111 年 國立中央大學應用地質研究所碩士班一般生《環境工程概論》

此題為名詞解釋題，主要在測試學生對環境工程基本概念的熟悉度。

a. greenhouse gas (溫室氣體)：
溫室氣體是指大氣中能夠吸收並重新放出紅外線輻射的一類氣體，這些氣體會吸收地球表面散發的熱量，並將部分熱量重新輻射回地球表面，導致地球溫室效應增強，進而引起全球暖化。主要的溫室氣體包括二氧化碳 ($CO_2$)、甲烷 ($CH_4$)、氧化亞氮 ($N_2O$)、氟氯碳化物 (CFCs) 等。

b. Darcy's law (達西定律)：
達西定律是描述地下水或多孔介質中流體流動的定律。它指出，在穩態、單相、不可壓縮流體且流動是層流的情況下，通過多孔介質的流量與壓力梯度成正比，與介質的滲透性 (permeability) 和流體的黏滯性 (viscosity) 有關。數學表達式為：
$Q = -KA \frac{dh}{dl}$
其中：
$Q$ 為流量 (volume per time)
$K$ 為水力傳導係數 (hydraulic conductivity)
$A$ 為垂直於流動方向的截面積 (cross-sectional area)
$\frac{dh}{dl}$ 為水力坡度 (hydraulic gradient)，即水頭損失與流動距離的比值。負號表示水流方向是從高水頭流向低水頭。

此題考驗學生對氣候變遷成因及其對水環境影響的理解。

氣候變遷造成的原因：

氣候變遷主要是由於人類活動導致大氣中溫室氣體濃度增加，加劇了地球的溫室效應。主要原因包括：

1. 燃燒化石燃料： 煤炭、石油、天然氣等化石燃料的燃燒，會釋放出大量的二氧化碳 ($CO_2$)，這是最主要的溫室氣體。
2. 工業製程： 部分工業製程，如水泥生產，也會釋放 $CO_2$。
3. 農業活動： 畜牧業會產生甲烷 ($CH_4$)，而肥料的使用則會產生氧化亞氮 ($N_2O$)。
4. 土地利用變化： 森林砍伐減少了對 $CO_2$ 的吸收，同時燃燒森林也會釋放 $CO_2$。
5. 其他溫室氣體： 如氟氯碳化物 (CFCs) 等，雖然排放量較少，但其暖化潛勢極高。

對水環境的可能衝擊：

氣候變遷對水環境的影響是多方面的，主要包括：

1. 水循環改變：
   • 降雨模式改變： 降雨強度可能增加，導致豪雨和洪水頻率增加；同時，部分地區可能面臨乾旱加劇，降雨量減少。

此題考驗學生對含水層基本參數「孔隙率」的定義與計算。

孔隙率 (Porosity) 是指在多孔介質 (如土壤、岩石) 中，孔隙體積佔總體積的比例。對於飽和含水層，其總體積由固體顆粒體積和孔隙體積組成。

設：
$V_s$ = 礦物顆粒體積 (volume of solid particles)
$V_w$ = 水體積 (volume of water)

因為含水層是飽和的，所以孔隙體積 ($V_p$) 等於水體積 ($V_w$)。
$V_p = V_w$

此題考驗學生對地下水流動方向判斷以及達西定律的應用。

1. 地下水流向判斷：

地下水在均質、等向性含水層中，通常是從高水力坡度 (high hydraulic head) 流向低水力坡度 (low hydraulic head)。水力坡度可以由地下水位來代表。

• 井 1： 地下水位在地表面以下 20 m。假設地表面高程為 0 m，則井 1 的水頭 $h_1 = -20$ m。
• 井 2： 地下水位在地表面以下 15 m。假設地表面高程為 0 m，則井 2 的水頭 $h_2 = -15$ m。

比較兩口井的水頭：$h_2 (-15 \text{ m}) > h_1 (-20 \text{ m})$。
因此，地下水會從水頭較高的井 2 流向水頭較低的井 1。

地下水流向： 從井 2 流向井 1。

2. 地下水流速計算：

地下水流速的計算需要用到達西定律的變形，即計算實際滲流速度 (seepage velocity)。

• 水平距離 ($L$)： 兩口井的水平距離為 $2,000$ m。

• 水頭差 ($\Delta h$)： $h_2 - h_1 = -15 \text{ m} - (-20 \text{ m}) = 5$ m。

• 水力坡度 ($i$)： 水力坡度為水頭差除以流動距離。
  $i = \frac{\Delta h}{L} = \frac{5 \text{ m}}{2,000 \text{ m}} = 0.0025$
  這個水力坡度是正值，表示水頭在流動方向上是增加的，這與我們判斷的流向相反。這是因為我們定義的 $L$ 是從井 1 到井 2 的距離，而水流是從井 2 流向井 1。如果我們定義流動方向為從井 2 到井 1，則距離為 $2,000$ m，水頭從 $-15$ m 變到 $-20$ m，水頭差為 $-5$ m，水力坡度為 $\frac{-5 \text{ m}}{2,000 \text{ m}} = -0.0025$。
  為簡化計算，我們常取絕對值來計算滲流速度，但需注意流向。在此，我們使用水頭差的絕對值和距離來計算坡度大小：$i = \frac{|-15 - (-20)|}{2000} = \frac{5}{2000} = 0.0025$。

• 飽和水力傳導係數 ($K$)： $K = 0.01$ m/day。

• 達西流速 ($v_d$)：
  $v_d = K \cdot i = (0.01 \text{ m/day}) \cdot (0.0025) = 0.00025 \text{ m/day}$
  達西流速是指單位時間內，通過單位截面積的體積流量，它不是實際的地下水顆粒移動速度。

此題考驗學生對健康風險評估 (Human Health Risk Assessment, HHRA) 步驟與流程的理解。健康風險評估是一個系統性的過程，用於確定暴露於某種物質 (如污染物) 可能對人類健康造成的風險程度。

健康風險評估通常包含以下四個主要步驟：

1. 風險鑑別 (Hazard Identification)

• 目的： 確定某種污染物是否會對人類健康造成不良影響，以及這些不良影響的性質。
• 過程：
  • 收集和審查有關污染物毒理學的資訊，包括動物實驗數據、流行病學研究、人體試驗數據等。
  • 確定污染物的作用機制、潛在的健康效應 (如致癌性、神經毒性、生殖毒性等)。
  • 識別污染物與特定健康效應之間的因果關係。
• 輸出： 確定污染物種類、潛在的健康效應及其嚴重程度。

2. 劑量-反應評估 (Dose-Response Assessment)

• 目的： 量化污染物劑量與不良健康效應發生機率之間的關係。
• 過程：
  • 利用毒理學數據，建立劑量與反應 (如疾病發生率、腫瘤發生率) 之間的數學模型。
  • 確定無明顯不良反應劑量 (No Observed Adverse Effect Level, NOAEL) 或最低明顯不良反應劑量 (Lowest Observed Adverse Effect Level, LOAEL)。
  • 對於致癌物，常計算單位風險因子 (Unit Risk Factor, URF) 或斜率因子 (Slope Factor, SF)，表示每單位暴露劑量增加所導致的額外致癌風險。
  • 對於非致癌物，常計算可接受暴露劑量 (Acceptable Daily Intake, ADI) 或參考劑量 (Reference Dose, RfD)。
• 輸出： 劑量-反應曲線或參數，用於估計不同暴露劑量下的風險水平。

此題考驗學生對自然界中氮元素循環過程的理解。氮循環是指氮元素在生物圈、大氣圈、水圈和岩石圈之間不斷轉化的過程。氮是構成蛋白質和核酸的重要元素，對所有生物都至關重要。

氮循環的主要過程包括：

1. 固氮 (Nitrogen Fixation)

   • 定義： 將大氣中的氣態氮 ($N_2$) 轉化為生物可利用形式 (如氨 $NH_3$ 或硝酸鹽 $NO_3^-$) 的過程。
   • 途徑：
     • 生物固氮： 主要由固氮細菌 (如根瘤菌、藍綠藻) 完成。它們能將 $N_2$ 還原為氨。
     • 工業固氮： 通過哈伯-博施法 (Haber-Bosch process) 生產氨，用於製造肥料。
     • 大氣固氮： 雷電等高能現象也能將 $N_2$ 轉化為氮氧化物，進而形成硝酸鹽。
   • 產物： 氨 ($NH_3$) 或銨離子 ($NH_4^+$)。

2. 氨化/腐生作用 (Ammonification)

   • 定義： 當動植物死亡或排泄廢物時，其中的有機氮 (如蛋白質) 被微生物 (細菌和真菌) 分解，轉化為氨 ($NH_3$) 或銨離子 ($NH_4^+$) 的過程。
   • 參與者： 腐生細菌和真菌。
   • 產物： 氨 ($NH_3$) 或銨離子 ($NH_4^+$)。

3. 硝化作用 (Nitrification)

   • 定義： 在好氧條件下，微生物將氨 ($NH_4^+$) 逐步氧化為亞硝酸鹽 ($NO_2^-$)，再氧化為硝酸鹽 ($NO_3^-$) 的過程。
   • 階段：

此題考驗學生對地下水常見污染物的認知。地下水污染物來源廣泛，包括工業、農業、生活污水、廢棄物掩埋場滲濾液等。

以下列舉 5 種地下水常見的污染物：

1. 硝酸鹽 (Nitrate, $NO_3^-$)

   • 來源： 主要來自農業施肥 (化肥和有機肥)、畜牧業廢棄物、污水處理廠放流水、化糞池滲漏。
   • 影響： 對嬰兒可能導致藍嬰症 (methemoglobinemia)；在高濃度下可能對成人健康產生影響，也是水體優養化的原因之一。

2. 揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)

   • 來源： 來自工業溶劑、汽油、油漆、清潔劑、乾洗劑等。常見的 VOCs 包括苯 (benzene)、甲苯 (toluene)、乙苯 (ethylbenzene)、二甲苯 (xylenes) (合稱 BTEX)、三氯乙烯 (trichloroethylene, TCE)、四氯乙烯 (tetrachloroethylene, PCE) 等。
   • 影響： 許多 VOCs 具有致癌性或被懷疑具有致癌性，也可能引起神經系統、肝臟、腎臟等器官的損害。

3. 重金屬 (Heavy Metals)

   • 來源： 來自工業廢水、採礦活動、電鍍、電池、農藥、廢棄物掩埋場滲濾液。常見的重金屬包括鉛 (Pb)、汞 (Hg)、鎘 (Cd)、砷 (As)、鉻 (Cr) 等。