南化水庫位於台南縣南化鄉曾文溪支流後堀溪流域上，其水源除本身集水區外，另由高屏溪支流旗山溪的甲仙攔河堰於枯水期及豐水期初期越域引水。南化水庫供應大台南及部分高雄地區之民生用水，其水質之優劣對民生用水及淨水廠處理成本影響甚大。根據行政院環保署於南化水庫水質使用卡爾森優養指標綜合評估，可發現近年來水庫水質已趨向「普養」及「優養」，為維護水庫水質及防止水質繼續惡化，本研究期能藉由水質調查及即時監測並建立完整的三維水質模式，以通盤了解南化水庫水體之水質狀況，解析水庫水質現況及未來變化趨勢，做為改善水庫水質之參考。
本研究建立之環境生態模擬系統主要是採用美國海洋生態系統動力模式實驗室(Marine Ecosystem Dynamics Modeling Laboratory)所發展之FVCOM (Finite Volume Coastal Ocean Model)三維水理、水質模式，作為水庫動力及水質之分析工具，模擬南化水庫三維水理及水質環境。
水庫是一個複雜多變的生態環境系統，水庫流量會隨著淨水場需求及上游進流每日皆呈現不同變化，水體之流動情形對於水庫生態系統是非常重要的影響因素，水質生態模式必須了解水庫中溫度分佈情形、垂直層傳輸速率、進流及出流之水質狀況、水力停留時間及日照度之影響等因素。所以整體模式系統以三維水動力模式為主，模擬水庫動態循環機制；水環境生態模式包含葉綠素甲、溶氧、碳生化需氧量、氨氮、硝酸氮(含亞硝酸氮)、有機氮、磷酸鹽及有機磷等八個主要變數。
本研究以2007年監測資料做為模式校驗之根據，再以2008年監測資料做為模式驗證之憑據，由研究成果分析計算得知，模式水位模擬與實測水位資料相符，流場雖無實測資料驗證，但其水理現象亦屬合理；水質方面，由研究成果指出，浮游植物生長會受限於水溫、營養鹽及水力停留時間，冬天時水溫較低，且面臨枯水期，上游流量稀少，營養鹽濃度較低，導致限制浮游植物之生長；於春季及夏季期間，日照強度逐漸增強，且豐水期來臨，帶來大量營養鹽，使藻類生長茂盛，且表層水溫因日照強度增強而升高，與底層溫度差距漸大，逐漸形成分層現象，對水理及水質皆會造成影響。模式使用卡爾森指標判別水庫優養化程度，再與環保署於庫區四季採樣分析資料進行比對，其結果相符，故可利用此模式掌握各季節水庫水質之變化趨勢，做為改善水庫營運操作之參考。

Nahua reservoir is an important water resource for supplying drinking water to the Tainan area and a part of Kaohsiung in Taiwan. In recent years, Nanhua reservoir suffers eutrophication problems as many other reservoirs in Taiwan. In order to study eutrophication problems in reservoirs, a three-dimensional hydrodynamic and water quality model has been constructed using the FVCOM (Finite Volume Coastal Ocean Model) model to simulation the hydrodynamics, the nutrient dynamics and the phytoplankton growth in the Nanhua reservoir.
The modeling of 3D hydrodynamics is the basic module dominating the circulation in the reservoir. The 3D eutro-dynamics are also calculated by the water quality module, which includes the dynamic variations of chlorophyll-a (Chl-a), dissolve oxygen (DO), carbon biological oxygen demand (CBOD), ammonia nitrogen (NH3-N), nitrate nitrogen (NO3-N), organic nitrogen (ON), phosphate (PO4) and organic phosphorus (OP).
The model was first calibrated with the data measured in 2007 and, then, verified with the 2008 data. The model results are in reasonable agreement with the field measurements, both in the calibration and the verification phases. The water level variations are influenced by daily supply for the drinking water treatment and the inflows from the catchment and from Chiashian aqueduct during the dry season in spring. Nutrients are mainly carried into the reservoir through these routes. The residence time in the reservoir and the phytoplankton response with the nutrient loads are calculated.
The model results indicated that phytoplankton growth is limited by low temperature and long residence time during the winter. The chlorophyll levels are getting higher from spring through out summer, which is due to enough sun lights and high nutrient loads carried by the catchment runoff. Surface temperatures are higher then the bottom layers causing stratification that worsen the eutrophication problems.
Besides the comparisons by hydrodynamic and water quality parameters, the Carlson Trophic State Index (CTSI) has been calculated to categorize the eutrophication levels in the reservoir, which have shown good agreement with the CTSI calculated from EPA sampling data. Therefore, the model can be used as a tool for water quality management in the Nanhua reservoir.

目錄
目次 頁次
致謝--------------------------------------------------------- Ⅰ
中文摘要---------------------------------------------------- Ⅱ
Abstract------------------------------------------------------ Ⅳ
目錄-------------------------------------------------------- Ⅵ
表目錄------------------------------------------------------ Ⅸ
圖目錄------------------------------------------------------ Ⅹ
第一章 緒論----------------------------------------------- 1
1.1 研究動機------------------------------------------- 1
1.2 研究目的------------------------------------------- 2
1.3 研究方法------------------------------------------- 2
1.4 研究架構------------------------------------------- 3
第二章 文獻回顧------------------------------------------ 5
2.1 水庫相關研究-------------------------------------- - 5
2.2 水庫水理水質模式相關研究-------------------------- 6
2.3 小結----------------------------------------------- 9
第三章 水庫三維水理及水質生態模式建置---------------- 10
3.1 模式簡介-------------------------------------------- 10
3.2 水動力模式------------------------------------------ 10
3.2.1 水動力控制方程式------------------------------ 11
3.2.1 擴散傳輸方程式-------------------------------- 12
3.3 水質生態模式-----------------------------------------13
3.3.1 浮游植物----------------------------------------13
3.3.1.1 浮游植物生長率--------------------------- 14
3.3.1.2 浮游植物呼吸及死亡率-------------------- 16
3.3.2 磷的循環----------------------------------------16
3.3.3 氮的循環----------------------------------------17
3.3.4 溶氧平衡---------------------------------------- 20
第四章 三維水質生態模式於南化水庫之運用----------------23
4.1 南化水庫背景簡介及相關資料分析----------------------23
4.1.1 地理環境----------------------------------------23
4.1.2 氣象及水文-------------------------------------- 24
4.1.3 水質資料分析----------------------------------- 26
4.1.4 水域生態環境------------------------------------28
4.1.5 人文資訊----------------------------------------29
4.2 模式建置及輸入數據-----------------------------------30
4.2.1 水庫水理模式地形之建置------------------------ 30
4.2.2 模式初始條件及邊界條件------------------------ 32
4.3 參數敏感度分析---------------------------------------34
4.4 使用參數----------------------------------------------35
4.5 案例模擬----------------------------------------------37
第五章 結果與討論------------------------------------------39
5.1 水理模擬------------------------------------------------39
5.1.1 水位模擬---------------------------------------- 39
5.1.2 水溫模擬---------------------------------------- 41
5.1.3 流場模擬---------------------------------------- 48
5.1.4 水力停留時間----------------------------------- 63
5.2 水質模擬----------------------------------------------65
5.2.1 葉綠素甲---------------------------------------- 65
5.2.2 總磷-------------------------------------------- 66
5.2.3 總氮-------------------------------------------- 66
5.2.4 溶氧及生化需氧量------------------------------- 66
5.2.5 小結-------------------------------------------- 67
5.3 水質優養指標評估-------------------------------------86
第六章 結論與建議----------------------------------------- 90
6.1 結論--------------------------------------------------90
6.2 建議--------------------------------------------------91
參考文獻----------------------------------------------------- 92
附錄A 水質模式參數參考文獻------------------------------- 96
附錄B 水質參數敏感度分析---------------------------------- 98

表目錄
表 4-1-1 南化水庫大壩水質監測站水溫觀測紀錄表---------- 24
表 4-1-2 南化水庫氣象測候站觀測紀錄表------------------- 25
表 4-1-3 測站一水質統計資料(2002~2008)------------------ 27
表 4-1-4 測站二水質統計資料(2002~2008)------------------ 27
表 4-1-5 測站三水質統計資料(2002~2008)------------------ 27
表 4-1-6 世界經濟合作發展組織(OECD)之湖泊水庫優養程度分級標準-------------------------------------------------------------28
表 4-2-1 溫度資料初始值---------------------------------- 32
表 4-2-2 氣象條件相關數值------------------------------- 33
表 4-2-3 水質模式之初始條件與邊界輸入條件--------------- 33
表 4-4-1 南化水庫水質生態模式相關輸入參數-------------- 35
表 5-3-1 Carlson 單一參數判定優養化之標準--------------- 87
表 5-3-2 Carlson 優養指數法(CTSI)------------------------- 87
表 5-3-3 2007年~2008年南化水庫大壩(測站三)各季節優養化程度分析-------------------------------------------------------------88

圖目錄
圖 2-2-1 σ座標模式垂直分層示意圖----------------------- 8
圖 3-3-1 FVCOM水質生態模式水質變數之間相互關係圖----- 22
圖 3-3-2 FVCOM沉積物水質生態模式水質變數之間相互關係圖22
圖 4-1-1 南化水庫2007年全年入流、出流及蓄水容量關係圖- 26
圖 4-1-2 行政院環保署水質測站分佈示意------------------- 28
圖 4-2-1 南化水庫模式計算範圍及網格示意圖--------------- 31
圖 4-2-2 南化水庫模擬水深示意圖-------------------------- 31
圖 4-2-3 卡玫基颱風過後南化水庫模擬水深示意圖---------- 31
圖 5-1-1 2007年全年大壩處水位變化之比對(校正)----------- 40
圖 5-1-2 2008年全年大壩處水位變化之比對(驗證)----------- 40
圖 5-1-3 2007年全年大壩處表層水溫之比對(校正)----------- 42
圖 5-1-4 2008年全年大壩處表層水溫之比對(驗證)----------- 42
圖 5-1-5 2007年各測站垂直剖面水溫之比對(校正)---------- 44
圖 5-1-6 2008年各測站垂直剖面水溫之比對(驗證)---------- 45
圖 5-1-7 2007年水溫垂直分佈之季節性分佈----------------- 46
圖 5-1-8 2008年水溫垂直分佈之季節性分佈----------------- 47
圖 5-1-9 模式模擬範圍與實測水庫範圍對照圖--------------- 49
圖 5-1-10 2007年1月7日表層流場(平時,東北風)----------------- 50
圖 5-1-11 2007年1月20日表層流場(甲仙攔河堰進水,東北風)------ 50
圖 5-1-12 2007年5月7日表層流場(平時,東南風)----------------- 50
圖 5-1-13 2007年5月6日表層流場(甲仙攔河堰進水,東南風)------- 50
圖 5-1-14 2007年6月21日表層流場(甲仙攔河堰進水,東南風)------ 51
圖 5-1-15 2007年8月7日表層流場(平時,西風)------------------- 51
圖 5-1-16 2007年8月18日表層流場(聖帕颱風,西風)-------------- 51
圖 5-1-17 2007年10月19日表層流場(平時,東風)----------------- 51
圖 5-1-18 2007年10月7日表層流場(柯羅莎颱風,東風)------------ 52
圖 5-1-19 2008年1月7日表層流場(平時,東北風)----------------- 52
圖 5-1-20 2008年1月28日表層流場(甲仙攔河堰進水,東北風)------ 52
圖 5-1-21 2008年5月7日表層流場(平時,東南風)----------------- 52
圖 5-1-22 2008年6月10日表層流場(甲仙攔河堰進水,東南風)------ 53
圖 5-1-23 2008年7月7日表層流場(平時,西風)------------------- 53
圖 5-1-24 2008年7月17日表層流場(卡玫基颱風,西風)------------ 53
圖 5-1-25 2008年11月22日表層流場(平時,東北風)---------------- 53
圖 5-1-26 水庫垂直流場斷面分布圖-------------------------- 54
圖 5-1-27 2007年1月7日垂直流場(枯水期、東北季風)--------- 57
圖 5-1-28 2007年1月20日垂直流場(枯水期、東北季風及甲仙攔河堰進流)58
圖 5-1-29 2007年6月19日垂直流場(豐水期、西南季風)-------- 59
圖 5-1-30 2008年6月10日垂直流場(豐水期初期、西南季風、甲仙攔河堰進流)----------------------------------------------------------- 60
圖 5-1-31 2008年7月17日垂直流場(豐水期、卡玫基颱風)------ 61
圖 5-1-32 2008年8月19日垂直流場(豐水期、卡玫基颱風過後之影響)62
圖 5-1-33 Tracers放置示意圖-------------------------------- 64
圖 5-1-34 枯水期期間各坑口及甲仙進水點之Tracers流動情形--- 64
圖 5-1-35 豐水期期間各坑口及甲仙進水點之Tracers流動情形-- 64
圖 5-1-36 枯水期期間各坑口及甲仙進水點之水力停留時間---- 64
圖 5-1-37 豐水期期間各坑口及甲仙進水點之水力停留時間---- 64
圖 5-2-1 2007年測站一水庫表層各水質項目比對圖(校正)----- 68
圖 5-2-2 2007年測站二水庫表層各水質項目比對圖(校正)----- 69
圖 5-2-3 2007年測站三水庫表層各水質項目比對圖(校正)----- 70
圖 5-2-4 2007年冬季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)71
圖 5-2-5 2007年春季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)71
圖 5-2-6 2007年夏季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)71
圖 5-2-7 2007年秋季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)71
圖 5-2-8 2007年冬季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)72
圖 5-2-9 2007年春季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)72
圖 5-2-10 2007年夏季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)72
圖 5-2-11 2007年秋季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)72
圖 5-2-12 2007年冬季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)73
圖 5-2-13 2007年春季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)73
圖 5-2-14 2007年夏季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)73
圖 5-2-15 2007年秋季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(校正)73
圖 5-2-16 2008年測站一水庫表層各水質項目比對圖---------- 74
圖 5-2-17 2008年測站二水庫表層各水質項目比對圖---------- 75
圖 5-2-18 2008年測站三水庫表層各水質項目比對圖---------- 76
圖 5-2-19 2008年冬季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)77
圖 5-2-20 2008年春季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)77
圖 5-2-21 2008年夏季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)77
圖 5-2-22 2008年秋季測站一各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)77
圖 5-2-23 2008年冬季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)78
圖 5-2-24 2008年春季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)78
圖 5-2-25 2008年夏季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)78
圖 5-2-26 2008年秋季測站二各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)78
圖 5-2-27 2008年冬季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)79
圖 5-2-28 2008年春季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)79
圖 5-2-29 2008年夏季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)79
圖 5-2-30 2008年秋季測站三各項水質項目垂直剖面比對圖(驗證)79
圖 5-2-31 2007年葉綠素甲垂直分佈之季節性分佈------------- 80
圖 5-2-32 2007年溶氧垂直分佈之季節性分佈------------------- 81
圖 5-2-33 2007年磷酸鹽垂直分佈之季節性分佈----------------- 82
圖 5-2-34 2008年葉綠素甲垂直分佈之季節性分佈------------- 83
圖 5-2-35 2008年溶氧垂直分佈之季節性分佈------------------- 84
圖 5-2-36 2008年磷酸鹽垂直分佈之季節性分佈-------------- 85
圖 5-3-1 Carlson 多變數優養指標法(CTSI)------------------ 89
圖 5-3-2 Carlson 單一水質參數指標(葉綠素甲)----------------- 89
圖 5-3-3 Carlson 單一水質參數指標(總磷)----------------------89

中文部份
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