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系統識別號 U0002-0108201601430000
中文論文名稱 Vollenweider模式與營養狀態指標評估水庫水質之研究
英文論文名稱 Vollenweider model and trophic status indicator for reservoir water quality management
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 傅薇
研究生英文姓名 Wei Fu
學號 603480335
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-07-09
論文頁數 101頁
口試委員 指導教授-康世芳
委員-康世芳
委員-林鎮洋
委員-陳起鳳
中文關鍵字 營養狀態指標  水庫水質  優養化  Vollenweider 
英文關鍵字 trophic state index  reservoir water quality  eutrophication  Vollenweider model 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要   水質指標與水質模式可評估水庫水質營養狀態,台灣環保署使用卡爾森營養狀態指標(CTSI)判斷水庫水質優養化與否。本研究統計台灣環保署1994年至2014年20座主要水庫水質監測資料,以Vollenweider模式與水質指標評估水庫營養狀態。研究目的為:(1)檢討台灣20座水庫優養化限制營養源、(2)比較水質標評估營養狀態之差異,(3) 以暴雨管理模式(SWMM)及Vollenweider模式估算南化水庫污染負荷量與營養狀態、及(4)比較Vollenweider與水質指標評估南化水庫水質營養狀態。此外,水質指標採用OECD、USEPA及Carlson總磷單一營養指標。
  研究結果顯示臺灣本島主要20座水庫之約80%之水質氮磷比值大於15,故水質優養化限制營養鹽為總磷。以CTSI為指標時判定水體營養狀態為優養化之比例為31%,相對地以OECD平均值、OECD、USEPA及Carlson總磷單一指標之優養化比例分別為18%、15%、46%、及34%。依南化水庫2009-2014年之水質、水文與土地利用等條件,SWMM模式推估之年平均總磷負荷量為5,603公斤;以Vollenweider模式評估結果顯示水質營養狀態皆屬普養,且前述其他水質指標(CTSI、Carlson單一指標、OECD指標以及OECD平均值)判定結果相似皆為普養。此外,若南化水庫水質總磷達到10μg/L,以Vollenweider模式推估水庫涵容能力,則六年平均值及季平均超越機率之需削減總磷負荷量分別為32%與47%。
英文摘要 Water quality index and water quality models are usually used to demonstrate the trophic states of reservoirs water quality. In Taiwan, the Carlson Trophic State Index (CTSI) is officially used by Taiwan EPA. The objectives of this study are to understand the trophic states of 20 main Taiwanese reservoirs with different water quality indices and moreover, to compare the results of Vollenweider model and water quality index used in Nanhwa reservoir. The purposes of this study were: (1) to evaluate the limited nutrient of eutrophication for the 20 reservoirs, (2) to compare the differences of various trophic indices, (3) to evaluate the pollution loadings and water quality of Nanhwa reservoir by SWMM (Storm Water Management Model) and Vollenweider model, (4) to compare the trophic states of Nanhwa reservoir by Vollenweider model and trophic indices. Moreover, trophic state index on single parameter of total phosphorus (TP) included Carlson, USEPA, OECD and OECD average.
The results show that about 80% of N/P ratios are larger than 15 for the main 20 reservoirs in Taiwan, so that the limited nutrient of eutrophication is phosphorous. The total phosphorous (TP) is suggested as the target water quality for reservoir management. While using the CTSI as the trophic state index, the percentage of eutrophication of the 20 reservoirs is 31%. However, the results are different with other indices. The percentage of eutrophication according to TP is 18%(OECD average TP), 15%(OECD TP), 46% (USEPA TP) , and 34% (Carlson TP), respectively. The validated SWMM model resulted in 5,603 kg-TP/yr pollution loads from Nanhwa reservoir watershed. The results of Vollenweider model also showed that the trophic state of Nanhwa reservoir is mesotrophic state, which is consistent with the results of other indices. If the target TP concentration is set as 10 µg/L for Nanhwa reservoir, 32% and 47% of the TP loads should be reduced respectively, according to the annual average and seasonal average results from Vollenweider model.

論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VI
第一章、 前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究目的 2
第二章、 文獻回顧 3
2-1 優養化 3
2-2 水質營養狀態指標 3
2-2-1 單一參數指標 4
2-2-2 多參數指標 7
2-3 Vollenweider模式評估水體污染負荷 8
2-3-1 國內案例 12
2-3-2 國外案例 15
第三章、 研究資料與方法 17
3-1 研究資料 17
3-2 水質指標工具 18
3-3 南化水庫 19
3-4 應用模式介紹 30
3-4-1 BASINS模式 30
3-4-2 SWMM模式 31
3-4-3 Vollenweider模式 33
3-5 模式建置 34
3-5-1 模式資料蒐集 34
3-5-2 BASINS模式建置 36
3-5-3 SWMM模式建置 37
3-5-4 Vollenweider模式建置 40
3-6 模式參數判定指標 41
第四章、 結果與討論 42
4-1 國內水庫水質優養化分析 42
4-1-1 20座主要水庫限制營養鹽 42
4-1-2 20座主要水庫總磷年平均達成率 44
4-1-3 20座主要水庫近20年水質(以TP為指標) 46
4-1-4 20座主要水庫近5年水質(以TP為指標) 50
4-1-5 20座主要水庫20年水質Chl-a與TP、SD、TN之相關性 53
4-1-6 20座主要水庫20年水質(以Chl-a為指標) 57
4-1-7 20座主要水庫近5年水質(以Chl-a為指標) 60
4-1-8 20座主要水庫北中南分區分析 63
4-2 南化水庫水質模擬分析 68
4-2-1 SWMM模式水文模擬結果 68
4-2-2 SWMM模式水質模擬結果 70
4-2-3 Vollenweider模擬結果 72
4-3 南化水庫污染負荷評估 77
4-3-1 以平均值推估 77
4-3-2 以超越機率推估 80
4-4 Vollenweider模式與營養狀態指標比較 84
4-4-1 與總磷單一營養狀態指標比較 84
4-4-2 與CTSI綜合營養狀態指標比較 86
第五章、 結論 87
參考文獻 88

圖目錄
圖 1-1 研究規劃架構圖 2
圖 2-1 水體中水文與磷之輸出與輸入示意圖 8
圖 2-2 Vollenweider模式水體營養狀態對照圖 11
圖 2-3 石門水庫區域圖 12
圖 2-4 石門水庫Vollenweider模式率定驗證圖 13
圖 2-5 水體營養狀態對照圖 16
圖 3-1 台灣本島20座重要水庫之分布圖 17
圖 3-2 南化水庫集水區 19
圖 3-3 南化水庫集水區雨量站分布與徐昇氏切割結果示意圖 20
圖 3-4 南化水庫水質測站分布圖 21
圖 3-5 1994-2014南化水庫CTSI變化示意圖 21
圖 3-6 1994-2006南化水庫氮磷比 22
圖 3-7 1995-2014南化水庫總磷濃度變化 23
圖 3-8 南化水庫集水區地形高程圖 24
圖 3-9 南化水庫集水區之鄉鎮行政區域範圍圖 26
圖 3-10 南化水庫集水區土地利用分佈圖 29
圖 3-11 SWMM模式演算流程圖 31
圖 3-12 SWMM模式運行模組架構圖 32
圖 3-13 邊界、土地利用、地形數值高程模型與河系示意圖 35
圖 3-14 BASINS模式介面與集水區劃分結果 36
圖 3-15 SWMM模式介面與集水區劃分示意圖 38
圖 3-16 南化水庫集水區徐昇氏切割結果 39
圖 4-1 20座主要水庫1997-2006年氮磷比分布圖 43
圖 4-2 各指標判定優養化之TP基準 46
圖 4-3 20座水庫20年CTSI與各TP指標判定優養化比例之比較 48
圖 4-4 20座水庫20年CTSI與各TP指標判定優養化比例之盒鬚圖 48
圖 4-5 20座水庫5年CTSI與各TP指標判定優養化比例之比較 52
圖 4-6 20座水庫5年CTSI與各TP指標判定優養化比例之盒鬚圖 52
圖 4-7 20座水庫葉綠素a與總氮之相關性 55
圖 4-8 20座水庫葉綠素a與總磷之相關性 55
圖 4-9 20座水庫葉綠素a與透明度之相關性 56
圖 4-10 20座水庫懸浮固體與透明度之相關性 56
圖 4-11 各指標判定優養化之Chl a基準 57
圖 4-12 20座水庫20年CTSI與各Chl a指標判定優養化比例之比較 59
圖 4-13 20座水庫20年CTSI與各Chl a指標判定優養化比例之盒鬚圖 59
圖 4-14 20座水庫近5年CTSI與各Chl a指標判定優養化比例之比較 62
圖 4-15 20座水庫近5年CTSI與各Chl a指標判定優養化比例之盒鬚圖 62
圖 4-16 北部水庫近5年優養化比例示意圖 64
圖 4-17 中部水庫近5年優養化比例示意圖 65
圖 4-18 南部水庫近5年優養化比例示意圖-1 67
圖 4-19 南部水庫近5年優養化比例示意圖-2 67
圖 4-20 南化水庫2009-2011年流量率定結果 68
圖 4-21 南化水庫2012-2014年流量驗證結果 69
圖 4-22南化水庫2009-2014年模擬總磷率定驗證結果示意圖 70
圖 4-23 南化水庫集水區污染來源 73
圖 4-24 Vollenweider模式模擬結果 74
圖 4-25 Vollenweider模擬結果優養狀態示意圖 76
圖 4-26 南化水庫集水區污染負荷熱點分布示意圖 79
圖 4-27 南化水庫2009-2014水力出流率季平均超越機率示意圖 81
圖 4-28南化水庫水力出流率季平均超越機率對照污染負荷之示意圖 83
圖 4-29 TP各指標判定基準 84


表目錄
表 2-1 OECD單一參數營養狀態標準 4
表 2-2 美國環保署單一參數營養狀態指標 4
表 2-3 Carlson單一參水庫水質指標 5
表 2-4 NLA單一參數營養狀態指標 5
表 2-5 OECD水庫水質營養狀態判定 6
表 2-6 CTSI指數值與水質營養程度之關係 7
表 2-7 總磷沉降率文獻資料 10
表 2-8 石門水庫SWMM之總磷負荷量推估 13
表 2-9 石門水庫各期程之污染負荷量與削減建議量 14
表 3-1 陸域地面水體水質標準 23
表 3-2 南化水庫集水區坡度分級表 24
表 3-3 南化水庫集水區各行政區域人口統計表 25
表 3-4 南化水庫集水區家庭污水產生污染負荷量推估 27
表 3-5 南化水庫集水區點源污染負荷量推估 27
表 3-6 越域引水污染負荷量 28
表 3-7 南化水庫集水區非點源土地利用面積 29
表 3-8 SWMM模式所需資料整理 34
表 3-9 SWMM模式屬性資料對照表 37
表 3-10 SWMM模式所需輸入參數 38
表 3-11 南化水庫集水區徐昇氏切割面積與權重百分比 39
表 3-12 Vollenweider模式之參數 40
表 3-13 模式模擬結果之統計指標特性表 41
表 4-1 20座主要水庫1997-2006氮磷比分布百分比(%) 42
表 4-2 20座水庫水體分類及其總磷年平均達成率變化 44
表 4-3 20座水庫20年CTSI與各TP 指標判定優養化比例(%) 47
表 4-4 20座水庫5年CTSI與各TP 指標判定優養化比例(%) 51
表 4-5 20座水庫20年水質各參數間之相關性(r) 54
表 4-6 20座水庫20年CTSI與各Chl a 指標判定優養化比例(%) 58
表 4-7 20座水庫近5年CTSI與各Chl a 指標判定優養化比例(%) 61
表 4-8 北部水庫近5年優養化比例(%) 64
表 4-9 中部水庫近5年優養化比例(%) 65
表 4-10 南部水庫近5年優養化比例(%) 66
表 4-11 南化水庫2012-2014年流量率定驗證結果 69
表 4-12 南化水庫2009-2014年總磷率定驗證MAPE結果 70
表 4-13 各土地利用總磷模擬參數設定表 71
表 4-14 南化水庫集水區總磷污染負荷量 72
表 4-15 Vollenweider模式模擬結果 73
表 4-16 Vollenweider模式率定驗證MAPE結果 74
表 4-17 單位面積負荷量與水力出流率對照表 75
表 4-18 南化水庫目標總磷濃度之污染負荷總量及需削減總量推估 77
表 4-19 南化水庫集水區污染負荷熱點及土地利用比例 78
表 4-20 南化水庫水力出流率範圍百分比 80
表 4-21 南化水庫2009-2014水力出流率超越機率 81
表 4-22 南化水庫各超越機率間水力出流率對照之污染負荷 82
表 4-23 南化水庫各超越機率間污染負荷量及削減量推估 82
表 4-24 各總磷營養狀態指標與Vollenweider營養狀態對照 85
表 4-25 CTSI與Vollenweider營養狀態對照 86

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