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系統識別號 U0026-0607202011012200
論文名稱(中文) 以蒙地卡羅方法評估石門水庫壽命之不確定性
論文名稱(英文) Uncertainty Analysis of Shihmen Reservoir Capacity Using Monte Carlo Method
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 水利及海洋工程學系
系所名稱(英) Department of Hydraulics & Ocean Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生(中文) 趙翊廷
研究生(英文) Yi-Ting Chao
學號 N86071065
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 134頁
口試委員 指導教授-王筱雯
口試委員-謝正倫
口試委員-蕭政宗
口試委員-王咏潔
中文關鍵字 統計分析  水文不確定性分析  石門水庫  水庫淤積  蒙地卡羅方法  集水區產砂 
英文關鍵字 Statistical analysis  hydrological uncertainty analysis  Shihmen Reservoir  Reservoir sedimentation  Monte Carlo method  Watershed sediment yield 
學科別分類
中文摘要 評估水庫淤積是一種水文不確定性分析,其只能量化而無法透過人為方式減小。水庫淤積是所有水庫最重要的問題,因此了解水庫泥砂狀況就相當重要。台灣現有水庫淤積推估方式大多屬於透過布倫曲線(Brune curve)與單一入流與入砂量來進行淤積演算得到水庫壽命,無法有效反映集水區泥砂概況。本研究選定石門水庫集水區作為研究區域,先行引用Minear and Kondolf (2009)所提出之水庫淤積模型,並修改該模型針對集水區產砂的假設,引用通用土壤流失公式與現有崩塌資料。另外透過蒙地卡羅方法進行大量模擬而量化水文不確定性,最終預測石門水庫壽命並探討不確定性。本研究稱之為蒙地卡羅水庫淤積模型(Monte Carlo Reservoir Sedimentation Model, MS Model )。
本研究針對產砂行為進行統計分析,並依照不同的機率分佈做組合,透過石門水庫現有庫容調查資料(西元1964~2015年)進行率定,最後得到最佳分佈為土壤沖蝕為廣義極端值分佈,崩塌為皮爾遜三型分佈。本研究針對石門水庫進行未來模擬,模擬到2200年,一共模擬1000次,模擬結果為石門水庫壽命大約為127年,存在約±24年之誤差。本研究參考與比對歷年報告書、現有庫容調查資料檢視本研究結果,MS Model模擬之平均值相當符合現況,又能考慮到水文不確定性,因此本研究認為MS Model是可以應用在其他水庫集水區的模式,讓水庫管理單位在做決策時有更多的考量依據。
不確定性分析根據不同研究方式有不同面向,本研究乃根據水文事件本身的不確定性,透過大量模擬來探討,提出因水文不確定性產生約±24年的誤差,印證水文事件的不可預測性與隨機變異性,在當今氣候趨於異常的情況下,更應該重視水文不確定性所帶來的影響。
英文摘要 In this study, we create a new statistical model for calculating the lifespan of a reservoir that is able to produce not just one averaged result, but can provide a range of results representing uncertainty. The model, Monte Carlo Reservoir Sedimentation Model (MS Model), was created using the structure of the 3W Model created by Midear and Kondolf (2009), and the statistical theory of the Monte Carlo method. The uncertainty considered in this model only includes uncertainty around possible hydraulic events. To test the model, we conducted reservoir life simulations for Shihmen reservoir, located in Northern Taiwan, using both the 3W Model, and MS Model. The models were all run from 1960 until the reservoir capacity reaches 0, and compare the results to the observed data available from 1964-2015, as well as to each other.
The MS Model is distinct from other models in that it does not only consider a single sedimentation rate, but considers sedimentation rates of both watershed soil loss, and landslides. Different probability distributions of sedimentation rates due to both soil loss and landslides were calculated, and the most accurate pair for the study area was found to be included as input in the model. The simulation result from the MS Model show the life of Shihmen Reservoir is about 127 years, with an error of about ±24 years. We compare the result of the MS Model with the previous reports and existing reservoir capacity data, which shows that the average value of the MS Model simulation is quite in line with the current situation, and also is able to consider the hydrological uncertainty. Therefore, MS Model can accurately simulate the capacity of Shihmen Reservoir.
Because of the uncertainty of hydrological events, this study explores a large number of simulations, and predicts that the predicted 127 year lifespan could be extended or cut short by 24 years based on hydrological uncertainties from unpredictable hydrological events. Under the current reality of climate change, it is ever more important to pay attention to the impact of hydrological uncertainty.
論文目次 摘要 I
致謝 VIII
目錄 IX
圖目錄 XII
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.2.1 研究動機 2
1.2.2 研究目的 3
1.3 研究架構 4
第二章 文獻回顧 7
2.1 集水區產砂 7
2.1.1 土壤沖蝕 9
2.1.2 崩塌 13
2.2 水庫泥砂相關因子 18
2.2.1 泥砂遞移率 18
2.2.2 囚砂率 19
2.3 水庫淤積評估方法 22
2.4 不確定性分析 26
2.5 小結 29
第三章 研究方法 31
3.1 研究區域概況 31
3.1.1 地文與水文概況 31
3.1.2 石門水庫庫容與淤積現況 34
3.1.3 石門水庫泥砂管理策略 36
3.2 水庫淤積評估方法 38
3.2.1 地質地貌區域的淤積量 38
3.2.2 計算未測量水庫 40
3.2.3 模式模擬與比較 43
3.2.4 資料蒐集 44
3.2.5 模式限制、假設與不確定性 47
3.3 集水區產砂 48
3.3.1 土壤沖蝕量 48
3.3.2 崩塌量 59
3.3.3 年入砂量 61
3.3.4 資料蒐集 62
3.4 統計方法 63
3.4.1 機率分佈與適合度檢定 63
3.4.2 蒙地卡羅方法 66
3.5 整合模式 68
3.5.1 Python 整合 68
3.5.2 MS Model率定與模擬 70
3.5.3 模式限制、假設與不確定性 71
3.6 小節 72
第四章 結果與討論 73
4.1 水庫淤積評估結果 73
4.1.1 地質地貌分區與淤積速率 73
4.1.2 3W Model模擬結果 79
4.1.3 結果討論 81
4.2 集水區產砂 83
4.2.1 土壤沖蝕量 83
4.2.2 崩塌量 96
4.3 統計分析結果 98
4.3.1 機率分佈與適合度檢定 98
4.3.2 機率分佈負值討論 102
4.4 整合模式 106
4.4.1 率定結果 106
4.4.2 模擬結果 109
4.4.3 結果討論 111
4.5 3W Model與MS Model的比較 115
第五章 結論與建議 117
5.1 結論 117
5.2 建議 119
參考文獻 121
附錄一 石門水庫集水區防砂壩 131
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