應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論於指標(biāo)監(jiān)測(cè)井之污染潛勢(shì)分析研究

應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論

於指標(biāo)監(jiān)測(cè)井之污染潛勢(shì)分析研究

任課教師:胡子陵副教授學(xué)生:詹時(shí)碩

學(xué)號(hào):E09314003立德管理學(xué)院資源環(huán)境研究所碩士在職專班2005/02/151大綱前言研究目的文獻(xiàn)探討研究方法結(jié)果討論參考文獻(xiàn)2005/02/152前言通常地下水剛受污染時(shí)並不易察覺(jué)，但一旦發(fā)現(xiàn)，往往污染情況已十分嚴(yán)重，且影響範(fàn)圍已十分遼闊，故妥善保護(hù)地下水及做好經(jīng)營(yíng)管理，實(shí)為刻不容緩。欲有效做好地下水之經(jīng)營(yíng)管理須對(duì)其做徹底之瞭解，所以本研究利用多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論，配合地下水流(MODFLOW)、污染傳輸(MT3D)、污染潛勢(shì)分析(DRASTIC)等模式探討分析歷年南科之地下水水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果，期能進(jìn)一步了解南科區(qū)域地下水水質(zhì)之區(qū)域與時(shí)間分佈並建立指標(biāo)監(jiān)測(cè)井之污染潛勢(shì)分析研究及長(zhǎng)期之污染物傳輸模擬資料。2005/02/153研究目的地下水水流系統(tǒng)雖具有較空氣及地面水難以入侵之環(huán)境，但一經(jīng)污染物入侵則較前兩者難以整治，故完善之監(jiān)測(cè)體系不僅可提供整治上之參考，可貴之處在於提供事前之預(yù)警作用減少污染破壞之嚴(yán)重性。本研究以數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)檢驗(yàn)併行之方式進(jìn)行南科地下水質(zhì)污染傳輸分析及潛勢(shì)分析，利用較具經(jīng)濟(jì)及效益之方式掌握南科區(qū)域地下水水質(zhì)變化之同時(shí)，降低檢測(cè)作業(yè)所需成本，以期利用最少之經(jīng)費(fèi)發(fā)揮站網(wǎng)之最大效益，藉以以達(dá)臺(tái)南園區(qū)地下水污染防治及預(yù)警作有效之管理。

2005/02/154文獻(xiàn)探討「地下水污染調(diào)查與污染源追蹤分析」(周良勳等，2002)。中提及欲有效做好地下水之經(jīng)營(yíng)管理，需對(duì)其做徹底之瞭解，一般採(cǎi)行理論分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查並進(jìn)。理論分析包括污染物模擬技術(shù)的發(fā)展或地下水流動(dòng)之水力學(xué)問(wèn)題等，儘管如此，對(duì)地下水的現(xiàn)況調(diào)查應(yīng)是地下水污染防治之首要工作。2005/02/155文獻(xiàn)探討「應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法於地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)密度之研究」(戴維良，2002)。中提及依據(jù)資料之形式，可使用兩種適當(dāng)之地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)設(shè)計(jì)方法。1.利用一般統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算出一些地下水質(zhì)統(tǒng)計(jì)上之特徵，設(shè)計(jì)出適當(dāng)井網(wǎng)。2.使用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法，配合實(shí)際之資料，設(shè)計(jì)出適當(dāng)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)。2005/02/156文獻(xiàn)探討「地下水污染問(wèn)題之探討」(陳家洵，1997)。中提及地質(zhì)及水文資料蒐取、地下水文參數(shù)推估、確認(rèn)地表水狀況、地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)等四項(xiàng)工作之綜合可建立含水層之污染模式概念，用此概念模式可做數(shù)學(xué)模擬，推估不同除污整治之安排並且用來(lái)設(shè)計(jì)規(guī)劃最合適之除污整治之方法。2005/02/157文獻(xiàn)探討「汙染物水文地質(zhì)學(xué)原理」(沈憶瑛、何秉宜，1999)。中提及利用鑽探及設(shè)井來(lái)瞭解污染狀況時(shí)需要取得並描述下列資訊:1.定義場(chǎng)址地質(zhì)與地層特性。2.定義水文地質(zhì)特性(坡降流向)。3.收集土壤樣品繪製通氣帶中污染物垂直與水平分布之初部輪廓。4.收集地下水樣品定義溶解相污染物之範(fàn)圍。2005/02/158文獻(xiàn)探討「地下水流模式之評(píng)價(jià)指導(dǎo)方針」(ReillyandHarbaugh，2004)。中提及模式是科學(xué)假說(shuō)的具體展現(xiàn)方式之一，模式發(fā)展的清楚精確與否和完整的文檔編製需要個(gè)人假說(shuō)之配合才有辦法理解及對(duì)應(yīng)，理解及對(duì)應(yīng)則需用一個(gè)數(shù)學(xué)方式或極相似的描述實(shí)際系統(tǒng)的方法，並且確定是否模式對(duì)于調(diào)查的目標(biāo)有足夠之準(zhǔn)確性。

2005/02/159文獻(xiàn)探討「地下水流模式之評(píng)價(jià)指導(dǎo)方針」(ReillyandHarbaugh，2004)。中提及在對(duì)模式化的適合性評(píng)估過(guò)程中須注意到的問(wèn)題是︰1.研究的目標(biāo)被清楚說(shuō)明嗎？

2.數(shù)學(xué)方法使用於計(jì)算模型程式方面合適嗎？3.供使用選擇的數(shù)字還是分析模型等需要之資訊足夠描述系統(tǒng)的重要的物理過(guò)程嗎？

2005/02/1510研究方法

現(xiàn)行南科觀測(cè)站網(wǎng)之水質(zhì)採(cǎi)樣分析項(xiàng)目總共包含約30個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)井之?dāng)?shù)目亦約30口監(jiān)測(cè)井，故勢(shì)必?zé)o法運(yùn)用所有水質(zhì)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)井來(lái)進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)及憑藉。較可行之評(píng)估方法為先選定數(shù)個(gè)較具代表性之水質(zhì)項(xiàng)目作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)。本研究所考慮之指標(biāo)井選定方法以多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法為主，多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)比傳統(tǒng)之單變量降低變異數(shù)法之優(yōu)勢(shì)，即為可同時(shí)考慮較多之水質(zhì)項(xiàng)目來(lái)作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)。2005/02/1511研究方法本研究分兩部份進(jìn)行:(1)多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì):

克利金法、指標(biāo)克利金法等地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法係採(cǎi)用實(shí)際資料在空間上或時(shí)間上的特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推估。應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論可以針對(duì)已有的水質(zhì)資料進(jìn)行分析。此分析方式優(yōu)於傳統(tǒng)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析之處為除了可以分析多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的空間變異性之外，且可以分析各水質(zhì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性之空間變異性。因?yàn)槎嘧兞康刭|(zhì)統(tǒng)計(jì)同時(shí)利用了空間上或時(shí)間上之相關(guān)性與多變量之間的關(guān)係來(lái)找出不同尺度之空間變異性的來(lái)源，所以可以說(shuō)是結(jié)合了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)及多變量分析二者之優(yōu)點(diǎn)。2005/02/1512研究方法(2)地下水?dāng)?shù)值模擬:

其目的在於建立對(duì)含水層系統(tǒng)整體性的了解，亦即概念模式，以及分析各地區(qū)的污染潛勢(shì)，作為地下水水質(zhì)觀測(cè)站網(wǎng)規(guī)劃之依據(jù)，其執(zhí)行步驟將分為概念模式之建立、電腦數(shù)值模式應(yīng)用與污染潛勢(shì)分析兩大項(xiàng)進(jìn)行。概念模式的建立流程，依序?yàn)榈叵滤畬臃謪^(qū)分層研判、水平衡分析及污染物平衡分析；電腦數(shù)值模式，則將概念模式轉(zhuǎn)化為數(shù)值模式，用來(lái)分析地下水傳輸途徑，而污染潛勢(shì)分析工作，則可參考美國(guó)環(huán)保署所建立的評(píng)估方法，來(lái)評(píng)估地下水區(qū)之污染危害等級(jí)。2005/02/1513多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論於水質(zhì)指標(biāo)井選定之步驟

2005/02/1514研究方法

(1)、轉(zhuǎn)換地下水水質(zhì)項(xiàng)目為常態(tài)化變數(shù)(NormalizedVariable)

於進(jìn)行多變量質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析前，應(yīng)將選定分析之水質(zhì)項(xiàng)目之?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行常態(tài)化，其定義為:其中::代表第口井之第個(gè)變數(shù)(水質(zhì)項(xiàng)目)，常態(tài)化後之水質(zhì)數(shù)據(jù)

:第個(gè)變數(shù)(水質(zhì)項(xiàng)目)之平均值i:第個(gè)變數(shù)(水質(zhì)項(xiàng)目)之標(biāo)準(zhǔn)偏差2005/02/1515研究方法(2)、變異元分析本計(jì)畫(huà)以VARIOWIN程式作為地下水水質(zhì)複變異元分析之工具，套配常態(tài)化變數(shù)之變異圖(Variogram)及複變異圖(Cross-Variogram)。最早於1993年發(fā)表VARIOWIN1.0版，目前最新之版本為VARIOWIN2.2版。2005/02/1516研究方法(3)、探討步驟(2)之變異圖是否為巢式(NestStructure)變異圖2005/02/1517研究方法(4)、找出(3)巢式變異圖之不同尺度(Scale)影響範(fàn)圍(Range)及基值(Sill)因需求出不同變數(shù)(即不同水質(zhì)項(xiàng)目)配對(duì)之複變異元，因此步驟(2)~(4)是分析流程中最費(fèi)時(shí)之工作。2005/02/1518研究方法(5)、藉由(4)得共變異矩陣並進(jìn)行不同尺度之因子分析(FactorAnalysis):

將欲分析之變數(shù)(水質(zhì)項(xiàng)目)配對(duì)，並重覆上述步驟(2)~(4)之分析，則可得出不同變數(shù)(即不同水質(zhì)項(xiàng)目)配對(duì)之套疊模式，根據(jù)各不同變數(shù)配對(duì)分析所得之係數(shù)，即可組合成不同空間尺度之共區(qū)域化矩陣。並將不同空間尺度之共區(qū)域化矩陣視為共變異矩陣，進(jìn)行不同尺度之因子分析，分析後將可得到各因子之特徵值及貢獻(xiàn)率，並可得到各變數(shù)(即各水質(zhì)項(xiàng)目)於各因子之負(fù)荷量(FactorLoading)。另外，於進(jìn)行因子分析，亦可計(jì)算得出與各因子之負(fù)荷量相對(duì)應(yīng)之標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)係數(shù)矩陣(StandardScoringCoefficientMatrix)，以供步驟(6)計(jì)算各井於各因子得點(diǎn)。2005/02/1519研究方法(6)、計(jì)算各地下水監(jiān)測(cè)站於不同尺度之各因子得點(diǎn)(FactorScore)

經(jīng)由步驟(5)所得之標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)係數(shù)矩陣(StandardScoringCoefficientMatrix)，即可計(jì)算各地下水監(jiān)測(cè)站於不同尺度之各因子得點(diǎn)。配合各因子之特徴值及貢獻(xiàn)率(即各別因子可解釋之變異量)，若不考慮貢獻(xiàn)率較低之因子，可只選定p個(gè)主要因子計(jì)算進(jìn)行各井之因子得點(diǎn)。2005/02/1520研究方法7、依據(jù)不同尺度因子得點(diǎn)大小排序測(cè)站在計(jì)算各井於不同尺度之各因子得點(diǎn)之後，配合步驟(5)所得之各因子之貢獻(xiàn)率，根據(jù)下式計(jì)算在不同空間尺度下各井之排序分?jǐn)?shù)。而上述不同空間尺度下各井之排序分?jǐn)?shù)，即可作為水質(zhì)指標(biāo)井選定之參考依據(jù)，亦即排序分?jǐn)?shù)愈大，則於水質(zhì)指標(biāo)井選定之排序愈前。2005/02/1521研究方法(一)、優(yōu)點(diǎn)1、理論方法明確，且所需之工具大致已完備。2、多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)比傳統(tǒng)之單變量降低變異數(shù)法之優(yōu)勢(shì)，即為可同時(shí)考慮較多之水質(zhì)項(xiàng)目來(lái)作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)。3、此理論方法已被實(shí)際運(yùn)用在地下水位觀測(cè)站網(wǎng)之檢討上。2005/02/1522研究方法(二)、限制1、雖為可同時(shí)考慮較多之水質(zhì)項(xiàng)目來(lái)作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)，惟能考量之水質(zhì)項(xiàng)目仍有限。2、套配常態(tài)化變數(shù)之變異圖(Variogram)及複變異圖(Cross-Variogram)時(shí)，仍需專業(yè)人士之主觀判斷。3、只能考量所分析參數(shù)在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)上特性，尚無(wú)法真正考量實(shí)際地下水流及水質(zhì)之物理?xiàng)l件。4、只能考量選定空間上之指標(biāo)井，而無(wú)法進(jìn)行時(shí)間上之指標(biāo)井之選定。2005/02/1523研究方法地下水?dāng)?shù)值模擬

地下水?dāng)?shù)值模擬以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所（U.S.G.S）所發(fā)展出之地下水流三度空間有限差分模式processingMODFLOW為主，processingMODFLOW是以數(shù)個(gè)模組(Modules)所組合之模組群(Packages)來(lái)進(jìn)行各種水文地質(zhì)下之水流模式模擬，最後將實(shí)測(cè)數(shù)值和水流模式模擬之結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)(Calobration)，使模擬所得之結(jié)果與實(shí)測(cè)水質(zhì)結(jié)果盡量接近，而得到園區(qū)之地下水流模型之建立。2005/02/1524研究方法

污染物在地質(zhì)介層中之傳輸最主要之機(jī)制有三種即平流、擴(kuò)散、機(jī)械延散上述之三種機(jī)制在數(shù)學(xué)上常利用之移流-延散擴(kuò)散控制方程式表示。經(jīng)由MODFLOW模擬得知水位及速度分佈作為溶質(zhì)傳輸之背景水位代入MT3D可利用移流-延散擴(kuò)散控制方程式求得濃度在時(shí)間和空間上之分布即可求得溶質(zhì)隨地下水流之延散行為模擬。2005/02/1525研究方法

污染潛勢(shì)（DRASTIC）分析污染潛勢(shì)代表著較淺層的含水層就水文地質(zhì)架構(gòu)的觀點(diǎn)該含水曾受到從地表滲漏而下的污染質(zhì)污染的可能性，它所反映的是整體的趨勢(shì)而非針對(duì)某一特定污染質(zhì)。本研究應(yīng)用美國(guó)環(huán)保署發(fā)展的污染潛勢(shì)分析系統(tǒng)（DRASTIC），分析南科區(qū)域地下水層之污染潛勢(shì)，並以其作為淺層含水層（含水層1）定期監(jiān)測(cè)井選定的參考。2005/02/1526研究方法

D:地下水位深度(Depthtowater)R:淨(jìng)補(bǔ)注量(netRecharge)A:含水層介質(zhì)(Aquifermedia)S:土壤介質(zhì)(Soilmedia)T:地形坡度(Topography)I:未飽和層影響(Impactofvadosezone)C:含水層水力傳導(dǎo)特性(Conductivityoftheaquifer)DRASTIC系統(tǒng)將考慮之七個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成0~10分之分?jǐn)?shù)等級(jí)。2005/02/1527研究方法

當(dāng)決定上述七個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)之分?jǐn)?shù)值(rating)及權(quán)重值(weighting)後，則其相應(yīng)之乘積和即為DRASTIC污染評(píng)估指標(biāo)值，如下式所示:DRASTIC=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw

下標(biāo)r代表分?jǐn)?shù)值(rating)下標(biāo)w代表權(quán)重值(weighting)2005/02/1528研究方法將前述DRASTIC之各項(xiàng)因子在processingMODFLOW內(nèi)以其搜尋及輸入功能進(jìn)行評(píng)估因子等級(jí)區(qū)分及權(quán)重給定。將分析出之整體評(píng)估監(jiān)測(cè)井位套疊於污染潛勢(shì)總趨勢(shì)分級(jí)圖上即可將監(jiān)測(cè)井之等級(jí)分出。2005/02/1529結(jié)果討論為能同時(shí)考量較多水質(zhì)項(xiàng)目，以進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)井分析應(yīng)是較佳之選擇。故於考量本計(jì)畫(huà)之目的，多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)是較適用。多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法理論方法明確，所需之工具大致已完備，因此，多變量地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)可應(yīng)用於本研究實(shí)際應(yīng)用。2005/02/1530結(jié)果討論水質(zhì)指標(biāo)井水質(zhì)資料應(yīng)定期與環(huán)保署淺層監(jiān)測(cè)井之水質(zhì)資料以及區(qū)域內(nèi)土地利用狀況進(jìn)行比對(duì)分析，以掌握水質(zhì)變化之趨勢(shì)與相關(guān)原因。當(dāng)土地利用狀況或地下水使用型態(tài)有重大改變時(shí)，指標(biāo)井的佈設(shè)應(yīng)即時(shí)加以檢討。2005/02/1531結(jié)果討論水質(zhì)指標(biāo)井之設(shè)置係為了節(jié)省水質(zhì)監(jiān)測(cè)的經(jīng)費(fèi)，固然指標(biāo)井可以提供頗為精確的水質(zhì)參數(shù)推估，但是為求區(qū)域水質(zhì)資料的完整與未來(lái)針對(duì)指標(biāo)井做進(jìn)一步的調(diào)整，建議對(duì)於被選定為水質(zhì)指標(biāo)井以外的水位觀測(cè)井，以每3–5年的時(shí)間間隔，仍進(jìn)行一次的水質(zhì)採(cǎi)樣；並進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析，以作為指標(biāo)井?dāng)?shù)量與位置調(diào)整之依據(jù)。2005/02/1532參考文獻(xiàn)經(jīng)濟(jì)部，“臺(tái)灣地區(qū)地下水觀測(cè)網(wǎng)第一期計(jì)畫(huà)屏東平原水文地