郭振泰臺灣大學：土木工程學研究所劉柏廷2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50325牡丹水庫位於四重溪上游，水庫係集取四重溪上游之支流－汝仍溪與牡丹溪流域之水量而成，有效容量3056萬立方公尺，集水區面積69.2平方公里。由88、89年水質採樣監測，比較兩年水質變化趨勢，Carlson’s TSI值平均50上下，顯示水庫有優養化的趨勢，所以如何有效控制河川水量及水質進入水庫，集水區保育及管理是當前重要之課題。 本文採用美國環保署發展的BASINS模式中之非點源污染模式NPSM進行集水區非點源污染及傳輸量模擬。首先模擬民國89∼92年之水文，以89、90年資料檢定，並以相同參數驗證91、92年流量，證實模擬結果良好，確認其可靠性及適用性，再將暴雨採樣資料及年淤積量檢定驗證泥沙濃度，並以暴雨水質資料模擬水質狀態後，推估全年集水區污染物產量做為提供集水區治理規劃之參考。進一步利用均值一階二矩法及Latin Hypercube Sampling取樣法找出影響模式之關鍵參數，探討水質參數對模式輸出之不確定性，並採用均值一階二矩法、Latin Hypercube Sampling取樣法及Harr’s點估計法分析河川水質濃度之風險。 結果顯示，NPAM模式能有效模擬長時間的集水區水理水質傳輸變化。牡丹水庫集水區全年污染負荷量，總氮之非點源污染負荷量約為89595kg/yr，總磷約為2526kg/yr，單位面積之負荷量總氮約為12.95kg/ha/yr，總磷約為0.36 kg/ha/yr。Mu-dan Reservoir was located in the Pingtung and converged by Mu-dan River and Ru-Reng River, the branch of Si-Chong River. Its drainage area is 69.2 square kilometer, and its effective capacity is 30,560,000 cubic meters. Compared with the changing trend of 1999 and 2000 by the sampling of water quality, the Carlson’s TSI values are about 50. It shows that the water of Mu-dan Reservoir is in the trend of eutrophication. Therefore, how to efficiently control the quantity and quality of water infusing into Mu-dan Reservoir and the preservation and administration of drainage area are important issues (to protect watershed ecology). NPSM, one of BASINS model developed by U.S. Environmental Protection Agency(EPA), is adopted in the study to simulate the transferred quantity of the river and non-point source of the drainage area. The discharge was calibrated with the data in 2000 and 2001, and verified with the data in 2002 and 2003, for confirming the model can be used in this study. Suspended solids and water quality was simulated with the sampling data of storm, then the total pollutant loading of the drainage area could be estimated for watershed managemenr. Latin Hypercube sampling(LHS) and the mean first-order reliability method are applied to determine the parameters significantly affecting uncertainty in the simulated water quality concentrations and analyze the risk of water quality concentrations. The result shows that NPSM can efficiently simulate the change of the chronic water quality in drainage area. Annual non-point loading of total nitrogen was about 89595kg/yr, total phosphorus was about 2526kg/yr. The total nitrogen per hectare was about 12.95kg/ha/yr, and the total phosphorus per hectare was about 0.36 kg/ha/yr.第一章 緒論 1 1-1 研究目的 1 1-2 研究方法及步驟 1 1-3 章節介紹 2 第二章 文獻回顧 4 2-1 非點源污染之研究 4 2-2 GIS與模式之結合 5 2-3 不確定性分析之歷年研究 7 第三章 模式介紹 9 3-1 BASINS模式介紹 9 3-2 NPSM非點源污染模式 11 3-2-1 PERLND透水區模組 12 3-2-2 RCHRES河道模組 21 第四章 模式應用 26 4-1 研究區域介紹 26 4-1-1 地理位置 26 4-1-2 集水區土地利用 27 4-1-3 水文與氣象 27 4-2 模式應用 27 4-2-1 資料處理 28 4-2-2 水文模擬 28 4-2-3 懸浮固體物模擬 30 4-2-4 水質模擬 31 第五章 風險分析 34 5-1 風險分析理論 34 5-2 不確定性分析之方法 35 5-2-1 均值一階二矩法（MFOSM） 36 5-2-2 拉丁超立方取樣法（LHS） 37 5-2-3 哈爾點估計法（Harr’s PEM） 38 5-3 資料分析 39 5-4 不確定性分析 40 5-4-1 均值一階二矩法（MFOSM） 40 5-4-2 拉丁超立方取樣法（LHS） 41 5-5 風險分析 42 5-5-1 均值一階二矩法（MFOSM） 42 5-5-2 拉丁超立方取樣法（LHS） 42 5-5-3 哈爾點估計法（Harr’s PEM） 42 5-6 結果分析 43 5-6-1 不確定分析 43 5-6-2 風險分析 43 第六章 結論與建議 44 6-1 結論 44 6-2 建議 45 參考文獻 47 表目錄 表2.1 非點源污染模式比較表 55 表2.2 不確定分析方法比較表 56 表4.1 牡丹水庫集水區各土地利用型現況統計表 57 表4.2 NPSM天氣資料格式說明 58 表4.3 各模組所需之天氣資料 58 表4.4 RF1所需格式 59 表4.5 欲模擬的程度所應使用之單元(PERLND) 60 表4.6 欲模擬的程度所應使用之單元(REACHS) 61 表4.7 PWATER透水區水文參數表 62 表4.8 HYDR河道水文參數表 63 表4.9 牡丹水庫年流量比較表 63 表4.10 第八集水區之土地利用比例 63 表4.12 SEDTRN模組水文參數表 63 表4.11 SEDMNT模組水文參數表 64 表4.13 牡丹水庫年懸浮固體量 64 表4.14 PQUAL透水區氨氮水質參數表 65 表4.15 GQUAL河道氨氮參數表 65 表4.16 PQUAL透水區硝酸氮水質參數表 66 表4.17 GQUAL河道硝酸氮參數表 66 表4.18 PQUAL透水區總磷水質參數表 67 表4.19 GQUAL河道總磷參數表 67 表4.20 牡丹水庫與曾文水庫非點源污染負荷量推估數值比較表 68 表4.21 國內林地單位污染負荷量調查數據 68 表5.1 水文及懸浮固體參數之統計值 69 表5.2 水質參數之統計值 70 表5-3 氨氮之關鍵參數表 71 表5-4 硝酸氮之關鍵參數表 71 表5-5 總磷之關鍵參數表 71 表5-6 影響氨氮之關鍵參數比較表 72 表5-7 影響硝酸氮之關鍵參數比較表 73 表5-8 影響總磷之關鍵參數比較表 74 圖目錄 圖1.1 研究流程圖 75 圖3.1 BASINS系統模擬流程圖 76 圖3.2 水文循環過程圖 76 圖3.3 PWATER模擬降雨逕流過程圖 77 圖3.4 SEDMNT模擬泥砂運移過程圖 78 圖3.5 PQUAL模擬水質運行過程圖 79 圖3.6 HYDR水文河道演算流程圖 80 圖3.7 SEDTRN輸砂河道演算流程圖 80 圖3.8 GQUAL水質河道演算流程圖 81 圖4.1 牡丹水庫集水區行政區域圖 82 圖4.2 牡丹水庫集水區山系概況圖 83 圖4.3 牡丹水庫集水區土地利用型態圖 84 圖4.4 恆春站歷年氣溫月平均統計圖 84 圖4.5 牡丹水庫集水區分割圖 85 圖4.6 89-90年牡丹水庫入流量檢定圖 86 圖4.7 91-92年牡丹水庫入流量檢定圖 86 圖4.8 92年6月7日暴雨SS檢定圖 87 圖4.9 92年6月20日暴雨SS檢定圖 87 圖4.10 92年11月1日暴雨SS檢定圖 88 圖4.11 92年8月3日暴雨SS驗證圖 88 圖4.12 92年9月1日暴雨SS驗證圖 89 圖4.13 89~92年SS每日平均濃度圖 89 圖4.14 92年6月7日暴雨氨氮檢定圖 90 圖4.15 92年6月20日暴雨氨氮檢定圖 90 圖4.16 92年11月1日暴雨氨氮檢定圖 91 圖4.17 92年8月3日暴雨氨氮驗證圖 91 圖4.18 92年9月1日暴雨氨氮驗證圖 92 圖4.19 92年6月7日暴雨硝酸氮檢定圖 92 圖4.20 92年6月20日暴雨硝酸氮檢定圖 93 圖4.21 92年11月1日暴雨硝酸氮檢定圖 93 圖4.22 92年8月3日暴雨硝酸氮驗證圖 94 圖4.23 92年9月1日暴雨硝酸氮驗證圖 94 圖4.24 92年6月7日暴雨總磷檢定圖 95 圖4.25 92年6月20日暴雨總磷檢定圖 95 圖4.26 92年11月1日暴雨總磷檢定圖 96 圖4.27 92年8月3日暴雨總磷驗證圖 96 圖4.28 92年9月1日暴雨總磷驗證圖 97 圖4.29 89-92年氨氮負荷量圖 97 圖4.30 89-92年硝酸氮負荷量圖 98 圖4.31 89-92年總磷負荷量圖 98 圖5.1 Latin Hypercube Sampling 99 圖5.2 Latin Hypercube Sampling取樣方法說明圖 99 圖5.3 雙變數在標準空間之哈爾點估算法 100 圖5.4 氨氮濃度與超越機率圖 100 圖5.5 硝酸氮濃度與超越機率圖 101 圖5.6 總磷濃度與超越機率圖 1011621650 bytesapplication/pdfen-US水質非點源污染風險分析BASINSWater Qualitynon-point sources[SDGs]SDG11thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50325/1/ntu-93-R91521322-1.pdf