台中盆地的地下水数值模拟课件

1、台中盆地的地下水数值模拟台中盆地的地下水数值模拟2前言:緣起 人類因過度開發逐年超量排放二氧化碳導致全球暖化氣候異常極端，台灣本島乃屬於氣候異常的受害區域之一。近年來極端的降雨情形時有所聞，而超量的降雨形成過度之地表逕流所引發的山崩、地滑、土石流又造成大地及國人的二度傷害；同時，降雨季節的極端化更加劇人民陷入缺水的困境，故地下水的含量與開發就越顯得珍貴及迫切。4前言:緣起 人類因過度開發逐年超量排放二氧化碳導致全球3前言:目的 本研究便針對台中盆地的地下水層進行數值模擬，為了能評估台中盆地之地下水利用的可行性，必須充分了解其水文地質形成的機制與其邊界條件；本研究便以地質觀點切入，對台中地區水文

2、地質形成機制進行探討，提出地質概念模型，做為建構水文地質模型之依據，並配合現有之水文資料了解區域內的地下水概況建立地下水流之數值模型進行模擬，以期可供後續研究對此區域之地下含水量及安全出水量進行推求而使相關單位可妥善利用地下水之珍貴水資源。5前言:目的 本研究便針對台中盆地的地下水層進行數值模擬4 經濟部水利署水利規劃試驗所(2007): 台中盆地東緣的麓山帶丘陵區是南北走向車籠埔斷層逆衝形成，西緣的大肚台地及八卦台地則是彰化斷層(包含清水斷層)向西逆衝抬升所造成，地勢由南北兩端向中央傾斜，盆地內沖積扇有北部之豐原沖積扇(大甲溪古沖積扇)，中部之太平聯合沖積扇，與南部之烏溪沖積扇。周圍地形區則

3、有西北端之大甲溪沖積平原，北邊之后里台地，東側之東勢丘陵地、豐原丘陵地及南投丘陵地，以及西側之八卦台地和大肚台地。文獻回顧地形6 經濟部水利署水利規劃試驗所(2007):文獻回顧地形5台中盆地周圍地形分區圖7台中盆地周圍地形分區圖6文獻回顧 經濟部水利署水利規劃試驗所(2007):1.上新世至更新世岩盤(P) 地質圖上以P代表車籠埔斷層上盤之基岩，由老至新依序為桂竹林層、錦水頁岩及卓蘭層，岩性以固結的砂岩及頁岩或泥岩為主，基本上可視為不透水層。2.頭嵙山層(PQ) 主要由砂岩、砂質泥岩、礫石質砂岩及厚層狀礫岩所組成，下段為香山段(PQs)、上段為火炎山段(PQc)。地質與地層8文獻回顧 經濟部

4、水利署水利規劃試驗所(2007):地質與73.紅土台地堆積層(Q3) 由礫石、砂、黏土組成，礫石以砂岩及石英砂岩為主，為古河相沉積物。本層以不整合覆於頭嵙山層之上，主要分佈於大肚台地及八卦台地東斜面及西斜面上。4.山麓斜面堆積層(Q4) 本層分佈於八卦台地及大肚台地兩翼坡度較緩處，大部份為植被所掩覆。本層岩性以礫石、泥為主，是台地物質(主要為頭嵙山層岩層)受侵蝕再堆積而成，推估其年代為晚更新世至全新世。5.沖積層(Q6) 為近期河流堆積之產物，岩性以礫石、砂及泥，主要分佈在現有河流的河床、台中盆地、大肚台地及八卦台地西側的沖積平原。93.紅土台地堆積層(Q3)8台中盆地地質圖(中油公司台中圖幅

5、1/100,000)10台中盆地地質圖(中油公司台中圖幅1/100,000)9文獻回顧 台灣第區地下水觀測網第三期94年度計畫-台灣糖業公司，中央地質調查所委辦(2005):1.大肚台地:依蒐集資料分別繪製南北向剖面及東西向剖面，根據剖面資料，背斜軸東翼並無阻水層存在，只有一自由含水層，而西翼並在此研究範圍內故不予討論。2.台中盆地:大致由北邊台中縣豐原往南至南投名間，地形上以中間烏日-霧峰連線為低點，故暫依地形上之不同，將台中盆地在水文地質上分為南、北兩盆地。地層鑽探11文獻回顧 台灣第區地下水觀測網第三期94年度計畫-台灣10北盆地:根據剖面資料得知水文地質上只有一自由含水層，往南至烏日在

6、深度4658公尺處才有一較厚之泥層出現成為阻水層，產生一自由含水層及一拘限含水層。 南盆地:因有泥層出現，故拘限含水層便明顯出現於南盆地中。南側營盤口及軍功寮兩井未有自由含水層出現，而泥層以下出現一拘限含水層；北側霧峰坑口井顯示淺層有一自由含水層存在，深層因數層泥層出現，形成拘限含水層，但由於阻水層厚度較薄(不到10公尺)，拘限含水層之分層及分布仍待進一步調查；草屯以北至烏溪沿岸一帶地層資料較為匱乏，推測應與霧峰一帶相似(因同屬烏溪沖積扇)。12北盆地:根據剖面資料得知水文地質上只有一自由含水層，往南11蘇清林(2007)，於該論文中提及: 位於烏溪流域內之經濟部水利署觀測站網(2006)鑽探

7、井分別為大肚站、烏日站與大里站，鑽探深度約為地表下200公尺深，鑽探資料顯示大里站鑽探資料大都為礫石層，烏日站除40公尺與100公尺處有部份黏土與粉土層外，其於大多為砂礫石層。大肚站則因接近烏溪出海口，其岩層受海進海退影響，屬砂與黏土互層現象。故鑽探深度60公尺位置以上之砂礫石層為主要含水層，亦即第一含水層，於該研究數值模式中設定該含水層為自由含水層形式，而鑽探深度60公尺位置以下至100公尺間為第二含水層，於數值模式中設定該含水層為拘限含水層形式。13蘇清林(2007)，於該論文中提及:12台中地區觀測井及水文地質剖面位置圖(台糖-2005)14台中地區觀測井及水文地質剖面位置圖(台糖-20

8、05)13文獻回顧1.經濟部水利署水利規劃試驗所(2007): 台中盆地內持續觀測水位流量之水文站有四處，以烏溪最下游大肚橋水文站為例，歷年統計平均流量約為116cms，平均年逕流量約為36.6億M3，豐水期為5至10月，流量約佔全年的70%，以6月份最多。2.陳尉平(2006): 蒐集中央氣象局自19902003年台中測站之蒸發量數值，其年平均為1083.4公厘。地面水文、流量15文獻回顧1.經濟部水利署水利規劃試驗所(2007):地面14台中盆地各水文站歷年月流量統季表(水規所，2003)16台中盆地各水文站歷年月流量統季表(水規所，2003)15文獻回顧 徐鐵良(1992)指出: 雙冬斷

9、層位在本地質區之東界，位於火炎山及頭嵙山之東，為一逆斷層，東側為昇側，約呈南北至北30 度東走向，斷層東側出露地層為中新世晚期地層，西側地層為頭嵙山層，地層層位落差3000m 。 車籠埔斷層位在本區西緣鄰台中盆地地帶，自南投民間至台中豐原，約呈南北走向；斷層東側為昇側 。出露地層為上新世之錦水頁岩及卓蘭層，西側則出露更新世頭嵙山層及現代沖積層。斷層概況17文獻回顧 徐鐵良(1992)指出:斷層概況16 首先先針對台中盆地之水文地質資料進行蒐集並加以分析，建構該區水文地質概念模式，並研究該區內的目標水文地質架構，依據概念模式與地下水流控制方程式(Governing Equation)建立地下水流

10、之模擬式。因地質作用與沉積作用的影響常使得含水層呈非均質性(Heterogeneity)與異向性(Anisotropy)及邊界條件的複雜性，故對其進行解析解有其困難性，一般仍以數值模擬為主。 再者將模擬所輸出的水位近似解依試誤法(Trial and Error)配合面積控制法求得最符合現地狀況的水文地質架構、地下水流模式及水力參數。三、研究方法與材料18 首先先針對台中盆地之水文地質資料進行蒐集並加以分析17 目前常用於地下水流模式的數值方法有:有限差分法(Finite Difference)、有限元素法(Finite Elements)、 積分有限法(Integrated Finite)、邊

11、界積分方程法(Boundary Integral Equation Method)、解析元素法(Analytic Element)等五種方法，但較常使用的是有限 差分法與有限元素法；近年來，這些數值方法被應用及 撰寫成計算地下水流動及溶質傳輸現象的模擬套裝軟 體，而本研究則是採用PMWIN(Processing MODFLOW For WindowsChiang&Kinzelbanch1996)。研究方法數值模式19 目前常用於地下水流模式的數值方法有:有限差分法(F18研究流程20研究流程19 由經濟部水利署:水文水資源資料管理供應系統內挑選台中盆地數個涵蓋年份較長(20062008)之地下

12、水位觀測井做為地下水位資料分析，並以各水位觀測井之2006年3月的地下水位做為初始水位進行分析。研究材料初始地下水位21 由經濟部水利署:水文水資源資料管理供應系統內挑選台20 台中盆地依據其地形及地質特性，將其邊界以西北側大肚山台地，北側大甲溪，西南側八卦台地，東北側豐原丘陵，東南側南投丘陵為界，其邊界條件如下頁圖示，盆地內河川水系由北向南依序為筏子溪、大里溪及烏溪。網格所採元素為東西向35行，南北向94列，間距為500m ，總網格數為3290個，有效網格數為1763個。研究材料網格設定與邊界條件研究材料網格設定與邊界條件研究材料22 台中盆地依據其地形及地質特性，將其邊界以西北側大肚21台

13、中盆地邊界範圍、邊界條件及網格劃分南投丘陵特定流量邊界豐原丘陵特定流量邊界大肚台地特定流量邊界八卦台地特定流量邊界大甲溪特定流量邊界大肚溪River23台中盆地邊界範圍、邊界條件及網格劃分南投丘陵豐原丘陵大肚22地質分層 本模擬區依蒐集之資料顯示全區可視為存在一自由含水層，此外在烏日地區及烏溪上游霧峰附近存在一拘限含水層，但因現階段對此拘限含水層之文獻及資料極為稀少，故本研究針對自由含水層進行地下水位之模擬；並將地層視為透水層依1974年水資會將台中盆地之滲透係數畫分為五區，如下圖表所示。24地質分層 本模擬區依蒐集之資料顯示全區可視為存在一自由23台中盆地透水層分區示意圖25台中盆地透水層分

14、區示意圖24滲透係數及補注量研究材料台中盆地地下水層滲透係數及補注量分區表地區K(m/s)補注量(1108/year)北盆地西側 (大肚山台地)0.00032 0.6280.988北側 (大甲溪)0.00109 1.752.68東側 (豐原丘陵)0.00030 2.214.1合計4.67.77南盆地西側 (八卦台地)0.00275 3.9東側 (南投丘陵)0.00102 1.642.93合計10.1414.626滲透係數及補注量研究材料台中盆地地下水層滲透係數及補注量25抽水量研究材料 本研究區域範圍之抽水量參考水規所於2009年所做之調查，擷取2006年之各縣市抽水量再平均分配於網格中。年份

15、縣市總計1104m32006台中縣13,200台中市4,328南投縣5,896彰化縣681總計24,2312006年台中盆地地下水抽水量統計表27抽水量研究材料 本研究區域範圍之抽水量參考水規所於2026四、研究結果與討論 數值模式經過參數的敏感度分析及率定後，原靠近各邊界之格網模擬值與觀測值相差甚異，經側向補注量的調整之後，水位的模擬值可達到與觀測值接近的狀況，以下將列舉水位觀測站之模擬與觀測值折線圖說明其模擬成果與問題。28四、研究結果與討論 數值模式經過參數的敏感度分析及率27年/月2008/12008/22008/3 數值(m) 測站觀測值模擬值誤差觀測值模擬值誤差觀測值模擬值誤差新庄

16、141.571410.57140.59140.50.09140.33140.5-0.17潭子105.191050.19103.561030.56102.73103-0.27大雅121.591210.59120.06120.5-0.44119.63120-0.37觀測、模擬水位與誤差值一覽表29年/月2008/12008/22008/3 數值(m)28誤差可能原因:雨季或颱風強降雨所造成當月地下水位之增加明顯所致。新庄站觀測與模擬水位折線圖30誤差可能原因:雨季或颱風強降雨所造成當月地下水位之增加明29本研究之數值模式可提供後續評估該區域地下水量抽取量之依據。透過MODFLOW可模擬地下水位，但

17、後續若能考慮地下水之水質更能確定地下水之使用條件。本研究因缺乏更深層之地質鑽探資料及相關參數，故僅針對自由含水層進行模擬，若能增加此方面之資料便可在進行拘限含水層之水位模擬。本研究模擬時初次得到之地下水位於北側靠大甲溪之網格明顯低於觀測值，可能因溪水透過入滲補注至地下水層之水量高於輸入之補注量，故建議後續之研究人員應考慮大甲溪河畔之入滲量。結論與建議31本研究之數值模式可提供後續評估該區域地下水量抽取量之依據30五、參考文獻 1.林時猷(2003)，以地下水位之區位相關性輔助濁水溪 沖積扇地下水模擬之參數決定，逢甲大學土木及水利 工程研究所碩士論文。 2.蔡清研(2007)，濁水溪沖積扇整合模

18、式下之MODFLOW 地下水模擬研究，國立中正大學應用地球物理研究所 碩士論文。 3.潘文健(2002)，屏東平原合適出水量分析之研究， 國立成功大學資源工程學系碩士論文。 4.黃清譽(2007)，彰化地區地面水與地下水聯合供水管理 調配之研究，國立成功大學資源工程學系碩士論文。32五、參考文獻 1.林時猷(2003)，以地下水位之區31 5.蘇清林(2007)，河畔取水所引致河川滲漏量之評估，國立 成功大學資源工程學系碩士論文。 6.丁澈士、蘇惠珍(2004)，三維地下水模式:PMWIN， 五南圖書出版股份有限公司。 7.王如意、易任(1997)，應用水文學，茂昌圖書有限公司。 8.經濟部水利署水利規劃試驗所(2007)，台中盆地地下水資 源利用調查評估(1