估計應分別削減約30%、75%及 80%，才能使新虎尾溪下游，不致因灌排的大量取水後，DO 值低於丙類水 體4.5 mg/L 的標準。預估流域內應削減約 54%污染量排入，流域水質才能符 合水體分類水質標準，如圖7 所示。
2. BOD 模擬結果：模擬後得知，新虎尾溪涵容能力 BOD 約為 1,255kg/day，目 前污染物排入量約為2,722 kg/day，已超過其涵容能力，詳表 3。該河段上游 至豐橋間，BOD 因河川自淨作用因素，皆可維持在 2mg/L 左右，符合丙類 水體4.0 mg/L 以下水質標準。在流域總削減 54%污染量後，全流域水質才能 符合丙類水體水質標準，如表3 及圖 8 所示。中正橋至豐橋區間，北岸「崙背 分區」污染源以生活污水為主，南岸為「新庄子分區」以農業污染及灌溉回歸 水影響。豐橋至海豐橋河段，主要受到新庄子大排及崙背大排影響，「崙背大 排」上游為崙背鄉市區，主要為生活污水，至中下游後，主要受到畜牧業影 響。「新庄子大排」源頭為虎尾鎮墾地，其主要污染源以周遭畜牧、農業為主。
豐橋後河段受新庄子及崙背大排等污染物排匯入，造成BOD 急劇增加，可 看出流域末段自淨能力低，污染物超過河川的負荷。
3. SS 模擬結果：新虎尾溪上游水源取自濁水溪溪水，至鹿場課幹線時進行分 流，其溉灌渠道均會進行「沖砂」作業，造成水中SS 偏高情形，因此該流域 上游SS 污染程度，受到灌溉引水影響頗大，上游 SS 濃度有時高達 250mg/L 以上，下游因SS 沈降作用，濃度明顯降至 100mg/L 以下。
表3 新虎尾溪流域集污分區主要支流污染物(BOD)負荷資料
分區 分區排水 生活污水排入
污染量(kg/d)工業廢水排入
污染量(kg/d)畜牧廢水排入
污染量(kg/d) 非點源污 染(kg/d) 合計
(kg/d) 分區應
削減率 容許排入量 (kg/d) 莿桐分區 鹿場課幹線
新庄子排水 莿桐一號橋下排水
300 15 242 76 633 10% 570
西螺分區 甘厝分線
新鹿場課圳 85 0 378 36 500 70% 150 過溪子分區 清水港排水
過溪子排水 177 0 144 42 364 55% 164 新庄子大排
分區 新庄子大排 83 11 144 45 283 30% 198 崙背分區 崙背大排水
湳子排水 109 0 172 35 315 75% 79 麥寮分區 西麥寮排水 134 1 411 80 626 85% 94 合計 888 27 1,492 315 2,722 54% 1,255
表4 水體水質分類標準
分 基準值
級 溶氧量(DO)mg/L 生化需氧量(BOD)mg/L 懸浮固體(SS)mg/L
甲 6.5 以上 1 以下 25 以下
乙 5.5 以上 2 以下 25 以下
丙 4.5 以上 4 以下 40 以下
丁 3 以上 － 100 以下
戊 2 以上 － 無漂浮物且無油污
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 mgO
2/L
DO 模擬值
河川涵容能力
莿 桐 一 號 橋 x
新 虎 尾 溪 橋 x
中 正 橋 x
海 豐 橋 x 豐
橋 x 距離(Km)
圖7 新虎尾溪流域涵容能力模擬(DO)
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 mgO
2/L
模擬值 BOD
河川涵容能力
距離(Km) 莿
桐 一 號 橋 x
新 虎 尾 溪 橋 x
中 正 橋 x
海 豐 橋 x 豐
橋 x
圖8 新虎尾溪流域涵容能力模擬(BOD)
六、結論與建議
1.Q2K 水質模式為一簡易方便之模擬程式，可輸入眾多水質參數，在不同狀態 下進行模擬，可迅速獲得初步涵容能力之初步成果。
2.由 Q2K 分析結果得知，中正橋下游之河段，因污染源污染物大量匯入，該河 段已超過其自淨能力，建議該分區之畜牧業加強管控與興建污水處理設施，
降低其河段之負荷。
3.新虎尾溪上游水源取自濁水溪溪水，至鹿場課幹線時進行分流，其溉灌渠道 均會進行「沖砂」作業(關閉閘門蓄水，將再閘門開啟，利用水力特性將沈砂沖 往下游)，造成水中 SS 偏高情形，為本流域 SS 偏高的主因之一。
4.豐橋至海豐橋河段，主要污染源經崙背大排匯入，應列為重點管制河段，需 削減750% BOD 排入量後，可達到該河段水體水質標準。
5. 中正橋往下游 500 公尺處之湳仔排水幹線，為新虎尾溪主要流出點，大量的 溪水被截流做為農業用水，下游豐橋、海豐橋，支流匯入時，污染物無法有效 稀釋，導致測站皆呈現嚴重污染情形。建議未來應進行流域整體性總量管制，
針 對 嚴 重 污 染 的 河 段 實 施 最 大 日 承 載 量 （ Total Maximun Daily Load，TMDL）水污染防治措施。
6.依據 98 年雲林縣列管污染源定期申報資料及本計畫污染源估算結果顯示，新 虎尾溪流域內主要污染源為畜牧廢水及生活污水，流域多數河段水質一直呈 現中度污染狀態，下游甚至為嚴重污染的狀態。針對不同污染源的管制削減，
藉由模式模擬的分析，可以看出不論是削減畜牧廢水或生活污水均能有效改 善河川水質。建議相關主管單位應加速流域內生活污水的處理，同時亦應加強 列管流域內畜牧業，持續削減污染量，才能有效改善流域水質。
參考文獻
1. 陳貞樺，“應用 QUAL2K 模式分析北港溪水質之研究”，碩士論文，國立 中興大學水土保持學系，台中市(2007)。
2. 陳宜清，柳孟宏 (2008). "QUAL2K 模式應用於河川水質管理－以筏子溪為 例"，環境與管理研究，第 8 卷，第 2 期，第 89-113 頁。
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國立中興大學環境工程學系，台中市(2002)。
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