第四章 聯合營運案例展示
4.3 模擬案例成果分析
由 4.2 節所展示的案例，其成果可歸納為以下四點：
(1) 地表地下聯合營運可有效的降低缺水量
(a)比較案例Ⅰ與Ⅱ之模擬結果，如表 4.14 所示，案例Ⅱ年缺水指 數降低 52.34%、缺水旬數減少 19 旬，且由圖 4.15 兩案例缺水分布比較 示意圖所示，案例Ⅱ可明顯看出減少案例Ⅰ之缺水狀況。
(b)由表 4.14 可知，增加地下水系統後，系統供應水量增加 3.70%，
由圖 4.23 也可得知地下水所供給的水量所佔比例不大，但案例Ⅱ相較案 例Ⅰ，其缺水指數大幅降低 52.34%，雖然地下水量增加少量的系統供應 水量，卻可使缺水情形大幅改善。
(2) 模糊推論系統可有效的降尖峰缺水量
在營運方式同樣是地表地下聯合營運下，比較兩種不同操作方式，
即傳統的地表水先供地下水補不足與地表地下模糊控制模式，分別為案 例Ⅱ與案例Ⅲ之模擬結果，如表 4.15 所示，案例Ⅲ年缺水指數降低 26.23%、缺水旬數減少 28 旬，其原因為傳統非偶合聯合營運受限於固 定的操作方式，地下水系統只能在地表水發生缺旱時啟動，往往無法有
效降低缺水情形；而偶合聯合營運可在地表水發生缺旱的前幾個時刻啟 動地下水系統，如圖 4.8 所示，提早啟動地下水系統可將地下水預先儲 存於地表水庫，因此當發生缺水時，可有效將低缺水情形。再由圖 4.8 相較於圖 4.7，可看出圖 4.8 之尖峰缺水量的低於圖 4.7，由此可知將地 下水預先儲存於地表水庫可有效降低尖峰缺水量。
(3) 模糊推論系統可依地下水的多寡進行合適的水量調配
(a)在案例Ⅱ與案例Ⅲ中，年缺水指數為表現各為 0.61 與 0.45，而 案例Ⅲ缺水旬數相較於案例Ⅱ減少 28 旬，案例Ⅲ相較於案例Ⅱ固定的 地下水運用模式，顯示出模糊控制對於地下水的運用可作積極的水量運 用，以有效的減鍰缺水情形；而在案例Ⅱ與案例Ⅳ中，年缺水指數為表 現各為 0.61 與 0.59，而案例Ⅳ缺水旬數相較於案例Ⅱ減少 12 旬，由圖 4.18 可知，案例Ⅳ以模糊控制可將地下水位控制於案例Ⅱ地下水位最低 點之上，顯示出模糊控制對於地下水的運用可進行合適的水量調配。
綜和案例Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 顯示，藉由模糊控制可視地下水位狀態適度 調整系統供應水量，案例Ⅲ相較於案例Ⅱ，顯示出當地下水資源足夠 時，可抽取較大量的地下水；而案例Ⅳ較於案例Ⅱ則顯示，當地下水資 源不足時則抽取較少量的下水量，將其控制在一定水位之上。
(b)在需求水量增加的情況下，案例Ⅴ與案例Ⅵ為比較非偶合與偶合 聯合營運模式何者為合適的操作，由圖 4.19 可知，案例Ⅴ的傳統非偶合 聯合營運的地下水位已顯示有低於地下水位下限的現象，反觀案例Ⅵ偶 合聯合營運的地下水位(圖 4.20)，對於地下水位有著良好的控制，均能 高於地下水位下限，更能顯示模糊控制可因應不同的需求水量，為供水 策略作出適當的改變。
結合以上兩種類型案例，顯示出模糊控制可視地下水量的多寡，進 行積極的水量運用或是保守的水量調配，提供更有彈性之地下水供水策 略之決策，使水源可在有效管理下適量的運用。
(4) 模糊推論系統與優選法計算量的比較
案例Ⅶ以遺傳演算法串連地表水與地下水兩系統，地表水源與地下 水源間之調配原則採用「指標平衡」概念；案例Ⅷ則是以模糊推論系統 串連地表水與地下水兩系統，並以模糊推論系統作為地表水源與地下水 源間之調配原則。在模擬 20 年 720 旬情況下，由表 4.16 可知，兩者年 SI、缺水旬數的表現上相距不大，但在計算時間上相差數百倍。若考量 與最佳化模式結合時之計算量，由於遺傳演算法是以大量族群進行繁 衍，如以前一小節案例Ⅶ地表地下聯合營運案例為例，收斂條件設定為 連續 20 代後找不到更好的解則視為收斂，也就是每一時刻至少模擬 20 代以上，而每一代以 50 條染色體去搜尋最佳解，因此地下水模擬模式 每一個時刻至少要模擬 1000 次以上，在本研究中以 AMD Athlon 1.47 GHz，512MB 的 RAM 之電腦進行計算，整體計算時間為 43222.40 秒，
即 12.01 小時，平均個時刻花費 60.03 秒求解，而模糊推論系統模式整 體計算時間為 56.33 秒，平均個時刻花費 0.08 秒求解。運用模糊推論系 統相較於最佳化模式將可大幅降低計算量與節省計算時間。
另外，規線操作為水庫常用的操作方式，其訂定必須仰賴豐富的經 驗，若地下水的操作若欲延用規線操作的方式，則將受其非線性特性，
造成操作規線不易訂定，若以模糊規則的方式決定地下水的操作方式，
則可解決上述之問題，只要訂定合適的模糊規則，即可對地下水作有效 的運用，故以模糊規則操作即可解決地下水操作規線不易訂定之問題。
表 4.1 案例介紹表
案例編號 營運方式
需求水量 (萬立方公
尺)
Ⅰ 地表水獨立營運
Ⅱ 地表地下
非偶合聯合營運
Ⅲ 地表地下偶合聯合營運 (高強度地下水使用)
Ⅳ 地表地下偶合聯合營運 (低強度地下水使用)
1500/旬
Ⅴ 地表地下
非偶合聯合營運
Ⅵ 地表地下
偶合聯合營運
1600/旬
Ⅶ 地表地下偶合聯合營運 (以遺傳演算法串連)
Ⅷ 地表地下偶合聯合營運 (以模糊推論系統串連)
1500/旬
表 4.2 案例Ⅲ模糊規則
地表水可利用水量
地下水位 NB NM M PM PB
NB NM NM NM NM NM
NM PM PM NM NM NM
M PM PM NM NM NM
PM PM PM NM NM NM
PB PM PM NM NM NM
表 4.3 案例Ⅳ模糊規則
地表水可利用水量
地下水位 NB NM M PM PB
NB NS NS NM NM NM
NM PS PS NM NM NM
M PS PS NM NM NM
PM PS PS NM NM NM
PB PS PS NM NM NM
表 4.4 案例Ⅵ模糊規則
地表水可利用水量
地下水位 NB NM M PM PB
NB PS NM NM NM NM
NM PM PM NM NM NM
M PM PM NM NM NM
PM PM PM NM NM NM
PB PM PM NM NM NM
表 4.5 案例Ⅷ模糊規則
地表水可利用水量
地下水位 NB NM M PM PB
NB PS NM NM NM NM
NM PM PS NM NM NM
M PM PM NM NM NM
PM PM PM NM NM NM
PB PM PM NM NM NM
表 4.6 案例Ⅰ之模擬結果
旬計劃缺水指數 3.33
年計劃缺水指數 1.28 缺水旬數 281 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48429.10
地表水系統
旬平均供水量 1345.25 年平均供水量 0.00
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 0.00
表 4.7 案例Ⅱ之模擬結果
旬計劃缺水指數 1.84
年計劃缺水指數 0.61 缺水旬數 262 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48429.10
地表系統
旬平均供水量 1345.25
年平均供水量 1791.56
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 49.77
表 4.8 案例Ⅲ之模擬結果
旬計劃缺水指數 1.44
年計劃缺水指數 0.45 缺水旬數 234 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48361.95
地表水系統
旬平均供水量 1343.38 年平均供水量 2453.51
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 68.15
表 4.9 案例Ⅳ之模擬結果
旬計劃缺水指數 2.09
年計劃缺水指數 0.59 缺水旬數 250 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48373.45
地表水系統
旬平均供水量 1343.71 年平均供水量 1970.43
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 54.73
表 4.10 案例Ⅴ之模擬結果
旬計劃缺水指數 5.27
年計劃缺水指數 1.83 缺水旬數 313 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 57600【1600/旬】
年平均供水量 48519.6
地表水系統
旬平均供水量 1347.77 年平均供水量 2044.84
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 56.80
表 4.11 案例Ⅵ之模擬結果 旬計劃缺水指數 5.01
年計劃缺水指數 1.84 缺水旬數 304 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 57600【1600/旬】
年平均供水量 48508.83
地表水系統
旬平均供水量 1347.47 年平均供水量 2099.81
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 58.33
表 4.12 案例Ⅶ之模擬結果
旬計劃缺水指數 1.50 年計劃缺水指數 0.48
缺水旬數 241 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48422.62
地表水系統
旬平均供水量 1345.07 年平均供水量 2643.77
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 73.44
表 4.13 案例Ⅷ之模擬結果
旬計劃缺水指數 1.49 年計劃缺水指數 0.48
缺水旬數 239 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48372.49
地表水系統
旬平均供水量 1343.68 年平均供水量 2361.48
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 65.60
表 4.14 案例Ⅰ與案例Ⅱ結果比較表
案例編號 案例Ⅰ 案例Ⅱ
旬計劃缺水指數 3.33 1.84
年計劃缺水指數 1.28 0.61
缺水旬數 281 262
年計劃缺水指數改善比例 0 -52.34
地下水系統所增加整體系統的供水比例 0 3.70 需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 5400【1500/旬】
年平均供水量 48429.1 48429.10
地表水系統
旬平均供水量 1345.25 1345.25
年平均供水量 0 1791.56
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 0 49.77
表 4.15 案例Ⅱ與案例Ⅲ結果比較表
案例編號 案例Ⅱ 案例Ⅲ
旬計劃缺水指數 1.84 1.44
年計劃缺水指數 0.61 0.45
缺水旬數 262 234
年計劃缺水指數改善比例 0 -26.23
需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 5400【1500/旬】
年平均供水量 48429.10 48361.95
地表水系統
旬平均供水量 1345.25 1343.38
年平均供水量 1791.56 2453.51
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 49.77 68.15
表 4.16 案例Ⅶ與案例Ⅷ結果比較表
案例編號 Ⅶ Ⅷ
旬計劃缺水指數 1.50 1.49
年計劃缺水指數 0.48 0.48
缺水旬數 241 239
需求節點年計畫需求量(萬立方公尺) 54000【1500/旬】
年平均供水量 48422.62 48372.49
地表水系統
旬平均供水量 1345.07 1343.68 年平均供水量 2643.77 2361.48
供水量
( 萬立方公尺
) 地下水系統
旬平均供水量 73.44 65.60 計算花費時間(秒) 43222.40 56.33
需 求 節 點 1 5 0 0 1
3
3
S E A 5
7 0 0 0
0 上 限
下 限 嚴 重 下 限 1 .0
2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0
1 1
1 . 0 0 2 .0 3 . 0 4 .0 5 . 0
2
4
6
水 庫 A 水 庫 B
5 0 0 0
圖 4.1 地表水營運系統圖
圖 4.2 地表地下聯合營運系統圖(1)(地表水先供)
地 下 水 系 統
需 求 節 點 1500 1
3
3
SEA 5
7000
0 上 限
下 限 嚴 重 下 限 1.0
2.0 3.0 4.0 5.0
1 1
5000
0 上 限
下 限 嚴 重 下 限 1.0
2.0 3.0 4.0 5.0
2
4
6
水 庫 A 水 庫 B
圖 4.3 地表地下聯合營運系統圖(2)(模糊控制)
圖 4.4 水庫總入流量歷線圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
旬
蓄水量
圖 4.5 水庫 A 操作規線圖
0 1000 2000 3000 4000 5000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 旬
蓄水量
圖 4.6 水庫 B 操作規線圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
缺水量
圖 4.7 案例Ⅰ需求缺水量
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水 缺水量
圖 4.8 案例Ⅱ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水 缺水量
圖 4.9 案例Ⅲ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水 缺水量
圖 4.10 案例Ⅳ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水 缺水量
圖 4.11 案例Ⅴ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水量 缺水量
圖 4.12 案例Ⅵ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水量 缺水量
圖 4.13 案例Ⅶ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
萬立方公尺
地下水供水量 缺水量
圖 4.14 案例Ⅷ需求缺水量與地下水抽水情形圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705 旬
萬立方公尺
案例Ⅱ缺水量 案例Ⅰ缺水量
圖 4.15 案例Ⅰ與案例Ⅱ缺水情形比較圖
70 75 80 85 90 95
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
水位(m)
平均地下水位
圖 4.16 案例Ⅱ平均地下水位
70 75 80 85 90 95
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
水位(m)
平均地下水位
圖 4.17 案例Ⅲ平均地下水位
70 75 80 85 90 95
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
水位(m)
案例Ⅱ平均地下水位 案例Ⅳ平均地下水位
圖 4.18 案例Ⅱ與案例Ⅳ平均地下水位比較圖
70 75 80 85 90 95
1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 529 551 573 595 617 639 661 683 705
旬
水位(m)
平均地下水位
平均地下水位