魏志強 稻江科技暨管理學院資訊管理學系 助理教授 全球氣候變遷下水庫系統永續發展之探討 魏志強 稻江科技暨管理學院資訊管理學系 助理教授 楊梅高中研習 2010.05.08

學、經歷 台灣大學土木工程研究所博士 2006 台灣大學土木工程研究所碩士 1998 成功大學水利及海洋工程學系學士 1995 稻江科技暨管理學院資訊管理學系助理教授 2007.09- 台灣大學水工試驗所博士後研究員 2007.01-2007.08 Civil and Environmental Engineering Department, UCLA 訪問學者2005.02-2006.02 (國科會「千里馬專案計畫」)

著作 Wei, C.-C. and Hsu, N.-S., 2009.01. Optimal tree-based release rules for real-time flood control operations on a multipurpose multireservoir system. Journal of Hydrology, 365, 213-224. [SCI] Wei, C.-C. and Hsu, N.-S., 2008.11. Multireservoir flood-control optimization with neural-based linear channel level routing under tidal effects. Water Resources Management, 22(11), 1625-1647. [SCI] Wei, C.-C. and Hsu, N.-S., 2008.09. Multireservoir real-time operations for flood control using balanced water level index method. Journal of Environmental Management, 88(4), 1624-1639. [SCI] Hsu, N.-S., Cheng, W.-C., Cheng, W.-M., Wei, C.-C., and Yeh, W. W.-G., 2008.05. Optimization and capacity expansion of a water distribution system. Advances in Water Resources, 31(5), 776-786. [SCI] Wei, C.-C.* and Hsu, N.-S., 2008.02. Derived operating rules for a reservoir operation system: Comparison of decision trees, neural decision trees and fuzzy decision trees. Water Resources Research, 44, W02428. [SCI] Cheng, C.-C., Hsu, N.-S., and Wei, C.-C., 2008.01. Decision-tree analysis on optimal release of reservoir storage under typhoon warnings. Natural Hazards, 44, 65-84. [SCI] Hsu, N.-S. and Wei, C.-C.*, 2007.01. A multipurpose reservoir real-time operation model for flood control during typhoon invasion. Journal of Hydrology, 336, 282-293. [SCI] 魏志強、鄭昌奇、徐年盛，2007，以決策樹分析法決定颱風預報下水庫最佳預洩水量，臺灣水利，55(2)，63-72。 徐年盛、魏志強，2007，多水庫系統最佳防洪放水規則之建立與應用—以淡水河流域為例，台大工程學刊，96，91-100。 魏志強、徐年盛，2007，多標的水庫防洪最佳即時操作模式之研發，中國土木水利工程學刊，19(3)，289-299。[EI]

研習課程 主題一 水庫營運概況 主題二 全球氣候變遷 主題三 氣候變遷下水庫永續發展

主題一 水庫營運概況

前言 降雨集中於夏秋兩季，常在水庫集水區降下強度頗大之雨量，由於匯入水庫之洪水量可觀，在進行洩洪作業時，需決定水庫洩放水量及洩洪時機，以使災害損失達到最小。 石門、翡翠水庫防洪運轉需考慮： 水庫安全性 下游河川洪水位抬升 感潮效應 側入流量 洪水運移時間

前人研究 1.2 陳昶憲(1991)發展一套全流域系統水庫防洪即時優選操作模式，以輔助現行水庫防洪操作規則，提供客觀的決策空間 Marien等(1994)建立一套洪水控制規線以決定在洪水時期水庫應預留之空間，而不確定因素包括水文條件以及水庫運用之標的 Ewa等(1996)發展一套即時洪水操作預測模式，以提供多水庫系統在洪水來臨時之各不同標的決策時之參考 張斐章等(1997)以民國七十六至八十五年間之颱風事件，五百年頻率洪水及最大可能洪水為研究對象，檢討目前翡翠水庫之洩放規則 王如意等(1998)檢討淡水河流域內之石門及翡翠水庫之防洪操作對防洪計畫之影響，以變量流水理模式模擬水庫洩洪以提供水庫進行防洪操作時之參考

前人研究 2.2 顏清連等(1998)以淡水河為研究對象，考慮水庫安全、蓄水量、下游河水溢堤等因素，並進一步建立不同洩放量、河口潮位與河川起始條件對抬昇河川水位之影響 簡振和(1999)建立水庫防洪運轉模式及河川洪水位指標模式以供淡水河流域水庫防洪運轉之用 周乃昉等(1999,2004)研究曾文水庫最佳之逐時段即時防洪運轉策略，以降低下游河道特定控制點之洪峰流量，依逐時段之最新觀測及預估資料進行即時演算直至防洪運轉結束，以期在各時段之決策均為該時段下之最佳策略 魏志強(2006)多水庫系統最佳防洪操作之研究

洪水災害成因 多水庫同時大量洩洪 多水庫未事先排開洩洪時機 台北盆地許多地點較海平面低，受潮汐效應影響

水庫進行防洪即時操作之考慮因素 現行水庫防洪運轉規則 氣象預報之準確性 水庫之多目標營運 多水庫聯合防洪操作方式 防洪運轉起始水位與回蓄水位

現行水庫防洪運轉規則 翡翠水庫 將民國七十八年八月所訂定的「臺北翡翠水庫運用規則」廢止 民國九十三年五月重新訂定為「翡翠水庫運用要點」以符合現今水庫操作上之需求 石門水庫 將民國六十六年所訂定的「臺灣省石門水庫多目標運用規則」廢止 民國九十一年十月重新訂定為「石門水庫運用要點」 新近所制定之運轉規則係為因應操作上所需，防洪運轉之研究仍應利用更新理論、觀念，制訂或修改部份規則，以因應洪水災害問題。

氣象預報之準確性 氣象預報的雨量準確率有待改善 翡翠水庫運用要點之防洪規則反應預報雨量之不準確性 以雅吉颱風為例，氣象局原先預測翡翠水庫集水區之雨量有三百公厘，但實際只下了四十二公厘。 翡翠水庫運用要點之防洪規則反應預報雨量之不準確性 在洪水來臨前階段以「預估總降雨量」進行分級以供放水策略之施行 進入到洪水來臨階段再以「預估待降雨量」進行分級以供進行後續之放水策略 「預估待降雨量」係為可隨時根據最新的預報雨量進行調整放水量之合理幅度。

水庫之多目標營運 多目標營運使水庫瀦蓄水量時呈競爭特性 適切的防洪運轉規則可使標的相互競爭下取得平衡點。 如防洪預留空間與發電、給水標的之蓄水目標衝突 適切的防洪運轉規則可使標的相互競爭下取得平衡點。

多水庫聯合防洪操作方式 多水庫洩洪需相互聯繫協調以錯開排洪時程 石門和翡翠兩水庫同時排洪需考慮潮汐效應、洩洪水量在河川上之運移時間以及側入流量歷線等多項因素，才可能使聯合防洪之成效達到最佳成果。

防洪運轉起始水位與回蓄水位 在颱洪來臨前須決定颱防洪運轉起始水位 防洪運轉起始水位關係到防洪功能，亦影響到未來供水之運用 若水庫水位維持太低，一旦颱風雨量過小或轉向不來時，則釋放掉的蓄水量可能影響到未來各項標的用水 若水庫水位維持過高，預留之防洪容量是否足以使防洪操作安全無虞亦值得考量

艾利颱風（Aere）之防洪運轉

艾利颱風為石門水庫集水區帶來大量雨水 總洩洪量約有三個滿庫水量 石門水庫入放流量、降雨歷線 水庫進水最高每秒達八千六百立方公尺 水庫最大洩洪量為每秒八千五百立方公尺 總洩洪量約有三個滿庫水量 石門水庫入放流量、降雨歷線

洪水來臨前階段 洪峰發生前階段 洪峰發生後階段 石門水庫在八月二十三日下午五時起進行調節性洩洪，洩洪量從每秒三百立方公尺開始，此後集水區雨勢持續不斷，洩洪量亦持續增加中。 洪峰發生前階段 至八月二十四日上午九時之降雨量為二百四十公釐、入流量為每秒二千立方公尺、洩洪量為每秒一千九百立方公尺，此時水位控制在二百四十二點二公尺。在二十五日上午一時瞬時雨勢達到最大，該小時之雨量為八十點二公釐。 經過三小時集水區的反應時間後，水庫入流量達成顛峰，此時入流量為每秒八千六百立方公尺，而洩洪量在稍後一小時，二十五日上午一時，達到每秒八千五百立方公尺之洩洪量最大值。 這是水庫啟用四十年來的次高紀錄，僅次於民國五十二年葛樂禮颱風，當時水庫進水量及洩洪量均達每秒一萬立方公尺。 洪峰發生後階段 洪峰發生後至二十五日上午八時水庫進水量開始遞減，到下午四時，進水量剩下每秒兩千七百立方公尺，洩洪量也降為每秒兩千立方公尺，水位控制在二百四十三點五八公尺的安全水位。 迄二十五日下午四時為止，水庫洩洪量已達五點七億立方公尺，滿庫蓄水量為二點三億立方公尺，換言之，洩洪已洩掉兩個半水庫的水。 水庫管理中心此時預定等水位降到二百四十公尺，進水量到每秒六百立方公尺時考慮停止洩洪；由於集水區降雨量約三天才能充分反應完畢，因此洩洪作業仍得延續一至二天。

90年納莉颱風（Nari）-石門水庫

納莉颱風水文特性 艾利颱風水文特性 艾利颱風與納莉颱風之比較 石門水庫集水區4日降雨量為930mm 雨水平均分散在不同時段 主要密集在二十四日晚上七時至二十五日上午四時，平均每小時有四十三公釐 艾利颱風與納莉颱風之比較 納莉颱風總雨量大於艾利颱風，但艾利颱風降雨密集在某一時段內 艾利颱風考驗防洪操作時特大流量擁入水庫內，造成水位急速上揚之緊急應變能力 比率數據如下表

颱風 發生 時間 洪峰量減少率 艾利 納莉 石門集水區總降雨量(mm) 水庫起始水位(m) 洪峰入流量 最大洩洪量 洪峰延遲時間(hr) cms 艾利 92.9.23 960 242.40 25日 5時 8,594 6時 8,363 2.69% 1 241.00 納莉 90.9.20 930 236.58 17日 22時 4,124 23時 4,013 2.68% 240.50

石門水庫嚴重淤泥 艾利颱風為石門水庫帶來至少二千萬立方公尺的砂石，約佔石門水庫百分之十的蓄水空間 目前規劃在水庫上游興建高台水庫 可引取乾淨原水，解決原水混濁與石門水庫壽命減少等問題。

結 語 水庫進行洩洪作業時，其洩洪量與洩洪時機將影響防災成效 訂定防洪運轉規則需考慮有四點： （1） 如何確保最大可能洪水時水庫之安全 （2）在洪水未到達前，如何預備充分之防洪容量 （3）洪水時如何調節放水量，以達到減洪功效 （4）洪水後決定回蓄水位，以供後續水源運用 未來若興建高台水庫，則石門、高台兩串聯水庫之防洪運轉規則將需重新訂定

主題二 全球氣候變遷

氣候變化 近幾年接連發生的極端天氣以及不斷創新紀錄的氣象事件（如八八水災），使得大家逐漸感受到氣候變化的威力與不便。 許多人開始思考「這只是自然變異嗎？還是有人為影響？」以及「氣候與環境會繼續惡化嗎？對人類社會又會有什麼衝擊呢？」(童慶斌、林嘉佑，2008)。

聯合國報告 聯合國跨政府氣候變遷委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 在2007年第一工作報告指出這些極端的氣候變化不能完全歸因於自然變異，而是有相當程度的人為影響因素。 IPCC在2007年之第四次評估報告(AR4)更藉由全球大氣-海洋耦合環流模式 (Atmosphere-Ocean Coupled General Circulation Model, AOGCM)模擬全球大氣環流特徵與氣候變化 結果顯示過去百年全球平均表面溫度上升0.74°C ± 0.18°C，並出現加速增溫的現象 在未來百年裡，則無論人類是否積極進行溫室氣體減量，溫度都將持續上升(柳中明等，2008)。

溫度與極端降雨 全球溫度與極端降雨具有密切相關性 Liu et al. (2009) 和Shiu et al. (2009) 根據過去1961年至2005年間，全球溫度約增加0.7℃，全台灣前10%強降雨則增加約100% 未來全球溫度每增加1度，台灣前10%強降雨就會增加約140%，而前10%小雨則會減少約70% IPCC的氣候模式估計現在至2030年間，全球溫度會再增加約0.7℃ 台灣前10%強降雨在未來20年約增加一倍，而前10%小雨則約減少一半，由此可知氣候將繼續惡化下去

主題三 氣候變遷下水庫永續發展

台灣的衝擊 未來氣候變遷下對台灣社會的最直接衝擊包括了水災與旱災 由於台灣前10%強降雨都來自颱風，因此可以推斷未來更多摧毀性水災、土石流將無可避免 Liu et al. (2009) 指出台灣中、小雨的減少的影響亦不容忽視，因為台灣中南部春冬兩季常因缺少中小型降雨而導致旱災頻繁

水資源系統 水庫在水資源系統為一重要水利設施 台灣現行水庫主要功能有二，一為蓄水利用運轉，另一為洪水調節運轉 一般水庫防洪操作規則基於符合兩項原則辦理，一為不因興建水庫而增高下游之洪水位，另一為在不影響公共給水功能之原則下，協助減輕下游之洪水災害 無論是防洪或供水皆有相關運用規則予以規範。水庫操作人員在進行營運時，最不易掌握常是降雨因子（如颱風會不會進來集水區和會不會降雨、一期稻作有沒有春雨等），在未來氣候變遷下勢必影響降雨因子，水庫操作時將更增其困難度

水資源系統 另一警訊則為目前台灣大型水庫上游受颱風洪水帶來極端雨量，使得上游沖刷下大量土石並逐步進逼庫內 如曾文水庫已由碗公變盤子、石門水庫上游也大量堆積土石、飄流木等），嚴重的淤積使得未來區域供水發生嚴重問題 這些因氣候變遷造成防洪與供水標的之衝擊，有必要重新檢視並修訂相關水庫操作規則，並透過環境承載力、累積衝擊性、永續指標等觀念評估水庫永續性發展情形

研究課題 擬在未來氣候變遷影響下，針對水庫系統之防洪與供水功能進行有系統地分析與評估 研究過程將包括氣候變遷情境研擬、大尺度氣候降尺度、氣象水文資料合成、水庫運轉模式建立與分析、水庫操作規則修訂方案研擬、洪災與旱災風險分析、水庫永續發展探討等方面

報告完畢 謝謝聆聽