中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 錢紀銘，嘉南藥理科技大學環境資源管理系副教授 洪萬吉，嘉南藥理科技大學醫務管理系副教授 吳穎祥，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系碩士生 溫文瑾，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系四技生 陳奕廷，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系四技生 荊樹人，嘉南藥理科技大學環境工程與科學系教授 摘要 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 absolute percentage 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 可由 85 降至 35，而 PF 估算式之作物係數(KCp-A1)為 1.47，MAPU 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 MAPI 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 MAPO 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。 關鍵字：人工溼地、蒸發散、平均絕對百分誤差、作物係數 一、前言 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 1 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 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。 二、文獻回顧及探討 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(Moges et al., 2002)。由於蒸發 散在不同用途及條件時所使用的參數也大不相同；氣候、地形特徵及植生覆蓋等 複雜因素使蒸發散之量化更為困難。因此，對於蒸發散特性之討論大都以經驗迴 歸式為主。 有關蒸發散之相關研究包括；Bowen (1926)以可感熱與潛熱之比值定義為 Bowen ratio，結合地表能量平衡式來推估蒸發散量。彭門 Penman(1948) 首先將 熱量傳輸和質量傳輸兩者結合，考慮可利用能量、邊界層溫度與水汽壓來計算自 由液面之蒸發量，並搭配現地之蒸發皿實驗，其結果顯示估計值與量測之蒸發量 非常接近，之後估計蒸發散量的公式大多以此為基礎加以修改。由於 Penman 公 式主要是適用於自由液面或是覆蓋完整且濕潤之短草地區，因此，蒙特思 (Monteith)於 1965 年應用阻抗法，考慮水份從葉面氣孔下的氣室向外逸入大氣的 傳輸過程中，受到氣孔阻抗與空氣動力阻抗的作用，而推導出一關係式，並將阻 抗理論加入彭門公式中。桑懷特(Thornthwaite)於 1948 年定義勢能蒸發散為特定 厚度飽和土壤及其上植被之蒸發散，並利用氣象資料推導依經驗公式來推估一地 區之蒸發散量，此經驗公式只與氣溫因子有關。 Harbeck(1962)、Brutsaert(1982)針對不同面積之水庫或湖泊，探討面積因子 對水面蒸發量的影響；Priestley and Taylor(1972) 發展出適用於潮溼地區蒸發散 2 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 估計之簡化公式，在潮濕區域僅考慮能量影響，蒸發散量與能量平衡部份成正 比，比值 α 約為 1.26。其後之相關研究常會與前述之三種蒸發散推估方式 Penman(1948)、Penman-Mnoteith(1965)、Priestley-Taylor(1972)互相比較，作為評 估模擬結果好壞的依據。Dunner(1978)在其推導之水面蒸發公式中，並加入相對 溼度的影響因子。聯合國糧食及農業組織(FAO)於 1977 年推薦四種方法來推估作 物需水量，分別為 Blaney-Criddle Method、Radiation Method、Penmen Method、 Pan Evaporation Method。而國際灌溉排水協會(ICID)於 1944 年公佈最新作物需 水量之推估方式，此種方法乃將 Penmen-Monteith 公式修改而成。Choudhury and Monteith(1988) 考慮到單層無法有效反應出地表覆蓋狀態，所以將地表邊界層分 割為四層，並帶入不同阻抗係數進行模擬。Gavin and Agnew(2000) 運用 Penman-Mnoteith 公式計算之勢能蒸發散量與水平衡法計算之蒸發散量來反推 地表環境阻抗(surface reisitance)。Zhang et al. (2004) 使用年平均勢能蒸發散與降 水的比值作為乾燥指標(E0/P)，建立模式以推估年平均蒸發散量，帶入世界各地 470 個流域之長期觀測資料，推估年平均蒸發散量，並與利用水平衡方程計算之 實際蒸發散量做比較，最後得到不錯之相關性。Liu et al.(2004) 分析中國大陸地 區、李新偉與陳啟榮(2005) 分析香港京士柏氣象站，其結果皆發現到皿蒸發呈 現下降趨勢，惟於大陸地區太陽輻射能量的減少與全球暖化氣溫的上升是主要影 響因素。 除前述有關人工濕地應用於污染處理之相關研究外，與溼地蒸發散有關之研 究包括；Timemer & Weplon(1967)在佛羅里達州使用六個小水池，分四個實驗組 栽種溼地植物布袋蓮與兩個無植物自由水面蒸發對照組，研究其蒸發散之情形， 經實驗後得知其自由水面蒸發量(Ou)約為 3.9mm/day，布袋蓮之蒸發散量(Ew)為 14.4mm/day。Kadlec(2005)於有關溼地中植物遮蔽面積影響蒸發散之研究發現植 物之存在妨礙蒸發，其原因在於植物之存在將減少風速及增加濕度所致。 Bernatowicz et al.(1976)將相關蒸發散結果與無遮蔽的水域蒸發相比較發現植物 之遮蔽大約削減 30%-86%之蒸發量；而 Koerselman & Beltman (1988)削減量為 41%~48%以及 Kadlec et al.(1987)則為 30%~86%。 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 3 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 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。 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 及 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。 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。 三、實驗佈置與分析 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。 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（Phragmites communis 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 4 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 無蘆葦植栽，以便觀察單純石頭床之蒸發特性。 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(free water 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 0.7 m，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，相 關系統設置細部資料請參閱嘉南藥理科技大學生態中心網頁之相關資料 (http://ecocenter.chna.edu.tw/chnawetland/main/2/system.html)。 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。人工溼地監測系統則有 SSF 系統出流 流速、FWS 出流流速與水位、地表水位、地下水位與蒸發，相關系統之規格細 節詳請參閱吳(2009)。 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。 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 5 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 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； ET0    Rn  r  f (I)(ea ed ) (1) r  l r  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)；od：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； △＝0.4495＋0.2721×10-1×T＋0.9873×10-3×T2＋0.2907×10-5×T3 ＋0.2538×10-6×T4 (2) Rn  Rns  Rnl  1   Rs  0.34  0.139 aa Ta 4  0.1  0.9 n  (3)  N  l  2.5  0.0024  T (4) f(U)=0.27(1+0.01U) (5)  17.27T  ea  6.108 exp T  237.3 (6) RH e d  e a  (7) 100 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：Stefan Boltzmann 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（%）。 本研究除彭門修正式之外，另引用為探討夏季蒸發散特性所發展之蒸發皿勢 能 PF(Pan Factor)經驗式(Hammer & Kadlec 1983)； 6 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 ET0  0.755  EP  CT  CW  C H  C S (8) 式中 EP：蒸發皿蒸發量(mm/d)，其餘參數 CT、CW、CH、CS 分別為溫度係數、 日照係數、濕度係數、風速係數，其估算式如下；  T   T  2 C T  0.862  0.179  20   0.041  20  (9)  U   U  2 C W  1 .189  0 .24 1 .86   0 .051 1 .86  (10)  RH   RH  2 C H  0 .499  0 .62  60   0 .119  60  (11)  S   S  2 C S  0.904  0.008  80   0 .088  80  (12) 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。 四、結果與與討論 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 7 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 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 absolute percentage error; MAPE），其定義如下； 1 ni X pi  Xmi MAPA   100 (13) no a1 Xmi 式中 no 觀測數據數量，Xmu 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。 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℃漸增為 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。 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。 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 MEPE 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 8 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 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。 表 1. A1 與 A2 人工溼地實測與推估蒸發散量之特性統計表 統計參數 平均數 中位數 標準差 變異數 全距 最小值 最大值 MAPE A1 系統 溫度 ET PMM PF 溫度 ET 20.9 3.44 20.9 3.25 4.67 1.26 21.8 1.58 15.7 4.73 12.1 1.23 27.8 5.96 - - 0.50 1.85 0.51 1.82 0.16 0.35 0.026 0.13 0.66 1.36 0.15 1.23 0.81 2.59 85 46 23.0 2.72 24.4 2.76 4.78 0.90 22.8 0.80 17.4 3.72 12.1 1.21 29.4 4.93 - - A2 系統 PMM PF 0.55 1.90 0.58 1.85 0.18 0.35 0.031 0.13 0.70 1.49 0.15 1.23 0.85 2.72 79 33 備註：參數單位；溫度(TEMP)：℃；ET(Evap)：cm/d；E(E)：cm/d 表 2. A3 與 B 人工溼地實測與推估蒸發與蒸發散量之特性統計表 統計參數 平均數 中位數 標準差 變異數 全距 最小值 最大值 MAPE A3 系統 溫度 E PMM PF 溫度 ET 20.9 1.97 20.9 1.83 4.67 0.51 21.8 0.26 15.7 2.02 12.1 1.14 27.8 3.16 - - 0.68 2.02 0.71 1.99 0.15 0.29 0.021 0.081 0.65 1.22 0.2 1.5 0.85 2.72 63 23 23.0 3.00 24.4 3.01 4.78 0.65 22.8 0.42 17.4 3.44 12.1 1.18 29.4 4.62 - - B系統 PMM PF 0.42 1.00 0.45 0.95 0.13 0.21 0.016 0.04 0.61 1.02 0.05 0.69 0.66 1.70 66 65 備註：參數單位；溫度(TEMP)：℃；ET(Evap)：cm/d；E(E)：cm/d 9 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 30 10 25 20 0C) TUMP( 15 10 5 0 TEMP Pinman(ET ) 0 PF(ET ) 0 IT 8 6 4 Evop(cm) 2 0 2008/2/20 2008/3/7 2008/4/1 2008/4/12 -- TIME(day) 圖 1. FWS 人工濕地 A1 系統之實測及推估蒸發散歷時變化 10 30 25 20 0C) TEMP( 15 10 5 0 TEMP Penman(AT ) 0 PF(ET ) 0 ET 8 6 4 Ivap(cm) 2 0 2008/2/25 2008/3/9 2008/4/2 2008/4/132008/4/292008/5/14 -- TIME(day) 圖 2. SSF 人工濕地 A2 系統之實測及推估蒸發散歷時變化 10 30 25 20 0C) TEMP( 15 10 5 0 TEMP Penman(ET ) 0 PF(UT ) 0 ET 8 6 4 Evap(cm) 2 0 2008/4/25 2008/5/6 2008/5/12 2008/6/9 2008/7/25 2008/8/9 TIME(day) 圖 3. 無植栽 SSF 人工濕地 A3 系統之實測及推估蒸發歷時變化 10 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 30 17 25 20 0C) TEMP( 15 10 5 0 TEMP Penman(ET ) 0 PF(ET ) 0 ET 8 6 4 Evap(cm) 2 0 2007/1/8 2007/2/11 2007/2/24 2007/3/9 2007/3/26 -- TIME(day) 圖 4. 人工溼地 B 系統之實測及推估蒸發散歷時變化 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； ET K  (14) C ETo 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，MIPE 值可由 46 降至 36，二者皆達可 接受水準。 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 11 中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系 This text was extracted from a PDF document using an unlicensed copy of PDFTextStream. Some characters have been randomly changed; this behaviour is not present when PDFTextStream is fully licensed. Visit http://www.snowtide.com for more information. 中華民國環境工程學會 2010 廢水處理技術研討會 台灣南部人工溼地蒸發散之推估 算式之作物係數(KCm-E2)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。 五、結論 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，MOPE 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。 六、參考文獻 1. Bernatowicz, S., S. Leszcynski, and S. 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