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烏溪出海口河床裸露地 揚塵數值模擬及參數研究
指導教授:林德貴 研究生:劉昱麟
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前言 文獻回顧 研究方法 分析結果 後續研究
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前言 隨著氣候變遷之影響，台灣中部烏溪出海口於冬季時河川揚塵問題日益嚴重；每逢冬季枯水期，河川裸露地面積增加，加上東北季風之吹拂，以致揚塵污染問題經常發生，影響河川臨近地區居民之生活品質。
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為了瞭解河川裸露地之揚塵擴散機制與其對鄰近地區之影響，過去研究主要工作皆針對河川裸露地進行現地調查，再依據現地裸露地砂粒之物理性質來探討河川揚塵之啟動機制。且亦於河川裸露地進行現地實驗，來獲得現地風特性對揚塵排放之影響。
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但由於過去研究中，實驗器材與人力資源之限制因素，上述研究方法只能針對小區域之揚塵行為進行觀測，對於大區域之揚塵擴散行為則較無法確切掌握。
因此，本研究將採用FDM (Fugitive Dust Model)數值模式，進行河川裸露地之揚塵擴散模擬，以便藉由模擬分析成果來探討揚塵擴散對鄰近大區域範圍內保全對象之影響。
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文獻回顧 河川裸露地飛砂與揚塵之研究 河川裸露地砂粒物理性質之研究 揚塵量之研究 FDM揚塵模式
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河川裸露地飛砂與揚塵之研究 Blanco and Lal(2008)研究提出，一般而言，河川砂粒之移動類型分為滾動(creep)、跳躍(saltation)和懸浮(suspension)三大類型 飛砂運動示意圖(改繪自Blanco and Lal，2008)
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Bagnold(1954)之研究指出，當砂粒粒徑較大時，砂粒僅能沿地面滾動前進，其滾動量約為總體飛砂量之25％。
Zhibao(2002)之研究則顯示，當粒徑大於0.25 mm時，其滾動量則轉變約為總體飛砂量之20％。 White(1997)研究指出在砂粒運移過程中，跳躍量、滾動量及懸浮量分別約佔總砂量之50～70％，5～25％及30～40％。
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游繁結(1989)在濁水溪河口調查中，得知其懸浮量約為滾動量與跳躍量總合之25%。
由以上過去研究中，得到砂粒之運動類型與其粒徑大小有極高度之相關性，粒徑越小，懸浮量相對增加。
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河川裸露地砂粒物理性質之研究 Bagnold(1954)；田中真雄(1954) ；吳正(1965) ；林信輝、江永哲(1979) ；Tsoar and Pye(1987) ；游繁結(1989) ；Zhibao(2002) ；吳昌翰(2006) ；范姜明威(2010)等人研究結果顯示，現地之砂粒密度、砂粒含水率與砂粒粒徑分布等砂粒物理性質，皆會影響飛砂與揚塵之運動機制 。
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Bisal and Heish(1966)研究不同質地之土壤，其15 bar含水率之始動風速甚大，亦即說明除非在極大風速下，否則水分含量大於15 bar含水率時，不易風蝕。
蔡明華(1972)指出，台灣河口地區土壤多為粗砂與細砂，所佔範圍為試驗表土層之94～97％，粘粒(0.2～1.5％)與坋粒(2.8～5.0％)之含量甚少，而且地形起伏不平，複雜且變動大。
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揚塵量之研究 詹俊南(1996)分析台灣地區PM10之污染特性，從環保署之空氣品質測站發現，在PM10高污染期間，氣象局之監測資料具有溫度高、風速低與降水量少等之特徵，其所形成之混合層高度較低。反之，則較高。此顯示大氣混合層高度會影響污染物擴散之現象。
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許惠娟(1999)研究大陸砂暴對台灣區空氣品質之影響，發現懸浮在大氣中之砂塵粒徑大多小於10 m。
林啟文等人(2006)指出，在冬季枯水期間，濁水溪部份河床砂石裸露明顯，以致東北季風由北向南吹起大量砂塵，易造成揚塵飛砂之問題，並導致短期而立即性之空品惡化現象。
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梁鳳文(2005)之研究指出，在不穩定之大氣狀況下，污染源較易擴散，此表示污染物擴散的範圍較廣，其濃度相對降低，因而對大氣污染濃度有改善效果。另外，由試驗結果得知，當污染物粒徑越大時，越容易受重力影響。因此，污染物之最終落點將會距污染源越近，並造成污染源附近有較高的濃度分布。因此，長時間的污染物擴散結果，會形成一特定範圍之濃度分布。
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FDM揚塵模式 在國外，許多學者常採用此模式進行各種逸散性粒狀污染物之擴散模擬分析。
Abbott (1999)；Arpacιoğlu and Er (2003)；Trivedi等人(2009)在礦區之揚塵對週邊地區環境影響之研究方面，採用FDM模式之濃度模擬值與法定標準值之比對，來確認FDM模式在逸散型擴散物模擬分析之適用性
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Sabah(2006)則採用FDM模式，來模擬水泥生產工廠之揚塵對周遭環境污染之影響評估。該研究採用推估之揚塵排放率進行揚塵模擬演算，並在濃度模擬值與鄰近地區之監測值比對方面獲得良好的吻合度，此結果顯示FDM模式在揚塵污染擴散之模擬分析上具有高度之可靠性。
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Sivacoumar等人(2009)為研究評估印度水泥生產工廠之揚塵對周遭環境污染之影響，採用FDM、ISCST3與AERMOD等三種空氣品質計算數值模式，進行揚塵模擬分析。由模擬結果發現，FDM模式之濃度模擬值明顯較高，並推論FDM模式在模擬水泥揚塵濃度上較為保守。
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在國內研究方面，金門縣衛生局在空氣品質粒狀污染物之成因探討及管制計畫(1998)中，也採用FDM模式來模擬金門地區之總懸浮微粒值TSP(Total Suspended Particulate)與單位天數逸散污染物之濃度值，並與法規標準值進行比對，以確認該地區粒狀污染物對環境影響及必要之改善管制措施。
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在國內外過去之模擬分析研究中，大多針對小區域範圍之揚塵擴散行為來進行，而對於海岸河口大區域範圍之揚塵模擬，其分析之有效性及適宜性，則目前仍無實務案例可供參用及驗證。
本研究決定採用FDM模式，以解決河川大面積裸露地之揚塵擴散分析問題，並檢測此模式在海岸河口大面積裸露地之揚塵擴散之適用性。
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研究方法
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彙整烏溪現地與材料試驗資料 建立揚塵排放率(風速-揚塵量) 鄰近地區氣象資料選擇 參數適宜性檢核(模擬值之比對)
ArcGIS後處理與判釋分析 1.揚塵濃度分布趨勢 2.揚塵排放率對擴散行為之探討 3.河段揚塵之貢獻量分析 研究地區之揚塵潛勢分析 揚塵抑制工法配置對揚塵災害敏感區之影響
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FDM (Fugitive Dust Model)
擴散模式(V.S.受體模式) 點源、線源、面源
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1. x- 方向之擴散性假設很小 2. 漩渦擴散係數假設為順風距離之函數 X = 揚塵濃度 (g/m3) Kx, Ky, Kz
在x-, y-及z-方向之漩渦擴散係數(eddy diffusivity) (m2/sec) t 時間 (sec) x, y, z 三維空間座標。x-方向與風向平行，y-方向與x-方向垂直且平行地表面，z-方向同時垂直x-方向與地表 (m) u 風速 (m/sec) Vg 重力沉降速度 (m/sec)；其中向下之方向取為正 1. x- 方向之擴散性假設很小 2. 漩渦擴散係數假設為順風距離之函數
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假設漩渦擴散係數與重力沉降速度同時為順風距離之函數
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FDM揚塵模式之輸入參數 初始條件 邊界條件 線型揚塵源排放率 揚塵受體點 氣象資料 混合層高度 穩定度等級
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初始條件 模式模擬演算前，均假設離地表高度10 m處之初始風速為 0 m/sec，亦即無揚塵產生。亦即在初始階段河川裸露地微粒物並不隨風吹起動，因此模擬區之PM10濃度可設定為0 g/m3。 邊界條件 模式模擬計算過程中，河川裸露地揚塵之擴散方式並不受幾何邊界之影響，且目前幾何邊界受點之PM10濃度並無氣象監測資料可供比對，因此其模擬揚塵濃度值完全依據FDM之演算模式來決定。
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依據風洞試驗所實驗得到之風速與揚塵量觀測值，經由單位換算後建立排放率(g/m-sec)；並將烏溪模擬河段劃分為9段線型揚塵源。
線型揚塵源排放率 依據風洞試驗所實驗得到之風速與揚塵量觀測值，經由單位換算後建立排放率(g/m-sec)；並將烏溪模擬河段劃分為9段線型揚塵源。 QL = (3.2480×10-4) × (V10)2.480
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揚塵受體點 揚塵受體點即為FDM模式之數值檢視點，每個受體點之位置可輸入(X, Y, Z)座標予以確定，並由該座標點位來獲得其揚塵濃度之計算結果。 為瞭解河床揚塵擴散後之PM10濃度分布，可在模擬河段兩側布設受體點，以檢視PM10濃度之計算結果。
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氣象資料 線西測站VS 彰化測站 彰化測站位於彰化市市區內，受到市區建築物之影響。 線西測站位於沿海空曠地區，風速與風向較為一定，與烏溪現況符合。
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混合層高度 空氣污染物在垂直方向所能擴散之最大高度 採用Holzworth (1972) 所提出之乾絕熱直減率，將地面溫度沿乾絕熱曲線降溫，直至與探空溫度曲線相交處之高度定義為混合層高度，為目前空品分析模式採用最廣之方法。 本研究以板橋探空氣球所得資料及台中地面氣象資料，估計混合層高度。
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依據風速、雲量及日照強度等資料，利用Pasquill (1961)穩定度等級分類來求得。
穩定度等級分成六級，級別由最不穩定等級至最穩定等級，可分為A、B、C、D、E及F級。 配合五個風速區間之風速大小，即可決定穩定度等級。 白天採用日照強度即強、中及弱三個等級來決定穩定度之等級，而夜晚則以雲量0.5(=4/8)作為分界點來決定穩定度之等級。 地面風速 （m/sec） （10 m高度） 白 天 日 射 量 夜 晚 強 中 弱 雲 量 ≧4/8 ＜4/8 < 2 A A-B B - 2 - 3 C E F 3 - 5 B-C D 5 - 6 C-D > 6
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分析結果 2008年PM10冬季季平均濃度分布。 2008年PM10冬季12月月平均濃度分布。 2008年PM10冬季1月月平均濃度分布。
1. 揚塵污染 : 南岸 > 北岸 2. 揚塵係屬粒狀汙染物，因此河川汙染影響範 圍侷限於河段兩岸之鄰近地區
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可由分析中獲得各河段對揚塵災害敏感區之揚塵貢獻量，並由模擬結果瞭解獲得貢獻量最大之河段。在該河段施作揚塵抑制工法，將具有最大之揚塵抑制效益。
受體點 污染源 敏感區1 敏感區2 敏感區3 敏感區4 敏感區5 河段-1 0.002 0.001 0.053 3.492 河段-2 0.157 0.006 0.057 3.819 河段-3 45.600 0.003 0.004 0.061 4.027 河段-4 53.002 0.005 0.079 5.098 河段-5 0.762 0.008 0.099 6.132 河段-6 0.184 0.015 0.125 7.326 河段-7 0.164 0.028 0.010 0.203 10.327 河段-8 0.067 99.043 91.384 0.984 41.365 河段-9 0.896 8.587 98.340 18.415 受體點 污染源 敏感區1 敏感區2 敏感區3 敏感區4 敏感區5 河段-1 0.002 0.001 0.053 3.492 河段-2 0.157 0.006 0.057 3.819 河段-3 45.600 0.003 0.004 0.061 4.027 河段-4 53.002 0.005 0.079 5.098 河段-5 0.762 0.008 0.099 6.132 河段-6 0.184 0.015 0.125 7.326 河段-7 0.164 0.028 0.010 0.203 10.327 河段-8 0.067 99.043 91.384 0.984 41.365 河段-9 0.896 8.587 98.340 18.415 可由分析中獲得各河段對揚塵災害敏感區之揚塵貢獻量，並由模擬結果瞭解獲得貢獻量最大之河段。在該河段施作揚塵抑制工法，將具有最大之揚塵抑制效益。
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經由各河段之FDM揚塵濃度擴散模擬結果得知，各河段走向與其鄰近地區之敏感區，受到風速與風向的風特性影響，因而產生不同之受體點濃度結果，進一步呈現出各河段鄰近地區之揚塵濃度擴散趨勢。且由分析結果得知，當風向與河段呈現正交情況，則該河段下風處之揚塵濃度會明顯較多。 各河段與各敏感區之相對位置，因風特性之影響產生不同之揚塵貢獻量，此結果可提供抑制揚塵工法之配置對策：在各敏感區中所得到最大揚塵貢獻量之河段中進行適當之工法配置，對受影響之敏感區將會有最大之揚塵抑制效果。
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後續研究 改變線型揚塵源排放率(放大或縮小)，探討其改變對揚塵擴散行為之影響。
彙整各種揚塵抑制工法，並整理出各種抑制工法對揚塵排放率之削減百分比。 依據揚塵抑制工法對排放率之削減百分比，進行工法之模擬分析與效益評估。
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報告完畢 感謝聆聽
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