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論文中文名稱:翡翠水庫營養鹽之總最大日負荷規劃 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Developing A Nutrient TMDL Program in Feitsui Reservoir Watershed [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:98
出版年度:99
中文姓名:吳政緯
英文姓名:Cheng-Wei Wu
研究生學號:96428087
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2010-01-21
論文頁數:100
指導教授中文名:朱子偉
口試委員中文名:陳彥璋;謝龍生;謝慧民
中文關鍵詞:非點源污染SWAT模式總最大日負荷營養鹽最佳管理措施草溝過濾帶逕流滯留池作物階段種植關鍵區域栽種
英文關鍵詞:nonpoint source pollutionSWAT modelTMDLnutrientBMPsgrassed waterwayfilter stripdetention pondterracecritical area planting
論文中文摘要:翡翠水庫係供應大臺北地區民生用水的單一目標水庫,近十年來臺北翡翠水庫管理局之水庫水質監測資料顯示水質有逐漸呈優養化傾向,主因推測為農業活動與北宜高施工和通車後產生之非點源污染所造成。
本研究主要目的係應用非點源污染模式-SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模擬翡翠水庫集水區內水文、泥砂及營養鹽之傳輸情形,再考慮甲類陸域水體水質標準,研擬翡翠水庫營養鹽之總最大日負荷規劃(Total Maximum Daily Load, TMDL),同時針對超出分配量之污染負荷,訂定數種污染削減方案,以期能達到保護水庫水質和維持健康的水生態系統之目的。
研究收集1997年至2007年翡翠水庫集水區之氣象、水文與地文資料以進行模式之模擬,並選用1998至2002年中坪林站與翡翠水庫大壩站的流量、泥砂和水質資料執行模式自動檢定,再以2003至2007年的資料驗證模式模擬集水區與水庫的結果。集水區月流量經檢定和驗證後,效率係數分別為0.97和0.54,月泥砂量檢定和驗證之效率係數分別為0.91和0.33,而月總氮檢定和驗證之效率係數分別為0.57和0.66,月總磷效率係數則分別0.41和0.15。水庫的模擬結果則顯示水庫的月入流量檢定和驗證之效率係數皆為0.97;月總氮輸入量在檢定和驗證之效率係數分別為0.93和0.81,月總磷輸入量則分別為0.84和0.18。綜合以上結果說明SWAT模式具有模擬集水區在不同土地利用、土壤分佈與管理作業下長期水文暨水質反應的能力。
本研究根據甲類水體水質標準,針對氨氮、硝酸態氮及總磷三種營養鹽於翡翠水庫集水區進行TMDL規劃。模擬結果顯示,氨氮與硝酸態氮負荷皆小於TMDL的要求,而總磷負荷(78,481公斤/年)則超過TMDL的容許值(65,411公斤/年)。說明水庫水質尚佳,但為了達到甲類水體水質標準,必須削減16.67%之總磷負荷。
研究共挑選五種較適合設置於翡翠水庫集水區內農業用地之最佳管理措施(Best Management Practices, BMPs)進行模擬,其中包括草溝(Grassed Waterway)、過濾帶(Filter Strip)、逕流滯留池(Detention Pond)、作物階段種植(Terrace)及關鍵區域栽種(Critical Area Planting),並將BMPs設置於翡翠水庫集水區內主要關鍵區域與主要及次要關鍵區域之茶園用地,以及翡翠水庫集水區內所有茶園用地與所有農業用地,同時探討三種BMP組合方式針對總磷負荷進的削減效果評估,其中第一種組合為設置草溝、過濾帶、逕流滯留池及作物階段種植;第二種之組合為在茶園用地設置過濾帶、作物階段種植及逕流滯留池,並於茶園用地附近荒地進行關鍵區域栽種;而最後一種則為五種BMPs皆設置之組合。總磷削減率模擬結果顯示於翡翠水庫集水區內所有茶園用地設置第二種(16.69%)或第三種(20.23%)之BMP組合,以及於所有農業用地設置第二種(21.40%)或第三種(26.83%)之BMP組合皆可達到TMDL規劃對總磷削減之要求,亦即水庫水質可滿足甲類水體之水質標準。
論文英文摘要:The Feitsui reservoir is the major source of water supply for the Taipei metropolitan area in Northern Taiwan. The reservoir water quality has been well protected by associated authorities. However, recent monitoring data of the Feitsui reservoir and researches suggest that the water quality have be reached the near-eutrophic state, especially when Taipei-Ilan expressway was built and came to operate.
This study aims to develop Total Maximum Daily Load (TMDL) program for nutrient control in Feitsui Reservoir watershed by applying the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). SWAT is a complex, physically based, and continuous time model with spatially explicit parameterization capability; it intends to analyze the hydrologic and water quality response resulting from alternative watershed managements.
The ten-year data (1998-2007) of hydrology and water quality are used to calibrate and validate the model. Moreover, the validated SWAT model will be employed to evaluate the long-term water quality impacts due to the implementation of several BMP (Best Management Practice) scenarios. In the first place, the results of TMDL development show that the simulated average annual TP loading (78,481 kg) has exceeded the maximum allowable loading (69,586 kg) which was calculated based on the water quality standards of Category A water bodies. Therefore, second BMP scenarios were developed to reduce TP loading and elevate the water quality within standard of Category A. The BMP simulations indicate the best scenario, consisting of grasses waterway, filter strip of 15m, detention pond, and terrace implemented on all tea farm and all agricultural land in combination of critical area planting on adjacent barren land, will reduce 26.83% of TP loading to satisfy the water quality standard. Last but not the least, the thorough TMDL plan will provide a useful schematic BMP allocation for water quality improvement and protection within specific standards.
論文目次:目錄

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 前言 1
1.1. 研究動機 1
1.2. 研究目的 2
1.3. 本文組織 3
第二章 文獻回顧 4
2.1. SWAT模式 4
2.2. 總最大日負荷規劃 5
2.3. 最佳管理措施 9
第三章 研究方法 14
3.1. 模式介紹 14
3.1.1. 水文 14
3.1.2. 泥砂 19
3.1.3. 氮 21
3.1.4. 磷 22
3.1.5. 水庫 24
3.1.6. 檢定與驗證 25
3.2. 關鍵區域選擇 29
3.3. TMDL設計 29
3.4. BMPs參數設定 32
第四章 研究資料 37
4.1. 研究區域 37
4.2. 資料整理 41
第五章 結果與討論 46
5.1. 模式檢定與驗證 46
5.1.1. 集水區之流量模擬 46
5.1.2. 集水區之泥砂模擬 51
5.1.3. 集水區之總氮模擬 55
5.1.4. 集水區之總磷模擬 59
5.1.5. 水庫之流量模擬 63
5.1.6. 水庫之總氮模擬 67
5.1.7. 水庫之總磷模擬 71
5.2. 關鍵區域標定 75
5.3. BMPs削減效果 78
5.4. TMDL規劃方案 84
第六章 結論與建議 91
6.1. 結論 91
6.2. 建議 93
參考文獻 94



表目錄

表 2.1 結構性與植物性之BMPs表 11
表 2.2 管理性質之BMPs表 12
表 3.1 SWAT模式自動檢定之輸入參數表 26
表 3.2 甲類陸域水體水質標準值表 31
表 3.3 五種BMPs於田野尺度之污染去除效率表 33
表 3.4 SWAT模擬五種BMPs之參數及建議調動範圍表 34
表 3.5 SWAT模擬五種BMPs之參數表 36
表 4.1 翡翠水庫集水區土地利用分類表 39
表 4.2 翡翠水庫集水區土壤分類表 41
表 5.1 集水區模擬之流量檢定驗證結果表 47
表 5.2 集水區模擬之泥砂量檢定驗證結果表 51
表 5.3 集水區模擬之總氮量檢定驗證結果表 55
表 5.4 集水區模擬之總磷量檢定驗證結果表 59
表 5.5 水庫模擬之入流量檢定驗證結果表 63
表 5.6 水庫模擬之總氮量檢定驗證結果表 67
表 5.7 水庫模擬之總磷量檢定驗證結果表 71
表 5.8 不同百分位數範圍內集水區所產出年平均總氮量及總磷量表 75
表 5.9 關鍵區域中子集水區茶園種植面積百分比表 77
表 5.10 單一BMP配置對各關鍵區域地表逕流量之削減效率表 78
表 5.11 單一BMP配置對各關鍵區域泥砂量之削減效率表 78
表 5.12 單一BMP配置對各關鍵區域總氮量之削減效率表 79
表 5.13 單一BMP配置對各關鍵區域總磷量之削減效率表 79
表 5.14 複合BMPs配置對各關鍵區域地表逕流量之削減效率表 80
表 5.15 複合BMPs配置對各關鍵區域泥砂量之削減效率表 81
表 5.16 複合BMPs配置對各關鍵區域總氮量之削減效率表 82
表 5.17 複合BMPs配置對各關鍵區域總磷量之削減效率表 83
表 5.18 甲類水體水質標準下三種營養鹽之年最大可承受負荷量表 85
表 5.19 翡翠水庫中三種營養鹽於TMDL規劃之年平均負荷量分配表 85
表 5.20 SWAT推估翡翠水庫中三種營養鹽之年負荷量表 86
表 5.21 翡翠水庫中三種營養鹽於TMDL規劃之削減率需求表 87
表 5.22 主要關鍵區域中茶園用地設置單項BMP之總磷削減率表 88
表 5.23 翡翠水庫設置總磷削減方案之削減率表 90


圖目錄

圖 2.1 TMDL規劃流程圖 6
圖 3.1 SWAT模式中水的移動過程圖 15
圖 3.2 SWAT模擬土壤中氮的移動過程圖 21
圖 3.3 SWAT模擬土壤中磷的移動過程圖 23
圖 4.1 翡翠水庫集水區位置圖 38
圖 4.2 翡翠水庫集水區土地利用分佈圖 39
圖 4.3 翡翠水庫集水區土壤分佈圖 40
圖 4.4 翡翠水庫集水區之子集水區劃分圖 42
圖 4.5 翡翠水庫集水區之測站位置圖 43
圖 4.6 日流量與日輸砂量雙對數曲線率定圖 44
圖 4.7 日流量與日輸砂量雙對數曲線驗證圖 45
圖 5.1 集水區模擬之月平均日流量檢定時間序列圖 48
圖 5.2 集水區模擬之月平均日流量檢定一比一等值線圖 48
圖 5.3 集水區模擬之月平均日流量驗證時間序列圖 49
圖 5.4 集水區模擬之月平均日流量驗證一比一等值線圖 49
圖 5.5 集水區模擬之年平均日流量驗證時間序列圖 50
圖 5.6 集水區模擬之年平均日流量驗證一比一等值線圖 50
圖 5.7 集水區模擬之月泥砂量檢定時間序列圖 52
圖 5.8 集水區模擬之月泥砂量檢定一比一等值線圖 52
圖 5.9 集水區模擬之月泥砂量驗時間序列圖 53
圖 5.10 集水區模擬之月泥砂量驗證一比一等值線圖 53
圖 5.11 集水區模擬之年泥砂量驗證時間序列圖 54
圖 5.12 集水區模擬之年泥砂量驗證一比一等值線圖 54
圖 5.13 集水區模擬之月總氮量檢定時間序列圖 56
圖 5.14 集水區模擬之月總氮量檢定一比一等值線圖 56
圖 5.15 集水區模擬之月總氮量驗證時間序列圖 57
圖 5.16 集水區模擬之月總氮量驗證一比一等值線圖 57
圖 5.17 集水區模擬之年總氮量驗證時間序列圖 58
圖 5.18 集水區模擬之年總氮量驗證一比一等值線圖 58
圖 5.19 集水區模擬之月總磷量檢定時間序列圖 60
圖 5.20 集水區模擬之月總磷量檢定一比一等值線圖 60
圖 5.21 集水區模擬之月總磷量驗證時間序列圖 61
圖 5.22 集水區模擬之月總磷量驗證一比一等值線圖 61
圖 5.23 集水區模擬之年總磷量驗證時間序列圖 62
圖 5.24 集水區模擬之年總磷量驗證一比一等值線圖 62
圖 5.25 水庫模擬之月平均日入流量檢定時間序列圖 64
圖 5.26 水庫模擬之月平均日入流量檢定一比一等值線圖 64
圖 5.27 水庫模擬之月平均日入流量驗證時間序列圖 65
圖 5.28 水庫模擬之月平均日入流量驗證一比一等值線圖 65
圖 5.29 水庫模擬之年平均日入流量驗證時間序列圖 66
圖 5.30 水庫模擬之年平均日入流量驗證一比一等值線圖 66
圖 5.31 水庫模擬之月總氮量檢定時間序列圖 68
圖 5.32 水庫模擬之月總氮量檢定一比一等值線圖 68
圖 5.33 水庫模擬之月總氮量驗證時間序列圖 69
圖 5.34 水庫模擬之月總氮量驗證一比一等值線圖 69
圖 5.35 水庫模擬之年總氮量驗證時間序列圖 70
圖 5.36 水庫模擬之年總氮量驗證一比一等值線圖 70
圖 5.37 水庫模擬之月總磷量檢定時間序列圖 72
圖 5.38 水庫模擬之月總磷量檢定一比一等值線圖 72
圖 5.39 水庫模擬之月總磷量驗證時間序列圖 73
圖 5.40 水庫模擬之月總磷量驗證一比一等值線圖 73
圖 5.41 水庫模擬之年總磷量驗證時間序列圖 74
圖 5.42 水庫模擬之年總磷量驗證一比一等值線圖 74
圖 5.43 翡翠水庫集水區非點源污染關鍵區域位置圖 77
圖 5.44 翡翠水庫集水區所有農業用地及其附近荒地位置圖 89
論文參考文獻:參考文獻

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[61] 龐靖鵬、徐宗學、劉昌明(2007),「SWAT模型研究應用進展」,水土保持研究,第十四卷,第三期,第31-35頁。
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