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論文中文名稱:翡翠水庫及水庫集水區水文暨水質模擬與其不確定性 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Modeling Hydrologic and Water Quality Response of FeiTsui Reservoir Watershed and Associated Uncertainty [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:黃宇齊
英文姓名:Yu-Chi Huang
研究生學號:96428082
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2009-07-20
論文頁數:156
指導教授中文名:朱子偉
口試委員中文名:林鎮洋;張哲豪;謝龍生;侯善麟
中文關鍵詞:SWAT模式非點源污染營養鹽不確定性分析拉丁高階方塊法
英文關鍵詞:SWAT modelcnonpoint source pollutionnutrientuncertainty analysisLatin hypercube sampling
論文中文摘要:台灣地區河川坡陡流急,又因降雨不均勻,而必須興建水庫以調節有限的水資源供應各種標的用水,然而多數水庫卻面臨因為水庫上游集水區不當管理所造成的水庫優養化問題。翡翠水庫係供應大台北地區民生用水單一目標水庫,水庫水質均受到有關單位的適當保護,但近年來的水質監測卻發現逐漸呈優養化傾向,這其中主要是來自於農業活動與北宜高施工和通車後所帶來的非點源污染所造成。
本研究旨在應用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模式模擬翡翠水庫及其集水區在不同土地利用或管理措施改變所造成的水文與水質衝擊,並探討模式參數之不確定性對模擬結果所造成的不確定性。由總磷濃度機率分佈評估水庫水質呈現優養化之風險,以便於日後研究進一步發現污染關鍵區域,藉由設置適當的最佳管理作業(BMPs),訂定水庫集水區總最大日負荷(TMDL)計劃,以維護庫區的水質。
SWAT模式係由美國農業部之農業研究中心所研發,此模式整合了CREAMS、GLEAMS和EPIC等模式,為集水區尺度、連續時間模擬的模式,以日為基本時間單位模擬水文、泥砂、作物生長、營養鹽的循環及農藥的傳輸,評估集水區在不同土地利用與土壤分佈的管理作業下對水文、泥砂、營養鹽及農藥承載之影響。
研究中收集翡翠水庫集水區1998至2007年共10年氣象、地文及水文資料,以坪林站的實測值進行模式的檢定和驗證;其中以1998至2002年資料執行模式自動檢定,並以2003至2007年的資料驗證模擬結果。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,另外月泥砂量檢定和驗證之後的效率係數分別為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(年總氮的效率係數為0.83),月總磷效率係數則分別0.41和0.15(年總磷的效率係數為0.48)。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;另一方面在水庫放流中的月總氮在檢定和驗證之效率係數分別為0.93和0.81(年總氮的效率係數為0.95),月總磷則分別為0.84和0.18(年總磷的效率係數為0.26)。綜合以上結果顯示SWAT模式在對翡翠水庫及其集水區長期的水文與水質模擬均相當合理。可知SWAT模式具有模擬混合土地使用集水區長期水文暨水質反應的能力,進一步應用此模式可有效地管理土地利用與開發及控制非點源污染,期能維護翡翠水庫的水質和水資源永續利用的目標。
水文與水質模式已廣泛地與不確定性分析做結合,並應用於水位、水質及各項水利防災設施之安全性、可靠度及風險評估,以進一步規劃適當的管理措施。為了解輸入參數之不確定性對輸出參數之影響結果,便需進行不確定性分析,研究中考慮各輸入參數之不確定性,包括與土地利用和土壤分佈相關之逕流係數、地表逕流積延係數、土壤飽和水力傳導係數、和其它土壤及地下水相關等,共19項對水文、水質敏感且具不確定性之輸入參數以予變動,進一步分析輸入參數之不確定性及其對模式輸出結果之影響,運用蒙地卡羅(MCS)結合拉丁高階方塊法(LHS)進行100次模擬,以求得各輸出參數之機率分佈,檢視其對水文、泥砂及營養鹽輸出之變化情形,並由卡爾森優養指數法(CTSI)和世界經濟發展組織(OECD)檢定標準法之優養化分級,將總磷濃度機率分佈應用於水庫水質優養化風險評估,結果顯示由世界經濟發展組織的檢定標準法所推估之水質安全可靠度為85%較卡爾森優養指數法93%低,而優養風險為15%則相對較高,期結果有助於水庫優養化的防治策略。不確定分析突顯了參數之不確定性對模擬結果的影響,研究所得各輸出結果的機率分佈可提供決策者更詳細的資訊,進一步評估非點源污染防治方法的可靠度與水質惡化風險,並應用於最佳管理作業(BMPs)與總最大日負荷(TMDL)規劃上。
論文英文摘要:Due to the non-uniformly distributed precipitation and the steep-sloped rivers, reservoirs have been widely constructed to manage the water supplies in Taiwan. However, the eutrophication problem that resulted from the poor soil and water conservations as well as inappropriate managements in upstream watershed is prevailing in most reservoirs. The FeiTsui reservoir has been providing raw water for the Great Taipei Metropolitan area, and its water quality has been well protected by associated authorities. Nevertheless, recent monitoring data and researches suggest that the water quality have reached the near-eutrophic state, especially when Taipei-Ilan expressway was built and came to operate. The eutrophication problem is directly correlated to both excessive amounts of nutrient input and heavy rainfalls in the upstream watershed.
This study aims to evaluate the hydrologic and water quality impacts resulting from mixed land uses and various management scenarios on FeiTsui reservoir and its watershed by employing the SWAT (Soil and Water Assessment Toll) model. This study also consider the uncertainty of input parameters, and assessment the eutrophic level of water quality by employ TP concentration probability distribution. Furthermore, the validated SWAT model is also able to assess the long-term water quality impacts due to a complete watershed implementation of BMPs, which will assist the ultimate Total Maximum Daily load (TMDL) development.
SWAT is a river basin, or watershed scale model developed by the USDA-ARS. Specific models that contributed significantly to the development of SWAT were CREAMS, GLEAMS, and EPIC. SWAT model was developed to predict the impact of land management practices on water, sediment and agricultural chemical yields in large complex watersheds with varying soils, land use and management conditions over long periods of time.
Ten-year data (1998~2007) of weather, topography, hydrology, and water quality have been collected for model calibration (1998~2002) and validation (2003~2007). Moreover, the model calibration is performed by using the integrated auto-calibration function. The simulation results of watershed indicate that the efficiency coefficients of monthly streamflow, sediment, total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP) for both calibration and validation periods are 0.97/0.54, 0.91/0.33, 0.57/0.66, and 0.42/0.16, respectively. In addition, efficiency coefficients of reservoir monthly inflow, outflow TN, and outflow TP are 0.97/0.96, 0.93/0.79, and 0.85/0.17 for both calibration and validation, respectively. Overall, it is concluded that SWAT’s capacity of modeling hydrologic and water quality impacts from various managements makes it a useful tool to evaluate appropriate watershed development and BMP efficiency for effective control of nonpoint source pollution.
Hydrologic and water quality models are frequently linked with uncertainty analysis, and applied on the safety, reliability, and risk assessment of water flow level, water quality, and relative hydraulic structures, to planning and designing a proper management. The uncertainty analysis of input parameters and its effect on model simulation is also investigated in this study. The variables includes SCS runoff curve number which relates land covers and soil types, surface runoff lag coefficient, soil saturated hydraulic conductivity, and other input parameters which relating to soil and groundwater. Amount 19 sensitive and uncertain parameters ware discussed the influence of model output. The effects of uncertainty in model input parameters will be evaluated by using constrained Monte Carlo simulations based on Latin hypercube sampling (LHS) scheme. Each probability distributions for model output of interest results from 100 model simulations. The developed probability distributions will certainly provide information with desirable probability for specific model output. Finally, both the Carlson Trophic State Index (CTSI) method and Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) method were employed to the result of TP concentration probability distribution, to assess the eutrophic level of water quality. The OECD single variable index method result showed the reliability of safety water quality (85%) is lower than the CTSI method result (93%), and the risk of eutrophication (15%) is relative higher. The result of uncertainty analysis highlight the importance of considering input parameter uncertainty when analyzing the outputs of a hydrologic and water quality model. Moreover the resulting probability distributions of model outputs will provide more information for decision-maker in developing the BMPs and TMDL program, and also assessing the reliability of NPS pollution control strategies and risk of water quality degradation.
論文目次:目 錄

中文摘要 i
英文摘要 iii
目錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 諸論 1
1.1 研究動機 2
1.2 研究目的 2
1.3 研究架構及流程 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 非點源污染 5
2.1.1 非點源污染模式 7
2.1.2 非點源污染模式之應用 11
2.2 SWAT模式之應用 13
2.3 不確定性分析 15
2.1.2 不確定性分析研究方法 15
2.1.2 不確定性分析相關研究 17
第三章 研究方法 20
3.1 模式介紹 20
3.1.1 水文 20
3.1.2 泥砂 26
3.1.3 氮 28
3.1.4 磷 30
3.1.5 水庫 32
3.1.6 模式沿革 34
3.1.7 ArcSWAT版本 36
3.2 研究區域 37
3.2.1 集水區介紹 38
3.2.2 氣候 41
3.2.3 水文水質監測站 42
3.3 資料蒐集 43
3.3.1 GIS資料 44
3.3.2 氣候資料 44
3.3.3 監測資料 44
3.4 敏感度分析 47
3.4.1 模式參數檢定 48
3.4.2 全域性敏感度分析 49
3.4.3 拉丁高階方塊取樣法 49
3.4.4 OAT敏感度分析法 50
3.4.5 敏感度指數 52
3.4.6 敏感度排行 53
3.5 不確定性分析 53
3.5.1 參數之不確定性 54
3.5.2 拉丁高階方塊取樣法 54
3.5.3 本研究取樣方法 57
3.6 檢定驗證 57
3.6.1 效率係數 58
3.6.2 判定係數 58
3.6.3 自動檢定 59
3.6.4 驗證 60
第四章 結果與討論 61
4.1 敏感度分析結果 61
4.1.1 敏感度指數 61
4.1.2 敏感度排行 62
4.2 檢定驗證結果 64
4.2.1 集水區流量檢定驗證結果 67
4.2.2 集水區泥砂檢定驗證結果 71
4.2.3 集水區營養鹽檢定驗證結果 75
4.2.4 水庫入流量檢定驗證結果 97
4.2.5 水庫營養鹽檢定驗證結果 101
4.3 不確定性分析結果 123
4.3.1 水庫入流量不確定性 125
4.3.2 水庫入泥砂量不確定性 127
4.3.3 水庫總氮不確定性 130
4.3.4 水庫總磷不確定性 134
4.4 不確定性分析之應用 139
4.4.1 水庫優養化指標 140
4.4.2 水庫優養化風險評估 141
第五章 結論與建議 149
5.1 結論 149
5.2 建議 150
參考文獻 152



表目錄

表3.1 翡翠水庫歷年降雨量統計表 42
表3.2 模式輸入參數表 48
表4.1 參數敏感度指數表 62
表4.2 參數敏感度排行表 63
表4.3 參數初始值與檢定值表 65
表4.4 檢定驗證結果表 67
表4.5 不確定性分析參數分佈表 123
表4.6 OECD檢定標準法優養指標評估表 141
表4.7 水庫水質優養化機率評估表 145
表4.8 歷年卡爾森優養化指標值表 146
表4.9 優養化指標比較表 147



圖目錄

圖1.1 研究流程圖 3
圖3.1 模式水文傳輸圖 21
圖3.2 土壤中氮轉換圖 29
圖3.3 土壤中磷轉換圖 31
圖3.4 翡翠水庫集水區坡度分級圖 37
圖3.5 翡翠水庫集水區位置圖 38
圖3.6 翡翠水庫集水區高程圖 39
圖3.7 翡翠水庫集水區土地利用分佈圖 40
圖3.8 翡翠水庫集水區土壤種類分佈圖 41
圖3.9 翡翠水庫集水區水文氣候站分佈圖 43
圖3.10 翡翠水庫集水區水質採樣點分佈圖 43
圖3.11 流量與輸砂量雙對數曲線圖分佈(率定) 46
圖3.12 流量與輸砂量雙對數曲線圖分佈(驗證) 46
圖3.13 拉丁高階方塊取樣法(劃分區間取樣)圖 50
圖3.14 拉丁高階方塊取樣法(參數區間取樣隨機配對)圖 50
圖3.15 OAT法敏感度分析圖 51
圖3.16 拉丁高階方塊取樣法結合OAT法敏感度分析圖 51
圖3.17 隨機取樣圖 54
圖3.18 拉丁高階方塊取樣圖 56
圖3.19 矩形區塊取樣圖 56
圖3.20 本研究修正矩形區塊取樣圖 57
圖4.1 集水區月流量時間序列比較圖(檢定) 67
圖4.2 集水區月流量1比1等值線分佈圖(檢定) 67
圖4.3 集水區月流量時間序列比較圖(驗證) 68
圖4.4 集水區月流量1比1等值線分佈圖(驗證) 68
圖4.5 集水區年流量時間序列比較圖 69
圖4.6 集水區年流量1比1等值線分佈圖 69
圖4.7 集水區月泥砂時間序列比較圖(檢定) 71
圖4.8 集水區月泥砂1比1等值線分佈圖(檢定) 71
圖4.9 集水區月泥砂時間序列比較圖(驗證) 72
圖4.10 集水區月泥砂1比1等值線分佈圖(驗證) 72
圖4.11 集水區年泥砂時間序列比較圖 73
圖4.12 集水區年泥砂1比1等值線分佈圖 73
圖4.13 集水區月有機氮時間序列比較圖(檢定) 75
圖4.14 集水區月有機氮1比1等值線分佈圖(檢定) 75
圖4.15 集水區月有機氮時間序列比較圖(驗證) 76
圖4.16 集水區月有機氮1比1等值線分佈圖(驗證) 76
圖4.17 集水區年有機氮時間序列比較圖 77
圖4.18 集水區年有機氮1比1等值線分佈圖 77
圖4.19 集水區月有機磷時間序列比較圖(檢定) 78
圖4.20 集水區月有機磷1比1等值線分佈圖(檢定) 78
圖4.21 集水區月有機磷時間序列比較圖(驗證) 79
圖4.22 集水區月有機磷1比1等值線分佈圖(驗證) 79
圖4.23 集水區年有機磷時間序列比較圖 80
圖4.24 集水區年有機磷1比1等值線分佈圖 80
圖4.25 集水區月硝酸鹽時間序列比較圖(檢定) 81
圖4.26 集水區月硝酸鹽1比1等值線分佈圖(檢定) 81
圖4.27 集水區月硝酸鹽時間序列比較圖(驗證) 82
圖4.28 集水區月硝酸鹽1比1等值線分佈圖(驗證) 82
圖4.29 集水區年硝酸鹽時間序列比較圖 83
圖4.30 集水區年硝酸鹽1比1等值線分佈圖 83
圖4.31 集水區月氨氮時間序列比較圖(檢定) 84
圖4.32 集水區月氨氮1比1等值線分佈圖(檢定) 84
圖4.33 集水區月氨氮時間序列比較圖(驗證) 85
圖4.34 集水區月氨氮1比1等值線分佈圖(驗證) 85
圖4.35 集水區年氨氮時間序列比較圖 86
圖4.36 集水區年氨氮1比1等值線分佈圖 86
圖4.37 集水區月溶解性磷時間序列比較圖(檢定) 87
圖4.38 集水區月溶解性磷1比1等值線分佈圖(檢定) 87
圖4.39 集水區月溶解性磷時間序列比較圖(驗證) 88
圖4.40 集水區月溶解性磷1比1等值線分佈圖(驗證) 88
圖4.41 集水區年溶解性磷時間序列比較圖 89
圖4.42 集水區年溶解性磷1比1等值線分佈圖 89
圖4.43 集水區月總氮時間序列比較圖(檢定) 90
圖4.44 集水區月總氮1比1等值線分佈圖(檢定) 90
圖4.45 集水區月總氮時間序列比較圖(驗證) 91
圖4.46 集水區月總氮1比1等值線分佈圖(驗證) 91
圖4.47 集水區年總氮時間序列比較圖 92
圖4.48 集水區年總氮1比1等值線分佈圖 92
圖4.49 集水區月總磷時間序列比較圖(檢定) 93
圖4.50 集水區月總磷1比1等值線分佈圖(檢定) 93
圖4.51 集水區月總磷時間序列比較圖(驗證) 94
圖4.52 集水區月總磷1比1等值線分佈圖(驗證) 94
圖4.53 集水區年總磷時間序列比較圖 95
圖4.54 集水區年總磷1比1等值線分佈圖 95
圖4.55 水庫月入流量時間序列比較圖(檢定) 97
圖4.56 水庫月入流量1比1等值線分佈圖(檢定) 97
圖4.57 水庫月入流量時間序列比較圖(驗證) 98
圖4.58 水庫月入流量1比1等值線分佈圖(驗證) 98
圖4.59 水庫年入流量時間序列比較圖 99
圖4.60 水庫年入流量1比1等值線分佈圖 99
圖4.61 水庫月有機氮時間序列比較圖(檢定) 101
圖4.62 水庫月有機氮1比1等值線分佈圖(檢定) 101
圖4.63 水庫月有機氮時間序列比較圖(驗證) 102
圖4.64 水庫月有機氮1比1等值線分佈圖(驗證) 102
圖4.65 水庫年有機氮時間序列比較圖 103
圖4.66 水庫年有機氮1比1等值線分佈圖 103
圖4.67 水庫月有機磷時間序列比較圖(檢定) 104
圖4.68 水庫月有機磷1比1等值線分佈圖(檢定) 104
圖4.69 水庫月有機磷時間序列比較圖(驗證) 105
圖4.70 水庫月有機磷1比1等值線分佈圖(驗證) 105
圖4.71 水庫年有機磷時間序列比較圖 106
圖4.72 水庫年有機磷1比1等值線分佈圖 106
圖4.73 水庫月硝酸鹽時間序列比較圖(檢定) 107
圖4.74 水庫月硝酸鹽1比1等值線分佈圖(檢定) 107
圖4.75 水庫月硝酸鹽時間序列比較圖(驗證) 108
圖4.76 水庫月硝酸鹽1比1等值線分佈圖(驗證) 108
圖4.77 水庫年硝酸鹽時間序列比較圖 109
圖4.78 水庫年硝酸鹽1比1等值線分佈圖 109
圖4.79 水庫月氨氮時間序列比較圖(檢定) 110
圖4.80 水庫月氨氮1比1等值線分佈圖(檢定) 110
圖4.81 水庫月氨氮時間序列比較圖(驗證) 111
圖4.82 水庫月氨氮1比1等值線分佈圖(驗證) 111
圖4.83 水庫年氨氮時間序列比較圖 112
圖4.84 水庫年氨氮1比1等值線分佈圖 112
圖4.85 水庫月溶解性磷時間序列比較圖(檢定) 113
圖4.86 水庫月溶解性磷1比1等值線分佈圖(檢定) 113
圖4.87 水庫月溶解性磷時間序列比較圖(驗證) 114
圖4.88 水庫月溶解性磷1比1等值線分佈圖(驗證) 114
圖4.89 水庫年溶解性磷時間序列比較圖 115
圖4.90 水庫年溶解性磷1比1等值線分佈圖 115
圖4.91 水庫月總氮時間序列圖比較(檢定) 116
圖4.92 水庫月總氮1比1等值線分佈圖(檢定) 116
圖4.93 水庫月總氮時間序列比較圖(驗證) 117
圖4.94 水庫月總氮1比1等值線分佈圖(驗證) 117
圖4.95 水庫年總氮時間序列比較圖 118
圖4.96 水庫年總氮1比1等值線分佈圖 118
圖4.97 水庫月總磷時間序列比較圖(檢定) 119
圖4.98 水庫月總磷1比1等值線分佈圖(檢定) 119
圖4.99 水庫月總磷時間序列比較圖(驗證) 120
圖4.100 水庫月總磷1比1等值線分佈圖(驗證) 120
圖4.101 水庫年總磷時間序列比較圖 121
圖4.102 水庫年總磷1比1等值線分佈圖 121
圖4.103 不確定性分析水庫月入流量歷線分佈圖 125
圖4.104 不確定性分析水庫年入流量歷線分佈圖 125
圖4.105 不確定性分析水庫10年平均入流量機率分佈圖 126
圖4.106 不確定性分析水庫10年平均入流量累積機率分佈圖 126
圖4.107 不確定性分析水庫月泥砂總輸入量歷線分佈圖 127
圖4.108 不確定性分析水庫年泥砂總輸入量歷線分佈圖 127
圖4.109 不確定性分析水庫10年泥砂總輸入量機率分佈圖 128
圖4.110 不確定性分析水庫10年泥砂總輸入量累積機率分佈圖 128
圖4.111 不確定性分析水庫月總氮總輸入量歷線分佈圖 130
圖4.112 不確定性分析水庫年總氮總輸入量歷線分佈圖 130
圖4.113 不確定性分析水庫10年總氮總輸入量機率分佈圖 131
圖4.114 不確定性分析水庫10年總氮總輸入量累積機率分佈圖 131
圖4.115 不確定性分析水庫月總氮平均濃度歷線分佈圖 132
圖4.116 不確定性分析水庫年總氮平均濃度歷線分佈圖 132
圖4.117 不確定性分析水庫10年總氮平均濃度機率分佈圖 133
圖4.118 不確定性分析水庫10年總氮平均濃度累積機率分佈圖 133
圖4.119 不確定性分析水庫月總磷總輸入量歷線分佈圖 134
圖4.120 不確定性分析水庫年總磷總輸入量歷線分佈圖 134
圖4.121 不確定性分析水庫10年總磷總輸入量機率分佈圖 135
圖4.122 不確定性分析水庫10年總磷總輸入量累積機率分佈圖 135
圖4.123 不確定性分析水庫月總磷平均濃度歷線分佈圖 136
圖4.124 不確定性分析水庫年總磷平均濃度歷線分佈圖 136
圖4.125 不確定性分析水庫10年總磷平均濃度機率分佈圖 137
圖4.126 不確定性分析水庫10年總磷平均濃度累積機率分佈圖 137
圖4.127 水庫總磷平均濃度對應CTSI優養化門檻機率分佈圖 142
圖4.128 水庫總磷平均濃度對應CTSI優養化門檻累積機率分佈圖 142
圖4.129 LHS輸出水庫總磷平均濃度對應CTSI優養化門檻分佈圖 143
圖4.130 水庫總磷平均濃度對應OECD優養化門檻機率分佈圖 143
圖4.131 水庫總磷平均濃度對應OECD優養化門檻累積機率分佈圖 144
圖4.132 LHS輸出水庫總磷平均濃度對應OECD優養化門檻分佈圖 144
圖4.133 歷年卡爾森指標分佈圖 146
論文參考文獻:參考文獻

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論文全文使用權限:同意授權於2010-08-03起公開