指導教授：許銘熙臺灣大學：生物環境系統工程學研究所黃成甲Huang, Chen-JiaChen-JiaHuang2014-11-262018-06-292014-11-262018-06-292014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/261758近年來台灣都會地區迅速發展，人口逐漸往都市集中，都會區人口密集，為滿足居民生活需求，都市內興建了大量且密集的建物，而增加之建物會阻隔地表逕流，並改變原本地表水流狀況。 本文主要目的在利用都市淹水模式，考慮建物阻隔及蓄水效應及其對地表水流產生的影響，以可反應細部地形變化但解析度較大之模擬網格，進行都市淹水之快速計算。同時將都市淹水模式結合多重尺度之平行計算，在尺度較大之全流域主網格中進行零慣性波方程式之求解，並在局部細化區域考慮建物效應，進一步求解局部高解析度之淹水分佈情形，並將不同尺度之全區及局部細化區域以平行計算的方式進行同步演算，提升都市淹水模式計算之整體效能，模擬局部細化地區之淹水過程。 本文於以理想案例進行都市淹水模式之檢定，檢定結果顯示都市淹水模式之合理性；同時以台北市中央區納莉颱風事件進行都市淹水模式之驗證，與調查淹水範圍比較，考慮建物效應之淹水模式更能反應實際流況，進一步將模式應用於曾文溪流域之莫拉克颱風事件，並劃分不同解析度之網格進行多重尺度之淹水模擬，其結果顯示局部細化地區之淹水模擬結果，具有良好之準確度，並在演算效率上有大幅度的提昇。Recently, the highly developed urban area in Taiwan caused the concentrated population and result in densely distributed buildings. Buildings often affect the propagation of overland flow in urban areas. Building walls change the direction and velocity of flow, and can exclude interior spaces from flooding. The study aims to develop an urban inundation model to represent the resistance and the storage effects of buildings and reveal the rapid simulation in urban flood modeling by coarse grids. Meanwhile, the inundation model of local refinement solves the non-inertia overland flow hydraulic equations using the coarse main grids in global domain; whereas the building e effect is applied to the fine grids to reflect the details of flood in high resolution. The computing of global domain and all the local regions were parallelized to different threads by parallel algorithm to improve the efficiency of the multi-scale inundation model An ideal case was used for model calibration. The comparison of the simulation results demonstrated that urbain inundation model has good accuracy. The model was applied on Typhoon Nari event in the central Taipei City for model verification. The results showed that the presented inundation model reproduces the inundation results more comparable with the observed flooding situation.目錄 摘要 i Abstract ii 目錄 iii 表目錄 vi 圖目錄 viii 符號說明 vx 第一章 前言 1 1-1 研究目的 1 1-2 研究方法 2 1-3 本文架構 3 第二章 文獻回顧 5 2-1 淹水模式 5 2-2 建物效應 7 2-3 局部細化網格 8 2-4 平行計算 9 第三章 研究方法 11 3-1 都市淹水模式 11 3-1-1 基本方程式 11 3-1-2 數值方法 14 3-1-3 地表曼寧糙度修正 18 3-1-4 初始及邊界條件 19 3-2 局部細化網格計算 20 3-2-1 演算時距 22 3-2-2 粗細網格間銜接 22 3-2-3 乾河床處理 27 3-3 平行演算模式之建立 27 3-3-1 OpenMP（Open Multi-Processing） 28 3-3-2 平行演算法於多重尺度網格方法 29 第四章 模式之檢定與驗證 33 4-1 理想案例 33 4-1-1 建蔽率檢定 33 4-1-2 粗細網格檢定 47 4-2 台北市中央區 54 4-2-1 輸入資料 57 4-2-2 模擬結果與討論 66 第五章 模式應用 79 5-1 研究區域 79 5-2 地文資料 82 5-3 雨量資料 86 5-4 模擬結果與討論 93 5-4-1 局部細化區域模擬結果評估方式 94 5-4-2 全區模擬結果比較 94 5-4-3 局部模擬區域精確度比較 101 5-4-4 平行演算效率比較 103 第六章 結論與建議 133 6-1 結論 133 6-2 建議 135 參考文獻 137 附錄A (3-4)式推導 145 附錄B (3-16)及(3-17)式差分式推導 147 附錄C (3-24)及(3-25)式差分式推導 149 附錄D 河系溢堤洪水演算模式 151 表目錄 表3 1 流量分配法列表 24 表4 1 理想案例二均方根誤差(單位:公尺) 39 表4 2 理想案例二相關係數平方值 39 表4 3 理想案例三均方根誤差(單位:公尺) 40 表4 4 理想案例三相關係數平方值 40 表4 5 理想案例粗細網格局部細化分區1均方根誤差(單位:公尺) 48 表4 6 理想案例粗細網格局部細化分區1相關係數平方值 49 表4 7 理想案例粗細網格局部細化分區2均方根誤差(單位:公尺) 49 表4 8 理想案例粗細網格局部細化分區2相關係數平方值 50 表4 9 台北市中央區抽水站容量 55 表4 10 台北市中央區土地利用及曼寧糙度值 59 表4 11 台北市中央區各行政區平均建蔽率 59 表4 12 台北市中央區納莉颱風總雨量及尖峰降雨 59 表4 13 台北市中央區納莉颱風抽水站故障停機時間 60 表4 14 台北市中央區納莉颱風不同情境下淹水面積(單位:公頃) 70 表4 15 台北市中央區納莉颱風不同情境下淹水體積(單位:106m3) 71 表4 16 台北市中央區納莉颱風各行政區淹水面積(單位:公頃) 72 表4 17 觀測點建蔽率及門檻值 74 表5 1 曾文溪北岸局部細化模擬區域人口資料(照人口數排序) 80 表5 2 曾文溪北岸土地利用及曼寧糙度值 84 表5 3 曾文溪北岸各行政區平均建蔽率 85 表5 4 曾文溪北岸莫拉克颱風總雨量及尖峰降雨 87 表5 5 曾文溪北岸莫拉克颱風不同網格大小之淹水面積(單位:公頃) 95 表5 6 曾文溪北岸局部細化模擬區均方根誤差(單位:公尺) 102 表5 7 曾文溪北岸局部細化模擬區相關係數平方值 103 表5 8 曾文溪北岸模擬演算時間比較表 105 圖目錄 圖3 1 建物網格示意圖 13 圖3 2 建物進水體積之相對面積比 示意圖 13 圖3 3 粗細網格邊界關係示意圖 21 圖3 4 網格邊界個別流量示意圖 24 圖3 5 網格流量分配示意圖 24 圖3 6 粗細網格邊界斷面示意圖 25 圖3 7 平行處理架構示意圖 28 圖3 8 多重尺度法局部細化架構示意圖 29 圖3 9 平行處理修改研究流程圖 30 圖3 10 局部細化網格平行演算架構示意圖 31 圖3 11 粗細網格平行演算架構示意圖 31 圖3 12 都市淹水模式演算流程圖 32 圖4 1 理想案例地形 33 圖4 2 理想案例一之網格設定 34 圖4 3 理想案例一各建蔽率之地形 35 圖4 4 理想案例二之建蔽率網格設定 36 圖4 5 理想案例三地形 36 圖4 6 理想案例三之建蔽率網格設定 37 圖4 7 理想案例一第24小時淹水深(相對建蔽率0.04) 41 圖4 8 理想案例二第24小時淹水深(建蔽率0.04) 41 圖4 9 理想案例三第24小時淹水深(建蔽率0.04) 42 圖4 10 理想案例一第24小時淹水深(相對建蔽率0.16) 42 圖4 11 理想案例二第24小時淹水深(建蔽率0.16) 43 圖4 12 理想案例三第24小時淹水深(建蔽率0.16) 43 圖4 13 理想案例一第24小時淹水深(相對建蔽率0.36) 44 圖4 14 理想案例二第24小時淹水深(建蔽率0.36) 44 圖4 15 理想案例三第24小時淹水深(建蔽率0.36) 45 圖4 16 理想案例一第24小時淹水深(相對建蔽率0.64) 45 圖4 17 理想案例二第24小時淹水深(建蔽率0.64) 46 圖4 18 理想案例三第24小時淹水深(建蔽率0.64) 46 圖4 19 理想案例粗細網格地形 48 圖4 20 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.04) 50 圖4 21 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.09) 51 圖4 22 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.16) 51 圖4 23 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.25) 52 圖4 24 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.36) 52 圖4 25 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.49) 53 圖4 26 理想案例全區細網格與局部細化第24小時淹水深比較圖(建蔽率0.64) 53 圖4 27 台北市中央區數值地形高程及行政區域圖 56 圖4 28 台北市中央區土地利用分區圖 56 圖4 29 台北市中央區抽水站及下水道人孔圖 57 圖4 30 台北市中央區士林雨量站納莉颱風降雨組體圖 60 圖4 31 台北市中央區三重雨量站納莉颱風降雨組體圖 61 圖4 32 台北市中央區台北雨量站納莉颱風降雨組體圖 61 圖4 33 台北市中央區中正橋雨量站納莉颱風降雨組體圖 62 圖4 34 台北市中央區永和雨量站納莉颱風降雨組體圖 62 圖4 35 台北市中央區木柵雨量站納莉颱風降雨組體圖 63 圖4 36 台北市中央區信義雨量站納莉颱風降雨組體圖 63 圖4 37 台北市中央區南港雨量站納莉颱風降雨組體圖 64 圖4 38 台北市中央區大直雨量站納莉颱風降雨組體圖 64 圖4 39 台北市中央區內湖雨量站納莉颱風降雨組體圖 65 圖4 40 台北市中央區雨量站及徐昇氏分區圖 65 圖4 41 基隆河與大坑溪匯流處溢堤河川水位歷線 66 圖4 42 台北市中央區建物樓層圖 67 圖4 43 台北市中央區納莉颱風調查淹水範圍 68 圖4 44 台北市中央區納莉颱風模擬最大淹水深(情境A) 68 圖4 45 台北市中央區納莉颱風模擬最大淹水深(情境B) 69 圖4 46 台北市中央區納莉颱風模擬最大淹水深(情境C) 69 圖4 47 納莉颱風中山大同區模擬最大淹水深(情境A) 74 圖4 48 納莉颱風中山大同區模擬最大淹水深(情境B) 75 圖4 49 納莉颱風中山大同區模擬最大淹水深(情境C) 75 圖4 50 觀測點逐時淹水深歷線 76 圖4 51 觀測點建物進水面積比 變化圖(情境C) 77 圖5 1 曾文溪流域數值地形高程及局部細化分區 81 圖5 2 曾文溪北岸水系圖 81 圖5 3 曾文溪北岸局部細化分區數值地形 83 圖5 4 曾文溪北岸土地利用分區圖 85 圖5 5 曾文溪北岸雨量站及徐昇氏分區圖 88 圖5 6 曾文溪流域北門雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 88 圖5 7 曾文溪流域七股雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 89 圖5 8 曾文溪流域佳里雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 89 圖5 9 曾文溪流域七股寮雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 89 圖5 10 曾文溪流域和順雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 90 圖5 11 曾文溪流域下營雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 90 圖5 12 曾文溪流域善化雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 90 圖5 13 曾文溪流域新營雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 91 圖5 14 曾文溪流域大內雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 91 圖5 15 曾文溪流域白河雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 91 圖5 16 曾文溪流域東河雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 92 圖5 17 曾文溪流域王爺宮雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 92 圖5 18 曾文溪流域環湖雨量站莫拉克颱風降雨組體圖 92 圖5 19 莫拉克颱風期間曾文水庫入流量、排洪量及水位示意圖 93 圖5 20 曾文溪北岸莫拉克颱風調查淹水範圍 93 圖5 21 莫拉克颱風曾文溪北岸全區40公尺網格第12小時淹水深圖 96 圖5 22 莫拉克颱風曾文溪北岸全區200公尺網格第12小時淹水深圖 96 圖5 23 莫拉克颱風曾文溪北岸全區40公尺網格第24小時淹水深圖 97 圖5 24 莫拉克颱風曾文溪北岸全區200公尺網格第24小時淹水深圖 97 圖5 25 莫拉克颱風曾文溪北岸全區40公尺網格第36小時淹水深圖 98 圖5 26 莫拉克颱風曾文溪北岸全區200公尺網格第36小時淹水深圖 98 圖5 27 莫拉克颱風曾文溪北岸全區40公尺網格第48小時淹水深圖 99 圖5 28 莫拉克颱風曾文溪北岸全區200公尺網格第48小時淹水深圖 99 圖5 29 莫拉克颱風曾文溪北岸全區40公尺網格最大淹水深 100 圖5 30 莫拉克颱風曾文溪北岸全區200公尺網格最大淹水深圖 100 圖5 31 曾文溪流域佳里局部細化地區第12小時淹水深圖 106 圖5 32 曾文溪流域佳里局部細化地區第24小時淹水深圖 106 圖5 33 曾文溪流域佳里局部細化地區第36小時淹水深圖 107 圖5 34 曾文溪流域佳里局部細化地區第48小時淹水深圖 107 圖5 35 曾文溪流域麻豆局部細化地區第12小時淹水深圖 108 圖5 36 曾文溪流域麻豆局部細化地區第24小時淹水深圖 108 圖5 37 曾文溪流域麻豆局部細化地區第36小時淹水深圖 109 圖5 38 曾文溪流域麻豆局部細化地區第48小時淹水深圖 109 圖5 39 曾文溪流域下營局部細化地區第12小時淹水深圖 110 圖5 40 曾文溪流域下營局部細化地區第24小時淹水深圖 110 圖5 41 曾文溪流域下營局部細化地區第36小時淹水深圖 111 圖5 42 曾文溪流域下營局部細化地區第48小時淹水深圖 111 圖5 43 曾文溪流域西港局部細化地區第12小時淹水深圖 112 圖5 44 曾文溪流域西港局部細化地區第24小時淹水深圖 112 圖5 45 曾文溪流域西港局部細化地區第36小時淹水深圖 113 圖5 46 曾文溪流域西港局部細化地區第48小時淹水深圖 113 圖5 47 曾文溪流域學甲局部細化地區第12小時淹水深圖 114 圖5 48 曾文溪流域學甲局部細化地區第24小時淹水深圖 114 圖5 49 曾文溪流域學甲局部細化地區第36小時淹水深圖 115 圖5 50 曾文溪流域學甲局部細化地區第48小時淹水深圖 115 圖5 51 曾文溪流域七股局部細化地區第12小時淹水深圖 116 圖5 52 曾文溪流域七股局部細化地區第24小時淹水深圖 116 圖5 53 曾文溪流域七股局部細化地區第36小時淹水深圖 117 圖5 54 曾文溪流域七股局部細化地區第48小時淹水深圖 117 圖5 55 曾文溪流域佳里局部細化地區12小時淹水深比較圖 118 圖5 56 曾文溪流域佳里局部細化地區24小時淹水深比較圖 118 圖5 57 曾文溪流域佳里局部細化地區36小時淹水深比較圖 119 圖5 58 曾文溪流域佳里局部細化地區48小時淹水深比較圖 119 圖5 59 曾文溪流域麻豆局部細化地區12小時淹水深比較圖 120 圖5 60 曾文溪流域麻豆局部細化地區24小時淹水深比較圖 120 圖5 61 曾文溪流域麻豆局部細化地區36小時淹水深比較圖 121 圖5 62 曾文溪流域麻豆局部細化地區48小時淹水深比較圖 121 圖5 63 曾文溪流域下營局部細化地區12小時淹水深比較圖 122 圖5 64 曾文溪流域下營局部細化地區24小時淹水深比較圖 122 圖5 65 曾文溪流域下營局部細化地區36小時淹水深比較圖 123 圖5 66 曾文溪流域下營局部細化地區48小時淹水深比較圖 123 圖5 67 曾文溪流域西港局部細化地區12小時淹水深比較圖 124 圖5 68 曾文溪流域西港局部細化地區24小時淹水深比較圖 124 圖5 69 曾文溪流域西港局部細化地區36小時淹水深比較圖 125 圖5 70 曾文溪流域西港局部細化地區48小時淹水深比較圖 125 圖5 71 曾文溪流域學甲局部細化地區12小時淹水深比較圖 126 圖5 72 曾文溪流域學甲局部細化地區24小時淹水深比較圖 126 圖5 73 曾文溪流域學甲局部細化地區36小時淹水深比較圖 127 圖5 74 曾文溪流域學甲局部細化地區48小時淹水深比較圖 127 圖5 75 曾文溪流域七股局部細化地區12小時淹水深比較圖 128 圖5 76 曾文溪流域七股局部細化地區24小時淹水深比較圖 128 圖5 77 曾文溪流域七股局部細化地區36小時淹水深比較圖 129 圖5 78 曾文溪流域七股局部細化地區48小時淹水深比較圖 129 圖5 79 演算時間比較圖 130 圖5 80 細化區數目-系統加速比比較圖 130 圖5 81 與全區細網格演算時間比較圖 13110540097 bytesapplication/pdf論文公開時間：2016/07/16論文使用權限：同意無償授權都市淹水模式多重尺度平行計算建物效應thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/261758/1/ntu-103-D94622003-1.pdf