案例介紹

三區處大新竹子系統管網管線如圖 6 所示(三區處，97 年)，主要根據 該區提供的大新竹子系統 GIS 資料繪製，共有 10,438 段管線，9,385 個節 點。由於大新竹子系統的 GIS 在 97 年 7 月才剛初步建置完成，閥類圖層 目前只建了實際管網系統中的四成左右，故本研究依據之前處理自來水公 司第四區管理處大台中子系統實際管網系統的經驗(莊，97 年)，利用制水 閥與管線的關係建立一個合理設置閥類的規則，將此規則套用到大新竹子 系統，來合理設置制水閥，故目前所使用的案例是一個合理的案例，但仍 不是真實的案例，未來等三區處資料建置完成，再以真實情況來分析。

由圖 6 可看出在圖中央偏上的新竹市區以及右邊位置的新竹科學工業 園區，均屬管線較密集區域，管線為網格狀分布，這些區域為人口密度較 高區域，因此所需供水量亦較大。圖中央香山區位置管線屬較稀疏且呈樹 枝狀分布，相對需水量要求較小，因此可看出大新竹子系統的供水狀況呈 現明顯的區域性差異，對於供水量大的區域，當管線損壞造成的衝擊較 大，故針對影響衝擊大的區域需優先汰換管線以得到較佳的汰管供水改善 效益。圖 7 為大新竹子系統的管徑統計分布圖，大新竹子系統管線口徑範 圍為 13 mm 至 1,350 mm，其中以管徑 100 mm 居多。而根據三區處所提供

z 新竹科學工業園區及周邊地區水源由寶山淨水場支援供水。

z 新竹市東區、北區全部及南寮一帶，水源由新竹第一、第二淨水廠就 近供應。

z 新竹市香山區水源由東興淨水廠支援。

並利用新竹市 92 年 4 月至 97 年 2 月的用戶抄表記錄，統計後求得各水表 的日平均用水量，再加以估算出管線的用水量，以作為後續管線的汰管篩 選因子之一的漏水潛勢因子。

圖 6 大新竹子系統案例區管網管線圖 (摘自 三區處，97 年) 新竹淨水場

寶山淨水場 東興淨水廠

圖 7 大新竹子系統管徑統計分布圖 4.2 汰管相關資訊整理與分析

進行案例研討，應用本研究發展之汰管啟發式優選程序將需要案例區 自來水管網系統的 GIS 管件屬性圖層資料、用戶抄表紀錄等執行程序所需 的基本資料，另亦需要收集管線損壞維修紀錄及汰換管線成本等資料。用 以建立第三章所提到的漏水潛勢及成本函數，以下分別說明各項資料的整 理與分析。

1. 管網資訊:由於本研究所建立的汰管篩選因子以及在劃分制水閥分區 上都應根據案例區管網的管件結構等屬性資料來進行，故首先收集管 網 GIS 資料，除了如之前所述，先合理的劃分出制水閥分區之後，接 下來亦進行關鍵制水閥分區判識、整理汰管篩選所需考量因子，收集 管線損壞紀錄、用戶抄表記錄、汰管成本資料等(請參見第三章之說 明)，以建立執行所發展程序所需的管線損壞機率及漏水潛勢、汰管成

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，參考莊 (97 年)所採用之漏水潛勢公式，依管線的用水量資料與損壞機率來推 估各管線的漏水潛勢。

3. 影響供水評估:因案例區部分資料不足以進行 EPANET2 模式之水力模 擬，以推估管線的損壞影響供水量，因此，案例區在估算影響供水量 時，考慮到所關閉的制水閥分區將無法得到供水量，若是關鍵制水閥 分區則將連帶影響到下游制水閥分區的供水量，故以關閉制水閥分區 造成的缺水量作為評估管線損壞影響供水量的方式。

4. 汰管成本:汰管單位成本之經費則參考自來水司管線汰換工程經費概 估參考資料建立之，所需考慮到的成本項目包含材料費、路修費、營 建工程空汙費等。

4.2.1 損壞機率及函數

根據三區處的新竹服務所與新竹給水廠的損壞維修紀錄資料，在民國 92 年 1 月至 96 年 12 月間，漏水原因屬於管線者共有 8,965 筆維修紀錄，

利用 3.2.2 節所列之公式迴歸管線損壞機率函數，圖 8 所示為迴歸分析結 果，將此公式轉換回第三章公式 3.2 的形態，所得到的公式如下列:

-5 0.1234( )

( ) 1.96 10 ^{t k} (4.1)

N tj = × e ⁻

將上述公式得到的結果帶入公式 3.4、3.5 中，以得到管線的損壞機率，再 根據損壞機率以及管線用水量來推估出管線的漏水潛勢，作為汰管程序內 的汰管篩選因子之一。

圖 8 管齡與損壞次數迴歸分析圖

4.2.2 汰管成本估算

本研究根據案例區(新竹水廠，97 年)所提供的汰管成本相關資料，建 立汰管單位成本，表 10 所示為延性鑄鐵管(DIP)以及鋼管(SP)執行汰換所 需工程經費的概估參考單價。對於案例區的汰換管線材質部分，主要 DIP 化，因 DIP 較 PVCP 使用年限長且較耐用，故目前新設管線均使用 DIP；

而 SP 因較為彈性則是使用在施工困難地方，如轉彎處，便可直接現場進 行焊接方式施工。案例區的汰管成本估算根據表 10，對於管徑不在表上的 部分，則是依新竹水廠孫致仁技術士之說明如下:

„ 20 mm ~ 40 mm : 10000 NT$/4m。

„ 50 mm ~ 80 mm : 以 100 mm 汰管單價估算之。

„ 125 mm、150 mm : 以 200 mm 汰管單價估算之。

„ 250 mm : 以 300 mm 汰管單價估算之。

„ 350 mm : 以 400 mm 汰管單價估算之

表 10 管線工程經費概估參考單價 管徑

(mm)

DIP (NT$/m)

SP (NT$/m)

100 3,300 3,100 150 3,900 3,500 200 4,300 3,800 300 6,500 6,400 400 9,100 8,900 450 11,800 11,500 500 14,600 13,900 600 18,000 18,000 700 23,900 24,400 900 30,700 31,300 1000 38,300 39,400 整理自 新竹水廠(97 年)

4.2.3 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

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