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規劃工具與知識

經濟部水利署

水利規劃試驗所

Water Resources Planning Institute, Water Resources Agency, Ministry of Economic Affairs
水利規劃試驗所
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水資源規劃知識

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水資源開發與規劃之相關知識,簡列五大項目:一、台灣水庫與攔河堰聯合運轉型態二、水庫供水潛能推估三、水力排砂四、污水再生技術五、海水淡化技術,概述如下:

  1. 台灣水庫與攔河堰聯合運轉型態

    台灣水庫與攔河堰聯合操作運轉大致可區分為「供水之聯合運用型態」及「發電型水庫聯合運用型態」兩種,說明如下:

    1. (一)供水之聯合運用型態:運轉型態大致區分為「水庫放流於下游攔河堰」、「攔河堰越域引水於水庫」、「攔河堰抽水於水庫」幾種型態:
      1. 水庫放流於下游攔河堰:在槽水庫與同水系之下游攔河堰供水聯合操作,如翡翠水庫與直潭壩。 水庫放流於下游攔河堰示意圖

        圖1 水庫放流於下游攔河堰示意圖

      2. 攔河堰越域引水於水庫:利用攔河堰越域引水至不同水系之離槽水庫供水聯合操作,如士林堰與鯉魚潭水庫。 攔河堰越域引水於水庫示意圖

        圖2 攔河堰越域引水於水庫示意圖

      3. 攔河堰抽水於水庫:利用攔河堰以抽水方式將水引至不同水系之離槽水庫供水聯合操作,如八堵堰與新山水庫。 攔河堰抽水於水庫示意圖

        圖3 攔河堰抽水於水庫示意圖

    2. (二)發電型水庫聯合運用型態:大致可區分為「水庫與下游攔河堰接續發電」、「攔河堰越域引水發電」、「水庫間抽蓄發電」等三種型態:

      1. 水庫與下游攔河堰接續發電:

        水庫與下游攔河堰接續發電

        圖4 水庫與下游攔河堰接續發電示意圖

      2. 攔河堰越域引水發電:

        攔河堰越域引水發電

        圖5 攔河堰越域引水發電示意圖

      3. 水庫間抽蓄發電:

        水庫間抽蓄發電

        圖6 水庫間抽蓄發電示意圖

      表1 台灣水庫與攔河堰發電聯合運用型態彙整表
      聯合運轉型態 水庫與堰壩名稱 說明
      攔河堰(壩) 水庫 攔河堰(壩)
      發電型水庫聯合運用型態 A、水庫與下游攔河堰接續發電   石門水庫 後池堰  
        翡翠水庫 直潭壩
        鯉魚潭水庫 後池堰
        德基水庫 青山壩
        霧社水庫  
        曾文水庫  
        烏山頭水庫  
      B、攔河堰越域引水發電 士林攔河堰 鯉魚潭水庫   卓蘭發電廠
      C、水庫間抽蓄發電   日月潭水庫(上池)、明潭水庫(下池)   明潭抽蓄電廠
      明湖抽蓄電廠(大觀二廠)
  2. 水庫供水潛能推估

    1. (一)水庫供水潛能評估與模擬原則

      欲評估一個僅供應單一標的的水資源系統之供水能力時,可藉由迭代調整需求水量,使該需求依其模擬缺水過程計算所得之缺水指數等於特定值,台灣一般係採用缺水指數等於1.0作為準則,計算流程如圖7所示。

      水庫供水潛能迭代計算之流程

      圖7 水庫供水潛能迭代計算之流程

    2. (二)缺水指數

      缺水指數(Shortage Index,SI)為美國陸軍工兵團於西元1975年所創,用以評估缺水程度之評估準則,台灣亦採用缺水指數評估自來水缺水風險,農業用水之缺水不用SI表達。各區域之標準均與原規劃報告相同,若無明確之標準,則一般以缺水指數1.0為準則,並據以推估水庫供水潛能。缺水指數之計算方式如下:

      `SI=100/N sum_(i=1)^N((DF_i)/D_i )^2 `(1)

      式中,`SI` = 缺水指數,`N` = 分析年數,`DF_i` = 水源運用模擬期程內第i年之缺水量,`D_i` = 水源運用模擬期程內第i年之需求水量。
    3. (三)缺水指數與供水潛能關係

      依上述分析原則進行迭代計算,將所迭代過程給定之需求水量與其對應的缺水指數,繪於散佈圖上,即可得到缺水指數與供水潛能之關係圖。圖8顯示,供水潛能如越高(即供水量大),缺水指數越高(即缺水風險高)。在此範例中,在缺水指數等於1下,水庫之供水潛能約為21萬CMD。

      供水潛能與缺水指數關係圖

      圖8 供水潛能與缺水指數關係圖

  3. 水力排砂

    台灣地區部分水庫嚴重淤積,影響供水。故如何水庫永續利用為一關鍵課題。現有水庫防淤工作以多元方案為水庫延壽,水力排砂為其中較經濟可行方案。

    1. (一)水力排砂類型

      水力排砂有沖砂、洩砂、異重流/渾水排砂、繞庫排砂及水壓吸引排砂(類型如圖9所示)等,方式如下:

      水力排砂類型

      圖9 水力排砂類型

      1. 沖砂:沖砂是藉由打開壩體排砂底孔,放空庫水或降低庫水位,使底孔附近之流速加快在洩放庫水同時帶出部分淤積土砂,沖砂可分以下2種:
        1. (1)空庫排砂:為洩空水庫後,繼以上游逕流(基流或小洪水)利用底孔進行較長期間沖刷淤泥之一種水力排沙方式(如圖10),目前台灣成功案例為阿公店水庫、尖山埤水庫等。 空庫排砂示意圖

          圖10 空庫排砂示意圖

        2. (2)洩降排砂:為在不完全性的降低水庫水位情況下洩流,壩體底孔打開會在洞口附近造成局部沖刷,來攪揚水庫內淤積土砂(圖11)。 洩降排砂示意圖

          圖11 洩降排砂示意圖

      2. 洩砂:常於洪水時段操作,先洩降庫水水位,使來洪在沒有壅水狀況下,維持其流速,將洪水期所挾土砂,穿過壩體底孔,排入下游河道,因來洪與水庫臨前條件不同分為洩洪排砂、滯洪排砂及自由排砂,圖12為防洪水庫自由排砂操作示意圖。 防洪水庫自由排砂操作示意圖

        圖12 防洪水庫自由排砂操作示意圖

      3. 異重流排砂:為利用洩流底孔將潛流至大壩前之高含沙量渾水排出水庫之一種清淤方式,目前台灣石門、曾文水庫即利用PRO進行異重流排砂,排砂成效顯著。
      4. 渾水潭排砂:到達壩前的異重流,若不能全部排出庫外會在清水下面滯蓄形成渾水潭,此時如將混濁庫水排出,可提高排砂效率,降低渾水於壩前淤積。異重流/渾水潭排砂機制如圖13。 異重流/渾水潭排砂機制

        圖13 異重流/渾水潭排砂機制

      5. 水壓吸引排砂:本方法主要是改良自傳統機械浚渫方法中的虹吸抽泥,適用粒徑為0.2mm以下之淤泥,美國稱為SEPS(Sediment Evacuation Pipeline System)。2010年日本大壩會議區分其為「移動式」、「固定式」與「中間形式」,移動式及固定式水壓排砂示意圖如圖14。 水壓吸引排砂概況

        圖14 水壓吸引排砂概況

      6. 繞庫排砂:水庫上游興建分洪堰及排砂隧道至水庫下游端,將部份推移質及懸浮質由此排砂隧道,“繞道”至水庫下游(圖15)。如石門、曾文、南化、白河等水庫均有繞庫排砂方案規劃。 繞庫排砂示意圖

        圖15 繞庫排砂示意圖

    2. (二)台灣主要水庫水力排砂方式

      台灣大部分水庫肩負供水重任,且並無備援水庫,加上台灣洪水多由颱風控制,故較不具備沖砂條件,另外水壓吸引排砂方式由於技術尚在發展中,國內亦尚未施行,目前國內主要水庫(曾文、石門水庫)以異重流/渾水潭排砂(藉PRO排砂)為主要方式。

      台灣水庫整體條件以繞庫排砂、洩洪排砂、異重流/渾水潭排砂等方式較適合,目前包括石門、曾文、南化等水庫均規劃藉水庫操作並搭配複合型排砂方式加強排砂效果,臺灣水庫防淤隧道工程推動情形如圖16 。

    臺灣水庫防淤隧道工程推動情形

    圖16 臺灣水庫防淤隧道工程推動情形

  4. 污水再生技術

    污水廠處理後之放流水可回收再利用,依不同目的的水質要求,再生方法可透過不同處理單元程序加以組合。再生處理程序與污水處理廠之高級處理程序相似,可分為物理處理、化學處理及生物處理3類。

    1. (一)物理處理法

      1. 砂濾

        一般分重力式或壓力式,通過50~80cm的石英砂或無煙煤,可移除50~100微米以上之雜質,數百奈米的顆粒,因布朗作用與撞擊,而吸附在濾砂。壓力式砂濾佔地小,濾速高。砂濾可去除固體懸浮物(SS),減緩薄膜之負荷與堵塞現象。

      2. 活性碳吸附

        活性碳可分為粉末狀活性碳(PAC)、粒狀活性碳(GAC)和纖維狀活性碳等3種,PAC應用於脫色或吸附有機物;GAC用於自來水或廢水廠之管柱吸附;纖維狀活性碳則是將活性碳製成纖狀不織布,用於空氣污染控制設備。透過活性碳對有機物質之吸附,可降低COD或TOC。缺點為活性碳需定期更換或再生活化,成本高。

      3. 浮除

        常用型式為加壓浮除,在減壓狀態下形成微細氣泡,可吸附懸浮物,形成浮渣污泥。如將水樣pH值調至10以上,可使銨離子成為氨氣,釋放至空中;配合石灰加藥可除部份溶解性固體。

      4. 表面過濾

        濾材為纖維、金屬、陶瓷、或塑料顆粒,來移除懸浮固體。有多種型式,如超微細篩機,網孔徑為5~100微米,可代替三級處理單元中砂濾池的功能,或作為薄膜前處理,部份機型可反洗除污。另有碟式過濾器,採陶瓷製成結構型濾材。

      5. 微過濾膜(MF)與超過濾膜(UF)

        MF與UF常為逆滲透之前處理。MF膜孔徑102~103奈米之間,操作壓力約30~300kPa,UF膜孔徑在101~102奈米間,操作壓力約50~700kPa,可去除懸浮固體、致病菌等。薄膜容易堵塞,需有適當的前處理,如砂濾或表面過濾,減少有機物的堆積。其中UF膠體去除率較MF高,並可去除蛋白質等。

      6. 逆滲透(RO)與奈米過濾膜(NF)

        RO膜屬於半滲透膜,對重金屬、陰離子、小分子有機物有極高去除率;操作時有堵塞、清洗頻率及濃縮液處理的問題。NF膜可去除2價鹽類,但對1價鹽類與分子量為數百達爾頓(Dalton)之有機分子去除率則較低。

    2. (二)化學處理

      1. 加藥沉澱

        添加混凝劑(如鋁鹽、鐵鹽、聚氯化鋁PAC與聚硫酸鐵PFS等)與懸浮物質形成膠羽,並吸附部份有機物質形成不溶性沉澱物。關鍵因子包含藥劑量、酸鹼值(pH)、攪拌強度等。

      2. 加氯

        利用次氯酸鈉等去除致病菌,餘氯可持續防止微生物生長。另採折點加氯法,利用氯氣或次氯酸鈉氧化劑,使有機氮氧化成氯胺類,再進一步分解成氮氣脫除,降低總氮含量。

      3. 紫外光消毒

        紫外光(UV)消毒,利用254奈米波長的紫外光抑制菌體或病毒DNA形成,而達消毒效果。優點為消毒反應時間短,操作安全,缺點為套管清洗費時,設備用電量多。

      4. 高級氧化法

        添加氧化劑產生OH-自由基與污染物反應,達到有機物礦化。用於去除色度、毒性有機物或生物難分解物質。其中臭氧與UV(365奈米)常作為去除致病菌之用。高級氧化法可快速分解,但臭氧溶解度不高使效率受限,需加其它氧化劑(H2O2或UV)以加速自由基釋出,缺點為高耗能。

      5. 離子交換樹脂

        可單獨搭配活性碳或為RO後端處理,以降低電導度。一般以陽離子樹脂,去除懸浮物、有機物及正電荷,以陰離子樹脂去除帶負電荷之無機鹽類;另有整合性樹脂可去除重金屬。

      6. 電透析

        可單獨作為去除鹽類之單元,或與RO進行搭配;設計上採陰、陽離子交換膜多層交替,使陽離子與陰離子分別移往陰極與陽極,得到淡水,陰極上會形成碳酸鈣等水垢,而陽極會產生氧氣與氯氣,具有腐蝕性。「倒極逆透析(EDR)」之設計,為週期性改變電極極性,以降低發生結垢之情形。

    3. (三)生物處理

      1. 薄膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)

        MF或UF與生物反應器結合,稱為「薄膜生物反應器」。薄膜與傳統生物處理結合成MBR,可提高過濾及分離效率,是最具前瞻性的處理技術。MBR的水質好、操作彈性大、佔地小、污泥量少,具備消毒及除臭能力。目前MBR可分為沉浸式與旁流式2種,沉浸式多用於都市污水處理,而旁流式多用於工業廢水處理。

      2. 生物性活性碳

        在活性碳上植入適量馴養之生物污泥形成生物膜,即為「生物活性碳反應器」(BAC),能吸附並分解有機物。

    4. (四)其他處理方式

      除以上一般常見處理方法之外,另有一些研究或尚未普及的處理方法,如「活性碳纖維電極法」乃採用奈米級的碳纖維為電極,將水中的正負離子吸附於各電極表面形成鹽結晶,達到淨化水質目的,但國內尚未普遍使用。其他如固定式生物處理、奈米碳管處理等方法,亦正研究或發展中。

      由於每處廢污水處理場之水質條件、供水標的對水質之需求、處理空間、輸水距離、既有處理程序與設施等等條件皆不盡相同,因此水再生利用之規劃工作皆須依照個別背景條件評估,因地制宜進行妥善之規劃。

  5. 海水淡化技術

    海水淡化技術分為熱處理法與薄膜處理法2種,早期以熱處理法中的多級閃蒸法(MSF)為主,現今主要採用薄膜處理法的逆滲透法(SWRO)。一般而言,熱法回收率高,水質較好,但需消耗較多的能源。

    1. (一)熱處理法

      1. 多效蒸餾法(Multi-effect Distillation, MED)

        為早期海淡技術,由多個蒸餾器組成,利用蒸氣與海水的溫差進行熱交換,收集水蒸汽冷凝之淡化水。優點為不需化學藥劑或逆滲透膜;缺點為需要消耗大量能源。

      2. 多級瞬間蒸發法(Multi-Stage Flash, MSF)

        利用波以耳定律及蒸餾來取得淡化水。主要以降壓來使海水沸點降低,加熱氣化海水後,由熱交換器冷凝收集得到淡水。MSF分為「一次處理式」與「鹵水(濃縮水)循環式」兩種,前者產水率約8.3%~14.3%;後者產水率約25~50%,但初設成本高。多級瞬間蒸發法主要優點有產能大、操作彈性大、技術成熟、改善積垢問題等;缺點為產水率較低、最高溫度限制等。

      3. 蒸汽壓縮法(Vapor Compression, VC)

        利用蒸汽被壓縮時溫度會上升的特性,將海水蒸汽通過壓縮機提高壓力,回收蒸汽再加熱,使蒸發器內溶液蒸發,而本身則冷凝成水,反覆利用蒸汽潛熱。蒸汽壓縮法優點為熱效率佳、前處理需求低;缺點在於壓縮機易受鹽類侵蝕、需找出適當操作溫度。

      4. 熱壓縮多效蒸餾法(Multi-effect Distillation with Thermal Vapor Compression, MED-TVC)

        蒸汽壓縮分為機械壓縮(MVC )與熱壓縮(TVC)二類。機械壓縮的動力源可為電力馬達、渦輪機或柴油引擎,熱壓縮則採蒸汽噴射方式,能源需求分別為電能及蒸汽。將2種方式結合即為MED-TVC,可提升能源利用率,降低成本。

    2. (二)薄膜處理法

      1. 逆滲透法(Reverse Osmosis, RO)

        逆滲透法原理為利用逆滲透壓,將鹽分壓迫至半透性膜之另一端,使純水留在一端而達到淡化之效果。RO之操作壓力約在14~35 kgf/cm2。近年來RO比例逐漸提高,原因為逆滲透膜製作技術已成熟、產水量增加且耗電量減少,因而使RO法使用逐年增加。

      2. 正滲透法(Forward Osmosis, FO)

        利用驅動液之濃度作為推動力,使純水由半透膜往高濃度鹽水方向滲透。驅動液是方法進行的關鍵,滲透壓由溶質產生。優點為耗能小、回收率高、鹵水量少,尚在研究階段。產水後需進一步處理,僅少數海水淡化廠使用。

    3. (三)國內現有海水淡化廠概況

      臺灣現階段於離島地區(澎湖、金門與馬祖)所設置之海淡廠,皆以RO逆滲透為主要淡化處理技術,因其能源總使用量較蒸餾等熱法為低,且不需熱能。目前規劃中較大型之海淡廠計畫(如臺南海淡廠),亦以RO逆滲透為主。目前營運中之海淡廠營運概況整理如表2所示。

      表2 國內現有海淡廠概況表
      海淡廠名稱 產水規模(CMD) 淡化技術/
      完工日期(民國)
      興建營運
      方式
      臺電核三廠海淡廠(#1, #2) 2,260 低真空壓縮/ 78 政府採購
      臺電尖山發電廠海淡廠 600 低壓低溫蒸餾 / 89 政府採購
      南竿海淡廠第一期 500 RO / 90 政府採購
      七美鹽井淡化廠 1,000 RO / 90 政府採購
      金門海淡廠第一期 2,000 RO / 90 政府採購
      臺電塔山發電廠海淡廠 480 多效蒸餾 / 91 政府採購
      西嶼鹽井淡化廠 1,200 RO / 91 政府採購
      桶盤海淡廠 100 RO / 91  
      白沙鹽井淡化廠 1,200 RO / 92 政府採購
      北竿海淡廠 500 RO / 92 政府採購
      東引海淡廠 500 RO / 92 政府採購
      南竿海淡廠第二期 500 RO / 92 政府採購
      成功鹽井淡化廠 4,000 RO / 93 政府採購
      將軍鹽井淡化廠 180 RO / 93 政府採購
      馬公第一海淡廠
      3,000 CMD 海水淡化廠
      3,000 RO / 93 政府採購
      西莒海淡廠 500 RO / 94 政府採購
      南竿海淡廠第三期 950 RO / 99 BTO
      馬公第一海淡廠
      10,000 CMD 海水淡化廠
      10,000 RO / 101 BTO
      西嶼海淡廠 750 RO / 101  
      望安海淡廠 400 RO / 101 政府採購
      虎井海淡廠 200 RO / 103 政府採購
    4.  

最後更新時間:2019-08-22