運用QUAL2K水質模式研擬霄裡溪流域之總量管理策略

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研究生：	許正俊 Chang-Chun Hsu
論文名稱：	運用QUAL2K水質模式研擬霄裡溪流域之總量管理策略 Management strategy development via QUAL2K model – A case study of Xiaoli Creek
指導教授：	秦靜如
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 環境工程研究所在職專班 Executive Master of Environmental Engineering
論文出版年：	2016
畢業學年度：	104
語文別：	中文
論文頁數：	137
中文關鍵詞：	畜牧糞尿、生化需氧量、氨氮、涵容能力
外文關鍵詞：	livestock, biochemical oxygen demand, ammonia nitrogen, capacity for pollution
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水污染防治工作在國內外皆為一重要的議題，近年來臺灣地區屢屢發
生重大水污染事件，破壞生活周遭的水環境，進而污染河川流域的水體水
質，因此水污染防治法第一條即說明「為防治水污染，確保水資源之清潔，
以維護生態體系，改善生活環境，增進國民健康，特制定本法」，顯示出
水污染防治工作的重要性。
有鑑於此，本研究以霄裡溪流域為例，運用QUAL2K 水質模式進行模擬
河川之污染量及涵容能力，本研究率定及驗證結果，以MAPE 進行檢核，其
範圍介於1.1%〜50%之間，證明QUAL2K 適用於模擬霄裡溪流域之污染量及
涵容能力，經模擬後生化需氧量及氨氮之污染量分別為278.4kg/d 及
45.4kg/d，而生化需氧量及氨氮之涵容能力分別為79.4kg/d 及7.4kg/d，
需分別削減生化需氧量278.4kg/d 及氨氮45.4kg/d，方使霄裡溪流域符合
甲類水體水質。
本研究針對污染量的削減，提出六個總量管理策略進行污染量的削
減，其中以「畜牧糞尿沼液沼渣作為農地肥分使用」之改善效果最佳，可
完全削減污染項目並保有餘裕量，另外可同時執行幾個不同的管理策略並
以最經濟的管理策略進行改善水體水質。

There have been frequent sever water pollution which affect the water quality
nearby in urban areas and river basins in recent years. As a result, the first
article of Water Pollution Control Act was enacted with the purpose to prevent
water pollution, to remediate the polluted water body, to ensure the quality of
water resources, and to protect the ecology.
The purpose of this work is to develop management strategy based on water
quality model, QUAL2K using a case study, Xiaoli Creek, Hsinchu. QUAL2K is
employed to simulate the amount of pollution and the capacity for pollution.
Estimation of the amount of pollutants is made by analyzing the data from
long-term water quality monitoring from both EPA and local government so as
to understand the level of pollution in Xiaoli Creek basin. After fieldwork and
sampling, the decrement of pollutant in Xiaoli Creek basin can be calculated by
the laws of water quality model. The modeling result is confirmed by MAPE,
ranging from 1.1% to 50% which proved the credibility of applying QUAL2K to
simulate the quantity of pollution and assimilative capacity in Xiaoli Creek basin.
The outcome from the simulation indicated that biochemical oxygen demand
(BOD) and ammonia nitrogen (NH3-N) are 278.4kg/d and 45.4kg/d, respectively.
Meanwhile, the assimilative capacity of BOD and ammonia nitrogen are
79.4kg/d and 7.4kg/d, respectively. The results require 278.4kg/d deduction in
assimilative capacity and 45.5 kg/d in ammonia nitrogen for Xiaoli Creek to
meet the water body quality of classification A.
The study brought up six strategies of total amount management in quantity of
pollution deduction. The most effective solution is utilization of faeces from
livestock as fertilizer to the farm. The strategy is able to eliminate pollutants
without any compromises. On the other hand, executing multiple strategies
enables us to find out the most economical combination to improve the water
body.

中文摘要        I
英文摘要    II
誌謝        III
目錄        IV
圖目錄    VI
表目錄    VIII
第一章 緒論    1
  1.1 研究動機    1
  1.2 研究目的    2
  1.3 研究範圍    3
第二章 文獻回顧    5  2.1 新竹縣霄裡溪流域概述    5
   2.1.1 霄裡溪流域水文概況    5
   2.1.2 霄裡溪流域氣象概況    6
   2.1.3 霄裡溪流域水體水質現況    8
   2.1.4 霄裡溪流域水質監測情形    11
   2.1.5 霄裡溪流域之事業列管情形    17
  2.2 QUAL2K水質模式相關研究    20
  2.3 QUAL2K水質模式    27
   2.3.1 水質模式介紹    27
   2.3.2 QUAL2K基本架構及發展歷史    29
   2.3.3 QUAL2K模式概念及理論    30
   2.3.4 QUAL2K模式建立及校正    35
  2.4 我國河川管理策略方式說明    36
第三章 研究方法    43
  3.1 霄裡溪流域調查與污染分析    43
   3.1.1 水質測站選定及調查    43
   3.1.2 河川調查及水質採樣作業    46
   3.1.3 水質模式之建立    50
  3.2  QUAL2K水質模式模擬情形    63
第四章 結果與討論    71
  4.1 霄裡溪流域水質分析結果    71
  4.2 水質模式率定結果    77
  4.3 水質模式驗證結果    86
  4.4 水質模式之檢定    96
  4.5 支流及排水水質水量調查結果    97
  4.6 涵容能力分析    98
  4.7 霄裡溪流域水質水量總量管理策略    101
   4.7.1 加強稽查管制作業    101
   4.7.2 放流水標準加嚴    103
   4.7.3 興建現地處理設施    104
   4.7.4 興建公共污水下水道系統    105
   4.7.5 清潔養豬    106
   4.7.6 畜牧糞尿沼液沼渣作為農地肥分使用    107
  4.8 整合霄裡溪流域總量管理策略    109
第五章 結論與建議    113
  5.1 結論    113
  5.2 建議    115
參考文獻    117
附錄    119
 
圖目錄
圖 1.1  研究流程    3
圖 2.1  霄裡溪位置圖    5
圖 2.2  新竹縣96年至104年間每月平均雨量圖    7
圖 2.3  鳳山溪流域之水質測站分布情形    8
圖 2.4  全國環境水質監測資訊網    13
圖 2.5  95年至104年三聖橋測站之平均河川污染指標變化趨勢圖    14
圖 2.6  95年至104年間三聖橋測站之四項水質變化趨勢圖    14
圖 2.7  新竹縣政府環境保護局自行監測之水質測站分布圖    15
圖 2.8  新竹縣環保局自行監測測站水質趨勢圖    17
圖 2.9  QUAL2K河段劃分概念圖    31
圖 2.10 QUAL2K中營養鹽的質量平衡示意圖     33
圖 2.11 QUAL2K的質量傳輸模式流程圖     34
圖 2.12 水質模式建立流程(環保署，2011)    35
圖 3.1  霄裡溪流域測站位置圖    44
圖 3.2  104年8月21日霄裡溪主流及支流排河川調查及水質採樣情
        形    48
圖 3.3  104年9月4日霄裡溪主流及支流排河川調查及水質採樣情形    49
圖 3.4  霄裡溪之QUAL2K河段劃分圖    51
圖 3.5  銳緣堰（sharp-crested）示意圖    63
圖 3.6  梯形渠道（Trapezoidal channel）示意圖    66
圖 4.1  率定作業-流量實測與模擬預測結果    77
圖 4.2  率定作業-深度實測與模擬預測結果    78
圖 4.3  率定作業-流速實測與模擬預測結果    79
圖 4.4  率定作業-溫度實測與模擬預測結果    79
圖 4.5  率定作業-導電度實測與模擬預測結果    80
圖 4.6  率定作業-懸浮固體實測與模擬預測結果    81
圖 4.7  率定作業-溶氧實測與模擬預測結果    82
圖 4.8  率定作業-生化需氧量實測與模擬預測結果    82
圖 4.9  率定作業-氨氮實測與模擬預測結果    83
圖 4.10 率定作業-硝酸鹽氮實測與模擬預測結果    83
圖 4.11 驗證作業-流量實測與模擬預測結果    86
圖 4.12 驗證作業-深度實測與模擬預測結果    87
圖 4.13 驗證作業-流速實測與模擬預測結果    88
圖 4.14 驗證作業-溫度實測與模擬預測結果    88
圖 4.15 驗證作業-導電度實測與模擬預測結果    89
圖 4.16 驗證作業-懸浮固體實測與模擬預測結果    90
圖 4.17 驗證作業-溶氧實測與模擬預測結果    91
圖 4.18 驗證作業-生化需氧量實測與模擬預測結果    91
圖 4.19 驗證作業-氨氮實測與模擬預測結果    92
圖 4.20 驗證作業-硝酸鹽氮實測與模擬預測結果    93
圖 4.21 生化需氧量敏感度分析    96
圖 4.22 氨氮敏感度分析    97
圖 4.23 鹿鳴橋(黃黎園坑幹線)污染源    97
圖 4.24 汶水溪橋(汶水溪幹線)污染源    98
圖 4.25 霄裡溪現地處理設施整體計畫配置圖    105

 
表目錄
表2.1  新竹縣96年至104年間每月平均雨量表(毫米)    7
表2.2  行政院環境保護署及地方政府「水區、水體分類」公告說明
       表        9
表2.3  地面水體分類及水質標準    10
表2.4  95年至104年三聖橋測站地面水體分類達成情形    11
表2.5  RPI之計算及比對基準表    12
表2.6  霄裡溪流域列管之事業名單    18
表2.7  各類水質模式    28
表2.8  流量、流速及水深函數之參數建議值    32
表2.9  QUAL2K質量傳輸模式流程代表符號說明表    34
表3.1  霄裡溪之各水質測站資料表    45
表3.2  水質檢驗方法    46
表3.3  QUAL2K模式所需輸入之參數    52
表3.4  水質模擬所需輸入的建議參數數值範圍    54
表3.5  QUAL2K模式輸出項目    59
表3.6  再曝氣係數建議範圍值    61
表3.7  河川底泥需氧量範圍值與平均值    62
表3.8  曼寧係數n值之參考表    68
表3.9  MAPE預測能力分級表    70
表4.1  霄裡溪主流及支流排水水質分析(104年8月21日)    73
表4.2  霄裡溪主流及支流排水水質分析(104年9月4日)    76
表4.3  各測站率定情形及MAPE預測能力情形    85
表4.4  各測站驗證情形及MAPE預測能力情形    94
表4.5  率定及驗證之MAPE預測能力情形    95
表4.6  霄裡溪主流及支流之涵容能力    100
表4.7  總量管理策略比較    109

                                

1.水污染源管制資料管理系統，http://waterpollute.epa.gov.tw，行政院環保署。
2.行政院環保署，環保法規，http://www.epa.gov.tw/，行政院環保署。
3.交通部中央氣象局，氣候統計，http://www.cwb.gov.tw，交通部中央氣象局。
4.新竹縣戶政服務網，http://w3.hsinchu.gov.tw/house/main/，新竹縣政府。
5.水量測定方法，93年9月，行政院環保署。
6.河川、湖泊及水庫水質採樣通則，94年4月，行政院環保署。
7.社區污水下水道操作管理手冊，98年，行政院環保署。
8.100年度新竹縣養猪業源頭減量清潔養猪(猪廁所)及猪糞再利用示範推廣計畫，100年，
新竹縣政府環境保護局。
9.環境影響評估河川水質評估模式技術規範，101年3月，行政院環保署。
10.公共污水下水道管線設計手冊，103年，內政部營建署。
11.水體污染總量管制執行作業手冊，103年2月，行政院環保署。
12.霄裡溪流域水質改善工程，103年4月，新竹縣政府環境保護局。
13.103年環境影響評估河川水質模式技術支援計畫，103年11月，行政院環保署。
14.水污染總量管制及降雨逕流非點源最佳管理技術指引第10301期講義，103年12月，
行政院環保署。
15.畜牧廢水處理、節能、省水措施研習及觀摩會講義，104年7月，行政院農委會。
16.104環評河川水質評估模式經驗交流會講義，104年9月，行政院環保署。
17.畜牧業因應水污法修正、水污費徵收及畜牧糞尿沼渣沼液做為農地肥分使用說明會講義，
104年12月，行政院環保署。
18.申請水污染防治措施及檢測申報管理辦法沼液沼渣農地肥分使用計畫範例說明，104年12月，
行政院環保署。
19.105年度新竹縣水污染源稽查與水污費徵收查核計畫，105年，新竹縣政府環境保護局。
20.水污染防治費徵收制度及衝擊研析計畫，99年，行政院環保署。
21.水污染防治費新增徵收項目之篩選及費率訂定評析計畫，104年，行政院環保署。
22.全國水體污染總量管制經驗交流會議會議資料，105年2月，行政院環保署。
23.畜牧糞尿沼液沼渣做為農地肥分使用評估計畫政策推動說明會，105年3月，行政院環保署。
24.我國河川污染總量管制與污染削減措施推動進度及方向研討會議會議資料，105年3月，行政院環
保署。
25.黃聖授，高屏溪涵容能力之評估，國立中山大學環境工程研究所，碩士論文，89年。
26.黃鵬毅，QUAL2K運用於淡水河系用戶接管最適化配當之研究，國立聯合大學環境工程與安全衛生
學系碩士班，碩士論文，94年。
27.李漢鏗，QUAL2K於舊濁水溪水污染防治之應用，逢甲大學水利工程與資源保育研究所，碩士論
文，96年。
28.林順良，彰化縣境內舊濁水溪非感潮河段整治方案之探討，大葉大學環境工程學系碩士在職專班
，碩士論文，96年。
29.黃日昇，應用QUAL2K建立高屏溪及東港溪河川水質模式與管理策略之研究，國立屏東科技大學環
境科學與工程系，碩士論文，97年。
30.曾淑君，QUAL2K應用於台中市河川水污染防治之研究，逢甲大學環境工程與科學所，碩士論文，
98年。
31.林雅茹，應用水質模式研擬東港溪流域之水質管理策略，國立屏東科技大學環境工程與科學系
所，碩士論文，99年。
32.黃珮瑜，QUAL2K模式評估人工濕地改善大漢溪水質之研究，淡江大學水資源及環境工程學系碩士
班，碩士論文，100年。
33.高育琦，QUAL2K模式於美崙溪流域水污染整治之應用，國立宜蘭大學環境工程學系碩士班，碩士
論文，101年。
34.吳佩倩，應用QUAL2K模式探討得子口溪主要污染河段削減策略對水質之影響，國立宜蘭大學綠色
科技學程碩士在職專班，碩士論文，101年。
35.鄭湘琳，QUAL2K應用於台中市旱溪流域水污染防治策略之研究，逢甲大學環境工程與科學系，碩
士論文，102年。
36.劉惠民，以水質模擬模式驗證推動豬廁所對二仁溪河川水質改善成效之研究，國立高雄第一科技
大學工程科技研究所，博士論文，102年。
37.陳建男，以QUAL2K模式研擬貓羅溪流域水質管理策略，國立暨南國際大學土木工程學系，碩士論
文，103年。
38.陳凱玄，景美溪及基隆河之水污染總量管制策略研究，明志科技大學環境與安全衛生工程系，碩
士論文，103年。

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