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研究計畫報告

研究計畫報告. 多變量分析方法於地下水質監測井之污染潛勢分析之應用 指導教師 : 胡子陵 學生 : 詹時碩 學號 : E09314003. 報告大綱. 第一章 緒論 第二章 文獻回顧 第三章 研究方法 第四章 研究成果與討論 參考文獻. 第一章 緒論 - 研究背景與目的. 所以防治地下水污染對策應建立「預防重於治療」的觀念。. 第一章 緒論 - 研究背景與目的.

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  1. 研究計畫報告 多變量分析方法於地下水質監測井之污染潛勢分析之應用 指導教師:胡子陵 學生:詹時碩 學號: E09314003

  2. 報告大綱 • 第一章 緒論 • 第二章 文獻回顧 • 第三章 研究方法 • 第四章 研究成果與討論 • 參考文獻

  3. 第一章 緒論-研究背景與目的 • 所以防治地下水污染對策應建立「預防重於治療」的觀念。

  4. 第一章 緒論-研究背景與目的 • 使用多變量分析之主成份分析及因子分析將台南園區之地下水資料進行歸納、整理和分類，探討水質間相互關係，並配合地下水污染模式，進而探討區域內水質特性，及污染潛勢分析之應用，以期對台南園區地下水污染防治及預警作有效之管理。

  5. 第一章 緒論-研究背景與目的 • 地下水含水層系統之掌握。 • 污染危害等級的區分，做為監測井污染潛勢之參考。 • 應用電腦數值模式，分析地下水流速及流線，了解地下水傳輸途徑。

  6. 第一章 緒論-研究方法概述 • 第一部分針對園區水質現況分析，應用多變量統計方法初步分析各水質變數之特性 • 統計方法結合SPSS執行 • 第二部分針對研究區進行地下水流的數值模擬，及利用溶質傳輸模式，模擬區域內非均質、異向性含水層和不規則邊界的地下水流狀態 • MODFLOW、MT3D及DRASTIC程式執行

  7. 第一章 緒論-統計分析之步驟 • 由敘述性統計分析監測井水質監測資料，瞭解區域地下水基本水質狀況。 • 變數多寡、樣本大小、相關性確立 • 利用因子分析找出影響地下水水質變異的主成份因子。 • 利用群集分析階層分群法，研判分群地下水水質污染源。

  8. 第一章 緒論-數值模擬之步驟

  9. 第二章 文獻回顧-多變量統計分析 • 多變量統計在河川水質特性分析之應用(何奇峰，1998)指出多變量分析中，可利用原變數與各個主成份之間的相關係數(也稱主成份負荷；Loading)來解釋變數在該主成份內所佔的重要性，並且每一主成份中各變數的數值正負可顯示各變數之間的關係為正比或反比。

  10. 第二章 文獻回顧-多變量統計分析 • 多變量統計區分屏東平原地下水含水層水質特性與評估井體之維護探討(王瑞君，1998)中提及，研究變項的減縮(reduction)與量表的編製，常以主成份分析與共同因素分析二種方法抽取成份或因素。

  11. 第三章 研究方法-多變量統計分析 • 多變量統計分析本身對科學研究是一個有用的輔助工具，它的優點在於讓我們更加清楚的瞭解複雜現象背後的規律性，以及做為其他研究結果的驗證說明

  12. 第三章 研究方法-多變量統計分析 主要目的: • 資料縮減或結構簡化 • 分類和分群 • 調查變數間的相依關係 • 預測 • 假設的建立和檢定

  13. 第三章 研究方法-多變量統計分析 • 主成份分析(Principle component analysis)所著重的在於如何「轉換」原始變項使之成為一些互相獨立的線性組合變數，其關鍵在「變異數」問題，利用求特徵值(eigenvalue)及特徵向量(eigenvector) 之方法，過濾出佔有最大變異數的型態，此即為主成份分析最主要之原理。

  14. 第三章 研究方法-多變量統計分析 • 第一主成份特徵值>第二主成份特徵值>……>第N主成份特徵值 • 凡特徵值大於1者視為具變異代表性，亦即視為可保留之主成份 • 兩各主成份之共變數為零 • 一般而言簡化多變量資料的變數個數以能解釋原有變數變異達70% 以上為原則。

  15. 第三章 研究方法-多變量統計分析 • 因子分析理論是假定樣本在變數上之得分，是由兩個部分組成，一個是各變數共有的成份，即共同因子(Common factor)，另一個是各變數所獨有的成份，即獨特因子(Unique factor)，共同因子可能是一個、兩個或好幾個。而萃取出變數間的共同因子，便是因子分析的主要目的。

  16. 第三章 研究方法-多變量統計分析 • 群集分析為一種數值分類法，是根據變數間的相同性或相異，將相似性（或同質性）較高或相異性較低的觀察值集成一群，使分類的結果具有同質性。

  17. 第三章 研究方法-MODFLOW • 地下水流模式之物理原理乃結合達西定律和水的質量連續方程式 • 地下水數值模式其使用之方程式為水平衡連續方程式。故任一模式均需將含水層分割成數個小控制體（Control Volume）或格點(Grid)，然後用數值方法在這每一個格點中求得一個連續方程式的近似解（Approximated Solutions）

  18. 第三章 研究方法-MODFLOW

  19. 第三章 研究方法-MODFLOW • 河流路徑模組群（Streamflow-Routing Package） • 水平流阻隔模組群（Horizontal-Flow Barriers Package） • 層間貯水模組群（Interbed Storage Package） • 隨時間變動之定水頭模組群（Time-Variant Specified Head Package） • 滲濕能力模組群（Wetting Capability Package） • 層面間貯水模組套件（Interbed Storage Package） • 補注模組套件（Recharge Package） • 水庫模組套件（Reservoir Package） • 河流模組套件（River Package） • 河流路徑模組套件（Streamflow-Routing Package） • 隨時間變動之定水頭模組套件（ Time-Variant Specified-Head Package） • 水井模組套件（Well Package）

  20. 第三章 研究方法-MODFLOW 概念模式(Conceptual model)為整個模式的雛型，在模式開始建置時，是對於原始資料的引入之設定 • 含水層設定（Aquifer setting） • 起始條件(Initial condition) • 邊界條件(Boundary condition) • 水文地質參數(Hydrogeological parameter) • 水文變量(Hydrological stresses) （1）地下水補注（降雨及灌溉補注） （2）河川入滲補注 （3）側向補注 （4）蒸發散量 （5）抽水量

  21. 第三章 研究方法-MT3D • MT3D模組延續前述地下水流模式採行有限差分運算原則，針對地下水污染質及其介質間進行三維溶質傳輸模擬，諸如移流傳輸、延散機制、化學反應及溶質之源/匯型式，皆可進行描述

  22. 第三章 研究方法-MT3D • MT3D模擬主要以飽和含水層之地下水污染傳輸模式進行，對未飽和區域則不包含模擬範疇。並針對該模式進行為期一年之模擬及假設原流況維持不變之情況下，進行為期五年之污染傳移運動模擬。並依據此模擬結果進行虛擬觀測井點之頻率規劃

  23. 第三章 研究方法-DRASTIC • DRASTIC 系統係由美國水井協會( National Water Well Association )與美國環保署 ( Environmental Protection Agency ) 於1985 年所發展出之地下水污染潛勢評估系統。發展此系統之目的除為制定一套可利用美國境內現有資料來評估污染潛勢之標準程序外，並期望此系統能以地圖形式顯現 • 模式系統之中，針對地下水流相關地質及水文機制之主要七項因子並將前述因子區分等級給予相對的加權權重與以加總後進行評估。

  24. 第三章 研究方法-DRASTIC • D：地下水位深度(Depth to water) • R：淨補注量(net Recharge) • A：含水層介質(Aquifer media) • S：土壤介質(Soil media) • T：地質坡度(Topograhy) • I：通氣層影響(Impact of vadose vone) • C：含水層透水係數(Conductivity of the aquifer)

  25. 第三章 研究方法-DRASTIC • DRASTIC 系統手將所考慮之七個水文地質參數分別轉換成0-10 分數等級。並對各個水文地質參數可能影響地下水污染之能力分別賦與不同之權重值。當決定前述七個水文地質參數之分數值(rating)及權重值(weighting)後，則其相對應乘積值之和即為DRASTIC 污染評估指標值 • DRASTIC = DrDw + RrRw + ArAw + SrSw + TrTw + IrIw + CrCw • DRASTIC = Dr5 + Rr4 + Ar3 + Sr2 + Tr1 + Ir5 + Cr3

  26. 第三章 研究方法-DRASTIC

  27. 第三章 研究方法-DRASTIC

  28. 第三章 研究方法-DRASTIC

  29. 第三章 研究方法-DRASTIC

  30. 第三章 研究方法-DRASTIC

  31. 第三章 研究方法-DRASTIC

  32. 第三章 研究方法-DRASTIC

  33. 第三章 研究方法- DRASTIC • DRASTIC 指標值之大小本身並無內含之意義，必須在相對之比較下，才能顯示其污染潛勢之大小。經由此污染潛勢之比較，可做為觀測系統設立優先次序之選擇

  34. 第三章 研究方法- DRASTIC • 本模式係為符合US. EPA 於1985 年所提出之優良模式四個基本要求： (一)可作為管理的工具 (二)簡單易於使用 (三)能適應既有之資訊 (四)可為不同技術層面與背景之人所使用。

  35. 第四章 研究成果與討論 • 本文樣本資料出處為九十二及九十三年台南園區地下水質監測井網維護計畫年報(光宇工程顧問股份有限公司，2003，2004)，監測數值包含36口地下水質監測井之監測資料，為求水質資料之完整性及一致性，選取之水質變量為pH、水位、TDS、E-C、 F-、TOC、NH3-N、As、Fe、及Mn等10個水質變量，並將上述資料予以平均求得年均值再經由主成份分析找出共同之因子

  36. 第四章 研究成果與討論

  37. 第四章 研究成果與討論

  38. 第四章 研究成果與討論 • 第一因子: 主要以pH值、總有機碳、砷及氨氮組成，故第一因子可稱為「有機性污染因子」，其總變異數達40%左右 • 第二因子:主要以比電導度與總溶解固體組成，故第二因子可稱為「溶解性因子」，其總變異數達26%左右 • 第三因子:主要以氟鹽與可溶性鐵組成，故第三因子可稱為「無機性因子」，其總變異數達15%左右

  39. 第四章 研究成果與討論 • 共同因子利用最大變異法(varimax method)作正交轉軸(orthogonal rotation)，求得各監測井之因子負荷，每個監測井約可萃取出3-7個成份項目組合，其總變異累積百分比介於70%-80%之間，即選取這3-7成份項目組合便具有70%-80%之監測井水質代表性

  40. 第四章 研究成果與討論

  41. 第四章 研究成果與討論 • 因子組成以導電度及總溶解固體之組成為主 • 因子組成以氨氮為主，伴隨出現的因子有總有機碳、pH值 • 總有機碳為主伴隨砷、鐵、pH值為輔的因子為另一組成因子 • 第四類因子組合為非固定參數

  42. 第四章 研究成果與討論 • 利用地下水污染傳輸模式為工具，評估污染物在時間及空間上，不同切入點之分佈與流向並推估可能污染源，加上溶質本身之反應狀況，即可得到更接近真實情況下污染物之傳輸行為，作為未來預警及責任釐清之重要參考工具。

  43. 第四章 研究成果與討論

  44. 第四章 研究成果與討論

  45. 第四章 研究成果與討論 • 藉由DRASTIC評估結果與污染監測值釐定高風險區域，將污染風險區劃分成數個不同等級之區域進行污染物之監控與處置，並可依此擬定不同之處理目標與處理方式

  46. 第四章 研究成果與討論

  47. 簡報完畢 敬請指教

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