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研究生:陳孟威
研究生(外文):Meng-Wei Chen
論文名稱:類神經網路應用於石門水庫集水區暴雨產砂量推估之研究
指導教授:李鴻源李鴻源引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:120
中文關鍵詞:石門水庫類神經網路輸砂
外文關鍵詞:HSPF
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水庫集水區的治理與開發,常會面臨地表土壤沖蝕與泥砂運移所造成之庫區泥砂淤積,因而減低水庫之蓄水容量及壽命,且影響水庫之操作營運。傳統上集水區泥砂產量之推估受限於資料蒐集的完整性,導致於只能用經驗或統計方式進行泥砂產量的推估。本研究運用具有強大計算能力之類神經網路理論,並搭配美國環保署(EPA)所發展的HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran)水文模擬模式,進行水庫集水區泥砂產量之推估。
HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran)模式為美國環境保護署(EPA)所推廣的全流域模擬程式,可模擬非點源污染在集水區及河系中之行為,例如降雨逕流歷程所產生之水量、土壤沖蝕及水質問題,並可作連續長時間或短期暴雨模擬,為一優良的水文模式。
類神經網路是科學家模仿生物的大腦與神經網路系統所建構出來的資訊處理系統,具備有知識累積及學習快速的優點,可以解決高度複雜非線性映射之工程問題。本研究採用目前最具代表性、應用最廣泛的倒傳遞類神經網路(Back propagation network,BPN)來建構整個系統模式,唯模式必須利用大量資料作為學習。一般而言各水庫並未有大量的實際泥砂觀測資料可茲訓練,尤其是暴雨時期之逐時泥砂觀測資料更是缺乏,因此本研究先針對HSPF模式參數進行檢定與驗證,並以此驗證參數來作為泥砂特性資料之產生,得到可供類神經網路所需之訓練範本,並將類神經網路所得結果與HSPF所模擬的結果互相比較,以評估類神經網路應用於水庫集水區泥砂產量之可行性,本研究期望以訓練完成之類神經網路取代HSPF模式,類神經網路較之傳統模式操作上更為簡便及快速,因而水利工程人員得以容易學習及操作,以期能正確而迅速得到結果,提升整體預報之效能。
第一章 緒論 1
1.1研究目的 1
1.2研究方法 1
1.3研究流程 3
1.4論文架構 4
第二章 非點源污染模式選取之介紹 6
2.1 非點源污染 6
2.2 水庫集水區之非點源污染 7
2.3 非點源污染模式 7
2.3.1 SWMM 7
2.3.2 AGNPS 8
2.3.3 BASINS 8
2.3.4 VAST 9
2.3.5 STORM 9
2.3.6 ANSWERS 9
2.3.7 VANTU 10
2.3.8 HSPF 10
2.4 HSPF 模式簡介 10
2.4.1 HSPF模式架構及使用流程 11
2.4.2 模擬原理及方法 14
2.4.3 HSPF模式參數 15
2.5 HSPF文獻回顧 15
2.6 HSPF模式理論 17
2.6.1 集水區透水面地表逕流之模擬-PWATER模組 17
2.6.2 土壤沖蝕、運移之模擬-SEDMNT模組 26
2.6.3 河道水理演算-HYDR模組 29
2.6.4 河道輸砂演算-SEDTRN模組 31
第三章 類神經網路理論分析 33
3.1類神經網路之簡介 33
3.2神經元之模型 34
3.2.1生物神經元模型 34
3.2.2人工神經元的運算模型 35
3.3類神經網路在水利工程上之文獻回顧 36
3.4 類神經網路的基本架構 38
3.5 類神經網路的學習方式 42
3.6 類神經網路的特性 43
3.7 倒傳遞網路(Back propagation network,BPN) 44
3.7.1 倒傳遞網路架構 45
3.7.2 倒傳遞網路基本原理 45
3.7.3 倒傳遞網路之公式推導 46
3.7.4 倒傳遞演算法之程序 49
第四章 石門水庫集水區HSPF之模擬 52
4.1 石門水庫集水區概述 52
4.2 HSPF模式之輸入資料 53
4.2.1 降雨量資料 53
4.2.2 流量資料 53
4.2.3 輸砂量資料 54
4.2.4 河道斷面資料 54
4.3 模擬過程 55
4.4 HSPF模式之基本流程 56
4.4.1 ANNIE簡述 56
4.4.2 執行流程 56
4.5 HSPF模式參數敏感度分析 57
4.6 HSPF模式參數檢定與驗證 58
4.6.1 降雨逕流模組之參數調整 58
4.6.2 土壤沖蝕、運移模組之參數調整 60
4.6.3 河道演算模組參數調整 61
4.7 模擬結果 62
4.8 討論 64
第五章 類神經網路模式學習及驗證 66
5.1 資料產生 66
5.2 網路架構 66
5.2.1 輸入層 66
5.2.2 隱藏層 67
5.2.3 輸出層 68
5.3 訓練前置工作 68
5.3.1 轉換函數之選擇 68
5.3.2 資料正規化(normalization) 69
5.3.3 網路參數設定 69
5.3.4 輸入資料之整理 70
5.4 學習及驗證結果 70
5.5 輸砂量方程式之推求 73
5.6 討論 73
第六章 結論與建議 75
6.1 結論 75
6.2 建議 76
1. 楊德良、林國峰、王如意、郭振泰、顏清連(1989),「德基水庫集水區治理規劃研究報告第一冊 逕流、沖蝕及泥沙運移之模擬」,國立台灣大學水工試驗所研究報告,No.98,台北。
2. 楊德良、林國峰、王如意、郭振泰、顏清連(1989),「德基水庫集水區治理規劃研究報告第二冊 合理化公式之探討與應用」,國立台灣大學水工試驗所研究報告,No.99,台北。
3. 楊德良、林國峰、王如意、郭振泰、顏清連(1990),「德基水庫集水區治理規劃研究報告第三冊 逕流、沖蝕及泥沙運移模式操作手冊」,國立台灣大學水工試驗所研究報告,No.103號,台北。
4. 李鴻源、高正忠、郭振泰、許銘熙、楊錦釧(1990),「水質保護綱要計畫-非點源污染防制計畫研究(一)」,行政院環境保護署研究報告,台北。
5. 李鴻源、高正忠、郭振泰、許銘熙、楊錦釧(1991),「水質保護綱要計畫-非點源污染防制計畫研究(二)」,行政院環境保護署研究報告,台北。
6. 李鴻源、高正忠、郭振泰、許銘熙、楊錦釧(1992),「水質保護綱要計畫-非點源污染防制計畫研究(三)」,行政院環境保護署研究報告,台北。
7. 揚錦釧、湯有光、葉克家(1992),「輸砂模式敏感度與不定性之評估」,經濟部水資源統一規劃委員會。
8. 李鴻源(2001),「大漢溪上游石門水庫集水區特性探討之研究」,經濟部水利處北區水資源局。
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10. 經濟部水利處(2000),「石門水庫特定水土保持區規劃報告」。
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13. 鄭子璉(1995),「分佈型類神經網路降雨逕流模式之研究」,碩士論文,國立成功大學水利及海洋工程研究所,台南。
14. 劉新達(1995),「類神經網路在水庫操作的應用」,碩士論文,國立交通大學土木工程研究所,新竹。
15. 王心芝(1996),「水庫集水區農業用地非點源及最佳管理作業功能之評估」,碩士論文,國立台灣大學農業工程學研究所,台北。
16. 余忠賢(1996),「德基水庫集水區非點源負荷之研究」,碩士論文,國立台灣大學農業工程學研究所,台北。
17. 李建忠(1996),「HSPF模式應用於瑪家水庫優養潛勢分析之研究」,碩士論文,國立成功大學水利及海洋工程研究所,台南。
18. 孫建平(1996),「類神經網路及其應用於降雨及逕流過程之研究」,碩士論文,國立台灣大學農業工程學研究所,台北。
19. 郭振泰、余嘯雷、林鎮洋、駱尚廉、李永展(1997),「水庫集水區非點污染源控制手冊及分級分區管理措施之研定」,經濟部水資源局研究報告,台北。
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24. 黃浩倫(1998),「即時學習回饋式類神經網路於流量推估之應用」,碩士論文,國立台灣大學農業工程學研究所,台北。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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