臺灣博碩士論文加值系統

台灣因為快速的工業化發展造成嚴重的水污染，影響了民眾日常生活的環境與健康。近年來政府非常重視台灣地區河川的污染防治。政府除了持續調查、改善、及維護河川水質外，並積極推動河川採用最佳管理作業 (Best Management Practices, BMPs)。在有限的資源及經費下，如何在河川的各種污染源中求得最佳的污染防治策略，是ㄧ重要且實際的課題。

本研究主要目的是以水質維護為主軸採用動態規劃來分析在符合河川的水質標準下，各種污染源之最佳削減策略。本研究以烏溪流域之南港溪支流流域 (愛蘭橋上游包括東埔溪、南港溪、及桃米坑溪) 來驗證模式的可行性。南港溪流域採用河川生態工法中的草溝、入滲溝、及人工濕地來改善河川水質。規劃結果顯示南港溪流域欲達到污染物符合甲類水體水質標準下，僅採用草溝及入滲溝等生態工法尚無法達到削減目標，必須加上人工濕地才能符合甲類水體的標準。動態規劃的結果顯示，最佳污染去除策略是在南港溪支流建造入滲溝，並在南港溪及東埔溪匯流口後 (愛蘭橋上游) 建一人工溼地來削減污染物。本研究所採用的動態規劃與以前研究所採用的灰色多目標規劃及隨機規劃比較的優點是，動態規劃中目標函數及限制條件中的函數均不必是線性關係式。但動態規劃的一個弱點是其計算過程較為煩雜。河川生態工法會因河川的位置及地形而受到不同的限制。人工濕地因需要較大的土地面積，其成本也會隨不同地點差異很大。本研究的動態規劃模式可應用在台灣其他河川流域，但會隨不同的河川地點及不同的污染物而有不同的成效。本研究分析的結果可提供給環保單位未來規劃河川水質標準的依據。

The industrial development in the past decades has resulted in serious water pollution in Taiwan. The pollution has directly affected the living environment of the general public. The Central Government and local governments of Taiwan are continuously promoting improving and maintaining water quality in rivers, lakes, and reservoirs. With limited resources and budget, it is imperative to identify Best Management Practices (BMPs) in pollution control strategies for multi-objective rivers, lakes, and reservoirs that include water quality, water supply, recreation, and landscape.

The objective of this research is to develop a dynamic programming model on water pollution controls for rivers. The research uses a dynamic programming technique to identify best strategies for reducing water pollution. These control strategies include several eco-technologies (e.g., grassed waterway, infiltration trench, and constructed wetland) for river basins. The study uses Nangang River Basin (a major tributary of Wu River) that includes three tributaries (Dongpu River, Nangang River, and Taomikeng River) to demonstrate the feasibility of the dynamic programming model. Results shows that the Nangang River Basin requires a combination of eco-technologies to help these rivers comply with the stringent water quality standard (Category A standards—almost no pollution). In addition, the expected increase in pollution in the future does not impose a threat to the water quality in Nangang River Basin. Comparing with previous studies using multi-objective gray linear programming and probabilistic models, the advantage of dynamic programming is that the method does not require the objective function and constraints be linear. On the other hand, the dynamic programming technique can be more complicated and cumbersome in arriving at optimal solutions. The dynamic programming model can be applied to other river basins in Taiwan and can identify optimal strategies of BMPs for rivers at different locations and with different water pollutants. Analysis results of this research can provide invaluable information and bases for amendments in future water quality standards.

中文摘要.............................................. i
英文摘要.............................................. ii
目錄.................................................. iii
表目錄................................................ v
圖目錄................................................ vi
第一章 緒論.......................................... 1-1
1.1 前言............................................ 1-1
1.2 研究動機及方法.................................. 1-2
第二章 文獻回顧.......................................2-1
2.1 台灣地區河川現況................................ 2-1
2.2 台灣河川污染防治現況.............................2-3
2.2.1 台灣地區河川水質現況........................ 2-5
2.2.2 台灣地區河川水質指標........................ 2-5
2.3 生態工法........................................ 2-11
2.4 成本計算介紹.................................... 2-18
2.5 多目標規劃理論基礎...............................2-21
2.5.1多評準決策................................. 2-21
2.5.2多目標規劃................................. 2-23
2.5.3多目標規劃之一般式......................... 2-25
2.5.4 權重法.................................... 2-26
2.6 動態規劃理論基礎.................................2-28
2.6.1 動態規劃.................................. 2-29
2.6.2 動態規劃之求解方法........................ 2-30
2.7 水質模式........................................ 2-33
第三章 研究方法...................................... 3-1
3.1河川規劃方法..................................... 3-2
3.2河川生態工法..................................... 3-2
3.2.1河川生態工法............................... 3-4
3.2.2 河川人工溼地設施.......................... 3-8
3.2.3 河川生態工法年總成本...................... 3-11
3.3動態規劃......................................... 3-12
第四章 模式驗證...................................... 4-1
4.1 南港溪流域現況.................................. 4-1
4.2 南港溪流域動態規劃................................ 4-5
4.2.1動態規劃之污染削減成本........................... 4-7
4.3 南港溪流域規劃結果與討論.......................... 4-11
4.3.1 最佳污染削減策略規劃結果........................ 4-11
4.3.2 進一步的動態規劃................................ 4-18
4.3.3 各種生態工法最低需求............................ 4-18
4.4 南港溪流域動態規劃結討論.......................... 4-22
第五章 結論與建議.................................... 5-1
5.1 結論............................................ 5-1
5.2 未來工作........................................ 5-3
參考文獻.............................................. 6-1
附錄A：單位污染削減率參數的詳細說明................... A-1
附錄B：南港溪流域動態規劃詳情......................... B-1
B.1 動態規劃模式之建立.............................. B-1
B.1.1生態工法成本計算........................... B-1
B.1.2動態規劃模式基本流程....................... B-3
B.2 動態規劃模式之最佳策略.......................... B-6

表目錄
表2.1-1 台灣重要河川流域面積前十名資料表............. 2-2
表2.1-2 台灣重要河川年輸砂量......................... 2-4
表2.2-1 97年度台灣河川污染現況....................... 2-6
表2.2-2 台灣地區重要河川污染情形統計分析表........... 2-7
表2.2-3 RPI指標的點數及積分表........................ 2-9
表2.2-4 97年1月台灣河川RPI值......................... 2-10
表2.2-5 WQI5 水質參數權重表.......................... 2-12
表2.2-6 WQI5 水質點數表.............................. 2-13
表2.2-7 WQI5 水質分類等級表.......................... 2-14
表2.3-1 結構性BMPs污染控制成效....................... 2-17
表2.4-1 生態工法之成本............................... 2-20
表2.5-1 多目標規劃與多屬性決策差異................... 2-22
表4.1-1 南港溪流域 (愛蘭橋) 污染量(Tik) (103 kg/year) 4-3
表4.1-2 南港溪流域 (愛蘭橋) 污染削減量及削減目標.... 4-4
表4.2-1 生態工法建置的4種Cases....................... 4-6
表4.2-2 生態工法之單位長度及單位面積污染削減量........4-8
表4.3-1 Case 1 動態規劃結果.......................... 4-12
表4.3-2 Case 2 動態規劃結果.......................... 4-13
表4.3-3 Case 3 動態規劃結果.......................... 4-15
表4.3-4 Case 4 動態規劃結果.......................... 4-16
表4.3-5 動態規劃結果比較－最低污染削減成本.......... 4-17
表4.3-6 動態規劃結果－污染削減成本(4、5段)........... 4-19
表4.3-7 動態規劃結果－污染削減成本(4、5段)........... 4-20
表4.3-8 動態規劃結果－河川生態工法最低需求........... 4-21
表4.3-9 動態規劃結果－人工溼地最低需求............... 4-23
表A-1 污染削減效率................................. A-2
表B.1-3 生態工法年總成本............................. B-5
表B.1-4 Case 1 動態規劃結果.......................... B-8
表B.1-5 Case 2 動態規劃結果.......................... B-9
表B.1-6 Case 3 動態規劃結果.......................... B-11
表B.1-7 Case 4 動態規劃結果.......................... B-16
表B.1-8 4,5段動態規劃結果(以Case3最低成本為出發點).. B-23
表B.1-9 4,5段動態規劃結果(以Case3第二低的成本為出發點)B-27
表B.1-10 4,5段動態規劃結果(以Case4最低成本為出發點)... B-31
表B.1-11 4,5段動態規劃結果(以Case4第二低的成本為出發點)B-35

圖目錄

圖2.6-1 動態規劃的序列性決策過程..................... 2-31
圖2.6-2 單段(階)決策問題............................. 2-34
圖3.1-1 研究流程圖................................... 3-3
圖3.2-1 河川污染削減成本計算圖....................... 3-5
圖3.2-2 草溝及入滲溝示意圖........................... 3-6
圖3.2-3 人工溼地斷面示意圖與平面配置圖............... 3-9
圖3.2-4 人工溼地污染去除成本示意圖................... 3-10
圖4.1-1 南港溪流域模擬河段示意圖..................... 4-2
圖4.2-1 動態規劃求解流程............................. 4-10
圖4.4-1 動態規劃最佳解............................... 4-25
圖4.4-1 動態規劃最佳解(續)........................... 4-26

中文參考文獻:
環保署環境監測及資訊處，全國河川97年1月份水質監測結果摘要說明，全國環境水質監測資訊網，2008
行政院環境保護署，國家環境保護計畫，2008
經濟部水利署，國內重要水情，2008
行政院主計處，2008
黃信慈，灰色多目標規劃應用在河川水污染防治策略之研究，逢甲大學環境工程與科學學系碩士論文，2008
李欣珍，隨機規劃應用在河川水污染防治策略之研究，逢甲大學環境工程與科學學系碩士論文，2008
陳宜清、柳孟宏，QUAL2K 模式應用於河川水質管理－以筏子溪為例，環境與管理研究，第八卷，第二期，2008
農田水利處，農田水利事業，2007
經濟部水利署 水利統計書刊，2007
南投縣政府環境保護局，九十五年度南港溪愛蘭橋測站污染整治整體規劃暨水質改善計畫，逢甲大學環境與安全衛生教育暨研究中心執行，2007
陳榮凱，以QUAL2K水質模式模擬狹長型人工溼地之研究，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系碩士論文，2007
溫清光、張智華、周建成，台灣河川水質指數(WQI) 成大環工系水質管理研究室，2006
劉醇慶，利用QUAL2K探討蘭陽溪氮鹽削減之影響，國立東華大學環境政策研究所碩士論文，2006
行政院環保署，台灣河川水質年報，2006
黃騰毅，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論文，2005
南投縣政府環境保護局，九十四年度南港溪愛蘭橋測站污染整治整體規劃暨水質改善計畫，逢甲大學環境與安全衛生教育暨研究中心執行，2005
駱莉玲，河川高灘地漫地流法之最適草種評選，國立成功大學環境工程學系碩士論文，2004
許志義，多目標決策 (增訂版)，五南圖書，2003
環保署，環境水質監測，2003
蕭慶章，實用河川工程(上)河川工程規劃，p.1-13~1-15，科技圖書，2003
林鎮洋、邱逸文，生態工法概論，p.21-22~198-200，2003
張乃斌，環境系統分析原理，茂昌圖書，2002
中華民國行政院環境保護署，計畫編號EPA-89-G108-02-1128，淡水和流域大漢溪、新店溪非點源污染分析調查及整治規劃板薪水原保護區、翡翠水庫水源集水區氮、磷污染調查、分析及整治規劃報告，美商傑明工程公司台灣分公司，2000
山脇正俊，近自然工學，信山社，2000
環保署，河川水質管理決策系統建立與應用，1999
高甲榮，近自然治理-以景觀生態學為基礎的荒溪(野溪)治理工程，北京林業大學學報，21(1)， p.80-85，1999
張乃斌，環境數學：系統優化原理，茂昌圖書，chap.7，1997
劉浚明，數學規劃：理論與實務，華泰書局，1995

英文參考文獻:
C.S. Revelle, E.E. Whitlach, and J.R. Wright, “Civil and Environmental Systems Engineering”, Prentice Hall, 1997
Brookes, A. and F.D. Shields Jr, River Channel Restoration. John Wiley & Sons, West Sussex, England, 1996
USEPA Office, Guidance Specifying Management Measures for Sources of Non-Point Pollution in Coastal Waters, 1990
L.C. Brown and T.O. Barnwell, “The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS: Documentation and User Manual”, Report EPA/600/3-87/007, U.S. EPA, Athens, GA, USA,1987.
Washington Metropolitan Water Resources Planning Board,” Controlling Urban Runoff”: A Practical Manual for Planning and Designing Urban BMPs, 1987
M. Zeleny, “Multiple Criteria Decision Making”, McGraw-Hill, New York,1982
Y. Ijiri, “Management Goals and Accounting for Control.”, North-Holland, Amsterdam,1965.
A. Charnes and W.W. Cooper, “Management models and industrial applications of linear programming”, Vols. I and II, John Wiley, New York ,1961.
T.C. Koopmans, “Analysis of Production as an Efficient Combination of Activities”, T.C. Koopmans, ed., Activity Analysis of Production and Allocation, John Wiley & Sons, New York,1951
H.W. Kuhn and A.W. Tucker, “Non Linear Programming”, Proc. Second Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, J. Neyman, ed., University of California Press, Berkeley, CA, pp. 481-492,1950.