郭振泰臺灣大學：土木工程學研究所姚俊豪2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50572藻類在水體中的生長、死亡是一個複雜的過程，受到各種自然與人為的因素影響。過去的研究顯示，藻類的生長主要受到營養鹽、日照與溫度三大要素所影響。如果水質遭到嚴重的污染，隨著時間的催化，水庫將從清澈幽深變為狹窄混濁，泥沙淤積，無機營養鹽的滯留，造成藻類大量增生繁殖，使水庫受到優養化的威脅。水庫優養現象將使水中溶氧之變動範圍增大，在低溶氧時，影響水質生態。大量的藻類生長，產生藻華，不僅引發臭味、妨礙觀瞻、影響用水安全，更是使淨水過程的成本大幅提升。 本研究以HEM-3D之simplified version的水質反應項目為架構，利用FORTRAN程式語言開發零維藻類水質模式，並以含碳量作為藻類指標，作為預測水質與評估水庫上游集水區管理的重要工具。本文以翡翠水庫作為研究對象，模擬綠藻、藍綠藻、矽藻與其他藻四種藻類的生長變化，與有機碳、有機磷、正磷酸鹽、有機氮、氨氮、硝酸鹽氮、化學需氧量與溶氧八項水質項目。模式需檢定的參數多達60多種，所以採用88~91年的資料作為參數檢定，92年的資料來做驗證。 研究顯示，綠藻與藍綠藻較不能反映出峰值，原因可能為兩種藻類體內細胞葉綠素a含量不能保持定值，對於快速改變的環境變化較敏感。矽藻呈現符合環境的變化週期，在溫度較低時有較多的數量，其最佳生長溫度於25˚C左右。其他藻類也有類似的趨勢存在。有機碳、有機磷、正磷酸鹽與溶氧的模擬效果良好，可以清楚反映出變化的趨勢。溶氧與眾多水質項目變化關係密切，模擬的效果符合實際的趨勢，可以印證此零維模式與實際的環境有相當類似的結果存在。 雖然各種藻類皆可以一定的數量在水庫中生存，但水中實際的狀況更複雜，以簡化的零維模式較難完整反應出表水層藻類的生長變化，若考慮分層效應與水流的維度對模擬效果將有相當程度的提升。誌謝..............................................................................................................................一 摘要..............................................................................................................................二 目錄..............................................................................................................................三 表目錄..........................................................................................................................五 圖目錄..........................................................................................................................六 第一章 前言..............................................................................................................1 1-1 研究緣起......................................................................................................1 1-2 模式發展目的..............................................................................................2 第二章 文獻回顧......................................................................................................3 2-1 藻類生長限制因子....................................................................................3 2-1-1 營養鹽................................................................................................3 2-1-2 日照....................................................................................................6 2-1-3 溫度....................................................................................................8 2-2 優養化的基本機制....................................................................................9 2-2-1 水庫優養化程度之評定..................................................................10 2-2-2 單一參數指標法..............................................................................11 2-2-3 多變數理化指標法..........................................................................12 2-2-4 多變數藻類指標法..........................................................................14 2-2-5 藻類與水質參數的交互作用..........................................................15 2-3 藻類水質模式的應用..............................................................................18 第三章 Chl-a與藻類計量單位相關性之推求.......................................................23 3-1 目的.........................................................................................................23 3-2 統計模式.................................................................................................23 3-3 權重模式.................................................................................................24 3-4 分析結果.................................................................................................26 第四章 翡翠水庫水質與藻類消長之模擬............................................................27 4-1 翡翠水庫簡介.........................................................................................27 4-2 水質調查資料.........................................................................................29 4-3 模式架構.................................................................................................33 4-4 藻類與水質項目反應方程式.................................................................42 4-5 以數值方法求解藻類與水質項目之方程式.........................................52 4-6 模式假設.................................................................................................58 第五章 結果分析....................................................................................................60 5-1 模式之檢定與驗證..................................................................................60 5-2 水質模擬結果..........................................................................................64 5-3 藻類模擬結果..........................................................................................69 第六章 結論與建議................................................................................................72 6-1 結論..........................................................................................................72 6-2 建議..........................................................................................................73 參考文獻......................................................................................................................74 附錄一、FORTRAN程式……….................................................................................77 附錄二、符號對照表…...……….................................................................................90 表目錄 表2-1 OECD單一參數判定優養化標準....................................................................11 表2-2 Carlson單一參數判定優養化標準..................................................................11 表2-3 NAS.NAE與EPA單一參數判定優養化標準.................................................12 表2-4 Carlson多變數判定優養化標準..................................................................... 13 表2-5 北卡多變數判定優養化標準..........................................................................14 表2-6 藻類優養指數值判定優養化標準..................................................................15 表2-7 藻類生長相關參數..........................................................................................20 表2-8 藻類光照相關參數..........................................................................................22 表5-1 翡翠水庫藻種反應係數檢定表......................................................................60 表5-2 翡翠水庫生化反應係數檢定表......................................................................61 圖目錄 圖2-1 營養分的主要組成(a)磷 (b)氮.........................................................................3 圖2-2 氮控制與磷控制的N/P判定圖........................................................................ 5 圖2-3 正規化的光合作用率對光強度圖....................................................................6 圖2-4 正規化的光合作用率對光強度圖(綠藻、矽藻與渦鞭毛藻)….….………….7 圖2-5 一天中光照平均深度對浮游植物生長率的影響圖........................................8 圖2-6 溫度對浮游植物生長率的影響圖....................................................................9 圖2-7 藻類生化反應系統..........................................................................................15 圖2-8 氮生化循環系統..............................................................................................16 圖2-9 磷生化循環系統..............................................................................................16 圖2-10 溶氧系統........................................................................................................16 圖2-11 WASP水質變數反應圖..................................................................................17 圖3-1 多變數回歸分析圖..........................................................................................24 圖3-2 權重分析圖......................................................................................................26 圖4-1 翡翠水庫集水區水系圖..................................................................................28 圖4-2 翡翠水庫集水區水系主要河川圖..................................................................28 圖4-3 中研院採樣點..................................................................................................31 圖4-4 翡翠水庫水質採樣位置圖..............................................................................32 圖4-5(a) 有機碳外部負荷圖......................................................................................34 圖4-5(b) 有機磷外部負荷圖.....................................................................................34 圖4-5(c) 正磷酸鹽外部負荷圖..................................................................................35 圖4-5(d) 有機氮外部負荷圖.....................................................................................35 圖4-5(e) 氨氮外部負荷圖..........................................................................................36 圖4-5(f) 硝酸氮外部負荷圖......................................................................................36 圖4-5(g) 化學需氧量外部負荷圖.............................................................................37 圖4-5(h) 溶氧外部負荷圖.........................................................................................37 圖4-6(a) 進流量監測圖..............................................................................................38 圖4-6(b) 出流量監測圖.............................................................................................38 圖4-6(c) 水位監測圖..................................................................................................39 圖4-6(d) 水庫容積監測圖.........................................................................................39 圖4-7(a) 大壩上水溫監測圖......................................................................................40 圖4-7 (b) 風速監測圖……........................................................................................40 圖4-8 研究流程圖......................................................................................................41 圖4-9 簡化水質項目交互作用圖..............................................................................42 圖4-10 翡翠水庫支流集水區面積劃分圖................................................................59 圖5-1(a) 總有機碳模擬結果......................................................................................65 圖5-1(b) 有機氮模擬結果.........................................................................................65 圖5-1(c) 氨氮模擬結果..............................................................................................66 圖5-1(d) 硝酸鹽氮模擬結果.....................................................................................66 圖5-1(e) 有機磷模擬結果..........................................................................................67 圖5-1(f) 正磷酸鹽模擬結果......................................................................................67 圖5-1(g) 化學需氧量模擬結果.................................................................................68 圖5-1(h) 溶氧模擬結果.............................................................................................68 圖5-2(a) 綠藻模擬結果..............................................................................................70 圖5-2(b) 藍藻模擬結果.............................................................................................70 圖5-2(c) 矽藻模擬結果..............................................................................................71 圖5-2(d) 其他藻模擬結果.........................................................................................711865769 bytesapplication/pdfen-US藻華零維模式翡翠水庫藻類水質HEM-3Dthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50572/1/ntu-94-R92521301-1.pdf