研究方法

本整合型計畫研究範疇涵括水文不確定性、自來水供需風險及備載應變、

區域及跨區水資源調度、颱洪期間水庫操作及環境影響等不同領域，由六個子 計畫分別進行研究，本章將針對總計畫執行情形及各子計畫所採用之研究方法 進行簡述，各子計畫研究方法完整說明詳見附錄七。

2-1 總計畫

總計畫負責整合協調各子計畫研究工作之進行，在計畫執行期間，定期邀 集各子計畫研究人員召開工作討論會，分別於 93 年 12 月 10 日、94 年 2 月 23 日、4 月 27 日、6 月 24 日、8 月 25 日及 10 月 20 日，共召開六次工作討論會 議，以掌握各子計畫之研究進度及合作配合事項，協助解決各子計畫於執行期 間所面臨之問題，確保研究品質及成果，歷次工作討論會會議紀錄如附件 1 至 附件 6 所示。

總計畫同時協助各子計畫向經濟部水利署、北區水資源局、石門水庫管理 中心、水利規劃試驗所、第二河川局、第十河川局、台北翡翠水庫管理局、台 北自來水事業處、瑠公水利會、台電公司桂山發電廠以及台灣省自來水公司等 單位取得研究所需各項資料，並邀請相關單位參與研究計畫討論座談會，期使 研究成果能落實及應用。此外，總計畫於 93 年 12 月 10 日與 94 年 4 月 27 日分

別辦理石門水庫及桃園平鎮淨水廠參訪行程，以協助各子計畫了解石門水庫目 前清淤作業情形、自來水廠操作方式並蒐集計畫進行所需相關資料。照 2-1-1 為本整合型計畫研究團隊參訪石門水庫管理中心，簡昭群主任針對艾利颱風對 石門水庫之影響進行簡報，照 2-1-2 為工作討論會議進行情形，照 2-1-3 為至 石門水庫庫區現地參訪情形；照 2-1-4 與照 2-1-5 則為本整合型計畫研究團隊 至平鎮淨水場現地參訪情形。

照 2-1-1 石門水庫管理中心簡昭群主任簡報艾利颱風對石門水庫之影響

照 2-1-2 座談討論

照 2-1-3 石門水庫現地參觀

照 2-1-4 平鎮淨水廠工作人員講解淨水場供水區域

照 2-1-5 平鎮淨水廠現地參觀

2-2

本研究主要目的在於尋找與確立石門水庫上游集水區中具有不確定性之各 項因子，並討論其不確定性；此外，建立水文因子之間的不確定性對水庫入流 量、泥砂產生量所造成之影響，找出各個不確定性因子之間所造成之聯合效應 的關係。最後，考慮水庫有效蓄水量與下游需水量即可對石門水庫做供水能力 之評估，評估結果可供石門水庫管理中心或相關單位做為水庫整治、操作規劃 與供水管理之參考。

2-2-1

由於相關因子十分眾多，因此，首先將上述所收集得之各項資料以多變量 分析方法(multivariate data analysis)建立各項因子對於水庫入流量以及水庫淤砂 量影響之關係。依序確立影響上述兩者之不確定性因子項目。

在泥砂量部分，由以往的相關研究中可以找出眾多與產砂量相關之水文因 子，包括年總流量(Q)、年總雨量(P)、降雨指數(RI)、最大單日降雨總量(M)、

降雨強度大於 35mm/hr 之累積量(I35)與單場降雨大於 450mm 的累積量(E450)。 然而，並非所有因子對於石門水庫之淤沙量的影響均為顯著，因而本研究透過 逐步迴歸的方式探討各水文因子之影響程度，並利用統計檢定方法(F-test)求出 影響顯著之因子。

至於水庫入流量部分，歷年文獻中多數認為水庫入流量與集水區降雨量有 高度相關性，因此本研究中將以降雨量作為主要探討因子。於分析過程中，將 以相關係數(coefficient of correlation)作為評估指標，以求出在何種時距下之降雨 量資料與入流量之相關性最高。並一併討論不同時期的降雨量對水庫入流量之 影響。

2-2-2 不確定性分析

在泥砂量部分，首先收集以往文獻中關於水庫集水區泥砂量之經驗式或半 經驗式，整理得線性、對數以及指數三種不同的型式之迴歸式，配合水文不確 定性因子，以誤差量最小為主要參考指標，選擇應用在研究區域最佳的一種迴 歸型式。再以之進行一階不確定分析(first order analysis of uncertainty)，進而分 析水庫泥砂量的不確定性。一階不確定性分析屬於近似機率之分析，可求得系 統中應變數之平均值(mean)及標準偏差(standard deviation)，亦即可了解系統模

式中各個不確定性因子所造成之聯合效應。

在水庫入流量部分，乃是利用蒙地卡羅模擬法(Monte Carlo simulation method)，進行不確定性分析。其中，以現今廣泛應用的類神經網路(ANN)建構 適合石門水庫之降雨—逕流模式。在模擬階段中，首先以χ²-test 檢定降雨量屬 於何種機率分佈型式，隨後即可依之產生大量模擬的集水區降雨量資料。接著，

將降雨量資料輸入已建構之降雨—逕流模式可得模擬流量資料，經由統計分 析，可得水庫入流量之統計特性。

2-2-3

欲探討水文不確定性與石門水庫供水風險之關係，首先建立水文不確定因 子與水庫蓄水量之關係，再由水庫蓄水量以及下游需水量之供需進行風險分 析，以量化之風險指標表示水庫之供水風險。

一個水庫的蓄水量多寡，是影響該水庫供水能力之重要因子。由上一階段 所得到之水庫入流量資料配合現階段水庫規線操作規則與計畫供水量資料可計 算出水庫蓄水量的變化情形。本研究分別採用缺水指標(SI)與可靠度(α)兩項指 標評估石門水庫之供水風險，並以一月份水位為初始條件，考慮在不同初始水 位的情況下，年供水風險之相應變化。

2-3 子計畫二 自來水供需情況及供水風險之評估

台灣地區氣候一年中可概分為乾溼兩季，其中 5～6 月的梅雨與 7～9 月的

颱風所帶來的降雨量，是台灣地區最主要的水源，若在溼季期間無法存蓄足夠 的水量，就容易發生乾旱缺水事件。本研究以乾旱代表年之水文條件，分別與 民國 95 年、100 年、105 年、110 年等目標年之需水量進行模擬，求出各項標 的用水之缺水率，並分析南北桃園之缺水率變化，與休耕時期進行灌溉用水移 用後缺水率改善情形，此外，再加上未來預期增加之桃園用水增供措施進行模 擬，以比較未來各項措施完工後對於桃園缺水率之改善狀況。其中依照經濟部 水利署所發布之水利法規「石門水庫運用要點」與民國 92 年 10 月石門水庫更 新之操作規線進行模擬。若水庫蓄水量小於該需水量時，則依南北桃園之需求 比例配水。

2-3-1 模式建立

本研究將在不同水文年的條件下，分別模擬移用灌溉用水前後之缺水率，

並以石門水庫供水情形為例進行分析。石門水庫主要提供大桃園地區用水，其 中南桃園用水取水於石門大圳，石門灌區作為其主要灌區，北桃園用水則取自 鳶山堰與桃園大圳，灌溉用水主要滿足桃園灌區、溪州圳與大漢溪上、下游灌 區。而本研究將南北桃於民國 95 年、100 年、105 年、110 年之需水量與各乾 旱年之水文條件代入水文方程式中進行計算，如下式(2-3-1)所示，其中南北桃 園以淨水場供水範圍為分界劃分，並於下游考慮鳶山堰側流量之匯入，而板新 淨水場其主要取水於三峽堰與鳶山堰側流量，供水不足時取水於翡翠水庫，故

於本研究不考慮板新水廠之取水。

S O O

I − _N − _S =∆ (2-3-1)

I ： 各旬水庫之入流量

ON ： 各旬北桃園放水量

OS ： 各旬南桃園放水量

∆S ： 各旬水庫蓄水量之變化

南北桃園民生、工業與農業放水量與入庫流量之和，等於水庫蓄水量之變 化值。將初始水庫水位藉由民國 94 年石門水庫管理中心所提供之經驗公式轉換 為蓄水量。並與當旬蓄水量變化加總後再將其換算回水位，檢視當旬水位與操 作規線之相對關係，決定當旬放水之權重後，再重複進入下一旬之推算，而水 位上限為 245 公尺，水位下限為 195 公尺。本研究以乾旱代表年之水文條件，

分別與民國 95 年、100 年、105 年、110 年等目標年之需水量進行模擬，求出 各項標的用水之缺水率，並分析其可能發生的缺水風險。其中依照經濟部水利 署所發布之水利法規「石門水庫運用要點」與民國 92 年 10 月石門水庫更新之 操作規線進行模擬。若水庫蓄水量小於該需水量時，則依南北桃園之需求比例 配水。

2-3-2 乾旱年之選取

本研究以桃園地區作為研究區域，並以民國 53 年至 92 年間石門水庫各旬 水位與入庫流量為評估缺水之參數，並以各旬入庫流量與下游需水量對蓄水量

所造成之影響進行探討，採用黃文政所提出之蓄水量乾旱指標，以蓄水量與入 流量作為評估因子。將歷年各旬缺水指標求出，選出民國 72 年、82 年、84 年、

91年四段乾旱分佈程度不一的水文年乾季，以此四年蓄水量狀況分別說明乾旱 可能對水庫供水及桃園地區用水造成之影響。

2-3-3 研究區域

桃園縣內分為 4 個縣轄市(中壢市、八德市、桃園市與平鎮市)、2 個鎮(楊 梅鎮與大溪鎮)、7 個鄉(蘆竹鄉、大園鄉、龜山鄉、觀音鄉、新屋鄉、龍潭鄉與 復興鄉)，共計 13 個鄉鎮市。其行政分區與地理位置如圖 2-3-1 所示。

石門水庫供給的灌溉用水可供給石門灌區、桃園灌區、大漢溪上、下游灌 區。而公共給水分別由取水於石門大圳的石門淨水場、平鎮淨水場、龍潭淨水 場還有取水於桃園大圳與鳶山堰的大湳淨水場等四個主要淨水廠供給，其設計 出水量分別為 12 萬 CMD、60 萬 CMD、5 萬 CMD、30 萬 CMD，此外還有板 新水場每日最多供應 10 萬 CMD 出水量支援桃園地區用水。各淨水場的供水範 圍、與地理位置如圖 2-3-2 所示。

桃園境內除了石門水庫外，還有蓄水量 320 萬噸的石門後池堰、126 萬噸 的鳶山堰等水工結構物攔水，以供桃園大圳、板新水場與大湳水場取水。當平 日水源充裕時，桃園地區可支援性的輸送 10 萬 CMD 水源至新竹供水區，而當

桃園境內除了石門水庫外，還有蓄水量 320 萬噸的石門後池堰、126 萬噸 的鳶山堰等水工結構物攔水，以供桃園大圳、板新水場與大湳水場取水。當平 日水源充裕時，桃園地區可支援性的輸送 10 萬 CMD 水源至新竹供水區，而當