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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張又仁
論文名稱:農業灌溉水對水體水質汙染之研究
論文名稱(外文):System Dynamic Analysis of Water Quality of Agricultural Area
指導教授:單信瑜單信瑜引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:140
中文關鍵詞:系統動態農業深水灌溉灌溉水質溼地
外文關鍵詞:System dynamicAgriculturalDeep-water irrigationQuality of irrigation waterWetland
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本研究採用系統動態軟體-Vensim 為模擬工具,模擬高雄縣美濃鎮及湖內鄉之廢汙水隨著灌排系統進入農田後,對於灌溉水汙染、農地土壤汙染、地下水汙染及回歸水水質影響河川水質作分析,並探討在「深水灌溉」、「灌排分離+下水道系統」、「農田休耕」、「農田輪作」等環境因素下,回歸水、灌溉水及河川水質之影響。
在施行深水灌溉時,美濃平均每月約增加五萬噸地下水;湖內則平均每月約增加一萬噸地下水。
而灌排分離加下水道系統,即廢汙水不進入灌溉圳路,美濃農田回歸水最終流到旗山溪,發現水質改善,甚至在一月BOD濃度可以從原本約2.4 mg/L降至約1.5 mg/L;至於湖內鄉因為灌溉水質非常差,其改善成效不彰,僅重金屬鉛濃度因為灌排分離有稍稍改善。
在以「自然淨化法」概念下的休耕農田當溼地情況下,因為處理之水量相對於河川很少,所以對河川水質沒有多大成效。
以農田輪作進行模擬,植物吸收土壤重金屬,使累積量趨於緩和,湖內鄉農地重金屬濃度平均每月約減少0.0025 mg/kg,但仍然有逐年增加趨勢。以Vensim為本研究之模擬工具,看出水量水質及農地重金屬隨時間的變化趨勢,同時分析眾多參數的互相影響行為,從變化趨勢發現深水灌溉的可行性,及灌排分離後水質較明顯的改善。
The effect of quality of irrigation water on the overall quality of surface water bodies has raised significant concerns in Taiwan. In this study, quantity and quality of water bodies of Meilon and Hunai Townships was simulated with the system dynamic simulation software, Vensim��, to investigate the interaction between polluted irrigation water and other water bodies and farm land. The water bodies analyzed included the return flow, streams, and groundwater. Four scenarios were selected for simulation in order to evaluate possible schemes to reduce the pollution loading in the return flow and, thus, the streams. These scenarios are: “deep-impounding irrigation”, “irrigation and discharge separation”, “farm fallow”, and “crop rotation”.
Under the “deep-water irrigation” scenario groundwater discharge in Meilon and Hunai increased 5 million tons and 1 million tons over the 100 months period simulated, respectively. In the “irrigation and discharge separation” scenario, return flow does not flow into irrigation channel and, thus, into farm lands again. Under this scenario, BOD concentration decreased from 2.4 mg/L to 1.5 mg/L decreases to 1.5mg/L even in January. Because of irrigation water in Hunai was heavily contaminated, the strategy to separate irrigation and discharge water did not show significant improvement. Nevertheless, the concentration of lead in the water bodies and the soil decreased. On the other hand, since the quantity of irrigation water treated by the temporary wetland converted from farmland had been so small, water quality in the water bodies was hardly noticed. Finally, when the crop rotation scheme was used as a way to conserve water, plants were used to uptake heavy metal from the soil of the farm land. As a result, the accumulation rate of heavy metal in the soil was reduced. For example, the total monthly accumulation of heavy metals in the soil of Hunai was reduced approximately 0.0025 mg/kg.
The results of this study demonstrate that system dynamic analysis is capable of modeling various scenarios with complex management schemes. It was found that the “deep-impounding irrigation” and “separation of irrigation and discharge” are strategies that can significantly increase groundwater recharge and improve discharge water quality, respectively.
致謝……………………………………………………………………….I
中文摘要…………………………………………………………….…..II
英文摘要………………………………………………………………..III
第一章 緒論…………………………………………….……………...1
1-1 研究背景與動機……………………………..…….………………..1
1-2 研究目的……………………………………..…….…………….….6
1-3 研究範圍……………………………………..……….……………..7
1-4 研究方法……………………………………..……….……………..9
1-5 研究流程………………………………………..……….…………10
第二章 文獻回顧…………………………………………….……….11
2-1 汙染相關問題之文獻回顧……………………..………….………11
2-1-1 農田非點源汙染…………………………..………………….….11
2-1-2 農地汙染………………………………………..……………….12
2-1-3 灌溉水汙染………………………………..…………………….15
2-1-4 農地轉為溼地之研究………………………..………………….17
2-1-4-1 溼地的定義……………………………..……………………..17
2-1-4-2 農田轉溼地…………………………………..………………..18
2-2 System Dynamic 系統動態學……………….……………...……..22
2-2-1 系統動態學背景…………………………..…………….………22
2-2-2 系統動態學原理…………………………..………………….…22
2-2-3 系統動態學之特性與功能…………………..……………….…23
2-2-4 系統動態學思考邏輯………………………..………………….25
2-2-5 系統動態學物件導向設計…………………..………………….28
2-2-6 系統動態學實用案例………………………..………………….29
2-3 水質與水量改善策略研究………………………...………………32
2-3-1 水質改善策略研究…………………………..………………….32
2-3-2 河川、地下水水量相關策略研究………………..……………..34
第三章 高雄縣背景概述及資料收集………………………………..37
3-1 高雄縣地理特性………………………………..….………………37
3-1-1 地形與地勢…………………………………..………………….38
3-2 氣象、灌溉水與土壤特性……………………..…………………..39
3-2-1 氣象…………………………………………..………………….39
3-2-2 雨量…………………………………………..………………….39
3-2-3 溫度…………………………………………..………………….40
3-2-4 溼度…………………………………………..………………….41
3-2-5 日照及蒸發量…………………………………..……………….41
3-2-6 颱風…………………………………………..………………….43
3-2-7 高雄縣水系…………………………………..………………….43
3-2-8 灌溉水………………………………………..………………….45
3-2-9 地質及土壤…………………………………..………………….48
3-3 人類活動行為及區域…………………………...…………………50
3-3-1 住宅區………………………………………..………………….50
3-3-2 工業區…………………………………………..……………….52
3-3-3 農田……………………………………………..……………….55
第四章 汙染量推估及Vensim 模型建置…………………………..58
4-1 家庭汙水量、水質推估…………………………………………..58
4-1-1 美濃鎮及湖內鄉人口推估………………………..…………….61
4-2 工業廢水量、水質推估…………………………………………..62
4-3 農業汙染推估……………………………………..………………65
4-3-1 農田系統………………………………………..……………….65
4-3-2 灌溉水流向………………………………………..…………….68
4-3-2-1 美濃鎮灌溉區……………………………………..…………..68
4-3-2-2 湖內鄉灌溉區……………………………………..…………..70
4-3-2-3 美濃溪、旗山溪及二仁溪汙染推估…………………………72
4-3-2-4 回歸水影響原灌溉水水質推估…………………..…………..72
4-3-3 農田相關資料、參數收集……………………..………….……..75
4-3-3-1 灌溉區面積……………………………………..……………..75
4-3-3-2 田間水量……………………………………..………………..76
4-3-3-3 田間水汙染來源與流失……………………..………………..79
4-4 動態系統模式敘述………………………………..………….……86
4-4-1 農田因果回饋圖………………………………..……………….86
4-4-2 實際模擬模式…………………………………..……………….89
4-5 手算例介紹與模擬………………………………………………..91
4-5-1 手算例介紹……………………………………………………...91
4-5-2 手算例模擬……………………………………………………...91
第五章 情境模擬與策略分析……………………………………….94
5-1 現況模擬分析…………………………………..…………………94
5-1-1 水質濃度………………………………………..……………….94
5-1-1-1 BOD….………………………………………..……………….94
5-1-1-2 總氮…………………………………………..………………..99
5-1-1-3 農地重金屬濃度………………………………..……………103
5-1-1-3-1 美濃鎮重金屬汙染…………………………...……………104
5-1-1-3-2 湖內鄉重金屬汙染…………….……….….………………105
5-2 策略模擬…………………….……………………..……………..107
5-2-1 深水灌溉……………………………………..………………...107
5-2-1-1 地下水增加補注量………………..…………………………108
5-2-2 灌排分離+下水道系統………………..……………………….109
5-2-3 農田休耕…………………………………..….………………...113
5-2-4 輪作………………………………………..…………………....117
第六章 結論與建議…………………………………………………122
6-1 結論…………………………………………..……………….…..122
6-2 建議與改進……………………………………..…………….…..124
6-2-1 研究之建議……………………………………..……………...124
6-2-2 研究之改進……………………………………..……………...124
參考文獻………………………………………………………………126
附錄-Vensim 模式參數之輸入說明………………………………….131
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http://vm.rdb.nthu.edu.tw/natureclub/river/rjen.htm
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