結合異質性地質模型與水-熱數值模式探討台灣宜蘭礁溪溫泉水資源管理

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：115

、訪客IP：3.135.206.229

姓名

陳映涵(Ying-Han Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

應用地質研究所

論文名稱

結合異質性地質模型與水-熱數值模式探討台灣宜蘭礁溪溫泉水資源管理
(Investigation of sustainable resource management of Taiwan Jiaoxi hot spring by integrating the hydrothermal numerical simulation in a heterogeneous hydrogeological model)

相關論文

★ 水文地質概念模型差異對污染傳輸模擬之影響	★ 2016美濃地震引致嘉南平原與屏東平原地下水文特性變化研究
★ 台灣西南部因地下水開發與構造活動引致地層下陷之研究	★ Evaluating Geological Model Uncertainty Caused by Data Sufficiency – Using Groundwater Flow and Land Subsidence Modeling as the Example
★ 序率熱–水–力全耦合模式在相依參數條件下之交互作用行為探討	★ 整合河床出入滲試驗與數值模擬探討東港溪流域地下水與河川交換量季節特徵
★ A Three-Step Time-Series Method for Assessing the Barometric Efficiency in the Donggang River Watershed, Taiwan	★ Assessment of future climate change impacts on streamflow and groundwater by hydrological modeling in the Choushui River Alluvial Fan, Taiwan
★ 以水-力耦合模式探討不同複雜度地質模型對地層下陷模擬之影響—以雲林地區為例	★ Investigation on the Influences of Various Complexity of Hydrogeological Models on Pore Water Pressure Buildup Triggered by Seismic Wave Propagation
★ 異質性水文地質模型於地下水數值模擬之應用——以臺北盆地為例	★ 發展耦合HMC數值模式以探討地質模型複雜度對海水入侵與地層下陷的影響：以台灣屏東平原為例
★ Spatiotemporal Variations of the Skeletal Specific Storage in Choushui River Aquifer System, Taiwan	★ 從資料到模型：了解異質性水文地質模型在地球水文學研究中的重要性

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

至系統瀏覽論文 (2026-8-1以後開放)

摘要(中)

近年來，休閒活動在大眾生活中的重要性不斷提升，而溫泉區始終是人們旅遊的熱門目的地。隨著永續觀念的興起，觀光發展需同時考慮溫泉的永續利用。本研究透過整合異質場地質模型和地下水流數值模式，評估礁溪溫泉適當的溫泉使用量。本研究首先蒐集不同來源的地質鑽探資料，以及2020年間觀測井水位、水溫資料和抽水量等水文觀測數據。接著，運用地下水模擬系統(Groundwater Modeling System, GMS)軟體，通過馬可夫鏈法(Markov chain)產製數十個實現場的異質性沉積層地質模型，並將各個實現場與底部均質性基盤整合為三維地質模型。因實務上無法針對每個地質模型進行數值模式率定，因此本研究提出一套篩選流程，選定一代表地質模型。隨後，再將其轉換為MODFLOW地下水流數值模型，並結合MT3DMS套件進行水-熱模擬，以獲取地下水流場和推測熱水來源。最後通過模擬在不同抽水量下的水位及溫度場變化分布，導入管理水位，協助礁溪溫泉永續發展。
研究結果顯示，水文地質材料在東北-西南方向上有最大連續性，與沉積物粒徑分布一致。當三維地質模型建置數達30個時，整體地下水位的變異數及平均值趨於穩定。因此，本研究再針對此30個地質模型模擬的地下水位，以決定係數(R-squared)最高及平均絕對誤差(Mean absolute error)最小的統計特性，挑選模型21為代表地質模型。本研究整合了異質性沉積層和均質性基盤，並轉換為地下水流與溫度傳輸數值模型。地下水流模擬顯示，沉積層模擬水位與實際觀測水位相當一致(R^2=0.92)，顯示地下水流模式具有一定的代表性。熱傳輸模擬結果顯示，溫度場的空間分布與目前溫度觀測相似，表示本研究模擬出主要的熱源可能來自靠山區的兩處。將模擬的地下水位結果結合管理水位，顯示多數的監測井水位未低於嚴重下限水位，表示在目前的抽水量下，礁溪地區的水資源尚可持續使用，但仍需持續觀測與注意。當建立之模式在抽水量增加為現在的2.5倍時，監測井地下水位平均約下降1.2公尺且造成冷熱水交界的退縮，此狀態已有溫泉水資源枯竭的潛在風險。本研究建立之研究流程與架構，可以作為不同地區水資源管理的依據，實現對溫泉資源的永續發展目標。

摘要(英)

In recent years, leisure activities have become increasingly important and popular for travel. With rising sustainability awareness, tourism must address the sustainable use of hot springs. This study aims to evaluate the appropriate usage of the Jiaoxi hot spring by integrating the hydro-thermal numerical simulation in a heterogeneous hydrogeological model. First, we collected the geological drilling data from various sources, as well as hydrological observation data including groundwater level (GWL) and temperatures from monitoring wells in 2020, along with pumping rates. Next, using the Groundwater Modeling System (GMS) software and the Markov chain method, we generated dozens of realizations of a heterogeneous sedimentary layer and integrated them with the homogeneous basement to construct a 3D geological model. Since calibrating each model individually is impractical, we proposed a process to select a representative model. Subsequently, the model is converted into a numerical groundwater flow model and combined with the MT3DMS package for hydro-thermal simulations to obtain groundwater flow fields and infer the heat sources. Finally, we simulated GWL and temperature changes under different pumping rates and incorporated GWL management to support the sustainable development of Jiaoxi hot springs.
The results revealed that the hydrogeological materials have the highest continuity in the northeast-southwest direction, consistent with sediment grain size distribution. When the number of 3D geological model reached 30, the standard deviation and mean value of the overall GWL stabilized. Consequently, model 21 was selected as the representative geological model due to its highest R-squared and lowest mean absolute error in GWL simulations among the 30 models. The study integrated heterogeneous sedimentary layers and a homogeneous basement into a numerical model of groundwater flow and temperature transport. The groundwater flow simulation demonstrates a remarkable consistency (R²=0.92) between simulated and observed data, indicating the model′s representativeness. Furthermore, the heat transport simulation results revealed a spatial distribution of the temperature field similar to temperature observations, indicating that the main heat sources likely originate from two areas near the mountainous region. Combining the simulated GWL results with management levels shows that most monitoring well water levels did not fall below critical low levels. This indicates that, under the current pumping rates, the groundwater resources can still be sustainably used. However, continuous observation and attention are still necessary. However, if the pumping rate were to increase to 2.5 times the current rate, the average GWL in the monitoring wells drops by approximately 1.2 meters, causing the interface between hot and cold water to retreat. This situation poses a potential risk of thermal water resource depletion. The research framework established in this study provides a valuable reference for groundwater resource management in other regions, contributing to the realization of sustainable development goals for hot spring resources.

關鍵字(中)

★ 礁溪溫泉
★ 水資源永續管理
★ 異質性地質模型
★ 馬可夫鏈法
★ 地下水流模擬
★ 溫度傳輸模擬
★ 管理水位

關鍵字(英)

★ Jiaoxi hot spring
★ Sustainable water resource management
★ Heterogeneous hydrogeological model
★ Markov chain
★ Groundwater flow simulation
★ Heat transfer simulation
★ Management groundwater level

論文目次

摘要 i
Abstract iii
誌謝 v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xi
符號說明 xii
第一章、緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 礁溪溫泉研究 2
1-2-2 異質場地質模型 4
1-2-3 地下水管理 4
1-3 研究流程 5
第二章、研究區域及資料蒐集 7
2-1 研究區域 7
2-1-1 區域地質 8
2-1-2 礁溪溫泉概論 10
2-2 地質鑽探資料 12
2-3 水文觀測資料 13
2-3-1 地下水位 13
2-3-2 溫泉使用量 15
2-3-3 水溫 17
2-3-4 雨量站 17
第三章、研究方法 18
3-1 馬可夫鏈法 18
3-2 挑選代表地質模型 20
3-3 地下水流場 (MODFLOW) 23
3-4 熱傳輸模式 (MT3DMS) 27
第四章、模型建立和參數設定 29
4-1 地質模型 29
4-1-1 均質場基盤模型 30
4-1-2 異質場沉積層模型 34
4-2 地下水流模型設置 38
4-2-1 邊界條件 38
4-2-2 降雨補注量 40
4-2-3 溫泉使用量 43
4-2-4 水力傳導係數 43
4-3 溫度模型設置 44
4-3-1 熱源設定 44
4-3-2 邊界條件 44
4-3-3 參數設定 44
第五章、結果與討論 48
5-1 代表地質模型 48
5-2 地下水流數值模型 51
5-3 溫度傳輸數值模型 56
5-4 地下水管理 59
第六章、結論與建議 70
6-1 結論 70
6-2 建議 71
參考文獻 73

參考文獻

1. Allaby, M. (2013). A dictionary of geology and earth sciences. Oxford University Press, USA.
2. Chapelle, F. H. (1986). A solute‐transport simulation of brackish‐water intrusion near Baltimore, Maryland. Groundwater, 24(3), 304-311.
3. Carle, S. F. (1999). T-PROGS: transition probability geostatistical software, version 2.1. Department of Land, Air and Water Resources, University of California, Davis.
4. Carle, S. F., & Fogg, G. E. (1997). Modeling spatial variability with one and multidimensional continuous-lag Markov chains. Mathematical Geology, 29, 891-918.
5. Carle, S. F., & Fogg, G. E. (2020). Integration of soft data into geostatistical simulation of categorical variables. Frontiers in Earth Science, 8, 565707.
6. Carle, S. F., Labolle, E. M., Weissmann, G. S., Van Brocklin, D., & Fogg, G. E. (1998). Conditional simulation of hydrofacies architecture: a transition probability/Markov approach. Hydrogeologic models of sedimentary aquifers, concepts in hydrogeology and environmental geology, 1(1), 147-170.
7. De Marsily, G. (1986). Quantitative hydrogeology.
8. Dingman, S. L. (2015). Physical hydrology. Waveland press.
9. Domenico, P. A., & Schwartz, F. W. (1997). Physical and chemical hydrogeology. John wiley & sons.
10. Feyen, L., & Caers, J. (2006). Quantifying geological uncertainty for flow and transport modeling in multi-modal heterogeneous formations. Advances in Water Resources, 29(6), 912-929.
11. Hamdhan, I. N., & Clarke, B. G. (2010). Determination of thermal conductivity of coarse and fine sand soils. Proceedings of world geothermal congress.
12. Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., & McDonald, M. G. (2000). Modflow-2000, the u. S. Geological survey modular ground-water model-user guide to modularization concepts and the ground-water flow process.
13. Hecht-Mendez, J., Molina-Giraldo, N., Blum, P., & Bayer, P. (2010). Evaluating MT3DMS for heat transport simulation of closed geothermal systems. Ground Water, 48(5), 741-756.
14. Himmelsbach, T., & Wendland, E. (2000). Transport of heavy metals in a fractured porous block: experiments and a 3-D model. IAHS Publication(International Association of Hydrological Sciences)(262), 325-331.
15. Højberg, A., & Refsgaard, J. (2005). Model uncertainty–parameter uncertainty versus conceptual models. Water Science and Technology, 52(6), 177-186.
16. McDonald, M. G., & Harbaugh, A. W. (1988). A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model. US Geological Survey.
17. Massart, D. L., Smeyers-Verbeke, J., Capron, X., & Schlesier, K. (2005). Visual presentation of data by means of box plots. Lc-Gc Europe, 18(4).
18. McGill, R., Tukey, J. W., & Larsen, W. A. (1978). Variations of box plots. The american statistician, 32(1), 12-16.
19. Schulze‐Makuch, D. (2005). Longitudinal dispersivity data and implications for scaling behavior. Groundwater, 43(3), 443-456.
20. Schwartz, F. W., & Zhang, H. (2002). Fundamentals of ground water. John Wiley & Sons.
21. Tran, D. H., Wang, S. J., & Nguyen, Q. C. (2022). Uncertainty of heterogeneous hydrogeological models in groundwater flow and land subsidence simulations-A case study in Huwei Town, Taiwan. Engineering Geology, 298.
22. Wang, S.-J., Lee, C.-H., Yeh, C.-F., Choo, Y. F., & Tseng, H.-W. (2021). Evaluation of climate change impact on groundwater recharge in groundwater regions in Taiwan. Water, 13(9), 1153.
23. Weissmann, G. S., Carle, S. F., & Fogg, G. E. (1999). Three‐dimensional hydrofacies modeling based on soil surveys and transition probability geostatistics. Water Resources Research, 35(6), 1761-1770.
24. Zheng, C., & Wang, P. P. (1999). MT3DMS: a modular three-dimensional multispecies transport model for simulation of advection, dispersion, and chemical reactions of contaminants in groundwater systems; documentation and user’s guide.
25. Zheng, C., C. Hill, M., Cao, G., & Ma, R. (2012). MT3DMS: Model Use, Calibration, and Validation. Transactions of the ASABE, 55(4), 1549-1559.
26. 王士榮(2019)。濁水溪流域地下水資源開發與管理。台灣水利，第67卷，第1期，第43-67頁。
27. 台北市應用地質技師公會(2021)。109年度宜蘭縣溫泉監測及資源保育計畫，宜蘭縣：宜蘭縣政府。
28. 台北市應用地質技師公會(2022)。110年度宜蘭縣溫泉監測及資源保育計畫，宜蘭縣：宜蘭縣政府。
29. 江崇榮、賴典章、賴慈華、黃智昭、費立沅、侯進雄、陳瑞娥、陳利貞、呂學諭、周素卿、鄂忠信、黃明昌、陸挽中、張閔翔、劉幸樺、李耀文(1999)。濁水溪沖積扇水文地質調查研究總報告。新北市：經濟部中央地質調查所。
30. 吳秀珠(2012)。礁溪溫泉區地溫分布與數值模擬。嘉南藥理科技大學溫泉產業研究所碩士論文，台南市。
31. 吳益裕、林啓峰、劉瓊玲、溫志超、林建利(2021)。地下水管理水位之演進與運用。土木水利，第48卷，第6期，第35-40頁。
32. 李心儀、陳世一(2010)。礁溪鄉誌-增修版。宜蘭縣：宜蘭縣礁溪鄉公所。
33. 周家慧(2009)。礁溪地區溫泉人工補注之研究。國立成功大學資源工程學系碩士論文，台南市。
34. 宜蘭縣政府(2003)。礁溪岩盤溫泉調查開發供應與溫泉區劃定計畫第一階段定案報告書。財團法人工業技術研究院。
35. 宜蘭縣政府(2010)。宜蘭縣溫泉區管理計畫。宜蘭縣：宜蘭縣政府。
36. 宜蘭縣政府(2021)。宜蘭溫泉泉源探測工作期末報告書。大地資源工程有限公司。
37. 宜蘭縣政府(2022)。修訂宜蘭縣溫泉區管理計畫。宜蘭縣：宜蘭縣政府。
38. 林朝宗(2000)。五萬分之一臺灣地質圖及說明書，新店。經濟部中央地質調查所，共77頁。
39. 孫曉萍(2015)。礁溪溫泉區冷熱水混合比例與分佈之研究。嘉南藥理大學觀光事業管理系碩士論文，台南市。
40. 財團法人台灣大學建築與城鄉研究發展基金會(2002)。礁溪溫泉資源調查、監測與利用計畫規劃報告書。宜蘭縣：宜蘭工作室。
41. 國立交通大學(2013)。地下水水文地質與補注模式研究-補注區劃設與資源量評估(1/4)，國家科學及技術委員會(編號：102-5226904000-07-01)。
42. 張文城、曹嘉永(2006)。雪山隧道豎井工程地質弱帶處理施工案例。地工技術，第108期，第109-114頁。
43. 張智欽(2000)。礁溪溫泉安全出水量之研究。國立師範大學地理研究報告，第32期，第23-50頁。
44. 張瑞津、石再添、楊淑君、林譽方、陳翰霖、董德輝(1995)。蘭陽地區沖積扇的地形研究。師大地理研究報告，第23期，第151-191頁。
45. 張寶堂(2004)。礁溪溫泉資源調查與開發之研究。國立臺北科技大學材料及資源工程系碩士論文，台北市。
46. 莊信宏(2022)。整合河床出入滲試驗與數值模擬探討東港溪流域地下水與河川交換量季節特徵。國立中央大學應用地質研究所碩士論文，桃園市。
47. 陳文福、呂學諭(2010)。礁溪溫泉之生成模式與水位水溫觀測。經濟部中央地質調查所彙刊，第23號，第109-135頁。
48. 陳春錦(2020)。宜蘭縣溫泉分佈及展望。
49. 陳肇夏(1975)。台灣溫泉成因與地熱探勘之我見。地質，第2期，第1卷，第107-117頁。
50. 黃鑑水、何信昌(1989)。頭城地質圖說明書。新北市：經濟部中央地質調查所。
51. 經濟部中央地質調查所(2019)。臺灣北段山區地下水資源調查計畫－臺灣北段山區流域水文地質調查及圖幅繪編(2/4)。財團法人工業技術研究院、國立中興大學、國立臺北科技大學。
52. 經濟部水利署(2015)。中華民國103年溫泉監測年報。
53. 經濟部水利署(2015)。中華民國104年溫泉監測年報。
54. 經濟部水利署(2016)。中華民國105年溫泉監測年報。
55. 經濟部水利署(2017)。中華民國106年溫泉監測年報。
56. 經濟部水利署(2018)。中華民國107年溫泉監測年報。
57. 經濟部水利署(2019)。中華民國108年溫泉監測年報。
58. 經濟部水利署(2019)。利用溫泉井水溫觀測資料推估地層導熱係數之研究。嘉南藥理大學。
59. 經濟部水利署(2020)。縣管區排得子口溪支流排水(下埔地區)規劃檢討。經濟部水利署第一河川局。
60. 經濟部水利署(2021)。中華民國109年溫泉監測年報。
61. 經濟部水利署(2023)。中華民國111年溫泉監測年報。
62. 經濟部水利署水利規劃試驗所(2009)。『易淹水地區水患治理計畫』第一階段實施計畫得子口溪水系治理規劃─河川部份。
63. 賈儀平(1999)。頭城地區四稜砂岩之水文地質特性及地下水流模擬，國家科學委員會(編號：NSC87-2116-M-002-010)。
64. 簡佑安(2023)。異質性水文地質模型於地下水數值模擬之應用—以臺北盆地為例。國立中央大學應用地質研究所未出版之碩士論文，桃園市。

指導教授

王士榮(Shih-Jung Wang)

審核日期

2024-7-29

推文