Integrated Water Quality and Ecological Models - Hsin-Shan Reservoir as a Case Study

新山水庫供給基隆地區的用水，水質為輕度優養化之狀態，而造成新山水庫優養化的主要原因是由於磷與氮的大量輸入，輸入的主要原因是因為進入的基隆河原水中含有大量的營養鹽，本研究使用Vollenweider零維總磷質量平衡模式、WASP5水質模式以及Ecopath生態模式進行模擬與研究。 以Vollenweider零維總磷質量平衡模式分別針對新山水庫2004、2005年的數值進行參數檢定與模式驗證，可以發現此模式適用於新山水庫。所模擬出來的結果可以發現，模擬值與實測結果兩者有相同的趨勢且結果相近。以WASP分別針對新山水庫2004、2005年的數值進行參數檢定與模式驗證，可以發現此模式也同樣適用於新山水庫。並且對新山水庫2004、2005年水質進行優養分析預測，水質指標降低至中養時，大約需要削減入流磷系統30∼40%左右，而要達到貧養的程度，需要消減入流磷系統70∼80%左右，顯示新山水庫的入流水質不佳為水庫優養化的主要原因。生態模擬部分使用Ecopath生態模式模擬新山水庫，整個系統的初級生產量除總呼吸量為1.228，可得知新山水庫是一個相對接近成熟的生態系統，水庫中族群變化相對的穩定。 本研究將Ecopath結合WASP模式，以計算於水庫中放置珍珠貝，利用其攝食藻類的特性，來改善新山水庫的水質狀況的效果，珍珠貝顆數與葉綠素a濃度的方程式計算出來為 y = 69378 exp(-0.3442x)，其中y為顆數，x為葉綠素a的濃度[ ppb ]。並且進行Ecopath結合WASP模式之敏感度分析，藉此來了解各參數對於攝食率的影響程度，結果可以看出在生物量、單位生物量之代謝消耗量與生態利用效率，假使生物層級越高，對於浮游植物（葉綠素a）的影響越小，但是單位生物量之生產量不管如何改變，對攝食率是沒有影響的。 Hsin-Shan Reservoir provides the water supply of Keelung. The main source of this reservoir is Keeling River. Keelung River is a very polluted river because of the drainage of commercial, industrial and residential. According to Carlson Index, its water quality is in eutrophication level. Phosphorus and nitrogen of Keelung River is the main reason of eutrophication. This research uses three models, Vollenweider, WASP, and Ecopath, to analysis the water quality of reservoir. In the end, we establish a way for providing a biological treatment evaluation method. The field data of 2004 and 2005 is collected in the research. The main reason of eutrophication in Taiwan is phosphorus. Vollenweider is used as a total phosphorus mass balance modeling to simulate the Hsin-Shan Reservoir. The result is quite well. The maximum concentration is happened in summer. Next, we use WASP to do more explicit simulation. The result WASP shows a good trend and very closed to the field data. We use WASP to see how many pollutants should be reduced if we want the water quality is no more eutrophication level after the model established. According to our analysis, if we want to reach the mesotrophic level, 30 to 40% pollutants would need to be removed from inflow. Further more, if we cut down 70 to 80% pollutants, the whole reservoir would be in oligotrophic level. These two models showed that the main pollutant source is the Keelung River and the eutrophication is happened in summer period. In order to understand the ecosystem of Hsin-Shan Reservoir, we use Ecopath as ecological model. The outcome shows, the total primary production/total respiration of Hsin-Shan Reservoir is 1.228. It can say the ecosystem of Hsin-Shan Reservoir is very close to the mature one. In recent year, more and more biological treatment methods are used to replace the traditional construct methods. The main problem of biological treatment is the difficult of evaluate the effect of biological treatment. We try to put some pearl shell in reservoir to control phytoplankton. Before field exam, we used models to estimate the effect of such a work. This research combines the models of WASP and Ecopath to calculate the erasing rate relationship between pearl shell and phytoplankton. The equation of the pearl shell number and chlorophyll a concentration is y = 69378 exp(-0.3442x), here y is the number of pearl shell, x is the concentration [ppb] of chlorophyll a. The result shows if we want to reach mesotrophic level, about 3000 pearl shell will be needed.目錄 口試委員會審定書 i 誌謝 ii 中文摘要 iii 英文摘要 iv 目錄 vi 表目錄 viii 圖目錄 ix 第一章 前言 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與步驟 2 第二章 文獻回顧 5 2.1 Vollenweider之相關研究 5 2.2 WASP之相關研究 7 2.3 Ecopath之相關研究 8 2.4 敏感度分析之相關研究 9 2.5 貝類之相關研究 10 第三章 研究方法及理論分析 11 3.1 研究區域 11 3.2 Vollenweider水質模式原理 13 3.2.1 零維總磷質量平衡模式 13 3.2.2 體積時變性零維總磷質量平衡模式 16 3.2.3 氮/磷比值的意義 18 3.3 WASP5水質模式原理 21 3.3.1 WASP5水質模式基本原理 21 3.3.2 WASP5水質模式-葉綠素a 24 3.3.3 WASP5水質模式-氮系統 27 3.3.4 WASP5水質模式-磷系統 28 3.3.5 WASP5水質模式-溶氧 28 3.4 水庫優養化 29 3.4.1 優養化判斷標準 29 3.4.2 單一參數指標法 30 3.4.3 多變數理化指標法 31 3.5 Ecopath生態模式原理 32 第四章 模式輸入與結果 35 4.1 Vollenweider水質模式 35 4.2 WASP5水質模式 37 4.2.1 WASP5模式建立網格 37 4.2.2 WASP5模式之輸入格式 38 4.2.3 WASP5模式之模擬結果 40 4.2.4 WASP5模式之模式預測 52 4.3 Ecopath生態模式 54 4.3.1 基本資料輸入 54 4.3.2 食物組成矩陣 55 4.3.3 初步結果分析 55 4.4 WASP5與Ecopath結合與應用 59 4.5 WASP5與Ecopath結合之敏感度分析 62 第五章 結論與建議 64 5.1 結論 64 5.2 建議 66 參考文獻 68 附錄 76 表目錄 表1.1 評估湖泊水庫的優養化模式 3 表3.1 美國環境保護署單一參數判定優養化之標準 31 表3.2 OECO單一參數判定優養化之標準 31 表3.3 Carlson單一參數判定優養化之標準 31 表3.4 Carlson多變數判定優養化標準 32 表4.1 WASP5模式應用於新山水庫水質模擬給定之參數值 51 表4.2 新山水庫Ecopath基本輸入量 55 表4.3 新山水庫生態系統內各單元之食物組成矩陣設定值 55 表4.4 新山水庫生態系統之初步結果表 56 表4.5 新山水庫生態系統之死亡係數、漁獲死亡率、被捕食死亡率、 生物量積率、淨遷移率以及其他死亡率表 57 表4.6 新山水庫生態系統模擬之參數總表 58 表4.7 新山水庫Ecopath加入珍珠貝後之基本輸入量 60 表4.8 新山水庫生態系統加入珍珠貝後各單元食物組成矩陣設定值 60 表4.9 新山水庫Ecopath各參數增加5%時，攝食率的變化 62 表4.10 新山水庫Ecopath各參數減少5%時，攝食率的變化 63 圖目錄 圖1.1 結合水質與生態模式-以新山水庫為例之研究流程圖 4 圖3.1 新山水庫圖 12 圖3.2 總磷在一完全混合水體之平衡示意圖 13 圖3.3 總磷負荷量、湖泊特性q與營養狀態關係圖 16 圖3.4 營養鹽分的主要組成：磷、氮 19 圖3.5 浮游植物受最少量之養分控制示意圖 20 圖3.6 浮游植物受最少量之養分控制區間示意圖 20 圖3.7 WASP5水質變數反應圖 24 圖4.1 新山水庫2004年總磷模擬分析與實測結果圖（檢定） 36 圖4.2 新山水庫2005年總磷模擬分析與實測結果圖（驗證） 36 圖4.3 新山水庫WASP二維水質模擬網格分割圖 37 圖4.4 新山水庫2004年水庫體積與實測結果比較圖 40 圖4.5 新山水庫2005年水庫體積與實測結果比較圖 41 圖4.6 新山水庫2004年氨氮模擬與實測結果（檢定） 42 圖4.7 新山水庫2005年氨氮模擬與實測結果（驗證） 42 圖4.8 新山水庫2004年硝酸氮模擬與實測結果（檢定） 43 圖4.9 新山水庫2005年硝酸氮模擬與實測結果（驗證） 43 圖4.10 新山水庫2004年磷酸鹽模擬與實測結果（檢定） 44 圖4.11 新山水庫2005年磷酸鹽模擬與實測結果（驗證） 44 圖4.12 新山水庫2004年葉綠素a模擬與實測結果（檢定） 45 圖4.13 新山水庫2005年葉綠素a模擬與實測結果（驗證） 45 圖4.14 新山水庫2004年生化需氧量模擬與實測結果（檢定） 46 圖4.15 新山水庫2005年生化需氧量模擬與實測結果（驗證） 46 圖4.16 新山水庫2004年溶氧模擬與實測結果（檢定） 47 圖4.17 新山水庫2005年溶氧模擬與實測結果（驗證） 47 圖4.18 新山水庫2004年有機氮模擬與實測結果（檢定） 48 圖4.19 新山水庫2005年有機氮模擬與實測結果（驗證） 48 圖4.20 新山水庫2004年有機磷模擬與實測結果（檢定） 49 圖4.21 新山水庫2005年有機磷模擬與實測結果（驗證） 49 圖4.22 新山水庫2004年磷濃度遞減率與水庫內葉綠素a濃度關 係圖 52 圖4.23 新山水庫2005年磷濃度遞減率與水庫內葉綠素a濃度關 係圖 53 圖4.24 新山水庫珍珠貝數量增加與水庫內葉綠素a濃度關係圖 6