三維水庫水理與優養模式之發展與應用

豐枯季節分明的特性,使得台灣地區大部分的水庫水面高程變化劇烈;再加上地形坡度大,使得水庫水面在昇降的過程中,水庫邊界也跟著劇烈的改變。本研究以翡翠水庫為研究對象,發展一個能處理邊界急遽變化下的三維水理水質模式,同時並模擬不同藻類在水庫中不同季節中的變化。模式以台北翡翠水庫管理局於1999年與2000年的水理、水質與藻類資料,進行模式的檢定與驗證。根據實測資料顯示,這兩年中,水庫的最高與最低的水位差,約為20公尺,變化十分劇烈。於水庫中,夏季水庫中有分層效應,冬季則有翻轉現象。由於上游區域的人為活動,造成翡翠水庫的水質在某些季節有優養化的情形產生。在不同環境因子下,主要生長的藻類種類也隨之改變。模擬結果顯示,本模式對於劇烈變化的地形模擬程度良好,計算網格隨著水位的不同而變化,入流的位置也隨著調整。於1999年與2000年分別為枯水與豐水期的情形下,本模式依然能夠完整的描述模擬區域的水位變化。與大壩附近的溫度剖面線相比,可以再現水庫中的分層效應。為了模擬水位變化,網格必須能在乾濕兩種狀態進行切換,同時為了符合地形的幾何形狀,網格必須精細,再加上因為網格乾濕狀態的切換,水理與水質的計算時距必須相等,造成整個模式需要的運算時間大幅增加。本研究所發展的水質模式,除了模擬有機磷、正磷酸鹽、氨氮、硝酸氮、有機氮、生化需氧量與溶氧之外,尚包含可模擬不同藻種的變數。在藻類的模擬中,溫度限制因子的計算方式,與一般模擬單一藻類的模式不同,以鐘型分佈來計算溫度限制因子。模擬結果與實測資料皆顯示水庫中的水質隨著時間改變而有不同的變化。而水庫的主要藻類中,綠藻主要約在夏秋兩季生長,藍綠藻則為春夏,而矽藻的主要生長期間為冬季至春初。本研究同時也發現,於翡翠水庫中,除了矽藻之外,其餘藻類主要營養鹽限制因子為磷系統;矽藻則是氮系統與磷系統交互限制生長。將不同藻類換算回葉綠素a的結果顯示,模擬時距中,水庫於夏末秋初呈現優養化的情形,其餘大部分時間處於中養階段,與實測資料相符。

作者:謝明翰