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研究生:紀均澤
研究生(外文):Chun-Tse Chi
論文名稱:應用風險評估在土石流災害之研究
論文名稱(外文):Application of Risk Assessment on Debris Flow Hazard
指導教授:王安培
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:模糊理論土石流風險評估
外文關鍵詞:debris flowrisk assessmentfuzzy theory
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台灣土石流災害嚴重,且目前科技水準仍無法於颱風豪雨期間準確預測未
來後續降雨情形,因此預警效果有限,致使土石流災害不斷,故土石流方面的
相關預測以及災害防制值得繼續研究。
土石流之發生在水文及地文因子上皆有其不確定性。模糊理論對處理「不
精確」 、 「含糊」的問題特別具有效力,因此本研究應用模糊理論,建立土石流
危險度的分析模式。先選取溪床平均坡度、形狀因子、地質特性作為土石流發
生的潛在因子,並以降雨強度及累積雨量等水文資料為激發因子,利用層級分
析程序法來決定因子間的權重,再以模糊綜合評判方法,判斷土石流發生的可
能性。
危險度分析後,進一步預估土石流發生規模。利用類神經網路建立一「降
雨—逕流」模式,以逕流量大小來判斷土石流發生規模,逕流量越大,所夾帶
的土石也會較多。最後再由風險的概念,以土石流發生的可能性以及嚴重性,
進行風險評估。
Disaster caused by debris flow is a very serious issue in Taiwan, and current
technology standard of typhoon is still incapable of predicting the follow-up rainfall
accurately. It would result in not only the limited efficacy of the advanced warning
system, but also increasing the frequency of debris flow consequently since the
inaccuracy of current technology standard of typhoon has not been improved.
Therefore, it could be stated that the research in the advanced warning system of
debris flow is a critical issue to study in Taiwan.
Due to the uncertainty of both hydrological and geological factors of debris flow,
fuzzy theory would be adopted in this research since fuzzy theory is effective to
analyze the uncertainty issues. A model based on fuzzy theory would be established
in this study in order to estimate the risk degree of debris flow. There are three factors,
the mean slope, the form factor of basin and the geologic character, which would be
selected as latency factors. Rainfall intensity and the amount of accumulated rainfall
would be selected as stimulating factors. The Analytic Hierarchy Process would be
adopted to determine the weights among those factors; and the fuzzy Synthetic
decision method would be utilized to estimate the risk degree of debris flow.
After the analysis of the risk degree of debris flow, a “rainfall-runoff” model
would be build to predict the scale of debris flow by using Artificial Neural Network.
Finally, the risk assessment would be proceeded by applying the concept of risk, the
probability and the scale of debris flow would be taken into consideration in this part
as well.
中文摘要 ........................................................................................................................ I 
Abstract ......................................................................................................................... II
致謝………………………………………………………………………………….III
目錄 ............................................................................................................................. IV 
表目錄 ...................................................................................................................... VIII 
圖目錄 ......................................................................................................................... IX 
第一章 緒論 ................................................................................................................. 1 
1-1 研究動機 ........................................................................................................ 1 
1-2 研究目的與方法 ............................................................................................ 2 
1-3 本文架構 ........................................................................................................ 3 
第二章 文獻回顧 ......................................................................................................... 4 
2-1 土石流預警之文獻回顧 ................................................................................ 4 
2-2 土石流危險度之文獻回顧 ............................................................................ 4 
2-3 風險評估之文獻探討 .................................................................................... 6 
2-4 類神經網路之文獻回顧 ................................................................................ 7 
2-5 層級分析程序法之文獻回顧 ........................................................................ 8 
第三章 理論分析 ......................................................................................................... 9 
3-1 風險分析(Risk Analysis) ............................................................................... 9 
3-1-1 風險意義和來源 ................................................................................ 9 
3-1-2 風險管理的意義 .............................................................................. 10 
3-1-3 風險管理程序 .................................................................................. 11 
3-1-4 風險分析之方法 .............................................................................. 12 
3-2 模糊理論 ...................................................................................................... 15 
3-2-1 多值邏輯的發展過程 ...................................................................... 15 
3-2-2 普通集合論與模糊集合論 .............................................................. 16 
3-2-3 模糊理論常用的隸屬函數 .............................................................. 18 
3-2-4 確定隸屬函數的方法 ...................................................................... 20 
3-2-5 模糊集合之基本運算 ...................................................................... 21 
3-2-6 模糊統計與隸屬度 .......................................................................... 22 
3-2-7 模糊綜合評判 .................................................................................. 24 
3-2-8 模糊準則評分 .................................................................................. 27 
3-3 層級分析程序法(Analytic Hierarchy Process , AHP ) ............................... 27 
3-4 類神經網路 .................................................................................................. 31 
3-4-1 倒傳遞神經網路 .............................................................................. 31 
3-4-2 網路參數 .......................................................................................... 34 
第四章 土石流危險度 ............................................................................................... 36 
4-1 土石流發生的基本條件 .............................................................................. 36 
4-2 土石流發生因子的選取 .............................................................................. 37 
4-2-1 潛勢因子 .......................................................................................... 37 
4-2-2 激發因子 .......................................................................................... 41 
4-3 隸屬函數建立 .............................................................................................. 41 
4-3-1 各項因子與危險等級之隸屬函數 .................................................. 41 
4-3-2 潛在因子隸屬函數之建立 .............................................................. 42 
4-3-3 各因子之隸屬程度 .......................................................................... 45 
4-3-4 激發因子隸屬函數之建立 .............................................................. 45 
4-4 因子權重決定方法 ...................................................................................... 47 
4-5 模糊邏輯及推論 .......................................................................................... 49 
第五章 實例驗證 ....................................................................................................... 51 
5-1 白布帆地區土石流調查 .............................................................................. 51 
5-1-1 區位概述 .......................................................................................... 51 
5-1-2 白布帆地區地理資料 ...................................................................... 51 
5-2 土石流模糊危險等級 .................................................................................. 53 
5-2-1 潛在因子危險等級 .......................................................................... 53 
5-2-2 激發因子危險等級 .......................................................................... 54 
5-3 模糊危險等級去模糊化 .............................................................................. 58 
5-4 土石流發生嚴重性 ...................................................................................... 59 
5-4-1 逕流預報模式 .................................................................................. 60 
5-4-2 資料來源 .......................................................................................... 61 
5-4-3 ANN的建立 ...................................................................................... 63 
5-4-4 停止條件及參數設定 ...................................................................... 65 
5-4-5 效能評鑑指標 .................................................................................. 65 
5-4-6 水庫入流預測結果 .......................................................................... 67 
5-5 土石流規模分級 .......................................................................................... 76 
5-6 風險決策 ...................................................................................................... 77 
第六章 結論與建議 ................................................................................................... 79 
6-1 結論 ............................................................................................................... 79 
6-2 建議 ............................................................................................................... 80
參考文獻…………………………………………………………………………….81
表目錄
表 3-1 明確集合與模糊集合運算之差異................................................................. 22 
表 3-2 X與 Y之模糊關係 ......................................................................................... 26 
表 4-1 地質種類之量化值 ......................................................................................... 39 
表 4-2 土石流發生溪流潛在因子資料表................................................................. 40 
表 4-3 各因子與危險等級之隸屬函數表................................................................. 42 
表 4-4 潛在因子之隸屬程度及危險等級................................................................. 45 
表 4-5 潛在因子平均隸屬度 ..................................................................................... 48 
表 4-6 各因子間隸屬度差值相對重要性................................................................. 48 
表 4-7 潛在因子與激發因子危險等級查詢表 ........................................................ 50 
表 5-1 白布帆地區潛在因子資料 ............................................................................. 53 
表 5-2 桃芝颱風期間白布帆地區雨量資料表 ........................................................ 55 
表 5-3 桃芝颱風期間白布帆地區累積雨量模糊危險等級表 ................................ 56 
表 5-4 桃芝颱風期間白布帆地區降雨強度模糊危險等級表 ................................ 57 
表 5-5 桃芝颱風期間白布帆逐時危險等級 ............................................................ 58 
表 5-6 颱風事件資料 ................................................................................................. 63 
表 5-7 效能評鑑表 ..................................................................................................... 67 
表 5-8 規模對應災害嚴重性分析表 ......................................................................... 77 
表 5-9 風險決策判定標準表 ..................................................................................... 77 
圖目錄
圖 3-1 明確集合與模糊集合之差異 ......................................................................... 17 
圖 3-2 升降嶺形分佈函數 ......................................................................................... 19 
圖 3-3 常態分佈函數 ................................................................................................. 19 
圖 3-4 梯形分佈函數 ................................................................................................. 20 
圖 3-5 模糊統計示意圖 ............................................................................................. 24 
圖 3-6 土石流災害樹狀分析圖 ................................................................................. 29 
圖 3-7 土石流危險等級分析 ..................................................................................... 30 
圖 3-8 倒傳遞神經網路架構圖 ................................................................................. 32 
圖 4-1 集水區形狀因子與流量歷線之關係 ............................................................ 38 
圖 4-2 危險模糊隸屬度分類五級 ............................................................................. 42 
圖 4-3 形狀因子之隸屬函數 ..................................................................................... 43 
圖 4-4 溪床坡度之隸屬函數 ..................................................................................... 44 
圖 4-5 地質特性之隸屬函數 ..................................................................................... 44 
圖 4-6 累積雨量大小之隸屬度 ................................................................................. 46 
圖 4-7 降雨強度大小之隸屬度 ................................................................................. 46 
圖 5-1 苗栗卓蘭白布帆地區地質圖 ......................................................................... 52 
圖 5-2 白布帆地區地形圖 ......................................................................................... 52 
圖 5-3 桃芝颱風路徑圖 ............................................................................................. 54 
圖 5-4模式建立流程圖 .............................................................................................. 61 
圖 5-5 石門水庫集水區雨量站位置圖 ..................................................................... 62 
圖 5-6 水庫入流量預測模式─訓練樣本(t+1)時刻輸出 ........................................ 68 
圖 5-7 水庫入流量預測模式─驗證樣本(t+1)時刻輸出 ........................................ 68 
圖 5-8 水庫入流量預測模式─測試樣本(t+1)時刻輸出 ........................................ 69 
圖 5-9 水庫入流量預測模式─訓練樣本(t+2)時刻輸出 ........................................ 69 
圖 5-10 水庫入流量預測模式─驗證樣本(t+2)時刻輸出 ...................................... 70 
圖 5-11 水庫入流量預測模式─測試樣本(t+2)時刻輸出 ...................................... 70 
圖 5-12 水庫入流量預測模式─訓練樣本(t+3)時刻輸出 ...................................... 71 
圖 5-13 水庫入流量預測模式─驗證樣本(t+3)時刻輸出 ...................................... 71 
圖 5-14 水庫入流量預測模式─測試樣本(t+3)時刻輸出 ...................................... 72 
圖 5-15 訓練樣本(t+1)時刻散佈圖 ........................................................................... 73 
圖 5-16 驗證樣本(t+1)時刻散佈圖 ........................................................................... 73 
圖 5-17 測試樣本(t+1)時刻散佈圖 ........................................................................... 73 
圖 5-18 訓練樣本(t+2)時刻散佈圖 ........................................................................... 74 
圖 5-19 驗證樣本(t+2)時刻散佈圖 ........................................................................... 74 
圖 5-20 測試樣本(t+2)時刻散佈圖 ........................................................................... 74 
圖 5-21 訓練樣本(t+3)時刻散佈圖 ........................................................................... 75 
圖 5-22 驗證樣本(t+3)時刻散佈圖 ........................................................................... 75 
圖 5-23 測試樣本(t+3)時刻散佈圖 ........................................................................... 75 
圖 5-24 模糊規模等級之三角形隸屬函數圖 .......................................................... 76
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