謝尚賢臺灣大學：土木工程學研究所林旭信Lin, Shiu-ShinShiu-ShinLin2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50040都市下水道系統乃是現代化都市基礎建設之一環。下水道系統可分為合流式與分流式等不同形式，合流式下水道系統乃是將污水與雨水以單一管路排除，分流式下水道系統污水與雨水分別由不同之管路排除。有研究指出，異常暴雨發生時下水道系統之效能常未能充分發揮，所以容易造成都市內水積淹。因此，一些先進國家對於都市下水道系統乃開始採即時控制（real time control）方式，以期在暴雨來襲時使得下水道系統之效能得以充分發揮，降低CSO（combined sewer overflow）直接排放到河川、海洋或漫淹到地表的數量。 本研究的主要目的為假設不增加現有的分流式雨水下水道抽水站系統的容量，模擬都市地區雨水下水道系統於人孔中裝置閘門進行最佳化操作所能提升現有抽水站系統之效能（即抽水站系統內總溢流量降低之程度）。研究過程中自行研發一雨水下水道最佳化操作模擬系統—RTCFT，該系統以多執行緒技術（multithread technology）整合了由美國環保署所發展之下水道水理模式（SWMM）和一開放原始碼的基因演算法程式庫（GAlib）。為了模擬閘門操作，本研究提出虛擬抽水機概念，並將此概念實作於RTCFT中。並以實際台北市雨水下水道系統第四分區中港、實踐與保儀木新抽水站系統為實際研究案例進行最佳化操作模擬。經由模擬的結果顯示：（1）各個獨立抽水站系統設置閘門進行最佳化操作均能使其溢流量降低。（2）各獨立抽水站系統裝置閘門，配合不同區域以抽水機調水進行聯合操作模擬，亦能使其總溢流量下降。此外，本研究所提出之系統整合技術能有效的應用於不同模式之間的參數動態交換，只要這些早期發展模式是以顯式有限差分法實作的。Urban drainage systems are the most fundamental facilities in modern developed cities. There are two sewer systems in urban drainage systems: combined and separated. The waste and runoff caused by rain are drained in a single tunnel or pipe in the combined sewer systems. However, the separated sewer system uses a different kind of pipe to drain waste water and runoff. It is indicated by many researches that the performance of the sewer systems would not reach its designed capacity when rainfall with larger return periods occurs. In developed nations, real time control sewer systems are widely applied to anticipate the probability of inundation caused by heavy rainfall. The main objective of the research is to simulate the performance (e.g. reduction of the total overflow volume in the drainage system) of the current dranage systems under optimized gate operations without extra capacity imposed to them. A drainage optimized simulation system, named RTCFT, which employes multithread technologt to integrate SWMM developed by US EPA and GAlib, an open source genetic algorithm library. Virtual pumps concept is proposed to model gate operations and implemented in RTCFT. Taking Zhongang, Shijian, and Baoyi pumping systems simulates the performance under optimized operations. The simulated results show: (1) total overflow volume in each pumping system which gates are installed in the manholes reduced under optimized gate operations. (2) these pumping systems with gates installation connented by pumps reduced the total overflow volume under optimized operations. In addition, the proposed integrated technology are suitable for parameters exchange dynamically in different models as long as the models are developed by using explicit finite difference method.誌謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 表目錄 viii 圖目錄 ix 第1章 、緒論 1 1.1 研究背景與緣起 1 1.2 研究目的 4 1.3 研究範圍與限制 4 1.4 研究方法與步驟 6 1.5 論文組織 8 第2章 、雨水下水道控制系統 11 2.1 即時控制 11 2.2 控制系統之種類 13 第3章 、雨水下水道系統最佳化操作 16 3.1 最佳化操作基本架構 16 3.2 最佳化操作數學問題 18 3.2.1 最佳化問題 18 3.2.2 求解方法 21 3.3 雨水下水道水理模擬 31 3.3.1 集塊模式 31 3.3.2 分佈模式 32 3.4 第3章小結 34 第4章 、閘門控制模擬 38 4.1 閘門控制的問題 38 4.2 SWMM-EXTRAN之控制裝置 40 4.2.1 分水堰 40 4.2.2 孔口 42 4.2.3 出水工 44 4.2.4 抽水機 44 4.3 虛擬抽水機 44 4.3.1 非滿管流 44 4.3.2 滿管流 46 4.4 模擬範例 49 4.5 第4章小結 53 第5章 、雨水下水道最佳化操作模擬系統開發 54 5.1 系統分析與設計 54 5.1.1 程式語言整合與開發工具之評估 58 5.1.2 Inter-Process Communication 63 5.2 系統實作 66 5.2.1 Program Controller元件 67 5.2.2 Simulator元件 67 5.2.3 SWMM Adaptor元件 70 5.2.4 Optimizer元件 72 5.2.5 Visualizer元件 73 5.3 系統展示 73 第6章 、案例研究 80 6.1 台北市雨水下水道系統之簡介 80 6.2 案例區域之選擇 84 6.2.1 台北市淹水歷史資料 84 6.2.2 台北市淹水潛勢 85 6.3 水理特性初步分析 91 6.3.1 5年90分鐘設計降雨溢流狀態 91 6.3.2 5年24小時設計颱風降雨溢流狀態 96 6.4 操作模擬初步探討 102 6.4.1 操作策略初步探討（I）：5年90分鐘設計暴雨 102 6.4.2 操作策略初步探討（II）：5年24小時設計颱風降雨 104 6.5 最佳化操作模擬 107 6.5.1 5年90分鐘設計降雨 108 6.5.2 5年24小時設計颱風降雨 121 第7章 、結論與建議 133 7.1 結論 133 7.2 建議 136 參考文獻 138 附錄A SWMM計算原理 146 附錄B SWMM Adaptor程式碼 1575746205 bytesapplication/pdfen-US雨水下水道基因演算法即時控制內部行程通訊多執行緒系統整合Urban Drainage SystemsSWMMGenetic AlgorithmsReal Time ControlInter Process CommunicationMulti-threadSystem Integration[SDGs]SDG11thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50040/1/ntu-94-D89521001-1.pdf