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地下水補注機制水力特性調查分析先驅研究

地下水補注機制水力特性調查分析先驅研究

  • ISBN/ISSN:9789860218701
  • 出版單位:經濟部水利署
  • 開數:
  • 版次:初版
  • 價格:定價$1000


書籍介紹

台灣地區地下水層多屬沖積地層,海相及陸相地層交錯,結構複雜,目前調查資料與技術僅能掌握大致之水文地質架構,因此為掌握地下水補注機制,有必要進行含水層水力特性調查分析與水文地質之研究及技術開發。再進而規劃與落實各項加強地下水補注措施,逐步減緩地層下陷,達到國土復育及地下水資源永續利用之目標。本計畫全程共執行13個月,目的為研發及展示大、中、小不同尺度地下水含水層及水文地質調查資料之整合性與分析技術,並應用水利署已有之水文水資源資料平台,初步建立、評估及展示含水層水文地質參數特徵與架構,進一步提出地下水補注推動之細部規劃,掌握地下水資源之蘊藏量、可開發量及補注成效等重要指標;本計畫研究區域型態分為場置性、地區性與區域性,共六個工作項目,分別針對不同尺度地下水層,以先驅之水力斷層掃描技術結合氫氧同位素示蹤技術,初步建立及評估含水層水文地質之異質特性,逐區完成地下水管理分區之概念模型建立、參數驗證與檢校,其演算方法與計算成果均可透過本署平台資訊交換,提供各界工程設計應用、水資源管理、學術研究之重要基礎,及可研擬地下水補注推動計畫,達成減緩地層下陷,強化地下水資源保育的目標。本次報告各工作項目成果如下。
「利用水力斷層掃描技術,推求小尺度地下水含水層水力特性與地下水補注機制」主要以Theis所提出之抽水試驗為主,分為穩態及非穩態等二種方式。傳統水文地質分析技術,主要是假設現地為均質等向性之分析,但不符合現地狀況,因此本計畫將利用水力斷層掃描方式,以獲得更接近現地水文地質參數分佈。本工作項目於濁水溪沖積扇擇合宜計畫區域,進行現地抽水試驗,並利用傳統水文地質參數分析方法(Theis法和Cooper-Jacob法)和水力斷層掃描法,推估均質等向含水層水文地質參數和反推含水層異質性。本工作項目區域水力傳導係數介於28.95 m/day至256.79 m/day,平均值為61.42 m/day,平均值之變異數為839.11 (m/day)2,幾何平均值為60.64 m/day,幾何平均值之變異數為983.03 (m/day)2。且只需輸入7組抽水試驗數據,即能使水力斷層掃描平均誤差降至5%以下,如能搭配不同方向抽水井分佈,單井抽水試驗次數僅需3組即可使平均誤差降至5%以下,或使7組單井抽水試驗之水力斷層掃描平均誤差減少至4%以下。地下水補注模擬除水平方向補注外,亦有垂直方向補注,目前本工作項目只針對水平方向水力傳導係數進行分析,因此建議後續能針對垂直方向水力傳導係進行分析模擬,以增加後續地下水補注效益推估之可信度。
「利用直接貫入法調查技術,推求小尺度地下水含水層水力特性與地下水補注機制」,含水層的三維水力傳導係數變化,K(x, y, z),影響地下水的流速與流向,對評估地下水補注與滲漏、三維模擬、與地下水補注機制都是不可或缺的資訊。水力傳導係數的垂直變化,K(z),對含水層的天然補注設計或人工補注池地點選取尤其重要。水文地層剖析儀(hydrostratigraphic profiling tool, HPT)與氣壓式微水試驗器(pneumatic slug test, PST)是即時、現地推估K(x, y, z) 的尖端技術。二者均與直接貫入(direct-push) 機組搭配使用因而無須設井:避免設井用地取得的困難,節省設井成本及水井維修保固支出。HPT/PST適用於粒徑小於4 mm,深度不超過25~30米之未固結含水層。操作程序簡易,可以迅速地得知定點的水力傳導係數垂直方向之連續變化K(z)。在合適地質情況下,通常僅需5小時左右即可決定30米的K(z)變化。同一場址中不同位置執行HPT/PST可獲得不同位置的K(z),進而有效推估場址的三維水力傳導係數變化,K(x, y, z)。水利署的「地下水觀測站網計畫」主要針對深層地下水位觀測與水文地質調查,對於淺層水文地質調查問題較少著墨,而HPT/PST正好可以彌補此不足。HPT/PST對評估台灣平原區淺層非受壓含水層的地下水垂向補注機制與滲漏情況與相關之三維地下水流模擬非大有俾益。完成(1)HPT及PST技術手冊;內容包括儀器介紹、試驗準備、測試步驟、資料分析方法,(2)高屏地區潮寮國小、大明國小、及昭明國小三個場址的HPT及PST試驗,獲得不同測試點的導電度、地層反應壓隨深度變化資料及特定深度的水力傳導係數,經迴歸換算可決定測試點的K(z)分佈,(3)彙整文獻資料與本研究現場資料製成導電度與地層材料的關係圖,提供分析HPT的導電度之參考。
「利用河川水位與地下水位之關係,推求中、大尺度地下水含水層水力特性與地下水補注機制」,含水層之水力特性為瞭解水文地質狀況之重要參數,但以往常受限於資料不足與經費缺乏,以致對現場所知有限。本工作項目利用易於取得之河川與地下水位變動資料,結合循序連續線性估計法與資料融合技術,以逆推方式配合水力掃瞄資訊,推估含水層之空間水力特性分布,並將其分布情形與地下水流數值軟體MODFLOW(MF)結合,推估新虎尾溪本工作項目河段之河道滲漏量,以此新技術建立地下水含水層異質性及補注量之評估程序,並比較均質含水層模式與異質含水層模式對於河道滲漏量之差異。其次利用河道流量估計法(SF)、Ferris(1962)解析模式與MF法評估河道水位上升後所增加之河道滲漏量。本工作項目成果顯示,SF法推估河道年滲漏量為264.2萬噸,MF法均質含水層模式與異質含水層模式之河道年滲漏量分別為170.9萬噸與205.4萬噸。河道水位抬升對於滲漏量的影響方面,以抬升2.5公尺為例,Ferris法求得河道年滲漏量增加31.6萬噸,MF均質模式與異質模式之河道年滲漏量,則分別增加26.4萬噸與34.3萬噸。以SF、Ferris與MF方法推估抬升河道水位對滲漏量增加之效益約為12.0%至18.5%之間。
「利用氫氧穩定同位素調查分析技術,推估大尺度地下水含水層水力特性與地下水補注機制」目的在釐定地下水之補注區域以及各種補注水源之比例,並進而推估大尺度地下水含水層水力特性與地下水補注機制。台灣許多地下水區私井超抽地下水嚴重,為了推估準確且合理之地下水抽水量與補注量,本研究選用地下水歷線分析法,藉由地下水相對蓄水量歷線與雨量歷線間之物理關係,來推估地下水各分區之總補注量;接著以氫氧同位素分析推估不同地下水補注來源之比例;最後將各分區之總補注量乘上補注比例,即可得到雨水、河水或區外地下水之各別補注量。本工作項目應用三個實際案例來展示分析結果,屏東平原與濁水溪沖積扇考量分層間之連通情形來推估地下水各水源之補注量;而台北盆地由於水文地質鑽探、氫氧同位素與地下水位測站資料較不足,因此本計劃先評估地下水第一含水層各水源之補注量。實際分析結果顯示,屏東平原西元1999~2008年地下水系統之年補注量為11.91億噸,其中有7.11億噸為雨水補注、2.99億噸為河水補注、1.807億噸為區外地下水補注。濁水溪沖積扇西元1999~2008年地下水系統之年補注量為21.11億噸,其中有9.76億噸為雨水補注、7.80億噸為河水補注、3.55億噸為區外地下水補注。台北盆地西元2005~2008年地下水年補注量為6.41百萬噸,其中有48.8%為由雨水補注,而有51.2%則由河水補注,大漢溪與新店溪分區幾乎全由河水補注,而淡水河與基隆河分區則由雨水補注。
「現有水利署資訊平台與本計畫評估模式整合之可行性評估」利用水利署已發展與建構之FEWS-Taiwan水文資訊平台,針對濁水溪沖積扇與屏東平原現有地下水位觀測資料隨季節變化呈現動態資訊模擬,及水文地質資訊供應在FEWS-Taiwan資訊平台,做完整性監控與模式資料提供,長期建立地下水資源永續發展之理念。站網評估方面,在淺層含水層中現有觀測井進行評估,利用降低變異數分析(Variance Reduction Analysis) 提出各種狀況之觀測井未來維護改善建議與方案;濁水溪沖積扇觀測井深大於250m之已建置僅有17口,數量及密度仍有不足;利用上述方法選定設井位置及井網佈置數量於深層含水層。臺灣地區FEWS-Taiwan平台將整合地下水調查資料、演算結果、地理資訊及相關圖層與資料展示外,本計畫並將參酌國外相關類似平台資訊以提供國內之借鏡。另請國外專家學者來台針對地下水可利用性模式(GAM)運用於國外地下水資源之經驗互相交流指導與討論。
「研擬加強地下水補注推動計畫」為研擬加強地下水補注推動工作,掌握區內地下水資源及蘊藏量及可開發量,以有效提升地下水環境保育、經營管理所需之調查及分析資料,並作為未來水資源永續利用管理保育與施政之參考依據。本工作項目首先檢討台灣九大地下水區之水文地質架構,初步彙整各區之水文地質概況、地下水補注來源、地下水位及水質等資料,以評估檢討合適之地下水補注區位,並彙整台灣現有之地下水水資源概況與補注方法,進而選定地層下陷嚴重與地下水水質劣化地區,應用本計畫工作項目一至四之不同尺度含水層異質性調查方法,評估地下水補注方法之可行性,以作為未來地下水補注推動計畫之參考依據。此外,為監測評估國內地下水補注辦理成效,本工作項目蒐集彙整台灣現有設置人工湖、滯洪池及埤塘等水資源調配計畫,分別摘要其階段性工作成果。另依據本計畫工作項目四之氫氧同位素分析成果,規劃檢討水文地質對地下水補注之影響及地下水流失關係,並規劃辦理水文地質敏感區災害調查。最後為妥善保存重要岩心並節省經費及時間的耗費,建議規劃設立「國家鑽井岩心儲存暨管理中心」。此外本項工作另提出「地下水補注推動計畫」,作為政府加強推動地下水補注相關工作之參考。

分類

其他詳細資訊

  • 英文題名:Preliminary study of groundwater recharge processes and hydraulic properties investigation
  • 適用對象:成人(學術性)
  • 關鍵詞:水力特性,地下水補注,直接貫入,水力掃瞄,氫氧同位素,FEWS,水文地質,河川水位掃瞄
  • 附件:其他
  • 頁/張/片數:987

授權資訊

  • 著作財產權管理機關或擁有者:經濟部水利署
  • 取得授權資訊:聯絡人:經濟部水利署 聯絡電話:3707-3000 聯絡地址:台北市信義路3段41之3號10樓