濁水溪沖積扇補注量與抽水量空間分佈模式建立

國立臺灣大學工學院土木工程學系 碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

濁水溪沖積扇補注量與抽水量空間分佈模式建立 Development of the Distribution Model of Pumping and

Recharge for Chou-Shui River Alluvial Fan

林聖婷 Sheng-Ting Lin

指導教授：徐年盛 博士

Advisor Prof.: Nien-Sheng Hsu, Ph.D.

中華民國 101 年 7 月

July, 2012

i

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誌謝

本篇論文承蒙指導教授徐年盛老師悉心指導，得以順利完成。感謝 老師兩年來的細心教導，使學生在研究過程中多有啟發，並體悟到研究 應有的精神與態度，使學生受益匪淺；亦感謝老師提供一個良好的研究 環境，讓學生能專心致志於研究之上。此外，口試期間承蒙江崇榮副所 長、劉振宇教授、李振誥教授與張廣智組長於百忙之中費心審閱本論文，

並提供寶貴的意見，使論文不完美之處得以更臻完備周詳，特此致以由 衷之謝忱。

兩年的研究所生涯中，特別感謝研究室所有學長姐們的傾囊相授，

例如修課學習、程式撰寫、各種軟體操作技巧與經驗與研究方面等等。

在此感謝宏仁學長、小明學長、敬文學長、建霖學長、琦蓁學姐、承宗 學長、潔舒學組、怡安學姐、仁甫學長、文睎學長的指導與幫忙，也感 謝同學毓玲、韋勳與學弟妹筱玫、冠緯、希軍、偉峻之協助。最後，感 謝在求學階段及論文寫作期間給予幫助的師長與同學。

最後，感謝我的家人，因為你們的支持、鼓勵與包容，讓我得以順 利完成研究所的學業，僅以此篇表達最誠摯的感謝。

林聖婷 謹誌 國立台灣大學土木工程研究所 中華民國 101 年 7 月

iii

摘要

濁水溪沖積扇係台灣農業重鎮又是新興工業發展區域，地面水源已無法滿足 需求，地下水的供給為一重要供水來源。然為避免地下水不當抽用而造成地層下 陷等不良後果，地下水資源之抽用應進行適當之管理，而各種管理策略是否有效，

必須利用率定良好（Well calibrated）之地下水數值模式進行評估。欲建立率定良 好之地下水數值模式，必須完成以下兩項工作：一是利用資料融合（Data fusion）

技術，進行系統辨識；二為建立水文地質參數、補注量與抽水量之空間分布。

本研究首先蒐集研究範圍之現地基本資料，進行濁水溪沖積扇之地下水平衡 分析，以推估區域性地下水之補注量與抽水量，接著利用 MODFLOW 建立濁水溪 沖積扇補注量與抽水量空間分佈之模式。模式建立的過程，包括模式的架構，水 文地質參數及邊界條件之設定，補注量與抽水量之給定，最後比較模式模擬水位 與實際觀測水位進行模式的率定。補注量分為河床入滲補注、降雨補注、灌溉用 水補注三部份設定之，並考慮研究區域內河床質地資料、土壤質地資料、耕作制 度等因素，將補注量合理分配至模式網格中；抽水量分為公井抽水與民井抽水兩 大部份設定之，公井抽水量分別依據自來水公司及農田水利會紀錄資料給定，民 井抽水量則以地下水平衡分析結果配合水井清查資料設定之。

研究結果顯示，本研究於補注量及抽水量設定部分，詳細考慮諸多因素，對 於濁水溪沖積扇地下水流的情形能更為真確的反應，具有相當之參考價值。模式 經率定後，各含水層抽水比例有所變動，並發現第一含水層之民井抽水量可能有 超估的情形，而第三、四含水層深層抽水情形較難掌握，需增設觀測井並進行更 詳細之水井清查。

關鍵字：濁水溪沖積扇、補注量、抽水量、MODFLOW

iv

Abstract

Chou-Shui River alluvial fan is the agricultural center and emerging industrial area of Taiwan. Surface water has been unable to meet the rising demand, and groundwater has become an important source of water supply. However, groundwater resources should be appropriately managed to avoid land subsidence and other adverse consequences caused by improper pumping. To achieve this goal, we need a well calibrated groundwater numerical model to assess the effectiveness of various management strategies. To establish the numerical model, we must complete the following two tasks: First, utilizing the data fusion technology for groundwater system identification; Second, integrating site survey for clarification of spatial distribution of hydrogeological parameters, recharging, and pumping. Thus, in this study, we present a two-stage procedure to establish a representative groundwater model.

In the first stage, groundwater-hydrograph analysis is applied to evaluate the water balance of Chou-Shui River alluvial fan, and the total quantity of pumping and recharging is obtained. In the second stage, we used MODFLOW as the groundwater flow simulation model to correctly distribute the quantity of pumping and recharging into different space and time. The model establishment process includes aquifer

stratification, hydrogeological parameters and boundary conditions setting, pmping and recharging distribution, and groundwater level observation fitting.

The recharging is subdivided into three hydrologic components including rainfall infiltration, river leakage, and groundwater irrigation seepage. The subdivision is implemented according to riverbed materials, soil textures, and cropping systems. The pumping is subdivided into two components including public water supply pumping

v

(involving pumping of both Water Corporation and Irrigation Association) and private pumping. The setting of each pumping is based on official pumping records and pumping well census results.

The results show that, the groundwater resources of Chou-Shui River alluvial fan can be more properly distributed with the detailed settings of pumping and recharging.

Furthermore, the quantity of pumping from first shallow unconfined aquifer might be overestimated before; the local pumping behavior in F3 and F4 are not clear, having to add the observation wells and more detailed pumping well census.

Keywords: Pumping Distribution, Recharging Distribution, Chou-Shui River

vi

目錄

誌謝 ... ii

摘要 ... iii

Abstract ... iv

目錄 ... vi

圖目錄 ... viii

表目錄 ... xi

第 一 章 前言 ... 1

第一節 研究動機 ... 1

第二節 文獻回顧 ... 4

第三節 研究目的 ... 6

第四節 研究流程 ... 7

第 二 章 濁水溪沖積扇概述... 9

第一節 區域地質 ... 10

第二節 水文地質 ... 13

第三節 河川水文 ... 14

第四節 氣象條件 ... 16

第五節 耕作制度 ... 16

第六節 水井資料 ... 18

第 三 章 濁水溪沖積扇地下水系統辨識 ... 22

第一節 含水層概念分層辨識 ... 22

第二節 含水層邊界辨識... 24

第三節 系統水收支辨識... 25

vii

第 四 章 地下水流數值模式建立 ... 30

第一節 MODFLOW 地下水流數值模式介紹 ... 30

第二節 濁水溪沖積扇地下水流數值模式參數設定 ... 32

第三節 濁水溪沖積扇補注量與抽水空間模式建立 ... 44

第四節 地下水流數值模式率定 ... 59

第 五 章 結論與建議 ... 72

第一節 結論 ... 72

第二節 建議 ... 73

參考文獻 ... 75

viii

圖目錄

圖 1-1 雲彰地區地層下陷具體解決方案暨行動計畫策略主軸 ... 3

圖 1-2 研究流程圖 ... 8

圖 2-1 濁水溪沖積扇範圍 ... 9

圖 2-2 濁水溪沖積扇區域地質圖 ... 12

圖 2-3 濁水溪沖積扇扇頂、扇央、扇尾分區圖 ... 14

圖 2-4 濁水溪沖積扇作物制度空間分佈 ... 17

圖 2-5 濁水溪沖積扇彰雲農田水利會與自來水公司水井分佈概況 ... 19

圖 3-1 地下水歷線分析方法示意圖 ... 26

圖 3-2 濁水溪沖積扇地下水流系統分區範圍 ... 28

圖 4-1 含水層網格化示意圖... 31

圖 4-2 濁水溪沖積扇地下水流模擬模式邊界條件 ... 33

圖 4-3 濁水溪沖積扇地下水流數值模式網格分割圖 ... 34

圖 4-4 模式概念分層示意圖... 34

圖 4-5 濁水溪沖積扇地下水觀測井位置圖 ... 37

圖 4-6 含水層一 2005 年 1 月 1 日之水位圖 ... 38

圖 4-7 含水層二 2005 年 1 月 1 日之水位圖 ... 38

圖 4-8 含水層三 2005 年 1 月 1 日之水位圖 ... 38

圖 4-9 含水層四 2005 年 1 月 1 日之水位圖 ... 38

圖 4-10 濁水溪沖積扇分區示意圖 ... 39

圖 4-11 兩元素垂向透水係數示意圖 ... 43

圖 4-12 河床入滲分配流程圖 ... 45

圖 4-13 區塊位置示意圖 ... 46

ix

圖 4-14 彰雲地區土地利用圖 ... 50

圖 4-15 降雨入滲分配流程圖 ... 51

圖 4-16 土壤質地資料 0-30cm ... 52

圖 4-17 土壤質地資料 30-60cm... 52

圖 4-18 土壤質地資料 60-90cm... 52

圖 4-19 土壤質地資料 90-150cm ... 52

圖 4-20 灌溉用水入滲分配流程圖 ... 55

圖 4-21 民井抽水量設定流程圖 ... 57

圖 4-22 率定流程圖 ... 60

圖 4-23 田中(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-24 溪州(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-25 莿桐(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-26 國聖(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-27 芳草(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-28 北港(1)水位模擬結果 ... 67

圖 4-29 洛津(1)水位模擬結果 ... 68

圖 4-30 西港(1)水位模擬結果 ... 68

圖 4-31 安南(1)水位模擬結果 ... 68

圖 4-32 西螺(2)水位模擬結果 ... 68

圖 4-33 溪州(2)水位模擬結果 ... 68

圖 4-34 三和(2)水位模擬結果 ... 68

圖 4-35 國聖(2)水位模擬結果 ... 69

圖 4-36 花壇(2)水位模擬結果 ... 69

圖 4-37 員林(2)水位模擬結果 ... 69

x

圖 4-38 洛津(2)水位模擬結果 ... 69

圖 4-39 芳草(2)水位模擬結果 ... 69

圖 4-40 北港(2)水位模擬結果 ... 69

圖 4-41 溪州(3)水位模擬結果 ... 70

圖 4-42 員林(3)水位模擬結果 ... 70

圖 4-43 溪州(3)水位模擬結果 ... 70

圖 4-44 花壇(3)水位模擬結果 ... 70

圖 4-45 明德(3)水位模擬結果 ... 70

圖 4-46 員林(4)水位模擬結果 ... 70

圖 4-47 花壇(4)水位模擬結果 ... 71

圖 4-48 東光(4)水位模擬結果 ... 71

圖 4-49 宜悟(4)水位模擬結果 ... 71

xi

表目錄

表 2-1 耕作制度之耕作方式... 17

表 2-2 彰化及雲林各鄉鎮地下抽水井普查結果（單位：噸/年） ... 20

表 3-1 研究年限抽水量與補注量估算結果（單位：億噸） ... 29

表 3-2 研究年限各分區之補注量（單位：億噸/年） ... 29

表 4-1 濁水溪沖積扇概念性分層中各含水層之高程及觀測井歸層表 . 35 表 4-2 現場試驗之水平傳導係數值 ... 40

表 4-3 現場試驗之比出水率或儲水係數值 ... 42

表 4-4 濁水溪沖積扇垂向透水係數初估值（單位：m/day） ... 43

表 4-5 濁水溪斷面河床質粒徑分析表（單位：mm） ... 47

表 4-6 河床質粒徑分類 ... 48

表 4-7 水利局經驗公式對不同土壤入滲率之估算值 ... 49

表 4-8 彰化縣及雲林縣土地利用面積統計表（單位：m²） ... 50

表 4-9 耕作制度用水比 ... 54

表 4-10 鄉鎮水井抽水空間分佈表 ... 58

表 4-11 率定後之水力傳導係數值 ... 61

表 4-12 率定後之比出水率或儲水係數值 ... 63

表 4-13 率定後之垂向透水係數（單位：m/day） ... 64

表 4-14 率定後各鄉鎮市民井抽水量之空間分布 ... 65

1

第 一 章 前言

第一節 研究動機

台灣地區年平均降雨量約 2,515 公釐，由於地理位置與季節之因素，導致水資 源在空間及時間上之分布極不均勻；加上人口與經濟快速發展，地面水源逐漸無 法滿足用水需求，故各界轉而開發地下水資源。由於過量開發及缺乏良善之管理 制度，導致部分地區之地下水水位大幅下降，引發地層下陷，對於下陷區內民生、

經濟及重大建設之安全造成相當程度的影響，引起社會高度關注。

濁水溪沖積扇因為地面水蓄水設施不足，各標的用水皆仰頼地下水資源，故 該沖積扇為大量使用地下水之區域。長年超限使用地下水的情況下，濁水溪沖積 扇之扇央及扇尾沿海地區發生地層下陷等現象，因而造成高鐵行車安全問題、地 方政府執行深水井封填及違法水井查封等情形，付出了可觀的社會成本。

為有效改善濁水溪沖積扇地層下陷問題，政府在彰化、雲林兩縣共有 15 個鄉 鎮劃定為嚴重地層下陷管制區，推行三階段封停彰化、雲林農田水利會合法水井 之政策，而加強地下水補注亦為減緩地層下陷之重要工作，並擬定「雲彰地區地 層下陷具體解決方案暨行動計畫」。「雲彰地區地層下陷具體解決方案暨行動計 畫」針對不同產業活動、抽水範圍，進行不同強制程度之公權力措施，並分別從 減抽地下水增供地面水、地下水環境復育、加強管理及國土規畫等四大層面研擬 9 大工作重點，且訂定 32 項具體解決措施，防範持續下陷及治理既有下陷區域，整 體計畫內容如圖 1-1 所示。

農田水利會合法水井封井使得灌溉用水產生缺口，對當地農民生計勢必有所 影響，且農民無水可灌溉，需自行鑿井，以取得灌溉用水，又因政府積極查封違 法水井，引起農民反彈，造成對立紛爭，亦釀成困擾政府的社會問題，相關單位

2

不得不予以正視。

濁水溪沖積扇係台灣農業重鎮又是新興工業發展區域，地面水源已無法滿足 需求，地下水的供給為一重要供水來源。然為避免地下水不當抽用而造成地層下 陷等不良後果，地下水資源之抽用應進行適當之管理，而各種管理策略是否有效，

必須利用率定良好（Well calibrated）之地下水數值模式進行評估。欲建立率定良 好之地下水數值模式，必須完成以下兩項工作：一是利用資料融合（Data fusion）

技術，進行系統辨識（包括地下水平衡分析）；二為建立水文地質參數、補注量與 抽水量之空間分布。

3 問題研析

1.雲彰地區欠 缺大型水資源 建設，無法蓄 豐濟枯，致使 該地區枯水期 水量不足。

2.自來水及灌 溉設施未臻健 全，致使各部 門自行取水，

形成地下水井 浮濫的現象。

3.欠缺有效管 理機制，且水 資源價值無法 在市場上適度 反應，致使水 資源利用效率 低落。

策略 透過用水管 制、產業轉 型達成地下 水減量，以 抑制地層下 陷。

農業灌溉 政府投資供水 設施，增供地 面水源取代地 下水源；獎勵 地下水灌溉之 農田休耕轉旱 作、造林。

養殖用水 配合既有之海 水統籌供應系 統政策，循序 逐步以鹹水替 代淡水養殖。

公共用水 在不影響既有 生產活動之原 則下，全面納 管 ， 強 制 取 締。

問題提出 解決策略 具體解決措施 分工

灌溉用水

養殖及畜牧用水

農業灌溉用水 活化利用 公共用水

持續監測 補注地下水

水井管理

1-1提升水文自動量測技術及強化輪灌節水措施 1-2推廣旱作節水管路灌溉設施

1-3推廣農田轉旱作6,000公頃及平地造林2,000公頃

1-4湖山水庫及鳥嘴潭人工湖完成後，逐年降低農業用水移撥調用，減少移撥0.6億噸 1-5三階段封停彰化、雲林農田水利會合法水井

2-1海水統籌供應系統

2-2協助改善公共排水路設施發展鹹水養殖

2-3研議利用水利單位所設之滯洪池水源，經處理後循環供鄰近區域淡水使用 2-4以徵地、租用方式，輔導120公頃蜆離養或減用地下水

3-2建置雲林彰化地區完整之自來水系統（含擴大供水範圍）

3-1開發湖山水庫、鳥嘴潭人工湖等水資源設施，增供水源

3-3輔導民生工業節約用水（含自行開發新興水源）

5-1評估規劃以流域為單位，檢討雲、彰兩水利會合作之機制，提升濁水溪水源利用效率 可行性

4-1設置雲彰地區地下水補注設施

5-5加速研究利用農業回歸水技術，增加區域可利用水量

5-3推動水交換之市場機制，藉由水資源有價化，達成節約用水之目的

6-1以二年為期，重新清查雲彰地區地下水井申請納管（依用途別、井深、抽水量分別調 查）

5-4加強灌溉管理並設置埤塘設施，以增加可利用餘水量

5-2評估擴大農田水利會灌區及於非灌區，統籌雲、彰地區灌溉用水之利用可行性

7-3沈陷量分析 7-2持續監測

7-1二年內完成雲彰地區各標的用水總清查

6-2民生、工業水井於自來水系統建置以前，新增水井即查即封，既有水井分類處理 減抽地下水

增供地面水

加強管理

經濟部 經濟部

農委會

經濟部 農委會 農委會 農委會 農委會 農委會

農委會 農委會 農委會 農委會

經濟部 經濟部

農委會 經濟部 農委會 農委會 經濟部 經濟部 經濟部

經濟部

下陷地區土地 復育利用

短期措施

立即辦理

中長程措 施

立即辦理

立即辦理

短期措施

中長程措 施

中長程措 施 中長程措

施

立即辦理

短期措施

立即辦理

立即辦理 短期措施

立即辦理

中長程措 施

立即辦理 立即辦理

持續辦理 持續辦理

4.已嚴重地層 下陷地區面臨 高鐵行車安全 及土地復育問 題。

期程

立即辦理

短期措施

中長程措 施

持續辦理

1-2年 3-10年

地下水環 境復育

立即辦理

中長程措 施

立即辦理

1-6封停台糖公司彰雲地區合法水井 經濟部 ^中長程措_施

2-5畜牧節水計畫 農委會 ^短期措施

9-1下陷地區國土重新規劃整合

9-2高鐵等交通設施安全維護（含安全荷載管理）

農委會 國土規劃及設施維持

(安全荷載管理) ^{9-3排水環境改善}

9-4引進「水田即水庫」之概念，減緩水患，增加地表伏流水

經濟部 交通部

內政部 ^中長程措_施

持續辦理

立即辦理

中長程措 施

法令修訂 ^{8-1檢討修訂水利法}

8-2檢討修訂農田水利會組織通則

經濟部

立即辦理 立即辦理

農委會

減抽 3.3億噸

優先處置 深層水井

重塑安全 環境 減抽 1.2億噸

補注 1.5億噸

增加可用 水源每年

2億噸

監控成效 滾動檢討 法源依據

修訂

4-2規劃高灘地地下水補注池

國土規劃

經濟部 ^中長程措_施

圖 1-1 雲彰地區地層下陷具體解決方案暨行動計畫策略主軸

持 續

下 陷 地

區

已 下 陷 地 區

（資料來源：雲彰地區地層下陷具體解決方案暨行動計畫，2011）

4

第二節 文獻回顧

本研究文獻回顧主要分為地下水系統辨識及地下水數值模式兩部分，茲分述 如下：

（一） 地下水系統辨識

江崇榮等（2006）與徐年盛等（2009）分別利用濁水溪沖積扇全區與分區第 一含水層之地下水歷線進行分析，其研究將抽水率分為全年穩定抽水率以及穩定 加上水稻灌溉抽水率，由兩種抽水率可估算出全年之穩定抽水量和一、二期稻作 之抽水量，接著利用全年穩定抽水率估算全年降雨時期之補注量，流失量則由地 下水平衡方程式來反推。

江崇榮等（2005）及徐年盛等（2009）利用地下水流線及氧同位素之組成分 布來估算濁水溪沖積扇地下水各補注源之比例；江崇榮等（2005）估算得知扇頂 之補注量約佔全區之 56.9%，其中河床滲漏補注約佔總量之 34.0%，降雨入滲補注 約佔總量之 22.9%；徐年盛等（2009）研究結果則顯示區內補注佔總量之 60.2%，

而區外補注則佔總量之 39.79%。

徐年盛等（2012）應用地下水歷線及同位素分析法，配合降雨歷線與歷史灌 溉抽水變化，估算濁水溪沖積扇多類灌溉型式下地下水系統多類抽水量與補注量 隨時間之分佈，結果顯示濁水溪沖積扇地下水系統從 2004 至 2009 年全區年平均 蓄水變化量為 0.84 億噸，年平均抽水量為 22.28 億噸，年平均淨補注量為 23.11 億 噸。

（二） 地下水流數值模式之研究

國內外有許多運用 MODFLOW 軟體模擬與評估地下水流的相關研究實例，探 討目標選定後設計出合理的概念模式來進行模擬，其分析結果可為後續地下水資

5

源管理者規劃之依據。在台灣利用 MODFLOW 模擬地下水流的案例不勝枚舉，茲 將過去以「濁水溪沖積扇」為主要標的之研究整理如下：

林君怡等（1996）以 Processing MODFLOW 來模擬濁水溪沖積扇，模式將濁 水溪沖積扇分為 7 層之概念地下分層（4 個含水層、3 個阻水層）；研究範圍略大 於傳統上定義之濁水溪沖積扇範圍，北起烏溪，東以八卦山脈及斗六丘陵為界，

南至嘉義縣朴子溪，西止台灣海峽；邊界條件設定北邊、東側及南邊成一零流邊 界，西部海洋於第 1、2 地下分層構成一定水頭邊界，其他幾層則為零流邊界；抽 水量依前人現地調查資料給定各鄉鎮總抽水量；灌溉入滲補注量方面，蒐集研究 區域內各鄉鎮農作物種植面積，假設其入滲率為 0.1 至 0.3 不等，得各鄉鎮之灌溉 入滲量，並視各鄉鎮為一系列灌溉入滲均勻區；降雨入滲補注方面，假設其入滲 率為 0.1 至 0.3 不等。

林再興、林崇亮（2001）以 Visual MOFLOW 來模擬濁水溪沖積扇，模式概念 分層、研究範圍及邊界條件設定大致與林君怡等（1996）相同，唯石榴和二水間 設定為定水頭邊界；抽水量依前人現地調查資料給定各鄉鎮總抽水量；灌溉入滲 及降雨入滲補注量方面，與林君怡等（1996）相同。

台灣省政府水利處（1998）利用 MODFLOW 地下水流模式推算濁水溪沖積扇 地下水補注量，其模擬區域東側八卦山台地及斗六丘陵定為零流邊界，南側沿北 港溪定為零流邊界，西側沿海向外海延伸 15 公里設定為零水位固定水頭，東側二 水隘口定為變動水頭邊界，其水頭依附近觀測站之水位資料以 Kriging 法內插出邊 界水位。數值模擬過程中所調整的參數為抽水量、補注量、水力傳導係數、儲水 係數及垂向滲漏係數，其中抽水量與補注量依據實際現況抽水型態及土地使用為 參考，水力傳導係數、儲水係數及垂向滲漏係數等水文地質參數則參考現場實測 的水文地質參數設定之。

經濟部水利署（2007）以美國地質調查所（USGS）發展之 MODFLOW 程式

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為主體、EMS-I 公司發展之 GMS 為介面，建構濁水溪沖積扇地下水模式，進行濁 水溪沖積扇地下水相關的分析評估工作。模式概念分層為 5 層含水層結構；邊界 條件於沿海地區往外海延伸 10 公里設定為零水位定水頭邊界，於二水隘口處依平 均地下水位觀測資料設定為定水頭邊界；地下水抽水量分佈係依據各標的實際抽 水井位置設定，以各鄉鎮為單元；降雨補注量方面，依據不同土地利用給定不同 降雨入滲率，同時配合徐昇網分區給定降雨觀測資料；灌溉補注方面，假定旱田 灌溉補注為零，水田灌溉補注採用研究區域之灌溉期距、水田面積與水田入滲率 三者之乘積計之。

緃觀前人於濁水溪沖積扇之 MODFLOW 研究模式，在補注量設定方面多為配 合土地使用型態給定降雨補注與灌溉補注之入滲係數，且假設區域內為均勻入滲，

於細部設定方面仍有許多改良與發展空間。因此，本研究模式發展重點係針對補 注量分配方式詳加探討。

第三節 研究目的

本研究之目的即在建立濁水溪沖積扇補注量與抽水量之空間分布模式，以建 立率定良好之地下水流數值模式。

由前人研究發現建構的 MODFLOW 模式，於補注量設定部分仍有許多改良與 發展空間，因此本研究以濁水溪沖積扇為主要研究範圍，蒐集濁水溪沖積扇現地 資料，進行地下水平衡分析，結合水平衡分析結果與 MODFLOW 模式，建立濁水 溪沖積扇地下水流數值模式，並且詳細考慮補注量時間與空間之分配方式，最後 完成模式率定工作，以供後續進行情境模擬，探討各種情境下對附近地下水環境 的影響，提供地下水資源有效之評估。

7

第四節 研究流程

本研究以濁水溪沖積扇地區為研究範圍。首先利用地下水平衡分析法，探討 濁水溪沖積扇區域之月計補注量與抽水量結果。接著針對收集之現地基本資料與 利用上述補注量、抽水量計算結果，對於補注量、抽水量設定進行合理之分配，

進行濁水溪沖積扇地下水流數值模式之建構。最後，比較地下水流數值模式模擬 水位與實際觀測水位，進行模式率定，使得模式計算水位落在一定的誤差範圍內，

增加模式之正確性。

茲將主要工作項目略述如下：

（一） 收集濁水溪沖積扇範圍內之基本資料，其中包括：水文資料、地文資料、

土壤質地、各耕作制度之位置範圍、灌溉引水記錄與抽水井基本資料（包含 抽水井位置、抽水量）等。

（二） 分區地下水平衡分析：以地下水平衡理論為基礎，針對濁水溪沖積扇進 行水平衡分析，估算補注量與抽水量；再針對濁水溪沖積扇各地下水分區，

進行水平衡分析，獲得各分區補注量分配比例，供未來建立地下水流數值模 式時補注量及抽水量設定之用。

（三） 地下水流數值模式之建立：依據收集之濁水溪沖積扇現地資料與地下水 平衡分析結果，利用 MODFLOW 建立濁水溪沖積扇地下水流數值模式，並且 進行該地下水流數值模式之率定，完成地下水流數值模式之建立。

研究流程如圖 1-2 所示。

8 研究區域

資料收集

地下水系統辨識

濁水溪沖積扇地下水流數 值模式架構

· 邊界辨識

· 分層概念

· 地下水平衡分析

· 水文地質

· 含水層地質

· 土壤質地

· 河床質地

· 地下水觀測水位

· 人為抽水行為紀錄

· 農業引水紀錄

· 作物制度

· 田區空間位置

模式率定 是 否

· 水文地質參數空間分布

· 補注量與抽水量空間分布

率定完成

圖 1-2 研究流程圖

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第 二 章 濁水溪沖積扇概述

濁水溪沖積扇位於台灣西海岸中部，北起烏溪，南至朴子溪，東以八卦山台 地及斗六丘陵為界，西止於台灣海峽，面積約 2,562 平方公里。濁水溪沖積扇涵蓋 彰化縣、雲林縣及嘉義縣三個行政區，彰化縣 26 個鄉鎮市皆位於沖積扇範圍內；

雲林縣包括 20 個鄉鎮市，其中古坑鄉東半部未納入沖積扇範圍內；嘉義縣僅東石 鄉、六腳鄉、新港鄉、大林鎮部分區域與溪口鄉全鄉等 5 個鄉鎮位於沖積扇範圍 內。濁水溪沖積扇範圍如圖 2-1 所示。濁水溪沖積扇之區域地質、水文地層、河川 水文、氣象條件、耕作制度、水井調查等細說如次：

圖 2-1 濁水溪沖積扇範圍

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第一節 區域地質

濁水溪沖積扇之地質概況如圖 2-2 所示，由圖上可知，濁水溪沖積扇主要為現 代沖積層，其沉積物屬於未固結，由黏土、粉砂、砂和礫石組成。其下部為頭嵙 山層，沖積扇東部主要地質構造主要有彰化斷層、桐樹湖斷層、八卦山背斜、內 林背斜與現代沖積層。（經濟部水利署，2007）各項地質概況分別說明如下：

（一） 彰化斷層

彰化斷層向北延伸連接后里台地西緣之大甲斷層，向南延伸至八卦台地西緣，

且總長約為 30 公里，八卦台地西緣所見的直線狀山麓線、三角切面（Triangular facet）、斷側丘（Kernbut）和斷側窪（Kerncol）等地形，推測其可能有南北走向 的逆衝斷層存在。一般在敘述近期發生且上盤形成八卦山背斜的逆衝斷層，皆稱 之為彰化斷層。

（二） 桐樹湖斷層

桐樹湖斷層位於斗六丘陵西緣，其潛伏於沖積平原之下，其露頭部分為沖積 層所覆蓋，於野外無法察見其斷層跡象，依據中油公司坪頂一號井與梅林一號井 之鑽探結果，其中坪頂一號井於 2,100 公尺深處鑽遇本斷層，而梅林一號井於 2,483 公尺深處鑽遇本斷層。由此等資料推斷，其斷層傾角約 30 度左右，為一低角度之 逆斷層。

（三） 八卦山斷層

根據相關文獻之調查結果，八卦台地呈現東斜面坡度較緩之非對稱性開放型 背斜，背斜軸呈北北西或南北走向，大致沿 139 公路西側往南南東延伸。岩層走 向約略與等高線的延伸方向一致，岩層傾角朝向西南（背斜西翼）或東南（背斜

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東翼），西翼岩層傾角小於 20 度，略大於東翼岩層平均 10 度以下的傾角，背斜 地形坡度略陡於岩層傾角。且北段多以砂層為主，較低層位有泥層出露，較高層 位則漸有礫石出現；山脈中南段礫石層漸厚，全區呈現向上變粗之岩層層序。

（四） 內林背斜

內林背斜位於斗六丘陵西緣，背斜軸由草崙附近以南北走向向南延伸，至檨 坑山附近轉折呈北 30 度東方向，向西南延伸，於大埔北方 500 公尺左右為內磅斷 層截失。本背斜向東北方向傾沒，傾沒角約為 10~15 度。本背斜構造之地面高區 在圳頭坑附近，出露最老地層為卓蘭層。本背斜呈不對稱褶皺。西翼較陡，傾角 約 50～80 度。東翼較緩，傾角約 10～40 度。

（五） 現代沖積層

濁水溪沖積扇廣泛分布於彰化與雲林地區之平原地區，沖積層主要由河川泛 濫推積、現代湖相、沼澤相的沉積物也包含海岸砂丘等綜合沉積物，其成份以黏 土、粉砂、砂和礫石組成。

（六） 頭嵙山層

頭嵙山層主要因豐原東方之頭嵙山而得名，其代表年代大約在更新世的初期，

距今約 80～200 萬年，廣泛地分布於臺灣西部山麓地帶。其主要岩相有二，一為 礫岩相，另一為砂岩和頁岩相。八卦台地以北出露之頭嵙山層主以砂岩和泥岩為 主。八卦台地與斗六丘陵出露的頭嵙山層則多屬礫岩相，層理不明顯。礫石的種 類以石英岩、變質砂岩、砂岩為主，且多有破裂之情形。礫石形狀為圓形至次圓 形，淘選度欠佳。

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圖 2-2 濁水溪沖積扇區域地質圖

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第二節 水文地質

濁水溪沖積扇地下水區兼具沖積扇及三角洲環境特性，沉積物主要來自上游 濁水溪集水區，在地層沉積過程中，歷經四次海進與四次海退，陸相及海相地層 由於海岸線變遷而呈犬牙交錯沉積。陸相沉積環境包括礫石質辮狀河、砂質辮狀 河及區流等環境，沉積物通常屬於礫石、粗中砂或細砂，大致歸類為含水層；海 相沉積環境則包括沿岸沼澤、濱岸至淺海等環境，沉積物通常屬於細顆粒的粘土、

泥或粉沙，大致可歸類為阻水層。因此，海進海退循環的過程，形成阻水層─含 水層之機制，此為濁水溪沖積扇含水層的主要結構基礎。

中央地質調查所（1999）依據濁水溪沖積扇地形、地質及地層材料狀況，將 其分為扇頂、扇央以及扇尾三區，員林、溪州、西螺、虎溪、溫厝聯線以東為扇 頂區，以西至好修、趙甲、潭墘、田洋、北港聯線為扇央區，扇尾區為扇央區以 西至沿海處，如圖 2-3 所示，圖中虛線為三區之分隔線。扇頂區各含水層間無明顯 之阻水層存在，為濁水溪沖積扇主要之地下水補注區，河水、降雨及灌溉水等地 面水源可直接入滲補注至深層地下水，並流入下游的含水層；扇央區各含水層間 有明顯之阻水層存在，雨水與地面水僅能入滲補注第一含水層，無法直接補注更 深層之含水層，地層材料以砂礫材料所佔之比例較大；扇尾區存在明顯的阻水層，

地層材料以粉砂、泥、及粘土所佔之比例較大，而砂礫材料所佔之比例較小。

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圖 2-3 濁水溪沖積扇扇頂、扇央、扇尾分區圖

第三節 河川水文

濁水溪沖積扇內主要有三個地面水系，由北至南分別為烏溪、濁水溪與北港 溪，以下就濁水溪沖積扇範圍內主要地面水水系之流域地形特徵及其概況進行說 明：

（一） 烏溪流域

烏溪源於中央山脈合歡山西麓，下游河段因流經臺中市大肚區，舊稱大肚溪，

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支流包括大里溪水系、貓羅溪與眉溪。烏溪為臺中市與彰化縣之界河，流域包含 南投縣埔里鎮、國姓鄉、草屯鎮，臺中市霧峰區、烏日區、大肚區、龍井區，與 彰化縣伸港鄉、和美鎮、彰化市、芬園鄉等鄉鎮，烏溪主流和支流交匯處，形成 多個沖積扇，在台中地區中的辮狀流路在北邊形成豐原沖積扇，東邊有山麓聯合 沖積扇，南有烏溪沖積扇和貓羅溪沖積扇，流域面積 2,025 平方公里，居全台第四，

主流長度 119.1 公里，居全台第六，平均坡度 1:92，年逕流量 37.27 億立方公尺，

河床為礫石與砂，且在中游大肚鄉之地表岩性為礫石，透水性佳。

（二） 濁水溪流域

濁水溪源於合歡山主峰與東峰間，由於其溪水夾帶大量之泥沙，以致其溪水 長年渾濁而得名，主要支流有萬大溪、丹大溪、陳有蘭溪、清水溪。濁水溪主流 上游名為霧社溪，流至春陽東納塔羅灣溪，續流至萬大和萬大溪匯流後，始稱濁 水溪。在神龍橋附近與陳有蘭溪匯流，經集集攔河堰，在二水鼻仔頭、林內觸口 流出八卦台地與觸口台地之間山口，經濁水溪沖積平原，在雲林縣麥寮鄉墘厝流 入台灣海峽。昔日濁水溪經常河流改道，北流至鹿港，南流至北港，形成濁水溪 的氾濫平原。現今主流河幅廣達 2 至 4 公里，流域面積 3,156 平方公里，主流長度 186.6 公里，是台灣最長的河川，為雲林縣重要農業灌溉水源之一。平均坡度 1:190，

年逕流量 60.95 億立方公尺，河床為礫石與砂，下游河床多粉土及黏土。

（三） 北港溪流域

北港溪為台灣西部平主要河川之一，在阿里山西麓丘陵地帶林內鄉七星嶺發 源，它的上游是虎尾溪，從虎尾平和厝以下稱為北港溪，是雲嘉平原的灌溉河川，

孕育作物有稻米、花生、糖和黃麻，最後在雲林縣口湖鄉出海，流域面積 645 平 方公里，主流長度 82 公里，平均坡度 1:59，年逕流量 6.62 億立方公尺，北港溪為 蜿蜒型河川，河床質屬於砂質、礫石質河床。

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第四節 氣象條件

濁水溪沖積扇各區之地面水文及入滲的特性皆不一致，降雨量之空間分布與 多寡會影響入滲的特性，也會對地表逕流造成顯著的變化，大體而言，降雨量由 沿海至內陸逐漸增加，而在時間之分布上，每年 5 月至 10 月為降雨較多之月份，

11 月至翌年 4 月為降雨較少之月份；年降雨量在空間分佈上大致呈由西向東增加、

山區多於平地之趨勢。豐水期雨量佔全年雨量的 85%，枯水期雨量佔全年約 15%

左右。（經濟部水利署，2011）

風速方面在下游濱海地區其平均風速約為 5-6m/sec，而在中游則只有 1.2m/sec，

降水量則明顯的由中游集集之年降水量 2,100 mm 遞減至下游鹿港、後安寮之 1,000 mm 左右。（經濟部水利署，2007）

依據經濟部水利署蒸發量測站之觀測資料，濁水溪流域及沖積扇內設有青雲、

阿里山、玉山、日月潭、魚池、蓮華池、竹山、和社、內茅埔、溪頭、清水溝、

水里等，共計 12 個蒸發量測站。分析歷年之蒸發量觀測資料，其年平均蒸發量為 1,740mm，以 1、2 月份之蒸發量最大。（經濟部水利署，2011）

第五節 耕作制度

台灣地區位處亞熱帶，農業生產環境有其特殊性，作物栽培種類繁多，但台 灣地區因為降雨時空分配不均勻，可供使用之水資源並不充裕，部份地區水源不 足，僅能參酌水源水量事先定灌溉計畫。該種情況，在無水庫調節之濁水溪沖積 扇區域尤其明顯，因此形成了特有之作物栽培制度及耕作方式。台灣各農田水利 會之耕作制度各有不同，一般係以水稻為主要灌溉對象，再配合作物輪作制度。

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濁水溪沖積扇現行之耕作制度可分為六種：單期作、雙期作、二年一作、三年一 作、三年二作與蔗作，耕作制度之耕作方式說明如表 2-1 所示，作物制度空間分佈 如圖 2-4 所示。

表 2-1 耕作制度之耕作方式

耕作制度 說明

單期作 年種植水稻一作。

雙期作 年種植第一期及第二期水稻各一作。

二年一作 每二年輪期內，供給第二期水稻一作、甘蔗一作及雜作一作之灌 溉。

三年一作 每年分別由一輪區種植一期水稻，每一輪區於三年內種植一期水 稻其餘時間種植旱作。

三年二作 每年分別由兩一輪區種植一期水稻，每一輪區於三年內種植兩期 水稻其餘時間種植旱作。

蔗作 整年種植甘蔗。

圖 2-4 濁水溪沖積扇作物制度空間分佈

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第六節 水井資料

彙整濁水溪沖積扇歷年來各用水單位提供之水井資料與水井清查資料，說明 如下：

（一） 各用水單位水井資料

1. 自來水公司

彰化、雲林地區早年無地面蓄水設施，故本區自來水公司主要抽取地下水使 用，目前彰化地區計有 158 口井，雲林地區計有 187 口井，合計 345 口井，其分 佈位置如圖 2-5 所示。

2. 農田水利會

彰化農田水利會之地下水井主要係供應地表灌渠無法供給之區域，因此地下 水井供水系統多與地表灌渠之供水系統獨立，計有水井 48 口；而雲林水利會地表 灌溉水源較缺乏，因此地下水之取用較彰化水利會多，目前雲林水利會約有 533 口之抽水井配合各圳路聯合操作，其範圍遍佈整個雲林縣與部分嘉義地區，分佈 位置如圖 2-5 所示。

3. 台糖公司

彰化與雲林地區早年為台灣糖業的生產重鎮，台糖公司為滿足甘蔗灌溉需求，

除水利會灌區內使用水利會地面水源外，水利會灌區外大多採行自行鑿井取水方 式取得灌溉水源。彰化地區台糖公司之水井計有 55 口，雲林地區計有水井 100 口，

共計 155 口抽水井（水利署，2007）。

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圖 2-5 濁水溪沖積扇彰雲農田水利會與自來水公司水井分佈概況

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（二） 水井清查資料

歷來共有嘉義農業專科學校、雲林縣政府、彰化農田水利會、農業工程研究 中心、雲林科技大學水土資源及防災研究科技中心等單位進行部份與全區之水井 調查工作。由於後續模式抽水量係以雲林科技大學水土資源及防災研究科技中心 之水井調查結果為設定依據，故在此僅介紹該單位之調查成果。

雲林科技大學水土資源及防災科技研究中心與農業工程研究中心（2000-2008）

普查雲林及彰化各鄉鎮之水井分布及用電量紀錄，並利用各抽水機之特性曲線推 估各鄉鎮之年抽水量，結果顯示雲林與彰化地區年總抽水量約為 21.56 億噸，各鄉 鎮市之灌溉、養殖、民生、工業與其他之抽水量整理如表 2-2 所示。

表 2-2 彰化及雲林各鄉鎮地下抽水井普查結果（單位：噸/年）

用水標的

鄉鎮市 ^{灌溉 養殖 民生 工業 其他}

二崙 100,751,328.37 134,579.65 6,228,985.60 123,058.24 6,063,876.48 口湖 10,134,322.96 142,109,034.46 - - 2,141,072.37 土庫 48,256,147.14 1,576,608.43 7,694,209.47 337,180.13 748,484.22 大埤 30,420,454.35 9,770,022.13 429,578.40 146,478.14 1,150,752.93 元長 81,787,417.34 2,850,197.04 3,405,348.78 60,657.94 998,884.62 斗六 34,386,162.50 751,191.81 4,231,906.53 1,396,215.56 5,928,179.28 斗南 23,237,263.75 469,098.60 3,653,719.92 2,042,575.15 5,813,845.73 水林 45,503,598.71 198,492.90 533,436.99 111,262.76 812,591.18 北港 32,928,006.13 - 1,232,710.59 268,559.30 450,725.10 古坑 20,821,097.60 255,719.34 6,348,311.14 3,404,639.13 4,342,891.81 台西 10,105,036.05 8,511,187.42 96,296.93 - 680,132.56 四湖 22,957,037.32 1,290,493.76 357,782.51 - - 西螺 57,159,506.32 191,217.17 1,136,462.68 118,302.84 740,488.05 東勢 31,343,634.20 - 5,631,574.87 403,826.97 5,436,410.33 林內 5,309,814.32 278,736.79 1,225,413.95 - 1,081,345.36 虎尾 72,595,778.86 1,886,734.56 9,652,167.63 470,772.37 1,686,996.24 崙背 59,890,942.33 - 1,540,842.59 72,471.96 2,659,733.56 麥寮 173,513,034.12 134,155,462.06 45,226,959.93 15,082,840.19 34,033,375.29 莿桐 20,657,589.17 169,164.86 6,098,385.38 2,130,498.34 1,060,825.89

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用水標的

鄉鎮市 ^{灌溉 養殖 民生 工業 其他}

褒忠 30,519,045.35 539,424.93 4,757,674.56 695,512.27 6,388,787.69 二水 606,536.72 - 40,624.57 - 101,334.20 二林 26,430,966.34 1,228,559.76 31,114.39 11,966.85 598,188.67 大村 5,943,926.88 50,641.38 9,189.73 - - 大城 22,857,374.13 3,264,996.32 1,862,466.09 3,305,100.75 17,549,537.91 北斗 33,527,637.10 8,813.77 2,957,103.29 2,341,269.97 1,053,915.57 永靖 26,615,322.69 231,194.36 248,135.46 69,755.90 6,634,487.86 田中 19,201,950.40 280,484.12 8,099,336.37 5,952,722.66 26,475.34 田尾 34,279,399.47 16,447.48 1,082,965.20 - 28,433.50 竹塘 36,608,265.77 1,491,699.55 1,295,293.23 445,374.66 6,209,673.74 伸港 10,917,106.13 2,143,683.43 1,526,185.39 447,404.89 - 秀水 10,160,758.61 111,963.36 33,504.07 - 17,396.79 和美 10,837,087.91 27,609.19 1,292,141.65 2,111,264.31 439,588.59 社頭 14,272,946.05 199,606.81 7,403,103.97 3,593,148.72 85,838.77 芬園 2,424,642.76 112,491.93 316,800.05 102,662.15 - 花壇 2,876,400.82 78,238.91 861,613.48 1,152,955.80 3,394.01 芳苑 48,384,064.63 13,483,356.74 6,077,572.80 2,634,002.49 4,221,789.97 員林 16,296,421.84 11,211.60 12,815,161.96 9,193,583.49 82,832.16 埔心 10,639,292.37 47,763.81 304,839.38 598,859.72 141,332.74 埔鹽 18,095,649.77 307,948.65 2,797.90 20,040.23 71,326.52 埤頭 49,503,853.98 475,251.65 2,291,462.45 853,952.89 1,264,017.39 鹿港 25,269,205.25 4,040,538.76 968,923.48 42,412.83 30,694.12 溪州 35,721,329.70 61,399.48 7,955,243.11 975,103.62 399,720.60 溪湖 57,723,609.82 59,400.38 11,962,682.19 6,076,507.24 876,452.85 彰化市 2,461,723.75 60,382.30 - 7,968.00 45,996.67 福興 10,962,949.88 396,884.61 - 682.41 649,696.85 線西 6,950,719.12 240,448.03 2,093,301.01 2,187.67 - 加總 1,451,846,358.79 333,568,382.29 181,013,329.71 66,803,778.57 122,751,523.51

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第 三 章 濁水溪沖積扇地下水系統辨識

建立濁水溪沖積扇地下水流數值模式前需先進行地下水系統辨識，包括含水 層概念分層、研究區域合理邊界條件之給定及地下水系統流入與流出等水文量之 估算，以利後續數值模式之建立。

第一節 含水層概念分層辨識

中央地質調查所（1999）依岩性進行地層對比，而得到濁水溪沖積扇水文地 質分層架構，茲將各含水層及阻水層之岩性變化敘述如下：

（一） 含水層一

含水層一位在濁水溪沖積扇地區水文地質系統之最表層，分布範圍涵蓋全區，

分布厚度自 19 至 103 公尺不等，平均厚度約 42 公尺。本層於沖積扇扇頂附近以 礫石層和粗砂層為主，厚度亦較大；扇央及扇尾之岩性漸次相變為細砂層和泥層；

表面及內部常有延展性良好之厚泥層分布，造成地下水層中局部產生受壓或分段 之現象。儲水係數 S（Storage coefficient）或比出水率（Specific yield）在扇頂非拘 限含水層部分在 0.137 至 0.237 之間，其他拘限含水層區則在 10^-4至 10^-3之間；水 力傳導係數 K（Hydraulic conductivity），在自由含水層處約為 1.51 至 151.98m/day 之間，在受壓含水層則為 0.08 至 70.27m/day 之間。

（二） 阻水層一

阻水層一位於含水層一之下，廣泛分布於沖積扇扇央及扇尾地區，西側延伸 入海，東側於離彰雲大橋十數公里處漸滅；最大厚度約 39 公尺，平均厚度為 14 公尺。本層主要由黏土、泥或粉砂層組成之泥層，局部夾細砂層及少數粗砂層。

23

（三） 含水層二

含水層二分布範圍遍布全區，深度約介於地表下 35 至 217 公尺之間，厚度從 76 至 145 公尺不等，平均厚度約為 95 公尺，為各含水層中厚度最大者。本層在濁 水溪沖積扇扇頂附近以礫石和粗砂層為主，與含水層一之間並無明顯之阻水層分 隔；扇央及扇尾地區土壤粒徑變細，但仍有粗砂或礫石層存在，顯示本層在蓄水 及供水上之重要性。此外，部分地區夾有二至三層延展範圍大之泥層，此類泥層 對含水層有局部分割作用。S 約為 10^-5至 10^-3之間，K 則約為 0.53 至 106.94m/day 之間。

（四） 阻水層二

阻水層二位於含水層二之下，廣泛分布於沖積扇扇央及扇尾地區，西側延伸 入海，主要為泥層夾細砂層，局部則夾有粗砂層，最大厚度約為 46 公尺，平均厚 度則約為 23 公尺。

（五） 含水層三

含水層三分布範圍涵蓋全區，規模略小於含水層二，深度約在 140 至 275 公 尺之間，厚度約在 42 至 122 公尺之間，變異頗大，係因為濁水溪以北地區之含水 層三遠比南側發達所致，全區平均厚度約 86 公尺。S 約為 5.5610^-5至 1.0710^-3 之間，K 則約為 0.64 至 75.52m/day 之間。

（六） 阻水層三

阻水層三在濁水溪以北的區域，厚度與分布範圍皆小；在濁水溪以南的地區 較發達且完整，對含水層形成有效的分隔作用。阻水層三多由泥層夾細砂層所組 成，最大厚度約 28 公尺，平均厚度則約為 11 公尺；深度介於 238 至 293 公尺不 等，平均深度約為 271 公尺。

24

（七） 含水層四

含水層四位於阻水層三以下，其平均深度大於 271 公尺，全區只有 14 口井超 過此一深度，其中 9 口貫穿本層，5 口則未達本層底部，因而難以此少量資料對含 水層四及其下之阻水層四做明確之描述。基本上扇頂附近仍以礫石層及粗砂層為 主，往扇央及扇尾則漸次以細砂為主。分布深度約介於 238 至 313 公尺間，厚度 介於 6 至 51 公尺間，平均厚度約 24 公尺，為各含水層中厚度最小者。S 約為 5.50

10^-5至 3.4010^-3之間，K 約為 0.59 至 46.79m/day 之間。

第二節 含水層邊界辨識

濁水溪沖積扇扇頂附近由厚礫石層組成，各地下水層互相連通，為各層之共 同補注區，等水位線與地下水流線顯示了地下水主要源於此共同補注區，同時也 顯示了平原降雨及山區流下之河水和伏流水透過東側扇頂補注至地下水層中，據 此確定了扇頂為本區地下水主要補注區域。

八卦山台地地區主要為頭嵙山層及台地堆積，為一背斜構造，由於八卦山台 地地質年代較現代沖積扇地層為老，其黏土層有可能因為褶曲深入地表以下，而 阻斷八卦山以東的地下水向西流動的通道。在斗六丘陵林子頭溪以北地區地下水 可由斗六丘陵東側直接補注，林子頭溪以南地區地下水則被泥岩及頁岩所阻擋，

因而使得八卦山台地及斗六丘陵形成濁水溪沖積扇含水層的東部邊界。

基本上各含水層向西延展入海域後，均逐漸尖滅而封閉於阻水層中，理論上 海水雖可透過阻水層補注進入地下水系統，然而大部分之溶鹽則被阻隔尚未進入 含水層中（中央地質調查所，1999）。

25

第三節 系統水收支辨識

地下水平衡分析係了解地下水系統之重要步驟，傳統上地下水平衡分析為依 據定性分析所得之流域水文循環概念模式，收集所有集水區內可得的水文量觀測 資料，並以質量守恆原理評估各個水文量的多寡。地下水蓄水量減少的原因為抽 水和流失、地下水蓄水量增加的原因為補注，由於缺乏完整且合理之實際抽水記 錄，且地下水淨補注量也難以測得，若依經驗公式或統計模式推估淨補注量，可 能造成推估結果誤差太大，致使整個地下水平衡之估算合理性降低。因此，本研 究採用江崇榮等（2006）在研究濁水溪沖積扇地下水收支平衡時，所建立之地下 水歷線分析法進行水平衡分析。

另外，為了更進一步掌握濁水溪沖積扇補注量之分配，本研究參考江崇榮等

（2005）濁水溪沖積扇地下水系統分區之劃分，將濁水溪地下水系統劃為濁水溪 分區、北港溪分區、員林花壇分區及烏溪分區等四個分區，針對四分區進行水平 衡分析，得到各區之補注比例。

本節首先針對地下水歷線法之基本原理進行介紹，接著描述濁水溪沖積扇應 用地下水歷線法之分析結果。

（一） 地下水歷線分析方法

地下水歷線分析法之優點在於所有分析工作，均以觀測之地下水位和實驗所 得之儲水係數(Storage coefficient，S)或比出水率(Specific yield，S_y)為基礎，將假 設減至最低；且採用日地下水位的紀錄，可掌握各降雨事件所造成之補注量。以 下介紹地下水相對蓄水量歷線分析方法的基本原理操作步驟，地下水歷線分析方 法示意如圖 3-1，圖中 L 為乾季退水線，其斜率為年平均穩定抽水率S_L；總補注 量Q_r；地面水補注量Q_surf 。

26

年 雨 量

(

)

時間(日) 地下

水 蓄 水 量 (Qs)

全年穩定 抽水率S^L

總 補 注 量 Qr 地

面 水 補 注 量 Qsurf

L

區外地下水 補注量

抽 水 量

抽 水 量

圖 3-1 地下水歷線分析方法示意圖

1. 將各地下水觀測站的日水位，乘上控制面積與對應之貯水係數或比出水率，

加總得地下水日相對蓄水量，並繪製一年的地下水蓄水量歷線圖。另外，將 每年最後一天的蓄水量減去同年第一天的蓄水量，即得每年的蓄水變化量

Qs。

2. 每年乾季因為抽取地下水，造成地下水位呈直線下降，稱為乾季退水線，其 斜率表示全年穩定抽水率S ，將_L S 乘以時段長（365 或 366 日）可以得到年_L 抽水量

Q

3. 雨季降雨，雨水透過入滲補注地下水，而河水亦由河床入滲補注地下水，使 得地下水位上升。日蓄水變化量若小於穩定抽水率，補注量即為兩者差值，

若日蓄水變化量大於穩定抽水率即無補注水量，最後累積一年的補注量為總 補注量Q 。若當日有降雨，即視為該補注量為地面水補注量；若無降雨，則_r

27

該補注量為區外地下水補注量。累積一年的地面水補注量為Q_surf，區外地下 水補注量為Q_GW。

surf GW r

Q Q Q (3.1)

4. 雨季高峰期，地下水位可能高於河川水位，造成地下水向河川流失或從地表 蒸發，是為流失量Q_l。抽水量、補注量、流失量與地下水蓄水變化量需滿足 質量守恆式(3.2)，經由式(3.2)計算可得流失量Q_l。

r p s l

Q Q Q Q (3.2)

（二） 水平衡分析結果

前節所介紹之地下水歷線分析法於實際案例應用時，由於各區域的地理環境、

地質構造及產業用水型態皆不相同，導致其方法需因地制宜而有所調整。濁水溪 沖積扇區域作物耕種制度複雜，範圍內有多類灌溉型態，考量多類作物之灌溉水 入滲及邊界地下水流入對於地下水系統之補注影響；為了更進一步掌握研究範圍 內補注量之空間分佈情形，本研究針對濁水溪沖積扇進行分區水平衡計算，因此 本研究採用徐年盛等（2012）所建立之方法，進行分區水平衡分析，以決定各分 區之補注量分配比例。分區範圍係江崇榮等（2005）利用地下水流線及地下水氧 同位素分布所劃分，其將濁水溪沖積扇地下水流系統劃為四個分區，分區 A 為濁 水溪分區、分區 B 為北港溪分區、分區 C 為員林花壇分區、分區 D 為烏溪分區，

分區範圍如圖 3-2 所示。

應用徐年盛等（2012）研究對四分區進行地下水平衡分析時，假設各分區間 無水量之交換，彼此之間是相互獨立的。總結水平衡分析結果，西元 2005 年至 2009 年期間濁水溪沖積扇抽水量平均為 22.46 億噸，補注量平均為 22.81 億噸，詳細如 表 3-1 所示；其四分區補注比例為分區 A 佔 46.7%、分區 B 佔 43.6%、分區 C 佔

28

5.1%、分區 D 佔 4.6%。配合分區補注比例將徐年盛等（2012）之全區補注量分配 至各區，為地下水數值模式補注量設定值，研究年限（2005-2009）各分區之補注 量如表 3-2 所示。由前人研究，可知濁水溪沖積扇區域之河床補注經由濁水溪上游 河槽大量入滲補注，因此河床補注量不依據分區水平衡分析結果做分配。

圖 3-2 濁水溪沖積扇地下水流系統分區範圍

29

表 3-1 研究年限抽水量與補注量估算結果（單位：億噸）

年份 2005 2006 2007 2008 2009 平均

抽水量 20.77 22.08 21.7 22.2 25.54 22.46

補注量 24.87 21.47 23.39 23.32 20.98 22.81

（徐年盛等，2012）

表 3-2 研究年限各分區之補注量（單位：億噸/年）

雨水 河床 河水引灌 地下水灌溉 邊界地下水

補注量 補注量 補注量 補注量 補注量

全區 8.68 3.69 3.01 1.92 7.57

A 4.05 - 1.41 0.90 3.54

B 3.78 - 1.31 0.84 3.30

C 0.44 - 0.15 0.10 0.39

D 0.40 - 0.14 0.09 0.35

全區 7.71 2.97 3.16 0.42 7.22

A 3.60 - 1.48 0.20 3.37

B 3.36 - 1.38 0.18 3.15

C 0.39 - 0.16 0.02 0.37

D 0.35 - 0.15 0.02 0.33

全區 9.83 4.01 3.34 1.25 4.96

A 4.59 - 1.56 0.58 2.32

B 4.29 - 1.46 0.55 2.16

C 0.50 - 0.17 0.06 0.25

D 0.45 - 0.15 0.06 0.23

全區 9.79 4.60 2.35 0.93 5.65

A 4.57 - 1.10 0.43 2.64

B 4.27 - 1.02 0.41 2.46

C 0.50 - 0.12 0.05 0.29

D 0.45 - 0.11 0.04 0.26

全區 7.14 3.22 2.85 -0.80 8.57

A 3.33 - 1.33 -0.37 4.00

B 3.11 - 1.24 -0.35 3.74

C 0.36 - 0.15 -0.04 0.44

D 0.33 - 0.13 -0.04 0.39

全區 8.63 3.70 2.94 0.74 6.79

A 4.03 - 1.37 0.35 3.17

B 3.76 - 1.28 0.32 2.96

C 0.44 - 0.15 0.04 0.35

D 0.40 - 0.14 0.03 0.31

年份

2005

2006

平均 2007

2008

2009

分區

30

第 四 章 地下水流數值模式建立

第一節 MODFLOW 地下水流數值模式介紹

MODFLOW 地下水流數值模式係美國地質調查所（USGS）所發展，該模式 採用有限差分法求解地下水流控制方程式，主要用於計算地下水水位，可用處理 複雜的三維地下水問題，此模式可進行穩態（Steady State）與非穩態（Unsteady State）

之設定，並提供四種拘限（Confined）含水層和非拘限（Unconfined）含水層之設 定方式，藉以滿足實際複雜之地質分層情況，MODFLOW 亦提供許多的套件

（Packages），以利於進行抽水、補注、河川等地下水進出情況之模擬。

MODFLOW 在進行有限差分法地下水流流動分析，其模式系統則利用網格表 示，如圖 4-1 所示。其中，列（Row），每一列的間距為c_i；行（Column），每一 行間距為r_j；層（Layer），每層之間距為v_k，並依據達西定律推導出下述之地下 水流控制方程式：

x y z s

h h h h

K K K W S

x x z y z z t

 

                    

            

其中，K_x、K_y、K_z分別為沿著 x 、 y 、

z

h 為水頭[L]，W 為進出單位土壤體積之進出水量[1/T]，S_s為比儲水係數[1/L]，t 為時間[T]。

31

圖 4-1 含水層網格化示意圖

為了容許較大的時間間隔（ t



MODFLOW 依據達西定律與有限差分法所得出的地下水流基本控制方程式：

   

   

   

, 1, , , , 1, , ,

1, , , , 1, , , ,

, , 1 , , , , 1 , ,

, , ,

, 1/ 2, , 1/ 2,

1/ 2, , 1/ 2, ,

, , 1/ 2 , , 1/ 2

, , , ,

i j k i j k i j k i j k

i j k i j k i j k i j k

i j k i j k i j k i j k

i j k i j

m m m m

i j k i j k

m m m m

i j k i j k

m m m m

i j k i j k

m

i j k i j k S

CR h h CR h h

CC h h CC h h

CV h h CV h h

P h Q S

 

 

 

 

 

 

   

   

   

  ^{, , , ,}

,

1

1

i j k i j k

k

m m

j i k

m m

h h

r c v t t





  

    

  

 

(4.2)

其中，CR_{i j,1/2,k}、CR_{i j, 1/2,k}、CC_{i1/2, ,j k}、CC_{i1/2, ,j k}、CV_{i j k, , 1/2}及CV_{i j k, , 1/2}分別 為 Cell(i, j, k)與相鄰六個網格 Cell(i, j-1, k)、Cell(i, j+1, k)、Cell(i-1, j, k)、Cell(i+1, j, k)、Cell(i, j, k-1)及 Cell(i, j, k+1)之間的水力導水率[L²/T]；P_{i j k, ,} 為常數[L²/T]；Q_{i j k, ,} 為地下水流流入 Cell(i, j, k)的流量[L³/T]；t_m為第 m 時段被估計時所代表的時間，

1

tm_ 為t_m的前一個時間；h_{i j k}^m_{, ,} 、h_{i j k}^m_{, ,}^1為網格 Cell(i, j, k)於t_m、t_m1時間所對應的水頭 值。

32

第二節 濁水溪沖積扇地下水流數值模式參數設定

欲使用數值模式模擬濁水溪沖積扇地下水流動，除了需要輸入模擬網格、地 質分層、水平及垂直透水係數、儲水係數或比出水率、初始水頭分佈、邊界條件 等基本資料外，補注量及抽水量亦為模式模擬所需要之輸入資料。本節講述濁水 溪沖積扇地下水流數值模式各項參數之設定，補注量及抽水量之設定則於本章第 三節介紹。

（一） 模式範圍與邊界條件設定

建構數值模式的第一步驟為劃定欲模擬區域之範圍，即先將水平空間範圍確 定。本研究之模式範圍北起烏溪，南至朴子溪，東起八卦山台地與斗六丘陵，西 止台灣海峽。

邊界條件設定如圖 4-2 所示，烏溪至斗六丘陵（圖中 AE 段及 FH 段）設為已 知流量邊界，二水、觸口段（圖中 EF 段）為已知水頭邊界，南側及西側（圖中 AI 及 HI 段）為無流量邊界；其中，已知流量邊界之邊界入流量，依照月地下水平 衡分析中邊界補注結果給定，並依各個含水層平均厚度加以分配。

33 A

B

C

D E F G

H

I

圖 4-2 濁水溪沖積扇地下水流模擬模式邊界條件

（二） 模式網格分割與模式分層設定

本研究模式網格分割如圖 4-3 所示，模式之網格單位為 500 公尺*500 公尺之 正方形，模式範圍內每一層都有 10,335 個網格。

根據中央地質調查所之水文地質分層資料及考慮 MODFLOW 模擬的需要，將 濁水溪沖積扇視為一七層之概念地下分層，即四個含水層與三個阻水層（如圖 4-4 所示），扇頂自由含水層地區延續分層之目的，純粹是為了數值模式計算之需要。

經由概念地下分層後，分層狀況為，第一、三、五、七地下分層分別為水文地質 分層之含水層一、含水層二、含水層三、含水層四；第二、四、六地下分層即水 文地質分層之阻水層一、二、三。濁水溪沖積扇概念性分層各含水層之分層高程 與地質鑽井名稱與座標如表 4-1 所示，F1 表含水層一、F2 表含水層二、F3 表含水 層三、F4 表含水層四。

34

圖 4-3 濁水溪沖積扇地下水流數值模式網格分割圖

含水層一(F1)

含水層二(F2)

含水層三(F3)

含水層四(F4)

阻水層二(T2)

阻水層三(T3)

圖 4-4 模式概念分層示意圖