文獻回顧

本研究將地表水庫與地下水源結合，建立一地表地下聯合營運模 式，其中模式的架構包括類神經網路與模糊理論，以下將針對這三面的 相關研究作文獻回顧。

1.2.1 地表地下聯合營運管理模式之相關研究

在國外學者方面，Randall (1997)利用一具有多標的目標函數之線性 規劃系統來建立地表地下聯合營運的模式，標的之權重大小反應彼此間 之重要程度，而地下水系統的相關操作則以在目標函數中設計抽水量最 小之標的及於限制式中加入最大補注量之限制來設計。整個問題除了所 有相關的方程式均以線性定義，使其地下水系統的處理方式將無法呈現 地下水位受到地下水抽水量與補注量的隨時變之水位變化。Hakan and Migue (1999)與國內的陳(1997)則均以線性規劃來處理地表地下聯合營 運的問題，藉由地下水數值模擬模式來分別建立反應河川與含水層間交 換量、抽水量與地下水位的響應矩陣，並以此連結地表與地下系統。雖 然地表與地下的系統均已涵概，但整個問題所有相關的方程式均為線性 的定義，當遭遇非線性系統(如非拘限含水層)時將無法確切地反應其特 性;在國內學者方面，楊(2002)使用遺傳演算法與可微分動態規劃法於多

目標地表地下聯合營運規劃上，其在地下水系統的處理方面，藉由嵌入 改良後之地下水水流模擬模式 ISOQUAD 來計算抽水量及補注量與地下 水位之變動關係，這樣的處理雖然能確切反應非線性之非拘限含水層之 水位變化，然而當地下水系統的變數過多時，與遺傳演算法結合時，求 解上則會有變數過多而計算量大增難以求解之困難。

1.2.2 類神經網路之應用

類神經網路（Artificial Neural Network, ANN）為一資訊處理系統，

其使用了大量簡單的相連人工神經元來模仿生物神經網路的能力。人工 神經元是生物神經元的簡單模擬，藉由外界環境或者其它人工神經元的 輸入取得資訊，並加以簡單的運算，最後將其結果輸出到外界環境或者 其它人工神經元。其應用範圍有：水資源工程之流量預測(楊等,1995)、

股票市場預測(Kimoto and Asakawa,1990)、電子電路診斷(Kagle 等,1990) 等。但在類神經廣泛的運用範圍裡，網路中之輸入神經元及輸出神經元 大都為不同變數，鮮少有將該時刻之輸出值作為下個時刻輸入值之連續 預測網路模擬法。

在連續預測網路模擬法之文獻方面，Coppola (2003)曾採用坦帕灣當 地地下水含水層實際水文資料來訓練類神經網路，並以訓練好之類神經 網路來進行水位連續預測，發現可以運用於短期之地下水位預測，但就 長期規劃而言地下水位的預測仍需要其他數值模式加以協助。Nayak (2006)採用孟加拉灣當地地下水含水層實際水文資料來訓練類神經網 路，並以訓練好之類神經網路來進行水位連續預測，其類神經網路除了 考慮各參數(地下水位、降雨量、渠道放水量)前幾個時刻的資料，也考 慮邊界地下水位資料作為網路輸入層參數。

另外謝(1999) 地震所產生的結構反應資料作為網路之訓練案例，學 習單自由度結構物受地震力後所產生的非線性遲滯動力行為之模擬模 式上也有良好的成果。黃(2006)發展逐時刻之地表地下聯合營運模式，

其中利用類神經網路作為地下水模式，使模式可在非線性系統下反應地 下水位，並減少過去在模擬地下水時所帶來的計算量。

1.2.3 模糊理論

在1965與1973年，由Zadeh教授分別提出模糊集合和模糊邏輯理論 後，模糊理論就一直受到重視，且廣範運用到各領域，例如：控制系統、

圖形辨識、故障診斷、智慧型機器人(Wu, 1966)、語音辨識、軟體工程、

決策系統(Chaneau等人, 1987)等，並獲得相當不錯的成果。1974年由英 國倫敦大學的E. H. Mamdani教授將模糊控制理論運用在蒸汽機上，為第 一位成功的運用模糊控制於實務上的人士；大陸於 1980’s 年代中期，

即致力於模糊理論拓展方面，其中陳守煜教授建立了模糊水文學這一門 新科學；日本將模糊理論結合自動控制應用於許多家電產品上，如Fuzzy 洗衣機、Fuzzy冷氣機等，在1987年日本仙台市地下鐵利用Fuzzy控制成 功完成自動駕駛；台灣目前的研究，則是以電機、機械、資訊、控制等 領域為主。

模糊理論應用於水資源研究也相當多，其中關於水庫操作相關的研 究有Russell and Campbell(1996)以模糊規劃試圖找出水庫的操作規則，

結果顯示，模糊操作系統可提供具彈性與靈活的操作方式，而整體操作 概念也易於了解；劉、李(1996)引用模糊控制的手法運用於水庫操作上，

並與操作規線模式作比較，其結果在供水量、溢流量及缺水量均有改 善，在供需滿足度方面也較佳；Chang and Chang(2001)應用模糊模式建

立水庫即時操作系統，根據水庫的水位與需求，決定水庫最佳放水量，

並與石門水庫M5操作規線做比較；Dubrovin、Jolma and Turuen(2002) 建立一水庫即時操作模式，模糊控制模式分別根據水庫的水位與入流量 決定水庫的放水量，藉由控制水庫放水量比較洪災與水利發電之損益；

羅(2002)以寶山水庫及攔河堰為例，經由模糊控制過程決定之水庫放水 量，探討區域性水資源最佳營運；張(2006)以石門水庫為研究對象，以 模糊理論、遺傳演算法、類神經網路等，建立兩種不同期距之平時與颱 洪時期之水庫即時操作系統。結果顯示，水庫平時操作系統較於傳統規 線操作，可有效改善缺水情形集中之嚴重乾旱現象；在水庫入流量預 測 ， 顯 示 調 適 性 網 路 模 糊 推 論 系 統 (Adaptive Network-based Fuzzy Inference System, ANFIS)可精確的預測水庫入流量，進而在安全與減災 的前提下，建立ㄧ水庫颱洪操作模式，在洪水期間可進行有效的水庫颱 洪操作。

由上述的研究可知，模糊理論已廣泛運用於水庫操作方面，其系統 均為地表水庫或是結合其他結構物進行系統整體營運，並無將地下水庫 納入考量，而對於含有豐富地下水資源的地區，可適當的運用地下水並 與地表水進行水量調配，因此本研究考慮加入一地下系統，並以模糊控 制的方式操作地表水與地下水進行聯合營運。