淺談水庫操作原則與旱季操作

淺談水庫操作原則與旱季操作 (Introduction of Reservoir Operation and Hedging Rule)
國立臺灣大學土木工程學系水利組碩士生 周冠汶

水資源已和人們的生活密不可分，無論在工業、農業或是一般的生活用水，都被廣泛地運用。

現今，人們的用水大多來自於水庫的供給，然而水文環境的任何變化都會影響到水庫的供水能力，例如在旱季時入流量的不足，使得水庫的決策者必須施行供水減縮策略，減少供應下游的放水量 (release)；颱風暴雨期間，必須適時且適量地洩洪，以免造成滿庫引發潰壩危機，同時也必須留下足夠的蓄水量 (storage） 以滿足洪水期過後下游的需水量 (demand)。

因此我們可以了解到，水庫的放水策略是經過一連串的決策及反應機制而來。在此，本文將簡單地介紹水庫的操作原理，使讀者可以更進一步認識水庫與我們對水需求量之間的關聯。

水庫的蓄水能力影響了供水能力，也因此在水庫在建造之前，就必須根據現地的水文特色來決定該水庫的庫容大小。常見的決定庫容方法為 Rippl Diagram，以作圖的方式決定水庫的庫容大小。

圖一 Rippl Diagram（圖片來源：參考文獻1）

圖一之中，橫軸為時間，縱軸為入流量隨時間的累積量，紅線為斜率固定不隨時間改變的放水量。而累積入流量不足以供應放水量的差額為所需的庫容。當此差額為座標中的最大值時，即為該水庫的所需的最大庫容。

接著，在水庫開始啟用後，可行的放水量與供水能力的關係可由標準操作策略 (standard operation policy, SOP) 來制定，並且提供適當的放水量供給下游人們使用。

圖二 水庫操作SOP（資料來源：參考文獻2）

圖二的橫軸為供水能力，由蓄水量加上入流量求得，由此圖可以瞭解水庫操作的原則：當供水能力大於庫容和需求量時，水庫的放水除了滿足需求量外，也必須排放掉多餘的入流量；而在供水能力介於需求量與庫容加上需求量之間時，放水量滿足需求量即可；然而在供水能力小於需求量時，在水庫裡的水必須盡可能地滿足需水量，也因此放水量在這時會等於需水量。

但這樣的操作方式在旱季入流量不足時，有可能會造成更嚴重的缺水情況，也因此在 1962 年時，Bower 等人提出了以「忍受現今較小的缺水，以減緩未來更大的缺水」的方法─避險準則 (hedging rule)，這是一種以當前供水量與未來蓄水量進行權衡的方法，使整體的缺水程度得以消減至最小。

圖三 以避險準則 (hedging rule) 調整水庫操作 SOP （資料來源：參考文獻3）

經過避險準則 (hedging rule) 調整過的供水曲線在供水能力較不足的時候，較為平滑且為漸近式地縮減放水量。其策略雖然在供水能力大於需水量時無法全部滿足需求量，但這減少的供水量可以儲存下來，以供應下一時刻及往後的用水，使未來不至於陷入無水可用的情形。

臺灣的年降水量遠高於世界平均值，看起來我們好像一年四季都有豐沛的水資源可以運用，但因為臺灣陡峭的地形無法有效留住這些大量的雨水，也因為臺灣的高人口密度，使得每個人可以使用的水資源有限。而近年來受到氣候變遷的影響，除了歷年颱風造成的洪水災害之外，臺灣缺水的情況日益受到重視。因此，我們對於水資源的利用必須更加謹慎，並且試著保留部分的水資源以供未來入流量較為不足時使用，減輕因乾旱造成的任何衝擊。

參考文獻

1. Mujumdar, P. P., Water Resources Systems: Modeling Techniques and Analysis, Lecture 20 — Indian Institute of Science. http://nptel.ac.in/courses/105108130/module5/Lecture20.pdf
2. Shih, J. S., & ReVelle, C. (1994). Water-supply operations during drought: Continuous hedging rule. Journal of Water Resources Planning and Management, 120(5), 613-629.
3. Modeling of Storage Reservoirs — International Research Institute for Climate and Society. http://crk.iri.columbia.edu/water/mod/book/view.php?id=106&chapterid=48
4. Maass, A., Hufschmidt, M. M., Dorfman, R., Thomas, H. A., Marglin, S. A., Fair, G. M., … & Fiering, M. B. (1962). Design of water-resource systems.