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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭遠
研究生(外文):Yun cheng
論文名稱:屏東隘寮圳灌區水資源最佳調配及管理之研究
論文名稱(外文):An Optimal Water Allocation for the Ailiao Irrigation District in Pingtung County, Taiwan
指導教授:李振誥李振誥引用關係
指導教授(外文):Cheng-Haw Lee
學位類別:博士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:155
中文關鍵詞:隘寮圳線性規劃地表水與地下水聯合運用
外文關鍵詞:linear programmingAliliao Irrigation Areaconjunctive use of surface water and groundwater
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台灣地區在優良壩址缺乏、水文條件分配不均、新水資源開發不易、需水量成長快速等情況下,如何有效且合理利用現有水資源為未來水利工作中一相當重要的課題。本研究選擇屏東農田水利會隘寮圳灌溉區為研究區域,以線性規劃理論為基礎,研究在滿足灌溉條件下之最佳地表水與地下水的聯合運用方式。並分析最佳分水率、計劃分水率及實際分水率下枯豐水期抽水量與剩餘地表水量,進而探討可移用水量與其價值。
研究之主要目的為探討隘寮溪隘寮圳灌區地面水與地下水聯合運用,分二部分進行,第一部分是透過大尺度的概念,藉由MODFLOW軟體建構就屏東平原之地下水水流數值模擬,模擬區域內非均質、異向性含水層和不規則邊界的地下水流狀態。第二部分採取小尺度的概念,以屏東農田水利會隘寮圳灌區為研究區域,利用MODMAN軟體將地下水流連續性方程式、出水限制、洩降限制作為限制條件模擬出響應矩陣,再利用LINDO軟體解響應矩陣最佳解,並提出最大允許抽水量。將此最大允許抽水量,配合由隘寮圳灌區各主給需水量、渠道損失量、圳路初始流量所建立的各主給平衡方程式及渠道損失方程式,求取最小抽水量並提出最佳分水率之方法。
本研究以旬平均之取水量為初始流量,以2002年資料為依據進行最佳分水率之模擬。由模擬結果得知,在研究區域內小番水(小輪灌)期間,最佳分水率量化值為新東勢圳0.48、德協圳0.20、鹽埔圳0.32;在后期作期間,最佳分水率量化值為新東勢圳0.41、德協圳0.25、鹽埔圳0.33;在大番水(大輪灌)期間,最佳分水率量化值為新東勢圳0.40、德協圳0.25、鹽埔圳0.35。
To efficiently use the available water resources has become an important role in Taiwan. This study focused on conjunctive use of surface and ground water in the study area of Ailiao irrigation canal in Pingtung. Linear programming technique is applied to construct an optimization model for the purpose of simulation under the conditions of irrigation requirement.
In order to establish the conjunctive use of surface water and groundwater in Ailiao Irrigation Area, this research plans to divide into two parts. In first part, the groundwater numerical simulation with the code of MODFLOW was built to construct the hydro-geological structure of regional Pingtung plain. MODFLOW computer code was applied to simulate the 3-D groundwater flow pattern, hydro-geological structure and insitu hydraulic parameters. In second part, the irrigated area with Chang-Zhi, Nei-Pu and Yan-Pu villages of Pingtung irrigation association, Taiwan was adopted to investigate the conjunctive use of surface water and groundwater. The data of the hydro-geology, the distribution of wells and the changes of discharging plan were used to be applied under calibrate the groundwater development conditions. Furthermore, several conditions such as the firm water requirement, channel loses, and the initial flow of channel are considered to set up to the balance equation of the firm water. Finally the minimum pumping water amount is obtained to evaluate the optimal allocate water rate, using the codes of MODMAN and LINDO.
The simulation results show that the optimized water allocation rateis significantly different from the previously existing one especially in dry season. For the best allocate water rate in 2002, it shows that the allocated rate is 48%, 20%, and 32% for Xin-Dong-Shi, De-Shi, and Yan-Pu during December 25 to May 31, respectively. Meanwhile, the allocated rate is 41%, 25%, 33% for Xin-Dong-Shi, De-Shi, and Yan-Pu during June 1 to November 14, respectively. The allocated rate is 40%, 25%, 35% for Xin-Dong-Shi, De-Shi, and Yan-Pu during November 15 to December 24, respectively.
目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅷ
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究流程 4
1.4 論文架構 5
第二章 文獻回顧與農業水資源相關理論 6
2.1 文獻回顧 6
2.2 研究區域概況 10
2.2.1 氣象 13
2.2.2 水文 18
2.2.3 水質 20
2.2.4 隘寮圳取水量 22
2.2.5 作物面積 24
2.2.6 地下水利用 24
2.2.7 生態基流量 26
2.3 田間調查 30
2.3.1 農業用水量推估 30
2.3.2 輸水損失 35
2.3.3 水位觀測與流速量測 38
2.3.4 流速、水位量測及輸水損失計算 40
2.3.5 計算成果 43
2.4 地理資訊系統 46
2.4.1 空照影像與土地利用判釋分析 46
2.4.2 地理資訊系統空間資料架構 53
2.4.3 地理資訊系統的應用 55
第三章 地下水資源調配與管理模式 69
3.1 概念模式之建置 69
3.1.1 含水層設定 69
3.1.2 起始條件(Initial condition)與邊界條件(Boundary condition) 73
3.1.3 水文地質參數(Hydrogeological parameter)之設定 75
3.1.4 水文變量(Hydrological stresses) 76
3.2 地下水管理模式之概念 79
3.2.1 管理模式的決策變量、目標函數與限制條件 80
3.2.2 系統工程學的應用 81
3.2.3 地下水資源管理模式之建立 81
3.2.4 響應矩陣法 82
3.2.5 單位脈衝響應係數之確定 86
3.2.6 MODMAN程式之運用 88
3.3 屏東平原地下水流數值模式 89
3.3.1 模式基本架構 89
3.3.2 模式之率定 103
3.3.3 模擬結果 109
第四章 隘寮圳灌區最佳化模式 111
4.1 屏東平原地下水數值模擬之建構 111
4.2 模式之率定 111
4.3 實例分析 115
4.4 模式的水位結果分析 121
4.5 原方案和方案一、二的比較 121
4.6 最佳化模式 133
第五章 結論與建議 144
5.1 結論 144
5.2 建議 145
參考文獻. ……..146
自述 152

表目錄
表 1.1 隘寮圳灌區之灌溉計劃分水率(%) 1
表 2.1 隘寮圳灌區作物耕作制度表 11
表 2.2 屏東科技大學教學氣象站1991~2004年降雨觀測記錄 14
表 2.3 屏東科技大學教學氣象站1991~2004年溫度觀測記錄 15
表 2.4 屏東科技大學教學氣象站1991~2004年風速觀測記錄 16
表 2.5 屏東科技大學教學氣象站1991~2004年氣壓觀測記錄 17
表 2.6 隘寮溪旬平均日流量 19
表 2.7 隘寮溪水體檢測結果(民國94年) 21
表 2.8 隘寮溪之水質水體分類比較表(民國83年、民國94年) 22
表 2.9 隘寮圳各支線實際引水量 23
表 2.10 隘寮圳引入水權量 23
表 2.11 隘寮圳灌區作物種類及其面積分佈 25
表 2.12 隘寮圳地下水井資料 25
表 2.13 信賴水準表(1960-2004年) 29
表 2.14 屏東地區一、二期作各生育階段蒸發散量 32
表 2.15 各種土壤滲漏水量 33
表 2.16 一期作各旬灌溉用水量 33
表 2.17 二期作各旬灌溉用水量 34
表 2.18 各種作物依四大區域之平均單位面積灌溉用水量 34
表 2.19 隘寮圳灌區非稻作田間用水量 35
表 2.20 流速量測點斷面資料表 40
表 2.21 各分水點實測流量資料表 41
表 2.22 平差後各分水點流量資料表 42
表 2.23 導水路水深–測流量之關係 43
表 2.24 輸水損失三種表示法實測值成果表 45
表 2.25 誤差矩陣關係表 52
表 2.26 屏東農田水利會隘寮灌區各圖層基本資料 56
表 2.27 隘寮灌區圖之空間物件資料表 57
表 2.28 灌溉渠道系統資料格式表 58
表 2.29 隘寮灌區土系資料屬性欄位代碼 59
表 3.1 屏東平原各水文地質厚度劃分圖 72
表 3.2 屏東平原水文地質參數 75
表 3.3 屏東平原含水層特性分區分佈 76
表 3.4 屏東平原雨量站數統計表 77
表 3.5 屏東平原數值模擬之參數分區表….……………………………...94
表 3.6 屏東平原各鄉鎮入滲表 98
表 3.7 民國88年屏東平原降雨觀測記錄表 99
表 3.8 民國83年屏東平原蒸發觀測記錄表 99
表 3.9 屏東平原各行政區抽水分層比率 100
表 3.10 屏東平原各觀測井八十八年一月之地下水位 101
表 3.10 屏東平原各觀測井八十八年一月之地下水位(續) 102
表 3.11 模式率定結果(一) 107
表 3.12 模式率定結果(二) 108
表 3.13 屏東平原1999年地下水收支平衡表… …………........………110
表 4.1 屏東平原各觀測井在模擬時段之平均誤差 114
表 4.2 隘寮灌區之原抽水量 122
表 4.3 隘寮灌區之最大允許抽水量(方案一) 123
表 4.4 隘寮灌區之最大允許抽水量(方案二) 124
表 4.5 方案一、二可增加之抽水量 125
表 4.6 原方案與方案一水位比較表 125
表 4.7 原方案與方案二水位比較表 126
表 4.8 民國92年隘寮圳各工作站旬日流量 138
表 4.9 隘寮圳灌區(內埔)水旱田面積及主給長度統計表 139
表 4.10 隘寮圳灌區(長治)水旱田面積及主給長度統計表 140
表 4.11 隘寮圳灌區(鹽埔)水旱田面積及主給長度統計表 141
表 4.12 隘寮圳灌區模擬結果 142
表 4.13 隘寮圳灌區最佳與原計畫分水率比較表(單位:%) 143
圖目錄
圖 1.1 研究流程圖……………………………………………………….…4
圖 2.1 隘寮圳幹支線之分佈示意圖 12
圖 2.2 中門橋 20
圖 2.3 採樣點 20
圖 2.4 量測點分佈示意圖 39
圖 2.5 節點平衡示意圖 44
圖 2.6 影像處理流程前置作業流程 47
圖 2.7 幾何校正處理流程 48
圖 2.8 衛星影像土地利用判釋分析及其應用流程 49
圖 2.9 地理資訊層次 55
圖 2.10 內埔工作站航照及灌區圖 60
圖 2.11 長治工作站航照及灌區圖 61
圖 2.12 鹽埔工作站航照及灌區圖 62
圖 2.13 隘寮圳灌區及主要圳路圖 63
圖 2.14 隘寮灌區0-30公分土系圖 64
圖 2.15 隘寮灌區30-60公分土系圖 65
圖 2.16 隘寮灌區60-90公分土系圖 66
圖 2.17 隘寮灌區90-150公分土系圖 67
圖 2.18 隘寮灌區水系圖 68
圖 3.1 屏東平原阻水層位置分布圖 70
圖 3.2 屏東平原地下水觀測井位置圖 71
圖 3.3 屏東平原水文地質概化模式圖 73
圖 3.4 屏東平原邊界示意圖 74
圖 3.5 虛擬側向補注井位置圖 80
圖 3.6 模擬區域之網格劃分與邊界條件示意圖 95
圖 3.7 模式第一層底部高程分佈圖 96
圖 3.8模式第二層底部高程分佈圖 96
圖 3.9 模式第三層底部高程分佈圖 97
圖 3.10 數值模式水文參數分區圖 97
圖 3.11 本研究灌區模式率定前之地下水水位比較圖(12月第一層) 105
圖 3.12 本研究灌區模式率定後之地下水水位比較圖(12月第一層) 106
圖 4.1 隘寮灌區模式示意圖 113
圖 4.2隘寮灌區各灌區格網化圖 117
圖 4.3 模式第一層之洩降判定指示圖 118
圖 4.4 模式第二層之曳降判定指示圖 119
圖 4.5 模式第三層之曳降判定指示圖 120
圖 4.6 隘寮圳灌區控制井分佈圖 128
圖 4.7 鹽埔圳含水層一之最佳抽水量比較示意圖 129
圖 4.8 鹽埔圳含水層二之最佳抽水量比較示意圖 129
圖 4.9 鹽埔圳含水層三之最佳抽水量比較示意圖 130
圖 4.10 德協圳含水層ㄧ之最佳抽水量比較示意圖 130
圖 4.11 德協圳含水層二之最佳抽水量比較示意圖 131
圖 4.12 德協圳含水層三之最佳抽水量比較示意圖 131
圖 4.13 新東勢圳含水層ㄧ之最佳抽水量比較示意圖 132
圖 4.14 新東勢圳含水層二之最佳抽水量比較示意圖 132
圖 4.15 新東勢圳含水層三之最佳抽水量比較示意圖 133
圖 4.16 地下水資源調配與管理流程圖..………………………………..134
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73、鄭遠、李振誥、陳美惠、葉信富(2006),屏東隘寮圳灌區最佳分水率之探討,農業工程學報,第52卷,第1期,13∼23頁。
74、蘇明道、洪培浩、蘇郁修(1999),農業灌溉用水規劃空間決策支援系
統,農業工程研討會。
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