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研究生： 楊富雄
Fu-Hisung Yang
論文名稱： 以禁忌演算法推估流域空間降雨
指導教授： 李明旭
Ming-Shu Li
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 地球科學學院 - 水文與海洋科學研究所
Graduate Instittue of Hydrological and Oceanic Sciences
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 58
中文關鍵詞： 禁忌演算 、空間降雨
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    • 目前降雨量的資料主要由地面雨量站取得，而雨量站僅提供點的降雨資料，對於防洪設計或是水資源管理等，所需要的多是空間降雨總量，因此需給予雨量站一個權重，或以空間內插推求才能得到可利用資訊。目前空間降雨的推估方法，較常用的有徐昇氏法、算術平均數及等雨量線法等，但在各有其基本假設條件下，所推估之空間降雨不一定是最合適的。
    本研究選定蘭陽溪流域，選用其中雨量資料較完整之雨量站，以禁忌演算法搜尋雨量站權重組合進而推估其空間降雨量，再將推估之空間降雨量代入GWLF之水平衡模式推估河川流量，最後以歷史河川流量檢定所求得之雨量站權重組合是否較佳。以禁忌演算法搜尋雨量站權重組合時，根據其中移步、禁忌名單、破禁原則、候選名單及停止原則等進行搜尋，再以模擬流量之RMSE (Root Mean Square Error)判斷所搜尋之權重組合的優劣。
    由禁忌演算法所搜尋之雨量站權重結果，經過驗證後發現其模擬河川流量與實測河川流量之RMSE值小於以徐昇氏法及算術平均數所推估結果，因此以禁忌演算法所搜尋之雨量站權重，的確優於徐昇氏權重及算術平均數權重之雨量站權重。根據長時間序列及豐水期分析結果，雨量站權重較大者均集中於集水區上游山區之雨量站，而枯水期時平地雨量站權重幾乎趨近於0。

    Raingauges are the major source of rainfall data for engineering applications and science studies in hydrology. They only provide observed information at scattered points in space. For the design of flood control measures and the management of water resources, the amount of rainfall over a region is often required. Therefore, the estimation of areal rainfall is obtained by interpolation or weighted-average of raingage data. Most approaches can be achieved by assigning a weighting factor for each raingage in space, such as Arithmetic Average and Thiessen Method. Some use spatial interpolation of raingage data and/or location, such as Isohyetal Method and Kriging Method. However the amount of areal rainfall estimated by different methods might be quite distinctive due to different assumptions embedded in each method. It is difficult and may not be suitable to use such values for hydrological applications.
    Lan-Yang river basin was the region of interest in this study. Raingages with complete historical rainfall data were selected to incorporate the Tabu search for finding the optimized combination of weighting factors. The river module of GWLF model was applied to compute river discharges. The RMSE (root mean square error) between computed and observed river discharges was the objective function for finding the best combination of weighting factors in the Tabu search. Move, Tabu List, Aspiration Level, Candidate List and Stopping Criterion, and RMSE check are included as the major searching procedures.
    Another set of raingage data was applied for validation to ensure the results of Tabu search can be suitable for future applications. The RMSE computed by using the raingage weighting found by the Tabu search is the smallest one compared to those computed by using either Arithmetic Average or Thiessen Method. The weighting of upstream raingages have larger values than those of downstream raingages in both cases of using long-term and wet season rainfall data. There is almost no contribution from downstream raingages in the case of using dry season rainfall data.

    目錄 摘要....................................................................................................Ⅰ Absrtact..............................................................................................Ⅱ 目錄....................................................................................................Ⅳ 圖目錄................................................................................................Ⅶ 表目錄................................................................................................Ⅹ 第一章前言......................................................................................1 1.1 研究動機..............................................................................1 1.2 研究目的..............................................................................1 1.3 研究方法與步驟..................................................................2 第二章文獻回顧.............................................................................4 2.1 台灣地區降雨與河川流量特.......................................4 2.2 雨量站權重與河川流量推估.......................................6 2.3 利用禁忌演算於參數推估...........................................8 第三章研究方法.............................................................................9 3.1 GWLF模式.........................................................................9 3.1.1 降雨量推估...................................................................10 3.1.2 逕流量推估...................................................................10 3.1.3 蒸發散量推估...............................................................12 3.1.4 滲漏量、地下水流出量及深層滲漏量.......................13 3.2 禁忌搜尋法..........................................................................14 3.2.1 移步...............................................................................14 3.2.2 禁忌名單.......................................................................15 3.2.3 破禁原則.......................................................................16 3.2.4 候選名單.......................................................................17 3.2.5 停止原則.......................................................................17 3.3 以禁忌演算法尋找最佳雨量站權重..................................18 3.4 研究區域概述......................................................................20 第四章模擬結果.............................................................................22 4.1 退水係數與CN值.............................................................22 4.2 雨量站權重搜尋結果........................................................30 4.2.1 長時間連續資料...........................................................30 4.2.2 豐水期...........................................................................34 4.2.3 枯水期...........................................................................38 4.2.4 模擬河川流量與實測河川流量之相關性分析...........42 4.3.1 長時間連續資料...........................................................46 4.3.2 豐水期...........................................................................47 4.3.3 枯水期...........................................................................48 4.3 推估空間降雨量比較 第五章結果討論.............................................................................49 5.1 禁忌演算法搜尋過程及結果............................................49 5.2 不同雨量站權重結果比較................................................50 5.2.1 RMSE及相關係數結果比較.......................................50 5.2.2 各雨量站權重分析結果...............................................52 第六章結論與建議.........................................................................54 參考文獻............................................................................................57 圖目錄 圖3.1 GWLF水平衡示意圖............................................................9 圖3.2 臨前五天降雨量對應CN值圖............................................11 圖3.3a 二維問題之目前解與其近鄰解..........................................15 圖3.3b 網路問題之目前解與其近鄰解.........................................15 圖3.4 破禁原則示意圖...................................................................17 圖3.5 搜尋最佳雨量站權重組合流程圖.......................................19 圖3.6 蘭陽溪流域選用之雨量站及流量站...................................21 圖4.1 退水係數為0.01時之模擬河川流量..................................23 圖4.2 退水係數為0.02時之模擬河川流量..................................23 圖4.3 退水係數為0.05時之模擬河川流量..................................24 圖4.4 退水係數為0.1時之模擬河川流量....................................24 圖4.5 退水係數為0.2時之模擬河川流量....................................25 圖4.6 不同退水係數模擬結果之月平均及與實測值之相關係數............................................................................................................25 圖4.7 CN值為50時之模擬河川流量............................................26 圖4.8 CN值為55時之模擬河川流量............................................27 圖4.9 CN值為60時之模擬河川流量............................................27 圖4.10 CN值為65時之模擬河川流量..........................................28 圖4.11 CN值為70時之模擬河川流量..........................................28 圖4.12 CN值為75時之模擬河川流量..........................................29 圖4.13不同CN值敏感度分析.......................................................29 圖4.14 連續時間下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量(TS1-以徐昇氏權重為初始解).........................................................31 圖4.15 連續時間下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量 (TS2-以算術平均數為初始解).........................................................32 圖4.16 長時間連續資料下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................33 圖4.17 長時間連續資料下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................33 圖4.18豐水期下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量(TS1-以徐昇氏權重為初始解)..................................................................35 圖4.19豐水期下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量(TS2-以算術平均數為初始解)..................................................................36 圖4.20 豐水期下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................................37 圖4.21 豐水期下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................................37 圖4.22 枯水期下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量(TS1-以徐昇氏權重為初始解).........................................................40 圖4.23 枯水期下禁忌搜尋法搜尋雨量站權重所模擬之河川流量(TS2-以算術平均數為初始解).........................................................40 圖4.24 枯水期下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................................41 圖4.25 豐水期下搜尋結果所模擬之河川流量驗證(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................................41 圖4.26 長時間連續資料之實測流量與模擬流量相關性比較(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................43 圖4.27 長時間連續資料之實測流量與模擬流量相關性比較(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................43 圖4.28 豐水期之實測流量與模擬流量相關性比較(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................................44 圖4.29 豐水期之實測流量與模擬流量相關性比較(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................................44 圖4.30 枯水期之實測流量與模擬流量相關性比較(TS1-以徐昇氏權重為初始解)......................................................................................45 圖4.31 枯水期之實測流量與模擬流量相關性比較(TS2-以算術平均數為初始解)......................................................................................45 圖5.1 長時間連續資料下搜尋雨量站權重之解函數圖...............49 圖5.2 豐水期下搜尋雨量站權重之解函數圖...............................50 圖5.3 枯水期下搜尋雨量站權重解函數圖...................................50 圖5.4 RMSE值佳但相關係數差示意圖........................................51 圖5.5 相關係數佳但RMSE值差示意圖......................................51 表目錄 表2.1 台灣地區各水資源區平均降雨量.......................................5 表2.2 台灣地區各水資源區逕流量...............................................6 表3.1 生長期、休耕期之AM1與AM2.......................................11 表3.2 各土地利用在不同土壤類型下之CN2值..........................11 表3.3 全省北區各月份蒸散係數值C............................................12 表3.4 台灣北區每月平均日照時數...............................................13 表3.5 蘭陽溪選用雨量站站況表...................................................20 表4.1 各權重模擬之河川流量與實測河川流量結果比較...........31 表4.2 長時間連續資料驗證結果...................................................34 表4.3 豐水期各權重模擬之河川流量與實測河川流量結果比較............................................................................................................35 表4.4 豐水期驗證結果之日平均RMSE.......................................38 表4.5 枯水期各權重模擬之河川流量與實測河川流量結果比較............................................................................................................39 表4.6 枯水期驗證結果之日平均RMSE.......................................42 表4.7 長時間連續資料下所推估之年雨量...................................46 表4.8 豐水期資料下所推估之降雨量...........................................47 表4.9 枯水期資料下所推估之降雨量.........................................48 表5.1 各雨量站模擬結果之RMSE及相關係數..........................52

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