台灣南部人工溼地蒸發散之推估

1. 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 四環四A 4960N022 蔡瑞閔

2. 摘要

3. 本研究主要探討以彭門式(Modify Penman Equation；PMM)與蒸發皿勢能經驗式(Pan Factor；PF)推估各類人工溼地之蒸發散並討論其適用性，其觀察研究對象包括自由表面流動式(FWS：free water surface flow；A1 系統)、潛流式(SSF：subsurface flow；A2 系統)、無植栽潛流式(A3 系統)等小型人工溼地模場及大型人工溼地實場(B 系統)，由相關實驗觀測與分析結果可發現由彭門式與蒸發皿經驗式所推估A1、A2、A3 及B 系統之勢能蒸發散量均小於實測蒸發值與蒸發散值，而依各系統之PMM 推估值所計算之平均絕對百分誤差(mean absolutepercentage error；MAPE)值分別為85、79、63 與66，而PF 之MAPE 值則為46、33、23 與65，其結果顯示勢PMM 之能蒸發散值與實測值間之差距頗大，PF 之推估差異則相對較低。而蒸發散之推估值係由勢能蒸發散值與作物係數(KC)計算而得，A1 系統以PMM 式迴歸而得之(KCm-A1)為7.19，其日蒸發散量之MAPE 值。

4. 可由85 降至35，而PF 估算式之作物係數(KCp-A1)為1.47，MAPE 值可由46 降至 36，二者皆達可接受水準。本研究另以A1 系統之作物係數計算B 系統之蒸發散推估值，以Penman 式推估日蒸發散量之MAPE 由原86 降至23，頗為將近推估良好水準，至於PF 式所得之MAPE 結果則由65 降為36，此結果驗証二者之適用性均可接受。然就觀測期間之平均蒸發散而言，以A1 系統作物係數另計算B系統之平均蒸發散值，則其MAPE 值分別由86 與67 降為0.33 與0.33，顯示PMM與PF 式對於人工濕地之平均蒸發散量均可精確預測

5. 前言

6. 一般自然溼地多位於下游地帶，常承受來自上游因自然或人為因素所產生的廢污水，由於污染物質在溼地系統中經複雜的淨化機制作用去除，因此溼地被形容為大地之腎，它的作用有如自然界的淨水廠，而人工溼地即是模擬真實溼地所設計用來處理水污染的生態系統，此外人工溼地也具有生態教育、景觀改善、棲地營造及其他許多的優點，故於世界各地業已經被研究與運用多年。而我國十餘年來，產官學各界亦大舉投入人工溼地之相關研究與推廣，然而相關研究多著重於人工溼地之污染處理效能及其相關影響因子之探討，其對人工溼地水文因子之特性變化卻較少討論。事實上，水文因子對於人工溼地之污染處理效能亦相當重要之影響，對於水生植物系統而言，其蒸發散（evapotranspiration）效應更為重要，目前國內尚未對人工溼地蒸發散特性進行較多相關探討，緣此，本研究乃以人工溼地蒸發散之觀測結果進行其最適經驗估算式之探討。一般自然溼地多位於下游地帶，常承受來自上游因自然或人為因素所產生的廢污水，由於污染物質在溼地系統中經複雜的淨化機制作用去除，因此溼地被形容為大地之腎，它的作用有如自然界的淨水廠，而人工溼地即是模擬真實溼地所設計用來處理水污染的生態系統，此外人工溼地也具有生態教育、景觀改善、棲地營造及其他許多的優點，故於世界各地業已經被研究與運用多年。而我國十餘年來，產官學各界亦大舉投入人工溼地之相關研究與推廣，然而相關研究多著重於人工溼地之污染處理效能及其相關影響因子之探討，其對人工溼地水文因子之特性變化卻較少討論。事實上，水文因子對於人工溼地之污染處理效能亦相當重要之影響，對於水生植物系統而言，其蒸發散（evapotranspiration）效應更為重要，目前國內尚未對人工溼地蒸發散特性進行較多相關探討，緣此，本研究乃以人工溼地蒸發散之觀測結果進行其最適經驗估算式之探討。

7. 文獻回顧及探討

8. 蒸發散量是水文循環中一種非常重要的循環機制，蒸發散所指為蒸發蒸發散量是水文循環中一種非常重要的循環機制，蒸發散所指為蒸發 (Evaporation)與蒸散(Transpiration)作用之總和，前者是自由液面之水分由液態轉變為氣態而進入大氣中。蒸散則是植物根部從土壤吸收水分，經由葉面氣孔使水分散逸至空氣之水分，但由於蒸發與蒸散兩者在量測上難以區分，在研究上常將兩物理量合而為一，合稱為蒸發散量(Evapotranspiration)，地球表面水約有70%的水分透過蒸發或蒸散而散失，它是一種水份與能量流動之間非常複雜而互相影響過程的結果，其受著大氣、土壤及植生狀況影響。

9. 國內有關於溼地蒸發散之相關研究則有；吳朝景(1980)則對溼地植物布袋蓮國內有關於溼地蒸發散之相關研究則有；吳朝景(1980)則對溼地植物布袋蓮 進行蒸發散相關研究。荊等人(2003)於二仁溪畔設置蒸發及蒸散系統以研究探討蒸發散效應對於人工溼地除污效能之影響，實驗結果在蒸發散系統中，水溫每升高1℃，蒸發速率增加1.814×10-4 m3/m2/d；蒸散速率增加1.177×10-2 m3/m2/d；蒸發散速率則增加3.347×10-4 m3/m2/d。陳治勛(2005)於屏東大學生態池探討溼地水文參數：降水量、蒸發量、蒸散量、地表逕流、地下水入滲等之特性變化，其在植物蒸散選用輪傘莎草、水蕹菜、茭白筍、香蒲、印度杏菜、光冠水橘、屏東石龍尾、白花天胡荽做為植物蒸散試驗研究，除莎草於實驗期第一旬之蒸散值為2~5.1mm/d，其他植物都介於-0.5~2mm/d 之間。

10. 國內蒸發散推估相關研究主要應農業需求而進行，諸如施與黃(1987)以國內蒸發散推估相關研究主要應農業需求而進行，諸如施與黃(1987)以 Blaney-Criddle、Thornthwaite 與Modify Penman 等經驗估算式分別推估玉米之灌溉用水量，結果發現以Modify Penman 所估算較有準確性；徐與宋(1987)以台灣地區七個氣象測站資料以Penman 公式推估之蒸發散量與實際蒸發散量比較，估算結果相關性高，顯示Penman 公式適用於台灣地區；張(1990)推估嘉義地區用水量，除使用施與黃(1987)使用之4 個經驗估算公式，尚另加入Priestley-Taylor、Jensen-Haise Hargreaves 等估算式，結果以Modify Penman 估算式最為準確；以諸多研究方面證實Modify Penman 估算式在台灣地區不論是在農田灌溉需水量、集水區、森林的蒸發散估算都最為合適。

11. 人工溼地已被許多學者應用和研究多年，惟大都著重於處理污染效能方面之研究，在蒸發散方面，亦多偏重於農田水利或森林集水區進行研究，於人工濕地則相對較少，因此本研究將探討以彭門修正式(Modify Penman Equation；PMM)及蒸發皿勢能經驗式(Pan Factor Equation；PF)推估各類人工溼地之蒸發散特性之適用性，以增進日後相關研究之完整性。

12. 實驗佈置與分析

13. 本研究主要探討人工溼地之蒸發散特性和各種不同水文條件下蒸發散之比較，研究之相關實驗係對於A(1、2、3)系統(嘉南藥理科技大學活動中心六樓小型人工溼地)及B 系統(嘉南藥理科技大學人工溼地)進行，以下謹對相關實驗細節扼述之。

14. 3.1. 嘉南藥理科技大學小型人工溼地系統之規劃與佈置 • 本研究之小型實驗場所設立於嘉南藥理科技大學活動中心頂樓(五層樓高)，計有三組系統以模擬不同系統條件下人工濕地蒸發散之特性變化，每組系統分別由長69cm、寬47.5cm、高66cm 之塑膠槽桶組成，分別模擬表面流動式（free water surface flow system；FWS，A1 系統）、潛流式（subsurface flow system；SSF，A2 系統）及無植栽潛流式人工溼地系統。在A1 之FWS 人工溼地系統底部鋪入厚約15cm 的土壤，以便水生植栽（香蒲；Typha orientalis Presl.）固著，水深約為0.45m，空槽停留時間為1.14 天。而A2 之SSF 系統中填入的介質為礫石，其粒徑為30~40mm，孔隙率實際量測約為52％，系統植有蘆葦（Phragmitescommunis L.），水深為0.4m，空槽停留時間為0.61 天，系統之後置有一儲水桶，以便利於觀測每日系統之蒸發散水量。A3 之SSF 人工溼地系統與A2 相同，惟無蘆葦植栽，以便觀察單純石頭床之蒸發特性。

15. 3.2. 嘉南藥理科技大學人工溼地系統之規劃與佈置 • 本系統(B 系統)係位於嘉南藥理科技大學新建校區，為嘉南藥理科技大學生態中心所建置，整個溼地的總面積約為11,000 m2(不含景觀生態湖)，由四個單元所組成，分別為取水井、潛流式(subsurface flow system, SSF)溼地、表面流動式(freewater surface, FWS)溼地，最後再將處理過後的淨化水排入景觀生態池，系統操作之水源係來自於校園宿舍區之生活污水，實驗操作期間每日操作水量約340CMD，系統中設置面積為2,300 m2 之潛流式人工溼地系統，平均水深約為0.7m，其系統平均分區種植挺水性植物；諸如蘆葦、香蒲、風車草、培地毛、荸薺菜等。除SSF 系統外，另設置面積為15,00 m2 之表面流動式人工溼地系統，平均水深約為0.4 m，此系統平均分區種植挺水性植物及浮葉性水生植物：日本紙莎草、粉綠狐尾藻、大安水蓑衣、睡蓮、台灣萍蓬草、白花水龍等水生植物 另於此人工溼地中架設水文氣象監測站，其監測系統主要分為氣象監測系統與人工溼地監測系統兩大系統，氣象系統方面為人工溼地氣象站測站，主要監測項目有風向、風速、溫度、濕度與雨量。

16. 3.3. 數據採樣 由於六樓小型人工溼地蒸發散實驗設置時間較晚，且無氣象站監測系統，固六樓人工溼地氣象使用距離嘉南藥理科技大學較近的中央氣象局南區氣象中心的氣象資料，再將南區氣象中心與嘉南藥理科技大學人工溼地氣象監測站的氣象資料做差異性的比對，經統計比對嘉南藥理科技大學氣象監測站與南區氣象中間的氣象資料差異性不大，證明嘉南藥理科技大學人工溼地氣象監測系統的準確性並可將南區氣象資料作未設置氣象站的六樓小型人工溼地的氣象資料以作為經驗式中的參數。現場測量蒸發散方面，設置三個不同型態的溼地系統，分別為FWS 系統、SSF 系統、石頭床系統，每個系統進流使用蠕動式幫浦以定流量方式進入小型溼地系統，於出流的地方設置一個蒸發桶，再採用人工方式每日進行測量紀錄各型態溼地系統之蒸發散。

17. 3.4. 人工溼地蒸發散經驗估算式簡述 • 多年來，諸多我國學者無論於灌溉用水之推估或作物蒸發散之研究皆因受不同環境或地域性之影響，蒸發散推估式之相關研究大都因農田水利或森林集水區經營所需而起，人工溼地之蒸發散之經驗估算式則較少論及。於國內之相關研究中，彭門修正式已被諸多學者使用與研究於不同環境之蒸發散經驗公式的推估及修正，本文將引用此式用於探討其於各類人工溼地蒸發散量之推估適用性。另為用於比較，本文亦將蒸發皿勢能經驗式一併納入討論。下式為國際糧農組織(FAO)於1984 年改良修正之Modify Penman 估算式；

18. 式中各參數之定義為；ETo：參考作物之勢能蒸發散量(mm/day)；△：飽和蒸汽壓力曲線斜率(kPa×℃-1)； r：濕度常數(r＝0.66，kPa×℃-1)；Rn：日淨輻射量 (MJ×m-2d-1)；l：水的蒸發潛熱(MJ×Kg-1)；f(U)：風速函數；ea：日平均溫度時之飽和蒸汽壓(kPa)；ed：日平均溫度時之實際蒸汽壓(kPa)；以上諸參數可以下列各 式計算之；

20. 式中參數之定義為；T：日平均溫度(℃)；Rns：日淨太陽短波入射輻射量(MJ×m-2d-1)；Rnl：日淨地球長波反射輻射量(MJ×m-2d-1)；α：地表反射率；σ：StefanBoltzmann 常數(=5.67×10-8Wm-2K4)；Ta：大氣溫度(°K)；Rs：日太陽輻射量(MJ×m-2d-1)；N：最大可能日照時數(hrs)；n：直接日照強度維持在120(W×m-2)之日照時數(hrs)；RH：平均相對濕度（%）。

22. 式中參數S：表日照百分率(%)，雖然當此模式所得到結果和實際量測的結果比較，輻射一項為主要影響因子，惟此方程式所作估算值較其他常用蒸發散估算式為佳(Hammer & Kadlec 1983)。為歸納探討台灣本土地之人工濕地蒸發散最是經驗算估式，本研究規劃引用彭門修正式及蒸發皿勢能PF(Pan Factor)經驗式做為探討比較標的，相關實測數據即依據上述之式估算所需進行規劃收集，藉以分析評估二估算式之推估值之準確度，同時再對二經驗式進行經驗值修正，以建議適於台灣本土應用之人工溼地蒸發散估算式。

23. 結果與討論

24. 本文以各領域蒸發散相關文獻配合分析嘉南藥理科技大學大型人工溼地氣象站、溼地監測站與位於學生活動中心六樓小型人工溼地系統和中央氣象局南區氣象站經長期收集各氣象水文因子之各系統統計量，並據以計算各系統之實際蒸發散量及勢能蒸發散量，再逐步進行分析探討彭門修正式與蒸發皿經驗式之適用性。本文以各領域蒸發散相關文獻配合分析嘉南藥理科技大學大型人工溼地氣象站、溼地監測站與位於學生活動中心六樓小型人工溼地系統和中央氣象局南區氣象站經長期收集各氣象水文因子之各系統統計量，並據以計算各系統之實際蒸發散量及勢能蒸發散量，再逐步進行分析探討彭門修正式與蒸發皿經驗式之適用性。 為探討彭門修正式與蒸發皿係數經驗式之估算準確度，本研究一併將相關推算結果繪製整理於圖表中，由圖1 可發現彭門修正式於觀測期間均嚴重低估，至於蒸發皿係數經驗式則於休眠期相對較為準確，至於生長期則其誤差異大，為能較為確切掌握其誤差特性，本研究另行計算平均絕對百分誤差（mean absolutepercentage error; MAPE），其定義如下；

25. 式中no 觀測數據數量，Xmi 與Xpi 分別為觀測值與預測值，一般當MAPE<10 時， 表示預測結果準確，MAPE=10～20 為預測良好，MAPE=20～50 則為預測結果可 接受，MAPE>50 顯示預測結果無法接受。

26. 圖1~4 分別為FWS（A1 系統）、SSF(A2 系統)、無植栽SSF(A3 系統)、實場(B 系統)等人工濕地於2008.02.12 日~05.18 日、2008.02.12 日~06.10、2008.04.20日~08.09 日、2008.01.01 日~03.31 日等期間之蒸發散(ET)、蒸發(E)實測結果及其同時段PMM 與PF 之推估結果，相關統計分析詳見表.1~2。由於A1 與A 系統觀測期間洽由冬末漸至夏初，故其日平均溫度12.1℃漸增29.4℃，A1 系統之FWS 蒸發散實測結果(ET)亦由2.10cm/d 漸增至4.75cm/d，平均蒸發散量約為3.44cm/d，由其變化趨勢可發現FWS 蒸發散係呈二階段變化，於2008.02.12~03.19 呈現區間變動特性，而於2008.03.19~05.18 期間，則隨溫度而漸次增加至4.75cm/d，此現象應肇因於前者之水生植物處於休眠期所致，其後則因生長期而使蒸發散有所增加，荊等人(2003)曾對FWS 人工濕地之蒸發散特性進行實驗研究，由其結果亦發現蒸發散會隨溫度增加而遞增。而由A2 系統之實測結果可發現SSF 蒸發散較無FWS 所呈現之兩階段變化趨勢，但也因季節的變化，隨著冬末漸至夏初的溫度升高，蒸發散值之變動範圍也明顯增大。

27. 圖3 係無植栽石頭床人工濕地（A3 系統）於2008.04.20 日~08.09 日間之蒸發實測結果，由此部份之觀測可知僅有填充材之蒸發特性，觀測期間洽為盛夏，故其日平均溫度約介於23.1℃~30.2℃，相對於A1 與A2 系統而言，其實測結果相對較為穩定，其平均溫度約為27.7℃，同期間之石頭床蒸發實測結果介於1.14cm/d 與3.16cm/d 間，平均蒸發散量約為2cm/d，其相對變動範圍較小，此主要肇因於A3 系統無水生植栽，較不受蒸散影響，其變化趨勢亦未FWS 與SSF系統之兩階段變化。由於上述系統係小型人工溼地，而於大型人工溼地實場(系統B)而言，觀察期間洽為冬季水生植物休眠期，其蒸發散呈現相對區間變動變 化，其平均值約為3.00cm/d。

28. 另根據(13)式計算各人工溼地系統蒸發散或蒸發推估值之MAPE，計算結果另根據(13)式計算各人工溼地系統蒸發散或蒸發推估值之MAPE，計算結果 詳見表1~2，由A1 系統之PMM 預測結果可發現有明顯低估現象，其MAPE 值為85，顯示彭門修正式對FWS 人工濕地蒸發散之推估結果係無法接受。至於PF之MAPE 值則為46，位於可接受範圍，若將其分為休眠期與生長期，則其值分別為30 與60，顯示PF 式較適用於FWS 人工濕地休眠期蒸發散之推估。A2 系統之實測期間與A1 系統相近，其PMM 及PF 之MAPE 分別為79 與32，顯示彭門式對SSF 人工濕地蒸發散之推估結果如FWS 人工濕地一樣無法接受，至於PF 式則相對較可接受，若依休眠期與生長期分別計算，其值為25 與36，顯示PF 式休眠期蒸發散之推估精度較為準確。 由於A3 系統為無植栽之SSF 人工溼地系統，相關監測結果為礫石床之蒸發 量，本研究仍以PMM 與PF 式推估其蒸發量，其對應之MAPE 分別為63 與23，顯示彭門修正式對石頭床人工濕地蒸發之推估結果係亦無法接受。至於PF 則顯示PF 式也適用於石頭床蒸發之推估。至於實場B 系統之PMM 與PF 推估值之MAPE 分別為66.3 即64.6，顯示彭門式與PF 式對B 系統人工濕地蒸發散之推估結果皆無法接受。

35. 蒸發散係植物之蒸散與自由液面之蒸發之總和，而(1)式與(8)式之彭門式與蒸發皿經驗式之參數皆為氣象因子，推估式本身並未考量植栽種類之差異，其間差異一般以作物係數(KC)予已校正；蒸發散係植物之蒸散與自由液面之蒸發之總和，而(1)式與(8)式之彭門式與蒸發皿經驗式之參數皆為氣象因子，推估式本身並未考量植栽種類之差異，其間差異一般以作物係數(KC)予已校正； 為求得適於本土人工濕地蒸發散估算之經驗式，本研究對彭門式(PMM)與蒸發皿係數經驗式(PF)皆進行其作物係數（KCm，KCp）之推估，以比較探求其適用性。作物係數推算時係以分別以SPSS 程式中Scheffe 法和Bonferroni 法檢視其顯著性，當顯著性達最高值時，其係數即為所求。由於不同的估算式中所使用不同參數，故所估算出的蒸發散值也有所不同，經使用Scheffe 法和Bonferroni 法可發現出實際(ET)與Penman 估算式、PF 估算式之間的顯著性原來都低於0.05，顯示各蒸發散估算式有很大差異，而經迴歸計算後，FWS 人工濕地(A1)系統Penman估算式之作物係數(KCm-A1)為7.19，其日蒸發散量之MAPE 值可由85 降至35，而PF 估算式之作物係數(KCp-A1)為1.47，MAPE 值可由46 降至36，二者皆達可接受水準。

36. 另為驗證作物係數適用性，本研究另引用前述作物係數計算B 系統之蒸發散推估值並與其實測蒸發散值相互比較，以Penman 式推估日蒸發散量之MAPE由原86 降至23，頗為將近推估良好水準，至於PF 式所得之MAPE 結果則由65降為36，此結果驗証二者之適用性均可接受。然就觀測期間之平均蒸發散而言，原A1 系統PMM 與PF 之MAPE 值分別為85 與46，經作物係數修正後，其MAPE 值分別降為4.7 與4.9，若以此作物係數另計算B系統之平均蒸發散值，則其MAPE值分別由86 與67 降為0.33 與0.33，顯示PMM 與PF 式對於人工濕地之平均蒸發散量均可精確預測。再者，經迴歸後可得潛流式人工濕地(A2)系統Penman 估算式之作物係數(KCm-A2)5.04，其MAPE 值由原來的79 降至32，而PF 估算式作物係數(KCp-A2)則為1.11，MAPE 值亦可由33 降至29。

37. 結論

38. 本文主要探討以彭門式與蒸發皿經驗式推估各類人工溼地之蒸發散並討論其適用性，由相關實驗觀測與分析結果可發現由彭門式與蒸發皿經驗式所推估A1、A2、A3 及B 系統之勢能蒸發散量均小於實測蒸發值與蒸發散值，而依各系統之PMM 推估值所計算之MAPE 值分別為85、79、63 與66，而PF 之MAPE值則為46、33、23 與65，其結果顯示勢PMM 之能蒸發散值與實測值間之差距頗大，PF 之推估差異則相對較低。而實際蒸發散值係由勢能蒸發散值與作物係數(KC)計算而得，A1 系統以PMM 式迴歸而得之(KCm-A1)為7.19，其日蒸發散量之MAPE 值可由85 降至35，而PF 估算式之作物係數(KCp-A1)為1.47，MAPE 值可由46 降至36，二者皆達可接受水準。本研究另以A1 系統之作物係數計算B系統之蒸發散推估值，以Penman 式推估日蒸發散量之MAPE 由原86 降至23，頗為將近推估良好水準，至於PF 式所得之MAPE 結果則由65 降為36，此結果驗証二者之適用性均可接受。然就觀測期間之平均蒸發散而言，若以此作物係數另計算B 系統之平均蒸發散值，則其MAPE 值分別由86 與67 降為0.33 與0.33，顯示PMM 與PF 式對於人工濕地之平均蒸發散量均可精確預測。