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研究生:陳家梁
研究生(外文):Jia-Liang Chen
論文名稱:都市地區水平衡模式建立及應用研究
論文名稱(外文):Development and Application of the Urban Water Balance Model
指導教授:廖朝軒廖朝軒引用關係
指導教授(外文):Chao-Hsien Liaw
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:河海工程學系
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:水資源管理都市水平衡模式系統動力學雨水貯集利用
外文關鍵詞:water resource managementurban water balance modelsystem dynamicsroof rainwater catchment system
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中 文 摘 要
由於都市化現象,造成人口快速成長與集中,且不透水面密度增加,使得需水量增加、地表透水及涵養水的能力降低、地下水補注量減少,導致都市水循環改變;所以為了解都市化現象所帶來的水文影響與探討都市水資源問題之管理方案,建構適用於都市地區之水平衡模式為當前之要務。
本研究彙整分析國內外水平衡模式、蒸發散量計算公式與逕流入滲機制,並評估探討各項水文機制理論之適用性,建構長期連續性的時間尺度之「都市水平衡理論模式」,並利用系統動力學理論與STELLA軟體撰寫「都市水平衡系統動力模式」。
本研究以台北市六館抽水系統為示範地區,進行參數之敏感度分析與模式的率定及驗證;並探討改變各種不同開發程度及設置透水鋪面下,逕流量、入滲量及蒸發散量的水文變化情形;最後並考量設置雨水貯集利用以消減逕流及減輕供水系統壓力,方案中探討需水量、貯蓄容量、替代率、收集面積比例與逕流削減量之間的關係,並繪製關係曲線圖。因此「都市水平衡系統動力模式」不但能明確了解都市水循環各部分,亦可以評量管理方案對都市水循環改善之效果,以提供為相關管理單位之參考依據。
本研究期以建立之「都市水平衡理論模式」能提供後續都市地區水文環境解析之參考。
關鍵字:水資源管理、都市水平衡模式、系統動力學、雨水貯集利用。
ABSTRACT
Nowadays, the “Urbanization Phenomenon” leads the population to boom and centralize, what’s more, and enlarges the density on impervious areas, which results in dwindling ground water replenishment and deteriorating urban water cycle. In order to have a better understanding the impacts by reducing impervious areas and installing roof rainwater catchment systems on urban water cycle, building up an appropriate urban water balance model should be set as the first priority.

The first step in this study is to review the existing hydrologic models, the methods of estimating the amount of evapotranspiration from urban areas and the infiltration processes. Thus, we could make a deeper look on the adaptability of various hydrologic approaches and temporal scale of urban water balance model in the long run. Therefore, the theory of system dynamics using the STELLA software will be used to establish the urban water balance model.

The sub-watershed of the Liu-guan pumping system in Taipei city has been chosen as the study area. Parameters in the mode are being calibrated and verified using measured data. Sensitivity analysis of these parameters is also conducted. The hydrologic changes among surface runoff, infiltration and evaportranspiration for changing percentage of impervious areas by installing permeable pavement are examined. Also different percentages of existing buildings are assumed to install roof rainwater catchment systems. Their impacts on surface runoff and water supply are studied. The relationship among water demand, storage capacity, catchment area proportion and runoff deduction are draw for selected reliability of water supply.

This study has successful established a model for describing the components of water cycle in urban area and quantifying the impact of changes of water cycle by installing permeable pavement and roof rainwater catchment system. This model provides as a useful tool for urban planners.

Keywords: water resource management, urban water balance model, system dynamics, roof rainwater catchment system.
目 錄
頁次
中 文 摘 要 i
英 文 摘 要 ii
目 錄 iii
表 目 錄 v
圖 目 錄 vi
第一章 緒 論 1-1
1.1 研究緣起與目的 1-1
1.2 研究內容及步驟 1-2
1.3 章節安排 1-3
第二章 文獻回顧 2-1
2.1 水平衡模式 2-1
2.1.1 國內外水循環模式回顧 2-2
2.1.2 綜合討論 2-10
2.2 蒸發散量的推算 2-12
2.2.1 蒸發散量推估模式 2-12
2.2.2 Penman與Penman-Monteith公式 2-13
2.2.3 潛能蒸發散量(PET)與實際蒸發散量(AET) 2-15
2.3 逕流機制 2-18
2.3.1 Horton逕流機制 2-18
2.3.2 Dunne逕流機制 2-19
2.3.3 逕流機制之探討 2-20
第三章 都市水平衡理論模式架構建立 3-1
3.1 都市水平衡概念 3-1
3.2 系統動力學 3-3
3.3 蒸發散模式之建構 3-8
3.4 降雨—逕流模式之建構 3-10
3.4.1 透水性地表 3-10
3.4.2 不透水性地表 3-13
3.5 輸出與輸入系統 3-16
第四章 參數敏感度分析及模式率定與驗證 4-1
4.1 地區介紹 4-1
4.1.1 地理位置 4-1
4.1.2 氣候條件 4-3
4.1.3 地下水資料 4-4
4.1.4 逕流量估算 4-5
頁次
4.2 參數敏感度分析 4-6
4.3 模式率定 4-11
4.4 參數驗證 4-12
第五章 策略研擬與水環境影響評估 5-1
5.1 基地保水與雨水貯集概念 5-1
5.2 方案研擬與評估分析 5-2
5.2.1 回復開發前狀況 5-2
5.2.2 基地保水-透水性鋪面 5-5
5.2.3 雨水貯集利用 5-7
5.3 小 結 5-13
第六章 結論與建議 6-1
6.1 結論 6-1
6.2 建議 6-4
參考文獻 獻-1

表 目 錄
頁次
表2.1 蒸發散量經驗公式一覽表 2-13
表3.1 STELLA & VENSIM差異比較 3-6
表3.2 STELLA軟體建模基本元件 3-7
表3.3 潛能蒸發散模式參數表 3-9
表3.4 實際蒸發散模式參數表 3-10
表3.5 滲透性地表模式參數表 3-13
表3.6 非透水性地表模式參數表 3-16
表3.7 地表逕流總量參數表 3-17
表3.8 平衡模式參數表 3-19
表4.1 六館抽水系統地表利用類型比例 4-3
表4.2 月平均風速 4-4
表4.3 月平均蒸發量 4-4
表4.4 大橋國小觀測之地下水位 4-5
表4.5 待定參數與初步假定值 4-6
表4.6 率定參數值 4-12
表5.1 不透水性鋪面回復為開發前地表之水文變化情形 5-3
表5.2 不透水性鋪面改變為透水性鋪面之水文變化 5-6
表5.3 不同收集面積比例之平均最大供水量 5-8
表6.1 回復開發狀況基地保水方案模擬結果比較 6-2
表6.2 雨水貯集方案成果整理 6-3




圖 目 錄
頁次
圖1.1 研究流程圖 1-3
圖2.1 GWLF 水文模式概念圖 2-3
圖2.2 地形指數模式架構概念圖 2-5
圖2.3 都市水循環模式系統圖 2-8
圖2.4 參數型日流量模式圖 2-10
圖2.5 蒸發散量之估算方法 2-12
圖2.6 實際蒸發散與潛能蒸發散量的線性換算 2-16
圖2.7 入滲率與時間的關係 2-18
圖2.8 Dunne機制概念圖 2-19
圖2.9 河川之部份集水面積示意圖 2-20
圖3.1 都市水平衡概念圖 3-2
圖3.2 因果關係圖 3-3
圖3.3 生物增長系統 3-4
圖3.4 系統動力學應用軟體之發展過程 3-5
圖3.5 潛能蒸發散模式 3-8
圖3.6 實際蒸發散量模式 3-9
圖3.7 透水性地表模式概念圖 3-11
圖3.8 透水性地表模式 3-12
圖3.9 地下水模式 3-12
圖3.10 不透水性地表模式概念圖 3-14
圖3.11 不透水性地表模式 3-15
圖3.12 雨水貯集利用模式 3-15
圖3.13 地表逕流總量模式 3-17
圖3.14 輸入系統 3-18
圖3.15 輸出系統 3-18
圖3.16 系統內部量 3-18
圖4.1 六館抽水系統涵蓋範圍 4-2
圖4.2 台北盆地24口水位觀測井位置分佈圖 4-5
圖4.3 參數C1 rate 敏感度分析 4-7
圖4.4 參數C1C敏感度分析 4-7
圖4.5 參數C2C敏感度分析 4-7
圖4.6 參數BI敏感度分析 4-8
圖4.7 參數gr敏感度分析 4-8
頁次
圖4.8 參數paved depression敏感度分析 4-8
圖4.9 參數road depression敏感度分析 4-9
圖4.10 參數roof depression敏感度分析 4-9
圖4.11 地下水位變化之驗證結果 4-14
圖4.12 地表逕流量之驗證結果(1月-6月) 4-15
圖4.13 地表逕流量之驗證結果(7月-12月) 4-16
圖4.14 納莉颱風期間地表逕流之驗證結果 4-17
圖5.1 改變不同面積比例鋪面之水文變化 5-4
圖5.2 北部地區雨量站分類圖 5-7
圖5.3 替代率70%下不同收集面積比例之情況 5-9
圖5.4 替代率80%下不同收集面積比例之情況 5-10
圖5.5 替代率90%下不同收集面積比例之情況 5-11
圖5.6 不同收集面積比例之貯蓄容量與逕流量削減情況 5-12
參考文獻
中文部分
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英文部份
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