圖 5-1 即時淹水模擬平台運算資源分配概念圖
二、不同伺服器主機效能測試
為了有效了解不同主機硬體資源架構下對於模式運算的時間影響，分為 下列步驟：
(一)在伺服器主機環境的比較上，採用水利署、國立臺北科技大學、國家高 速網路與計算機中心等不同資訊環境，進行模式運算效能的比對。
(二)比對內容採用相同專案、相同降雨量、相同模擬時間進行，並且確認運 算結果一致，進行伺服器主機運算時間的統計。
(三)在案例中統一使用相同之專案內容進行模擬分析。選用 臺南 Zone3 TNAZ3U01.lit 其模式專案內容如圖 5-2 所示，採用 2019 年 06/10 13:00~2019 年 06/11 12:00 共計 24 小時延時，作為降雨事件的案例。該 事件造成集水區平均累積雨量約 105mm，集水區最大累積雨量 203mm，
降雨量空間分布如圖 5-3。
(四)將同一個模式專案分別在不同運算主機資源上進行運算效能測試。以各 組積運算的時間加以統計，評估運算資源在模式運算過程中的計算效能。
(五)各運算資源對應模式運算時間結果統計如表 5-1 所列，可看出四個單位 所運算出來的結果，差異約數秒至 6 分鐘不等的差距。對照在 SOBEK 模式在運算過程中，主要取決於 CPU 頻率，當 CPU 基礎頻率越高效能 越高其運算時間相對較快。
表 5-1 不同主機進行 SOBEK 模式運算過時間評估
維護單位 主機規格 運算時間
國立臺北科技大學 8700k vm 主機 13m58s
經濟部水利署 2U 實體主機 vm 20m12s
經濟部水利署 Azure Stack vm 主機 19m44s 國家高速網路中心 OpenStack vm 主機 15m00s
說明：選用 SOBEK 臺南 Zone3 TNAZ3U01.lit 其模式專案進行測試。
圖 5-2 主機效能測試採用模式專案：臺南 Zone3 TNAZ3U01.lit
圖 5-3 主機效能測試實驗區域 24 小時累積降雨量空間分布
三、排程流程化規劃與調整 (一)伺服器排程作業流程與說明
在整體作業排程過程中，包含資料匯入、與共同資料轉換與處理之 排程，觀測與預報資料匯入、降雨量時間序列處理、邊界條轉換等流程。
而在臺中、臺南、高雄、屏東四縣市的排程作業，主要包含各分區初始 狀態模擬、預報模擬、網格資料組合、淹水深度輸出等流程。對應共同 作業排程與各縣市預報模擬分析所需要的作業流程，如表 5-2 至表 5-6 所示。
表 5-2 二維即時淹水共同作業排程表
Taiwan_Evaporation_FillZero 每小時第 10 分 蒸發散資料處理 Import_Qpesums_NTUT (2300hr Only) 01:12 GMT 輸入 QPESUMS 觀測 Import_Qpesums_Forecast_NTUT
(2300hr Only) 01:12 GMT 輸入 QPESUMS 預報 Import_STMAS-WRF_NTUT
(2300hr Only) 01:12 GMT 輸入 STMAS-WRF Import_Qpesums_NTUT (2300hr Only) 01:21 GMT 輸入 QPESUMS Import_Archive_Observed 每小時第 21 分 輸入觀測資料 Import_Archive_Forecasts 每小時第 22 分 輸入預報資料
Import_Qpesums_Forecast_NTUT 每小時第 23 分 輸入 QPESUMS 預報 Import_Qpesums_NTUT 每小時第 22 分 輸入 QPESUMS 觀測 Taiwan_Catchment_Average_Historical_IDW 每小時第 23 分 集水區降雨量站 IDW 內插 Taiwan_Catchment_Average_Forecast 每小時第 26 分 集水區預報降雨量處理 Export_Rainfall_Grids 每小時第 46 分 輸出降雨網格
Export_Rainfall 每小時第 46 分 輸出降雨量
Export_Taiwan_Catchment_Average 每小時第 46 分 輸出集水區平均降雨量 Export_Waterlevels 每小時第 46 分 輸出水位
Import_Archive_Observed (2300hr Only) 01:11 GMT 輸入 Archive 觀測資料 Import_Archive_Forecasts (2300hr Only) 01:11 GMT 輸入 Archive 預報資料
表 5-3 屏東地區二維即時淹水模擬作業排程表
Workflow ID 排程 備註
Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone2_Historical 每小時第 27 分 屏東 40M_zone2 歷史模擬 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone1_Historical 每小時第 27 分 屏東 40M_zone1 歷史模擬 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone3_Historical 每小時第 27 分 屏東 40M_zone3 歷史模擬 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone4_Historical 每小時第 27 分 屏東 40M_zone4 歷史模擬 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone5_Historical 每小時第 27 分 屏東 40M_zone5 歷史模擬 Pingtung_GridMerge_40M_Zone_Historical 每小時第 31 分 屏東 40M 網格組合歷史模擬 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone1 每小時第 36 分 屏東 40M_zone1
Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone2 每小時第 36 分 屏東 40M_zone2 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone3 每小時第 36 分 屏東 40M_zone3 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone4 每小時第 36 分 屏東 40M_zone4 Pingtung_SOBEK_2D_40M_Zone5 每小時第 36 分 屏東 40M_zone5 Pingtung_GridMerge_40M_Zone 每小時第 43 分 屏東 40M 網格組合 Export_Pingtung_SOBEK_Depth 每小時第 46 分 輸出屏東淹水深度
表 5-4 高雄地區二維即時淹水模擬作業排程表
Workflow ID Schedule 備註
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone1_Historical 每小時第 27 分 高雄 40M_zone1 歷史模擬
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone2_Historical 每小時第 27 分 高雄 40M_zone2 歷史模擬 Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone3_Historical 每小時第 27 分 高雄 40M_zone3 歷史模擬 Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone4_Historical 每小時第 27 分 高雄 40M_zone4 歷史模擬 Kaohsiung_GridMerge_40M_Zone_Historical 每小時第 31 分 高雄 40M 網格組合歷史模擬
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone1 每小時第 36 分 高雄 40M_zone1
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone2 每小時第 36 分 高雄 40M_zone2
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone3 每小時第 36 分 高雄 40M_zone3
Kaohsiung_SOBEK_2D_40M_Zone4 每小時第 36 分 高雄 40M_zone4
Kaohsiung_GridMerge_40M_Zone 每小時第 43 分 高雄 40M 網格組合 Export_Kaohsiung_SOBEK_Depth 每小時第 46 分 輸出高雄淹水深度
表 5-5 臺中地區二維即時淹水模擬作業排程表
Workflow ID Schedule 備註
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_Dadu_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 大肚 歷史模擬
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit01_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 烏溪 _unit01 歷史模擬 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit02_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 烏溪
_unit02 歷史模擬 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit03_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 烏溪
_unit03 歷史模擬 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit04_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 烏溪
_unit04 歷史模擬 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit05_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 烏溪
_unit05 歷史模擬 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WL_Historical 每小時第 27 分 臺中 40M_zone 塭寮
歷史模擬
Taichung_GridMerge_40M_Zone_Historical 每小時第 31 分 臺中 40M 網格組合 歷史模擬
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_Dadu 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 大肚 Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit01 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 烏溪
_unit01
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit02 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 烏溪 _unit02
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit03 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 烏溪 _unit03
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit04 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 烏溪 _unit04
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WU_Unit05 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 烏溪 _unit05
Taichung_SOBEK_2D_40M_Zone_WL 每小時第 36 分 臺中 40M_zone 塭寮 Taichung_GridMerge_40M_Zone 每小時第 43 分 臺中 40M 網格組合 Export_Taichung_SOBEK_Depth 每小時第 46 分 輸出臺中淹水深度
表 5-6 臺南地區二維即時淹水模擬作業排程表 Tainan_GridMerge_Zone_Historical 每小時第 31 分 臺南 40M 網格組合歷史模擬 Tainan_SOBEK_2D_20M_Zone1_Unit01 每小時第 36 分 臺南 20M_zone1_unit01 Tainan_SOBEK_2D_20M_Zone1_Unit02 每小時第 36 分 臺南 20M_zone1_unit02 Tainan_SOBEK_2D_20M_Zone3_Unit01 每小時第 36 分 臺南 20M_zone3_unit01 Tainan_SOBEK_2D_20M_Zone4_Unit01 每小時第 36 分 臺南 40M_zone4_unit01 Tainan_SOBEK_2D_40M_Zone2_Unit01 每小時第 36 分 臺南 40M_zone2_unit01 Tainan_SOBEK_2D_40M_Zone5_Unit01 每小時第 36 分 臺南 20M_zone5_unit01 Tainan_SOBEK_2D_40M_Zone6_Unit01 每小時第 36 分 臺南 40M_zone6_unit01 Tainan_SOBEK_2D_40M_Zone7_Unit01 每小時第 36 分 臺南 40M_zone7_unit01 Tainan_GridMerge_Zone 每小時第 42 分 臺南 40M 網格組合 Export_Tainan_SOBEK_Depth 每小時第 45 分 輸出臺南淹水深度
(二)颱風豪雨時間檢核流程與作業程序與防汛值勤支援
表 5-8 四縣市 6 小時排程運算測試成果
預報長度
樣本 take 1 take 2 Average
分區 Total Seconds Total Seconds Total Seconds Minutes Seconds
Zone 1 62 72 67 1 7
Zone 2 144 144 144 2 24
Zone 3 89 89 89 1 29
Zone 4 175 170 172.5 2 52.5
Merge 104 103 103.5 1 43.5
Export 87 72 79.5 1 19.5
655.5 10 55.5
Zone 1 121 129 125 2 5
Zone 2 492 497 494.5 8 14.5
Zone 3 384 320 352 5 52
Zone 4 231 240 235.5 3 55.5
Zone 5 498 563 530.5 8 50.5
Merge 174 169 171.5 2 51.5
Export 41 38 39.5 0 39.5
1948.5 32 28.5
Zone 1 Unit 1 265 282 273.5 4 33.5
1075.5 17 55.5
Zone 1 206 221 213.5 3 33.5
Dadu 148 157 152.5 2 32.5
Merge 105 93 99 1 39
表 5-9 四縣市 12 小時排程運算測試成果
表 5-10 四縣市 24 小時排程運算測試成果
四、模式運算效能與功能
差不多，且有效網格是採用極端降雨情境，刻意延長尖峰降雨強度所產 製的，因此這五種有效網格 DEM 應該都適用，從淹水面積校驗係數顯 示 97%相似性，且淹水深度平均誤差都不到 1cm 可以獲得佐證，表示 採用這五種有效網格 DEM 的模擬是相當的。但從計算效能來看，10 年 重現期有效網格 DEM 的計算耗時僅為 200 年的 75%。因此，選取適當 且適用的有效網格，將有助於計算效能的提升。
為進一步測試有效網格的適用性，刻意將梅姬颱風的降雨強度提高 一倍，至於降雨延時及降雨型態則維持不變，同樣以上述五種有效網格 DEM 分別進行模擬，分析結果彙整於同一表格的下半部。10 年重現期 有效網格 DEM 的計算耗時雖然僅有 200 年的 72%，但淹水面積校驗係 數卻下降至 88%，且淹水深度平均誤差放大至 8.6cm，說明其適用性已 大為降低。
表 5-11 鹽水溪流域鄰近雨量站各重現期距設計降雨之尖峰雨量 (Active cell)
總網格 (Total cell)
計算效
處理器型號Intel® Core™ i7-3770K CPU @ 3.50GHz
圖 5-4 決定 DEM 有效網格之情境降雨組體圖
圖 5-5 鹽水溪集水區及雨量站徐昇氏網套疊圖
圖 5-6 各重現期極端降雨情境所產製的有效網格
圖 5-7 2016 年梅姬颱風降雨型態
(二)計算點間距對於計算效能的影響
SOBEK 藉由一維渠道上的計算點與二維 DEM 網格進行耦合達到 溢堤與退水的流量交換機制。正因為如此，除了 DEM 解析度會影響計 算效能外，一維計算點的布置密度也是影響計算效能的重要因素，同時 也會影響計算結果的精確度。因此，布建計算點時，如何在計算效能與 模擬精確度間取得平衡，是值得探討的問題。
表 5-13 將鹽水溪模式的計算點分別採用 50m、100m 及 200m 模擬 梅姬颱風。若以 50m 間距的結果為比較基準，100m 間距的結果其淹水 面積校驗係數下降至 90%，但計算耗時卻僅有 71%，顯然 100m 間距的 適用性，是效能與精確度兩者間取捨的問題。至於 200m 間距，由於淹 水面積校驗係數進一步下降，但計算效能的提升卻相對有限，因此可將 200m 間距評定為不適用。
由於現場地形與河道型態的樣態太多，很難找到一致的特性，因此 要建立計算點布置的通則，還需要更多的案例累積、歸納與分析。
表 5-13 計算點間距對於計算效能與模擬精確度的影響
處理器型號Intel® Core™ i7-3770K CPU @ 3.50GHz
(三)D-Flow FM 淹水模擬測試
圖 5-8 鹽水溪區排與大州排水集水區資空間套疊於 D-Flow FM
1、測試案例說明
使用 D-Flow FM 模式進行不同網格大小測試，對比 SOBEK 既有 模式，D-Flow FM 模式資料解析度與網格數量統計資訊如表 5-14 所 列。
本計畫在測試上，係以模式模擬範圍進行局部加密，與既有網格 兩種不同本版之測試以及成果比對。此兩種模式分別為「臺南 Zone1 20m 網格」版本，以及「臺南 Zone1 20m 部分加密版本」，圖 5-9 為 D-Flow FM 模式模擬案例區域與加密區域範圍 (以下簡稱「非加密版 本」與「加密版本」)。
加密版本是在非加密版本的基礎上，將部分區域以優先利用四分 樹(Quadtree)方式，如圖 5-10 的概念進行網格的加密，因此可以針對 特定地區，例如：商業區、住宅區或易淹水區域，進行網格資料加密，
可以獲得較高解析度的淹水模擬成果。
表 5-14 D-Flow FM 與 SOBEK 模式之比較
模式 資料解析度 網格數量
SOBEK 20M 270,512
D-Flow FM 無加密 20M 289,359 D-Flow FM 部分加密 20M+5M 338,817
比對範圍：臺南 Zone1 20m 網格
圖 5-9 模式網格加密區域範圍
圖 5-10 模式網格四分樹加密細緻化概念