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研究生:陳函馨
研究生(外文):Han-Hsin Chen
論文名稱:以系統動力學建立感潮河川水理與水質模式
論文名稱(外文):Constructing Hydrodynamic and Water Quality Models ina Tidal River Using System Dynamics Simulation Tools
指導教授:于嘉順
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:海洋環境及工程學系研究所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:水質模式感潮河川水理模式系統動力學
外文關鍵詞:hydrodynamic modelwater quality modeltidal riversystem dynamics
相關次數:
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中文摘要
本研究的主要目的為應用系統動力學軟體STELLA發展一套感潮河川水理與水質模式,模式由三個模組所組成:水理模組,用來模擬感潮河川之水位及流量變化;傳輸模組,用來模擬水中溶解物質隨時空之變動情形;水質模組,用來模擬河川水質變數的生化反應及宿命變化情形。水質模式的部分參考WASP6中的概念模式,加以修正所建構,模擬八個變數傳輸和轉換的過程,這八個變數分別為葉綠素甲、有機磷、無機磷、有機氮、氨氮、硝酸氮、碳生化需氧量以及溶氧。
以往國內外所發展的水理與水質模式多用FORTRAN或其他傳統電腦程式語言來建立,本研究嘗試應用系統動力學軟體STELLA作為模擬的工具,並克服了系統動力學模擬感潮河川流域系統非定常態動力狀況與空間連續性的難題,因而本模式之發展有助於整合環境技術與社會及經濟面的綜合研究。
本研究除詳細描述模式建構的理論與步驟外,並將模式應用於淡水河系之實測資料來率定並驗證模式的正確性與適用性。本模式除了可以用來瞭解淡水河潮流、溫鹽分佈及污染狀況之外,也可以讓後續研究者做為預測各種改善方法的效益評估工具,亦可提供決策者作為選擇河川水質改善方法之參考依據,使其決策不但能符合經濟開發的目的,同時能兼顧環境保護的原則,達成均衡協調的發展。
Abstract
The main purpose of this study is to develop a hydrodynamic and water quality model using the system dynamic software-STELLA for the tidal river simulations. The model consists of three modules: the hydrodynamic module simulates the water level variation and the dynamic flow conditions in tidal rivers; the transport module simulates the temporal and spatial variations of dissolved matters; and water quality module simulates the bio-chemical reaction processes and the fates of the water quality variables. Water quality module was established from the conceptions of WASP6 with some modifications. Eight state variables are included in the water quality module, i.e. chlorophyll-a, organic phosphorus, inorganic phosphorus, organic nitrogen, ammonia, nitrate, carbonaceous biochemical oxygen demand, and dissolved oxygen.
Most the hydrodynamic and water quality models, either imported or domestic developed, were coded in FORTRAN or other conventional programming languages. In this study, the system dynamics software STELLA has been used to construct the model. The study has overcome the difficulty of using STELLA to simulate space continuity and unsteady state condition of tidal river systems. By using STELLA, the environment model can easily be integrated with researches in social-economical studies.
The theories and the developments of the model are described in the thesis, the calibration and verification processes of the model using observation data of the Tamshui River system are also describe in detail. The model can be used not only to simulate and to predict the tidal flow, salinity, temperature, and water quality conditions in the Tamshui River, but also be used to evaluate the effects of various water quality purification methods and strategies. Therefore, this model can also assist policymakers to make better decisions on the balancing the economic developments with environmental protections.
目次 頁次
致謝-------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
中文摘要-------------------------------------------------------------------------------Ⅱ
英文摘要-------------------------------------------------------------------------------Ⅲ
目錄-------------------------------------------------------------------------------------Ⅳ
圖目錄----------------------------------------------------------------------------------Ⅶ
表目錄----------------------------------------------------------------------------------
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 文獻探討--------------------------------------------------------6
2.1 水理與水質模式之發展-----------------------------------------------------6
2.2 水質生化反應過程-----------------------------------------------------------9
2.2.1 浮游植物動力學------------------------------------------------------11
2.2.1.1浮游植物生長-----------------------------------------------12
2.2.1.2浮游植物呼吸及死亡率-----------------------------------15
2.2.1.3浮游植物沉降率--------------------------------------------16
2.2.2 磷的循環---------------------------------------------------------------17
2.2.3 氮的循環---------------------------------------------------------------18
2.2.4 溶氧平衡---------------------------------------------------------------21
2.3 系統動力學--------------------------------------------------------------------23
2.3.1 系統動力學簡介------------------------------------------------------23
2.3.2系統動力學模式結構-------------------------------------------------24
2.3.2.1 主要元件----------------------------------------------------24
2.3.2.2 演算法-------------------------------------------------------26
2.3.3 系統動力學模式建構方法------------------------------------------27
2.3.3.1 建構原則----------------------------------------------------27
2.3.3.2 建構步驟----------------------------------------------------27
2.3.4 系統動力學之應用---------------------------------------------------28
目次 頁次
第三章 水理與水質模--------------------------------------------------29
3.1 水理模式-----------------------------------------------------------------------29
3.1.1 控制方程式------------------------------------------------------------29
3.1.2 數值方法---------------------------------------------------------------30
3.1.3 邊界條件---------------------------------------------------------------30
3.1.4 模式參數---------------------------------------------------------------31
3.1.5 穩定條件---------------------------------------------------------------31
3.1.6 系統動力學模型------------------------------------------------------31
3.2 傳輸模式-----------------------------------------------------------------------33
3.2.1 模式控制方程式------------------------------------------------------33
3.2.2 模式解法---------------------------------------------------------------33
3.2.3 邊界條件---------------------------------------------------------------34
3.2.4 模式參數---------------------------------------------------------------34
3.2.5 系統動力學模型------------------------------------------------------35
3.3 水質模式-----------------------------------------------------------------------36
3.3.1 控制方程式------------------------------------------------------------36
3.3.2 模式解法---------------------------------------------------------------37
3.3.3 邊界條件---------------------------------------------------------------37
3.3.4 模式參數---------------------------------------------------------------37
3.3.5 系統動力學模型------------------------------------------------------39
3.3.5.1 浮游植物模組----------------------------------------------40
3.3.5.2 磷模組-------------------------------------------------------41
3.3.5.3 氮模組-------------------------------------------------------42
3.3.5.4 溶氧模組----------------------------------------------------42
3.4 模式基本有效性檢驗--------------------------------------------------------44
3.4.1 水理模式測試---------------------------------------------------------44
3.4.2 營養鹽守恆測試------------------------------------------------------45
第四章案例研究--------------------------------------------------------48
4.1 淡水河流域概況--------------------------------------------------------------48
4.2 背景資料之蒐集與分析-----------------------------------------------------49
4.2.1 背景資料蒐集---------------------------------------------------------49
4.2.2 斷面資料分析---------------------------------------------------------50
4.2.3 潮問資料分析---------------------------------------------------------50
4.2.4 污染量推估------------------------------------------------------------55
目次 頁次
4.2.4.1 集污區之劃分----------------------------------------------55
4.2.4.2 天然側流量-------------------------------------------------55
4.2.4.3 污染負荷量之推估----------------------------------------56
4.2.4.4 流達率之推估----------------------------------------------56
4.2.5上游河川流量與水質濃度之迴歸分析----------------------------56
4.3 模式執行-----------------------------------------------------------------------57
4.4 水理模式之率定及驗證-----------------------------------------------------58
4.4.1 模式率定---------------------------------------------------------------59
4.4.2 模式驗證---------------------------------------------------------------61
4.5 傳輸模式之率定與驗證-----------------------------------------------------63
4.5.1 模式率定---------------------------------------------------------------63
4.5.2 模式驗證---------------------------------------------------------------63
4.6 水質模式之率定及驗證-----------------------------------------------------63
4.6.1 模式率定---------------------------------------------------------------64
4.6.2 模式驗證---------------------------------------------------------------65
4.7 敏感度分析--------------------------------------------------------------------66
4.8 設計溫度與設計流量--------------------------------------------------------66
4.8.1 設計溫度---------------------------------------------------------------66
4.8.2 設計流量---------------------------------------------------------------67
第五章結論與建議-----------------------------------------------------68
5.1 結論-----------------------------------------------------------------------------68
5.2 模式應用-----------------------------------------------------------------------68
5.3 後續研究建議-----------------------------------------------------------------69
參考文獻------------------------------------------------------------------71
附錄------------------------------------------------------------------------75

圖目錄
目次 頁次
圖1-1本研究流程圖--------------------------------------------------------------5
圖2-1各水質變數間的關係-----------------------------------------------------11
圖2-2系統動力學軟體之發展過程--------------------------------------------24
圖3-1水理模式之系統動力學流程圖-----------------------------------------32
圖3-2傳輸模式之系統動力學流程圖-----------------------------------------35
圖3-3水質模式基本架構示意圖-----------------------------------------------39
圖3-4浮游植物模組之系統動力學流程圖-----------------------------------40
圖3-5磷模組之系統動力學流程圖--------------------------------------------41
圖3-6氮模組之系統動力學流程圖--------------------------------------------43
圖3-7溶氧模組之系統動力學流程圖-----------------------------------------44
圖3-8水理模式測試模擬-水位-------------------------------------------------45
圖3-9磷守恆測試模擬-----------------------------------------------------------46
圖3-10氮守恆測試模擬-----------------------------------------------------------46
圖4-1淡水河流域示意圖--------------------------------------------------------49
圖4-2本研究模擬範圍之河段劃分示意圖-----------------------------------51
圖4-3以單一分潮為下游邊界之水位歷線圖--------------------------------60
圖4-4民88年5月12日土地公鼻模擬與實測之水位歷線圖------------60
圖4-5民88年5月12日台北橋模擬與實測之水位歷線圖---------------61
圖4-6民89年5月5日土地公鼻模擬與實測之水位歷線圖--------------62
圖4-7民89年5月5日台北橋模擬與實測之水位歷線圖-----------------62
圖4-8鹽度初步模擬結果--------------------------------------------------------64
圖4-9碳生化需氧量初步模擬結果--------------------------------------------65
圖4-10溶氧初步模擬結果--------------------------------------------------------65

表目錄
目次 頁次
表2-1水質模式整理表------------------------------------------------------------9
表2-2浮游植物之消長因子------------------------------------------------------11
表2-3磷之消長因子---------------------------------------------------------------17
表2-4氮之消長因子---------------------------------------------------------------19
表2-5碳生化需氧量和溶氧之消長因子---------------------------------------21
表2-6STELLA軟體建模主要元件----------------------------------------------25
表4-1淡水河-大漢溪規則化斷面資料--------------------------------52
表4-2新店溪規則化斷面資料---------------------------------------------------53
表4-3基隆河規則化斷面資料---------------------------------------------------53
表4-4台北港水位變化之調和分析結果---------------------------------------54
表4-5淡水河系上游水質濃度與流量之關係式------------------------------57
表A-1浮游植物相關之參數------------------------------------------------------75
表A-2磷相關之參數---------------------------------------------------------------78
表A-3氮相關之參數---------------------------------------------------------------79
表A-4CBOD、DO相關之參數----------------------------------------------------80
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