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重點業務與回顧

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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  2. 重點業務與回顧
  3. 河川類
  4. 現行重點業務

河川水文水理模式發展與推動

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  1. 背景緣由

    本所歷年結合國內學術機構共同研發及引進國外之河川規劃水理數值模式,包含CCHE、SRH、RESED、GNeSIM及GLMRT等五項,其功能涵蓋河川水理動床計算與二維淹水模擬,另外本所尚有一發展純熟之中央管河川水文分析系統,為目前國內進行河川規劃的主要工具之一。然而,由於各模式與分析系統發展情況以及使用方式並不相同,特別是模式操作需要的前後處理介面與使用上的權限。因此,規劃各模式未來的使用方式與計算環境位置,並透過一模式庫入口套件予以模式呼叫或使用的初步整合,並擴充數值模式功能,建置水理數值模式庫平台http://gpu-123.wrap.gov.tw:4260/。

    水理數值模式庫平台
  2. 主要模式

    1. (1) CCHE:

      CCHE為美國密西西比大學內之國家水科學及工程中心(National Center for Computational Hydroscience and Engineering, NCCHE[54])所開發之模式,NCCHE為美國國家級研究單位,長期從事河川及海岸先進數值模式之研發與應用,前後發展之一維、二維及三維模式,分別稱為 CCHE1D、CCHE2D及CCHE3D,在經嚴謹之檢定與驗證後,應用至美國及其他地區國家的河川海岸問題上,成效顯著。

      本所於民國96年至98年間,成立「美國國家計算水科學及工程中心河道變遷模式之引進及應用研究」計畫,與NCCHE進行技術交流,引進CCHE1D與CCHE2D動床數值模式,並獲臺灣水利界廣泛應用。而為考量一維或二維動床數值模式的模擬方式並不一定滿足河道沖刷與穩定工法的應用,無法符合堰壩下游局部及複雜的流況,因此於民國102至104年間,成立「美國國家水科中心河道三維動床數值模式之引進及應用研究」計畫,藉由雙方合作研發方式,進行進行CCHE3D的引進及應用研究,以強化國內對河道局部沖淤及三維複雜流況分析能力。

    2. (2) SRH:

      SRH為美國墾務局(Bureau of Reclamation, USBR)所開發之模式,主要開發者為美國墾務局任職之Yong G. Lai博士,前後發展之一維、二維及三維模式,分別稱為 SRH-1D、SRH-2D及SRH-3D。

      水利署自民國 95 年起藉由「臺美水資源發展技術支援協議第八號附錄」之執行,以臺灣河川特性為案例,至今已陸續完成 SRH 系列數值模式開發,並持續進行模式功能擴充,包括軟岩沖蝕模組、岸壁沖刷模組、異重流模組、及輸砂公式擴充等。本所為強化SRH系列數值模式於臺灣本地案例的應用,於民國98年至101年間,成立「台美合作案之技術引進及應用研究」計畫,及於民國102年至105年間,成立「SRH 數值模式應用於臺灣案例河川之研究」計畫,藉由測試應用成果與數值模式開發之間相互回饋交流的方式,落實臺美水利技術合作技術移轉目的。

    3. (3) RESED:

      RESED為國立交通大學所開發之模式,其系列包含二維與三維(擬三維)模式,以下分別稱為RESED2D及RESED3D。RESED2D最早由謝德勇博士所發展,用於模擬河川中二維水流水理、污染傳輸與沉滓運移的問題。

      本所於民國102年至104年間,成立「蜿蜒河道沖淤行為擬三維模擬試驗及應用」計畫,基於RESED2D的成果與交通大學合作發展一擬似三維動床模式,兼具全河段、局部底床沖淤及岸壁退縮等模擬功能,藉以模擬探討蜿蜒河道中所產生的二次流效應及側入流影響所引起的局部沖刷行為。

    4. (4) GNeSIM:

      GNeSIM模式全名為GPU化巢套體積法淹水模式,其前身為國立臺灣大學李天浩教授參考Boonya-Aroonnet等人及Prodanović等人所提出之論文加以修改開發之NeSIM模式(Nested Storage-based Inundation Mapping model for over-leeve flooding),應用於洪水事件來臨時可快速估計河川溢堤後可能淹水之行政區(鄉鎮村里)與粗估之淹水深度,作為防災預警之參考。

      本所於民國101年至102年間成立「GPU應用於即時淹水模擬技術之引進及應用研究」計畫,積極引進結合圖形處理器(Graphic Processing Unit, GPU)運算技術之即時淹水數值模式,以建立臺灣即時淹水模擬模式庫。該計畫於101年度引進原始模擬技術實作並參考李天浩教授之研究成果,擴充相關模組,使其除了溢堤水體以外,亦能夠承接因降雨事件所造成的面分佈水體流入項(source term),以及設置仿效抽水機具佈置的水體流出項(sink term)。該計畫同時將NeSIM模式GPU化以加快模式的運算速度,始為GNeSIM,而能滿足即時模擬淹水之計算速度需求。

    5. (5) GLMRT:

      GLMRT二維淺水波模式前身為美國路易斯安那州立大學(LSU)蔡宗成教授利用晶格波茲曼法(Lattice Boltzmann Method, LBM)開發之二維淺水波模式,Tubbs等人亦以CUDA(Compute Unified Device Architecture,統一計算架構)技術將LBM二維淺水波模式GPU化,其原始模式可應用於學術上為平底床且上下游端非乾床條件的二維潰壩模擬。

      在「GPU應用於即時淹水模擬技術之引進及應用研究(2/2)」計畫中,於102年度與LSU簽訂合作協議,引進其研究成果加以改進,依此擴充數項機制,包括:1.有效降雨機制;2.外力項機制;3.乾濕床判斷機制,與4.串接一維NewC河川模式。使二次開發後之模式能依據DEM資料,以純二維全動力波或是於河道中使用NewC河川模式的串接方式,模擬地表上水體移動過程,稱為GLMRT。

    6. (6) 中央管河川水文分析系統:

      本所前於民國89年至93年間完成台灣地區包含中央管河川在內共26條重要河川之「流域整體規劃河川集水區數值地形資訊系統」,並於民國94年繼續將原本架構於ArcView 3.0作業平台升級至ArcView 8.3作業平台,且增加集水區雨量分析與重現期流量推估等相關計算功能,改版後的系統稱為「台灣地區主要河川流域整體規劃地文與水文資訊查詢系統」,惟其數值高程資料,係以農林航空測量所於民國76年至78年間量測之40m×40m數值高程資料進行建置且僅能提供地文與水文分析功能,尚無法針對不同流域進行河道水理演算。

      民國100年~105年間本所以先前的系統為基礎,應用開放原始碼地理資訊系統(open source GIS)技術及資料庫管理系統,增加網路即時更新功能,搭配最新量測之5m×5m數值高程資料,重新建置新系統「台灣地區重要河川流域水文與水理設計分析系統平台」的架構與演算流程。可連結本署水資源資料交換平台,直接獲取各項水文紀錄資料進行整合計算。本平台整合台灣進行水利規劃常用理論及方法,內部建置近50餘種水文水理計算程式。首先系統程式可進行次集水區自動劃分,而後進行次集水區各項地文與水文分析;此外,平台已整合HEC-RAS模組,各項水文分析成果可透過平台直接連結HEC-RAS進行河道演算;而河道計算成果亦可透過平台內實測斷面與數值高程剖面資料整合模組,進行河道溢堤淹水分析,以檢視高水時期河道溢堤淹水之可能範圍與水深。

      本計畫所建立之系統平台相關水文功能如下圖所示,各項功能均可提供水利工程規劃設計者詳細地文、水文與河道水理分析資訊,計算成果可客製化輸出本署規劃報告所需圖表,並可於GIS圖台展示各項空間資訊計算成果,以作為後續防洪保護措施、河川穩定分析,以及河川治理規劃方案之參考依據,藉此符合近年來河川治理規劃之趨勢。

    水文計算功能
  3. 平台功能

    為讓使用者方便使用,亦開發水理數值模式套件,此套件依使用特性將各模式分為四大類使用方式,載點下載、本地端執行、遠端登入執行及網頁執行。唯在某些選項下,使用者仍必須具有網域或是帳號密碼的授權方可使用。套件中,特別對GNeSIM及GLMRT加入觀測及預報降雨介接,並據此調整前端選項功能及後端資料串接流程,進行淹水模式的演算運用。

    水文水理模式庫 水文水理整合系統平台功能
  4. 下載區

    為響應政府開放資源、資訊共享的方向,提供以下資源下載:
    • 數值模式:本所引進或共同研發之水理數值模式。
    • 工具程式:為易於數值模式使用,本所開發多項輔助套件,供後續應用。
    • 教育資源:提供數值模式操作影片。
    • 模式建置基本資料:提供數值模式建置所需之基礎資料。

最後更新時間:2019-08-22