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研究生: 黃品瑄
Huang, Ping-Hsuan
論文名稱: 都市減洪設施之成本與減碳效益最佳化評估
Optimization of Urban Flood Reduction Facilities in Terms of Cost and Carbon Reduction
指導教授: 張駿暉
Jang, Jiun-Huei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 水利及海洋工程學系
Department of Hydraulic & Ocean Engineering
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 190
中文關鍵詞: 低衝擊開發多目標最佳化暴雨管理模式非支配排序基因演算法減碳量
外文關鍵詞: Low impact development(LID), Multi-objective optimization, Storm Water Management Model(SWMM), Nondominated Sorting Genetic Algorithm II(NSGA-II), Carbon emission reduction
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  • 氣候型態的改變,使降雨型態產生變化,提升洪水災害發生的可能性,舊有的設施已不敷使用,在既有建物及道路系統完善的情況下難以更動的情況下,設置小型滯洪池及低衝擊開發設施可作為合適的解決方案,然而任意的設置減洪設施可能適得其反,除了浪費公帑外,更可能導致區域淹水情形加重。在台灣除了可能面臨強降雨事件,更多的時間是受到降雨季節分布不均影響,即使設置了減洪設施卻長期閒置無用,在未降雨的日子,部分設施可透過自身設計達到減碳效果,若將此優勢一併考量,可使設施發揮最大效益。
    本研究中以滯洪池、生態滯留單元、雨水花園、綠屋頂、入滲溝、透水鋪面、雨水桶(小)、雨水桶(大)及植生溝九種設施的設置體積/面積、數量、位置作為決策變數,並分為兩種情境探討,情境一探討在最小成本及最小逕流量二目標下的平衡方案,情境二為考量在最小成本、最小逕流量及最大減碳量三目標下的平衡方案,透過非支配排序基因演算法(Nondominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II)進行求解,結合暴雨管理模式(Storm Water Management Model, SWMM)模擬在5年、10年及50年重現期下各方案的減洪情形,從演算法所產生的柏拉圖前緣方案中選擇五種最佳綜合效益方案進行分析,並將選擇方案輸入至TELEMAC-2D模擬人孔溢流產生的地表逕流情形,展示最佳方案的減洪效果。
    研究發現具有低成本、良好減洪能力及極佳減碳效果的透水鋪面在所有最佳方案中皆有較高的設置占比,平均設置面積占比26%,建議可將透水鋪面作為優先考慮設置的設施;入滲溝及植生溝兩種設施減洪量較少及且減碳能力較差,在所有最佳方案中平均設置面積占比為12%及13%,建議降低入滲溝及植生溝設置面積占比;滯洪池具有極佳的減洪能力,若以減洪量為目標考量可增加設置,但其具有極高的成本,若有預算限制則建議降低設置占比。

    Under climate change, flood risks have increased due to inadequacy in existing infrastructures. In Taiwan, uneven seasonal rainfall patterns have worsen the situations. Small detention ponds and low-impact development (LID) facilities offer a solution but require proper deployments to save money and reduce flooding. Some facilities can be beneficial to carbon reduction when not in use for flood mitigation. This study evaluates nine facility types: Detention Pond, Bio-Retention Cell, Rain Garden, Green Roof, Infiltration Trench, Permeable Pavement, Small and Large Rain Barrels, and Vegetative Swale. Using NSGA-II for optimization and SWMM for simulation, two scenarios are analyzed: minimizing cost and runoff, and adding carbon emission reduction as a third objective. The most effective solutions from the pareto front are simulated using TELEMAC-2D. Results show that permeable pavement, being cost-effective and efficient in runoff and carbon reduction, should be prioritized. Infiltration trenches and vegetative swales, less effective in runoff and carbon reduction, should have reduced installation. Detention ponds, despite their high cost, are effective in flood mitigation but should be limited by budget constraints.

    中文摘要 II Extended Abstract III 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 X 圖目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的 1 1.3文獻回顧 2 1.3.1減洪設施 2 1.3.2 最佳化 5 1.3.3 碳排放 10 1.4論文架構 12 第二章 研究區域 14 2.1區域概述 14 2.2地文特性 15 2.3雨量資料 17 第三章 理論與研究方法 20 3.1 暴雨洪水管理模型 21 3.1.1地表逕流 21 3.1.2入滲 22 3.1.3幹線輸水運算 23 3.1.4滯洪池元件 24 3.1.5孔口元件 24 3.1.6低衝擊開發元件 25 3.2非支配排序基因演算法 29 3.2.1生成初始族群 30 3.2.2交叉 31 3.2.4選擇 33 3.2.5終止條件 36 3.2.6評估模型效能 36 3.3 TELEMAC-2D數值軟體 37 第四章 模型建立 38 4.1目標函數與限制條件 38 4.1.1決策變數 38 4.1.2目標函數 39 4.1.3限制條件 46 4.2 SWMM模型建立 50 4.2.1子集水區 51 4.2.2滯洪池 53 4.2.3低衝擊開發設施 54 4.3非支配排序基因演算法模型設置 57 4.3.1生成初始族群 58 4.3.2交叉 58 4.3.3突變 58 4.3.4選擇 59 4.4 TELEMAC-2D模型 60 第五章 結果與討論 61 5.1區域現況模擬結果 61 5.2 5年重現期 65 5.2.1 5年重現期二目標結果 65 5.2.2 5年重現期三目標結果 70 5.3 10年重現期 76 5.3.1 10年重現期二目標結果 76 5.3.2 10年重現期三目標結果 81 5.3.3 10年重現期綜合比較 86 5.4 50年重現期 87 5.4.1 50年重現期二目標結果 87 5.4.2 50年重現期三目標結果 92 5.4.3 50年重現期綜合比較 97 5.5綜合比較 98 第六章 結論與建議 104 6.1結論 104 6.2建議 104 附錄I 土壤性質分類表與CN值轉換表 110 附錄II 子集水區設施設置情形 115

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