第五章 國外案例研討
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 Hs，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$)，分別從 2 百萬加幣至 180 百萬加幣進行 不同成本限制下的分析探討，而所汰換管線之比例從 1%至 20%，結果如 圖 20 所示，隨著汰管預算的增加，預期供水穩定度亦隨之增加。
圖 18 制水閥分區特性管網圖
圖 19 制水閥分區損壞影響供水量分布圖
●關鍵制水閥分區
○ 一般制水閥分區
表 12 不同管徑下單位長度實際汰管所需之成本 管徑 (mm) 汰管單位成本 (CAA$/m)
100 2,425 150 2,550 200 2,625 250 2,630 300 2,940 600 4,100 750 5,200 900 7,300 1,200 8,925 1,350 9,425 1,800 15,200
圖 20 預期供水穩定度趨勢圖
表 13 為部分優選之結果，隨汰管率增加，可汰換的管線多，對於管 網整個影響供水穩定度也就增大，比較限制成本在 4 百萬加幣與 6 百萬加 幣的汰管率，在限制成本 4 百萬加幣進行優選模式，所汰換的管線是屬於 小管線，當限制成本增加到 6 百萬加幣，規劃汰換的管線則屬於效益較大 的大管線，汰管成本大，汰管量少，故汰管率較前次小。因此不同的汰管 成本限制下，模式在進行優選時是基於制水閥分區的考量，對於制水閥分 區內所有的管線都具有相同的影響供水量，故在決策需汰換的管線時，即 會針對汰管後預期對整體制水閥分區改善效益大的管線進行汰換，並在符 合汰管成本之限制以得到較佳的汰管效益。由圖 20 所示，整個供水穩定 度的增加不大，大約改善了 4 CMD-%左右，而參考此模式之前應用於國內 半虛擬三重管網案例區之結果相比較，差異甚大，因國外渥太華管網設置 並不像國內的管網複雜，管網連通性較高，又屬於多供水源系統，而當初 模式測試的案例區為單一供水源系統，故判識出來的關鍵制水閥分區不 多，且在進行損壞影響供水模擬，所截斷的下游制水閥分區仍可以由其他 供水源供給，因此得到的制水閥分區影響供水量並不大，使得在評估供水 穩定度時相對較低，模式優選得到的汰管效益亦因而較小。
表 13 不同成本限制下之規劃結果表 Cost
(CAA$)
Improved shortage (CMD‧%)
Replacement ratio (%)
Number of replaced pipes
2,000,000 0.33 1.3 80
第六章 結論與建議
自水來管網汰管規劃主要是希望汰管後的管網系統能有效改善管網 的供水穩定度及降低漏水率。雖然本研究群曾結合管網水力模式建立一個 換管優選模式，但由於國內管網目前尚未建立水力模式，故無法結合水力 模式與優選模式進行換管優選規劃，本研究因而發展一汰管優選程序，以 期可以迅速及有效的判斷出管網系統中汰換效益較高之管線進行汰換。本 研究群所發展的汰管優選模式過去主要以半虛擬的案例測試，並未實際應 用於管網案例中，故本研究與加拿大渥太華巿自來水部門合作針對該巿的 部分管網，以該汰管優選模式規劃汰管方案。以下總結本研究的結果，且 提供一些後續研究建議供參考。
6.1 結論
依據第一章所述的研究目的，本研究建立了汰管啟發式篩選程序，且 應用於國內第三區大新竹系統案例，並應用汰管規劃優選模式於國外實際 案例中，主要研究結論有三點，分別如下說明:
1. 根據本研究整理及建立的汰管篩選因子，可以排序出管網中管線的汰 管優先順序，然後以埋設年數率、漏水潛勢及單位成本與單位管長供 水穩定度建立汰管啟發式篩選程序，唯在建立國內案例時因案例區資 料仍不足，故只好以合理的假設來補足資料，建立一個合理案例測試 該程序，依測試結果，在不同擬汰率的限制之下，可快速篩選出老舊、
漏水潛勢高以及單位成本或單位管長汰管效益較佳的管線進行抽換，
利用管線埋設率因子因管齡大不見得供水穩定度高，故得到的總供水 穩定度結果是最低，而依漏水潛勢因子所篩選汰換的管線漏水潛勢雖
高故得到的總供水穩定度最好。唯目前因資料不足，還無法實際應用 及驗證本研究的成果，有待未來資料完整時方能驗證該程序的實用性。
2. 經由損壞機率函數得到管線汰換前後的損壞機率改善量後，利用 EPANET2 (Rossman, 2000)模式進行國外案例區的水力模擬，可實際反 應出管線損壞影響供水壓力的情形，以估算出損壞影響供水量，作為 評估管線的損壞影響程度，再結合損壞機率改善量以及影響供水量，
有效的得到管線的供水改善效益，之後帶入汰管優選模式中，可得到 不同汰管成本限制下對供水改善效益大的管線進行汰換，以有效提升 管網的供水可靠度，而隨著成本的增加，所得到的供水穩定度亦隨之 增加，以成本 2 百萬至 5 千萬加幣間成本限制分析，結果如表 5.2 所 列，汰管率約在 1.3 至 7.1 之間，供水穩定度約在 0.33 至 2.99 CMD-%
間，可發現一開始單位成本所提昇的效益較高，然後慢慢減少，以單 位汰管率所改善的供水穩定度來評估，汰管率 1.0%時最好，唯國際上 建議至少為 1.5%(IWA, 2000)，故以汰管率為 2.1%時為較佳的汰管方 案。
3. 將管網進行制水閥分區的劃分及關鍵制水閥分區的判識，使原始複雜 的管網能夠簡化，如國內管網案例區即將原始的 10,438 段管線經制水 閥分區判識後，劃分成 2,133 個制水閥分區，有效的簡化了管網的複 雜程度，使得在後續的評估及分析上更加的方便簡單，且為管線供水 影響量評估單位，利於進行汰管規劃。
6.2 建議
由於三區處 GIS 系統方建立不久，許多資料仍待建立中，故在本研究 進行國內案例測試時仍未取得足夠完整的實際管網資料，故只好以合理假 設補充不足資料自行建立一個合理案例，俟後續 GIS 系統建立完全，宜再 可根據實際管網案例測試所發展的汰管程序，所得結果亦預期會更可靠。
而除了本研究所建立之汰管程序篩選因子之外，仍有其他相關考量評估因 子，因此，根據不同篩選因子排序篩選之後，若能夠加以考慮到適合度因 子，如小區測漏、用戶形態、水壓、巷道多條整合、配合其他工程或地方 發展需求、需遷移管線、擴大管徑等因素，則可進一步的篩選出更加合理 以及汰管效益佳的管線進行汰換，唯所選取出需優先汰換的管線有待實際 驗證，未來需與水公司合作實際評估換管方案的實用性，此部分留待未來
而除了本研究所建立之汰管程序篩選因子之外，仍有其他相關考量評估因 子，因此，根據不同篩選因子排序篩選之後，若能夠加以考慮到適合度因 子，如小區測漏、用戶形態、水壓、巷道多條整合、配合其他工程或地方 發展需求、需遷移管線、擴大管徑等因素，則可進一步的篩選出更加合理 以及汰管效益佳的管線進行汰換，唯所選取出需優先汰換的管線有待實際 驗證，未來需與水公司合作實際評估換管方案的實用性，此部分留待未來