| 計畫編號 | MOEAWRA1100336 |
| 英文計畫名稱 | Application of Signal Decomposition Techniques to Estimate Hydrogeological Parameters in Choushui River Alluvial Fan |
| 計畫主類別 | 科技發展 |
| 主辦人員機關 | 水利規劃試驗所 |
| 主辦人員單位 | 地下水文研究中心 |
| 契約開始日期 | 2021/2/27 |
| 契約結束日期 | 2021/12/15 |
| 契約經費資本門 | 0 |
| 契約經費經常門 | 2,350,000 |
| 中文計畫摘要 | 地下水資源在台灣地區水資源的供應上扮演著重要的角色，因此若能合理使用地下水資源，將有助於水資源供應；反之不合理使用地下水資源則導致地層下陷、海水入侵等問題。為提升地下水資源的有效利用，對於地下水系統的了解十分重要。一直以來，由於地下水系統之高度異質特性，以及地下水系統會與許多自然水文和人為活動過程息息相關，導致對於地下水系統之了解一直具有高度挑戰特性。
近年來，因資通訊技術發達，地下水位觀測從過去每小時一次的觀測可提升到分鐘級的尺度，也因此，高精度的地下水位變化觀測可更詳細的提供區域地下水系統受到外界刺激的反應的資訊。換言之，透過對於高精度地下水位變動之分析，有機會對於觀測井局部區域的外部刺激的物理量級，如抽水與補注量，以及水文地質參數，提供相關推估。
經濟部水利署水利規劃試驗所(以下簡稱本所)依據經濟部水利署109年11月10日經水綜字第10914075620號函「本署110年度委託服務預定計畫複審會議紀錄」決議，研提本計畫書。本計畫預計發展以時間序列方法(time-series decomposition approach)來拆解高精度地下水位觀測受到各種來源影響，此一模型一方面了解影響地下水變動過程各種因素之物理量級外，例如抽水、補注或是蒸發散量等，另一方面嘗試推估區域之水文地質參數。透過此一方法之發展，預計可推估各觀測井位附近之地下水抽補情形以及水文地質參數，提升對於地下水系統之了解。 |
| 英文計畫摘要 | This project aims to estimate the storage coefficient, pumping amount and recharge amount through water level data only. There are three parts of this project, (1) Data pre-processing (2) hydrogeological parameter estimation (3) pumping and recharge amount estimation. Each part is described respectively as follows.
In the data pre-processing part, This project collected groundwater level observations and developed the skill to deal with the problems including old and new wells data concatenating, data continuity examination, and outlier detection. This project concatenated 67 well stations in total 315 well stations, and recognized 198 well stations that had outliers which were needed to remove. Furthermore, we utilized the Bayesian Maximum Entropy (BME) method to fill missing groundwater level observations. Besides, this project developed this data outlier detection and filling methods and made a python module and a user-friendly groundwater toolbox. This project also created a web application to demonstrate the outlier detection process for further study integration. |
| 年度項目 | 1.文獻回顧與基本資料收集：針對國內外地下水數據分析以及時間序列分析模式和參數推估方法進行文獻回顧，並彙整濁水溪過去地下水相關研究成果與資料。
2.資料清理與補遺：發展對於地下水位異常值偵測架構，考慮資料跨尺度時間變異以及空間變異特性，對於觀測異常值可進行自動化初步分類。
3.歷史地下水位補遺模型之發展。
4.地下水參數推估模式發展與驗證：發展以時間序列模式為基礎之時間序列拆解架構，建構於抽水、補注以及水文地質參數推估方法，並透過數值模擬與分析，探討此模式之適用性。
5.地下水抽補量與參數推估：選定研究區高精度地下水位測站，應用地下水時間序列拆解方法，分析與討論地下水抽補推估與水文地質參數推估成果。
6.辦理專家座談會：綜整本年度研究成果，召開1 場專家座談會，並彙整及反映回饋意見，使研究結果可達初步共識。 |
| 受委託機構 | 國立臺灣大學 |
| 主持人姓名 | 余化龍 |
| 中文關鍵字 | 異常值檢測、數據填充、補給估計、取水估計、時間序列分解、水文地質參數估算 |
| 英文關鍵字 | Outlier detection, Data filling, Recharge estimation, Withdrawal estimation, Time Series decomposition, Hydrogeological parameters estimation. |
| 計畫研究成果 | (一)本計畫執行地下水水位資料清理工作，透過異常值偵測方法標記之中共186站之觀測井，移除異常值部分並對原缺漏之水位透過時間序列分析法與貝氏最大熵法進行補遺工作。
(二)本計畫使用之異常值偵測及補遺方法模組化，提供含註解之模組程式及相關操作手冊供使用與說明，並開發網頁版應用服務以輔助說明開發流程與方法。
(三)本計畫利用時間序列分析方法(Time-series decomposition approch)可將地下水位訊號拆解為三個部分：可由物理機制解釋的高頻擾動項、水位長期趨勢項(平均水位高程)以及殘差項，其中高頻擾動項包含人為抽水與自然補注等所產生的訊號。
(四)透過抽水時間序列與其對應之脈衝反應函數(Impulse respones function)摺合積分可以模擬抽水造成的高頻水位變動，而藉由最佳化方法對模擬的水位變動和真實水位中的高頻擾動訊號進行擬合，透過最佳化脈衝反應函數中的參數進而推求水文地質參數。
(五)為研析地下水位觀測井受未知分布的抽水井抽水影響，本計畫提出「等效均勻抽水」假設，且對觀測井造成的水位洩降會和實際數口未知抽水井造成之洩降相等，藉此描述多口不均勻抽水井抽水行為。 |
| 應用情形及效益 | 本計畫之水文地質參數推估方法於理論推導以及測試結果發現，相關基本假設、適用性與限制說明如下：
1.本計畫脈衝反應函數為泰斯公式(Theis Equation)，因泰斯公式假設含水層為受壓且非滲漏含水層，因此本計畫水文地質參數推估模式目前僅適用於受壓含水層。若應用於滲漏含水層或非受壓含水層，則需考慮Hantush well function或進一步研析非受壓含水層洩降特性與泰斯公式之差異進而修改反應函數。
2.濁水溪沖積扇觀測井於建置完成時皆有進行完工試水試驗，僅部分觀測井進行複井抽水試驗，導水係數T的資料相較於儲水係數S較為豐富，因此本計畫在水文地質參數推估過程導水係數T皆假設為已知。
3.水文地質參數推估模式測試結果發現，等效均勻抽水假設對抽水井分布相當敏感，若現地抽水井分布距離選定之觀測井過近或過遠，將對儲水係數推估結果造成低估或高估，為本計畫方法的限制。
本計畫以清理補遺完的水位資料採EEMD與EOF進行抽補訊號的分離。後將其抽補訊號分別計算抽補深度，再推估至各網格，乘與同樣已推估至各網格之儲水係數，獲得抽補量的空間分佈。本計畫所推估2018年第二含水層抽補量推估結果，補注量約為744萬噸；抽水量約為2億1824萬噸。 |