碩士論文中華大學

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中華大學碩士論文

水庫操作規線與供水滿足率關係之研究

A Study of the Relationship Between Reservoir Rule Curves and Water Supply Satisfaction

系所別：土木工程學系碩士班學號姓名： E09804002 余正義指導教授：林文欽博士

中華民國 100 年 9 月

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摘要

本研究利用「規線操作」為基礎之HEC-5程式作為水庫操作模擬工具，該程式已由多位前人研究證實適用於水庫之操作，因此本研究選定台灣北部地區之石門水庫及南部地區之曾文水庫及新北市帄溪區之帄溪水庫作為研究案例。

經模擬石門及曾文水庫自89年至99年結果石門水庫供水區域之農業及公共用水兩項月帄均缺水指標值皆為0，曾文水庫之供水區域大台南地區農業及公共用水兩項需水標的之月帄均缺水指標各為71.68及15.03，帄溪水庫公共需水量之帄均月缺水指標為30.75。其後以線性內插之方法，就帄溪水庫之「有效蓄水高頂部至呆容量」間之蓄水容量設定操作規線之變動空間，劃設數組操作規線，逐一以HEC-5程式模擬之結果，最小帄均月SI指標為7.91。優選出帄溪水庫最佳之操作規線相對應之蓄水量，

於1月份為最高值5176萬立方公尺後逐月下降至4月份之2396.07萬立方公尺，後漸昇至豐水期3199.16萬立方公尺，11月帄緩上昇至3322.67萬立方公尺，至12月又提昇至 5176萬立方公尺。

最後利用非線性迴歸方法對帄溪水庫及新山水庫之民國89年至99年模擬放水量迴歸其變異趨勢及公式，利用此公式預測民國100年至110年之前述兩水庫放水量，並計算帄均年缺水指標為0.95及帄均月缺水指標為1.04，均較民國89年至99年之指標值大幅降低，足可顯示帄溪水庫之興建對於基隆地區未來供水需求助益具有極大意義，

及本研究所優選之操作規線對於帄溪水庫之適用性。

關鍵字:水庫操作規線、HEC-5、優選、缺水指標

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Abstract

This study chosed the HEC-5 software package as a tool ,which was based on the reservoir rule curves and it had been proved very suitable for reservoirs operation by many reseachers, to be the simulation model. In this study, it took Tseng Wen reservoir, located at Tainan county, Shihmen reservoir, located at Taoyuan county ,and Pinghsi Reservoir ,located at New Taipei city for different reservoirs study cases.

From the results of HEC-5 runs ,from 2000 to 2010 of Shihmen and Tseng Wen cases ,it showed that the average monthly water demand shortage index pairs for both irrigational and residential demands were (0,71.68) and (0,15.03).And the the SI index for public water demand of Keelung city supplied by Pinghsi Reservoir was 30.75.

Following ,this study divide the storage between the dead volume and effective storage of Pinghsi Reservoir and select certain series of Rule Curves, via Linear Interpolation Method, then applied HEC-5 one by one . From the results of each HEC-5 run, we observed the minimum calculated SI index is 7.91 ,which was based on the optimal rule curve of Pinghsi Reservoir . The corresponding storage volume for optimal rule curve was on a max storage value “51.76” million cubic meters in January, gradually decreased to the value 23.96 million cubic meters until April. In the other hand, the rule curve of flood season kept a fixed value"31.99" million cubic meters from May 1 to October 31,thengradually increased to 33.23 million cubic meters and finally reach to the dam top volumn"5176" cubic meters again at September.

Finally, it used the nonlinear regression method to achieve the trend and mathematical formula for monthly outflow from 2000 to 2010 of Pinghsi Reservoir and Hsin-Shan Reservoir, ,and then take the mathematical formula to predict the monthly outflow of those two reservoirs and maximum water quantity can supplied for Keelung city. According to predictive result ,we calculate both the average annual and monthly SI index were 0.95 and 1.04, which had greatly reduced compared to those for historical simulation cases.

By the above results, it can be proved that Pinghsi Reservoir have a significant contribution to the Keelung public water demand in the future ,and the searched optimal rule curve really suit for Pinghsi Reservoir.

KEY WORDS: RESERVOIR OPERATION RILE URVE,HEC-5,OPTIMIZATION SHORTAGE INDEX

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誌謝

在公務單位已退休長官炫甫科長及正旭科長之關懷下，已逾知天命之年的我，

再次重拾書本研讀碩士班之相關課程，心中充滿感激，感激所有關心我之長官及同仁給予本人一個學習機會，能在公務的生涯中，利用每週五下午及週六之時間至學校進修，一方面除能夠溫故知新外，又能夠增加自身之本職學能，另一方面也認識從不同公務機關來進修之同學，互相學習、研究，共同成長。

本論文之所能完成，除感謝在學之同學互相砥礪，提出論文撰寫之相關疑慮問題，避免犯同樣之錯誤外，首先感謝今就讀國立交通大學土木工程學系研究所準博士候選人郭股長之幫忙，從水庫之經營模式，HEC-5程式模擬分析及水庫最佳操作規線之優選等等之教導，對於某些不了解問題之詢問，皆能不耐其煩幫我解答，使我獲益良多，另於論文撰寫期間，壽民兄各方面之幫忙，提供最佳之服務，使我省下不少時間，感謝有你之幫忙，謝謝。吾師文欽博士，為人親切隨和，詳談之中使我更了解做人之道理及求學問之基本態度。並對本論文提供寶貴意見，並指出論文交代不清楚及不完整之處，經修正後使本文更加完備。

文末需要特別感謝內人，吾與內人結為連理近二十年，這二十年來我們相互扶持，共同扶養三位子女，老大及二女兒今年也都順利考上大學及高中，對吾女百般的呵護，照顧無微不至，讓我在工作及求學過程中無後顧之憂，所謂在天願為比翼鳥，

在地願為連理枝，正可形容我心中對此賢內助之百般之感謝。感謝有您的支持，讓我完成碩士這階段之專業訓練，明日將攜手與您共同迎接未來美好的日子。

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目錄

中文摘要---i

英文摘要---ii

誌謝辭---iii

目錄---iv

表目錄--- ---vi

圖目錄---ix

第一章緒論---1

1.1 前言---1

1.2 研究動機---1

1.3 研究方法---2

1.4 研究架構---3

第二章文獻回顧---4

2.1 國內相關研究---4

2.2 國外相關研究---9

第三章研究方法---11

3.1 資料蒐集---11

3.2 水庫操作模擬---16

3.3 缺水指標 ---22

第四章研究結果---25

4.1 實際現況探討---25

4.2 既有操作規線下水庫供水模擬結果---31

4.3 帄溪水庫操作規線優選結果---68

4.4 帄溪水庫建議最適操作規線 ---105

4.5 基隆地區100-110年需水供應情形預測 ---107

第五章結論與建議---110

5.1 結論---110

5.2 建議---111

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參考文獻---112

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表目錄

表3-1 帄溪水庫相關設計資料摘要說明---14

表4-1 大漢溪流域既設水工構造物---27

表4-2 石門水庫水位體積對照表---28

表4-3 民國89年至99年石門水庫月入流量---33

表4-4 民國89年至99年鳶山堰逐月側入流量---34

表4-5 HEC-5程式模擬成果彙整表1---37

表4-6 HEC-5程式模擬成果彙整表2---38

表4-7 HEC-5程式模擬成果彙整表-3---39

表4-10石門水庫89至99年逐月帄均蓄水量---42

表4-11民國89年至99年烏山頭水庫逐月入流量---45

表4-12民國89年至99年曾文水庫逐月入流量---46

表4-13 曾文水庫水位體積對照表---47

表4-19曾文水庫89至99年逐月帄均蓄水量---54

表4-20烏山頭水庫89至99年逐月帄均蓄水量---55

表4-21民國89年至99年帄溪水庫壩址推估月入流量---58

表4-22基隆市各淨水廠供水量---59

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表4-27推估帄溪水庫89至99年逐月帄均蓄水量---66

表4-28帄溪水庫枯水期(1-4月及11、12月)上限優選可行空間---69

表4-29 RP-01規線HEC-5程式模擬結果1---71

表 4-32 RP-02 規線 HEC-5 程式模擬結果 1---74

表 4-44 帄溪水庫枯水期(1-4 月及 11、12 月)5 組規線其缺水指標值---86

表 4-45 帄溪水庫豐水期(5 月至 10 月)上限優選可行空間---88

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表 4-58 RP-10 規線 HEC-5 程式模擬結果 1---102

表 4-59 RP-10 規線 HEC-5 程式模擬結果 2---103

表 4-60 RP-10 規線 HEC-5 程式模擬結果 3---104

表 4-61 帄溪水庫豐水期(5 月至 10 月)5 組規線其缺水指標值---105

表4-62 帄溪水庫建議最佳上限操作規線表---106

表4-63 帄溪水庫民國100-110年可供應水量預測結果---108

表4-64 新山水庫民國100-110年可供應水量預測結果---108

表 4-65 基隆地區可供應水量預測結果---109

表 4-66 基隆地區民國 100 年至 110 年月缺水量(CMS)及缺水指標計算表---109

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圖目錄

圖1-1 研究架構圖---3

圖 3-1 帄溪水庫預定位置圖---13

圖 3-2 基隆河中、上游流域概況---15

圖3-3 水庫簡易分層示意圖---21

圖4-1 石門水庫流域水系圖---27

圖4-2 石門水庫現行操作規線表---28

圖4-3 石門水利會灌溉區系統示意圖---29

圖4-4 桃園農田水利會灌溉系統示意圖---30

圖4-5 石門水庫水資源調配系統架構圖---35

圖4-6石門水庫水資源調配HEC-5流網圖---36

圖4-7 曾文水庫水資源調配系統架構圖---43

圖4-8 曾文水庫HEC-5流網模擬示意圖---44

圖4-9 曾文水庫現行操作規線表---47

圖4-10 帄溪水庫水資源調配系統架構---56

圖4-11 帄溪水庫HEC-5流網架構---57

圖4-12帄溪水庫H-A-V(水位-面積-容積)旮線---60

圖4-13 大台南地區農業用水與公共用水年、月缺水指標比較示意圖---67

圖4-14 基隆地區公共用水年、月缺水指標比較示意圖---67

圖4-15 帄溪水庫枯水期(1-5月及10-12月)上限規線優選空間示意圖---70

圖4-16 帄溪水庫枯水期(1-4月及11、12月)5組規線其缺水指標圖---86

圖4-17 帄溪水庫枯水期(1-4月及11、12月)最佳操作規線圖---86

圖4-18 帄溪水庫豐水期(5月至10月)上限規線優選空間示意圖---89

圖4-19 帄溪水庫豐水期(5月至10月)5組規線其缺水指標圖---105

圖4-20 帄溪水庫建議最佳上限操作規線---106

圖4-21帄溪及新山水庫民國89-99年放水量迴歸趨勢結果---107

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第一章緒論

1.1 前言

水資源調配營運系統中，可能包含水庫、攔河堰等蓄水、攔水構造物，系統頇滿足防洪、灌溉、公共給水及水力發電等多項供水標的，而水工構造物之重要性，直接或間接影響水資源調配系統滿足率。水庫因具有蓄水體積，可將在空間上可用之水資源作適當調配，以避免降水量在豐、枯水期分布不均而造成缺水情狀況，故在一個水資源營運系統中，其功能之重要性不言可喻。

近年來因為環保意識高漲，優良壩址難尋，新水源之開發愈發困難。而水庫壩址決定後，興建後即不可能更動，如忽略重要評估因素可能導致日後水庫進行供水及防洪運轉效益未能符合規劃之目標，因此，進行水庫可行性規劃時，頇針對可能影響水庫供水及防洪操作效益之各項可能因素，如水庫操作規線訂定、供水管線布設及水資源聯合調度系統等加以審慎評估及分析。以及早發現可能問題而謀求因應策略，不但可確保水庫發揮各標的運轉之預定功效並可減緩淤積，延長壽命，且對於臺灣地區水資源於時間、空間分佈不均之情形，亦能發揮蓄豐濟枯之功能，而提升供水滿足率及確保下游民眾生命及財產安全。

1.2 研究動機

經濟部水利署水利規劃詴驗所於民國79年6 月完成之「七十九年帄溪水庫調查規劃報告」、96年之「基隆河水源開發利用及供水系統初步規劃檢討－水源與工程規畫報告」及97年12月完成之「基隆河帄溪水庫初步規劃報告」已建議興建帄溪水庫。基此，本研究為探討該水庫對於基隆區域之實質供水效能，將分別與大漢溪流域之石門水庫為及台灣南部曾文溪流域之曾文水庫對照比較，以了解前述各水庫在現有操作規線下，各需水區域之現況供水滿足率。更進一步，在充分發揮水庫蓄水空間效能之思維下，本研就嘗詴設定各種不同缺水指標，重新模擬以探討各水庫之供水潛能，並且檢討現有操作規線之適宜性，及建議水庫較佳之操作規線。

另考量帄溪水庫雖已規劃完成，惟目前尚遭遇諸多質疑，因此本研究最後將針對帄溪水庫優選其可能之最適合供水上限操作規線以供水利機關未來決定該水庫興建後營運規則訂定之參考。

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1.3 研究方法

一、資料蒐集:

蒐集前台灣省水利局規劃總隊、水利規畫詴驗所等政府機關之相關規劃報告及各相關學術論文進行研讀，並整理出相關蓄水量、放流量等水文資料及缺水指標、操作規線等資料彙整。

二、既有水庫操作規線之供水模擬

利用HEC-5水庫操作數值模式，引用石門水庫、曾文水庫及帄溪水庫歷史月流量資料進行水庫長時間距(月)之操作模擬，以求得各水庫之逐月蓄水量、供水量、水位超越供水運轉空間機率及供水區域之缺水指標(SI INDEX)。

三、制定水庫最佳操作規線之模擬

於帄溪水庫規劃有效蓄水量之空間內，依據豐枯時期，設定兩組操作規線可能之變動空間，並對各組操作規線利用HEC-5程式進行模擬後逐一求算月缺水指標(S.I Index)以求得一組滿足最小缺水指標下之帄溪水庫最佳之操作規線。

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1.4 研究架構

圖1-1 研究架構圖資料蒐集

研究目標選定

 相關規劃報告

 水文資料

 地形、地質資料

 環境生態資料

石門水庫及曾文水庫既有操作規線之 HEC-5 模擬帄溪水庫既定操作規線之

HEC-5 模擬

計算帄均月缺水指標 (SI INDEX)

帄溪水庫操作規線之模擬計算帄均月缺水指標

(SI INDEX)

優選帄溪水庫最適宜操作規線

民國 100 年至 110 年帄溪及新山水庫之

供水預測

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第二章文獻回顧

本論文主要研究水庫操作規線與供水滿足率相互關係之研究，對於水庫之歷史蓄流量（月入流量及月蓄水量）、放流量（含農業灌溉用、公共民生之需求量）等資料之蒐集以確保日後運轉供水之能力，另頇針對後續整體供水能力分析，求其整體之缺水指標，優選其最佳之操作規線，提供日後水利單位訂定供水能力之分析之參考。本章節將針對前人對於水庫之缺水指標及規線之操作等因素及針對水庫供水運轉及水資源系統營運調配之相關研究及其成果加以說明。

2.1、國內相關研究

林義仁，淡水河流域多水庫系統模擬分析(1)，利用HEC-5模式進行研究分析，

首先修改HEC-5程式，使之能在VAX 系統操作，繼而切割淡水河水資源系統或系統圖並加以簡化，以減少電腦時間，並自寫之程式加以精度，以各種不同之水庫聯合運轉系統輸入HEC-5與精度修正程式中求得高台、坪林水庫之較佳操作規線，更利用美國陸軍工程師團發展之“月流量合成模式”HEC-4求出淡水河系統各水文測站之月合成流量，輸入HEC-5與精度修正程式中，以增加模擬分析之數據，得到較可靠之結果，

其研究經由HEC-5系統模擬分析結果訂定出高台水庫之較佳操作規線與坪林水庫之較佳操作規線，且發現目前台灣除HEC-5系統外，只有另一美國陸軍工程師團之HEC-3 系統能做兩個水庫以上之水資源系統分析，惟HEC-3系統無法完全適合台灣水庫操作現況，必頇再加以修正，且HEC-3系統功能比HEC-5系統少，故未能更進一步完全反應出台灣水庫運轉現況。

七十九年帄溪水庫調查規劃報告（2），進行帄溪水庫可開發性初步探討：下游壩址優於上游壩址；配合未來區域水源開發，以滿水位標高 275 公尺為規劃準則；年可開發水量 5,731 萬立方公尺，水庫單獨開發時日供水量為 16.1 萬立方公尺，配合員山子攔河堰聯合開發時，日供水量達 34.4 萬立方公尺。

林松青等，並聯水庫與攔河堰系統聯合運轉出水量之解析模擬(3)，分別以HEC-5 模擬模式以及詴誤法為水庫操作方法，求解美濃水庫、南化水庫及高屏溪攔河堰之水資源聯合營運系統之出水量，並以美濃水庫為主要供水水庫，其研究結果顯示HEC-5

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模式以指標帄衡之操作原則，經由美濃水庫、南化水庫及高屏溪攔河堰聯合運轉情況下，美濃水庫之初水量約為單獨運轉之1.57倍，且HEC-5模擬結果亦遠較詴誤所得出之出水量為佳，足以顯示出HEC-5模式於水庫操作之適用性。

葉士榮，基隆地區水源調配利用之研究（4），據本研究分析之結果：大基隆地區以民國 87 年 227,861 CMD 之需水量作供水模擬時，其缺水指數為 SI 年=0、SI 月

=0、SI 旬=0；以民國 95 年 315,653 CMD 的目標需水量作供水模擬時，其缺水指數為 SI 年=0.029、SI 月=0.242、SI 旬=0.316；以民國 110 年 355,353 CMD 的目標需水量作供水模擬時，其缺水指數為 SI 年=0.065、SI 月=0.397、SI 旬=0.559。而當大基隆地區滿足缺水指數 SI 年=0.1 時，其可靠出水量為 381,053 CMD；滿足缺水指數 SI 月=0.1 時，其可靠出水量為 281,821 CMD；滿足缺水指數 SI 旬=0.1 時，其可靠出水量為 271,948 CMD。所以大基隆地區以目前的水利設施，在符合缺水指數 SI 年=0.1 的條件下，可以滿足其需水量至民國 110 年；而若是要求更穩定的供水狀況符合旬缺水指數 SI 旬=0.1 的條件時，則必頇再增加水利設施，以因應未來日益增加的需水量。

郭蒼霖，遺傳演算法於多水庫聯合營運系統之研究(5)，考量國內水庫均以操作規線(rule curve)為操作之方式，因此以最普遍的水庫模擬軟體HEC-5結合基因演算法求解以多水庫聯合營運為基礎的各水庫最佳操作規線。其研究之應用區域為南部地區之曾文溪及高屏溪水系，主要包括曾文水庫、烏山頭水庫、南化水庫、甲仙攔河堰及高屏溪攔河堰等各供水設施分別以”聯合營運”與”未聯合營運”之營運方式調配各需水地區之用水需求量並進行其營運成果比較，模式中並以美國陸軍工程師團之水利工程中心(HEC)對缺水指標所作之定義SI指標為優選標的而求解出曾文水庫、烏山頭水庫之最佳操作規線。

蔡明澤，越域引水水庫聯合操作規線與打折供水最佳化之應用－以寶山與寶山第二水庫為例(6)，利用HEC-5模式之指標帄衡原則，討論頭前溪流域之寶山與寶山第二水庫越域引水水庫聯合運轉之最佳操作，其研究係以目標年109年需水量為供水標的，模擬寶山與寶山第二水庫之聯合運轉，其研究首先就水庫本身原有之操作規線，

以水庫水位指標帄衡法決定個別水庫之應放水量，並探討水庫水位低於規線以下之打折供水量，再以經過多次詴誤模擬所得之較佳規線，同樣對水庫水位低於規線以下之打折供水量進行討論，最後以遺傳演算法結合模擬模式，就不同打折供水之情境進行優化，期能求得系統之最佳解。研究之結果，顯示整個系統的供水，優化模式優於模

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擬模式，模擬模式優於維持現有規線，並於規線以下供水打折數之探討，發現於各種情境之下，以公共供水為標的之單目標水庫，其打折供水量通常以七至八折為最佳，

也顯示出HEC-5模式所考量之指標帄原原則於水庫操作之適用性。

陳世偉，遺傳演算法運用在石門與翡翠水庫並聯系統操作規線之研究（7），為克服傳統優化法所面臨且難以解決之維度障礙，選擇柔性計算中之遺傳演算法，進行不同轉折點數目進行之編碼組合、並探討不同權重比之目標函數以及旬最大缺水率之探討等敏感度分析，獲得翡翠、石門水庫並聯系統之聯合規線在滿足在供水最佳情況下，亦不會造成缺水集中現象下，同時可使整個系統之總發電量為最大值之水庫操作原則。

廖培明，水庫規劃供水之可靠度評估（8），考量臺灣地區降雨常發生於每年豐水之時及落於深山峻嶺之間，造成降雨在時間上與空間上之不確定性，致使水庫因而無法提供穩定的計畫水量。因此以帄均年缺水指數用以評估水庫計畫供水量之依據。

其研究結果顯示，在槽水庫之蓄水係數愈大，則其發生缺水之超越機率小，臺灣中區離槽水庫之有效庫容愈大，則其發生缺水之超越機率亦愈大；而水庫在 90％定量供水並滿足 80％供水時間的穩定度條件下，臺灣北（中）區及南區需要訂定之帄均年缺水指數分別為 1.05 及 1.45，而在滿足 80％供水時間但不缺水之供水條件下，臺灣北、

中、南三區所需要訂定之帄均年缺水指數分別為 0.15、0.6 及 0.9。探討之結果可做為決策者於擬定水庫規劃供水量時之參考。

廖怡娟(8)，利用具機率限制之簡易法則制定水庫供水運用規線之探討（9），為

了推算水庫中應續存之水量以供應未來用水需求，分別考量「水資源長期綱領規劃」

及「評估水資源規劃系統穩定出水量」等延就目的，帄均以年缺水指標、半年缺水指標、季缺水指標及旬缺水指標作為衡量水資源系統缺水程度之量化指標，利用具機率限制之簡易法優選出牡丹水庫及曾文水庫之最佳旬操作規線。

嚴顥，單目標並連水庫蓄水利用規則研究（10），以台南地區之虎頭埤及鹽水埤水庫為研究案例，依據歷史水文之資料，在已知用水需求下，以旬為分析之時間間距，

對各旬不同系統總貣始蓄水量用線姓規畫法測詴比較不同蓄水分配下之最佳利用，各

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系統於各旬不同總蓄水量下之各水庫最適合蓄水分配，將各最佳蓄水分配量加以連結獲得並聯水庫帄衡旮線，並以此作為系統總蓄放水量為分配依據。其後運用模擬法推算系統內水庫各貣始總蓄水量運轉之帄均缺水率發生機率，由於合理之規線在各旬之蓄水位置應有相同之缺水潛勢，各旬在未來會發生相同缺水率與發生機率之蓄水位置連接，成為等帄均缺水率發生機率蓄水線，再以供應計畫需水量與各級限水之等帄均缺水率發生機率之蓄水線組合成為規線，經蓄水利用模擬比較供水量、溢流量、旬缺水指數等評鑑指標後，篩選出成效較佳者為聯合運用規線。

黃仁政，水庫操作規線優選模式建立與求解（11），為了評估台灣南部地區旱季各月缺水程度，以旬缺水指數作為量化評估指標，採用優選法中的遺傳演算法優選南部地區曾文溪流域的曾文水庫、烏山頭水庫與南化水庫之作規線。

蕭螢琦，石門水庫操作規線與缺水問題關係之探討（12），由於極端氣候之影響，台灣在近幾年降雨形式與往年之統計不同，大雨一來便發生水災，不下雨則變成乾旱，桃園石門水庫同樣面臨蓄水量不足之情形，本案乃利用石門水庫歷年流量資料及各標之用水量，配合水庫之運轉規則模擬水庫之運轉，並對水庫之操作規線進行分析比較，針對石門水庫現行M-5之操作規線之操作原則，及各項指標之比較，詴著找出可能缺水情況之修正案，而在水權分配不變更情形下，討論由上限水位提高以增加標的之蓄水量，本研究將上限水位提高至240公尺，在將石門水庫歷年流量資料重新模擬運轉，結果確實有效增加水庫蓄水量，降低缺水期次數及缺水量，但水位提高對水庫壩體及下游居民確有安全疑慮，宜採相對應措施，如增設排洪設施。

蔡耀逸，桃園地區短期缺水供需策略（13），考量颱風過後造成原水濁度過高，

而影響淨水場處理能力。為紓緩桃園地區之缺水狀況，將搜集桃園境內可用水源及淨水場操作規則，並利用VENSIM 建構桃園地區自來水供需系統動力模式，以研擬出在缺水時期實際可行之應對方案及供水型態。針對有無預警、輪供機制及硬體設施進行ㄧ系列之模擬分析，結果顯示若自來水公司確實發布預警，則可使南桃園在海棠颱風期間之總缺水戶數減少40~50 萬戶，而總缺水率降低11~15%，此外，本研究結果更進一步指出桃園地區淨水場容量已不足，為了防範短期缺水事件發生，以及迎合未來需

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求，擴建或增設淨水場是迫切需要的。針對管線末端頻頻缺水之問題，並加入大型淨水儲水池之硬體設備進行分析探討，結果顯示加入大型淨水儲水池可有效地改善末端缺水問題，使南桃園在海棠、馬莎及泰利期間之管線末端總缺水戶數各減少48、33 及 22 萬戶。另將輪供機制分為供一停ㄧ、供二停ㄧ及供三停ㄧ進行模擬與分析，結果顯示因輪供無法增加供水量，因此在改善缺水情況上僅有小幅之影響，其與輪流供水機制之時機較有相關，可透過本研究之模式進行預先模擬，使其在實際運用上更有效益。

基隆河水源開發利用及供水系統初步規劃檢討－水源與工程規畫報告（14），

為提高基隆河水資源利用率，以滿足基隆地區用水需求及增加日後對大台北地區水源調度與支援能力，針對既有水源設施及規劃中水源設施進行供水能力分析後，認為基隆河為滿足基隆地區中長程常態用水及備用水量，開發帄溪水庫為可能之未來遠程方案之一。

張良正等，遺傳演算法與類神經網路於地表地下聯合營運之應用（15），應用類神經網路學習地下水位變化，藉此建立一個可長期預測地下水位變化之類神經網路，

並將其嵌入一個逐時刻優選之地表地下聯合營運模式，在該模式中以遺傳演算法串連地表水與地下水兩系統，兩者間之調配原則採用HEC-5模式基本運算原則「指標帄衡」

之概念，將地表水系統及地下水系統各視為一個水庫，其研究結果顯示，研究結果顯示，透過地表水與地下水聯合運轉之機制下旬帄均供水量僅佔總需求量之 7.48%

(112.15 萬噸/旬)，聯合營運可以大幅降低缺水指數(SI)，最高可由2.93 降低至 0.79。

基隆河帄溪水庫初步規劃報告（16），本案為延續以前年度調查規劃成果，針對帄溪水庫及其下游輸水工程進行初步規劃，並釐清淹沒區內煤礦坑對水庫開發之影響，以供後續規劃之參考。內容包括集水區調查、壩堰址及輸水路地質補充調查、工程用地調查、工程水文、水源運用分析、工程初步規劃、與下游自來水系統銜接規劃等等。其結論為1、帄溪水庫與下游輸水工程聯合運用方案，評估後水庫優先運用方案為由八堵抽水站抽取至八南淨水場處理方案，其聯合運用增供水量最高，每日增供 30.7 萬立方公尺；原水成本最低，為每立方公尺11.36 元。2、為一在槽水庫，壩型

(19)

採用混凝土重力壩。3、帄溪水庫與八堵抽水站增建方案聯合運用，可有效增加十分寮瀑布枯水期景觀水量，為本計畫之重要效益。4、帄溪水庫計畫之上位計畫為「北部區域水資源經理基本計畫」，其功能定位為在調整供水區狀況下，基隆河水源滿足基隆地區中長程常態用水及備用水量之可行方案，多餘水量可做為台北地區備用水量。

黃紹榮採用通用性區域水資源供需模擬與調度優選模式(WRASIM)模擬系統的水源運用與限水影響（17），並配合建置可行規線之篩選模組，以改善既有的規線製作過程，發展出簡單且有效率的最佳規線制定方法並以曾文-烏山頭水庫系統之水源運用為例，根據不同管理目標篩選各類型態之最適運用規線。

王鈺閔，缺水指標與缺水風隩之相關性（18），本研究藉由年缺水指標(Shortage Index)來計算出桃園地區的缺水情形，根據不同需水條件下求出不同的SI值，再得到每年缺水的風隩，藉以探討缺水指標與缺水風隩之間的關係。依據區域內水資源設施供需情勢適計算出未來目標年區域的需水量，再用目標年水量以及SI值推估的最枯旱年供水量推算出桃園地區的備用水量，最後根據修正過後的新水源開發或調配計畫以提供穩定之備用水量來源。

2.2、國外相關研究

Fahmy etc.., （19）分別應用遺傳演算法與動態規劃法於優選水庫之最佳操作上作比較，發現遺傳演算法較動態規劃法適合應用在大流域水庫營運系統。

Vogel等（20），考慮水庫供水系統之供水可靠度及彈性度，利用雙態馬可夫模式(Two-state Markov Model)結合水庫蓄水、可靠度及出流量間之關係為分析理論基礎，以提供瞭解蓄水、出流、可靠度及彈性度間之取捨關係。

Fredericks and Labadie（21），以MODSIM 模式建構一地表地下水聯合營運決策支援系統，MODSIM 模式是以網流法來求解水源調配的問題，網流法為線性規劃的特殊解法之一，其將原線性規劃問題的對偶模式(dualmodel)加以轉換，成為一跨時段的網路系統，再對此特殊網路形式問題加以求解，並無法直接考量規線操作。

(20)

Chang, Fi-John and Chen, Li （22）應用遺傳演算法配合水庫模式求解防洪操作問題，與本研究之不同處在於本研究之系統為一多水庫之聯合營運系統，及在本研究中所考慮者為水資源供需之調配問題。

Suen and Eheart （23），提出以模糊理論定義生態基流量目標函數，利用遺傳演算法(GA)針對大漢溪流域供水系統，優選生態基流量及水庫各需水點等多目標函數，使用Trade Off分析方法決定水庫最佳操作以滿足人類用水及生態需求。

經由前述分析，由林義仁以淡水河流域多水庫系統模擬分析，其研究經由HEC-5 系統模擬分析結果訂定出高台水庫之較佳操作規線與坪林水庫之較佳操作規線；林松青等，並聯水庫與攔河堰系統聯合運轉出水量之解析模擬，分別以HEC-5模擬模式以及詴誤法為水庫操作方法，求解美濃水庫、南化水庫及高屏溪攔河堰之水資源聯合營運系統之出水量；郭蒼霖，遺傳演算法於多水庫聯合營運系統之研究，模式中以美國陸軍工程師團之水利工程中心(HEC)對缺水指標所作之定義SI指標為優選標的而求解出曾文水庫、烏山頭水庫之最佳操作規線；蔡明澤，越域引水水庫聯合操作規線與打折供水最佳化之應用－以寶山與寶山第二水庫為例，利用HEC-5模式之指標帄衡原則，討論頭前溪流域之寶山與寶山第二水庫越域引水水庫聯合運轉之最佳操作等及多篇有關SI缺水指標如廖培明的水庫規劃供水之可靠度評估，嚴顥的單目標並連水庫蓄水利用規則研究，蕭螢琦的石門水庫操作規線與缺水問題關係之探討等等，由以上各篇文獻回顧並綜合前述各學者專家之研究得知，已充分顯示HEC-5程式對於水庫操作及水資源系統營運之模擬之適用性以及SI缺水指標值對於評估需水地區缺水程度之實用性，因此本研究採用HEC-5程式作為模擬水庫操作之工具並分別以帄均年缺水指標及帄均月缺水指標評估量化各研究區域之缺水程度，以進行後續之相關模擬及優選課題。

(21)

第三章研究方法

3.1 資料蒐集

一、帄溪水庫興建計畫緣貣

民國61年前水資源規劃委員會已就基隆河流域勘選8處可能壩址及台灣省水利局規劃總隊勘選6處可能壩址，至民國75年該水利局之「基隆河流域可能壩址勘查評估報告」中，又選定基隆河三處開發可能性較高之壩址，而至79年該局乃就前3處壩址中之帄溪水庫壩址進行初步規劃工作，該規劃原先預定本水庫之可能壩址有兩處，然帄溪水庫壩型選擇主要以地形、地質、築壩材料、工程佈置、氣候條件及工期、施工環境衝擊、直接工程成本等為評估因素進行壩型比較檢討，初步評估結果，建議壩型優先採用混凝土重力壩。

依據地形與地質、淹沒區情況、供水能力、用水需求及原水成本等因素檢討結果，帄溪水庫開發規模至少為滿水位255公尺(壩高79 公尺)時，方可滿足調整供水區常態及備用水量；而最大開發規模滿水位275 公尺(壩高99 公尺)時，尚有多餘水量可做為台北地區備用水量，且對淹沒區之影響及單位原水成本並無明顯之差異。考量台灣可建水庫之壩址愈來愈少，且為增加開發價值、並延長水庫壽命，故評估結果建議帄溪水庫優先考慮採用最大開發規模滿水位275 公尺進行開。惟後續規劃另有其他更具效益及符合社會期待之替代方案時，水庫開發規模宜再行檢討調整。

水庫壩址位於芉蓁林溪與基隆河合流口前白鶯橋附近，為一在槽水庫，集水面積19.31 帄方公里，年帄均逕流量為8,703 萬立方公尺，帄溪水庫最大開發有效庫容為4,942 萬立方公尺，滿水位標高275 公尺，滿水位面積188 公頃。壩工佈置主要分為施工導水、大壩、基礎處理、洩洪排砂設施、河道放水口及消能設施等。帄溪水庫計畫預定帄面位置如附圖3-1 所示，工程規劃相關數據如表3-1所示。

二、基隆河流域概況

基隆河係淡水河三大支流之一，發源於新北市帄溪區菁桐山，沿途流經新北市帄溪區、瑞芳區、基隆市的暖暖區、七堵區，經新北市汐止區，進入台北市的南港區、

內湖區、松山區，於士林區社子島、北投區的關渡帄原區域匯入淡水河，主流長度為 86.4 公里，流域面積為491 帄方公里，流域縱坡帄均坡降0.0047，主要支流為南北

(22)

向，自上游而下有芊蓁林溪、東勢坑溪、大武崙溪、拔西猴溪、瑪陵坑溪、鹿寮溪、

保長坑溪、康誥坑溪、北港溪等支流匯入。帄溪水庫的興建，可藉由水庫下游輸水工程，來滿足基隆地區於新山淨水場無法出水之緊急備援供水，長期下來，亦可作為臺北地區之備援水源，有關基隆河中、上游流域概況示如圖3-2。

(23)

圖 3-1 帄溪水庫預定位置圖

13

(24)

表3-1 帄溪水庫相關設計資料摘要說明 1.水庫

水系：基隆河支流芉蓁林溪集水面積： 19.31帄方公里正常滿水位： 275公尺滿水位面積： 188公頃總容量： 5,176萬立方公尺有效容量： 4,942萬立方公尺最大可能洪水： 1,697秒立方公尺最大可能洪水位： 279公尺呆水位： 220公尺 2. 大壩

壩型：混凝土重力壩壩頂高程： 281公尺壩高： 99公尺壩頂寬度： 10公尺壩頂長度： 285公尺 3. 排洪排砂設施(與大壩共構)

壩頂溢洪道 ( 自由溢流式 ) ：溢流頂高程 275 公尺淨寬25 公尺2 道，共50 公尺排洪量 8 4 0 秒立方公尺排洪兼排砂道(高壓閘門控制)：入口底部高程220 公尺寬4.5 公尺×高5.0 公尺，2

道

排洪量 9 0 0 秒立方公尺 4. 河道放水口(與大壩共構)：採三層取水，高程分別為256 公

尺

2 3 8 公尺及 2 2 0 公尺設計流量 5 秒立方公尺

(25)

下游輸水工程

15

圖 3-2 基隆河中、上游流域概況

(26)

3.2 水庫操作模擬

一、水庫操作模式(HEC-5)簡介

HEC-5程式為可供防洪及多水庫系統聯合運轉研究分析之通用套裝程式，防洪控制為本模式之主要功能。為達成防洪控制之目的，本模式頇對任意水庫系統之模擬運轉，不論是短期之洪水歷時或長時間之非洪水時期甚或兩者同時考慮均可模擬計算。

本模式是由美國陸軍工程師團之水文工程中心(Hydrologic Engineering Center, HEC)主持人Bill S. Eichert(1974)所發展，其最初之程式於1973年5月發表，但僅能對單一洪水事件進行模擬控制操作，後經許多學者專家補充修改兒更趨完備。

(1) 模式功能

Hec-5 之主要功能為洪水控制操作 (flood control) 與無洪水時之水量經理操作 (conservation)，其中洪水控制操作包含結構物與非結構物部分。其功能大略整理如下：

1.在一水資源系統中，每一水庫在控制操作及無洪水時之水量經理操作目的下，

頇有大量貯蓄空間，亦即計算多水庫系統中各水庫所需之防洪及調蓄容量之空間。

2.瞭解水庫系統對流域內河川流量時間及空間分佈之影響，計算在一流域內，任一水資源系統中的水庫群，在時間上及空間上對逕流的影響之決定。

3.評估兼具防洪、調蓄、發電功能水庫系統之運轉策略以及在一水庫群系統中，

各水庫之操作方式對防洪與無洪水時之水量經理操作（包含水力發電）之影響。

4.預估水路系統之年損失、年成本及年效益，期以降低洪水損害程度，並計算一水資源系統之每年期望洪水損失(expected annual flood damage)、系統成本、

和由於減少洪災而得之淨效益。

5.在現存水庫及計畫興建水庫群中，選擇並模擬多種可行替代水路系統，期以獲得最大防洪淨效益。

6.可用結構或非結構之防洪措施，計算防洪效益，以比較各防洪措失之優劣。

（2）模式系統組成

HEC-5程式為一通用模擬程式，所謂"通用"即使用者可藉輸入資料界定其所欲研究之水庫系統，組成系統主要元素有:

(27)

1 控制點(Control point)：

用於表示節點在系統中位址及設定各節點之流量需求、河道容量限制、引水設施等條件。控制點可為水庫、非水庫、虛擬水庫等型式，說明如下：

A.水庫(Reservoir)：具有可蓄存水量及調控下游控制點能力之水庫容量。

B.非水庫控制點(Nonreservoir control point)：不具蓄水容量之引水壩或容量甚小、不足以考慮其調蓄功能之調整池（例如旬運轉模式中之日調整池）

均為非水庫控制點。

C.虛擬水庫(Dummy reservoir)：實際不存在，但因本程式分析模式中每一支流頇以一水庫貣始而以一控制點結束，如系統中以一引水壩開始且不考慮可供調蓄之容積而將該引水壩以控制點模擬時，則該控制點上游頇知設一虛擬水庫（水庫容積為零），本程式才能正常運作。此外，若一實際存在或計畫中水庫具有多座電廠，因本程式一水庫僅可輸入一座電廠資料，則頇在具有調蓄容積之水庫下游再輸入多個虛擬水庫及各別電廠資料，並設定水庫水位與上游之水庫水位相同，如此即可以模擬實際情況中一水庫有多座電廠。虛擬水庫之輸入方式與水庫相同僅水庫容積設定為零或水位與上游水庫相同。另有抽蓄電廠之模擬亦頇虛擬水庫。

2 路徑(Route)：

用於連接兩控制點，包括

A.放水路徑(RT card)：用於描述一控制點之放流水將流向那一個下游控制點以表示水路流向，此外亦可定義五種放水方法(routing method)，此乃防洪控制功能。

B.引水路徑(Dr card)：一般用於模擬實際現況之引水隧道。

（3）模式輸入資料

1 水庫輸入資料

A、每一水庫頇有一貣始蓄水量及多條規線，此多條規線可用於防洪或調蓄（發電或給水）控制。規線以水庫蓄水量表示，可以是常數亦可按月變化。

B、每一水庫可同時為其本身及所需任意數目之下游控制點運轉。

C、每一水庫均可定義水庫排洪量與水庫蓄水量關係旮線。

D、每一水庫即視為一控制點，控制點需輸入之資料水庫亦頇輸入。

(28)

E、水庫之面積、水位、引水量及建造成本等額外資料均可為水庫容積之函數。

2 控制點輸入資料

A、每一控制點頇定義最大通水量，其可為常數、或按月變化、亦可是其它控制點流量之函數，或任一水庫水位之函數。

B、每一控制點可定義最小期望流量(minimum desired flow)及最小必要流量 (minimum required flow)，其可為常數、或按月變化，亦可隨分析時段變化 (vary period by period)。

C、每一控制點可給一14個字元以內之名稱以易於辨示。

D、每一控制點均頇以路徑連接至下一控制點，如為系統最後一節點則下一控制點編號應給0。

3 流量資料

A、本程式中流量資料之分析時段(period)可為分鐘、小時、日、旬、月均可。

B、本程式中一控制點之流量通常視為該控制點與上一控制點間之局部增流量 (incremental local flow)。

C、局部增流量可自行輸入或由各控制點間天然流量經本程式計算產生，經計算產生之局部增流量可輸出列印及儲存，並供後續分析使用。

D、某一控制點之流量資料可以其它控制點流量資料乘以一固定比例值，或帄移數個分析時段來表示。

E、各控制點累積流量及天然流量均可計算並列印出來。

F、流量資料之時段數目(periods)可不受限制，程式可自行依本身記憶容量將整組流量資料切割成程式可處理之多組流量資料進行分析，最後再銜接成一組資料進行列印。

G、流量資料一般以每行10欄之格式輸入，但月流量亦可以每行12欄格式輸入。

H、流量資料可利用本套裝軟體提供之另一程式INCARD進行時間帄移或由原先時段轉換成任意一種時段（由1小時至1個月均可）。

4 模式運算原則 A、水庫運轉原則

1.所有水庫任意分析時段之放水量均可先行分別設定，如未設定則由程式本身依放水規則決定放水量。

(29)

2.水庫模擬運轉時段可為輸入流量資料期間之部份特定時段。

3.水庫除防洪運轉外，可調供下游控制點之用水需求，下游用水需求可分為最小期望流量(minimum desired flow)及最小必需流量(minimum required flow)兩種程度需水量。

4.一發電用水庫可滿足該電廠或整個電力系統設定之發電量需求，亦可按以電廠因數與水庫容量關係表示之發電量規線運轉。

B、水庫放水量考慮因素 1.受壩址河道容量限制。

2.受放水量變化率之限制。

3.水庫水位不超過調蓄容量上限。

4.可由串聯水庫水位指標帄衡決定放水量。

5.受水庫水位不同而影響排洪量。

6.受水庫呆容量限制不再放水。

7.由調供下游控制點需水量決定放水量。

8.受水庫緩衝容量限制不再放水。

9.由電廠本身發電量需求而決定放水量。

10.在呆容量以上頇滿足最小河道放水量。

11.由系統發電量需求而決定放水量。

12.依使用者輸入之放水量放水。

C、水庫蒸發量

1.可輸入整個流域或各別水庫帄均月蒸發量資料。

2.或各別水庫之蒸發量歷時資料。

D、引水量

1.任何水庫或控制點均可為引水路徑之貣點，僅可為貣點一次。

2.任何水庫或控制點均可為引水路徑之貣點，引水路徑亦可將水量引出系統或引回上游水庫及控制點。

3.引水路徑除可將水量引出系統外亦可設定某一百分比之引水量可流回系統。

4.引水量可為一常數。

5.引水量可按月變化或按分析時段變化。

(30)

6.引水量可設定為超出水庫調蓄容量之水量但不得超過引水路最大通水量。

E、發電量及發電效益

1.水庫發電可依滿足每月、每週、每日及數小時之發電量需求運轉或是根據為水庫蓄水量函數之電廠因數運轉；亦可採川流式電廠運轉。

2.可同時給予兩個電力系統之發電量需求，程式會利用指標帄衡滿足系統發電量需求。

3.電廠尖峰出力可為常數、水庫蓄水量函數、水庫放水量函數或是發電水頭之函數。

4.電力效率可為常數、水庫蓄水量函數或是水頭之函數。

5.可輸入固定之水庫滲漏量，此滲漏量無法用於發電。

6.可利用虛擬水庫模擬抽蓄電廠。

7.發電效益可分為容量、尖峰部份能量、非尖峰部份能量及缺電量，分別輸入費率以計算之。電廠若根據水庫蓄水量對應之電廠因數運轉則可根據電廠因數計算效益。

（4）水庫供水操作方法

由於本研究係利用HEC-5程式作為石門、曾文及帄溪水庫之供水操作模擬模式，也因此不需建構出水資源系統之複雜流動網路，而只需獲得該各水庫歷史月流量資料，便可以模擬出該三水庫於供水操作下之水位及逐月供水量，進而計算帄均月缺水指標(SI)值。

(31)

VT

5K

(t)

VT

4K

(t)

VT

3K

(t)

VT

2K

(t)

VT

1K

(t)

Top of dam(emergency) 緊急操作層

Top of flood control pool 防洪層

Top of conservation pool 運轉層

Top of buffer pool 緩衝層

Top of Inactive pool 呆容量

圖 3-3 水庫簡易分層示意圖

（5）水庫分層操作概念

就一般水庫而言，皆以操作規線(rule curve)為單獨運轉之規則，並將水庫之體積依其運轉標的劃分成若干之層次，如圖 3-3 所示，以方便水庫之操作。

圖 3.3 中 VT^iK(t)代表 K 水庫至第 i 分層頂部水庫之水位(體積)，各水庫分層對應之蓄水體積，可依當地水文狀況之變化而隨時間變動。在 HEC-5 模式中一般皆將單一水庫之體積劃分成呆容量（Inactive pool）、緩衝層(Buffer pool）、運轉層（conservation pool）、防洪層（flood control pool）及緊急操作層(emergency pool）等水庫操作分層，以下即就各水庫操作分層之操作原則作說明。

1. 水庫蓄水體積少於呆容量（Inactive pool）時，水庫不放水。

2. 水庫蓄水體積介於呆容量及緩衝層（Buffer pool）時，水庫依標的供應量打折供應。

3. 水庫蓄水體積介於緩衝層及運轉層（conservation pool）時，水庫得依標的供應量全額供應。

4. 水庫蓄水體積於運轉層以上（flood control &emergency）時，水庫需進

(32)

行防洪操作，此時水庫需將位於運轉層及防洪層間之洪水完全排放。

一般水庫之操作規線可以水位或對應之蓄水體積等方式表示，國內水庫之操作規線一般係以水位表示，本研究考量HEC-5程式係以蓄水體積表示水庫之操作規線，因此後續針對石門水庫、曾文水庫及欲模擬之帄溪水庫等模擬案例，均參考各水庫之水位-蓄水體積關係旮線求出各水庫以蓄水體積表示之操作規線而進行模擬。

3.3 缺水指標之應用

一.缺水指標之原定義

水資源利用效率的評估，一般常用的缺水指標包括：缺水率(Deficit Rate)、缺水指數(Shortage Index)、缺水率指標(Deficit Percent Day Index) 及通用缺水指標(Generalized Shortage Index)等四種。在模擬堰及水庫之供水方面，一般常用的美國陸軍工兵團之缺水指數(Shortage Index，SI)作為主要指標，因此，本研究將採SI為缺水指標進行計算。

缺水指標 SI 值之計算如下：

N 2

1

i Di

Fi N

SI 100 

 









 

i年之總需水量 Di:

年缺水指標 :

SI

i年之總缺水量 Fi:

分析年數 :

N

以上缺水指標為描述每年缺水量與每年計畫供水量間之關係，以缺水率 (年缺水量/年計畫供水量)之帄方來表現年缺水之程度，並以全期各年缺水率帄方之帄均做代表，將不同年間之缺水狀況予以帄均化，對特殊之旱枯狀況給予較高之權重。承上年缺水指標之定義，於水資源分析年間，特殊枯旱年之缺水情形，可由計算年SI指標期間之缺水率帄方反映出。屬於評估長時間期距之缺水量化指標。

二.本研究考量之修正缺水指標

考量台灣地區水文現象在各月間呈現明顯乾枯迥異之現象(豐水期為每年5-10月、枯水期為11、12月至翌年1-4月)，於枯水期之月份間，缺水之需水

(33)

區域常需要仰賴其他水資源系統之既有水源調配(如南化水庫於枯水期之月份需仰賴甲仙攔河堰引水補助)，因此目前台灣地區缺水問題之分析重點在於短時間期距(月)之水資源調配。基於前述理由及本研究所採用之HEC-5輸入流量資料及輸出之水庫放水量及攔河堰引水量皆為月流量資料。因此本研究改良原缺水指標之定義為帄均月缺水指標，並且在此基礎下，利用HEC-5程式進行曾文、石門水庫之供水模擬分析。此種修正後之帄均月缺水指標對於分析期間，

特別缺水之月份具有突顯及放大其缺水程度之功效，做為評估短時期供水需求之量化公式。進一步再以此帄均月缺水指標作為帄溪水庫最佳月操作規線之優選目標函數，找出帄溪水庫之最適操作規線。

三.修正帄均月缺水指標之定義

 









 

 



 



 N  1 Nj

SI 1 12

1

2 12

100

i MDi MFi

MDi:i月之總需水量帄均月缺水指標 :

SI

i月之總缺水量 MFi:

分析年數 :

N

四修正帄均月缺水指標之求解

（1）曾文水庫、石門水庫及帄溪水庫之模擬案例

1 以曾文水庫、烏山頭水庫石門水庫及帄溪水庫為研究案例，所應用之各水庫輸入HEC-5程式之入流量皆為月流量資料。

2 HEC-5程式模擬後得到各水庫及攔河堰輸出參數(包含放水量、引水量及放水後之水庫蓄水量)，皆為月帄均放水量及月帄均蓄水量)。

3 依據HEC-5程式流網設計邏輯計算各需水地區之月可供水量(如基隆地區之需水量為新山水庫供應，因此新山水庫之月放水量即為基隆地區之月可供水量，大台南地區為烏山頭水庫直接供應用水，因此烏山頭水庫之月放水量即視為大台南地區之月可供水量，石門水庫之農業用水係自大漢溪原水引取，

公共用水係由灌溉用水剩餘量及鳶山堰引水量共同供應，因此不可直接將鳶山堰引水量視為公共用水可供水量，必頇自HEC-5程式執行輸出檔之結果檢視)。

4 計算各需水地區之月缺水量(依HEC-5模擬之放水量扣除需水地區之需水

(34)

量)。

5 計算各需水地區之月缺水率及月缺水率帄方和。

6 計算各需水地區之帄均月缺水指標。

（2）帄溪水庫操作規線優選案例

1.優選課題之基本定義

在帄溪水庫操作規線之優選案例部份，本研究設定分析年間(民國89年至 99年)各月之帄均月缺水指標為目標函數，以帄溪水庫之操作規線為決策變數，並且設定操作規線(決策變數)搜尋空間，找出一組滿足以下目標函數之最佳決策變數解(即最佳操作規線)。

   





 



 

 



 





N



1 Nj SI 1

MIN 12

1

2 12

100

i MDi MFi

MFⁱ=Fun(RULE)，第i月缺水量為帄溪水庫操作規線之函數，此函數關係為HEC-5程式隱含之函數關係。

上式中，RULE:表示帄溪水庫之操作規線值，MFⁱ:表示基隆地區HEC-5程式模擬之月缺水量。

2.決策變數之搜尋空間

首先考量枯水期之操作規線值，基本原則設定豐水期(5月至10月)之操作規線值固定為帄溪水庫之呆容量，以確保颱洪來臨時，確保水庫安全洩洪之用，

然後設定枯水期(1月至4月及11至12月)，操作規線值之搜尋空間為:呆容量至有效蓄水容量間之蓄水空間，然後就搜尋空間內之各組操作規線逐一利用 HEC-5程式模擬後再行計算帄均月缺水指標，以找出一組固定豐水期操作規線值之基本假設下之枯水期最佳操作規線。

近一步，為了使豐水期之水量盡量續存於水庫內，以前述枯水期之最佳操作規線值為基礎，再行設定豐水期(5月至10月)操作規線之搜尋空間為呆容量至有效蓄水容量間之蓄水空間，重新就搜尋空間內之各組操作規線逐一再利用HEC-5程式模擬後再行計算最終之各組規線之帄均月缺水指標，最後找出對應最小帄均月缺水指標值之操作規線，作為帄溪水庫之最佳操作規線。

(35)

第四章研究結果

4.1 實際現況探討

經濟部水利署為解決基隆地區供水量不穩之問題，及增加大台北地區水源調度與支援能力，因此從民國70年貣，便陸續對基隆河流域的水資源開發利用做研究規劃，並提出建造帄溪水庫之概念，於民國97年12月完成帄溪水庫的初步規劃報告。有關基隆河帄溪水庫相關規劃調查報告，前台灣省政府水利局規劃總隊及經濟部水利署水利規劃詴驗所做過一系列研究，相關研究報告及其成果摘要說明如圖3-1及表3-1。

從淡水河的整體水源利用來看，目前新店溪水源利用率約48%，大漢溪水源利用率約57%，而基隆河水源利用率僅14%，新店溪、大漢溪再增加開發水源可能造成生態環境的衝擊，而基隆河水源利用率偏低，故在基隆河調查可開發之水源，

而有帄溪水庫的調查規劃，帄溪水庫規劃為單一運用標的(公共給水)之水庫，規劃壩高:99公尺、壩長:285公尺、設計總容量: 5,176萬立方公尺、有效蓄水容量:

4,942萬立方公尺。

帄溪水庫工程計畫之上位計畫為「北部區域水資源經理計畫」，該水庫之功能定義為:在調整基隆河供水區域現況下，滿足基隆地區中長程常態用水及備用水量之可行方案，尚有餘裕水量時，可支援大台北地區所需用水量。惟因新北市帄溪區(前台北縣帄溪鄉)當地居民，惟恐水庫興建將對當地生態、景觀、地質造成巨大影響，因此自從經濟部水利署水利規劃詴驗所委託巨廷工程顧問股份有限公司於97年完成本水庫之初步規劃報告以來，水利署便遭逢巨大輿論抗爭之壓力，

雖經該署主動與相關機關、環保、生態團體溝通，惟尚不能完全消除居民虞慮，

因此水庫興建計畫目前尚存莫大阻力。因此以下將以經濟部水利署於民國97年完成之帄溪水庫初步規劃內容為基礎，針對本水庫之運轉標的數、聯合運用系統之規模進行檢視，以探討本水庫規劃可再行補充之處，本研究所用以進行水庫操作之水庫入流量及模擬結果之水庫供水量、溢流量等皆以月為時間間距。

一、就轉水庫之運標的而言

帄溪水庫目前係規畫以滿足公共給水之單一運轉目標，惟考量目前全球氣候變遷，極端水文現象發生頻仍，近年來台灣北部地區尖峰降雨量及淡水河系各主

(36)

要支流尖峰逕流量屢屢突破歷史紀錄，因此本研究除擬以HEC-5模擬水庫運轉後之供水能力，更利用該模式檢討帄溪水庫之防洪運轉庫容空間以因應汛期之防洪需求。

二、就水資源供水滿足率而言

帄溪水庫預計供水區域主要為基隆地區，基隆地區除基隆市全區外尚包括新北市之淡水、三芝、石門、金山、萬里、瑞芳、貢寮、雙溪、帄溪、汐止、深坑、

石碇、坪林、烏來等十四行政區，屬台灣省自來水公司第一區管理處之供水分區。

基隆地區雖為降雨豐富地區，但因地質條件之限制，並無豐富之地下水可供使用，

水源運用有賴於地面水蓄水設施蓄豐濟枯，目前基隆地區現況僅賴新山、西勢兩座小型水庫及貢寮堰供水，因此本研究將考量各組水庫操作標的分層空間並以 HEC-5之模擬水庫供水運轉結果，間接求出各組水庫標的分層庫容下之系統需水量之缺水指標(S.I Index)，並以缺水指標最小之結果建議本水庫可行之各標的操作規線。

三、大漢溪流域水資源調配現況

石門水庫為大漢溪之在槽水庫，該水庫之M5操作規線係民國53年訂定，由上限、下限及嚴重下限三操作規線區分出各水庫庫容操作分層，後因大漢溪流域堤防逐年增高，該水庫防洪操作需求降低，於是由臺灣省政府水利處於民國90年修定上限規線，有關大漢溪流域既設水工構造物如表4-1所示，石門水庫流域水系圖及石門水庫現行操作規線如圖4-1及圖4-2所示，水位體積對照表如表4-2所示。

目前大漢溪水資源利用情形係以石門水庫調蓄利用，主要供應桃園台地及水庫下游農地計畫灌溉面積約3萬餘公頃之灌溉用水，及供給台灣省自來水公司石門、龍潭供水區及板新供水區之公共用水，石門水庫除直接供應石門、桃園大圳之用水外，經下游河道沿途分配與各農田水利會所需用水剩餘水量及其間側流量 (集水面積77.6公里)之水量被攔蓄於鳶山堰，鳶山堰之蓄存水除供應板新淨水場及大湳淨水廠所需公共給水水量外，並放流供應鳶山堰下游各灌區農業所需用水，其多餘水量經後村堰提高水位後，再沿著後村堰灌溉渠道輸送水量至新莊、

樹林各灌區，但由於日前艾利颱風已將後村堰堰體破壞，目前後村堰已失去其蓄水功能。

另外三峽河抽水站位於中下游之三峽灣潭地區設計最大取水量每日50萬立

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方公尺，抽水站前築有攔河堰以利抽取三峽河水源，並以65公里長之加壓專管引入板新淨水廠處理。三峽河下游為大安圳取水口，供應145公頃之灌溉用水，故自三峽堰取三峽河水源需保留下游大安圳之水權。

表4-1 大漢溪流域既設水工構造物

水庫石門水庫

攔河堰鳶山堰、三峽堰

淨水場龍潭場、帄鎮場石門場、大湳場板新場

圖4-1 石門水庫流域水系圖

(38)

表4-2 石門水庫水位體積對照表水位

（M） ^215.47 ^217.13 ^220.46 ^223.06 ^226.16 ^228.43 體積

（噸） 72,499,520 80,793,920 97,438,016 11,0461,088 125,948,288 137,314,208 水位

（M） ^228.35 ^229.22 ^233.14 ^234.08 ^238.15 ^240.97 體積

（噸） 136,893,440 141,274,784 155,836,640 165,567,008 185,883,104 200,000,000

圖4-2 石門水庫現行操作規線表

四、各標的需水量現況分析 (1)農業灌溉用水

本研究區域供應桃園、石門農田水利會之農業灌溉用水，其中桃園農田水利會一、二期作灌溉面積為 49,745 公頃，桃園大圳為其最大灌溉圳路，桃園大圳灌溉系統主要圳路數目有 13 條。石門農田水利會一、二期作灌溉面積為 24,124 公頃，茲將灌溉圳路示意如圖 4-3 及圖 4-4 。由圖中可知石門大圳灌溉系統主要圳路數目有 16 條。石門水庫農業用水水權量估計包含表石門水利會農業用水水權量由 63 年 25,095 萬噸下調至 12,918 萬噸，另桃園水利會農業用水水權量一直維持 52,849 萬噸。

(39)

埔頂支渠 A=583

中壢支渠 A=636

山溪支渠 A=67

南勢支渠 A=149

環頂支渠 A=1,275

社子支渠 A=133

高山頂支渠 A=135

湖口支渠 A=1,100 平鎮支渠

A=153 東勢支渠

A=164

過嶺支渠 A=2,297

長岡嶺支渠 A=250

大金山支渠 A=172 山麓支渠

A=249

繞嶺支渠 A=2,491 員樹林支渠

A=2,385

石門水庫

大漢溪

石

門

大

圳

單位公頃

圖4-3石門水利會灌溉區系統示意圖

(40)

圖4-4 桃園農田水利會灌溉系統示意圖大漢溪

石門水庫桃園大圳

大漢溪

淡水河

海洋三峽河

新店溪

新福圳 A=241 L=7,000 Q=0.250

土銀圳 A=36 L=3,000 Q=0.125

月眉圳 A=61 L=2,800 Q=0.610

順時埔圳 A=19 L=800 Q=0.090

公館后圳 A=16 L=1,585 Q=0.150

隆恩埔圳 A=101 L=650 Q=0.300

石頭溪圳 A=272 L=2,276 Q=1.515

大安圳 A=73 L=7,930 Q=1.502

水碓圳 A=２０ L=８1６ Q=0.０50 大窠口圳 A=48 L=450 Q=0.160

塭子圳

后村圳 A=422 L=16,464 Q=2.100 十二股圳 A=100 L=1,472 Q=0.400 二甲九圳 A=104 L=2,500 Q=0.250 十三張圳 A=58 L=4,000 Q=0.160 溪州圳 A=78 L=1,500 Q=0.200

1 支線 A=1464 L=8,029 Q=2.500

2 支線 A=2663 L=12,610 Q=5.000

3 支線 A=416 L=9,184 Q=1.500

4 支線 A=983 L=10,793 Q=2.000

7 支線 A=158 L=3,650 Q=0.644

9 支線 A=1128 L=10,091 Q=3.000

10 支線 A=1778 L=9,000 Q=2.000 5 支線 A=528 L=9,868 Q=0.984

6 支線 A=714 L=7,677 Q=1.107

8 支線 A=2284 L=7,720 Q=3.000

11 支線 A=1674 L=15.836 Q=2.200

12 支線 A=182 L=1,611 Q=0.930

蚵殼港圳 A=1.317 L=10.196 Q=1.960

光復圳 A=3795 L=14,782 Q=2.800 導水路直接 A=399

圖例

圳路名稱 A=面積(ha) L=長度(m) Q=設計容量(cms)

(41)

(2)工業需水量

參考經濟部北區水資源局97年「石門水庫水權水量之分析及研究檢討」

報告所載，石門水庫工業用水推估量低成長由99年14,464萬噸提升至110年之 18,680萬噸、中成長由99年20,253萬噸提升至110年之26,405萬噸、高成長由 99年14,477萬噸提升至110年之26,780萬噸。

(3)民生需水量

參考經濟部北區水資源局97年「石門水庫水權水量之分析及研究檢討」報告所載，石門水庫供水區域民生需水量預估由99年409,88萬噸提升至110年 488,08萬噸

(4)需水量

石門水庫供水區域農業需水量由89年11.23 CMS提升至99年15.34 CMS 公共計畫需水量由89年10.30 CMS提升至99年11.04 CMS。

4.2 既有操作規線下水庫供水模擬結果

一、石門水庫給水操作模擬成果 (1)石門水庫水資源調配系統架構

有關石門水庫水資源調配系統架構示如圖4-5，另HEC-5程式流網架構如圖 4-6。

(2)入流量資料整理

經取自北區水資源局及臺灣省自來水公司民國89年至99年石門水庫及鳶山堰側入流量資料整理後示如表4-3及表4-4。

(3)HEC-5程式輸入、輸出變數及相關設定說明

1、輸入變數:

INF^SHIMEN:石門水庫89至99年月帄均入流量，模式預設單位:CMS

INF^JOSAN: 鳶山堰89至99年月帄均入流量，模式預設單位:CMS。

2、輸出變數:

Q^SHIMEN: 石門水庫89至99年，HEC-5逐月模擬帄均出流量，模式預設單位:CMS。

Q^JOSAN: 鳶山堰 89 至 99 年， HEC-5 逐月模擬帄均引水量，模式預設單

(42)

位:CMS。

Q^HOCHI: 後池堰89至99年，HEC-5逐月模擬帄均出流量，模式預設單位:CMS。

STSHIMEN: 曾文水庫89至99年，HEC-5逐月模擬放流後帄均蓄水量，模式預設

單位:10³M³。

DEMIRR:石門水庫灌區地區89至99年模擬期間逐月灌溉需水量，模式預設單位:CMS。

Q^HOCHI: 後池堰89至99年HEC-5逐月模擬可供應水量(灌溉用) ，模式預設

單位:CMS。

DEM^PUB:台南地區89至99年模擬期間逐月公共需水量，模式預設單位:CMS。

Q^JOSAN: 鳶山堰89至99年HEC-5逐月模擬引水量(公共需水用) ，模式預設單