行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
乾旱時期用水分配模式之研究--子計畫:乾旱時期地面水與
地下水聯合運用作業模式研發(I)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 : 整合型 計 畫 編 號 : NSC 98-2625-M-009-005- 執 行 期 間 : 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國立交通大學土木工程學系(所) 計 畫 主 持 人 : 張良正 計畫參與人員: 博士後研究:陳宇文 博士後研究:葉明生 報 告 附 件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處 理 方 式 : 本計畫可公開查詢中 華 民 國 99 年 10 月 31 日
�
�
��
�
�
�� . . . I �� . . . II Abstract . . . III ��� �� . . . 1 ��� ������ . . . 1 2.1 ������ . . . 3 2.2 ����� . . . 3 2.3 ������ . . . 3 ��� �������� . . . 3 3.1 ����������� . . . 3 3.2 ����������� . . . 4 3.3 �������� . . . 4 3.4 ���������� . . . 11 3.5 ���������� . . . 12 ��� ��������� . . . 17 4.1 ��������������� . . . 17 4.2 ������������� . . . 19 4.3 ������������� . . . 30 4.4 ������������������ . . . 32 4.5 ������� . . . 37 ��� ����� . . . 38 5.1 �� . . . 38 5.2 �� . . . 39 ��� ���� . . . 39�
�
��
�
�
�������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ����������������������������������� �������� MODFLOW 2000 ������������ 89 �� 96 ���� ��������������������������������������� ��������������������������������������� � DRASTIC ��������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� �������������������������������������� ������������������������������������ DRAS-TICAbstract
In the past decade, the rapid growth of industry and agriculture have also increased the quantity of water requirement in Chou-Shui Alluvial Fan. To fulfill the water demand becomes a great challenge for the present water supply system. Since the surface water is influenced significantly by the hydrological condition that varies greatly in time, depending only on surface water system has high water deficit risk during drought period. On the other hand, groundwater is a much more stable resource than surface water and it is a good alternative water resource to reduce water deficit during drought period. Therefore, the long term purpose of this study is to develop a surface and subsurface conjunctive-use management model that can facilitate to increase the water allocation capability and reduce the water deficit risk in Chou-Shui Alluvial Fan during drought period. To do so, the groundwater characteristic of Chou-Shui Alluvial Fan should be familiar first. Two steps include the development of steady numerical model and the estimation of the recharge potential have been purposed.
First, MODFLOW 2000 which is one of the most famous models for groundwater simulation is used to construct a steady model of Chou-Shui Alluvial Fan. The average observed water level are used in the calibration process. After calibration, the spatial distribution of the calibrated recharge quantity mostly centralizes at the proximal area on the top aquifer. The spatial distribution of the calibrated pumping quantity is related with the distribution of the manufacturing districts. Second, the estimation of the recharge potential is determined by using a factor based method which modified from DRASTIC, a groundwater pollutant potential model and seven factors including land use, surface soil, river density, average annual rainfall, correlation between rainfall and groundwater storage, variation of storage for unit aquifer area and hydraulic conductivity are used. The estimation result indicates that the high recharge potential zone locates in the proximal area include, Shetou township, Tianzhong township, Xizhou township, Ershui township, Citong township and Linnei township. The distribution of the estimation is similar with the one of the steady numerical model.
Keywords�Chou-Shui Alluvial Fan, groundwater characteristic, steady numerical model con-struction, model calibration, recharge potential and DRASTIC
�
�
��
�
��
�
�
�
�
��
�
�
�������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������������� ��������������������������������������� ���������������������������������������� ������������� � 1: �����-����������
�
��
�
��
�
�
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
�������������������������������������� ���������������������������������������� ����� 1, 800 ������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ������������ 0 � 100 �����2.1
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
���� 88 ��������������������������������� ���������� 72 ������������������������ 300 �� ����������� 8 ������������������������ 250 �� ����������������������� (F1) ����� (T1) ����� (F2) ����� (T2) ����� (F3) ����� (T3) ����� (F4) ����� (T4) �� ������������ 1 ���2.2
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
�������������������������������������� ��������� (81 ��� 87 ��) ��������������� 82 � (203 �) ������ 28 � (55 �) �������� 88 ��� 2 �������������� ���2.3
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������� ������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ������������������������������������ (K) �� 10−3 � 10−5 (m/s) ������� (T ) �� 0.01 � 4.19 (m/min) ������ (Q/s)� � 0.34 � 208.33 (m3/(hr· m)) �������������������������
�
��
�
��
�
�
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
���������������������� 3.1 �������������� ���� MODFLOW ������ 3.2 ���������������������� 3.3 �����������������������������������3.1
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
���������� 1950 �������������������������� ������������������ 1970 ������������������� ���������������������� MODFLOW �������� (U.S.G.S) �������������������� ���������������������������������������� �������������������������� MOC3D � MT3D � MT3DMS ����������������������� MODFLOWP � PEST � UCODE ������� (Inverse modeling) ������ MODFLOW ����������� ���������������� 1983 ��� MODFLOW ���� 1987 ���� MODFLOW 88 ����� 1996 ���� MODFLOW 96 ��������� MODFLOW 2005 � MODFLOW ������������������������������ ��������������������������������������������������������� Processing MODFLOW � Visual MODFLOW � Groundwater Vistas � GMS ��
����� Groundwater Vistas 5.0 �� MODFLOW ����� Groundwater Vistas � Environmental Simulations International ���������������������� ����� 3D ���������������� MODFLOW 2005��� Groundwater Vistas �������������� MODFLOW �������� MODFLOW ��� ������ Groundwater Vistas ������������������������
3.2
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
MODFLOW �������������������������� (������ �������) �������������������������������� ��������������������������������������� ���������������������� (�� 3 ��) � � 3: ��������������3.3
�
�
��
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
�
�������������������������������������� ��������� • ��������� 1. ������MODFLOW ��������������������������������� ������������������������� 88 ������������� ��������������������������������� 72 ����� ������������������(��� 300 ����)����������� 8 ��������������������(���� 250 ����)��������� ���������������������������������������� ��������������������������� 4 ��� 1 2 3 2 Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree Tree 1 3 4 � 4: ���������� 2. ������ ��������� (1999) ������������������������� ���� 5 ��� ∗ AB ���������������������� 10 �������� ������������������������������� (No flow boundary) ��������������������������� ������������� (Pointsource) � ∗ BC �������������������������������� ��������������������������������� ����� BC �������������������������� ��������������������������������� ������������ ∗ CD ���������������������������
� 5: ��������������� ∗ DEF ����� BC ������������������������ �������������������������������� EF ������������������������� ∗ FG ������������������������������� �� ∗ GA �������������������������� (Groundwa-ter divide)� 3. ���� ����� 1(km) × 1(km) ������������������ 85 ������ 75 ���������� 6 ��������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� �������(�� 7 ��)�������� 5 ����������������(� � 8 ��)������������������������ 9 ���� 47 ����� �������������� 30 �� • ������
N E S W 0 6000 12000 24000 36000 � 6: ������������� � 7: ��������� 1 ������
� 8: ��������� 2 � 7 ������
�������������������������������������� ������������������������ MODFLOW ���������� ������������������������: 1. ����������������������������������� ����������������������������������� ����� 10 � 13 ������ 1 � 3 � 5 � 7 ������������� ���� 2 � 4 � 6 �������������������������
Schwartz � Zhang (2003) �������������� 4× 10−3 (m/day) ��
����������������������������������� ����� 1/10 � 2. ���������������������������������� ���� 1/4 � 1/5 �������������������������� ����������������������������������� ����������������������������������� ����������������������������������� ������� 3. ����������������������������������� ����������������������������������� �������������� 4. ��������������������������� 91 ������� ����������������������������������� ������������������������������ (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) N E S W 0 6000 12000 24000 36000 � 10: ��������� 1 ���������
(2) (1) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (1) (2) (2) (2) (1) (1) (2) (1) (2) (2) (2) (2) (2) (1) (1) (2) (1) (1) (2) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (2) (1) (1) (1) (1) (2) (1) (1) (1) (1) (1) N E S W 0 6000 12000 24000 36000 � 11: ��������� 3 ��������� (3) (2) (2) (2) (2) (2) (3) (2) (2) (2) (2) (3) (2) (2) (3) (3) (3) (2) (2) (2) (2) (1) (1) (2) (2) (3) (2) (2) (3) (2) (3) (3) (3) (3) (3) (3) (3) (3) (4) (3) N E S W 0 6000 12000 24000 36000 � 12: ��������� 5 ���������
(2) (2) (2) (2) (2) (3) (2) (2) (2) (2) (1) (1) (2) (2) (4) (2) (3) (2) (3) (2) (2) (2) (2) (3) (2) (3) (3) (3) (3) (3) (4) (3) (4) (4) N E S W 0 6000 12000 24000 36000 � 13: ��������� 7 ���������
3.4
�
�
��
�
��
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
�������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ������������������� MODFLOWP � UCODE ���������� MODFLOWP ��� ������� (U.S.G.S) ����������������� MODFLOW ����� ����� MODFLOW ��������������� MODFLOWP ������� ����������-��� (Modified Gauss-Newton method) ������ (Conjugate-direction method) �� UCODE ����������� (U.S.G.S) � IGWMC ����� ������������� MODFLOW ���������� MODFLOW �����
����������
������������������������������������� ���������� (Zonation method) �� Emselln � de Marsily (1791)��� Cooley (1977�1979)���������������������������������� ������������������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ������������ S ��������������������������� ���������������������������������������� ��������������������� ����������� MODFLOW ���� UCODE ������������� �����������������������: 1. ������������� 89 ���� 98 ����������������� ������������������� 2. ������������������������� (Zonation) ������� ������������������������������������ 10 � 13 ��� 3. � UCODE ������������������������ K ������ ������������������ 4. �������� UCODE ������������������������� ������������������������������������� ���������������
3.5
�
�
��
�
��
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
� 14 � 16 ��������������������������������� ������������������������� 17 � 19 ����������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ����������������������������� 17: �������(�����)
� 19: �������(�����)
�
�
��
�
��
�
�
�
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
���������������������������� (GIS) ������� ��������������������������������������� �������������� 0 � 100 ���������������������� ����������������������������4.1
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
� 1: �������������� ���� ���� �� ���� ���� �������������� ������ ����������� ������ ������ K �� ���� ������ ��������� ���� �������������� ���� ���������� ����������� ������� �������� 20: ������������� �������������������������������������� �������������������������� 20 ��� ������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� �������������������������������������� (� � 1 ��)���������DRASTIC ���������������������� ������ �������������������������������������� ���������������������������� 0 � 100 �������� ������� 1km × 1km ��������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������������� AW Acno(i) = �Mcno j=1 Area (j)× RFi(j) �Mcno j=1 Area (j) (1)
��� Area (j) ��� j ������� AW Acno(i) ��� i �������� cno ��
��������� (1) ��������������� cno ������������
T RFcno =
�N
i=1ω (i)× AW Acno(i)
�N i=1ω (i) (2) �� ω (i) ��� i ����������� N ������������ T RFcno �� �� cno ��������������� (2) ������������������� ����������������
4.2
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
������� 1km × 1km �������������������������� ����� (Polygon) ��������������� (� (1) ) ����������� ������ (Point) ������������������������������ ��� (Inverse Distance to a Power) ������������������(1) ����
�������������������������������������� ��������������������������� (Bou Kheir et al.,2003) �� �������������������������������������(1) � ������������������������������(2) �������� ��������(3) ������������������������������ ��������� (Shaban et al., 2006) ��������������������� ����������� (�� 21 ��)� (2) ������ �������������������������������������� ������������ 0 − 30 (cm) � 30 − 60 (cm) � 60 − 90 (cm) � 90 − 150 (cm) � ����������� 22 � 25 ������������������������� ���������������������������������������� (3) ������ ������ (K, hydraulic conductivity) �������������������� ��������������������������������������� ������������ K �������������������������� �������������(��2.2-1)���������������������� ��� (F1 � F4) ����������� (T1 � T4) ����������� (F1) �� � 42 ����������� 26 ��������� K ����� 0.12 � 0.13(m/min) �������������� (4) ������ �������������������������������������� ���������������������������������������� �������������������������������� 1993 � 2008 �� ������������������������� 27 ������������� ����������
� 21: ������
� 23: 30 − 60 (cm) �������
� 25: 90 − 150 (cm) �������
� 27: ����������(mm) (5) ���� �������������������������������������� ���������������������������������� (�� 28 � �)� (6) ����������� �������������������������������������� ��������������������������������������� ���������������������������������������� ����� 20 ������ 20 ���� 40 ���� 29 �������������� �������������� 33 ���� 30 ��� �������������������������������������� ��������������������� R2 ���������� R2 ����� ������� �������������������������������������� ����������������������� 20 ��������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������
� 28: �������� (3) (3) (2) (1) (2) (2) (4) (2) (2) N E S W 0 6000 12000 24000 36000
� 30: �������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������������� ��������������������������� (1) ���������� ��� 31 � 33 ���������������������������� 0.804 � 0.691 � 0.519 � � 34 ������������������������������������ ������ 3 ���� R2 ��� 35 ������������������ R2 ��� � 1 ���������������������������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������������� �����������(�� 36 ��)���������������������� ��������������������� (7) ������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ����������������������������������������
0 200 400 600 800 1000 Precipitation (mm) 0 1 2 3 4 5 G W _ le ve lC h a n g e (m ) y=0.004481x+0.162857 y=0.005033x R2=0.804 R2=0.724 � 31: �� (1) ������������������� (���) 0 1000 2000 3000 Precipitation (mm) 0 1 2 3 4 5 G W _ le ve lC h a n g e (m ) y=0.001621x+0.241705 y=0.001864x R2=0.691 R2=0.621 � 32: �� (1) ������������������� (��)
0 500 1000 1500 2000 2500 Precipitation (mm) 0 2 4 6 G W _ le ve lC h a n g e (m ) y=0.001979x+0.315834 y=0.002338x R2=0.519 R2=0.403 � 33: �� (1) ������������������� (��) � 34: ����������������� R2 ����
� 35: ������������������ R2 ����
� 37: ���������� (m)
�������������������������� 37 ������������ ������������
4.3
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
� 38: ������� � 2: ����������� ������ ������� ������� ��� ����� ���� 2 1 2.5 19% ���� 3 0 3.0 22% ���������� 1 0 1.0 7% ������ 2 0 2.0 15% ������� 0 1 0.5 4% ���� 2 0 2.0 15% ���� 2 1 2.5 18% �� 13.5 ����(1.0); ����(0.5) ��������������������������������Shaban �� (2006) ����������������������� Shaban et al. (2006) � Yeh et al. (2008) ��������������������� 38 ������������� ���������������������������������������� ������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ��������������������������������������� ����������������������� �������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ���������������������������������������� ������������������ �� 38 ����������������������������������� ������������������������� 1.0 ��������� 0.5 �� ��������������������������������������� ���������������������������������������� 2.5 �������������������������������������� �������������� 2 ���
4.4
�
�
��
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
��
��
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
� 3: ������������ (�) ��������� �� ����� �� ���� 1 �� 100 2 ��� 90 3 �� 70 4 ���� 60 5 �� 40 6 ��� 20 7 ���� 0 ������ 11 �� 100 1 ��� 90 2 ��� 80 3 ����� 70 4 ���� 60 5 �� 50 6 �� 40 7 ����� 40 8 ��� 30 9 ���� 20 10 �� 10 ���������� 1 0.22− 0.33 20 2 0.33− 0.45 40 3 0.45− 0.56 60 4 0.56− 0.68 80 5 0.68− 0.79 90 6 0.79− 0.92 100 ������ 1 1114− 1330 20 2 1330− 1545 40 3 1545− 1760 60 4 1760− 1976 80 5 1976− 2192 100 ������� 1 0− 0.19 20 2 0.19− 0.38 40 3 0.38− 0.58 60 4 0.58− 0.77 80 5 0.77− 0.97 100 �������������������������������������� �� (�� 20 ���2)���� 0 � 100 ��������������������� ���������������� 3 � 4 ��������������������� � 39 � 45 ���� 1km × 1km ������������������������� ����������� 39 � 45 ���������� 4: ������������ (�) ��������� �� ����� �� ������ 1 0− 0.02 20 2 0.02− 0.04 40 3 0.04− 0.06 60 4 0.06− 0.9 80 5 0.9− 0.12 100 ���� 1 0− 7 10 2 7− 14 20 3 14− 21 30 4 21− 28 40 5 28− 35 50 6 35− 42 60 7 42− 49 70 8 49− 56 80 9 56− 63 90 10 63− 72 100 N E S W 0 6000 12000 24000 36000 grade grade 0 - 3.79 0 - 3.79 3.79 - 7.59 3.79 - 7.59 7.59 - 11.39 7.59 - 11.39 11.39 - 15.19 11.39 - 15.19 15.19 - 19 � 39: ��������������
N E S W 0 6000 12000 24000 36000 SUM_GRADE SUM_GRADE 0 - 4.11 4.11 - 8.23 8.23 - 12.35 12.35 - 16.47 12.35 - 16.47 16.47 - 20.59 16.47 - 20.59 � 40: ���������������� N E S W 0 6000 12000 24000 36000 VALUE VALUE 1 3 4 6 6 7 � 41: ��������������������
N E S W 0 6000 12000 24000 36000 VALUE VALUE 3 6 9 12 15 � 42: �������������� N E S W 0 6000 12000 24000 36000 GRADE GRADE 1 2 2 3 4 � 43: �����������������
N E S W 0 6000 12000 24000 36000 VALUE VALUE 3 6 9 12 15 � 44: ���������������� N E S W 0 6000 12000 24000 36000 PERCENT PERCENT 2 4 5 7 9 11 13 14 16 18 � 45: ��������������
4.5
�
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
��
�
�
��� 4.4 ��������������������������������� 4.3 �������������������������������������� � 5 ������������������� 46 ����� 46 ����������� 47 ��������������������������������������� �������� � 5: ������������ ��������� �� ��80 ��(Very High, VH) ��70�80�� �(High, H) ��60�70�� ��(High Moderate, HM) ��50�60�� �(Moderate, M) ��40�50�� ��(Low Moderate, LM) ��30�40�� �(Low, L) ��30 ��(Very Low, VL)H
0 2650 5300 10600 15900 公尺 圖例 補注潛勢分數總和 VL L LM M HM H VH � 46: �������龍井鄉 北屯區 伸港鄉 大肚鄉 南屯區西區 和美鎮 線西鄉 烏日鄉 南區 鹿港鎮 大里鄉 彰化市 霧峰鄉 秀水鄉 福興鄉 花壇鄉 芬園鄉 芳苑鄉 埔鹽鄉 草屯鎮 大村鄉 二林鎮 員林鎮 溪湖鎮 埔心鄉 南投市 永靖鄉 社頭鄉 埤頭鄉 田尾鄉 大城鄉 田中鎮 北斗鎮 竹塘鄉 名間鄉 溪州鄉 二水鄉 麥寮鄉 竹山鎮 二崙鄉 崙背鄉 西螺鎮 莿桐鄉 林內鄉 台西鄉 斗六市 土庫鎮 虎尾鎮 褒忠鄉 東勢鄉 斗南鎮 四湖鄉 古坑鄉 元長鄉 大埤鄉 口湖鄉 水林鄉 北港鎮 溪口鄉 大林鎮 新港鄉 梅山鄉 民雄鄉 六腳鄉 竹崎鄉 東石鄉 太保鄉 嘉義市 番路鄉 朴子鎮
H
0 2650 5300 10600 15900 公尺 圖例 台灣鄉鎮圖 補注潛勢分數總和 VL L LM M HM H VH � 47: ��������������
�
��
�
��
�
�
�
��
�
�
��
�
��
�
��
�
�
5.1
�
�
��
�
�
1. ������������������������������������� �������� 2. ���������������������� 89 �� 96 ���������� ������������������������������������� ������������������������������������� ����� 3. ����������������DRASTIC���������������� ������������������������������������ ������������������������������������� ������������� 4. ����� Shaban ����������������������������� ������������������� 5. ������������������������������������� ������������������������������������ ��5.2
�
�
��
�
�
1. ������������������������������������� �������������������������������
�
�
��
�
��
�
�
�
�
��
�
��
�
��
�
�
1. Mondal, N. C. and V. S. Singh (2004) A new approach to delineate the groundwater recharge zone in hard rock terrain,Current Science, Vol. 87, 5, 10.
2. National Water Well Association,”DRASTIC: A Standardized System for Evaluating Ground Water Pollution Potential Using Hydrogeologic Settings”,USEPA,May 1985. 3. Schwartz, F.W., and Zhang, H. (2003) Fundamentals of ground water, John Wiley Sons,
New York.
4. Shaban, A., M. Khawlie, and C. Abdallah (2006) Use of remote sensing and GIS to determine recharge potential zone: the case of Occidental Lebanon, Hydrogeology Journal, 14: 433-443.
5. Yeh, H.F., Lee, C.H., Hsu, K.C., and Chang, P.H. (2008) GIS for the assessment of the groundwater recharge potential zone. Environ. Geol., Vol. 58, 185-195.
6. ��������������1997��������������������� ������������������ 7. ������������1994����������������������� ������������������������������������� ��� 8. ������������1995����������������������� ������������������������������������� ��� 9. ������������1996����������������������� ������������������������������������� ������ 10. �����1998������������������������������ ������������������ 11. ���������1996�������������������������� ������ 12. ����������������1996������������������� �������������������207�221�� 13. ����������������2005������������������� ���������������������1-28�� 14. ��������1996��������������������������� ��������165-179��
15. ������������1997����������������������� �������96P� 16. ����1998������������������������������� �� 17. ��������2000��������������������������� ������ 18. �������1957���������������������������� �����206�� 19. �������1973�������������������������� 20. ��������������������2003��������������� �����������������������125-139�� 21. ��������2009��������������������������� ����22�� 22. ����1996������������������������������ �� 23. ������������1999a����������������������� ���������������pp.369- 376� 24. ������������1999b����������������������� �����������pp.65-76 25. ��������1996��������������������������� �����������181-206�� 26. ����������������1998������������������� ���������������69P� 27. �����������1995�������������������102�� 28. �����������1999��������������������129�� 29. ��������1996�1997����������������-�������� ����������������������� 30. ��������1999��������������������������� �������
41
1.
Ŷ
Ƒ
100
2.
Ƒ
Ƒ
Ŷ
Ƒ
Ƒ
Ƒ
Ŷ
Ƒ
Ƒ
Ŷ
3.
500
99 10 31
z 12/14
Keynote
Bibring
z 12/15
z 12/16
12/17
NSC 98 2625 E 009 005
--
:
(I)
99
12
14
99
12
18
(
)2009 AGU
(
)AGU Fall Meeting 2009
(
)
(
) Integrating Evolution Algorithms with Linear Programming to the
Conjunctive Use of Surface and Subsurface Water
43
AGU
16,000
AGU
AGU
AGU
(
)
1.
2.
3.
( )
1. American Geophysical union 2008 Fall Meeting
:
AGU 2009
2. Fall Meeting
3. 2.
AGU 2009 Fall Meeting
Integrating Evolution Algorithms with Linear Programming to the Conjunctive Use of
Surface and Subsurface Water
Liang-Cheng Chang Yu-Wen Chen Chen-Che Pan
Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University, Taiwan, ROC
ABSTRACT
Surface water resources are strongly influenced by hydrological conditions, and using only
surface water resources as water supplies may have higher shortage risk than before because
of the climate change caused by the global warming. Conjunctive use of surface and
subsurface water is one of the most effective water resource practices to increase water supply
reliability with minimal cost and environmental impact. Therefore, this paper presents a novel
stepwise optimization model for optimizing the conjunctive use of surface and subsurface
water resources management.
At each time step, a two level decomposition approach was proposed to divide the
nonlinear optimal conjunctive use problem into a linear surface water sub-problem and a
nonlinear groundwater sub-problem. Because of the two level decomposition approaches, a
hybrid framework is used for the implementation of the conjunctive use model. In the hybrid
framework, evolution algorithms, Genetic Algorithm (GA) and Artificial Neural Network
(ANN), and Linear Programming (LP) are used for model solving. GA and LP are respectively
used for determining the optimal pumping quantities and reservoir allocation, and ANN is
used for the groundwater simulation. In the groundwater simulation, this study uses an ANN
to simulate groundwater response and greatly reduce computational loading for unconfined
aquifers, unlike conventional “response matrix method” or “embedding method”. Because of
the very high performance of LP, the usage of LP for the linear surface water sub-problem can
significantly decrease the computational burden of entire model.
In this study, four cases have been demonstrated. Case #1 is a pure surface water case and
others are conjunctive use cases. In Case #2, “surface water supply firstly” is the supply
principle between surface water. In Case #3 and #4, the “Index Balance” theory is the supply
principle and different operation curves used in different cases respectively. The case result
has been compared as below. First, the case comparison between Case #1 and #2 indicates that
a small but reliable groundwater supply can significantly decrease the water supply risk. With
45
“surface water supply firstly” policy, an additional groundwater supply, whose maximum
supply capacity is just 8.67% of the total water demand, can significantly decrease the
shortage index (SI) from 2.93 to 1.54. Second, these comparisons between Case #2 and #3 or
#2 and #4 demonstrate that extending the principle of “rule curve” operation to groundwater
supply can dynamically balance the use of groundwater and surface water resources.
Therefore, the “rule curve” operation for groundwater also can further increase the operating
efficiency of water supply. Because of the higher operating efficiency of the proposed model,
the SI can significantly decrease to 1.13 or 0.79 depend on different rule curve of groundwater.
Finally, because of the usage of the hybrid framework and ANN, the computational efficiency
of proposed model is higher than other models with purebred framework or traditional
groundwater simulation. Therefore, the proposed model has ability to extend to solve a
complicated large field problem and also will be a valuable tool for conjunctive surface and
subsurface operations planning.
2 0
0 9
Fa
ll M
ee
tin
g
A
G
U
H23C-0974
Author : Liang-Cheng Chang 1 Yu-Wen Chen 2 Chen-Che Pan 3
I
ntegr
ating Evolution Algorithms with Linear Programming to the Conjunctive Use of Surface
and Subsurface Water
Liang-Cheng Chang
Professor of Department of the Civil Engineering, National Chiao Tung University, 1001
University Road, Hsinchu, Taiwan 300, ROC
email : [email protected]
Yu-Wen Chen
Post-Doctor of Department of the Civil Engineering, National Chiao Tung University, 1001
University Road, Hsinchu, Taiwan 300, ROC
email : [email protected]
Chen-Che Pan
PhD. candidate of Department of the Civil Engineering, National Chiao Tung University,
1001 University Road, Hsinchu, Taiwan 300, ROC
email : [email protected]
Introduction
1. The changing climate make the happen frequency of water supply
shortage increases than before.
2. Only using surface water resource is easily effected under extreme
climate condition and also associates with high supply risk.
3. On the contrary, because the relationship between groundwater
resource and rainfall quantity is not so close, conjunctive use
between surface and subsurface water can make water supply
stable.
Methodology
A hybrid algorithm is proposed for the conjunctive use model of
surfaceand subsurface model.
Model Architecture
Artificial Neural Network: Ggroundwater system (the groundwater
transfer function)
Linear Programming :Gsurface water system (determine the
reservoir
supply amount
)
Genetic Algorithm :Gthe bridge between surface water and subsurface
water system (determine the
pumping rates
)
figure1 : The model architecture for CUMM.
Model Objective Function (Original)
: means water supply quantity of the k-th linkage at the t-th time step and
also is the decision variable
: means groundwater pumping quantity of the k-th well and also is one of the
decision variables
: means the ratio of water shortage to water demand for the i-th demand node
: means index value discrepancy between the m-th and the n-th reservoir
: means index value discrepancy between surface water system and
groundwater system
: means ratio of spare volume to system capacity for the j-th reservoir
: means ratio of spare volume to system capacity for groundwater system
and
: are assigned to present the priority between different sub-objects
Modified Model Objective Function for Hybrid Algorithm
The entire problem can be divided into a primary sub-problem and secondary
sub-problem.
Primary sub-problem (solved by Genetic Algorithm)
Secondary sub-problem (solved by Linear Programming)
Groundwater ANN model development
Numerical Cases
A recursive ANN model is used to simulate the relationship between groundwater level and
pumping. The training and verification data for ANN is collected from a numerical model,
MODFLOW 96, and groundwater system structure is shown as Fig. 2. The structure of the ANN
model for training stage and prediction stage are shown as Fig. 3. The input nodes contain
state variables, , and decisionvariables , and the output nodes just contain state
variables, In the prediction stage, the structure of recursive ANN model needs to be
modified as Fig. 3(b). Similar with the traditional numerical models, the results calculated from
output nodes are recursively assigned to the input nodes for the next step simulation.
Three cases have been presented in this study (shown as Table 4. Case #1 is a case of surface
water independent operation and Case #2 and #3 are cases of conjunctive use operation. In
Case #2, the wells just supply while the surface system is empty by using "surface water supply
firstly" policy. In Case #3, the supply policy is determined by our proposed model, CUMM.
Cases Result
Comparing Case #1 and #2, an additional groundwater supply, whose maximum
supplycapacity is just 8.67\% of the total water demand, can significantly decrease
the shortageindex (SI) from 2.93 to 1.54.
Comparing Case #2 and #3, the higher operating efficiency of the proposed model
make the system SI significantly decrease to 1.13.
Because of the usage of the hybrid framework and ANN, the computational efficiency
of proposed model is higher than other models with purebred framework or traditional
groundwater simulation.
The proposed model has ability to extend to solve a complicated large field problem
andalso will be a valuable tool for conjunctive surface and subsurface operations
(
)
2009 AGU
(
)
... 1
... 2
... 2
... 3
2
:
AGU Fall Meeting
2009
12
14
18
5
16,000
15,815
15,815
(Hydrology)
(Atmospheric Science)
12.2%
11.1%
:
z 12/14
Keynote
Bibring
z 12/15
z 12/16
12/17
:
:
Integrating Evolution Algorithms with Linear Programming to the
Conjunctive Use of Surface and Subsurface Water
Liang-Cheng Chang Yu-Wen Chen Chen-Che Pan
Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University,
Taiwan, ROC
ABSTRACT
Surface water resources are strongly influenced by hydrological
conditions, and using only surface water resources as water supplies may
have higher shortage risk than before because of the climate change
caused by the global warming. Conjunctive use of surface and subsurface
water is one of the most effective water resource practices to increase
water supply reliability with minimal cost and environmental impact.
Therefore, this paper presents a novel stepwise optimization model for
optimizing the conjunctive use of surface and subsurface water resources
management.
At each time step, a two level decomposition approach was proposed
to divide the nonlinear optimal conjunctive use problem into a linear
surface water sub-problem and a nonlinear groundwater sub-problem.
Because of the two level decomposition approaches, a hybrid framework
is used for the implementation of the conjunctive use model. In the hybrid
framework, evolution algorithms, Genetic Algorithm (GA) and Artificial
Neural Network (ANN), and Linear Programming (LP) are used for
model solving. GA and LP are respectively used for determining the
optimal pumping quantities and reservoir allocation, and ANN is used for
4