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工程科技與教育學刊第一卷第一期民國九十三年七月第 60～76 頁

高雄灌區水資源管理系統之設計

涂家彰、黃立政*、林仁益**

國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所碩士專班二年級研究生

*國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所副教授 **國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所教授

摘要

本設計採用 Microsoft Visual Basic 6.0 配合 Access 2000 進行水文資料庫統計分析，其中

包含雨量資料庫、地理資料庫、計算洪峰流量、分析率定曲線、計算流量、雨量流量站等六

個分析模式。本系統能提供即時水文統計計算分析結果，作為水資源管理規畫實務用途。

關鍵詞：水資源管理、資料庫維護、水文統計分析

計畫緣由與目的

台灣山地約佔總面積之 70%，剩下之平原及可耕丘陵地相對甚少，使得台灣農業生產條

件甚為嚴格，加以地處太平洋亞洲大陸邊緣，屬於亞熱帶海洋氣候區，年平均雨量高達 2500

公釐，且集中於夏秋兩季，每年夏秋颱風豪雨經常發生，洪水淹沒良田，沖毀作物，損失不

貲；但在國人勤奮工作與人定勝天之精神下，我國之農業生產一直都能達到自給自足之基本

國家民生目標，甚至許多農產品可以出口供應，助於整體國家經濟貿易；精緻型農業型態可

以發展至如此程度，絕大部份主要原因在於政府一方面致力發展工商之餘，仍然重視農業之

發展與轉型，對產銷制度之建立與管理，而在農經基礎建設上，台灣農田水利之規畫與建設

早有實績及對台灣近 50 年來之重大貢獻則是不爭之事實。

從民國 65 至 91 年之水文資料迴歸分析顯示，高雄灌區之年平均降雨量為 2025mm，較

全國年平均降雨量 2500mm 為低，且有越少之趨勢（如圖 1 所示）。故對於寶貴及有限之水資

源，依據已核定之災害防救業務計畫及抗旱計畫，設計出符合高雄灌區之水資源管理系統，

以提供管理者於估水期調配水量、休耕評估，及洪水期水閘門、抽水機之管理。

為落實 e-Taiwan 之理念，及高雄灌區現有水文監測系統（如圖 2 所示）之後續研發，此

乃本高雄灌區水資源管理系統（The Water Resource Management System in the Kaohsiung


61

Region，簡稱 WRMS 系統）建置之目標。

y = -0.0012x6 + 0.0869x5 - 2.4224x4 + 30.612x3 - 167.59x2 + 260.94x + 2202.6

R2 = 0.1733

0.0

500.0

1000.0

1500.0

2000.0

2500.0

3000.0

3500.0

4000.0

65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

年份

年平

均降

雨量

圖 1 高雄灌區年平均降雨量非線性分析

圖 2 高雄灌區水文監測系統

結果與討論

1. 水資源管理系統之設計

本系統之設計採用 Microsoft Visual Basic 6.0 配合 Access 2000 進行水文資料庫統計分

析，以提供颱風豪雨來臨前給決策者、管理者、相關業務承辦人員，能於造成災害前預先作

好防災通報及減災整備工作，如圖 3 所示。

涂家彰、黃立政、林仁益

62

圖 3 水資源管理系統起始劃面

2. 水資源管理系統之架構

本系統之架構包涵：資料庫維護、水文統計分析兩大項，各項目下再細分成子項目，形

成樹狀結構（Hierachical Structure），如圖 4 所示。

圖 4 水資源管理系統架構圖

3. 水資源管理系統之理論模式

以下分別說明本防災管理系統，所採用之各理論模式：

3.1 雨量資料庫之分析模式

本資料庫之模式採用民國 65 至 91 年，高雄灌區各工作站每日降雨量之數值，再輸入年

水資源管理系統

水文統計分析資料庫維護

雨量資料庫

地理資料庫

計算洪峰流量

分析率定曲線

計算流量

雨量流量站


63

份、月份及工作站別，經由 V.B.資料庫查詢之功能，可於表單上顯示出某站當月上、中、下

旬每日降雨量及小計，經統計後可於表單上顯示出降雨天數、月最大雨量、月合計雨量，如

圖 5 所示。

圖 5 水資源管理系統--雨量資料庫圖

3.2 地理資料庫之分析模式

本資料庫之模式採用高雄灌區，各工作站之各水利小組區域圖，經由連接 Corel Draw 軟

體，可開啟各水利小組區域圖，再經由 Corel Draw 軟體之各項功能，來編輯繪出高雄灌區有

使用圳路，將給水路以藍色表示，排水路以紅色表示，並將已改善部份以實線表示，未改善

部份以虛線表示，以此方式逐年編繪，如圖 6 所示

圖 6 水資源管理系統—地理資料庫圖


64

3.3 計算洪峰流量之分析模式

本模式採用（Horner）合理化公式、（物部式）合理化公式、修正三角型單位歷線法作比

較，如圖 7 所示。

其中

1. （Horner）合理化公式：

CIAQp6.3

1= (1)

式中，Qp：尖峰逕流量，單位 c.m.s.。

C：逕流係數，可查表 1。

A：集水區面積，單位 km2。

I：降雨延時等於集流時間 tc 之平均降雨強度，單位 mm/hr。

圖 7 水資源管理系統—計算洪峰流量圖


65

表 1 逕流係數表

流域之狀況逕流係數

陡峻山地 (0.75~0.90)

第三紀層山地 (0.70~0.80)

有起伏山地及樹林 (0.50~0.75)

平坦耕地 (0.45~0.60)

灌溉之水田 (0.70~0.80)

山地河川 (0.75~0.85)

平地河川 (0.45~0.75)

流域之大半為平地河川 (0.50~0.75)

商業地區 (0.70~0.90)

工業地區 (0.40~0.60)

住宅地區 (0.30~0.50)

公園地區 (0.10~0.20)

nbTcaI

)( += (2)

將（2）式兩邊取對數可得：

)log(loglog bTcnaI +−= (3)

式中，a：截距係數。

b：延時校正時間係數。

Tc：降雨延時，單位 hr。

n：斜率係數。

本式中降雨強度 I 與降雨延時 Tc 之公式中各係數（a、b、n，不同降雨可由本模式內之降雨

強度-延時-頻率曲線（Rainfall intensity-duration-freqency curve,簡稱 IDF 曲線）求得，如圖 8

所示。在缺乏實測流量紀錄之小流域較常用此法推估。


66

圖 8 水資源管理系統—IDF 曲線圖

2. （物部氏）合理化公式：

CIAQp6.3

1= (4)

式中，Qp：洪峰流量，單位 c.m.s.。

C：逕流係數，可查表 1。

A：集水面積，單位 km2。

I：洪水到達之平均降雨強度，單位 mm/hr。 3/2

24 2424

=

TcR

I (5)

式中，R24：24 小時或日暴雨量，單位 mm。

Tc：集流時間，單位 hr。

本式中降雨強度 I 與降雨延時 Tc 及日暴雨量 R24 之關係，可由本模式內之降雨時間分配型態

分析調整求得，如圖 9 所示。


67

圖 9 水資源管理系統—降雨時間分配型態分析圖

3. 修正三角型單位歷線法公式：

TpR

AQp e208.0= (6)

TcDTp 6.02+= (7)

TpTr 67.1= (8)

式中，Qp：洪峰逕流量，單位 c.m.s.。

A：集水區面積，單位 km2。

Re：超滲降雨量，單位 mm2。

D：單位降雨延時，單位 hr2。

Tp：開始漲水至洪峰發生之時間，單位 hr2。

Tr：洪峰流量發生至歷線終端之時間，單位 hr2。

Tc：集流時間，單位 hr2。

(2)、(5)、(7)式中集流時間 Tc 可由下兩式求得：

加州公路局公式： 385.0387.0

=

HLTc (9)


68

Rziha 公式：

6.0

72

=

LHLTc (10)

(4)、(5)兩式中，

L：流域上游至水文測站間之水平距離，單位 km。

H：流域上游至水文測站間之垂直高程差，單位 m。

(7)式中，單位降雨延時 D，可依下列原則選擇：

6 hr < Tc D = 1.0 Hr 3 hr < Tc≦6Hr D = 0.8 Hr

1 hr < Tc≦3Hr D = 0.4 Hr

Tc≦1Hr D = 0.15 Hr

本公式之相互關係，如圖 10 所示。

圖 10 水資源管理系統—修正三角型單位歷線圖

3.4 分析率定曲線之分析模式

本模式可經由測得渠道不同水位（0.25H、0.5H、0.75H），於水位漲水期與退水期時，水

位 Hi 與流量 Qi 之六組數據，輸入量測數據內，可先形成一迴旋曲線（loop curve），再經由

非線性迴歸分析(nonlinear regression analysis)可得水位流量率定曲線（water level discharge

rating curve），其公式如下：


69

2cHbHaQ ++= (11)

式中 Q：流量，單位 c.m.s.。

H：水位，單位 m。

∑∑∑∑∑∑∑∑∑

=432

32

2

1

xxyx

xxxy

xxy

Da

∑∑∑∑∑∑∑∑

=422

3

2

1

xyxx

xxyx

xyn

Db

∑∑∑∑∑∑∑∑

=

yxxx

xyxx

yxn

Dc

232

21

∑∑∑∑∑∑∑∑

=432

32

2

xxx

xxx

xxn

D

藉由本曲線可經由輸入不同水位 H，來推估各流量 Q 值，即可於輸入渠道或河川之堤高時，

來推算渠道或河川可容納之最大流量 Qmax。亦可反向經由前第 3.4.3 節計算洪峰流量之模式，

將所求得之洪峰流量 Qp 輸入，來檢核相對應之洪峰水位 Hp，是否會溢頂而造成災害，如圖

11 所示。

圖 11 水資源管理系統—分析率定曲線圖

若一般灌溉圳路其整條渠道形狀大致一樣，坡度、粗糙度相近時，可視為水流呈現等速

流狀態，直接由曼寧（Manning）公式分析：

21

321 SR

nAAVQ == (12)


70

式中 Q：流量，單位 c.m.s.。

A：通水斷面積，單位 m2。

V：通水速度，單位Secm2

。

n：渠道表面粗糙度。

R=P1

：水力半徑，單位m1

。

P：濕週，單位 m。

S：渠底坡度。

3.5 計算流量之分析模式

本模式先輸入所使用量水設備之各尺寸數據，再點選所使用之量水設備，即可顯示量水

設備剖面圖及量水設備公式，與運算結果之流速與流量，如圖 12 所示。若所使用之量水設備

為巴歇爾量水槽與梯形量水槽，當量水設備公式內出現潛流時，需作潛流修正流量，其中巴

歇爾量水槽可參考巴歇爾量水槽潛流修正圖如圖 13 所示，而梯形量水槽可參考梯形量水槽潛

流流量校正值圖如圖 14 所示，以取得修正系數 E、K、M。

圖 12 水資源管理系統--計算流量圖


71

圖 13 水資源管理系統--巴歇爾量水槽潛流修正圖

圖 14 水資源管理系統--梯形量水槽潛流流量校正值圖

本模式內共有十種量水設備分述如下：

1. 標準不收縮矩形堰：

23

838.1 LHQ = (13)

2. 標準收縮矩形堰：

)2.0(838.1 23

HLHQ −= (14)


72

3. 標準撒普利地堰：

23

856.1 LHQ = (15)

4. 定孔口量水門（四面收縮）： gHAQ 261.0= (16)

5. 定孔口量水門（三面收縮）： gHArQ 2)15.01(61.0 += (17)

6. 定水頭量水門： gHAQ 265.0= (18)

7. 巴歇爾量水槽： njHaQ = (19)

8. 梯形量水槽： nnn chbhahQ 111 ++= (20)

9. 捲揚式水門： gHAQ 265.0= (21)

10. 明渠：

21

321 SR

nAAVQ == (22)

3.6 雨量流量站之模式

本模式可分為高雄灌區之各雨量站與流量站，其中雨量站部份有十六個站，先下拉點選

欲查詢之站別，再勾選雨量與位置，即可如圖 15 所顯示。另流量站部份亦有十六個站，先下

拉點選欲查詢之站別，再勾選流量與位置，即可如圖 16 所顯示。


73

圖 15 水資源管理系統—雨量站圖

圖 16 水資源管理系統—流量站圖

經由本模式可清處顯示各雨量站與流量站間之相互位置關係，其中雨量站部份可幫助驗

證區域性之降雨量，而流量站部份可幫助驗證各圳路流域上下游間之流量損失及蒸發量。

4. 水資源管理系統之測試

本系統之測試，經由流速儀（如照片 1 所示）至渠道現場操作，以量測平均流速 V（如

照片 2 所示），並實測渠道斷面尺寸，及渠道內水深。另外使用水準儀、皮尺、水準尺（如照

片 3 所示），取一段約 50 公尺較穩定流之渠道測其上下游坡度（如照片 4 所示），並以皮尺量


74

定測量長度，最後開啟系統輸入量測數據進行現場測試。

照片 1 水資源管理系統－測試流速器

照片 2 水資源管理系統－量測平均流速

照片 3 水資源管理系統－量測坡度儀器


75

照片 4 水資源管理系統－量測圳底坡度

結論

一、從民國 65 至 91 年之水文資料迴歸分析顯示，高雄灌區之年平均降雨量為 2025mm，較

全國年平均降雨量 2510mm 為低，且有越少之趨勢，故配合生活、生產、生態之「三生」，

朝節約用水、增加水源、改善水質為當前重要「三水」之方向。

二、高雄灌區現有之水文自動遙測監控系統，自民國 90 年部份完成啟用至今運作良好，能於

第一時間提供高雄灌區所轄各測站之水文因子資料，配合本水資源管理系統，除可作為

平時灌溉、民生用水之管理外，對於洪泛、淹水等災害之預警也發揮自動資訊之功能，

對於災前預防應有正面助益。

三、將本設計結合未來將完成之地理資訊系統（GIS），可後續研發防災管理系統，更能迅速

於災後輔助進行災情之調查，及受損灌區面積之評估，並可立即更新災後搶修、修復工

程之資料。四、由歷年災害紀錄顯示，颱風、豪雨實為造成農田水利設施損失之主要原因；即早依據災

害防救業務計劃，建置水資源防災管理系統有其必要性及重要性。

參考文獻

[1] 許銘熙、鄧慰先、黃成甲、連宛渝，〝即時雨量觀測應用於淹水預警系統之研究〞，防災

國家型科技計劃辦公室，2001。

[2] 李天浩、陳台琦，〝水文氣象資訊與水文水理系統模式整合之研發〞，國立臺灣大學水工

試驗所，2002。

[3] 吳瑞賢、廖偉民、蘇文瑞，〝颱風豪雨災害應變管理系統建置與應用〞，經濟部水利署，


76

2002。

[4] 王如意、易任，應用水文學，茂昌圖書有限公司，1992。

[5] 徐義人，應用水文學，大中國圖書公司，1996。

[6] 李光敦，水文學，五南圖書出版股份有限公司，2002。

[7] 林永禎、徐貴新，實用水文學，高立圖書有限公司，2003。

[8] 徐碧治、林廣台，水文學，高立圖書有限公司，1995。

[9] 索明，實用水文統計學，偉成文化事業有限公司，1992。

[10] 岩左義朗、徐義人，數值水理學-數值解析法，華泰文化事業有限公司，2001。

[11] 黃立政，土石流災害防治概論，全華科技圖書有限公司，2004。

[12] 楊錦釧、顏本琦、吳瑞濱，高屏溪率定曲線之評估探討，財團法人曹公農業水利研究發

展基金會，1999。

[13] 陳榮松、李源泉、朱振標、張煜權，地理資訊系統應用於美濃地區中壇工作站灌溉管理

研究計劃，臺灣省高雄農田水利會，2003。

[14] 臺灣省高雄農田水利會，獅子頭圳灌溉系統現代化可行性研究計劃，1992。

[15] 農田水利會聯合會，農業灌溉用水營運對策相關案例分析研究，2003。

[16] 李天浩，「GIS 應用於降雨逕流分析」，台灣大學土木工程學系，2002。

[17] 經濟部水利署水利規劃試驗所，區域排水淹水模式之研究，2003。

[18] 顏仁鴻，應用數值分析，曉園出版社有限公司，1990。

[19] 駱尚廉，環境數學，茂昌圖書有限公司，1992。

[20] 防災國家型科技計畫辦公室：NAPHM HP003 高雄縣市淹水潛勢資料，1999。

[21] Subramanya, Engineering Hydrology, Tata McGRAW-HILL Publishing Company Limited，

2003。

[22] Fuh Shy Suen, Assefa Melesse, “Remote Sensing and Geodraphic Information System in

Runoff Coefficient Estimation for Irrigation Regions”, Tsao-Jiin Memorial Foundation for R&D for Agriculture and Irrigation, 2000。

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