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規劃工具與知識

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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水資源類-規劃工具

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水資源開發與規劃之相關工具,簡列五大項目:一、地形指數模式。二、地下水數值模式。三、水筒模式。四、水源運用演算模式。五、水資源整合資料庫平台,概述如下:

  1. 地形指數模式

    模式類別:降雨逕流模式

    模式發展背景:

    「地形指數模式」(topographic index model, 簡稱TOPMODEL)由Beven and Kirkby (1979)提出,模式藉由集水區地形與土壤特性的關係,推求地表與飽和含水層之間的距離,模擬集水區逕流歷線。

    國內由海洋大學李光敦教授於民國86年(西元1997年)開始著手發展,並經水利署水利規劃試驗所於民國103年(西元2014年)透過「台灣地區可能壩堰址勘查規劃作業平台建置」計畫成果,收錄於該作業平台內應用於河川逕流量模擬。

    具備功能

    在河川觀測流量資料不足時,本模式可利用集水區地形與地文特性,以雨量與流量紀錄資料,模擬集水區的集水行為,並推求集水區出口處之逕流歷線。其系統操作畫面如圖1:

    系統操作畫面圖

    圖1 系統操作畫面圖

    輸出入資料

    本模式之輸入資料包括:集水區數值地形模型 (Digital Terrain Model, DTM),降雨量、雨量站位置、溫度、流量紀錄。率定過之參數,「水力傳導度Ko」、「乾/濕季模式參數m」、「乾/濕季根系層最大貯蓄量SRZmax」及「起始地下水位深度」。輸出資料則為集水區出口之逕流歷線,其模擬成果如下圖2所示。

    模擬集水區出口逕流歷線

    圖2 模擬集水區出口逕流歷線
    (資料來源:民國104年,水利署水利規劃試驗所,台灣地區可能壩堰址勘查規劃作業平台建置(2/2)成果報告)

    適用範圍及使用限制

    本模式適用於具備數值高程模式之集水區。且由於模式建立過程中須檢定模式參數,在無足夠水文紀錄供模式參數檢定之地區,均無法適當模擬集水區逕流。

    本模式以假設飽和含水層之流動近似為連續穩定的狀態(successive steady state),在長時距之逕流模擬中(如日、月、旬等),上述假設合理。但若將模式應用於短時距之逕流模擬中(如小時、分鐘等)飽和含水層流動近連續穩定狀態假設無法完全滿足,故是否適用,有待商榷。

    本模式係建置於「台灣地區可能壩堰址勘查規劃作業平台」,係供水利署水利規劃試驗所內部執行規劃業務所使用,模式與使用手冊未對外開放。

    模式下載連結:無(本模式為內部規劃業務使用,不對外開放。)

  2. 地下水數值模式

    專有名詞與規劃工具-規劃工具

    模式類別:地下水數值模式

    模式名稱:MODFLOW(Modular Three-dimensional Finite-difference Groundwater Flow Model)

    發展背景

    MODFLOW為美國地質調查所(USGS)所研發的一個可解二維及三維地下水文變化之數值模式,美國地質調查局於1983年提出MODFLOW初版,至1987年更新為MODFLOW 88版本,再於1996年再更新MODFLOW 96版本,而最新版本為MODFLOW-OWHM。MODFLOW-OWHM為目前最新版本,OWHM為One Water Hydrologic Flow Model之縮寫,主旨在於建立一個全水文數值模式,不僅僅侷限於地下水本身。

    近年來由於MODFLOW模式的廣泛應用,許多特別為MODFLOW模式而設計的資料輸入前處理與模擬結果後處理系統也應運蓬勃發展,如MODELCAD、Processing Modflow(PMWIN)、Groundwater Modeling System(GMS)等工具,使得MODFLOW模式可以更迅速更方便地由圖形介面進行資料輸入與結果輸出的工作。

    GMS操作介面圖

    圖1 GMS操作介面圖

    所採理論概要

    MODFLOW利用有限差分法(Block Centered Finite Difference Approach)解地下水流控制方程式,節點採用格塊中心法的方式(Block Centered),計算三維空間六個面之體積流率,並以二階差分方法近似地下水流控制方程式。MODFLOW模式對固定密度之地下水流經飽和土層孔隙介質之三維流動可以下列偏微分方程式表示:

    `del/(delx) (K_(x x) (delh)/(delx))+del/dely (K_(yy) (delh)/(dely))+del/delz (K_(zz) (delh)/(delz))-W=S_s (delh)/(delt)`     (3.3-1)

    其中,`K_(x x)` 、`K_(yy)` 及 為沿 、`K_(zz)` 為沿x、y、z 三座標軸之水力傳導係數 (L/T);`h`為管壓水頭 (L);`W`為每單位體積之體積流率(1/T);`S_s`為孔隙介質之比儲量 (1/L);`t`為時間(T)。在地下水流中,一般將該偏微分方程式以有限差分法展開近似,將模擬系統以塊狀之網格元素(Cell)表示,可分為列(Row),每一列間距為 `Delta c_i`;行(Column),每一行的間距為 `Delta r_j`;層(Layer),每層之間距為`Delta v_k` 。假設地下水流之密度為一定值,則對一個元素(`i, j, k`)而言,則必須考慮本身與其鄰近的六個含水層元素[(`i-1, j, k`), (`i+1, j, k`), (`i, j-1, k`), (`i, j+1, k`), (`i, j, k-1`), (`i, j, k+1`)]間之水量交換行為。 格塊中心法示意圖

    圖2 格塊中心法示意圖

    模式功能

    MODFLOW應用上含水層之種類可為自由、受壓、半受壓含水層,同時也可依地質特性分類為均質、非均質及等向性、非等向性含水層。MODFLOW可以同時模擬多層含水層與不規則網格之地下水水流狀況、河川入滲、天然及人工補注、地下水蒸發散、降雨入滲及抽水等作用,其輸出結果包括各含水層每一個模擬網格的地下水位、入流量、出流量、質量平衡與數值方法數值解收斂情形。

    應用範圍與限制

    1. 文件公開: USGS官方文件極為詳盡、透明而公開,且須經過內部之同儕審查(peer review)方可公開,有利於研究者了解模式內涵。惟文件眾多,對較無經驗之使用者而言,需詳讀大量文件,入門門檻較高。
    2. 原始碼公開: 研究者可自行研究原始碼,並可有權利更改原始碼,以擴張模擬範疇。惟版本眾多,對較無經驗之使用者而言,如何依據所需問題,選擇適合的版本,入門門檻較高。
    3. 模擬範圍廣泛: 從原本的拘限與非拘限含水層水流模擬,以各式模組逐步擴張至未飽和層水流、河川交換模擬、集水區漫地流模擬、溶質傳輸與地層下陷等問題。部分擴張的議題上,可能因為計算效率的考量,問題模擬較簡化。惟地層下陷問題則簡化為垂向一維,如探討問題須考量三維變形者,則有其侷限對於未飽和層問題,MODFLOW採UZF模組模擬,其採用一維垂向方程式,對於需要考量未飽和層之側向反應者,則有使用上的侷限。

    模式連結:http://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/ModelMuse/ModelMuse.html

  3. 水筒模式

    專有名詞與規劃工具-規劃工具

    模式類別:降雨逕流模式

    模式名稱:水筒模式

    發展背景:

    水筒模式(Tank model)為經濟部水利署水利規劃試驗所於民國91年(西元2002年)透過「水筒模式自動率定參數法建置之研究」計畫之研究成果。本模式由中興大學陳榮松教授,參考日本菅原正巳(Sugawara)於民國60年(西元1971年)所發展之水筒模式,並透過MultiStart-Powell演算法解決模式參數自動化率定問題,已應用於台灣各大流域河川逕流量推估。

    功能

    在河川觀測資料不足時,可透過上游觀測的降雨量、進行流量推估。本文介紹的水筒模式就是透過降雨量進行推求河川流量的一個重要模式。水筒模式係由四層水桶所組成,其參數包括四層水桶之16個參數(A1~A5、B1~B3、Z1~Z4及S1~S4),模式之模擬精度高度仰賴於參數精確率定。過去以試誤法(try and error)決定水筒模式參數,不僅耗時耗力且需依據豐富經驗外,非水文專業人員並不易使用該模式。本模式藉由MultiStart-Powell法自動參數率定之建立,有效解決率定水筒參數過程的龐大計算量。

    理論概要

    水筒模式法(Tank Model)是由日本科學技術廳菅原正巳於民國60年(西元1971年)所倡議之通用水文模式。其概念乃是將流域之逕流機制,置換為由數個貯留型模型容器所組成。如圖1所示之直列貯留型容器,降雨時地表土壤層(即最上段水筒)一部份被雨水濕潤(即貯留),一部份以 往下方滲透至第一含水層(即第二水筒)。當雨量漸大,表層所含水份超過某種程度時(即上段水筒貯留高度超過其右側下方流出孔高度 時),水即流經表層(地表)而成為地表逕留流 。此時,假如雨量繼續下降並增大時,表層之含水程度亦增加,因此地表逕流 ,亦跟著激增,此情形即相當於上段水筒之貯留高度超過右側上方之流出孔。當最上段水筒繼續以 往第二水筒滲透,而超過某種限度時(即第二水筒貯留高度超過其右側下方流出孔高度),此含水層就會產生逕流量 ,即如山腰所湧出之泉水。依此類推。

    水筒模式原理示意圖

    圖1 水筒模式原理示意圖
    (資料來源:應用水文學下冊,王如意、易任編著)

    輸出入資料

    需要的輸入資料為:集水區面積、觀測降雨量、河川觀測流量及蒸發量。使用前,需要以一段時間的觀測資料(即雨量、流量) 率定水筒模式之參數(即A1~A5、B1~B3、Z1~Z4及S1~S4等16個參數),並在確認模式參數之模擬效果符合需求後,才能以已知雨量推求流量。輸出資料包括率定產生之16個參數、與模式所產生之模擬流量。

    適用範圍及使用限制

    水筒模式將集水區條件、降雨、流量等,輸入資料之過程圖形化,其程式圖形介面如下圖2。率定後參數及率定期間之水文模擬效果、各項評估指標(逕流體積誤差百分比、效率係數、均方根誤差、目標函數值)亦能自動計算。

    水筒模式圖形介面

    圖2 水筒模式圖形介面

    水文模式可應用於洪水預報、氣候變遷研究、水資源規劃,等分析領域。由於不同應用方向,所著重的方向不同,如:河川治理規劃著重事件型的最大洪峰流量及洪峰到達時間,常用目標函數為均方根誤差、洪峰誤差百分比、洪峰到達時刻誤差,水資源規劃側重於低流量的準確性,常用目標函數為方均根相對誤差。

    本模式以不同的目標函數進行自動化參數的率定,藉以改變模式的預測性能。

    擬模擬區域如缺乏足夠長期的已知資料(雨量、流量)或集水區地形、土地使用型態改變,會導致模式參數率定困難且無法得到良好的模擬效果,則不適合使用此模式。

    連結:無(本模式為內部規劃業務使用,不對外開放。)

  4. 水源運用演算模式

    專有名詞與規劃工具-規劃工具

    模式類別:水源運用演算模式

    模式名稱:WRASIM(Water Resources Agency Simulation Model)

    發展背景

    WRASIM為經濟部水利署水利規劃試驗所於民國93~95年間「通用性區域水資源調度與供需分析模式建立」之計畫成果。WRASIM 由成功大學周乃昉教授研究室參考美國科羅拉多州立大學開發之MODSIM 模式發展而來。

    所採理論概要

    WRASIM係以最小成本網流規劃法為基礎所建置之通用性廣域水資源供需利用模擬模式。所謂網流係指由許多的節點與箭線所組成的網路圖形,節點代表一處位置,箭線則為節點間具方向性的連結,其上具有水流動。模式主要的限制條件為流入一節點與流出該節點的流量應守恆,且箭線具有水流流量上下限的限制,而每條箭線被賦予一單位水流的成本或權重係數。最小成本網流規劃即是要在符合節點間水流進出守恆、且每條箭線上的流量符合上下限制的情況下,找出最小成本的整體流動方式。若一網流具有m個節點,則其最小流動成本的網流命題如下:

    Minimize` sum_(i=1)^m sum_(j=1)^m C_(ij) * X_(ij)`(1)

    Subject to

    `sum_(j=1)^m X_(ji)- sum_(j=1)^m X_(ij)=0`      `i=1,...m;   j≠i`(2)

    `l_(ij) ≤ x_(ij) ≤ u_(ij)`                  `i,j=1,...m`(3)

    式中,`m` =節點總數,`i, j` = 節點編號,`x_(ij)` = 自節點i流至節點j的流量,`c_(ij)` = 自節點i至節點j間箭線上每單位水量的流動成本或權重,`i_(ij)` = 連接節點`i`至節點`j`之間箭線上流量的下限值,`u_(ij)` = 連接節點i至節點j間之箭線流量的上限值。在上述各式中,第(2)式代表流量進出節點守恆的限制式,而第(3)式則代表箭線流量大小的限制式。

    圖1所示為一通用性水資源系統的網流圖例,圖中將水資源系統之組成區分為:入流、水庫、水力電廠、淨水場、匯流點或引水點、用水需求與終端等7類節點,各節點間相連之箭線則可能為:河道、水庫放水工、圳路、引水隧道及輸水管路等。依據如第(1)~(3)式之數學命題,網流模式將可求得符合優先順序要求之水量分配結果。

    WRASIM之最大優勢為其水量分配概念明確,藉由適當設定需求或水庫蓄水的順序,模式可有效求解複雜的廣域系統水量分配課題。

    實體系統與及虛擬節點及箭線之循環網流圖

    圖1 實體系統與及虛擬節點及箭線之循環網流圖

    模式功能

    為能分析台灣地區各類的水資源廣域運用課題,WRASIM模式包含一系列的模組提供各類功能選項,參見表1。

    表1 WRASIM模式各模組功能一覽表
    名稱 模組分析功能 適用之分析課題
    E 廣域水資源運用模擬分析。
    依據水庫規線、水權優先順序、標的間用水協議等規則或原則、水力發電、原水濁度限制取水或淨水等條件,逐時段模擬水資源系統之操作營運。
    1.多元水資源開發計畫之規劃與評估:
    (1).評估河系剩餘流量;
    (2).評估系統供需情勢。
    Y 依據設定之目標供水區域與缺水準則,自動迭代計算水資源系統於符合缺水準則下之供水潛能或供水能力。 評估新設施之供水潛能或供水能力。
    M 多水庫系統之水源運用模擬。
    依據多水庫聯合運用規線及蓄水平衡曲線等規則,逐時段模擬多水庫聯合運用系統之操作營運。
    供多水庫系統,評估不同聯合運用策略對水資源利用之結果,可做為研擬聯合運用規線之模擬工具。
    G 地面水地下水聯合運用模擬。
    採用WRASIM模擬地面水系統的水量分配利用,決定地面水系統對地下水的抽水及補注量,進一步結合MODLOW模擬含水層內的地下水位變動情況,並依據模擬地下水位高低修正地面水系統之抽水策略
    地面水地下水常態聯合運用模擬。
    利用地下水做備用水源之可行性檢討。
    D 缺水時水資源最佳調度分析。
    依據未來一段時期預測的系統流量,跨時段動態優選該時期的系統水源最佳運用策略。分析時水庫放水不受任何規則所限,完全以滿足各時段之穩定需求為導向。
    缺水時期跨時段、跨標的、跨區域之水資源最佳調度分析。
    估算水資源系統最大供水潛能。
    L 考慮水流稽延之水源運用模擬。
    迭代計算箭線輸水之時間稽延效應,另可模擬一日內不均勻水流過程對用水之影響。
    供具尖峰發電型態之水資源系統進行管理調配分析。
    水庫下游攔河堰壩最適開發容量評估。

    輸出入資料

    WRASIM模式將實體系統節點主要分為:水庫(單獨運用或聯合運用水庫)、一般需求(消耗性或非消耗性需求)、尖峰發電用水需求(考慮與水庫蓄水間之非線性關係)、特定農業用水需求(考慮迴歸水)、入流(天然入流或水文模式模擬流量)、河道蓄水、抽水區域、淨水場、一般匯流、分流與系統終端等類。

    應用範圍與限制

    1. 模式提供圖形化之拖曳式節點與箭線網路建置界面,便利建立水資源系統,可快速建立不同樣態之系統。
    2. 依據所建置網路架構,定義之入流量歷線、水庫庫容、用水需求、水量分配順序等條件,模式將每一日於網路內水量分配自動轉換成網流規劃之命題,並由網流規劃的演算法求解配水結果,獲得之結果可確保符合水量守恆及考慮淨水、輸水設施之容量限制。
    3. 透過合宜設定水量分配優先順序,可模擬水權順序、優先引用未受控制川流水源、依據運用規線分配水量、多水庫聯合運用之蓄水與放水順序、水資源系統內不同輸水路線偏好等。
  5. 水資源整合資料庫平台

    模式類別:水文

    模式名稱:水資源整合資料庫平台

    背景:

    國內水文水資源相關資料長年皆由各水利機關依業務需要分別建置管理,造成資訊傳遞、應用之不易,加值應用時仍需採用人工或半自動方式處理。為因應新型態的應用與挑戰,強化加值資料及計畫資料之回饋及再使用,爰建構一套整合資料平台,以強化資料管理與應用。

    功能

    平台系統功能可分成「水環境」、「水運用」、「水源供需」、「雲端運算」、「知識庫」、「空間資訊」、「資料查詢」、「資料管理」、「系統管理」等功能類別。其中水環境、水運用、水源供需,可供未來對外提供具可靠性與參考性之台灣水資源整體輪廓的資訊;雲端運算、知識庫以提供內部水資源規劃作業所需協助與資訊為主要訴求;其他功能則以基礎資料之管理與供應為目標。平台架構圖如圖1、整合資料後之輪廓圖,如圖2。

    水資源整合資料庫平台功能架構圖

    圖1 水資源整合資料庫平台功能架構

    水資源整體輪廓與使用概況

    圖2 水資源整體輪廓與使用概況

    平台版面設計上,考量行動裝置、不同規格之螢幕之使用需求,採響應式網頁設計(Responsive Web Design, RWD),透過CSS及JQuery網頁技術,讓不同設備,如:手機、平板、電腦,使用同一網站的圖文內容及資料庫時,於不同尺寸或解析度的設備或螢幕上,依據使用者的裝置,以符合版面大小的樣式來顯示網頁的內容。

    理論概要

    水資源整合資料庫平台需求,考慮系統現況定位及未來發展方向。劃分使用層級,最底層的為電腦軟硬體、網路及資料庫等基礎建設,接著為提升工作效率之自動化系統,協助處理日常例行資料系統,再往上為提供管理階層、幕僚及策略擬定之應用系統。

    平台系統是以水資源規劃作業所需資料之匯集及供應為目標,將資料整理分析出資訊,朝支援更高層級應用之系統發展。則可提升系統功能層級,擴大使用範圍及提高系統效益。

    輸出入資料

    本平台收錄之資料,共分為7類,包括「氣象水文」、「設施管理」、「用水資訊」、「環境生態」、「工程水文」、「地震觀測」、「模式參數」。

    適用範圍及使用限制

    系統系以水資源規劃作業所需資料之匯集及供應為目標,使用者則設定為其他資訊系統、應用程式。未來可供對外提供具可靠性與參考性之台灣水資源整體輪廓的資訊。


最後更新時間:2019-08-22