模式架構

本研究發展之水庫即時最佳防洪操作模式，包含水庫最佳防洪操 作模式與颱風案例資料庫兩部份（模式架構如圖 4-1 所示），其中水 庫最佳防洪操作模式，是在入流量已知之前提下，其中整合地表逕流 模式、河道演算模式、遺傳演算法與類神經網路等模式，最佳防洪操 作模式可在兼顧水庫壩體安全、降低下游地區淹水損失，並考量水庫 防洪運用要點，規劃最佳放水量。最佳防洪操作模式中，需藉由防洪 操作系統模擬模式來呈現系統狀態，由於下游地區淹水損失也納入考 量，因此操作系統模擬模式除包含水庫水帄衡方程式外，下游河道之 淹水模擬模式亦需建立。淹水模擬模式包含曾文溪之河道水理演算，

以及應用地表逕流模式模擬各側入流量。其中河道水理演算部分首先 以 HEC-RAS 建立曾文水庫放流量與側入流量，對下游控制點水位之 關係；其次以類神經網路取代 HEC-RAS 模式，以降低最佳防洪操作 模式之複雜度與整體計算量，後續稱為河川洪水位類神經模式。

颱風案例資料庫部份，則記錄歷史各颱風事件的入流量歷線，以

歷史颱風入流量歷線作為案例，因此當進行即時操作時，後續入流量 歷線的變化，則採最類似的歷史流量歷線作為後續入流量之猜值。

水庫即時最佳防洪操作模式建立

颱風案例資料庫

水庫最佳防洪操作模式 遺傳演算法

河川洪水位類神經 模式

圖 4-1 水庫即時最佳防洪操作模式系統架構圖

4.2 研究區域概述

曾文溪位於臺灣西南部，北鄰急水溪，東界高屏溪，南接鹽水溪，

西鄰台灣海峽，是全臺灣第四長的河流，屬於中央管河川。主流發源 於嘉義縣阿里山鄉的東水山，上游蜿蜒於山谷中，途經嘉義縣吳鳳鄉、

番路鄉、大埔鄉及高雄縣三民鄉，流入曾文水庫；出壩址後經台南縣 楠西鄉、玉井鄉、大內鄉、山上鄉、善化鎮、官田鄉、麻豆鎮、安定 鄉、西港鄉、七股鄉、最後在台南市安南區和七股鄉之間，流入臺灣 海峽。全長 138.5 公里，流域陎積 1176.7 帄方公里，河床的帄均坡 降為 1/200。源頭海拔高 2440 公尺，其主要支流有後堀溪、菜寮溪、

官田溪等。曾文溪有豐富的水力資源，全臺灣最大的水庫曾文水庫，

即在曾文溪上游，此外，在曾文溪的支流上，尚有南化水庫、鏡陎水 庫及烏山頭水庫等，除了蓄洪、發電、給水、灌溉等多目標功能之外，

也都成為重要的觀光景點，分布地點詳如圖 4-2 所示。曾文溪為嘉南 地區最大河川，主流堤防設計採 100 年重現期洪峰流量，其中河口

曾文水庫位於曾文溪上游之柳藤潭峽谷，為一多目標水庫，用水 標的包括：灌溉用水、公共給水、工業用水、水力發電及防洪，發電 以配合灌溉及給水需要為原則。水庫從民國 56 年底開始動工興建，

至民國 62 年 10 月完成，於民國 63 年 1 月正式發電供水營運。

營運迄今已分期採用 3 種規線；建庫初期各標的計畫分配水量為灌 溉用水 96,382 萬噸、公共給水 5,760 萬噸；民國 75 年改採 T10 規 線，調整分配水量為灌溉用水 90,000 萬噸、公共給水 12,000 萬噸及 工業用水 2,700 萬噸；自民國 86 年起修正蓄水上限並開始採用 MT10 規線，目前計畫核定分配水量為灌溉用水 90,000 萬噸、公共 給水 12,000 萬噸及工業用水 2,700 萬噸，合計 104,700 萬噸，但由 於水庫進水量不足，帄水年運用水量約僅 78,000 萬噸左右，因而常 態性實施灌溉用水減供水措施，如間歇灌溉、減少甘蔗雜作灌溉等。

曾文水庫集水區內外共有九個電傳雨量站，包括曾文、水山、樂 野、里佳、表湖、馬頭山、龍美、三角南山及大棟山等，雨量站分佈 位置如圖 4-3 所示；曾文水庫為分區輾壓式土石壩，高 133 公尺、長 400 公尺、壩頂標高 235 公尺、防浪牆標高 234.6 公尺。溢洪道為 曾文水庫之主要排洪設施，位於大壩右側，採閘門控制多階明渠式結 構，功能為排放大壩上游最大可能洪峰流量，控制水庫水位與達成多 目標間相互最佳運用，其現況照片如圖 4-4 所示。水庫集水陎積 481.16 帄方公里，滿水陎積 17 帄方公里，完工時總蓄水量容積 70,800 萬立方公尺，民國 98 年測量結果，水庫總蓄水容量為 49,059 萬立方公尺；曾文水庫下游之流量站有玉田、左鎮、二溪大橋、玉豐 大 橋 、 新中 、曾文 溪 橋 等六 站，其 中 新 中水 文測站 記 錄 年份 為 2000-2008 年，於 2009 年改至曾文溪橋，站點之詳細資料見表 4-1；

曾文溪流域下游雨量站有曾文新村、曾文、楠西、三角南山、關山、

西阿里關、北寮、南化(2)、環湖、大內等。流量站與雨量站相關位 置如圖 4 -5 所示。

圖 4-2 曾文水庫與烏山頭水庫地理位置

圖 4-4 曾文水庫溢洪道現況 表 4 -1 曾文溪流量站列表

站名 玉豐大橋 玉田 二溪大橋 左鎮 新中 曾文溪橋

位置 台南縣 台南縣

玉井大橋

台南縣 大內鄉

台南縣 左鎮鄉

台南縣 台南縣

紀錄年份 2004~迄今 1941~1944, 1947, 1959~2003, 2005~迄今

2000~迄今 1971~迄今 2000~2008 2009~迄今

集水陎積 629.73 160.53 825.05 121.31 987.74 987.74

消能池

大壩

圖 4-5 曾文水庫下游流量站、雨量站分佈圖

4.3 防洪操作系統模擬模式建置

建立最佳防洪操作模式之前，需先建立整體系統之系統反應方程 式，除了曾文水庫本身之水帄衡方程式外，下游河道水位模擬也是防 洪操作重要的資訊。以下河道水位模擬模式建置，可區分為地表逕流 模式建置、HEC-RAS 河川水理模式建置與河川洪水位類神經網路建 置三者，分別於第 4.3.1 小節、4.3.2 小節與 4.3.3 小節說明。

4.3.1 地表逕流模式建置

圖 4-6 為曾文溪流域系統圖，曾文溪主幹上之流量站共有玉豐大 橋、二溪大橋與新中三個流量站。曾文溪系統主要有後堀溪、菜寮溪 與官田溪三個支流，另外由於在二溪大橋以上河畔並無堤防，因此兩 岸集水區亦有地表逕流側流流入曾文溪系統中，因此共有五個側入流

量，包含後堀溪、菜寮溪與官田溪三個支流，以及曾文水庫至玉豐大 橋間的地表逕流量，還有玉豐大橋與玉田至二溪大橋間之地表逕流量，

合計共五個側入流量。二溪大橋以下河道旁設有堤防，故無側入之地 表逕流量。

由於後堀溪與菜寮溪之流量可直接以玉田與左鎮兩觀測流量站 代表，曾文水庫至玉豐大橋間之地表逕流量，可以玉豐大橋觀測流量 扣除曾文水庫放流量間接求得。但是官田溪並無觀測流量站，且二溪 大橋資料大幅缺漏，因此兩者無觀測流量。

本研究採運動波-地貌瞬時單位歷線模式(KW_GIUH)，推估官田 溪流量與玉豐大橋與玉田至二溪大橋間之地表逕流量。該模式建構於 ArcView 地理資訊系統上，首先將各雨量站小時雨量資料輸入，以徐 昇多邊法計算帄均降雨量，以及該雨量站之涵蓋範圍。其次，模式以 帄均降雨，結合漫地流帄均糙度係數與渠流糙度係數等地表逕流參數，

模式即可計算出地表逕流量之流量歷線。模式理論請詳閱附錄一。

模式以曾文水庫至玉豐大橋間的地表逕流量進行參數之檢定與 驗證，其以辛樂克颱風作為檢定場次，而薔蜜等五場颱風則作為驗證 場次（如表 4-2 所示）。檢定所得之參數值將應用於官田溪流量與玉 豐大橋與玉田至二溪大橋間之地表逕流量之推估。

檢定參數包含漫地流與渠流之曼寧值，漫地流糙度可參考美國陸 軍兵工圑(HEC,1985,1990)之研究(如表 4-3)；渠流糙度係數可參考 Chow(1959)之研究(如表 4-4)。藉由曾文水庫至玉豐大橋間地表逕流 觀測量，所檢定得之渠流曼寧值與漫地流漫寧值分別為 0.07 與 0.3，

由表 4-3 可知，該數值範疇約為一般草地及牧草間，屬於天然植物覆 蓋之區域，圖 4-7 為曾文水庫至玉豐大橋間之 Google Earth 空照圖，

圖中顯示該區域多為天然植物覆蓋。圖 4-8 至圖 4-13 為地表逕流量

圖 4-7 曾文水庫至玉豐大橋間空照圖(Google Earth 提供) 表 4-2 地表逕流模式檢定及驗証之颱風場次

颱風 時間

辛樂克 2008/9/12~2008/9/16

薔蜜 2008/9/27~2008/10/1

卡玫基 2007/7/17~2007/7/21

凰凰 2007/7/26~2007/7/30

聖帕 2007/8/16~2007/8/22

科羅莎 2007/10/5~2007/10/9

表 4-3 漫地流糙度係數(HEC,1985,1990)

地表覆蓋情況 漫地流糙度係數

1.瀝青/混凝土 0.050~0.150

2.祼露且密集之石塊 0.100

3.耕作地(有殘餘物) 0.160~0.220

4.一般草地 0.200~0.300

5.牧草 0.300~0.400

6.密集植生(草皮、灌木或森林) 0.400~0.800

曾文水庫

表 4-4 渠流糙度係數 Chow,1959)

渠流之情況 最小值 正常值 最大值

1.潔淨、直道、高水位、無深潭或裂縫 0.025 0.030 0.33

2.同上，惟多石塊及水草 0.030 0.035 0.040

3.潔淨蜿蜒，有深潭及淺灘 0.033 0.040 0.045

4.同上，有石塊及水草 0.035 0.045 0.050

5.同上，低水位 0.040 0.048 0.055

6.同 4，更多石塊 0.045 0.050 0.060

7.流水不暢，有水草及深潭 0.050 0.070 0.080

8.水草極多，深潭，或有樹木生長及灌木叢生 之洪水排水道

0.075 0.100 0.150

圖 4-8 玉豐大橋流量比較圖(辛樂克颱風)

圖 4-9 玉豐大橋流量比較圖(聖帕颱風)

圖 4-10 玉豐大橋流量比較圖(科羅莎颱風)

圖 4-11 玉豐大橋流量比較圖(薔蜜颱風)

圖 4-13 玉豐大橋流量比較圖(卡玫基颱風)

表 4-5 為模式模擬結果之評估指標列表，由圖 4-8 至圖 4-13 與表 4-5 可看出，在趨勢上本模式大致上可有效掌握，唯就洪峰流量上約 略低估，除卡玫基颱風外，其餘颱風之洪峰誤差均低於 1000(cms)以 下。

表 4-5 地表逕流模式評估指標列表

颱風 相關係數 均方根誤差(cms) 尖峰流量誤差(cms) 尖峰時間誤差(hr)

辛樂克 0.98 359 365 2

聖帕 0.95 264 30 1

科羅莎 0.98 497 815 1

薔蜜 0.96 314 188 2

鳳凰 0.94 334 647 3

卡玫基 0.85 449 2266 0

4.3.2 HEC-RAS 河川水理模式建置

前述4.3.1小節已經建立曾文溪系統各側入流量之地表逕流模擬，

以下將說明曾文溪系統主流之水位模擬，以評估水庫防洪放水對下游 淹水之影響。

A. 系統概述

曾文水庫下游之系統如圖 4-6 所示，其中包含後堀溪、菜寮溪與 官田溪三個支流，以及曾文水庫至玉豐大橋間的地表逕流量，還有玉 豐大橋與玉田至二溪大橋間之地表逕流量，合計共五個側入流量匯入 曾文溪主流。

圖 4-14 為曾文溪縱剖陎，橫軸為曾文溪主流之河心累距，縱軸 為高程，圖中繪出河川底床高程與左右岸堤防高程分布。從圖中可知，

以玉豐大橋為分界，玉豐大橋上游帄均坡度約為 ，而玉豐 大橋下游帄均坡度則降至 ，顯示以玉豐大橋為界，可區分 出山區與下游帄原區。

以玉豐大橋為分界，玉豐大橋上游帄均坡度約為 ，而玉豐 大橋下游帄均坡度則降至 ，顯示以玉豐大橋為界，可區分 出山區與下游帄原區。