行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫：淹水監測預警系統規劃研究(1/2)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC91-2625-Z-009-001- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學工學院防災工程研究中心 計畫主持人： 許盈松 共同主持人： 謝慧民，楊錦釧 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 92 年 6 月 3 日行政院國家科學委員會專題研究計畫期中報告
防洪水利設施受損淹水數值模式之研發及應用(二)
－子計畫：淹水監測預警系統規劃研究（二）
Development of a Numerical Model for Urban Inundation
under the Damage of Storm Sewer Systems (II)
計 畫 編 號 ： NSC 9 1 - 2 6 2 5 - Z - 0 0 9 - 0 0 1
執 行 期 限 ： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主 持 人 ： 許盈松 研究副教授 國立交通大學防災工程研究中心
第一章 前 言
1-1 總計畫與子計畫分工內容概述
1. 整合之必要性 (1)總體計畫目標 自從民國八十六年行政院國科會成立防災國家型計畫以來，有 關研究防洪項目之主要目標在於握掌握不同暴雨情況下，台灣都會 地區之可能淹水區域及淹水深度，以評估洪災淹水潛勢，並研析流 域因不同颱洪降雨事件所導致之淹水災害境況模擬，進而研擬出減 災應變措施及災害損失評估模式，最後再將流域防護基本資料庫與 淹水災害境況模擬結合，建立一套颱洪災害決策支援與展示系統， 作為災害減輕及防災作業之參考。然而，除了大自然之颱洪降雨事 件所導致之淹水洪災外，由於人為之防洪水利設施受損而造成之洪 災，亦是形成淹水災害的主要成因。防洪水利設施之構築，基本上 乃是為保護河川沿岸人口密集、地勢低窪之都會區。 台灣地區為有效利用土地其大多在河川沿岸大多築堤束洪，或 於河川上游築埧蓄洪，以防範水患，惟防洪問題涉及土地利用、工 程及管理營運眾多因素，錯綜複雜。但是，由於防洪設施常因工程 施工不良、營運管理不當或地震災害的自然因素，於颱洪來臨時， 若因兩岸堤防閘門損壞、抽水站操作故障、都會區內下水道排水系 統受損、河川上游蓄洪水庫或集水區滯洪設施受損潰壞，可能造成 嚴重之淹水或積水難退之災害，導致人民生命財產及國家社會經濟 將蒙受重大損失。故防洪設施受損之淹水模擬及監測之研發與應用 實屬重要。 本整合型計畫乃依據國科會永續會九十學年度「第二期防災國 家型科技計畫規劃」之研究重點，針對目前及未來防洪科技研究相 當關鍵的課題，提出「防洪水利設施受損淹水數值模式之研發及應 用」之構想計畫內容。 本研究重點前二年為基本理論及模式之研發，第三、四年則初 步選定經過台北縣市的淡水河流域為研究區域加以應用探討，最後一年則將各子計畫間加強整合於視窗化之工作環境中，讓使用者應 用時，得以易學易操作。 研究區域選定淡水河流域，其中下游及支流流經縣市均為台灣 的精華地帶，淹水帶來的損失遠大於其他流域，也是淹水監測預警 系統規劃需求性較高之標的，尤其基隆河沿岸汐止、五堵一帶常有 水患，淹水高度最深更達二層樓，災害損失嚴重，甚或危及居民生 命的安全。淡水河主要支流及流經區域如表 1-1 所示。淡水河流域 範圍如圖 1-1 所示。基隆何常淹水地區如圖 1-2 所示。 表 1-1 淡水河主要支流及流經區域(節錄經濟部水利署網站資料) 發源地 品田山(標高 3,529 公尺，位於新竹縣及台中縣交界) 主要支流 大漢溪、新店溪、基隆河、三峽河、景美溪、北勢溪、疏洪道 流域面積 2,726 平方公里 幹線長度 158.7 公里 計畫洪水量 23000 秒立方公尺 平均坡度 1:122 流經區域 台北市 台北縣 : 三峽鎮、鶯歌鎮、樹林鎮、土城市、板橋市、三重市、新 莊市、蘆洲鄉、五股鄉、八里鄉、淡水鎮、新店市、深坑鄉、汐止 鎮、瑞芳鎮、平溪鄉、泰山鄉、石碇鄉、坪林鄉、中和市、永和市、 基隆市 桃園縣 : 復興鄉、龍潭鄉、大溪鎮、龜山鄉 新竹縣：尖石鄉、關西鎮 本整合型計畫結合國立台灣大學、交通大學及逢甲大學各校具 有水利工程領域專長之教授專家，規劃五年期間完成建立都市雨水 下水道系統輸水淹水模式，研發抽水站及閘門受損之迴圈型區域排 水模式，結合淹水監測模式之規劃與建置，發展河川上游水庫受損 淹水模式，建立集水區滯洪設施受損逕流淹水模式，各子計畫之模 式與成果，並由總計畫整合規劃於視窗展示操作系統中。
圖 1-1 淡水河流域範圍 圖 1-2 基隆河常淹水地區 (2)整體分工合作架構 本整合型計畫針對各項防洪水利設施受損時，所造成之淹水災 害進行模擬研究。各子計畫首先考慮各相關水利設施之營運操作方 式與維護，分析各設施可能在颱洪發生時造成損壞之成因與影響，
以作為控制淹水模式之邊界條件，進而發展建立淹水模式。以河川 流域之整體觀點來看，在河川集水區內之滯洪設施以及水庫，具有 減洪滯洪之功能；假若颱洪期間，其因人為或天然外力受損時，對 於河川兩岸低窪地區可能造成嚴重之淹水災情，再者當河道水位高 漲時，立即阻緩自都會區排水系統所匯入河道中之水流，而其匯入 河道前所經過之抽水站及堤防閘門則是水理現象之控制要素，若有 損壞將進而引發都會區之淹水或積水，造成嚴重之損失。 此外，台灣地區河川兩岸之都會區大都以築堤束洪，並高度開 發使用土地，由於人口密集、工商繁榮，因此，都會區內的防洪措 施（如堤防、水門等）或排水系統（如雨水下水道幹線、抽水站等） 必須保護有較高的標準；再者，上游河川具防洪功能之水庫或集水 區內之滯洪設施，對減洪亦有十分重要之貢獻。然而，在颱洪期間 這些防洪水利設施若受損害、無法正常運作或發生之洪水大於設計 洪水量時，可能釀成極為嚴重之淹水災害，因此必須針對各項洪水 利設施及淹水監測預警系統進行深入詳細之分析研究，並與淹水災 害之模擬相互結合，以提供政府機關評估災損、支援決策過程之參 考依據。 淹水模擬區之水文降雨條件可參考國科會永續會氣象組整合 型計畫與經濟部推動之洪水預警報系統之相關研究成果，並依所選 定之研究區域中具有排水系統（含抽水站及堤防閘門設施）盆地區 進行都市雨水下水道系統輸水與淹水數值模式之研發（子計畫 一）；然而上述水利設施若受損害而無法正常操作運用時，如何監 測淹水積水之狀態，使低窪地區淹水訊息得以掌控，故需排水淹水 監測預警系統之研發與建置（子計畫二），透過監測儀器設置訊號 傳輸可獲得立即之淹水資訊，提供洪災淹水區域與淹水深度之預 報，以掌握預警時機與效能；對於堤防外之河川水位，將直接影響 都會區內排水系統出口處之水流順暢與否，而若河川上游水庫受損 或其集水區滯洪設施受損，則增大洪水量及河川水位之可能性，使 淹水或積水之洪災更形嚴重，故子計畫（三）將對河川上游水庫受 損淹水數值模式。最後，總計畫將各子計畫之模式整合於視窗化平 台中，並利用圖形介面展示模擬成果，同時參考、引用及結合國科 永續會防洪組整合型計畫之研發展示方式，使防洪水利設施受損後 所造成淹水模擬結果可提供政府機關決策支援、災區居民洪災訊息
及疏散應變措施之擬定。 (3)分年研究重點 本整合型計畫依據都市雨下水道系統受損、淹水監測預警系 統、抽水站閘門受損、上游河川水庫受損以及集水區滯洪設施受損 之淹水模式研發及應用，共分五個子計畫，預計五年間完成總計畫 目標。分年研究重點如下： 第一年（民國 90 年 8 月～91 年 7 月）： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (I)： a.雨水下水道模擬資料蒐集及研析 b.市區暴雨排水模式（含雨水下水道系統輸水模式）之建立 c.淹水模式之選定 d.雨水下水道結構物受損原因與情形探討 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 (I)： a.國內外都市排水監測預警系統相關研究蒐集整理 b.國內都市排水特性評估研討 c.國內外都市排水規劃分析方法比較評估 d.國內都市排水監測預警系統需求評估 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (I)： a.資料蒐集研析 b.國內外潰壩模式之比較 c.二維潰壩模式之建立 d.二維潰壩模式之測試 第二年（民國 91 年 8 月～92 年 7 月）： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (II)： a.雨水下水道排水系統網路之建立 b.市區暴雨排水模式之測試 c.淹水模式之測試 d.淹水模式參數之檢定驗証 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 (II)：
a.都市排水監測預警系統整體架構（軟硬體）建置評估 b.都市排水監測分析方法評估 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (II)： a.二維潰壩模式之模擬與驗證 b.結合二維潰壩模式與二維淹水模式 c.進行各種水庫受損時淹水之情境模擬 第三年（民國 92 年 8 月～93 年 7 月）： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (III)： a.淡水河流域排水系統及水文資料彙整與研析 b.選擇一區排水分為模擬建置排水系統幹線資料 c.模擬降雨逕流與下水道排水銜接 d.人孔或幹渠溢流及回流模擬 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 (III)： a.以淡水河流域為研究案例，擇定合宜地點進行都市排水監測預 警系統建置規劃 b.以前述研究案例，進行都市排水監測分析方法研究 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (III)： a.淡水河流域相關水文、地文資料之蒐集與建立 b.不同頻率年颱洪時淡水河上游現況淹水模擬 c.不同頻率年颱洪時潰壩淹水模擬 d.水庫受損時淹水虛擬實境之模擬展示 第四年（民國 93 年 8 月～94 年 7 月）： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (IV)： a.模擬雨水下水道及抽水站操作 b.銜接雨水下水道溢流與淹水模式 c.探討不同損壞機制下淹水情形 d.建立淹水模擬區之地理資訊系統 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 (IV)： a.進行研究案例之都市排水監測預警系統實際建置工作 b.預警功能及管理值研訂課題探討 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (IV)：
a.潰壩淹水之潛勢分析 b.潰壩淹水警戒區域劃定 c.潰壩淹水災害損失評估 d.提供子計畫(一)、(二)、(三)之上由邊界條件 第五年（民國 94 年 8 月～95 年 7 月）： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (V)： a.與子計畫(二)淹水監測預警系統整合 b.與子計畫(三)河川上游水庫受模擬之河道淹水整合 c.與子計畫(四)集水區逕流淹水模擬整合 d.以視窗化展示成果 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 (V)： a.研究案例之都市排水監測資料分析評估 b.都市排水監測分析方法檢討 c.都會防洪決策支援系統建構評估 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 (V)： a.整合淡水河流域防洪設施受損淹水災害模擬 b.提供決策支援中潰壩淹水時災害損失評估資料 c.整合潰壩淹水模式虛擬實境銜接洪災決策支援系統 2. 人力配合度 本研究計畫結合台大、交大及逢甲大學水利相關教授專家組 成，計畫總主持人林國峰教授，曾主持或共同主持都會區逕流水、 洪水防災相關群體計畫多項，對計畫進度之掌控各子計畫間之協 調、彙整具有相當經驗，相信可勝任計畫整合之工作。而各子計畫 主持人所參與之主題亦為其主要專長之研究領域，故在整合型計畫 之推動上，當可相互協調、分工合作以達成計畫總目標。各子計畫 之主持人及子計畫名稱分別為： 總計畫：（台灣大學土木系林國峰教授） 防洪水利設施受損淹水數值模式之研發及應用 子計畫一：（台灣大學土木系林國峰教授） 都市雨水下水道系統受損淹水數值模式之研發 子計畫二：（交通大學防災工程研究中心許盈松副研究教授）
淹水監測預警系統規劃研究 子計畫三：（逢甲大學水利系廖清標副教授） 河川上游水庫受損淹水數值模式之研發 3. 資源之整合 (1)人力資源 本整合型研究計畫包括三個子計畫，分別由國內三所大學水利 工程領域專長之教授專家擔任主持人。各子計畫主持人所參與之主 題亦為其主要專長之研究領域，故在整合型計畫之推動上，當可相 互協調、分工合作，以達成計畫之總目標。 (2)計畫協調及成果交流 a.為掌握各子計畫之研究進度及合作配合事項，平時每三個月召 開一次工作討論會，進而協助解決各子計畫於執行期間所面臨 之問題，以確保各子計畫之研究品質及成果。 b.為檢討整體計畫之研究方向、研究區域之劃分與選定，期使研 究成果能落實及應用，將不定期召開各子計畫主持人與相關單 位之座談會。 c.將各子計畫之研究成果建立一整合之視窗展示介面，提供動態 之淹水模擬成果展示。 4. 申請機構或其他單位之配合度 台灣大學土木工程學研究所及水工試驗所已購置工作站型電 腦與全球定位系統（GPS）之野外量測設置可支援本計畫之執行， 近兩年總計畫主持人林國峰教授曾參加淡水河流域防洪預警報規 劃計畫之研究，淡水河研究區中之內氣象、水文、地文及人文資料 都可以充分提供本計畫之應用，且研究區域之數值地型（DTM）資 料亦可供各子計畫使用。 5. 預期綜合效益 本防災整合型計畫擬於五年期間完成下列多項目標： 子 計 畫 (一 )都 市 雨 水 下 水 道 系 統 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發
a.市區暴雨排水模式（含雨水下水道系統輸水模式）之建立 b.雨水下水道排水系統網路之建立 c.建立人孔或幹渠溢流及回流模擬 d.選擇一區排水分為模擬建置排水系統幹線資料 e.建立淹水模擬區不同損壞機制下淹水情形之地理資訊系統 子 計 畫 (二 )淹 水 監 測 預 警 系 統 規 劃 研 究 a.完成國內外都市排水監測預警系統現況評析 b.完成都市排水監測預警系統整體架構（軟硬體）建置評估 c.完成研究案例之都市排水監測分析方法建立 d.進行研究案例之都市排水監測預警系統實際建置工作 e.完成都會防洪決策支援系統建構評估及未來展望建言 子 計 畫 (三 )河 川 上 游 水 庫 受 損 淹 水 數 值 模 式 之 研 發 a.建立二維潰壩模式 b.建立水庫受損時淹水模擬及潰壩後河川之疏洪能力 c.淡水河流域合適二維潰壩、淹水動態境況模擬模式之建立 d.獲得實際土地利用狀況，分析淹水區域之淹水高度及淹水時 間，進行洪災損失評估 e.獲得研究區域相關資料，瞭解該地區之淹水潛勢及危險度 總計畫將開發視窗化操作洪災展示系統，讓使用者能易於操作 或學習；而其成果可讓政府及民間充分了解及掌握可能發生之災害 訊息，及早做好應變措施，以減少洪災損害。此外，本整合型計畫 之研究模擬及建議之相關成果，可提供行政院防災會報、經濟部水 利單位、內政部消防署、各縣市政府防洪指揮中心、各鄉鎮市公所、 河川局等機關之應用，透過模式之研發使用，將獲致提供政府機關 決策支援、災區居民洪災訊息及疏散應變措施擬定之績效。 本子計畫為(二)淹水監測預警系統規劃研究，此報告為第一年 成果報告，著重在國內外淹水監測預警系統相關資料之蒐集與分 析，應用在台灣地區尤其是淡水河流域時，應如何規劃整體系統配 置以掌握及預測淹水範圍及時間，監測分析結果有助於防救災工作 之掌握及災後淹水原因的檢討與財物損失的估計。將搭配總計畫目 標整合於視窗化平台，提昇相關單位決策支援之判斷能力。
1-2 研究動機與目的
自從民國八十六年行政院國科會成立防災國家型計畫以來，有 關研究防洪項目之主要目標在於握掌握不同暴雨情況下，台灣都會 地區之可能淹水區域及淹水深度，以評估洪災淹水潛勢，並研析流 域因不同颱洪降雨事件所導致之淹水災害境況模擬，進而研擬出減 災應變措施及災害損失評估模式，最後再將流域防護基本資料庫與 淹水災害境況模擬結合，建立一套颱洪災害決策支援與展示系統， 作為災害減輕及防災作業之參考。然而，除了大自然之颱洪降雨事 件所導致之淹水洪災外，由於人為之防洪水利設施受損而造成之洪 災，亦是形成淹水災害的主要成因。防洪水利設施之構築，基本上 乃是為保護河川沿岸人口密集、地勢低窪之都會區。 台灣地區為有效利用土地其大多在河川沿岸大多築堤束洪，或 於河川上游築埧蓄洪，以防範水患，惟防洪問題涉及土地利用、工 程及管理營運眾多因素，錯綜複雜。但是，由於防洪設施常因工程 施工不良、營運管理不當或地震災害的自然因素，於颱洪來臨時， 若因兩岸堤防閘門損壞、抽水站操作故障、都會區內下水道排水系 統受損、河川上游蓄洪水庫或集水區滯洪設施受損潰壞，可能造成 嚴重之淹水或積水難退之災害，導致人民生命財產及國家社會經濟 將蒙受重大損失。故防洪設施受損之淹水模擬及監測之研發與應用 實屬重要。 本研究重點前二年為都市淹水預警系統基本理論及模式之研 發，第三、四年則初步選定淡水河流域為研究區域加以建置應用探 討，最後一年則將各子計畫間加強整合於視窗化之工作環境中，讓 使用者應用時，得以易學易操作。 本計畫首先考慮各相關水利設施之營運操作方式與維護，分析 各設施可能在颱洪發生時造成損壞之成因與影響。以河川流域之整 體觀點來看，在河川集水區內之滯洪設施以及水庫，具有減洪滯洪 之功能；假若颱洪期間，其因人為或天然外力受損時，對於河川兩 岸低窪地區可能造成嚴重之淹水災情，再者當河道水位高漲時，立 即阻緩自都會區排水系統所匯入河道中之水流，而其匯入河道前所 經過之抽水站及堤防閘門則是水理現象之控制要素，若有損壞將進 而引發都會區之淹水或積水，造成嚴重之損失。此外，台灣地區河川兩岸之都會區大都以築堤束洪，並高度開 發使用土地，由於人口密集、工商繁榮，因此，都會區內的防洪措 施（如堤防、水門等）或排水系統（如雨水下水道幹線、抽水站等） 必須保護有較高的標準；再者，上游河川具防洪功能之水庫或集水 區內之滯洪設施，對減洪亦有十分重要之貢獻。然而，在颱洪期間 這些防洪水利設施若受損害、無法正常運作或發生之洪水大於設計 洪水量時，可能釀成極為嚴重之淹水災害，因此必須針對各項洪水 利設施及淹水監測預警系統進行深入詳細之分析研究，並與淹水災 害之模擬相互結合，以提供政府機關評估災損、支援決策過程之參 考依據。 本研究目的在研發建構排水淹水監測預警系統，當上述水利設 施若受損害而無法正常操作運用時，如何監測淹水積水之狀態，使 低窪地區淹水訊息得以掌控，透過監測儀器設置訊號傳輸可獲得立 即之淹水資訊，提供洪災淹水區域與淹水深度之預報，以掌握預警 時機與效能，進而減少或避免災害的發生。
1-3 研究範圍與方法
本計畫共分五年執行，第一年預期完成國內都市排水監測預警 系統需求評估，第二年預期完成研究案例之都市排水監測分析方法 建立，第三年及第四年則預期完成研究案例之都市排水監測預警系 統實際建置工作，第五年則對建置好之監測預警系統作分析評估， 並完成都會防洪決策支援系統建構評估。以下將詳述其研究方法及 進行步驟。研究方法：(五年內完成的淹水監測預警系統內容說明)
一、系統架構 『淹水監測預警系統』(以下簡稱本資訊系統)之系統架構，擬 分為單機(訊息接收處理儲存)及網路(訊息加值決策支援)兩層級。 本資訊系統之單機部分，以建置蒐集防洪水利設施水位監測及洪氾 區淹水位監測資訊為主，展示為輔，有簡易視窗操作介面、地理位 置圖及淹水位歷線圖等﹔網路層級部分，則單就防洪水利設施水位 監測及洪氾區淹水位監測成果之展示為規劃範圍，主要以平面可能 淹水的分析資訊展示套疊為主，並以瀏覽器為其操作介面。 二、軟硬體規劃 由於對空間資訊的大量需求，本資訊系統之軟體部分，擬採用 美國 ESRI 公司之地理資訊系統，單機部分以 ArcView 進行 GIS 資料建置與系統模組開發，輔以 Delphi 或 Java 發展相關應用程式， 監測資料先轉入資料庫伺服器主機後，再轉出為 GIS 可讀取的格 式，以利進行後續的分析工作﹔網際網路部分，則選擇 ArcIMS 為 展示作業平台。 三、系統功能 (一)單機層級地理資訊系統 1. 圖層編修與管理模組 針對研究區域雨水下水道相關圖籍，提供介面管理，除將其轉化為地理資訊系統可用之格式外，亦提供編修管理功能。圖層之內 容可包括： a.基本參考圖：研究區域千分之一地形平面圖、剖面圖、千分之 一街廓圖、農航所相片基本圖、區/村里行政區圖、研究區域建 築區圖、路網分布圖等。 b.水文/雨水下水道相關圖籍：雨水下水道分布圖、水位監測偵測 器配置圖、研究區域河川/湖泊分布圖、水利設施位置圖、雨量 站、水庫、水門、水位站、河海堤位置圖等 c.其他：警察局、消防隊、防災公園等防救災資源之分布圖。 2. 水情水理資料庫建置模組 配合『雨水下水道水位監測系統』資料庫，或另以 Access 或 MS-SQL 為資料庫平台，建置水位水情資料庫。資料庫內容包含： a.水情資料：氣象局之颱風、雨量等資料。資料庫之內容，以中 央氣象局點對點連線定時遙控撥接的接收資料為主，其他水情 資料為輔，並藉由另行開發之應用程式轉入資料庫提供後續分 析或模擬使用。 b.水位資料：由本計畫所建置之雨水下水道水位監測及淹水位偵 測器，透過網路即時傳回之水位，經接收伺服器取得結果後， 依時間及水位計編號，直接紀錄於資料庫伺服器中，再由應用 程式轉為本地理資訊系統可讀取的資料格式，提供後續分析使 用。 c.水理分析成果：研究水理之機制，開發水位預報模組，並考量 水理分析之時距後，定時驅動水理分析模組，將水理分析之結 果，依水位發生之時間寫入資料庫中。 3. 下水道水位資訊模組 透過地理資訊系統之查詢方式，可進行圖資互查之作業。使用 者可直接於地圖上，以點選方式，查詢雨水下水道內，任一水位偵 測器目前之水位狀況，是謂由圖查資﹔本模組擬提供之查詢方式， 是謂資料查圖。經由 SQL 複合資料搜尋，可查詢符合設定條件之 雨水下水道地區與水位監測偵測器分布，其目前之水位狀況亦可進 一步取得。下水道水位資訊模組之功能包括：
a.水位警示：使用者設定警戒水位後，系統即自動偵測各水位監 測偵測器目前之水位狀況。若資料庫中之紀錄已達警戒水位， 系統將自動彈出視窗，警示水位監測偵測器之編號，提醒使用 者進行後續處置。 b.水位概況：水位監測偵測器位置之展現，擬以圖形化方式，將 其視為一點圖元，將其分布標註於地圖上。以 GIS 結合自行開 發之常駐程式，定時查詢水情水理資料庫，並將所得之水位狀 況，依照所在範圍，以不同級距之顏色表示。級距之區分以水 理慣用者為準。查詢者可一眼看出防汛期，各地雨水下水道之 水位概況。 c.複合查詢：使用 SQL 語言，開發介面程式，提供使用者進行複 合查詢。透過資料查圖之方式，將符合使用者設定條件之水位 監測偵測器，以醒目顏色標示﹔使用者可由圖面得知需注意之 偵測器分布，或藉由圖查屬性之操作方式，進一步查詢該族群 內，某一偵測器之水位資訊，如歷史水位等等。 4. 水理分析預測結果查詢模組 本模組之目的，在於展示水位預報系統分析後，紀錄於資料庫 之結果。功能規劃： a.水理分析結果：顯示指定之水位站，其水理分析結果。如歷史 水位紀錄、降雨-逕流歷線等。 b.淹水範圍顯示：將水情水理資料庫中各個水位監測偵測器之目 前水位資訊及淹水位監測資訊，利用 GIS 圖形化介面之特性， 於地圖上利用 Arcview 的 Spatial Analyst 模組作淹水深空間內 插，動態繪製目前時間之淹水範圍。規劃以不同顏色之代表不 同級距之淹水狀況，如以黃色警示淹水深度已達 30cm，紅色 代表 100cm，至於水退情況時則以黑色表示。決策者可藉由圖 面得知淹水地區及搶救之優先順序。另外也可以作為檢討防洪 設施成效的參考。 c.淹水深度顯示：使用者指定特定地區之下水道水位監測及淹水 位監測偵測器，系統提供介面展示該地區之剖面，並將水情水 理資料庫中，該地區各個水位監測偵測器目前之水位，以示意 圖之方式標示於剖面圖上；或者以前述內插結果作圖查資查詢 已知點的可能淹水深度。這些淹水位置可以作為規劃或檢討淹
水位監測點分布的參考。 d.水位預報：動態連結水情水理資料庫中，進行水理分析，預測 設定時間時，指定之水位站，其可能之水位。使用者可於圖上 點選水位站查詢。系統可以動態圖像之方式顯示水位與周圍地 形地物之關係，便於查詢者了解可能之水位變化。 e.淹水範圍預報：將水情水理資料庫中之水理分析成果，於地圖 上利用 Arcview 的 Spatial Analyst 模組作預報淹水深空間內 插，動態繪製將來可能之淹水地區。此一淹水範圍可提供決策 者進行搶救災之參考，或作為將來淹水範圍預報之用。 f.淹水深度預報：將水情水理資料庫中之水理分析成果，動態於 地圖上繪製將來可能之淹水深度等值線或以顏色區分其範 圍，並可以圖查資的查詢方式得到已知點的預報淹水深度。使 用者可參考此一淹水深度等值線進行搶救災之應變，或據之進 行未來之淹水深度預報。 5. 連結其他網站/系統模組 有鑒於大多數之水情資訊，如颱風動態、豪/大雨資訊、水利設 施災情、防救災資源等，均有其他相關計畫或負責單位已建置完 成，且內容豐富，本系統重新建置未必完整，故連結其他其他網站 /系統已有其可行性與參考性。本模組擬以提供介面，連結其他網站 或系統為主要範圍。 (二)網路層級地理資訊系統 網路層級地理資訊系統(以下簡稱 WebGIS)之規劃，乃是為了 應用 Internet 技術，解除傳統單機之限制，提供遠程展示成果之目 的。 系統規劃之考量，除圖資建置、編修之模組外，上述其他單機 地理資訊系統之功能，若網路技術可達成者，擬儘量予以呈現，故 範圍包括雨水下水道水位監測以及分析之結果。 四、類神經網路應用 以水理模式來模擬都市雨水下水道的各種景況，在相關研究上 已獲致相當良好成果。然而，由於資料收集在時空分配上的難度， 研究成果多半只能應用在時間尺度較長的案例中，且侷限於大區域
的總體判斷，不容易預測分析各管網重要節點上的水位反應。 配合水位監測系統的控制下，直接獲取大量空間適當分佈且動 態變化的水位資料，並透過水理模式模擬，對於上述問題應當能提 出合理的驗證成果。然而，如此大量的空間與時間的管網水位資 料，實務上是否會導致水理模式的應用困難，如計算容量或時間不 敷實際需要等問題，則不無商榷之處。 類神經網路在近年的資訊應用上，具有相當多的優點，尤其以 反傳遞的監督式計算，以已知的輸出入資料作為訓練網路之用，可 反應資料間的非線性關連。經過訓練後的類神經網路架構，對於使 用者具有相當多的實務優點： 1. 不須學習使用艱深的物理模式 2. 計算過程往往較快於物理模式 3. 不會有數值發散的計算問題 當然，類神經網路的應用上也並非完美，潛在的缺點為： 1. 僅為輸出入資料數值上關連性，並未能提出物理特性的說明 2. 其計算精度受限於資料來源，如應用範疇超過訓練資料涵蓋 面，計算成果可信度有待確認。 由於防災業務上對於即時預警的高標準需求，以類神經網路與 水理模式的交互應用，具有符合物理特性與節省計算資源的雙重特 點。因此，研究團隊於本計畫中擬提出如下分析架構： 1. 水理模式用以建立各分區連結機制。 2. 類神經網路用以模擬各分區內的管網節點之動態變化。 因此，水位監測儀器所傳遞的動態資訊，可迅速由類神經網路 中獲得分區中之局部反應，再由水理模式計算，得到整體區域的排 水現況。 由於本計畫的應用範圍較為侷限，研究中擬應用類神經網路， 直接引用水位監測記錄。以上述分區概念，先行推導訓練網路架 構，驗證其局部模擬水理的可行性，以作為未來與全面性水理模式 整合的先期規劃。
1-4 文獻回顧
1-4-1 淹水模式方面的研究 目前台灣較常使用的淹水模式大概分南、北兩套，北部以台灣 大學許銘熙教授發展之『二維漫地流淹水模式』為主；南部則以成 功大學蔡長泰教授發展之『擬似二維淹水模式』為代表。陸續都有 許多學生進行功能改良及運用推廣，目前二維漫地流淹水模式還用 在國科會計劃，用以執行全台灣西部縣市的淹水潛勢計算分析。 十幾年前電子計算機運算速度及儲存空間已能負荷大量的計 算以後，淹水數值模擬才開始有人進行研究，十年前工作站如 VAX 被大量使用來做數學運算，繪圖工具也被發展用來展示成果，直到 PC AT 時代，大型主機才慢慢被其取代，而繪圖工具也轉為 PC 版 本。國內對淹水模擬研究較多的首推成功大學水利系蔡長泰教授及 台灣大學農工系許銘熙教授，蔡長泰教授發展的擬似二維淹水模 式，主要以地形、水系、道路等地文自然及人為邊界來劃分網格， 其網格可為非常不規則形狀，由網格間邊界的控制條件設定來計算 流通量，在網格內用質量守恆概念(零維的連續方程式)保持水量不 會無故消失，再配合邊界設定計算流量及邊界兩側的淹水位及淹水 深，使用矩陣聯合求解，網格數越大，求解時間以等比級數成長， 因此在考量計算時間及精度要求時，常是使用者面臨的一大難題， 不過經過多年來的努力也讓處理網格邊界的複雜工作交由 GIS 來 分析及整理，使人為整理資料的時間縮短了許多，蔡長泰教授曾用 INTERGRAPH 進行淹水模式的資料處理與成果展示環境，模式可 掛於其中並執行及產出成果。後來也因為軟體趨勢使然，轉而採用 ARCVIEW 為其輸入資料整理的工具及環境，並開發自動判斷劃分 網格的功能出來，使該模式實用性又邁出了一大步；而許銘熙教授 發展的二維漫地流淹水模式，以求解正方形網格內的水流動態為基 本的網格假設，利用二維水流的簡化方程式，以有限差分交替方向 顯示法(ADE)求解網格內的淹水位、淹水深及網格間邊界的流速。 然而許多研究已發現在處理二維的地形資料及網格編碼實在是一 件煩人的事，而十年前 GIS 剛引進國內不久，台大農工系許銘熙教 授首先利用 ARCVIEW 處理 DTM 資料及規劃網格的功能來改進模 式的輸入資料處理方式，後來在八掌溪流域的國科會研究計畫也利用二維漫地流淹水計算成果與相關圖層套疊產生精美的二維淹水 深度分布圖。近期又利用二維漫地流淹水模式進行全國淹水潛勢區 的模擬，並利用成果與相關單位進行常淹水區域確認，可提供做為 配置防洪措施的參考依據。 二維漫地流淹水模式數值方法首先由台灣大學土木工程學系 顏清連教授的碩士班學生賴進松博士在民國 75-77 年間發展完成， 接下來謝慧民博士在民國 77 年至 79 年期間在台大許銘熙教授指導 下修改該二維漫地流淹水模式，並應用於琳恩颱風基隆河沿岸的淹 水模擬與檢討，此後此套模式的改良均在許銘熙教授的指導下陸續 發展中。 如為小區域淹水，就模式的處理難易及精度比較，以台灣大學 的二維漫地流淹水模式較佳，然依其原始功能仍無法處理在網格內 邊界設定堤防及缺口情況的水流流況，而近年許銘熙的學生謝慧民 博士改良的「二維綜合淹水模式」(簡稱為 2DIIM)似乎已結合了台 大及成大兩個系統的優點，並提供 ARCVIEW 資料處理所需的網格 輸出、入轉換格式，可以將輸入資料及模擬結果轉成 GIS 網格資料 (Raster)提供必要的套圖，此改良模式除了可以輸出某些觀測點的淹 水歷程線外，也可展現某些控制條件下平面二維淹水深、範圍及淹 水時間的差異圖。 謝慧民博士的二維綜合淹水模式是以許銘熙教授之二維漫地 流淹水模式為基礎，搭配 ARCVIEW 軟體開發改良的新模式稱之為 「二 維 綜 合 淹 水 模 式」， 除 了 原 有 功 能 及 輸 出 、 入 資 料 搭 配 ARCVIEW 網格資料輸、出入格式的建立外，也增加了蔡長泰教授 的核胞邊界處理方法，可在內部網格間的邊界處加入路路堤、堤 堰、堰 涵涵 洞 洞、道道路路立立體體交交叉叉及河河道道等控制條件以反應實際地物的狀況，在山 區高程落差大處可以由穩定度限制條件自行判斷是否需要採用一 般曼寧公式來計算，除了可避免程式發散外，也讓模式的演算範圍 不再受到山區陡坡等地形的限制，即可以不用再搭配其他模式來產 生上游集水區入流的邊界條件。目前除了潮汐影響海水倒灌的功能 介面未開發外，大致上與淹水模式有關的事項都已考慮了，並曾將 模式應用於雲林縣、新市永康地區、岡山地區等淹水事件以及納莉 颱風曾文溪麻善大橋左右岸淹水事件的測試，因其水流流速的計算 可由穩定度條件及參數調整來控制，所以計算的地形高程可從 0 至
1000 公尺以上，甚至達 4000 公尺，計算域可擴大到整個流域集水 區，可以不用再做其他搭配模式的銜接，如要求精細，也有介面可 讓搭配模式得到的成果輸入以計算。 交通大學土木系楊錦釧教授曾用以河道沖淤模式為主體增加 洪氾區域淹水高程計算的功能，將地形以大的區塊分割，與河道模 式一起演算，也用在許多地區淹水的測試，穩定性堪稱良好。淹水 區塊間的流量計算則與蔡長泰教授的擬似二維淹水模式相似。 台大黃良雄教授、賴進松博士等在「受感潮河川影響之花蓮市 排水及淹水聯合模擬」論文中提到結合七個數值模式針對花蓮市區 之排水及淹水情形進行聯合模擬研究：都市排水淹水方面以都市暴 雨經理模式 (SWMM) 及二維零慣性淹水模式進行模擬；河川水理 方面利用擬似二維河道水理沖淤模式 (NETSTARS) 計算河川水 位，由於缺乏實測資料，文中以降雨逕流模式 (HEC-1) 計算集水 區入流之流量，並以波場模式 (RCPWAVE)、改良之港灣水理模式 (m.HHM) 和擬似三維海岸水動力計算模式進行河口感潮段之模 擬，以提供感潮河口水位－流量率定曲線作為邊界條件；文中並建 立較完備之重力排水邊界條件來模擬重力排水閘門之操作，以銜接 都市排水、淹水及河川水位方面之演算。模擬結果經與實際淹水記 錄比較，可發現本研究考慮淹水情況受排水系統、地表逕流、河川 水位及河口感潮之影響，能較合理正確地模擬花蓮市區淹水之情 形。 1-4-2 河川洪水預警方面的研究 台灣地區水文情況特殊，坡陡流短，自上游降雨至下游匯流不 過數個鐘頭，每逢颱風或豪雨，輒易造成洪災，在台灣之天然災害 中，洪水災害為最嚴重者。有關洪水預警系統方面，目前國內僅淡 水河流域建有洪水預報系統，其它流域則僅止於規劃階段。財團法 人中華民國國家資訊基本建設(NII)產業發展協進會曾執行經濟部 水資源局委託之「水資源全球資訊網及防洪資訊系統之規劃研究」 於八十七年二月已針對台灣地區之洪水預警系統提出整體規劃，並 提出應優先施設防洪預警系統之順序。後來經濟部水資源局考量國 土綜合開發策略、相關經建科技建設之發展，委託 NII 產業發展協 進會彙集國內相關學術研究及工程顧問單位共同執行「建立洪水預
警系統暨水利設施災害防救體系整合計畫」，四個子計畫系分別針 對〈1〉烏溪，〈2〉八掌溪及朴子溪，〈3〉鹽水溪，以及〈4〉高屏 溪等重要流域進行防洪預警系統之規劃。其目的在建立國內洪水預 警系統建置之雛形，也研擬「洪水預警系統參考準則」提供四個流 域規劃建置過程的依循，並作為推廣至其他流域之基礎。自民國八 十七年至民國九十年間完成了四個流域洪水預警系統軟硬體規 劃，並選幾個試驗觀測點以 GSM 及 VSAT 最為資料、影像傳輸的 通訊管道，並對鹽水溪、八掌溪及朴子溪進行洪水預警系統的模式 建置及測試並開發 intranet 的操作平台，可以使用瀏覽器操作預報 及水情的展示，案內完成多場颱風的預測演練，後續因為編列經費 過於龐大，需要成立專案送行政院審查，目前這四個流域的洪水預 警系統研發工作宣告暫停。濁水溪洪水預警系統也委託日本河川情 報中心進行細部規劃中。另外，曾文溪的曾文水庫管理單位也設置 簡易的洪水預警設施包括洩洪廣播的警報器及一些高密度的水文 觀測站等，但僅限於河道附近，發揮功效可能有限。 中國大陸每年汛期都會採用自行開發的洪水預警系統預報洪 峰將會到達某地的資訊，如長江水患許多研發人員均快速利用高科 技來分析災害可能的情形，作為疏散及搶救的決策參考。美國更有 FEMA 專責機構負責防洪等事務，台灣也漸漸重視專責機構存在的 必要性。日本則在技術上領先台灣甚多，淡水河的整套更新設備幾 乎全來自日本商人之手，台灣是有必要迎頭趕上，自製本土化的防 洪預警系統。 1-4-3 淹水監測預警方面的研究 國內淹水預警研究方面首先運用在曾文水庫的防洪運轉上，國 立成功大學蔡長泰、周乃昉教授在民國八十八、八十九年曾對河道 洪水演算及水庫防洪運轉兩方面提出局部淹水預警系統的規劃並 建置簡單的操作平台。 吳上煜的碩士論文中提到在因為技術的提昇，已經可以提供較 以往更為精確的淹水預警。但資訊提昇後，應該有更適當的傳播方 式來讓淹水的資訊傳輸出去。因此希望從地理資訊系統在網際網路 上的應用角度出發，在網際網路平台上，以地理資訊系統技術整合 空間資料和即時淹水預警訊息構成一淹水預警資訊系統。但是專業
的資訊要讓一般大眾所能瞭解是不容易的事，所以必須讓這個系統 成為方便民眾使用的平台為前提來進行研究。在研究方法中，先比 較新舊預警方法的差異，並對民眾對預警系統的觀感與需求做民意 調查，並對於系統的使用者介面做一研究。以台北市為研究區域， 藉由訪談的方式瞭解一般民眾對淹水預警的資訊需求，進而設計對 應的輔助功能，結合即時淹水分佈資料作為淹水預警資訊來源，搭 配道路、地標、行政界等基本地文資料庫作為輔助資訊，經由系統 分析設計，發展出一個系統。 經濟部水利署正工程司蕭茂鎮在「地理資訊系統在淹水預警上 之應用研究簡介」一文中指出，台灣全島總計有 1,108 條排水系統， 集水面積一百四十餘萬公頃，約佔全島面積 40％，其中屬區域排水 幹、支線長度約 7,499 公里，需改善者約 5,310 公里，而浸水時間 一日之地區達十一萬公頃，政府限於人力、財力無法在近期內全部 予以有效改善。為適度減輕淹水災害，並達預警效果，需建立完整 精確之基本資料庫及建立適合各區域之良好的淹水模式，以分析各 種降雨情況下之淹水地區及時間，因而可供區域排水治理規劃、工 程實施及管理等多種用途使用以限制土地之不當利用而減少淹水 損失，若進而配合豪雨情報資訊，將可能發生淹水之範圍及災害之 程度預先告知當地居民，以做好必要之防範。因此他以高速公路以 西、八掌溪以北、朴子溪以南及布袋沿海集水區為研究區域進行區 域淹水預警系統的規劃。 經濟部水利署第十河川局每逢颱風時節，均在淡水河重要地點 設置洪痕紙紀錄洪水痕跡，但這僅能知道最高洪水位並不能知道歷 程線，需由河川的水位站紀錄補遺或估計通過歷線，同樣最近淹水 頻繁的台北縣市相關地區也有單位使用洪痕紙設置在洪氾區內，用 以估算淹水範圍，最近有些研究以趨向以類似水位計的儀器設置在 洪氾區，帶洪水來臨時可以動態紀錄其淹水歷程，不過仍限於零星 設置，沒有經過分析規劃其設置位置及密度，本計畫目標之一即在 做這方面的規劃及評估，並運用相關的淹水模式模擬成果輔助這項 工作。
第二章 關鍵技術及課題研討
2-1 淹水災害觀測系統設置地點研選
如何藉由有限數量遠距視訊監控系統及水位計等淹水偵測器之 監測數據，得以瞭解系統所在區域的淹水情況、範圍；甚至藉由監控 網的監測數據，進而掌握全面性的淹水情況、範圍及趨勢，將是本計 畫之重要關鍵問題。淹水災害觀測系統設置地點研選時，考量因素包 括是否具有淹水警示需求、需有制高點架設視訊監控器、區位視野是 否透空開闊、是否有合適空間裝設訊號傳輸設備(或監控盤)、是否有 合適位址裝設水位偵測器、能否連接公用電信專線及公用電源。2-2 如何選取合適遠距視訊監控器
本計畫擬在防洪弱點地區以固定攝影機、數化相機獲得淹水狀 況，以即時傳回應變中心，以使決策者立即獲知淹水災情狀況並下達 指令，以達救災之時效性。因監控器需長時期曝曬淋雨於惡劣的天候 環境中，故其耐候性與穩定性為首選考量。其次，考慮擷取影像後之 儲存媒介、傳輸媒介、擴充結合能力、成本考量及未來發展趨勢等因 素，並參酌本計畫既往從事橋樑安全監控視訊系統的規劃經驗。初步 建議本計畫應選取自動化變焦、望遠功能之數位攝影機為主要評估對 象。2-3 如何選取合適之淹水偵測器
本計畫示範區附近並無一定具有開放及足夠空間設置靜水井或 提高水位量測儀器之高程，因此如何選取合適之水位計，亦為一重要 課題。經比較市面上常用之水位量測儀器，瞭解其應用原理及使用應注意事項，分析其優劣點及適用性，並考量本示範區淹水特性，選擇 合適該設置地點之水位計，以達正確及迅速量取水位資訊之目的。
2-4 如何精確傳訊現場影像及水位偵測資料
現場遠距視訊監控器及水位計量測資料傳輸至監控中心工作站 之方式可經由有線或無線傳輸，由於本計畫量測資料為一經常性、連 續性之資料，不受外在環境影響，於氣候異常時候易必須發揮其功 能；因此，訊號傳輸必須兼顧穩定性、信賴性、可靠性及經濟性等因 素選擇。 經由比較目前可利用之傳輸方式，包括自設專線、租用電信專 線、租用撥接電信專線、專用無線電、行動電話及行動數據等方式， 建議選擇以租用電信專線為主，輔以自設專線及行動電話等方式，依 現場實地因素考量，並可作為示範計畫多元化之比較評估用。2-5 如何選確保淹水監測系統正常運作
由於淹水監測系統裝設於潮濕之環境內，並或有受潮泡水之虞， 訊號、電源傳輸線路及水位計傳訊站等設備暴露於室外，受天候或人 為影響，恐發生故障情形，因此需透過平時及定期之自主檢查及完善 之維護計畫以確保監測系統能正常運作，並以充足之設備備品方式， 隨時補充備品以備更換，確保水位資訊蒐集及淹積水警示功能之正常 運作。2-6 如何有效運用淹水監測資料
利用淹水監測系統即時傳回之監測資料，未來配合收集淡水河防 洪預報資料及相關單位所提供之即時雨量資料，開發建置淹水監測預 警系統，以掌握雨水下水道內之流況，並可預先提出淹水警報，使水 位監測資料得以有效運用；建議系統應包括下列功能：1. 即時水位及雨量顯示，提供管理者掌握最新水文資訊。 2. 即時水位雨量及淹水影像自動記錄於資料庫中，以供各項統計分 析應用。 3. 即時回報暨預警功能，當水位或雨量資料達到預警標準時，可於 防洪排水系統超過負荷之前，即時回報管理者發出警訊以爭取處 理時效。 4. 可於暴雨或颱洪事件過後，對於該事件中水位及雨量記錄進行基 本統計分析工作，以瞭解該事件發生之水文歷程特性。
第三章 淹水災害即時觀測系統規劃構想
3-1 系統功能研擬
洪水預報及淹水預警可謂是爭取時效的積極工作，其在系統功能 之規劃研擬上，應積極規劃相關軟硬體設備以提供水文之即時測報資 料；而且在有了即時性之水文監測資料後，需有適當的工具作即時性 地分析及計算，以提供正確的洪水預報或淹水預警；所有的洪水預報 及淹水預警需能迅速地發報到相關單位並能立即通知民眾；最後必須 有機動性的搶險人員及緊急應變計畫。故整個基隆河之洪水預報及淹 水預警系統之功能，包含即時性、正確性、迅速性、及機動性等四大 功能。在即時性方面，不僅需獲得即時性之水文及雨量資訊，所接收 到的資訊亦需能有代表性。因此，為要提供具代表性之即時水文資訊 (包括淹水影像、淹水深度等)，應進行設置地點研選分析、傳輸迅速 可靠之水文資料傳輸設備分析規劃、以及淹水監測網及監測設備之分 析規劃。在正確性方面主要是尋求在於基隆河洪水預報及淹水預警之 正確性，然而就現今洪水預報技術未臻完善之前，相關的洪水預報系 統模式仍有改善的空間；在淹水預警方面，未來基隆河完成 200 年頻 率洪水之整治工作後，應能降低經由河川氾濫至堤內之淹水機會，唯 在未完成 200 年頻率洪水整治工作前，河川氾濫至堤內導致淹水之機 會仍相當大，故有必要針對區域性的淹水進行監測預警工作。 在迅速性方面，主要是針對洪水預測演算結果或監測分析成果， 能迅速地透過有效的通訊設備或聯繫傳播媒體傳遞給相關單位及告 知民眾。因此，對於相關單位、發佈方式及發佈工具應作適當地調查 及分析比較。在機動性方面，則是對於可能之救災或緊急疏散能有機 動性的搶險隊伍支援，以減輕及降低生命財產之損失。3-2 淹水監測系統規劃
著眼於淡水河流域之整體洪水預報系統，屬於支流系統的基隆河 在完成相關水文監測系統軟硬體設備更新後，仍應納入「淡水河整體 洪水預報系統模式」，以增進「淡水河整體洪水預報系統模式」在基 隆河之洪水預報能力。圖 3-1 為目前淡水河整體洪水預報系統硬體架 構圖，顯示氣象局颱風動態、降雨、水位等監測資料傳輸至資料庫伺 服主機（SQL）後，可透過網路傳到洪水預報系統電腦上，而雷達回 波資料傳輸至特定接收伺服主機後，再將資料傳輸到洪水預報系統工 作站，並將演算結果顯示洪水預報系統電腦上。圖 3-2 則為淡水河整 體洪水預報系統軟體架構圖，顯示涵蓋系統時間、監測、預報、及決 策支援等四個主要部分，而其實際之內涵即包括降雨觀測及預報模 式、逕流預報模式、水庫防洪時期運轉模式。河川預報模式、以及綜 合、決策支援及展示模式等五大模組。上述內涵基本上已能涵蓋基隆 河洪水預報之所需，並提供淹水路徑範圍。 經濟部水利處(2000) 曾評估基隆河流域之雨量站及水位站網進 行規劃，故在綜合前述等分析及規劃成果，本計畫建議基隆河洪水預 報及淹水預警系統仍以「淡水河整體洪水預報系統」為主架構，惟在 相關監測之水位及雨量站進行必要之增加，以及考慮增加未來用以監 測淹水範圍之 GIS，並且配合資料以無線傳輸或專線數據機傳輸後可 縮短資料接收時間的改變，進而縮短洪水演算的模擬時距。3-3 淹水偵測傳訊系統規劃
基隆河在未完成 200 年頻率洪水保護標準之治理工程前，如遇大 於 10 年頻率之洪水，將有河川洪水氾濫致淹水之可能，故可考慮規劃淹水偵測設施，以進行區域之淹水監測。故本計畫乃配合基隆河之 洪水預報及淹水預警系統之規劃，增加「淹水偵測傳訊系統」，以提 供有效掌握流域內各地區之淹水範圍及深度，俾利即時之預警及救災 處理事宜。 圖 3-3 所示為「淹水偵測傳訊系統」，主要係於易於淹水之區域 裝置淹水偵測感應器，在透過網路傳輸系統將淹水資訊傳遞至控制中 心，而控制中心在收到之後，立即以地理資訊系統掌握淹水範圍及淹 水深度。未來規劃之「淹水偵測傳訊系統」工程內容應包括： 1. 淹水偵測感應器 可檢測連續上漲及水退時狀況，並將訊號傳至前端控制器。 2. 前端控制器 接收淹水警報感應偵測器所傳送之訊息，透過內建之單晶片及串 列埠將訊號送至外站無線傳輸控制器。 3. 外站無線傳輸控制器 將淹水訊號以無線方式傳回控制中心，傳輸方式採用雙向對通。 4. 控制中心無線傳輸控制器 於控制中心設置 1 組無線傳輸控制器，以接收外站傳回中心之訊 號，再經由內部解碼後，再將訊號送至 GIS 展示工作站。 5. G1S 展示工作站 將即時淹水地點之訊號以閃爍方式顯示於流域之 GIS(地理資訊 系統)地形圖螢幕上，淹水達 30 公分以黃點顯示，淹水達 100 公 分以紅點顯示，未淹水則以黑點顯示，使控制中心能有效掌握都 會區內之淹水情形。 6. 淹水查詢作業功能 於局內網際網路查詢功能中增加淹水查詢作業功能，使一般民眾
可透過網際網路查詢即時淹水資訊。
3-4 淹水監測影像與地理資訊系統 GIS 的結合
一、現地架構實況與機制 1.監測系統傳輸圖 監測系統之整體傳輸流程共分為三大部分，現地偵測儀器與資料 整合；網路通訊傳輸；系統介面整合，其中現地偵測儀器與資料整合 之部分所包含之重要機制為，CCD 所輸出之 Datalogger 與 PC 間資料 傳輸的媒介控制；遠端影像監控儀器於影像傳輸時之機制模式。而網 路通訊傳輸依其模式而言，分為 Modem to Modem 與 Modem to Internet 兩種 (監測系統傳輸圖，詳見圖 3-4) 。 2.CCD 與現地 PC 之資料傳輸機制 (1) 現地 PC 接收影像之方式，即於 PC 中安裝可接收影像之應用 程式，直接將 CCD 所傳輸之影像以即時讀取之方式把現地資料 儲存以供使用。 (2) 接收影像之方式可分為以下兩種：一種以 JPGE 單格影像格式 配合檔案循環*作為儲存資料之方式﹔另一種則是將現地情況 以 AVI 影片片段模式作為儲存的格式。 (3) 根據目前一般 GIS 應用軟體來說，多採以單格影像之檔案格式 作 其 運 用 ， 以 Arc View 來 說 ， 其 所 支 援 的 影 像 格 式 即 為 BMP/TIF，故以淹水監測系統與 GIS 的結合作為考量前提之 下，則選擇採以單格影像配合檔案循環作為儲存的使用模式。 二、利用 GIS 展示現況之影像 例舉 GIS 展示影像的方法枚不勝舉，此處以 ESRI 公司所推之Arc View 為例，此套軟體自推出至今，其穩定與功能方面已相當成 熟，故以下將針對其展示之機制方式做一概略解說。
Arc View 中的圖層元件屬性內附有 Hot Link 的功能，其功能可 於圖層處於展示之狀態下，以點選圖元之方式，藉由讀取圖層屬性中 所特別設置之影像檔案所在欄位，啟動相關影像應用程式，並以 Arc View 軟體作其展示之介面，達到 GIS 展示影像之功能。
整合上述所提之各項，以檔案循環之管理方式配合 Arc View 之 影像展示模式，透過撰寫程式自動將 CCD 所傳入之 JPGE 格式檔案 轉換為 ARC View 所支援之 BMP/TIF 後，則可達到以 GIS 展示最新 且即時影像之最佳目標。 檔案循環：於接收 CCD 所傳入之影像前即先設定其影像輸入後 所預設儲存數個暫存檔案之檔名與位置，且以程式控制於固定時 程讀取最新之即時影像檔，輪流儲存，如：預設暫存之檔案共十 個，檔名分別為 1.jpg、2.jpg、…、10.jpg 依此類推，第一秒的影 像檔名儲存為 1.jpg、第二秒的影像檔名儲存為 2.jpg，而第十一 秒之影像檔名則回歸為 1.jpg。如此一來，除圖檔之暫存量可受 到控制外，淹水警報發生時,亦可僅讀取檔案更新時間最新者。
淡水河整體 洪水預報系統 決策支援 預報 監測 系統時間 水庫洩洪夬策支援 河川水位預報研判 淹水路徑範圍 警報與通告 含資料準備與校核 模式串接與演算 檢核觀測與預報結果 預報結果準確度挍核 颱風動態 雨量 －地面雨量站 －雷達瞬時雨量 －雷達與雨量站整合觀測 水位 水庫 水門/抽水站 時間設定 圖3-2 淡水河整體洪水預報系統軟體架構圖
現場 警報 站裝置 第一號警報站 第 號警報站N 傳輸系統 使用民營 業者提供 之網路系 統如 傳送警報 訊號 GSM 900,1800 控制 中心 裝置 無 線 傳 輸 控 制 器 局內 區域 網路 圖 3-3 淹水偵測傳訊系統架構圖
圖 3-4 監測系統傳輸圖 (I)Wireless to Internet Internet ADSL Wireless (II)Modem to Internet Primary Server ADSL Data Image
Primary
Modem ADSL 56k 電話專線 (III)Modem to Modem 影像傳輸 偵測儀器 資料整合 網路通訊傳輸 系統介面整合 Datalogger 偵測儀器 遠端影像監 中華電信 ISP 防火牆 FireServer 防災室 電視牆展 鋼索拉力開關 磁簧式檢出器 雨量警告器 光遮斷器 機械視覺判識 雨量計 超音波水位計 消能網 監控中心 Backup Server 災害應變系統 Backup Server 住家 學校 Modem -33 -第四章 淹水災害影像即時觀測系統規劃構想
「淹水災害影像即時觀測系統」之規劃設計，為本計畫之主要重 點。本計畫因長期參與智慧型監測預警系統研究，已累積部分成果經 驗。此處試以實際之雛型系統規劃未來加以說明。4-1 系統綱要
1. 智慧型自動化安全監控系統是由架設於各個遠端現場的攝影機、 感應器、遠端視訊終端主機（VRTU）及其他所需相關配備所組成。 此外，這套系統需有一個專門供操作人員監控所有設備與遠端現場 用的控制中心。整個系統架構如圖 4-1 所示。 2. 所有感應器、偵測器等的訊號和攝影機的影像，都傳送到遠端視 訊終端主機中，遠端視訊終端主機最主要的工作就是接收各種感應 器與攝影機等所傳送過來的訊號，然後把這些訊號轉換為適當的格 式，儲存並記錄這些資料，如果需要的時候，再將這些資料傳送到 控制中心。所有的影像與數位訊號資料等，皆使用同一條網路傳輸 線路即可正常傳輸。遠端視訊終端主機附有不斷電系統，當主供應 電源停止供電時，仍舊能保持系統至少 1 個小時的正常運作。 3. 在影像方面，遠端視訊終端主機可以接收來自攝影機的類比訊號 影像。在儲存至硬碟前，遠端視訊終端主機會將類比訊號的影像 轉換為數位訊號的影像，並且將這些影像適當的壓縮後再儲存起 來。而遠端視訊終端主機影像的壓縮，是以標準的 H.263 格式來 進行壓縮。這些儲存在遠端視訊終端主機的數位影像，也可以即時的傳送並顯示在控制中心的主控站螢幕上。 4. 控制中心主要是由主控工作站、影像專用印表機、報表印表機和 網路集線器等組成。控制中心的主要工作為接收和傳送資料到遠端 視訊終端主機，並將接收到的資料儲存至資料庫中，再將資料用適 當的格式顯示出來，以及提供一個供操作人員可以直接透過顯示器 設定和執行各種控制遠端視訊終端主機指令的圖形操作介面。 5. 操作人員可以在控制中心觀看各個感應器、偵測器的狀態，他們 也可以觀看即時或歷史的影像。操作人員也可以透過喇叭或廣播系 統，直接對遠端現場進行廣播。 6. 歷史鏡頭的影像是以日期/時間的對應方式儲存在系統的資料庫 中，這種儲存的方式，可以讓我們很容易就找到所需特定時間點的 影像。操作人員只要在圖形操作介面上設定時間和日期，就可以很 輕易的找到所需的影像。如果遠端現場有意外事故發生，而我們需 要調出資料（畫面）來做事發源由的分析時，這樣的搜尋方式將可 以節省大量尋找資料的時間（特別是與使用錄影帶儲存相較之下）。
4-2 控制中心（主控工作站）
1. 整個『智慧型自動化安全監控系統』應至少包含三個層級。第一 個層級，也就是最高的層級，即是控制中心（主控工作站）。主控 工作站能接受架設在各個遠端現場的遠端視訊終端主機所傳送過 來的數位資料，包括影像、及時警報資訊等，也能傳送各種控制的 數位資料到遠端視訊終端主機。簡而言之，主控工作站是負責所有 觀看和監控的工作。2. 主控工作站是整個智慧型自動化安全監控系統的核心。也就是 說，主控工作站擁有操控整個監控系統的能力，並且可以兼顧到所 有的遠端現場。事實上，主控工作站是一個功能十分強大的視訊監 控站，它擁有支配和設定所有協定的能力，包括通訊介面、傳輸線 路的管理、資料的交換與收發、警報控制、影像資料的解壓縮和其 他所需的相關協定等。此外，並可規劃兩部印表機連接到控制中心 的主控工作站中，而且分別被作為影像專用印表機和報表專用印表 機。 3. 主控工作站應具有線上即時處理，並監控所有來自遠端視訊終端 主機的資訊和影像的能力。如果位於控制中心處的操作人員下達一 個指令，要取得某特定位置的資料時，遠端視訊終端主機在收到了 命令之後，會馬上回傳所需的資料到主控工作站中。 4. 在主控工作站中，將使用各種生動而有代表性的圖示來代表各項 設備，概括描述架設遠端視訊終端主機現場的地形狀況，以利監 控。並且會時時顯示控制中心與遠端視訊終端主機的連線狀態，如 果連線失敗或系統出現問題時，主控工作站會立即發出警報告之操 作人員。其他被監控的設備如果出現問題時，也是用類似的方式來 發出警報。這些警報除了會顯示在螢幕上，同時會儲存至系統資料 庫中，並用報表專用印表機列印出來。 5. 在控制中心，可研選安裝一套功能完整的遠距影像監控套裝軟體 在 主 控 工 作 站 中 。 另 外 ， 也 可 以 選 購 Sybase Adaptive Server Enterprise 高效能伺服器資料庫軟體，來加強系統在資料庫方面的 管理與處理。
使用 64 位元 RISC 架構之中央處理器，如：Sun Ultrasparc，並搭 配使用 Sun Solaris 作業系統；也可以使用常見的 32 位元 CISC 架 構之 CPU，如：Intel PentiumⅢ、Pentium 4 及 AMD 的 K7 等，並 搭配 Microsoft WindowsNT4.0 作業系統。這部工作站，不但是我們 的主控工作站，也是我們儲存資料庫的地方。所有智慧型自動化安 全監控系統的作業，可以同時在兩部以上之工作站上同時運作，並 且採用平行處理的方式，所有的資料將同時儲存在各工作站中，操 作人員平常操作其中一部，其他則處於開機備用狀態。當目前使用 的主控工作站出現不正常而停止運作時，所有的作業可以正確無誤 的由另一部來接手，而不致出現系統停擺的狀況。 7. 主控工作站的功能簡述 (1) 在控制中心，主控工作站應規劃一張所有遠端視訊終端主機的列 表，使用者可以使用滑鼠點選其中任何一個遠端視訊終端主機， 以進入該遠端視訊終端主機的位置關係圖。 (2) 在顯示器的主視窗中，還會有一張顯示所有遠端視訊終端主機相 關位置的圖。點選其中任何一個遠端視訊終端主機的圖示，也會 顯示出屬於那個遠端視訊終端主機的位置關係圖，包括攝影機架 設的位置、被監控的設備、感應器等，都將被清楚的顯示出來。 操作人員可以根據圖上攝影機、被監控設備或感應器等的圖示， 點選想要觀看的攝影機畫面或被監控設備、感應器等的狀態。 (3) 影像畫面的顯示視窗一般有三種不同的解析度可供選擇： 352×288 pixels（×1） 176×144 pixels（×0.5） 704×576 pixels（×2） (4) 當操作人員點選攝影機的圖示後，影像顯示畫面的視窗會馬上顯
示出該攝影機所擷取的全動態影像。每部攝影機都將忠實呈現遠 端現場的狀況，而且操作人員可以同時點選多個攝影機圖示，同 時觀看多個遠端現場的即時影像。 (5) 當某個被監控的設備發出警報時，若該位置有架設攝影機，主控 工作站除了會發出警報聲以通知操作人員外，顯示器上也會立即 出現一個該位置的影像顯示畫面的視窗，立即播放發出警報位置 的即時動態影像。如果有好幾個位置同時發出警報，同樣的動作 會重複，顯示器上會顯示所有發出警報位置的影像。 (6) 在出現警報時，主控工作站會發出『嗶嗶….』的警報聲，代表該 設備的圖示也會閃爍不停，直到警報終了。不過，在警報還沒被 確認之前，這些警告有警報的方式將會持續不停。這種作法，主 要是為了預防警報被忽略，使得每一個警報都可以得到適當的處 理，以確保安全。在發生警報的同時，關於警報的紀錄也會馬上 產生，除了儲存至資料庫外，並且會根據日期、時間立刻從報告 專用印表機列印出來。 (7) 主控工作站會儲存最近 1,000 筆關於警報、網路中斷和系統不正 常運作等的相關記錄。 (8) 操作人員可以根據系統的警報，先用架設於該處的攝影機，確認 警報的正確性。如果警報是正確的，則可以利用架設於遠端現場 的喇叭、燈光等，警告任何非法入侵者或不當操作者，這可以防 止出現更進一步的破壞以及安全上的危害。 8. 監控系統軟體（SyslinkⅡ） (1) 未來將研選之監控軟體，主要是為了解決自動化安全監控系統以 及淹水監控領域的各種問題與需求而設計。無論是大型、中型或
小型的系統，或者應用的範圍與層面有多寬廣，應都有足夠的能 力來處理。並應擁有影像擷取、壓縮與解壓縮的能力，並可以適 當的呈現出全動態的影像。 (2) 未來之應用是以遠距監控為主，因此，網路應用是其中相當重要 的一環。網路方面的設計可以相當的多樣化。主控工作站可以同 時擁有好幾部，再加上備用工作站、遠端視訊終端主機（VRTU） 等，可以隨著區域網路與廣域網路的使用任意搭配設計。在網路 的連結方面，可以是點對點連接，也可以採用網狀結構。Syslink Ⅱ在網路方面所支援的應包括： 雙重拓樸網路結構 各式網路通訊媒介，包括：PSTN、ISDN、光纖、乙太網 路、專線、ADSL 等 遠端登入存取與管理 網路連結的管理控制 遠端偵測、診斷的能力 9. 系統基本簡介 在圖形和色彩方面，應具有相當高的展示能力。 在背景圖層顯示方面，支援 AutoCAD DXF、GIF、BMP 等多 種圖形檔案格式。 在顯示平台的設計方面，應多用圖層設計。 每一套系統可以顯示的頁數沒有限制。 應具有十分詳盡的線上支援。 10. 組態工具 這個工具可以讓系統工程師擁有相當的權限，對系統圖形介面、
組態、資料及資料庫等，進行增減與修改。系統組態工具的功能包括： 系統運作與組態設計可以同時進行，系統在進行組態設計時， 不會影響到系統目前的正常運作，以增加系統設計的靈活性。 藉由顏色、移動、旋轉等的改變來製作動態圖示，可以讓程式 的執行更加有效率，系統的操作更加便利、靈活。 為了符合需求，可以利用系統提供的 IEEE 標準圖示或自行設 計新的圖示來配置系統的圖控介面。 操作簡便的繪圖軟體，可以讓操作者在設計系統圖控介面上， 擁有更大的空間。 組態工具還包含撰寫 C++ 程式的軟體，可以讓操作人員自行 設計簡單的主控站基礎程式。 11. 為了擁有標準的監控功能，『智慧型自動化安全監控系統』，應具 有下列的特色： (1) 多層級結構 應可以在多種作業平台上運作，包括： ● Pentium 等級的個人電腦，搭配微軟 Windows NT 作業系 統。
● Sun Ultrasparc 等級工作站，搭配 Solaris 作業系統。
(2) 多語系支援 『智慧型自動化安全監控系統』不論在輸入或輸出部分，完全支 援多種主要語系，包括英文、繁體中文。 (3) 區域網路（LAN）和廣域網路（WAN）的運作 『智慧型自動化安全監控系統』在網路傳輸方面，使用標準的 TCP/IP 的通訊協定，這將使得使用者在系統的設計方面有最大的彈
性。遠端視訊終端主機、主控工作站和資料伺服器等，利用這種協定， 也可以輕易在任何網路結構和通訊媒介間互相連結。 (4) 多層級的容錯（除錯）功能 『智慧型自動化安全監控系統』必須要有各種程度的容錯（除錯） 的能力，包括： ● 兩套以上相同的軟體可以同時運作在兩台以上的主控工 作站上。 ● 分散式資料庫的應用。 ● 重複和分散式的檔案管理。 ● 自動備份的機制。 軟體也要有和硬體搭配來補強容錯（除錯）的能力，包括： ● 附加的硬體和不斷電系統。 ● 防止溫度過高等自動監看的機制。 ● 多層磁碟陣列。 (5) 支援多資料擷取協定 『智慧型自動化安全監控系統』的資料擷取方式，完全符合標準 的資料擷取協定。這種資料擷取的方式，可以讓系統輕易的與大多數 的遠端視訊終端主機和其他智慧型自動化設備做整合連結，因此，可 以 讓 系 統 在 將 來 擁 有 絕 佳 的 擴 充 能 力 。 此 外 ， 系 統 協 定 工 具 箱 （Protocol Toolkit）也可以讓使用者輕易的建立新的資料擷取協定來 跟新的設備連結。 (6) 高效能 C++ 資料庫繪圖軟體 監控系統軟體內附高能 C++ 繪圖軟體，讓整個系統有更高、更快 的繪圖和展示能力，而且繪製出來的圖華麗而生動。不管是向量圖或
點陣圖，都完全支援。而多層次的繪圖結構，也可以讓各種圖示覆蓋 在各式的背景上，並可以隨時調整顯示順序，包括 AutoCAD 的 DXF、 Gif、Bmp 和大多數的圖形檔案格式，都可以被系統所支援。 (7) 開放式的系統結構 監控系統軟體符合多數的工業標準，包括： ● Unix-SVR4-POSIX-Solaris。 ● X-11（Workstations/X-Terminals）。 ● Microsoft Windows NT。 ● SQL-Relational Databases。
● TCP/IP and PPP Networking。
● ANSI C/C++。 (8)監控系統軟體擁有一個簡單易學的使用者操作介面，如此，操作 人員就可以輕易地利用顯示器上各種生動華麗的圖示和圖形操作介 面，來進行監控。 (9)監控系統軟體擁有下列的分隔視窗： 警報視窗 顯示即時和歷史的警報，以及操作人員登錄、處理的動作等 資訊。例如下達控制或執行的命令、系統的警報等。此外，警報 視窗還包括警報群組的選擇、警報的過濾裝置、搜尋和確認警報 的函數等。 操作者視窗 顯示目前的日期、時間、軟體版本，還有操作人員登入的名 字、操作人員的權限等，以及呼叫一些系統內部設定的介面。 主顯示視窗
