應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計理論於指標(biāo)監(jiān)測井之污染潛勢分析研究

應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計理論

於指標(biāo)監(jiān)測井之污染潛勢分析研究

任課教師:胡子陵副教授學(xué)生:詹時碩

學(xué)號: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並不易察覺，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)營管理，實為刻不容緩。欲有效做好地下水之經(jīng)營管理須對其做徹底之瞭解，所以本研究利用多變量地質(zhì)統(tǒng)計理論，配合地下水流(MODFLOW)、污染傳輸(MT3D)、污染潛勢分析(DRASTIC)等模式探討分析歷年南科之地下水水質(zhì)檢驗結(jié)果，期能進(jìn)一步了解南科區(qū)域地下水水質(zhì)之區(qū)域與時間分佈並建立指標(biāo)監(jiān)測井之污染潛勢分析研究及長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)值模擬及實測檢驗併行之方式進(jìn)行南科地下水質(zhì)污染傳輸分析及潛勢分析，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，降低檢測作業(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)營管理，需對其做徹底之瞭解，一般採行理論分析與現(xiàn)場調(diào)查並進(jìn)。理論分析包括污染物模擬技術(shù)的發(fā)展或地下水流動之水力學(xué)問題等，儘管如此，對地下水的現(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)計法於地下水質(zhì)監(jiān)測井網(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)測井網(wǎng)設(shè)計方法。1.利用一般統(tǒng)計方法，計算出一些地下水質(zhì)統(tǒng)計上之特徵，設(shè)計出適當(dāng)井網(wǎng)。2.使用地質(zhì)統(tǒng)計方法，配合實際之資料，設(shè)計出適當(dāng)監(jiān)測井網(wǎng)。2005/02/156文獻(xiàn)探討「地下水污染問題之探討」(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)測等四項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設(shè)計規(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)井來瞭解污染狀況時需要取得並描述下列資訊:1.定義場址地質(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「地下水流模式之評價指導(dǎo)方針」(ReillyandHarbaugh，2004)。中提及模式是科學(xué)假說的具體展現(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人假說之配合才有辦法理解及對應(yīng)，理解及對應(yīng)則需用一個數(shù)學(xué)方式或極相似的描述實際系統(tǒng)的方法，並且確定是否模式對于調(diào)查的目標(biāo)有足夠之準(zhǔn)確性。

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

2.數(shù)學(xué)方法使用於計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)的重要的物理過程嗎？

2005/02/1510研究方法

現(xiàn)行南科觀測站網(wǎng)之水質(zhì)採樣分析項目總共包含約30個水質(zhì)項目，且水質(zhì)監(jiān)測井之?dāng)?shù)目亦約30口監(jiān)測井，故勢必?zé)o法運(yùn)用所有水質(zhì)項目及監(jiān)測井來進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)及憑藉。較可行之評估方法為先選定數(shù)個較具代表性之水質(zhì)項目作為水質(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)計法為主，多變量地質(zhì)統(tǒng)計比傳統(tǒng)之單變量降低變異數(shù)法之優(yōu)勢，即為可同時考慮較多之水質(zhì)項目來作為水質(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:

克利金法、指標(biāo)克利金法等地質(zhì)統(tǒng)計方法係採用實際資料在空間上或時間上的特性進(jìn)行統(tǒng)計推估。應(yīng)用多變量地質(zhì)統(tǒng)計理論可以針對已有的水質(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)計分析之處為除了可以分析多個水質(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。因為多變量地質(zhì)統(tǒng)計同時利用了空間上或時間上之相關(guān)性與多變量之間的關(guān)係來找出不同尺度之空間變異性的來源，所以可以說是結(jié)合了地質(zhì)統(tǒng)計及多變量分析二者之優(yōu)點。2005/02/1512研究方法(2)地下水?dāng)?shù)值模擬:

其目的在於建立對含水層系統(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，作為地下水水質(zhì)觀測站網(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)用與污染潛勢分析兩大項進(jìn)行。概念模式的建立流程，依序為地下水含水層分區(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，用來分析地下水傳輸途徑，而污染潛勢分析工作，則可參考美國環(huán)保署所建立的評估方法，來評估地下水區(qū)之污染危害等級。2005/02/1513多變量地質(zhì)統(tǒng)計理論於水質(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)項目為常態(tài)化變數(shù)(NormalizedVariable)

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

:第個變數(shù)(水質(zhì)項目)之平均值i:第個變數(shù)(水質(zhì)項目)之標(biāo)準(zhǔn)偏差2005/02/1515研究方法(2)、變異元分析本計畫以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)項目)配對之複變異元，因此步驟(2)~(4)是分析流程中最費(fèi)時之工作。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)項目)配對，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)項目)配對之套疊模式，根據(jù)各不同變數(shù)配對分析所得之係數(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)項目)於各因子之負(fù)荷量(FactorLoading)。另外，於進(jìn)行因子分析，亦可計算得出與各因子之負(fù)荷量相對應(yīng)之標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)係數(shù)矩陣(StandardScoringCoefficientMatrix)，以供步驟(6)計算各井於各因子得點。2005/02/1519研究方法(6)、計算各地下水監(jiān)測站於不同尺度之各因子得點(FactorScore)

經(jīng)由步驟(5)所得之標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)係數(shù)矩陣(StandardScoringCoefficientMatrix)，即可計算各地下水監(jiān)測站於不同尺度之各因子得點。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個主要因子計算進(jìn)行各井之因子得點。2005/02/1520研究方法7、依據(jù)不同尺度因子得點大小排序測站在計算各井於不同尺度之各因子得點之後，配合步驟(5)所得之各因子之貢獻(xiàn)率，根據(jù)下式計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)計比傳統(tǒng)之單變量降低變異數(shù)法之優(yōu)勢，即為可同時考慮較多之水質(zhì)項目來作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)。3、此理論方法已被實際運(yùn)用在地下水位觀測站網(wǎng)之檢討上。2005/02/1522研究方法(二)、限制1、雖為可同時考慮較多之水質(zhì)項目來作為水質(zhì)指標(biāo)井之選定依據(jù)，惟能考量之水質(zhì)項目仍有限。2、套配常態(tài)化變數(shù)之變異圖(Variogram)及複變異圖(Cross-Variogram)時，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)計上特性，尚無法真正考量實際地下水流及水質(zhì)之物理條件。4、只能考量選定空間上之指標(biāo)井，而無法進(jìn)行時間上之指標(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)個模組(Modules)所組合之模組群(Packages)來進(jìn)行各種水文地質(zhì)下之水流模式模擬，最後將實測數(shù)值和水流模式模擬之結(jié)果進(jìn)行校驗(Calobration)，使模擬所得之結(jié)果與實測水質(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（DRASTIC）分析污染潛勢代表著較淺層的含水層就水文地質(zhì)架構(gòu)的觀點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而非針對某一特定污染質(zhì)。本研究應(yīng)用美國環(huán)保署發(fā)展的污染潛勢分析系統(tǒng)（DRASTIC），分析南科區(qū)域地下水層之污染潛勢，並以其作為淺層含水層（含水層1）定期監(jiān)測井選定的參考。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)將考慮之七個水文地質(zhì)參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成0~10分之分?jǐn)?shù)等級。2005/02/1527研究方法

當(dāng)決定上述七個水文地質(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之各項因子在processingMODFLOW內(nèi)以其搜尋及輸入功能進(jìn)行評估因子等級區(qū)分及權(quán)重給定。將分析出之整體評估監(jiān)測井位套疊於污染潛勢總趨勢分級圖上即可將監(jiān)測井之等級分出。2005/02/1529結(jié)果討論為能同時考量較多水質(zhì)項目，以進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)井分析應(yīng)是較佳之選擇。故於考量本計畫之目的，多變量地質(zhì)統(tǒng)計方法應(yīng)是較適用。多變量地質(zhì)統(tǒng)計方法理論方法明確，所需之工具大致已完備，因此，多變量地質(zhì)統(tǒng)計方法應(yīng)可應(yīng)用於本研究實際應(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)行比對分析，以掌握水質(zhì)變化之趨勢與相關(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，指標(biāo)井的佈設(shè)應(yīng)即時加以檢討。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)資料的完整與未來針對指標(biāo)井做進(jìn)一步的調(diào)整，建議對於被選定為水質(zhì)指標(biāo)井以外的水位觀測井，以每3–5年的時間間隔，仍進(jìn)行一次的水質(zhì)採樣；並進(jìn)行地質(zhì)統(tǒng)計分析，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，“臺灣地區(qū)地下水觀測網(wǎng)第一期計畫屏東平原水文地