臺中盆地的地下水數(shù)值模擬課件

1、臺中盆地的地下水數(shù)值模擬臺中盆地的地下水數(shù)值模擬2前言:緣起 人類因過度開發(fā)逐年超量排放二氧化碳導(dǎo)致全球暖化氣候異常極端，臺灣本島乃屬於氣候異常的受害區(qū)域之一。近年來極端的降雨情形時有所聞，而超量的降雨形成過度之地表逕流所引發(fā)的山崩、地滑、土石流又造成大地及國人的二度傷害；同時，降雨季節(jié)的極端化更加劇人民陷入缺水的困境，故地下水的含量與開發(fā)就越顯得珍貴及迫切。4前言:緣起 人類因過度開發(fā)逐年超量排放二氧化碳導(dǎo)致全球3前言:目的 本研究便針對臺中盆地的地下水層進行數(shù)值模擬，為了能評估臺中盆地之地下水利用的可行性，必須充分了解其水文地質(zhì)形成的機制與其邊界條件；本研究便以地質(zhì)觀點切入，對臺中地區(qū)水文

2、地質(zhì)形成機制進行探討，提出地質(zhì)概念模型，做為建構(gòu)水文地質(zhì)模型之依據(jù)，並配合現(xiàn)有之水文資料了解區(qū)域內(nèi)的地下水概況建立地下水流之數(shù)值模型進行模擬，以期可供後續(xù)研究對此區(qū)域之地下含水量及安全出水量進行推求而使相關(guān)單位可妥善利用地下水之珍貴水資源。5前言:目的 本研究便針對臺中盆地的地下水層進行數(shù)值模擬4 經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007): 臺中盆地東緣的麓山帶丘陵區(qū)是南北走向車籠埔斷層逆衝形成，西緣的大肚臺地及八卦臺地則是彰化斷層(包含清水斷層)向西逆衝抬升所造成，地勢由南北兩端向中央傾斜，盆地內(nèi)沖積扇有北部之豐原沖積扇(大甲溪古沖積扇)，中部之太平聯(lián)合沖積扇，與南部之烏溪沖積扇。周圍地形區(qū)則

3、有西北端之大甲溪沖積平原，北邊之后里臺地，東側(cè)之東勢丘陵地、豐原丘陵地及南投丘陵地，以及西側(cè)之八卦臺地和大肚臺地。文獻回顧地形6 經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007):文獻回顧地形5臺中盆地周圍地形分區(qū)圖7臺中盆地周圍地形分區(qū)圖6文獻回顧 經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007):1.上新世至更新世巖盤(P) 地質(zhì)圖上以P代表車籠埔斷層上盤之基巖，由老至新依序為桂竹林層、錦水頁巖及卓蘭層，巖性以固結(jié)的砂巖及頁巖或泥巖為主，基本上可視為不透水層。2.頭嵙山層(PQ) 主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、礫石質(zhì)砂巖及厚層狀礫巖所組成，下段為香山段(PQs)、上段為火炎山段(PQc)。地質(zhì)與地層8文獻回顧 經(jīng)濟部

4、水利署水利規(guī)劃試驗所(2007):地質(zhì)與73.紅土臺地堆積層(Q3) 由礫石、砂、黏土組成，礫石以砂巖及石英砂巖為主，為古河相沉積物。本層以不整合覆於頭嵙山層之上，主要分佈於大肚臺地及八卦臺地東斜面及西斜面上。4.山麓斜面堆積層(Q4) 本層分佈於八卦臺地及大肚臺地兩翼坡度較緩處，大部份為植被所掩覆。本層巖性以礫石、泥為主，是臺地物質(zhì)(主要為頭嵙山層巖層)受侵蝕再堆積而成，推估其年代為晚更新世至全新世。5.沖積層(Q6) 為近期河流堆積之產(chǎn)物，巖性以礫石、砂及泥，主要分佈在現(xiàn)有河流的河床、臺中盆地、大肚臺地及八卦臺地西側(cè)的沖積平原。93.紅土臺地堆積層(Q3)8臺中盆地地質(zhì)圖(中油公司臺中圖幅

5、1/100,000)10臺中盆地地質(zhì)圖(中油公司臺中圖幅1/100,000)9文獻回顧 臺灣第區(qū)地下水觀測網(wǎng)第三期94年度計畫-臺灣糖業(yè)公司，中央地質(zhì)調(diào)查所委辦(2005):1.大肚臺地:依蒐集資料分別繪製南北向剖面及東西向剖面，根據(jù)剖面資料，背斜軸東翼並無阻水層存在，只有一自由含水層，而西翼並在此研究範圍內(nèi)故不予討論。2.臺中盆地:大致由北邊臺中縣豐原往南至南投名間，地形上以中間烏日-霧峰連線為低點，故暫依地形上之不同，將臺中盆地在水文地質(zhì)上分為南、北兩盆地。地層鑽探11文獻回顧 臺灣第區(qū)地下水觀測網(wǎng)第三期94年度計畫-臺灣10北盆地:根據(jù)剖面資料得知水文地質(zhì)上只有一自由含水層，往南至烏日在

6、深度4658公尺處才有一較厚之泥層出現(xiàn)成為阻水層，產(chǎn)生一自由含水層及一拘限含水層。 南盆地:因有泥層出現(xiàn)，故拘限含水層便明顯出現(xiàn)於南盆地中。南側(cè)營盤口及軍功寮兩井未有自由含水層出現(xiàn)，而泥層以下出現(xiàn)一拘限含水層；北側(cè)霧峰坑口井顯示淺層有一自由含水層存在，深層因數(shù)層泥層出現(xiàn)，形成拘限含水層，但由於阻水層厚度較薄(不到10公尺)，拘限含水層之分層及分布仍待進一步調(diào)查；草屯以北至烏溪沿岸一帶地層資料較為匱乏，推測應(yīng)與霧峰一帶相似(因同屬烏溪沖積扇)。12北盆地:根據(jù)剖面資料得知水文地質(zhì)上只有一自由含水層，往南11蘇清林(2007)，於該論文中提及: 位於烏溪流域內(nèi)之經(jīng)濟部水利署觀測站網(wǎng)(2006)鑽探

7、井分別為大肚站、烏日站與大里站，鑽探深度約為地表下200公尺深，鑽探資料顯示大里站鑽探資料大都為礫石層，烏日站除40公尺與100公尺處有部份黏土與粉土層外，其於大多為砂礫石層。大肚站則因接近烏溪出海口，其巖層受海進海退影響，屬砂與黏土互層現(xiàn)象。故鑽探深度60公尺位置以上之砂礫石層為主要含水層，亦即第一含水層，於該研究數(shù)值模式中設(shè)定該含水層為自由含水層形式，而鑽探深度60公尺位置以下至100公尺間為第二含水層，於數(shù)值模式中設(shè)定該含水層為拘限含水層形式。13蘇清林(2007)，於該論文中提及:12臺中地區(qū)觀測井及水文地質(zhì)剖面位置圖(臺糖-2005)14臺中地區(qū)觀測井及水文地質(zhì)剖面位置圖(臺糖-20

8、05)13文獻回顧1.經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007): 臺中盆地內(nèi)持續(xù)觀測水位流量之水文站有四處，以烏溪最下游大肚橋水文站為例，歷年統(tǒng)計平均流量約為116cms，平均年逕流量約為36.6億M3，豐水期為5至10月，流量約佔全年的70%，以6月份最多。2.陳尉平(2006): 蒐集中央氣象局自19902003年臺中測站之蒸發(fā)量數(shù)值，其年平均為1083.4公厘。地面水文、流量15文獻回顧1.經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007):地面14臺中盆地各水文站歷年月流量統(tǒng)季表(水規(guī)所，2003)16臺中盆地各水文站歷年月流量統(tǒng)季表(水規(guī)所，2003)15文獻回顧 徐鐵良(1992)指出: 雙冬斷

9、層位在本地質(zhì)區(qū)之東界，位於火炎山及頭嵙山之東，為一逆斷層，東側(cè)為昇側(cè)，約呈南北至北30 度東走向，斷層?xùn)|側(cè)出露地層為中新世晚期地層，西側(cè)地層為頭嵙山層，地層層位落差3000m 。 車籠埔斷層位在本區(qū)西緣鄰臺中盆地地帶，自南投民間至臺中豐原，約呈南北走向；斷層?xùn)|側(cè)為昇側(cè) 。出露地層為上新世之錦水頁巖及卓蘭層，西側(cè)則出露更新世頭嵙山層及現(xiàn)代沖積層。斷層概況17文獻回顧 徐鐵良(1992)指出:斷層概況16 首先先針對臺中盆地之水文地質(zhì)資料進行蒐集並加以分析，建構(gòu)該區(qū)水文地質(zhì)概念模式，並研究該區(qū)內(nèi)的目標水文地質(zhì)架構(gòu)，依據(jù)概念模式與地下水流控制方程式(Governing Equation)建立地下水流

10、之模擬式。因地質(zhì)作用與沉積作用的影響常使得含水層呈非均質(zhì)性(Heterogeneity)與異向性(Anisotropy)及邊界條件的複雜性，故對其進行解析解有其困難性，一般仍以數(shù)值模擬為主。 再者將模擬所輸出的水位近似解依試誤法(Trial and Error)配合面積控制法求得最符合現(xiàn)地狀況的水文地質(zhì)架構(gòu)、地下水流模式及水力參數(shù)。三、研究方法與材料18 首先先針對臺中盆地之水文地質(zhì)資料進行蒐集並加以分析17 目前常用於地下水流模式的數(shù)值方法有:有限差分法(Finite Difference)、有限元素法(Finite Elements)、 積分有限法(Integrated Finite)、邊

11、界積分方程法(Boundary Integral Equation Method)、解析元素法(Analytic Element)等五種方法，但較常使用的是有限 差分法與有限元素法；近年來，這些數(shù)值方法被應(yīng)用及 撰寫成計算地下水流動及溶質(zhì)傳輸現(xiàn)象的模擬套裝軟 體，而本研究則是採用PMWIN(Processing MODFLOW For WindowsChiang&Kinzelbanch1996)。研究方法數(shù)值模式19 目前常用於地下水流模式的數(shù)值方法有:有限差分法(F18研究流程20研究流程19 由經(jīng)濟部水利署:水文水資源資料管理供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)挑選臺中盆地數(shù)個涵蓋年份較長(20062008)之地下

12、水位觀測井做為地下水位資料分析，並以各水位觀測井之2006年3月的地下水位做為初始水位進行分析。研究材料初始地下水位21 由經(jīng)濟部水利署:水文水資源資料管理供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)挑選臺20 臺中盆地依據(jù)其地形及地質(zhì)特性，將其邊界以西北側(cè)大肚山臺地，北側(cè)大甲溪，西南側(cè)八卦臺地，東北側(cè)豐原丘陵，東南側(cè)南投丘陵為界，其邊界條件如下頁圖示，盆地內(nèi)河川水系由北向南依序為筏子溪、大里溪及烏溪。網(wǎng)格所採元素為東西向35行，南北向94列，間距為500m ，總網(wǎng)格數(shù)為3290個，有效網(wǎng)格數(shù)為1763個。研究材料網(wǎng)格設(shè)定與邊界條件研究材料網(wǎng)格設(shè)定與邊界條件研究材料22 臺中盆地依據(jù)其地形及地質(zhì)特性，將其邊界以西北側(cè)大肚21臺

13、中盆地邊界範圍、邊界條件及網(wǎng)格劃分南投丘陵特定流量邊界豐原丘陵特定流量邊界大肚臺地特定流量邊界八卦臺地特定流量邊界大甲溪特定流量邊界大肚溪River23臺中盆地邊界範圍、邊界條件及網(wǎng)格劃分南投丘陵豐原丘陵大肚22地質(zhì)分層 本模擬區(qū)依蒐集之資料顯示全區(qū)可視為存在一自由含水層，此外在烏日地區(qū)及烏溪上游霧峰附近存在一拘限含水層，但因現(xiàn)階段對此拘限含水層之文獻及資料極為稀少，故本研究針對自由含水層進行地下水位之模擬；並將地層視為透水層依1974年水資會將臺中盆地之滲透係數(shù)畫分為五區(qū)，如下圖表所示。24地質(zhì)分層 本模擬區(qū)依蒐集之資料顯示全區(qū)可視為存在一自由23臺中盆地透水層分區(qū)示意圖25臺中盆地透水層分

14、區(qū)示意圖24滲透係數(shù)及補注量研究材料臺中盆地地下水層滲透係數(shù)及補注量分區(qū)表地區(qū)K(m/s)補注量(1108/year)北盆地西側(cè) (大肚山臺地)0.00032 0.6280.988北側(cè) (大甲溪)0.00109 1.752.68東側(cè) (豐原丘陵)0.00030 2.214.1合計4.67.77南盆地西側(cè) (八卦臺地)0.00275 3.9東側(cè) (南投丘陵)0.00102 1.642.93合計10.1414.626滲透係數(shù)及補注量研究材料臺中盆地地下水層滲透係數(shù)及補注量25抽水量研究材料 本研究區(qū)域範圍之抽水量參考水規(guī)所於2009年所做之調(diào)查，擷取2006年之各縣市抽水量再平均分配於網(wǎng)格中。年份

15、縣市總計1104m32006臺中縣13,200臺中市4,328南投縣5,896彰化縣681總計24,2312006年臺中盆地地下水抽水量統(tǒng)計表27抽水量研究材料 本研究區(qū)域範圍之抽水量參考水規(guī)所於2026四、研究結(jié)果與討論 數(shù)值模式經(jīng)過參數(shù)的敏感度分析及率定後，原靠近各邊界之格網(wǎng)模擬值與觀測值相差甚異，經(jīng)側(cè)向補注量的調(diào)整之後，水位的模擬值可達到與觀測值接近的狀況，以下將列舉水位觀測站之模擬與觀測值折線圖說明其模擬成果與問題。28四、研究結(jié)果與討論 數(shù)值模式經(jīng)過參數(shù)的敏感度分析及率27年/月2008/12008/22008/3 數(shù)值(m) 測站觀測值模擬值誤差觀測值模擬值誤差觀測值模擬值誤差新莊

16、141.571410.57140.59140.50.09140.33140.5-0.17潭子105.191050.19103.561030.56102.73103-0.27大雅121.591210.59120.06120.5-0.44119.63120-0.37觀測、模擬水位與誤差值一覽表29年/月2008/12008/22008/3 數(shù)值(m)28誤差可能原因:雨季或颱風(fēng)強降雨所造成當月地下水位之增加明顯所致。新莊站觀測與模擬水位折線圖30誤差可能原因:雨季或颱風(fēng)強降雨所造成當月地下水位之增加明29本研究之數(shù)值模式可提供後續(xù)評估該區(qū)域地下水量抽取量之依據(jù)。透過MODFLOW可模擬地下水位，但

17、後續(xù)若能考慮地下水之水質(zhì)更能確定地下水之使用條件。本研究因缺乏更深層之地質(zhì)鑽探資料及相關(guān)參數(shù)，故僅針對自由含水層進行模擬，若能增加此方面之資料便可在進行拘限含水層之水位模擬。本研究模擬時初次得到之地下水位於北側(cè)靠大甲溪之網(wǎng)格明顯低於觀測值，可能因溪水透過入滲補注至地下水層之水量高於輸入之補注量，故建議後續(xù)之研究人員應(yīng)考慮大甲溪河畔之入滲量。結(jié)論與建議31本研究之數(shù)值模式可提供後續(xù)評估該區(qū)域地下水量抽取量之依據(jù)30五、參考文獻 1.林時猷(2003)，以地下水位之區(qū)位相關(guān)性輔助濁水溪 沖積扇地下水模擬之參數(shù)決定，逢甲大學(xué)土木及水利 工程研究所碩士論文。 2.蔡清研(2007)，濁水溪沖積扇整合模

18、式下之MODFLOW 地下水模擬研究，國立中正大學(xué)應(yīng)用地球物理研究所 碩士論文。 3.潘文健(2002)，屏東平原合適出水量分析之研究， 國立成功大學(xué)資源工程學(xué)系碩士論文。 4.黃清譽(2007)，彰化地區(qū)地面水與地下水聯(lián)合供水管理 調(diào)配之研究，國立成功大學(xué)資源工程學(xué)系碩士論文。32五、參考文獻 1.林時猷(2003)，以地下水位之區(qū)31 5.蘇清林(2007)，河畔取水所引致河川滲漏量之評估，國立 成功大學(xué)資源工程學(xué)系碩士論文。 6.丁澈士、蘇惠珍(2004)，三維地下水模式:PMWIN， 五南圖書出版股份有限公司。 7.王如意、易任(1997)，應(yīng)用水文學(xué)，茂昌圖書有限公司。 8.經(jīng)濟部水利署水利規(guī)劃試驗所(2007)，臺中盆地地下水資 源利用調(diào)查評估(1