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系統識別號 U0002-1806201419385200
中文論文名稱 水庫水質管理指標之研究
英文論文名稱 Water quality index 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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 劉軒如
研究生英文姓名 Hsuan-Ju Liu
學號 601480444
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-12
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-康世芳
委員-李柏青
委員-柯明賢
中文關鍵字 營養狀態指標  優養化  卡爾森  水質管理  主成分分析法 
英文關鍵字 Trophic state index  eutrophication  reservoir  Water quality management  principal components analysis 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 各國使用不同水質營養狀態指標管理湖泊、水庫水質,台灣環保署應用卡爾森(Carlson trophic State index TSI, CTSI ),CTSI水質參數包含葉綠素-a(Chl-a)、透明度(SD)與總磷(TP)。本研究使用石門水庫及翡翠水庫1993-2012年之水質監測資料計66組,研究目的: (1) 比較各營養狀態指標之差異、(2)探討石門水庫及翡翠水庫之優養化限制營養源、(3)評估各營養狀態指標判定優養化之差異。此外,營養狀態指標包含CTSI、OECD綜合指標、加拿大總磷單一參數指標、中國大陸綜合營養狀態指數法(TLI)、及美國勘薩斯州葉綠素a(TSI(chl-a))、及美國佛羅里達州TSI(TSI)。
研究結果顯示各水質營養狀態依參數項目、指標函數,其分級為3-6類,CTSI分級3類,易判定水質為優養化。石門水庫與翡翠水庫之TN/TP平均比值分別為13.67與21.88,故其優養化限制營養鹽分別為TN及TP與TP。主成分分析法選定石門水庫水質優養化主要影響因子為TN、葉綠素a與TP,翡翠水庫則為SS、TP與TN。CTSI水質參數相關性顯示總磷與CTSI相關性為優於葉綠素a與CTSI相關性。以CTSI判定優養化比例為9-14%,OECD與TSI(chl-a)則分別為1-2%與0-12%;OECD之優養化比例很低,乃因其分類為5類,判定優養化之營養狀態值為54.2大於CTSI之50所致。且。此外,由於翡翠水庫葉綠素a濃度低,其範圍為0.15-7.05 μg/ L (平均值2.42 μg/ L),致使以TSI(chl-a)判定優養化比例為0。綜合結果,因CTSI分級只分為3類,造成判定為優養化比例高,建議台灣環保署檢討其它營養狀態指標應用於水庫水質管理之適宜性。
英文摘要 Various trophic state indices are used to manage water quality in lakes and reservoirs in countries.The Taiwan EPA uses the Carlson trophic State index (CTSI) and its water quality parameter includes chlorophyll-a (Chl-a)、Secchi depth transparency (SD) and total phosphorus. The water quality data of Shimen reservoir and Feitsui reservoirs, which was monitored during 1993 to 2012, was collected from the Taiwan EPA. The purposes of this research were: (1) to review the trophic classification among trophic state indices, (2) to evaluate limiting nutrient of eutrophication in the Shimen reservoir and Feitsui reservoir, (3) to assess the eturophication ratio by various trophic state indices. Moreover, the trophic state indices included CTSI, OECD comprehensive index (OECD), the Canadian single parameter index on total phosphorus (TP), China trophic level index (TLI), Florida trophic state index (TSI), and Kansas trophic state index on Chl-a (TSI(Chl-a)).
The result shows that based on water quality parameters and Sub-index function, trophic status of water quality can be grouped into 3-6 classifications. It was easier to be considered as eutrophic status by CTSI because CTSI grouped trophic status only into 3 classifications. The average of total N/P ratio of Shimen reservoir and Feitsui reservoir was 13.67 and 21.88. And, limiting nutrient was TN and TP for Shimen reservoir, whereas it was only TP for Feitsui reservoir. The result from the principal components analysis indicated the main parameters causing eutophication for Shimen reservoir and Feitsui reservoir were TN, Chl-a, TP, and SS, TP, TN, respectively. The correlation between CTSI and TP was better than that between CTSI and Chl-a. The ratio of eutrophic status was 9-14% by CTSI, and there were 1-2% and 0-12%, respectively, for OECD and TSI(Chl-a). It indicated the very lower ratio of eutrophic status by OECD because OECD grouped trophic status into 5 classifications, and the trophic status value for grouping eutrophic by OECD and CTSI was 54.2 and 50. Furthermore, due to being low concentration of Chl-a ranged 0.15-7.05μg/ L (average = 2.42 μg/ L) of Feitsui reservoir, the ratio of eutrophic status was 0%. Therefore, it could conclude that it was easier to be considered as eutrophic status by CTSI because CTSI grouped trophic status only into 3 classifications. It suggests that Taiwan EPA review the suitability of other trophic state indices to evaluate the trophic status of reservoir water quality.
論文目次 目錄
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 4
2-1 優養化定義 4
2-2 水質營養狀態評估指標 5
2-2-1 單一參數指標法 5
2-2-2 多參數指標法 8
2-3 化學需氧量之重鉻酸鉀迴流法及高錳酸鉀法關係 18
2-4 應用主成分分析法決定目標參數 19
第三章、 研究資料與方法 21
3-1 研究資料 21
3-1-1 石門水庫 22
3-1-2 翡翠水庫 23
3-2 水質指標工具 24
3-2-1 卡爾森營養狀態指數法 24
3-2-2 OECD單一參數指標 24
3-2-3 加拿大單一參數指標 25
3-2-4 綜合營養狀態指數法 25
3-2-5 Kratzer and Brezonik的營養狀況指標標準 25
第四章、 結果與討論 26
4-1 國內水庫水質優養化分析 26
4-1-1 優養化指標現況 26
4-1-2 卡爾森優養化指標與水質參數之相關性分析 30
4-1-3 季節變化對水庫(湖泊)優養化之影響 35
4-1-4 水庫之限制營養鹽 37
4-2 應用層級分析法(AHP)計算水庫優養化權重 38
4-3 石門水庫水質優養現況 44
4-3-1 多變數分析 44
4-3-2 水質優養化指標 47
4-3-3 卡爾森優養化指標與水質參數之相關性分析 55
4-3-4 顯著性檢定(F檢定) 59
4-3-5 季節變化對水庫(湖泊)優養化之影響 60
4-4 翡翠水庫水質優養現況 62
4-4-1 多變數分析 62
4-4-2 優養化指標現況 65
4-4-3 卡爾森優養化指標與水質參數之相關性分析 73
4-4-4 顯著性檢定(F檢定) 77
4-4-5 季節變化對水庫(湖泊)優養化之影響 78
4-5 水庫優養化指標之適宜性檢討 80
4-5-1 各水質營養狀態指標之優養化比例 80
4-5-2 CTSI與OECD綜合指標之比較 82
第五章、 結論 84
參考文獻 85


表目錄
表 2-1 OECD單一參數判定優養化之標準 5
表 2-2 Carlson單一參數判定營養狀態指標 6
表 2-3 美國環境保護署單一參數判定營養狀態指標 6
表2-4 TSI(Chl-a)判定水質營養狀態指標 6
表 2-5 加拿大總磷判定優養化指標 7
表 2-6 CTSI指數值與水質營養程度之關係 8
表 2-7 MTSI指數值與水質營養程度之關係 9
表 2-8 NCTSI指數值與水質營養程度之關係 10
表 2-9 TSI指數值與水質營養程度之關係 11
表 2-10 TSI指數值與水質營養程度之關係 12
表 2-11 TSI指數值與水質營養程度之關係 13
表 2-12 中國湖泊(水庫)部分參數與Chl-a的相關係數rij及rij2值 14
表 2-13 綜合營養指數分類 15
表 2-14 國外水質指標相關研究 16
表 2-15 國外水質指標相關研究(續) 17
表2-16 兩種方法對比分析值表 18
表 3-1 OECD綜合指標之級距 24
表 4-1 台灣地區七座水庫2007年至2011年水質透明度之分析 26
表 4-2 台灣地區七座水庫2007年至2011年水質葉綠素-a之分析 27
表 4-3 台灣地區七座水庫2007年至2011年水質總磷之分析 27
表 4-4 台灣地區七座水庫2007年至2011年水質CTSI之分析 28
表 4-5 七座水庫2007年至2011年平均之CTSI、總磷之營養狀況 30
表 4-6 七座水庫2007年至2011年平均之CTSI、透明度與營養狀況 31
表 4-7 七座水庫2007至2011年平均之CTSI、葉綠素-a與營養狀況 32
表 4-8 AHP法之評估尺度與說明(鄧振源與曾國雄,1989) 39
表 4-9 隨機指標表(Chen et al., 2012) 43
表 4-10 石門水庫主成份分析之特徵值及解釋變異量 45
表 4-11 石門水庫主成份負荷矩陣 46
表4-12 石門水庫水質參數統計資料 47
表 4-13 石門水庫1993年至2012年水質之分析 48
表 4-14 CTSI與透明度之線性迴歸變異數分析(anova)表 59
表 4-15 CTSI與葉綠素-a之線性迴歸變異數分析(anova)表 60
表 4-16 CTSI與總磷之線性迴歸變異數分析(anova)表 60
表 4-17 翡翠水庫主成份分析之特徵值及解釋變異量 63
表 4-18 翡翠水庫主成份主成份負荷矩陣 64
表4-19 翡翠水庫水質參數統計資料 65
表 4-20 翡翠水庫1993年至2012年水質分析 66
表 4-21 CTSI與透明度之線性迴歸變異數分析(anova)表 77
表 4-22 CTSI與葉綠素-a之線性迴歸變異數分析(anova)表 78
表 4-23 CTSI與總磷之線性迴歸變異數分析(anova)表 78
表 4-24 CTSI與OECD單一參數及綜合指標之營養狀態分佈比例 82

圖目錄
圖 1-1 研究方法流程圖 3
圖 3-1 臺灣本島水庫水資源分配示意圖 21
圖 3-2 石門水庫集水區範圍圖 22
圖 3-3 翡翠水庫集水區各類測站位置分布圖 23
圖 4-1 台灣地區七座水庫2007-2011年CTSI值之分佈 29
圖 4-2 台灣地區七座水庫2007-2011年CTSI盒鬚圖 29
圖 4-3 水庫總磷濃度與CTSI值之關係 31
圖 4-4 水庫透明度與CTSI之關係 32
圖 4-5 水庫葉綠素-a與CTSI之關係 33
圖 4-6 總磷與葉綠素-a之相關性 34
圖 4-7 總磷與透明度之相關性 34
圖 4-8 北部水庫四季CTSI之盒鬚圖 35
圖 4-9 中部水庫四季CTSI之盒鬚圖 36
圖 4-10 南部水庫四季CTSI之盒鬚圖 36
圖 4-11 離島水庫四季CTSI之盒鬚圖 37
圖 4-12 石門水庫主成分分析之陡坡圖 45
圖 4-13 石門水庫水質變化趨勢 49
圖 4-14 石門水庫1993-2012年CTSI值之分佈 50
圖 4-15 石門水庫1993-2012年OECD綜合指標之分佈 51
圖 4-16 石門水庫1993-2012年加拿大單一指標之分佈 52
圖 4-17 石門水庫1993-2012年綜合營養指數法之分佈 53
圖 4-18 石門水庫1993-2012年TSI營養指數法之分佈 54
圖 4-19 石門水庫CTSI與TSI(TP)之關係 55
圖 4-20 石門水庫CTSI與TSI(SD)之關係 56
圖 4-21 石門水庫CTSI與TSI(Chl-a)之關係 56
圖 4-22 石門水庫TSI(Chl-a)與TSI(TP)之關係 57
圖 4-23 石門水庫懸浮固體物濃度與透明度之關係 57
圖 4-24 CTSI與pH之關係值 58
圖 4-25 CTSI與水溫之關係值 58
圖 4-26 石門水庫四季CTSI之盒鬚圖 61
圖 4-27 石門水庫四季總磷之盒鬚圖 61
圖 4-28 翡翠水庫主成分分析之陡坡圖 63
圖 4-29 翡翠水庫水質變化趨勢 67
圖 4-30 翡翠水庫1993-2012年CTSI值之分佈 68
圖 4-31 翡翠水庫1993-2012年OECD綜合指標之分佈 69
圖 4-32 翡翠水庫1993-2012年加拿大單一指標之分佈 70
圖 4-33 翡翠水庫1993-2012年綜合營養指數法之分佈 71
圖 4-34 翡翠水庫1993-2012年TSI營養指數法之分佈 72
圖 4-35 翡翠水庫CTSI與TSI(TP)之關係 73
圖 4-36 翡翠水庫CTSI與TSI(SD)之關係 74
圖 4-37 翡翠水庫CTSI與TSI(Chl-a)之關係 74
圖 4-38 翡翠水庫TSI(TP)與TSI(Chl-a)之關係 75
圖 4-39 翡翠水庫懸浮固體物濃度與透明度之關係 75
圖 4-40 CTSI與pH之關係值 76
圖 4-41 CTSI與水溫之關係值 76
圖 4-42 翡翠水庫四季CTSI之盒鬚圖 79
圖 4-43 翡翠水庫四季總磷之盒鬚圖 79
圖4-44 石門水庫各營養狀態指標優養程度 81
圖4-45 翡翠水庫各營養狀態指標優養程度 81

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