影響供水評估

經由 3.3 節制水閥分區之判識演算程序，劃分出案例區的一般制水閥 分區以及關鍵制水閥分區，劃分出來的制水閥分區如圖 9 所示，共有 2,133 個制水閥分區，其中一般制水閥分區有 1,647 個，關鍵制水閥分區有 486 個，之後分別關閉各制水閥分區以求得損壞影響供水量，再分別算出管線 的損壞機率改善量，兩者相乘得到管線的供水穩定度，以作為汰管程序的 篩選因子之一，估算管線供水穩定度詳細內容請參見 3.4.2 節之說明。

圖 9 制水閥分區特性管網圖 4.3 結果與討論

根據前述所求得的汰管篩選因子值，分別對管線進行排序，圖 10 至 圖 14 則是以不同汰管篩選因子排序出管線汰換優先順序之後，分別列出 汰管優先性為前 10%的管線供水穩定度。接下來依所設定之擬汰率上限選

●關鍵制水閥分區

○ 一般制水閥分區

圖 10 埋設年數率因子排序後之管線供水穩定度

圖 11 漏水潛勢因子排序後之管線供水穩定度

圖 12 供水穩定度因子排序後之管線供水穩定度

圖 13 單位成本供水穩定度因子排序後之管線供水穩定度

圖 14 單位長度供水穩定度因子排序後之供水穩定度

考量汰管啟發式篩選程序所建立的不同篩選因子，並根據不同的擬汰 率限制，進行程序的排序篩選，得到的不同汰管方案的換管效益結果，以 下針對不同篩選因子的汰管結果一一說明。

z 由埋設年數率因子篩選出來的管線，主要優先汰換管齡較大的管線，

但不見得改善供水效率較高，因此估算的總供水穩定度最低。

z 考慮以漏水潛勢做汰管篩選因子，進行排序篩選出來的管線漏水潛勢 雖高，但供水穩定度並不大，因而對於提升管網供水改善效果並不佳，

故得到的總供水穩定度較低。

z 根據管線供水穩定度因子作排序，可以將對管網供水穩定度影響大的

z 而將管線供水穩定度分別除以汰管成本或管長，以管線單位成本或單

1.0% 53,233 181,874 494,988 655,650 693,772 1.5% 73,350 186,524 619,663 736,917 775,651 2.0% 103,116 196,584 687,826 804,737 835,689 2.5% 119,595 217,739 736,544 860,433 886,712 3.0% 167,959 228,770 780,737 901,408 926,143

圖 15 不同擬汰率限制下各篩選因子的總供水穩定度分布圖

第五章 國外案例研討

本研究以加拿大首都渥太華市(City of Ottawa)的自來水管網系統內其 中 一 個 壓 力 區 域 (Pressure Zone, PZ) 為 案 例 測 試 區 (Birgitte and Louis, 2008)，應用考量制水閥分區損壞影響供水量的汰管優選模式以規劃出汰管 效益佳的汰管決策，並討論所得的結果及分析模式之實用性與可行性，以 下詳細說明之。

5.1 案例介紹

渥太華市整個自來水管網(City of Ottawa, 2005)供水人口約 780,000 人，管網系統內共有 2 座淨水處理廠處理由渥太華河(Ottawa River)取得的 原水，在夏季可處理的水量達 640 ML/d，之後將清水從淨水廠配送到整個 渥太華市；以及包含 9 座大型抽水加壓站與 9 座主要蓄水設施，10 個開放 式壓力區域(open pressure zone)，2 個封閉式壓力區域(closed pressure zone)。

本研究主要先以該城市管網系統內的 2E PZ 為案例區進行研究 (Birgitte and Louis, 2008)，其中包含一部分的 1E PZ，案例區管網如圖 16 所示，2E PZ 管線總共有 4,234 條，節點共 3,731 個，其中 2,092 個節點設 有制水閥；1E PZ 管線總共有 1,147 條，節點共 1,034 個，其中 553 個節點 設有制水閥；2 個抽水加壓站內共 7 個抽水加壓馬達維持及穩定管網的供 水壓力，以及 7 個節氣控制閥(Throttle Control Valve)用以調節閥管網次要 損失係數。2E PZ 的主要供水來源是位於西邊與 1E PZ 交界處附近的抽水 加壓站抽取 1E PZ 蓄水池的水以供給到 2E PZ，另一處位於北邊與 1E PZ 交界處的抽水加壓站則是由 1E PZ 來供給額外的供水水量與水壓以提高 2E PZ 的供水可靠度，而 2E PZ 中央位置建有一蓄水塔作為對 2E PZ 內部

圖 16 加拿大渥太華案例區管網系統示意圖

在此案例區中，總共有管線 5,381 條，節點 4,765 個，其中 2,645 個節 點設有制水閥，閥的建置比例為 56%，3 個蓄水池、1 個蓄水塔以及 2 個 抽水加壓站用來供應整個系統的需水量與維持管網的供水水壓，整個供水 系統屬於具有多供水源系統。如圖 17 所示，黑色圓形表示一般節點，十 字形則為制水閥節點，灰色星形為管網的供水節點。而在渥太華市的供水 系統研究(City of Ottawa, 2005)中提到因考慮在未來 2010 年的人口數與用 水需求量，故在未來的管網供水系統規劃中即針對未來需求量增加之因素 來進行汰換管線、加大蓄水設施容量及抽水加壓能力等以滿足未來供水量 的需求。

圖 17 加拿大渥太華案例區管網系統各種節點分布圖 5.2 案例相關資訊整理與分析

依之前 Kao and Li(2007)研究發展的優選模式應用在國外渥太華市的 實際管網案例中，首先需要取得管網的管件設備屬性資料、節點壓力與需 水量、汰管成本等資料，之後再依上述資料進一步的分析並建立第三章內 容所提到的所有公式，作為後續汰管模式執行上的考量依據。以下分別說 明各項資料的整理與分析。

1. 管網資訊:根據渥太華自來水部門工程師提供實際的 EPANET2 模式輸 入資料(Birgitte and Louis, 2008)，其中包括節點、管線、制水閥、加壓 站、蓄水設備等管網基本資料。首先判識制水閥及關鍵制水閥分區，

接下來依第三章所提到的公式進行相關資料之收集整理，如汰管考量

●

○

．一般節點

＋ 制水閥

需成本等，並可直接利用 EPANET2 (Rossman, 2000)模擬關閉每個制水 閥分區造成管網節點壓力改變之評估，作為發展本研究之汰管優選模 式主要依據。

2. 損壞機率及漏水潛勢:在 3.2.2 節提到的損壞機率及函數，依 Walski and Pelliccia (1982)與 Su et al. (1987)所建議，需要利用管線維修紀錄資料 來迴歸出管線損壞公式以求出管線與制水閥分區的損壞機率，而本研 究因沒有收集到渥太華市過去管線損壞維修紀錄以及當地氣候溫度資 料，最後採用 Walski and Pelliccia (1982)針對實際之管線損壞維修紀錄 所迴歸出的損壞機率公式以估算管線之損壞機率。

3. 影響供水評估:由於案例區 EPANET2 模式已建置完成，故可直接利用 EPANET2 進行水力模擬，再根據 3.4.2 節的節點供水量估算式來分析 評估因汰管而關閉制水閥後對管網造成的影響供水量。

4. 汰管成本:汰管成本估算公式如 3.4.4 節所說明，將參考渥太華市所提 供之汰管成本資料來進行汰管成本之估算。。

5.3 EPANET2 模式模擬

在進行此國外案例研討時，本研究亦以 EPANET2 模式(Rossman, 2000) 模擬渥太華市實際自來水管網系統，EPANET2 的輸入檔資料由渥太華市 自來水部門工程師提供，並將以 EPANET2 水力模擬分析所得結果計算後 續模式所需用到的供水可靠度改善程度。

案例區 EPANET2 模式資料共包含組成管網系統的物理性物件資料、

非物理性物件資料、及在執行 EPANET2 模式(Rossman, 2000)模擬時的所 需定義的模擬參數等。以下對各資料參數作一簡單說明。

1. 物理性物件:節點、管線、閥類、加壓站、蓄水設備等主要管件屬性資 料。

2. 非物理性物件:曲線(curves)為物件在量上彼此具有相互關係的資料，包 含有加壓抽水機曲線、效能曲線、體積曲線、水頭損失曲線；時間範 本(time patterns)是一組隨時間改變的乘數(multiplier)，已使某個量可以 隨時間而變化，節點需水量、蓄水池水頭、加壓抽水機時間表等都可 以有相關的時間範本；操控(controls)為管網如何隨時間操作改變的宣 告，操控可以設定管線與時間，水槽水深以及節點的壓力直間的特定 關係。

3. 模擬參數:流量單位(units)，其中有 LPS、CMD、CFS 等；水頭損失 (headless) 可 以 Hazen-Williams(H-W) ， Darcy-Weisbach(D-W) ， Chezy-Manning(C-M)等方式推估；黏滯係數(viscosity)為流體的動力黏 滯度相對於水在 20 度 C 的比值；擴散度(diffusivity)為所分析化學物質 相對於氯在水中擴散的分子擴散度比值；比重(specific gravity)為所模 擬流體的密度與水在 4 度 C 時的比重值；求解次數(trials)為水力模擬 求解的次數；收斂程度(accuracy)設定水力解的收斂接受誤差值，以及 其他模式模擬相關參數。

本研究主要是以 EPANET2 水力模式(Rossman, 2000)進行模擬當管網 中的管線損壞而從管網中移除對管網系統造成的供水量影響情形，再依 Kao and Li (2007)所建立公式，評估汰管預期可能改善供水品質。首先以 EPANET2 模式(Rossman, 2000)模擬管網中無任何管線損壞下節點可得到 充足的供水壓力作為各節點之服務水頭 H_s，接著將損壞管線所在之制水閥 分區整個移除，以進行 EPANET2 之水力模擬(Rossman, 2000)，根據模擬 所得到各供水節點之水壓，利用第三章之 3.8 式進行各節點缺水量之計 算，重複的執行計算至各供水節點之壓力水頭收斂，再取得各節點之缺水

5.4 結果與討論

進行模式優選規劃前，先根據 3.3 節判識出一般制水閥分區及關鍵制 水閥分區，判識完成的一般制水閥分區共有 1,131 個，關鍵制水閥分區共 有 60 個，如圖 18 所示，空心圓形表示一般制水閥分區，灰色實心圓形表 示關鍵制水閥分區。

接 下 來 根 據 上 述 所 劃 分 出 來 的 制 水 閥 分 區 以 及 3.5.1 節 提 到 的 EPANET2 (Rossman, 2000)水力模式以及 3.5.2 節的節點供水量估算式，分 析關閉每個制水閥分區的供水影響，所模擬出來的制水閥分區影響供水量 的結果如圖 19 所示。而在估算管線的汰管成本時，則是根據案例區(Birgitte and Louis, 2009)所提供的汰管單位成本相關資料，建立汰管所需之成本，

表 12 所列即為不同管徑執行汰換所需工程經費的參考單價。完成上述各 節所建立的基本資料後，即可將制水閥分區之影響供水量配合制水閥分區 之損壞機率改善量帶入 Kao and Li (2007)所建立的管線汰換優選模式，並 設定不同的成本限制，以分析供水穩定度的變化，針對影響供水量大的制 水閥分區中損壞機率改善量大的管線優先考慮選取汰換，對於整個管網的 供水可靠度的改善才能有較大的貢獻。本研究共執行 90 次的優選模式，

每次成本增加 2 百萬加幣(CAA$)，分別從 2 百萬加幣至 180 百萬加幣進行 不同成本限制下的分析探討，而所汰換管線之比例從 1%至 20%，結果如

每次成本增加 2 百萬加幣(CAA$)，分別從 2 百萬加幣至 180 百萬加幣進行 不同成本限制下的分析探討，而所汰換管線之比例從 1%至 20%，結果如