Study on the Rainfall-Runoff Relationship of FuShan Experimental Watershed No.1 by HEC-1 Flood Hydrograph Package

本研究以林業試驗所福山研究中心一號試驗集水區為試驗地，應用HEC-1水文模式，選用模式提供之運動波法，為逕流歷線演算的方法。目的在於探討福山一號集水區之降雨－逕流關係與模式對小面積集水區之適用性。在2002年至2006年的觀測降雨量及水位資料中，挑選8場單峰型態降雨事件為模式參數檢定基準，並以11場近似單峰降雨型態降雨事件，以及雷馬遜颱風、辛樂克颱風、敏督利颱風、艾利颱風、納坦颱風、碧利斯颱風、寶發颱風與珊珊颱風等8場颱風期間降雨事件，進行模式驗證。 根據觀測資料所作之降雨－逕流歷線圖，發現幾乎在所有的降雨事件中，降雨幾乎立即反應成為渠道逕流輸出；換言之，如福山一號集水區這樣植被覆蓋良好、人為干擾甚低的集水區，對洪峰逕流量與渠道逕流輸出量的減緩效果，應不能被過分強調。 經由模式模擬結果發現，模擬結果僅能顯現降雨事件之降雨逕流歷線特徵，而利用洪峰流量誤差百分比、洪峰到達時間誤差及總逕流體積誤差百分比三個目標函數驗證模式之結果，顯示此27場降雨事件之洪峰流量誤差百分比均異常偏高（平均值：1292.5%），雖然對於8場單峰型態降雨事件及11場近似單峰型態降雨事件，其洪峰到達時間誤差與總逕流體積誤差百分比的驗證結果，顯示模式模擬結果尚稱良好；但8場颱風期間降雨事件中，有3場的洪峰到達時間誤差顯示洪峰提早到達，而有過半場次之總逕流體積誤差百分比超過100%。 由於模式模擬結果之目標函數驗證結果不佳，故HEC-1水文模式不適合於福山一號集水區之降雨－逕流關係的模擬。This study was to probe the rainfall-runoff relationships of FuShan Experimental Watershed No. 1 (FS1) of Taiwan Forestry Research Institute (TFRI). HEC-1 model based on the Kinematic wave method was used to calculate runoff hydrograph, that compare to the observed runoff hydrograph, to examine whether HEC-1 would be applicable to small watershed or not. Among the collected rainfall-runoff data at FS1 during 2002 to 2006, 8 rainfall-runoff cases with single-peaked hyetograph were chosen to calibrate the input parameters of HEC-1 model. Also, another 11 rainfall-runoff cases with similarly single-peaked hyetograph and 8 typhoon cases, namely Rammasun, Sinlaku, Mindulle, Aere, Nock-Ten, Bilis, Bopha, and ShanShan, were used to verify the reliability of the input parameters. From the collected rainfall-runoff data analysis, we found that the rainfall would immediately turn into runoff in most of the hydrological cases. In other words, the hydrological function of water conservation at FS1 should not be over emphasized considering the rapid change from rainfall to runoff in this area. The simulation results done based on HEC-1 model only demonstrated the characteristics of rainfall-runoff hydrograph of all the hydrological cases. However, if we use 3 target functions, Error of Peak Discharge (EQP), Error of Time to Peak (ETP), and Error of Total Runoff Volume (EV), to evaluate the simulation results, it shows that the values of EQP of all the 27 rainfall-runoff cases are exceptionally high (Avg. 1292.5%). Although the values of ETP and EV did not show negative results for the 8 rainfall-runoff cases with single-peaked hyetograph and the 11 rainfall-runoff cases with similarly single-peaked hyetograph, still 3 out of the 8 typhoon cases indicate an early timing of peak discharge. Besides, more than half of the 8 typhoon cases appear that the total runoff volume are over 100%. According to the results of the 3 target functions are quite convincing, we could conclude that HEC-1 model is not a proper model to simulate the rainfall-runoff relationships of FS1.目 錄 中文摘要 i Abstract ii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 ix 壹、前言 1 貳、前人研究 3 參、試驗地概況 6 一、地理位置 6 二、地質土壤環境 6 三、氣候及水文特性 6 四、植被概況 7 五、福山一號試驗及水區地形參數 7 肆、研究方法 11 一、HEC-1水文模式簡介 11 （一）概述 11 （二）模式理論架構 12 二、水文資料收集 24 （一）降雨資料收集 24 （二）降雨場次選取 24 （三）逕流資料收集 25 （四）河川演算 25 三、地文參數之計算 27 （一）漫地流長度 27 （二）漫地流糙度係數 27 （三）渠道粗糙係數 28 四、水文參數之計算 30 五、模式檢定與驗證 31 伍、結果與討論 33 一、雨量資料整理 33 二、選取降雨事件基本特性 34 三、集水區模式演算參數 37 四、模擬結果 38 五、討論 69 陸、結論 71 柒、參考文獻 73 圖目錄 圖3-1 林試所福山研究中心位置圖 8 圖3-2 福山一號試驗集水區位置圖 9 圖3-3 福山一號集水區地形圖 10 圖4-1 漫地流、集流渠道及主流渠道關係示意圖 19 圖4-2 有限差分法空間及位置網格示意圖 23 圖4-3 福山一號量水堰設計圖 26 圖4-4 HEC-1歷線基流分離示意圖 31 圖5-1.1 2002.07.17 降雨逕流歷線圖 39 圖5-1.2 2002.07.17 HEC-1模擬結果 39 圖5-2.1 2002.09.16 降雨逕流歷線圖 40 圖5-2.2 2002.09.16 HEC-1模擬結果 40 圖5-3.1 2003.04.04 降雨逕流歷線圖 41 圖5-3.2 2003.04.04 HEC-1模擬結果 41 圖5-4.1 2003.05.06 降雨逕流歷線圖 42 圖5-4.2 2003.05.06 HEC-1模擬結果 42 圖5-5.1 2003.06.14 降雨逕流歷線圖 43 圖5-5.2 2003.06.14 HEC-1模擬結果 43 圖5-6.1 2004.05.18 降雨逕流歷線圖 44 圖5-6.2 2004.05.18 HEC-1模擬結果 44 圖5-7.1 2004.08.17 降雨逕流歷線圖 45 圖5-7.2 2004.08.17 HEC-1模擬結果 45 圖5-8.1 2005.07.07 降雨逕流歷線圖 46 圖5-8.2 2005.07.07 HEC-1模擬結果 46 圖5-9.1 2002.09.17 降雨逕流歷線圖 48 圖5-9.2 2002.09.17 HEC-1模擬結果 48 圖5-10.1 2002.10.11 降雨逕流歷線圖 49 圖5-10.2 2002.10.11 HEC-1模擬結果 49 圖5-11.1 2003.05.15 降雨逕流歷線圖 50 圖5-11.2 2003.05.15 HEC-1模擬結果 50 圖5-12.1 2003.06.16 降雨逕流歷線圖 51 圖5-12.2 2003.06.16 HEC-1模擬結果 51 圖5-13.1 2004.06.09 降雨逕流歷線圖 52 圖5-13.2 2004.06.09 HEC-1模擬結果 52 圖5-14.1 2004.06.22 降雨逕流歷線圖 53 圖5-14.2 2004.06.22 HEC-1模擬結果 53 圖5-15.1 2004.08.01 降雨逕流歷線圖 54 圖5-15.2 2004.08.01 HEC-1模擬結果 54 圖5-16.1 2006.05.10 降雨逕流歷線圖 55 圖5-16.2 2006.05.10 HEC-1模擬結果 55 圖5-17.1 2006.05.23 降雨逕流歷線圖 56 圖5-17.2 2006.05.23 HEC-1模擬結果 56 圖5-18.1 2006.07.10 降雨逕流歷線圖 57 圖5-18.2 2006.07.10 HEC-1模擬結果 57 圖5-19.1 2006.08.18 降雨逕流歷線圖 58 圖5-19.2 2006.08.18 HEC-1模擬結果 58 圖5-20.1 2002.07.03 降雨逕流歷線圖 61 圖5-20.2 2002.07.03 HEC-1模擬結果 61 圖5-21.1 2002.09.05 降雨逕流歷線圖 62 圖5-21.2 2002.09.05 HEC-1模擬結果 62 圖5-22.1 2004.06.30 降雨逕流歷線圖 63 圖5-22.2 2004.06.30 HEC-1模擬結果 63 圖5-23.1 2004.08.23 降雨逕流歷線圖 64 圖5-23.2 2004.08.23 HEC-1模擬結果 64 圖5-24.1 2004.10.24 降雨逕流歷線圖 65 圖5-24.2 2004.10.24 HEC-1模擬結果 65 圖5-25.1 2006.07.12 降雨逕流歷線圖 66 圖5-25.2 2006.07.12 HEC-1模擬結果 66 圖5-26.1 2006.08.08 降雨逕流歷線圖 67 圖5-26.2 2006.08.08 HEC-1模擬結果 67 圖5-27.1 2006.09.15 降雨逕流歷線圖 68 圖5-27.2 2006.09.15 HEC-1模擬結果 68 表目錄 表3-1 福山一號試驗集水區地形參數表 10 表4-1 美國NEH-4土壤分類表 15 表4-2 不同土壤、土地利用、臨前水文條件，Ia＝0.2S之曲線數表 16 表4-3 不同臨前水分條件之曲線數互換表 17 表4-4 臨前水分條件判別標準 17 表4-5 福山一號量水堰設計尺寸 26 表4-6 漫地流有效糙度係數 28 表4-7 渠道糙度係數分級表 29 表4-8 渠道糙度係數分級表（續） 30 表5-1 2002-2006福山一號集水區月雨量及日最大降雨量比較 33 表5-2 8場檢定參數用降雨之洪峰逕流係數 35 表5-3 11場驗證參數用降雨之洪峰逕流係數 35 表5-4 8場颱風降雨事件之洪峰逕流係數 35 表5-5 8場檢定參數用降雨之總逕流係數 36 表5-6 11場驗證參數用降雨之總逕流係數 36 表5-7 8場颱風降雨事件之總逕流係數 36 表5-8 福山一號集水區颱風的降雨與逕流的暴雨流出特性 37 表5-9 集水區漫地流參數 37 表5-10 集水區CN值 37 表5-11 集水區基流分離率 37 表5-12 8場單峰型態降雨事件模式檢定與驗證結果 38 表5-13 11場近似單峰降雨型態降雨事件模式檢定與驗證結果 47 表5-14 8場颱風期間降雨事件模式檢定與驗證結果 6