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研究生:郭柏儀
研究生(外文):Bo-yi Kuo
論文名稱:以系統動力學為決策基礎應用於感潮流域水質管理
論文名稱(外文):Decision Supporting Tools Developed Tidal River Water Quality Management Based on Systematic Dynamic.
指導教授:于嘉順
指導教授(外文):Chia-Shun Yu
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:數值模式感潮流域水理水質系統動力學
外文關鍵詞:water qualityhydrodynamicsystematic dynamictidal rivernumerical
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在考量永續發展的前提下,河川流域水管理問題的決策是非常複雜且具挑戰性。本文以感潮河系(淡水河流域)為研究日標,因感潮河系受潮汐影響,且淡水河由三個主要支流匯入形成網路型河川,水理特性複雜,在數值模擬上更顯困難。以系統動力學軟體STELLA建構水理水質模式的目的為提供管理水質系統評估基礎,了解水質系統中各參數之交互關係與運作機制,其可對水質規劃中或既有的問題加以調查及分析,以確實瞭解水質特性與內涵,並據此做出最佳的選擇或決策,以求取最大的資源利用效益。
水理方面,本文在系統動力學軟體STELLA上,使用一維河川之緩變流量方程式,以「非線性半隱式差分法」求解各時段及地點之水理變數。經研究得知一維緩變流量模式,雖較無法模擬出交匯區流況及紊流情形,但類似淡水河流域之複雜流場于颱洪期間預測水位情形與實測值接近,且較二維、三維模式易於處理與節省時間。
水質方面,嘗試以Water Quality Analysis Simulation Program (WASP)內各相關水質質量守恆方程式基礎理論,探討水質中(包含葉綠素A、有機磷、無機磷、有機氮、氨氮、無機氮、碳生化需氧量、溶氧等八個參數)各生化反應變化,模式經檢定、驗証,敏感度分析後,其模擬結果営符合理論值,應可被廣泛使用。
In the premise of consideration of age-longed development, it consists of very complicated and challengeable strategies to deal with managerial problem on river basin. This study is focus on the field of Tam Sui River. It is difficult to use numerical simulation in the following situation: The affect of tide on tidal river, the complication of hydrodynamic, and the formation of net-type Tam Sui River by three main confluents. The purpose of establishing hydrodynamic and water quality modeling with STELLA, a software used in systematic dynamic is to provide a valuation benchmark in water quality management. In water system, we want to understand the correlation and mechanism among parameters, and these will help us investigate and analyze the problems in water plan. We also want to make the best choice and decision and gain the biggest efficiency by understanding the characteristics and the contents of water quality.
We use one dimension of movement equation in programming STELLA. And we solve hydrodynamuc in different time and different place by using「non-linear implicit finite-difference 」. In the result of our study, it can not completely simulate the whole situation of turbulence. But in the period of typhoon and flood, the prediction of water line is similar with the real survey in the complexit field. And the one-dimension model is easier to deal with and time-saver than 2-dimension model and 3-dimension model.
In the aspect of water quality, we try to apply related mass balance equation in Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) to find the chemical reaction among 8 parameters including chlorophyll A, organic phosphorus,inorganic phosphorus,organic nitrogen,ammonia,nitrate,carbonaceous biochemical oxygen demand,dissolved oxygen.After the test and verification, the simulation result meets our expectation and the theoretic value. This model could be extensively applied
目 錄
目 次 頁次
第一章 前言
1-1 研究計畫背景 1-1
1-2 研究目的 1-3
1-3 研究方法與流程 1-3
第二章 文獻探討
2-1 感潮河段概述 2-1
2-1-1 感潮河段之水理特性 2-2
2-1-2 感潮河段之淡水與海水混合現象 2-4
2-2 河川水質模式發展與介紹 2-5
2-2-1 水質模式發展沿革 2-6
2-2-2 水質模式之分類 2-8
2-2-3 水質模式之應用 2-13
2-2-4 水質模式評選 2-13
2-2-5 基本理論(以QUAL2E水質模式說明) 2-14
2-3 水質生化反應 2-16
2-3-1 浮游植物動力學 2-17
2-3-2 水中氮生化機制 2-18
2-3-3 水中磷生化機制 2-19
2-3-4 水中溶氧生化機制 2-20
2-4 水質模式中之相關參數設定 2-22
2-4-1 設計溫度與溫度修正係數 2-22
2-4-2 飽和溶氧量 2-24
2-4-3 袪氧係數( )之推求與探討 2-24

目 錄
目 次 頁次
2-4-4 再曝氣係數( )之計算 2-25
2-5 系統動力學 2-28
2-5-1 系統動力學發展與介紹 2-28
2-5-2 系統動力學模式理論 2-28
2-5-3 模式建構步驟 2-32
2-5-4 使用系統動力學優勢 2-33
第三章 研究方法
3-1 研究區域 3-1
3-2 水理模式相關理論 3-2
3-3 水質模式相關理論 3-8
第四章 模式檢定、驗証與應用
4-1 水理模式架構 4-2
4-2 水質模式架構 4-4
4-3 水理系統檢定與驗証 4-13
4-4 水質系統檢定與驗証 4-15
4-5 模式應用 4-15
4-5-1 水理系統模式 4-27
4-1-2 水質系統模式 4-29
第五章 結論與建議 5-1
參考文獻 參-1

表 目 錄
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表2-2-2-1 水理模式分類比較圖 2-11
表2-2-2-2 水質模式分類比較圖 2-12
表2-3-1 水質組成可變因素 2-16
表2-4-1-1 溫度修正建議值 2-23
表2-4-3-1 袪氧係數建議值 2-25
表2-4-4-1 再曝氣係數建議值 2-28
表3-2-1 模擬範圍河段劃分 3-2
表4-1-1 水理模型函數說明 4-3
表4-2-1 浮游植物生化反應模型函數說明 4-5
表4-2-2 氮循環生化反應模型函數說明 4-7
表4-2-3 磷循環生化反應模型函數說明 4-9
表4-2-4 溶氧生化反應模型函數說明 4-11
表4-2-5 碳生化需氧量反應模型函數說明 4-12
表4-3-1 水理模式中各斷面之曼寧系數 4-14
表4-4 1 浮游植物模組使用參數 4-15
表4-4-2 氮循環模組使用參數 4-17
表4-4-3 磷循環模組使用參數 4-18
表4-4-4 溶氧(DO、CBOD、SOD)模組使用參數 4-18
表4-4-5 水質模式中各斷面之延散系數 4-19
表4-4-6 葉綠素A模組生化反應參數對水質模擬項目之敏感度分析 4-21
表4-4-7 溶氧模組生化反應參數對水質模擬項目之敏感度分析 4-22

圖 目 錄
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圖2-1-2-1 河口混合型態-均勻混合型(修改自Pritchard,1989) 2-5
圖2-1-2-2 河口混合型態-部份混合型(修改自Pritchard,1989) 2-5
圖2-1-2-3 河口混合型態-鹽契型(層化型)(修改自Pritchard,1989) 2-5
圖2-3-1-1 藻類生化機制(參考QUAL2E) 2-17
圖2-3-2-1 氨基生化機制(參考QUAL2E) 2-18
圖2-3-2-1 硝酸鹽基生化機制(參考QUAL2E) 2-19
圖2-3-3-1 磷酸鹽基生化機制(參考QUAL2E) 2-19
圖2-3-4-1 底泥需氧生化機制(參考QUAL2E) 2-20
圖2-3-4-2 底泥於缺氧環境下之電子傳遞最終產物 2-21
圖2-3-4-3 溶氧生化機制(參考QUAL2E) 2-21
圖2-3-4-4 生化需氧量機制(參考QUAL2E) 2-22
圖3-1-1 淡水河流域現況(資料來源:Google Earth) 3-2
圖3-2-1 淡水河流域斷面意示圖 3-4
圖4-1-1 水理系統模式建構 4-2
圖4-2-1 浮游植物生化反應模型 4-4
圖4-2-2 氮循環生化反應模型 4-6
圖4-2-3 磷循環生化反應模型 4-8
圖4-2-4 溶氧生化反應模型 4-10
圖4-2-5 碳生化需氧量生化反應模型 4-10
圖4-3-1 模擬結果(1)與台北大橋之實測水位歷線(2)比較(測試用) 4-1
圖4-4-1 水理-水質各模組間資訊流 4-23


圖 目 錄
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圖4-4-2 藻類生長率測試(無光照之條件下) 4-23
圖4-4-3 磷模組測試(藻類生長率為零之條件下) 4-24
圖4-4-4 氮模組測試(藻類生長率為零之條件下) 4-25
圖4-4-5 溶氧模組測試(藻類生長率為零之條件下) 4-25
圖4-4-6 藻類與氨氮、無機磷模組測試(質量守恆定律) 4-26
圖4-4-7 藻類與溶氧模組測試(質量守恆定律) 4-27
圖4-5-1-1 巴比侖颱洪台北橋水位歷線(H10)與部份實測值(h10)比較 4-28
圖4-5-1-5 碧利斯颱洪台北橋水位歷線(H10)與部份實測值(h10)比較 4-29
圖 4-5-2-1 關渡大橋BOD模擬值與實測值比較 4-30
圖 4-5-2-2 重陽大橋BOD模擬值與實測值比較 4-30
圖 4-5-2-3 華中橋BOD模擬值與實測值比較 4-31
圖 4-5-2-4 關渡大橋DO模擬值與實測值比較 4-31
圖 4-5-2-5 重陽大橋DO模擬值與實測值比較 4-32
圖 4-5-2-6 華中橋DO模擬值與實測值比較 4-32
圖4-5-2-10 關渡大橋BOD截除率30%、50%、80%時DO變化 4-34
圖4-5-2-11 底泥浚挖後DO變化(華中橋) 4-34
圖 4-5-2-9 次系統之應用(修改至柳文成,2005) 4-35
中文部份:
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英文部份
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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