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應用AI與大數據分析評估各用水標的抽水量 總報告

應用AI與大數據分析評估各用水標的抽水量 總報告

書籍介紹

為建立不同標的的地下水使用類別,先利用地下水人工場址案例,進行水位變動特徵分析與時空間抽水量分析等相關研究,再依據濁水溪沖積扇計畫區地下水水位變動特徵分析的結果,擷取出主要的抽水特徵予以分類,並根據地下水需求比例建立不同的用水標的之清冊,辨識不同產業可能的用水型態。最後結合不同產業其特性資料,以人工智慧技術連結地下水用水型態和產業間關係,建立各標的之特定地下水用水模型,藉此用來評估抽水使用情形。

目次

目錄
目錄目-1
圖 目 錄圖-1
表 目 錄表-1
摘要摘-1
ABSTRACTA-1
結論與建議結-1
第一章 前言1-1
一、計畫緣起及目的1-1
二、工作項目及內容1-3
三、預期成果1-5
四、計畫背景與108年度計畫執行成果說明1-5
五、工作執行架構及流程1-13
第二章 資料蒐集與彙整2-1
一、大數據與人工智慧技術於地下水資源應用2-1
二、地下水抽水資料2-4
三、抽水行為相關跨域資料2-10
第三章 地下水水位資料清理工作2-1
一、地下水水位資料整理2-1
二、地下水水位異常值偵測2-13
三、地下水水位值補遺2-21
四、地下水水位補遺方法驗證2-27
第四章 時空間地下水抽水量人工場址模型設計案例2-1
一、人工場址模型設計2-1
二、抽水趨勢與抽水量分析2-17
第五章 地下水水位變動時空間特徵分析3-1
一、地下水水位網格資料推估3-1
二、地下水水位變動時空間特徵分析3-3
第六章 地下水抽水行為分類與用水類型建立4-1
一、地下水抽水量評估4-1
二、地下水抽水行為分類4-4
三、地下水用水類型與抽水清冊建立4-13
四、建立地下水抽水預警模型4-31
第七章 辨理專家座談會5-1
參考文獻參-1
附錄一 「應用AI與大數據分析評析各用水標的抽水量(2/2) 」期初審查意見及處理情形附-1
附錄二 「應用AI與大數據分析評析各用水標的抽水量(2/2) 」期中審查意見及處理情形附-5
附錄三 「應用AI與大數據分析評析各用水標的抽水量(2/2)」專家座談會審查意見及處理情形附-15
附錄四 「應用AI與大數據分析評析各用水標的抽水量(2/2)」期末報告書審查意見及處理情形附-24
附錄五 專家座談會簡報資料附-36
附錄六 第一含水層地下水水位觀測異常值偵測結果附-46
附錄六 第一含水層地下水水位觀測缺漏值補遺結果附-83
附錄七 雲彰地區農業與工業地下水抽用水清冊附-102
附錄八 雲彰地區民生地下水抽用水清冊附-156

表 目 錄
表摘 1 本模式各層抽水量推估結果摘-18
表摘 2 2016年雲彰地區各鄉鎮每月農業地下水用水量 摘-22
表摘 3 2016年雲彰地區各鄉鎮每月工業地下水用水量 摘-23
表摘 4 2016年雲彰地區各鄉鎮每月民生地下水用水量摘-24
表 1 1 各程含水層經驗模態分解找出之顯著水位變動週期1-10
表 2 1 不同標的抽水資料申請相關資料2-5
表 2 2 地下水文與抽水量相關資料彙整表2-9
表 2 3 抽水量跨欲相關資料彙整表2-10
表 2 4 作物基本蒸發散參考值2-15
表 2 5 作物影響因子與成長期日數對照表2-16
表 3 1 新舊資料接續觀測站2-3
表 3 2 各地下水水位測站異常值統計2-18
表 3 3 各地下水水位測站補遺值統計2-26
表 3 4 整體交叉驗證統計結果2-28
表 3 5 單獨地下水水位站交叉驗證統計結果2-30
表 4 1 第一含水層水力傳導係數與儲水係數2-7
表 4 2 各EC與降雨和抽水相關係數分析2-28
表 4 3 密集抽水區域設置邏輯2-39
表 6 1 抽水量推估成果(單位:千萬噸)4-1
表 6 2 濁水溪沖積扇年抽水量相關文獻分析成果表4-1
表 6 3 105年一期水稻需水量與工業需水量分布4-17
表 6 4 105年一期水稻用水量與工業地下水用水量分布4-19
表 6 5 2016 雲彰地區各鄉鎮每月農業用水之地下水抽用量4-27
表 6 6 2016 雲彰地區各鄉鎮每月工業用水之地下水抽用量4-28
表 6 7 2016年雲彰地區各鄉鎮每月民生地下水用水量4-29

圖 目 錄
圖摘 1 本計畫整體工作架構流程圖摘-2
圖摘 2 地下水水位資料整理流程摘-3
圖摘 3 測站分布空間位置圖摘-4
圖摘 4 地下水水位異常值偵測工作流程摘-5
圖摘 5 線西(2)的水位異常值偵測的結果摘-6
圖摘 6 地下水水位值補遺工作流程摘-8
圖摘 7 崙子(1)補遺結果圖摘-9
圖摘 8 部分地下水水位站補遺方法交叉驗證比對成果摘-10
圖摘 9 人工場址水平剖面摘-11
圖摘 10 人工場址垂直剖面摘-11
圖摘 11 人工場址降雨空間分布圖摘-12
圖摘 12 人工場址抽水井空間分布圖摘-12
圖摘 13 小波分析高低頻分離示意圖摘-13
圖摘 14 EOF分析(EOF1-EOF10)摘-15
圖摘 15 抽水之EC轉換為洩降趨勢之結果摘-16
圖摘 16 抽水量推估前後方法比較圖摘-17
圖摘 17 雲林縣虎尾鎮2017年4月第一含水層分類結果摘-19
圖摘 18 雲林縣虎尾鎮2017年4月第二含水層分類結果摘-19
圖摘 19 2017年4月份虎尾水稻種植分布圖摘-20
圖摘 20 自來水公司抽水井點位圖摘-20
圖摘 21 地下水預警模型各機械學習方法訓練與驗證的R-Square摘-25
圖摘 22 雲林縣虎尾鎮地下水預警模型之訓練與驗證結果摘-25
圖 1 1 整體計畫工作架構1-7
圖 1 2 數值模型主要週期特徵(1天)1-11
圖 1 3 數值模型主要週期特徵(7天)1-12
圖 1 4 數值模型次要週期特徵(7天)1-12
圖 1 5 數值模式中模擬水位與實際水位比對1-12
圖 1 6 抽水井1抽水量推估與數值模型比較圖1-13
圖 1 7 抽水井2抽水量推估與數值模型比較圖1-13
圖 1 8 整體工作流程圖1-15
圖 1 9 109年度計畫重點工作流程圖1-17
圖 2 1 大數據的四個V特性2-1
圖 2 2 近年人工智慧於地下水研究的國際期刊發表量2-3
圖 2 3 台水第5區管理處井位分布與時序資料展現2-6
圖 2 4 台水第11區管理處井位分布與時序資料展現2-6
圖 2 5 彰化水利會井位分布與時序資料展現2-7
圖 2 6 雲林水利會井位分布與時序資料展現2-7
圖 2 7 臺糖公司井位分布與時序資料展現2-8
圖 2 8 濁水溪沖積扇與高鐵環域3公里空間關係圖2-10
圖 2 9 彰化期作與雲林輪區圖資2-11
圖 2 10 2016年第二期雲彰地區作物衛星影像分布圖2-12
圖 2 11 雲林與彰化地區民國105年第一、二期水稻分布圖2-13
圖 2 12 雲林與彰化地區工業區空間位置分布圖2-14
圖 2 13 雲林與彰化地區自來水公司淨水場空間位置圖2-14
圖 2 14 作物需水量時空間分布流程圖2-15
圖 2 15 臺中地區逐日之作物基本蒸發散參考值2-16
圖 2 16 台中地區單期作田:第一期種植作物與期程2-16
圖 2 17 2015年第一、二期水稻於該年的作物成長需水量變化2-17
圖 2 18 作物需水量(水稻)於濁水溪濁積扇的時空間分布情形2-17
圖 3 1  地下水水位資料整理流程2-1
圖 3 2  員林(1)站新舊站資料接續結果2-7
圖 3 3  宜梧(1)站新舊站資料接續結果2-7
圖 3 4  虎溪(1)站新舊站資料接續結果2-7
圖 3 5  鯉魚(1)站新舊站資料接續結果2-7
圖 3 6  鯉魚(2)站新舊站資料接續結果2-8
圖 3 7  地下水位每年缺漏資料總筆數2-8
圖 3 8  海園(1)站民國97年至106年水位觀測資料2-9
圖 3 9  潭墘(1)站民國97年至106年水位觀測資料2-9
圖 3 10 社寮(1)站民國97年至106年水位觀測資料2-9
圖 3 11 西港(3)站民國97年至106年水位觀測資料2-10
圖 3 12 觸口(1)站民國97年至106年水位觀測資料2-10
圖 3 13 觸口(2)站民國97年至106年水位觀測資料2-10
圖 3 14 青山(2)站民國97年至106年水位觀測資料2-10
圖 3 15 鯉魚(1)站民國97年至106年水位觀測資料2-11
圖 3 16 鯉魚(2)站民國97年至106年水位觀測資料2-11
圖 3 17 觸口(1)站(藍)及觸口(2)站(黃)時間序列比較2-12
圖 3 18 測站分布空間位置圖2-13
圖 3 19 地下水水位異常值偵測工作流程2-14
圖 3 20 線西(2)的水位異常值偵測的結果2-17
圖 3 21 地下水水位值補遺工作流程2-22
圖 3 22 時間列序分解法對地下水水位拆解結果,以好修(3)為例2-22
圖 3 23 空間(上)與時間(下)共變異數值與函數2-23
圖 3 24 貝氏最大熵法架構2-25
圖 3 25 崙子(1)補遺結果圖2-25
圖 3 26 部分地下水水位站補遺方法交叉驗證比對成果2-30
圖 4 1 人工場址網格水平剖面2-2
圖 4 2 水文地質剖面圖(海圓-石榴)2-3
圖 4 3 模式高程垂直剖面2-4
圖 4 4 模式高程水平剖面2-4
圖 4 5 人工場址水力傳導係數2-6
圖 4 6 人工場址儲水係數2-8
圖 4 7 人工場址補注分區2-9
圖 4 8 人工場址降雨參考側站資料2-9
圖 4 9 人工場址抽水井分布2-11
圖 4 10 人工場址抽水井時間序列2-12
圖 4 11 人工場址設計流程圖2-14
圖 4 12 模式初始水位分布圖2-15
圖 4 13 暫態模擬四年2-15
圖 4 14 MODFLOW人工場址模擬之水位2-16
圖 4 15 時間序列高低頻分解(1/2)2-19
圖 4 16 時間序列高低頻分解(2/2)2-20
圖 4 17 EOF1~ EOF52-24
圖 4 18 EOF6~ EOF102-25
圖 4 19 EOF11~ EOF152-26
圖 4 20 EOF15~ EOF202-27
圖 4 21 各EOF 之解釋變異量2-29
圖 4 22 各EOF 之累計解釋變異量2-29
圖 4 23 IMF限制條件示意圖2-31
圖 4 24 計算IMF之流程圖2-33
圖 4 25 水位變動顯著判斷標準示意圖2-34
圖 4 26 水位變動顯著點於所萃取之抽水水位變動趨勢2-34
圖 4 27 連續4小時水位變動顯著點之點2-35
圖 4 28 抽水起始點與停抽點2-35
圖 4 29 抽水趨勢分析結果圖(1/2)2-36
圖 4 30 抽水趨勢分析結果圖(2/2)2-36
圖 4 31 密集抽水人工案例之抽水井分布2-38
圖 4 32 密集抽水人工案例之抽水趨勢空間分布2-39
圖 4 33 各區域抽水設置(一區找任意兩點)2-40
圖 4 34 密集抽水案例產製之水位2-42
圖 4 35 密集抽水案例EOF分析結果(EOF1~EOF10)2-44
圖 4 36 密集抽水案例EOF分析結果(EOF11~EOF21)2-46
圖 4 37 密集抽水案例EOF分析結果(EOF21~EOF30)2-48
圖 4 38 密集抽水案例EOF分析較後段之component(隨機選取)2-49
圖 4 39 EOF累計解釋變異量2-50
圖 5 1  地下水水位網格推估工作流程3-1
圖 5 2  利用反距離權重法對各網格之趨勢水位推估3-2
圖 5 3  第二含水層於2015年2月濁水溪沖積扇扇尾處網格水位變動推估結果3-3
圖 5 4 先前與現在計算抽水量方法之比較3-4
圖 5 5 第一層水位觀測井分布3-5
圖 5 6 青山(1)2015年8月IMF分析結果3-6
圖 5 7 荊桐(1)2015年8月IMF分析結果3-7
圖 5 8 IMF1之EOF分析結果(EOF1、2)3-8
圖 5 9 IMF2之EOF分析結果(EOF1、2)3-8
圖 5 10 IMF3之EOF分析結果(EOF1、2)3-10
圖 5 11 IMF4之EOF分析結果(EOF1、2)3-10
圖 5 12 IMF5之EOF分析結果(EOF1、2)3-11
圖 5 13 IMF6之EOF分析結果(EOF1、2)3-11
圖 5 14 IMF7之EOF分析結果(EOF1、2)3-12
圖 6 1 第一含水層依不同推估方法求得的逐年抽水量4-3
圖 6 2 第二含水層依不同推估方法求得的逐年抽水量4-3
圖 6 3 抽水延時組體圖4-5
圖 6 4 開始抽水時間與停止抽水時間統計圖4-5
圖 6 5 古坑鄉抽水延時組體圖4-6
圖 6 6 古坑鄉開抽與停抽之時間分布與抽水延時組體圖4-6
圖 6 7 大埤鄉抽水延時組體圖4-7
圖 6 8 大埤鄉開抽與停抽之時間分布與抽水延時組體圖4-7
圖 6 9 斗六市抽水延時組體圖4-8
圖 6 10 斗六市開抽與停抽之時間分布與抽水延時組體圖4-8
圖 6 11 斗南鎮抽水延時組體圖4-9
圖 6 12 斗南鎮開抽與停抽之時間分布4-9
圖 6 13 虎尾鎮抽水延時組體圖4-10
圖 6 14 虎尾鎮開抽與停抽之時間分布4-10
圖 6 15 雲林縣虎尾鎮2017年4月第一含水層分類結果4-11
圖 6 16 雲林縣虎尾鎮2017年4月第二含水層分類結果4-12
圖 6 17 2017年4月份虎尾水稻種植分布圖4-12
圖 6 18 自來水公司抽水井點位圖4-13
圖 6 19 用水標的判釋與抽水清冊建立整體工作流程4-14
圖 6 20 農業與工業地下水用量推估流程圖農業需水4-14
圖 6 21 彰化縣疑似工廠分布4-16
圖 6 22 雲彰地區各鄉鎮主要工廠產業4-16
圖 6 23 虎尾區灌溉區域圖 (雲林農田水利處)4-21
圖 6 24 惠來工作站與灌溉區位置圖4-21
圖 6 25 虎尾工作站與灌溉區位置圖4-22
圖 6 26 墾地工作站與灌溉區位置圖4-23
圖 6 27 東屯工作站與灌溉區域位置圖4-24
圖 6 28 馬光工作站與灌溉區域位置圖圖4-24
圖 6 29 虎尾鎮濁幹線與分支圳路灌溉用水輸送路徑圖4-25
圖 6 30 105年7月虎尾鎮二期水稻之地下水抽水量分布4-25
圖 6 31 計畫成果展現平臺展示與功能說明圖4-30
圖 6 32 地下水預警模型各機械學習之訓練與驗證的各項評估指標4-35
圖 6 33 地下水預警模型斗南鎮、埔心鄉和虎尾鎮訓練與驗證結果4-36
圖7 1 專家座談會舉辨當日攝影5-2

編/著/譯者簡介

國立臺灣大學 余化龍
臺灣大學有11個學院,3個專業學院(牙醫、獸醫、藥學),56個學系,133個研究所,22個碩博士學位學程,另設有50餘個各學術領域之國家級或校級研究中心,堪稱國內最完整之綜合型研究大學,是臺灣在國際上最具能見度及代表性的大學。
領域多元完整, 五大學術領域已具一定國際水準,有利國內外跨領域的學習與合作,校友廣泛,並於世界各領域佔有一席之位,具備培育國際移動力及知識創新研究人才利基,畢業生專業知能受高度肯定。

序言/導讀

水資源是國家財產,取用地面水及地下水皆需要依法申請,然而相較於地面水的使用,評估儲存於地底的地下水使用情形相對非常困難,主要原因是由於地下抽用水井數量眾多,目前臺灣並未對地下水抽用水量進行完整的觀測,難以得知不同產業型態下其抽用水量,過往常利用一些產業類別參數套用公式進行用水調查或是數值模型模擬等方法來評估地下水抽水量,然而,以普查方式進行用水調查需花費大量成本,用水調查的結果並無法完全反映各種型態的抽水行為,此一次性的調查以統計樣本方式估計的結果,僅能作為當下的產業抽用水參考;而建立區域地下水流數值模型,由於稀少的抽水資訊,往往需假設不同產業抽水型態置入數值模型中,或者將抽水量作為模型調整參數,在這之中,皆具有強烈的主觀假設。 近年來,在電腦運算效能以及網路速度的大幅成長下,快速發展的人工智慧與大數據分析技術提供了一個契機,其嘗試自大量的資料中找出隱藏的資訊,並且連結跨域資料找出相關性,以客觀的角度進行科學化研究,此種以資料分析為出發點的方式,提供了評估地下水抽水量的另一思考,雖然抽水行為目前並無完整的觀測,然而抽水行為會對於地下水系統產生擾動,進而影響地下水位的變化,因此,若能自臺灣已累績超過二十年的地下水觀測網資料中,找出可能屬於抽水行為的變動,便有機會能在地下水抽水量推估方法上精進。人為抽水皆是由特定需求所驅動,例如農作物生長或工業製程所需用水,每一種需求所連結的抽水行為是類似的,因此,針對抽水量進行分類,有機會能歸納出區域性的主要抽水類別,加上跨域資料的輔助,建構出特定抽水型態其影響因素,有機會了解不同標的地下水用水行為並評估未來可能的抽水行為,以達有效管理地下水資源及永續利用之目標。

分類

其他詳細資訊

  • 適用對象:成人(學術性)
  • 關鍵詞:地下水模型,人工智慧,大數據,特徵分析,用水標的抽水量
  • 附件:CD-ROM
  • 頁/張/片數:206

授權資訊

  • 著作財產權管理機關或擁有者:經濟部水利署水利規劃試驗所
  • 取得授權資訊:聯絡處室:水利規劃試驗所地水中心 姓名:郭穎彰 電話:04-23304788-2503 地址:台中市霧峰區吉峰里中正路一三四0號