台北市雨水下水道监测系统应用与发展.doc

第八届海峡两岸水利科技交流研讨会，2004 年 12 月台北市雨水下水道监测系统应用与发展张仁德 1胡湘帆 1黄茂松 21 中华顾问工程司2 台北市养工处下工科摘要从防灾与维护管理的观点来看，雨水下水道实时监测资料的取得，最能掌握雨水径流在下水道中的现况，并可经由数据数据的分析、分析，提供了解雨水下水道通水的情形及预警功能，因此 对于已开发完成的都市，雨水下水道监测系统的设置，是维护管理体系中重要的一环，有利于雨水 下水道管理维护工作及保护居民减少因积水所受到的灾害。台北市自公元 2000 年底开始至今，已 分期设置了 76 处雨水下水道水位监测设施，实时传送并记录台北市雨水下水道系统之相关水情资 料，建置了 3 年多的水位数据库。目前台北市正进行全面监测推动第一期，计划将全市都纳入监测 范围内，除于广设水位监测站监测下水道水位外，并设置流量监测站观测下水道实际流量变化，另 于下水道入口闸门起闭处设置影像监视站，以期能达到对雨水下水道全面监测的目标。一、前言 台北市每年夏、秋雨季，所发生之地区性热雷雨、梅雨或台风雨现象，在短时间内产生大量地表径流，常使雨水径流无法及时排除，导致市区局部地区积水，造成民怨及民众财产损失。台北市政府相关单位针对此一都市排水问题，近年来无论在硬件 工程建设或软件的研究分析上，都投入极大的资金与心力，为使上述的投资更为有 效、实用且经济，有必要建立雨水下水道监测系统，实时传送并记录台北市雨水下水 道系统之相关水情数据。雨水下水道监测系统规划建置计划进行之初，先于公元2000年底办理雨水下水道水位监测系统建置规划初期计划，选定中正区双园排水系统之河堤国小附近，设置 5 处水位监测站，进行监测设备的测试与评选；公元 2001年纳莉台风来袭，造成南湖大桥一带严重积水，因此选定内湖、南港、信义、松山及 文山区等处，建置 26 处雨水下水道水位监测站，以了解基隆河溢堤后水流在雨水下 水道流向，并可实时了解当地积水情况；目前台北市正进行全面监测推动第一期，将 全市都纳入监测范围内，公元 2004 年建置 45 个雨水下水道水位监测站，并设置流量 监测站观测下水道实际流量变化，另于下水道入口闸门起闭处设置影像监视站，以期 能达到对雨水下水道全面监测的目标；配合完成之工作项目还包括水情展示系统之开 发建置、开发市区雨水下水道水位预测雏型模式等。在数据传输方面，应用无线 GPRS 系统传输水位、雨量及流量数据，而影像监测数据则透过 ADSL 系统传递，各监测设 备均可透过远程操控随时掌握监测状态，以提高监测设备之稳定性、准确性及设备维 护之便利性。使用者只需应用 WWW 浏览器，即可透过水情展示系统了解台北市相关即 时水情讯息，于各项警戒值发生时，系统亦主动传送警示手机简讯予相关权责人员， 期能争取处理时效。二、台北市雨水下水道监测系统1.监测站设置地点台北市全区约有 70 个雨水下水道抽排水系统，考虑符合现况积水预警需求及可 兼顾后续抽水站操作参考及排水系统水理仿真验证所需，针对集水区排水系统所负担 排流风险及现地装置环境特性，设置雨水下水道监测站，其设置位置如图 1 所示。全 市设置有超过 60 处之实时传输之雨量站，其中台北市养工处设有 19 处雨量站可透过 专线连结，提供每一分钟之实时雨量数据，全市雨量站设置位置如图 2 所示。 89年完成5處91年完成26處93年預計完成45處9495年預計完成45處图 1 台北市雨水下水道监测站位置分布 图 2 台北市雨量站位置分布2.雨水下水道监测系统架构雨水下水道监测系统架构如图 3 所示，各监测站安装之水位计及流量计，将监测 所得之实时数据，透过 GPRS 无线通讯模块，传回水情展示系统汇整分析。影像监视 站建置于闸门控制点，以及沟溪、河流接入雨水下水道系统入口处，经由摄影机直接 将监控之实时影像，透过宽带网络，传回水情展示中心了解现场信息。为使本监测系 统不论在平时或危急状况下均能正常运作，在电力系统方面均考虑建置备援电力系 统，各监测站一般采用市电为主要供电方式，当电源供应中断时，可自动切换至备援 电力系统，供应水位及流量监测站至少独立运作两星期，影像监视站至少独立运作三 天的所需电量。在数据储存方面，平时各监测站除了将监测及监视数据，分别透过 GPRS 无线网络及宽带网络，实时传送回水情展示系统，储存于水情展示服务器及影像伺服 器外，并于现地备有独立之储存设备同步备存，当传输中断时，亦能维持监测及监视 数据于现地持续纪录达两星期，当传输恢复后，再透过远程控制方式，将中断期间之 纪录数据传回水情展示系统，或由人工方式自现场取回数据。图 3 雨水下水道监测系统整体实体架构3.雨水下水道监测系统设备及组装方式水位监测站水位监测站采用水压式水位检测计装设，其测量范围为 0 至 10 公尺，5 公尺 测距之误差小于 1.75 公分，检测功能为利用连续式随时感测水位，并将水位数值经 由传讯界面整合后，再传送至监控工作站；水位监测站之组装方式如图 4 所示。流量计监测站流量监测站须能够量测下水道系统横断面流速剖面图，流速量测范围至少为5 公尺/秒之间，量测精确度至少为1%，并能量测宽度为二十公尺之开放式渠道的流速， 并能考虑下水道淤积时对量测时所造的影响；流量监测站之组装方式如图 5 所示。影像监视站 影像监视站设置独立专用之对外宽带网络，提供足够之频宽，使监视摄影机实时储存之监视画面，每分钟可达六十个，且影像分辨率为 720*480、38 万像素。监视摄影机提供十倍光学变焦，以及旋转、放大、缩小功能，针对影像监视站之环境变化， 可自动调整光圈与对焦，现地储存设备提供控制讯号输出入接口，可连结电动雨刷与 辅助照明，由水情展示系统即可直接远程控制选择监视目标与摄影机外围配件；影像监测站之组装方式如图 6 所示。 图 4 水位监测站组装方式 图 5 流量监测站组装方式图 6 影像监测站组装方式4.雨水下水道监测系统功能系统权限管理 提供使用者数据输出入、增删，网络查询与打印等权限管理功能，以确保系统资料安全。监测设备监测数据管理 各监测站自动监测资料统一汇整于水情展示中心之监测设备控制器数据库，可用于各项展示、统计分析、报表及图形输出等工作。监测设备传输频率管理监测设备传输频率于无降雨时为10分钟，于降雨时及调整为1分钟系统将依各监测站回传之数据，依降雨事件发生与否判断并改变监测设备之传输频率。监测设备监测状态管理各监测站监测设备状态数据包括：电源状态、传输状态、现地储存设备状态等， 当监测站之设备状态发生异常时，监测站即将异常之设备状态传送至水情展示中心之监测设备控制器数据库，数据库设置异常事件数据表，以保存各类监测设备异常状态之历史资料。简讯发送管理 系统管理者可设定异常事件种类与简讯发送手机号码之对照表，除新增对照表资料之功能外，另提供对照表数据之删除、编修、查询等功能。异常事件种类包括：水 位警戒事件、雨量警戒事件、电源状态异常事件、传输状态异常事件、现地储存设备 状态异常事件及等。监测设备监测数据汇入管理因异常状态无法及时将数据上载至水情展示中心之监测设备控制器，可经由此功能于异常状态排除时，下载所需时刻之数据或由现地执行单位人员撷取监测设备 资料后，带回水情展示中心透过此功能将数据汇入。监测设备组态管理 监测设备组态数据表包括：设备编号、建置期别、测试日期、完成装设日期、备注等，系统提供对监测设备组态数据查询功能，可依设备编号建置期别、测试日期、完成装设日期区间等查询监测设备组态数据，亦提供组态数据之新增、删除及修改功能，于运转阶段提供监测设备组态数据之设定功能。报表输出及打印管理报表及统计分析图可由系统设定定时自动制作并输出 Excel、PDF、HTML 等格式之 报表供浏览查询，系统具输出报表及图形功能，涵盖每日、月、季、年监测报告与纪录表制作及打印。系统监控管理程序 系统监控管理程序(Watch Dog)为操作系统服务程序(services)之一，于操作系统 开启后即自动被启动，并于每分钟监控监测数据收集系统是否正常运作，以确保整体 运作正常，若监测数据收集系统未执行，则由系统监控管理程序启动监测数据收集系统。备份及还原管理备份数据种类包括：系统设定数据备份、营运数据实时备份及营运资料定时备份等，可于系统发生异常时由系统设定备份数据及营运数据实时备份数据还原系统功能。三、台北市雨水下水道监测系统数据应用1.WWW 水情展示系统以 WEB 方式开发可视化水情展示系统，除展示台北市雨水下水道监测系统所接收 之数据外，并整合展示台北市政府各部门相关气象、水文数据，系统具有 WEBGIS 功 能，可以实时透过 Internet 连结显示水情数据，使用者透过浏览器即可实时观看、 监控最新水情讯息，水情展示系统执行画面如图 7 所示；系统具备之功能包括： c使用者管理本系统一经启动需先经过使用者账号及密码确认之后即可进入本系统，否则即无 法进入本系统，一经登入本系统之后，将依使用者权限之不同，而区分为不同的使用者可执行之功能范围及操作屏幕画面。电子地图查询WebGis 图形化浏览画面，可提供使用者应用 GIS 功能，查询水位站、雨量站、流 量站以及 CCTV 站基本数据及其实时水文信息等。分区总览 利用分区总览，提供使用者依据不同需求迅速掌握水情信息，提供四种分区总览功能：行政区分区总览、易积水地区分区总览、山区径流分区总览以及抽水站系统分 区总览。分站数据查询 主要供使用者了解水位监测站及流量监测站之详细信息，主窗口显示水位站、流量站之地理位置平面图及其详细基本数据，副窗口则列有水位站、流量站现场图、指 定查询时间内水文信息及水文历线图、监测站工作状态等。水文历线图水文历线图包括水位历线及雨量组体图，并以动态方式自动更新显示，实时 以动态之图形显示让使用者了解雨水下水道、抽水站、河川等水位信息及雨量之变化 情形。水位变化纵、横断面图 水位变化横断面图有助于使用者容易判读目前监测之水位与雨水下水道管底、管顶以及地面高程间的相对关系；而雨水下水道系统中具上下游关系之水位站水位变化 纵断面图，则有助使用者了解监测之水位于雨水下水道中之水位剖面线变化。 i气象卫星云图、雷达回波图显示整合气象局之卫星云图、雷达回波图等信息进行展示，透过二维平面云层及其雷 达波图形显示，并配合所设置之雨量站信息，可以让使用者实时掌控都市降雨量之变化。抽水站信息展示将抽水站监控之信息，应用图形化接口展示，让使用者可以轻易掌握抽水站内、外水位、闸门开度以及抽水机启闭等信息。影像监视控制及展示整合影像监视站之操作接口，使用者可进行摄影机远程遥控、实时影像观看、历史影像播放以及摄影机录像状态等功能之操作。水情历史监测数据查询功能 利用时间、监测站或以数据类型作为查询条件，使用者可查询各项历史水情资料。图 7 WWW 水情展示系统执行画面2.积水地区预警可设定多重警戒值，当水位、流量或雨量到达警戒值时，系统会自动发出预警手 机简讯给相关权责人员，透过简讯即可了解超出警戒值之水文站名称、水文量以及所 超出的警戒等级，让相关权责人员可以掌握事件发生之第一时间，及时采取应变措 施。于警戒事件发生时，水情展示系统之浏览画面会产生警告讯息，如遇灾害发生时， 亦可以经由网页查询紧急联络人之联络电话，以紧急处理救灾等相关事宜。3.积水原因探讨 根据监测成果探讨实际积水原因并研拟有效改善方案，台北市文山区、南港区、成功区以及内湖区，即透过水位监测成果，了解实际积水产生可能之原因，有益于研拟积水地区排水系统之改善方案；于暴雨发生时期，亦能更有效地掌握该地区可能产 生积水之状况。4.提供水理分析模式验证 台北市双园抽水系统、玉成抽水系统已经应用实际监测数据做为水理分析模式之边界条件设定、参数率定、水位模拟等工作，增加水理分析模式之准确性，让积水模拟的工作更能反映真实现况。5.水位预报 开发建置市区雨水下水道水位预测模式，配合现况降雨以及雨水下水道之水位值，实时预测未来会发生之雨水下水道水位值。将应用于台北市玉成抽水站系统，预测该系统上、中、下游共 12 个水位监测站之未来 5、10、20、甚至30分钟的水位值， 供使用者参考，若实际执行成效良好，将进一步提供玉成抽水站操作之参考。四、台北市雨水下水道监测系统未来展望台北市政府近几年来花费许多心力在雨水下水道维护管理上，已经完成雨水下水道管线调查工作，并将各项调查之基本数据以 GIS 型态储存于数据库中；并应用所调查之数据进行台北市各集水区之水理分析工作，以了解现有之雨水下水道系统容量是 否充足，并提出改善方案。为了维护管理之需要，台北市建立了雨水下水道 GIS 系统， 包括因特网积水预报系统以及管线维护管理系统。而雨水下水道监测系统旨在实时 收集降雨期间所发生之雨水下水道水位、雨量记录，除能提供易积水地区实时监测预 警外，亦可提供水理分析检讨验证参数、水位预测研究等用途。结合雨水下水道监测系统与雨水下水道 GIS 系统，台北市未来将继续发展下面几项工作：1. 防洪排水预报系统2. 雨量雷达监测降雨远程操控系统3. 排水设施运转支持系统4. 提升雨水下水道设计标准5. 划定积水潜势区推动洪灾保险 透过丰富的雨水下水道相关水文、地文情报以及先进之雨水下水道维护管理系统，可以有效率地掌握雨水下水道最新情报，进行维护管理之工作。台北市雨水下水道维护管理之展望如图 8 所示。图 8 台北市雨水下水道维护管理之展望为完成上述之目标，计划先以发展建置完善之水灾预报系统为中期进程，其推动 之步骤如下：1.先行建设监测系统；2.发展水文预测系统；3.建置水灾决策支持系统；4.建置水灾预警系统；5.建置完善水灾预报系统。