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研究生： 陳沛然
Pei-Zan Chen
論文名稱： 應用資料探勘技術於山岳隧道廢水水量、水質之推估與應用
Predicting and applying of quantity and quality of wastewater in the rock tunnel-using data mining technique
指導教授： 呂守陞
Sou-Sen Leu
口試委員: 廖萬里
Wan-Li Wan
劉志成
Jhy-Chern Liu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 174
中文關鍵詞： 水量 、懸浮固體 、資料探勘 、廢水處理廠 、山岳隧道
外文關鍵詞： Rock Tunnel, Groundwater, Suspended Solid, Data Mining, Sewage Plant
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    • 台灣本島因丘陵地佔了三分之一，故隧道為不可或缺的交通建設，隧道工程也漸漸成為國家重大工程建設的關鍵項目之一。但因台灣地層含水豐富，使得隧道在開挖過程當中，會破壞岩層與水壓力的平衡狀態，產生或多或少的湧水。這些地層水，再經過隧道各種施工作業的污染，使原水變濁，成為高懸浮固體及高鹼度之廢水，此廢水若未經妥善處理，而排放至附近河川，易影響鄰近生態環境。而廢水未經妥善處理的原因為，對廢水來源之探討不足、隧道廢水處理廠維護保養不足及緊急應變措施無法落實。
    有鑑於此，本研究以雪山隧道為例，來探討廢水水量與水質來源，並結合資料探勘的技術，建構隧道水量與水質的推估經驗模式，目的在於可做為隧道廢水廠的建廠參考、維護保養時間的訂定、加藥量參考及提前預測突發湧水的產生，最終目標為期望隧道施工所產生的廢水，皆能經由妥善處理後，再行排放，以避免造成環境衝擊。

    The construction of tunnels becomes one of the most important engineering construction in our country. As wolds share one third of Taiwan Island, therefore, the construction of tunnels cannot be neglected, so as to improve the transportation.
    However, the balance of rock layers and water pressure will be destroyed during the process of digging rock tunnels, some of the groundwater will well out as the rock layer is rich in water. The pollution caused by the constructive work will turn the groundwater into turbid water, then it will become wastewater which contain a high degree of suspended solid and alkali. If the wastewater has not been treated properly, it will be drained from the tunnel to nearby lakes and rivers, and will cause environmental pollution.
    The failure in treating the wastewater was mainly due to the following reasons: The sewage plant is lacking in the investigation of the source, maintenance of manage system, the experience in dealing urgent cases etc.
    According to the problems mentioned from the above, we will investigate the technique of date mining by using Hsuehshan Tunnel as an example, in order to build up the experience in predicting the quantity and quality of the wastewater.
    This project is intended for sewage plant as a reference. It timed the maintenance of the system, provided concentration of suspended solid so as to make proper use of PAC, predicted the occurrence of the well up groundwater.
    To prevent environmental pollutions, the wastewater caused by the construction of tunnels should be treated properly before drain it away. This project was set up with the aim of achieving this goal.

    中文摘要……………………………………………………...Ⅰ 英文摘要……………………………………………………...Ⅱ 誌謝…………………………………………………………...Ⅲ 目錄…………………………………………………………...Ⅳ 圖目錄………………………………………………………. Ⅶ 表目錄………………………………………………………...Ⅸ 第一章 緒論………………………………………………....1-1 1.1 研究動機與目的………………………………………………..1-1 1.2 研究範圍與內容………………………………………………..1-3 1.3 研究方法與步驟………………………………………………..1-4 第二章　文獻回顧……...…………………………………...2-1 2.1 岩石隧道地質因素對出水量影響之探討……………………..2-1 2.1.1 隧道湧水量評估方法…………………………………...2-3 2.1.2 水文及地質因素………...………………………………2-7 2.2 施工作業對隧道廢水水質影響之探討………………………2-13 2.3資料探勘……………………………………………………….2-16 2.3.1 資料探勘之功能……………………………………….2-18 2.3.2 資料探勘分析流程…………………………………….2-21 2.3.3 資料探勘技術………………………………………….2-22 2.4 小結……………………………………………………………2-25 第三章 資料處理與研究方法介紹…………………………3-1 3.1 資料蒐集………………………………………………………..3-1 3.1.1 水量及影響因子基本資料……………………………...3-1 3.1.2 水質及影響因子基本資料……………………………...3-2 3.2 資料前處理……………………………………………………..3-3 3.2.1 水量推估經驗模式之輸出入參數選擇………………...3-5 3.2.2 水量推估經驗模式之輸出資料表現…………………...3-9 3.2.3 水質推估經驗模式之輸出入參數選擇……………….3-12 3.2.4 水質推估經驗模式之輸入資料表現………………….3-21 3.3 資料探勘工具之選擇…………………………………………3-23 3.3.1 多元線性迴歸………………………………………….3-23 3.3.2 多類別邏輯迴歸分析………………………………….3-25 3.3.3 決策樹C4.5…………………………………………….3-27 3.4 小結……………………………………………………………3-29 第四章 水量推估經驗模式建立……………………………4-1 4.1 出水量之基本統計……………………………………………..4-3 4.2 多元線性迴歸分析……………………………………………..4-3 4.2.1 多元線性迴歸初步模式建構…………………………...4-3 4.2.2 參數縮減及迴歸模式重新建構………………………...4-4 4.3 多類別邏輯迴歸分類分析……………………………………..4-7 4.3.1 多類別邏輯迴歸初步分類模式建構…………………...4-8 4.3.2 參數縮減及模式重新建構……………………………...4-9 4.4 決策樹C4.5分類分析………………………………………...4-14 4.4.1 決策樹C4.5初步分類模式建構………………………4-15 4.4.2 參數縮減及模式重新建構…………………………….4-16 4.5 敏感度分析……………………………………………………4-20 4.6 綜合評估………………………………………………………4-27 第五章 水質推估經驗模式建立……………………………5-1 5.1 懸浮固體之基本統計…………………………………………..5-3 5.2 多元線性迴歸分析……………………………………………..5-3 5.2.1 多元線性迴歸初步模式建構…………………………...5-3 5.2.2 參數縮減及迴歸模式重新建構………………………...5-4 5.3 多類別邏輯迴歸分類分析……………………………………..5-7 5.3.1 多類別邏輯迴歸初步分類模式建構…………………...5-9 5.3.2 參數縮減及模式重新建構…………………………….5-10 5.4 決策樹C4.5分類分析………………………………………...5-14 5.4.1 決策樹C4.5初步分類模式建構………………………5-15 5.4.2 參數縮減及模式重新建構…………………………….5-15 5.5 敏感度分析……………………………………………………5-17 5.6 綜合評估………………………………………………………5-25 第六章 水量與水質推估經驗模式之應用…………………6-1 6.1 推估經驗模式之應用要點與建構流程………………………..6-1 6.1.1 推估經驗模式之應用要點……………………………...6-1 6.1.2 推估經驗模式之建構流程……………………………...6-4 6.2 推估經驗模式於廢水處理廠設備維護保養之應用…………6-10 6.2.1 水量與水質推估模式應用於設備維護……………….6-10 6.2.2 推估經驗模式應用範例說明………………………….6-14 6.3 水量推估經驗模式於水量突增之應用………………………6-21 6.4 小結……………………………………………………………6-25 第七章 結論與建議…………………………………………7-1 7.1 結論……………………………………………………………..7-1 7.2 建議……………………………………………………………..7-3 參考文獻…………………………………………………….A-1 附錄一 湧水量之評估方法………………………………...B-1 附錄二 隧道施工中地質調查項目說明…………………...C-1 圖目錄 圖1.1 研究架構與流程……………………………………………….1-7 圖2.1 開挖面水量湧入示意圖……………………………………….2-4 圖2.2 側壁水量湧入示意圖………………………………………….2-4 圖2.3 傾角及傾向示意圖…………………………………………...2-10 圖2.4 資料探勘囊括之學門………………………………………...2-17 圖2.5 資料探勘處理機制…………………………………………...2-18 圖2.6 資料探勘流程………………………………………………...2-22 圖3.1 資料前置處理流程…………………………………………….3-5 圖3.2 雪山隧道北口廢水廠廢水處理流程………………………...3-17 圖3.3 機率值(P)的顯著與不顯著區間圖…………………………..3-26 圖3.4 典型決策樹…………………………………………………...3-27 圖4.1 出水量推估經驗模式建構流程……………………………….4-2 圖4.2 出水量資料分佈圓餅圖……………………………………….4-3 圖4.3 水量分類次數直方圖………………………………………….4-8 圖4.4 盒形圖-開挖面覆土深度……………………………………..4-22 圖4.5 盒形圖-洞口至開挖面斷層及斷層帶累積組數……………..4-22 圖4.6 盒形圖-洞口至開挖面其他不連續面累積組數……………..4-23 圖4.7 盒形圖- RMR為1∼20的累積開挖深度……………………4-24 圖4.8 盒形圖- RMR為21∼40的累積開挖深度…………………..4-25 圖4.9 盒形圖- RMR為41∼60的累積開挖深度………………….4-26 圖4.10 分類樹-水量推估經驗模式…………………………………4-29 圖5.1 水質推估經驗模式建構流程………………………………….5-2 圖5.2 懸浮固體資料分佈圓餅圖…………………………………….5-3 圖5.3 懸浮固體分類次數直方圖…………………………………….5-8 圖5.4 盒形圖-前一日洞口出水量…………………………………..5-19 圖5.5 盒形圖-防水作業施作與否…………………………………..5-20 圖5.6 盒形圖-炸藥用量……………………………………………..5-21 圖5.7 盒形圖-出渣數量……………………………………………..5-22 圖5.8 盒形圖-管線廊道及排水溝混凝土澆置數量………………..5-23 圖5.9 盒形圖- RMR為1∼20的累積開挖深度……………………5-24 圖5.10 分類樹-水質推估經驗模式…………………………………5-27 圖6.1 不同階段推估經驗模式之應用要點與說明………………….6-3 圖6.2 推估模式建構流程…………………………………………….6-7 圖6.3 推估經驗模式應用於設備維護保養………………………...6-13 圖6.4 進流水水量突增應變流程…………………………………...6-24 表目錄 表2.1 隧道湧水紀錄表……………………………………………….2-2 表2.2 評估湧水量之參數整理…………………………………...…..2-6 表2.3 隧道深度與湧水量關係……………………………………...2-13 表2.4 隧道施工之廢水來源………………………………………...2-14 表2.5 營建工地放流水標準………………………………………...2-15 表2.6 雪山隧道水質檢驗…………………………………………...2-15 表2.7 資料探勘之定義……………………………………………...2-17 表2.8 不同情況資料探勘之使用功能……………………………...2-21 表3.1 水量及其影響因素資料蒐集………………………………….3-2 表3.2 水質及其影響因素資料蒐集………………………………….3-3 表3.3 水量與雨量之相關係數……………………………………….3-7 表3.4 水量推估模式原始資料及採用參數表……………………….3-7 表3.5 水量推估模式輸出入參數表………………………………….3-8 表3.6 不連續面種類參數定義表…………………………………...3-10 表3.7 不連續面開口程度定義表…………………………………...3-10 表3.8 不連續面間距定義表………………………………………...3-10 表3.9 不連續面走向及傾向定義表………………………………...3-11 表3.10 岩體種類定義表…………………………………………….3-11 表3.11 地深分類定義表……………………………………………..3-11 表3.12 RMR分類表及採用參數定義表…………………………….3-12 表3.13 斷層、斷層帶及其他不連續面參數定義表………………...3-12 表3.14 瓶杯實驗結果……………………………………………….3-14 表3.15 實際多元氯化鋁調整量計算……………………………….3-16 表3.16 水質推估模式原始資料及採用參數表…………………….3-19 表3.17 水質推估模式輸出入參數表……………………………….3-20 表3.18 不連續面持續性定義表…………………………………….3-21 表3.19 數值型之施工參數………………………………………….3-22 表3.20 拆模清理與移模定位作業參數定義……………………….3-22 表3.21 防水作業參數定義………………………………………….3-22 表3.22 鋼筋作業參數定義………………………………………….3-23 表3.23 水文因素輸入參數定義表………………………………….3-23 表3.24 C4.5與多類別邏輯迴歸分析之優缺點……………………..3-29 表4.1 虛擬變項轉換………………………………………………….4-4 表4.2 多元線性迴歸初步分析結果………………………………….4-4 表4.3 多元線性迴歸參數顯著性分析結果………………………….4-6 表4.4 參數縮減後重新進行多元線性迴歸分析…………………….4-7 表4.5 出水量分類定義……………………………………………….4-8 表4.6 多類別邏輯迴歸訓練範例分類結果………………………….4-9 表4.7 多類別邏輯迴歸測試範例…………………………………….4-9 表4.8 多類別迴歸分析參數顯著性分析結果……………………...4-12 表4.9 參數縮減後多類別邏輯迴歸訓練範例分類結果…………...4-13 表4.10 參數縮減後多類別邏輯迴歸測試範例分類結果………….4-13 表4.11 參數共線性檢定…………………………………………….4-14 表4.12 C4.5訓練範例分類結果….………………………………….4-15 表4.13 C4.5測試範例分類結果……………………………………..4-15 表4.14 Gain Ratio參數選擇…………………………………………4-18 表4.15 參數縮減後C4.5訓練範例分類結果………………………4-19 表4.16 參數縮減後C4.5測試範例分類結果………………………4-19 表4.17 參數敏感度分析…………………………………………….4-20 表4.18 其他不連續面組數分類表………………………………….4-23 表4.19 RMR為1∼20的累積開挖深度分類…………………….…4-24 表4.20 RMR為21∼40的累積開挖深度分類表……………………4-25 表4.21 出水量推估模式分析結果………………………………….4-27 表4.22 C4.5建構模式驗證………………………………………….4-28 表5.1 多元線性迴歸初步分析結果………………………………….5-4 表5.2 多元線性迴歸參數顯著性分析結果………………………….5-6 表5.3 參數縮減後重新進行多元線性迴歸分析…………………….5-7 表5.4 懸浮固體分類定義…………………………………………….5-8 表5.5 多類別邏輯迴歸訓練範例分類結果………………………...5-10 表5.6 多類別迴歸分析參數顯著性分析結果……………………...5-12 表5.7 參數縮減後多類別邏輯迴歸訓練範例分類結果…………...5-13 表5.8 參數縮減後多類別邏輯迴歸測試範例分類結果…………...5-13 表5.9 參數共線性檢定……………………………………………...5-14 表5.10 C4.5訓練範例分類結果……………………………………..5-15 表5.11 C4.5測試範例分類結果……………………………………..5-15 表5.12 Gain Ratio參數選擇…………………………………………5-16 表5.13 參數縮減後C4.5訓練範例分類結果……………………….5-17 表5.14 參數縮減後C4.5測試範例分類結果……………………….5-17 表5.15 參數敏感度分析…………………………………………….5-18 表5.16 炸藥用量分類表…………………………………………….5-21 表5.17 出渣數量分類表…………………………………………….5-22 表5.18 管線廊道及排水溝混凝土澆置數量分類表……………….5-23 表5.19 RMR為1∼20的累積開挖深度分類表…………………….5-24 表5.20 水質推估模式分析結果…………………………………….5-25 表5.21 水質建構模式驗證………………………………………….5-26 表6.1 建構水量推估模式之資料蒐集……………………………….6-8 表6.2 建構水質推估模式之資料蒐集……………………………….6-9 表6.3 pH感測器保養資訊…………………………………………...6-14 表6.4 開挖面及側壁假設地質資訊………………………………...6-15 表6.5 未進行施工前的假設地資資訊……………………………...6-16 表6.6 出水量分類範圍……………………………………………...6-17 表6.7 實際水量與預測水量紀錄表………………………………...6-17 表6.8 施工及地質資訊……………………………………………...6-19 表6.9 懸浮固體分類範圍……………………………………….......6-20 表6.10 預測懸浮固體紀錄表……………………………………….6-20 附表1.1 湧水量評估方法之適用性………………………………….B-1 附表1.2 湧水量評估方法之公式歸納……………………………….B-2 附表1.3 湧水量評估方法…………………………………………….B-3 附表2.1 不連續面種類介紹………………………………………….C-1 附表2.2 CSIR岩體分類法考慮之因素………………………………C-2 附表2.3 CSIR岩體分類表之分類項目與評分………………………C-2 附表2.4 Bieniawski岩體評分-不連續面位態對隧道之評估標準…..C-3 附表2.5 RMR總評分區分岩體………………………………………C-3

    期刊部分
    【李振誥，1998】李振誥、李宏徹、黃崇琅、林碧山，「岩體隧道滲流量之預測：以坪林隧道為例」，中國土木水利工程學刊，第十卷，第四期，pp.595-604 ，1998
    【耿慶志，1995】耿慶志，「隧道施工湧水評估之半解析法」，地工技術雜誌，第52期，pp.95-102，1995
    【陳昭旭，2001】陳昭旭、李振誥，「隧道湧水災害之水文地質調查及其防治處理措施」，地工技術，第87期，pp.81-92，2001
    【陳瑤玲，2001】陳瑤玲，「營建廢水處理原則及規劃設計(一)」，榮民報導，第1862期，第六版，2001
    【黃俊鴻，2000】黃俊鴻、許尚逸，「隧道施工湧水量之評估」，土木工程技術、第四卷，第二期，pp.89~105，2000
    【DB2資訊月刊，1996】DB2資訊月刊 譯，原著：Peter Gwynne，「用資料挖採技術讓廢紙變成寶藏(1)」，DB2資訊月刊第五期，1996

    書籍部分
    【王濟川等，2003】王濟川、郭志剛，「Logistic迴歸模型:方法及應用」，五南圖書出版公司，2003
    【邱皓政，2004】邱皓政，「量化研究與統計分析」，五南圖書出版公司，2004
    【林惠玲，2000】林惠玲、陳正倉，「應用統計學」，雙葉書廊，2000
    【林傑斌，2002】林傑斌、陳湘、劉明德，「SPSS 11統計分析實務設計寶典」，博碩文化，2002
    【林真真等，1990】林真真、鄒幼涵，「迴歸分析」，華泰書局，1990
    【洪如江，2002】洪如江，「初等工程地質學大綱」，財團法人地工技術研究發展基金會，2002
    【陳建勝等，2002】陳建勝、呂兆文、陳美菁、朱瑞淵、呂明哲，「統計學-商業與管理的應用」，智高文化事業有限公司，2002
    【彭文正，2001】彭文正 譯，原著：Michael J.A. Berry, and Gordon Linoff，「資料探勘：顧客關係管理暨電子行銷之應用」，數博網資訊股份有限公司，維科初版社，2001
    【曾龍，2003】曾龍，原著：Jiawci Han Micheline Kamber，「資料探礦：概念與技術」，維科圖書有限公司，2003
    【潘桂南，1995】潘桂南，「隧道工程之理論與實務」，榮工技術叢書十三，1995
    【CDMS編輯群，2002】CDMS編輯群，「資料採礦方法簡介」，中華資料採礦協會六月刊，2002

    論文部分
    【李珮榕，2003】李珮榕，「以資料採礦技術分析大台北地區保單貸款」，國立政治大學統計研究所碩士論文，2003
    【林聖峰，1998】林聖峰，「類神經網路於隧道開炸作業上之應用」，國立台灣科技大學營建工程研究所碩士論文，1998
    【邱碗鈞，2003】邱碗鈞，「C4.5分類演算法之屬性選取原則評估研究」，元智大學工業工程與管理學系碩士論文，2003
    【洪浩原，1999】洪浩原，「破裂岩體隧道滲流之研究」，成功大學資源工程研究所碩士論文，1999
    【張瑋倫，2000】張瑋倫，「應用資料挖掘學習方法探討顧客關係管理問題」，輔仁大學資訊管理學系碩士論文，2000
    【張龍均，2001】張龍均，「山岳隧道湧水處理之研究」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，2001

    研究報告
    【中興工程顧問社，1993】中興工程顧問社，「坪林隧道導坑地下水問題評估初步結果摘要」，1993
    【公共工程委員會，2001】行政院公共工程委員會，「台灣地區隧道岩體分類系統暨隧道工程資料庫之建立第二期」， 2001
    【高橋彥治，1962】高橋彥治，「トンネル湧水量関する應用地質学的考察」，鐵研報告，pp.279，1962
    【曾迪華等，2001】曾迪華，「隧道工程廢(污)水處理之研究」，國立中央大學環境工程研究所，2001
    【榮民工程，2000】榮民工程公司，「雪山隧道西口廢水廠基本計畫書」，2000
    【榮民工程，2003】榮民工程公司，「雪山隧道北口廢水廠原水質檢測」，2003
    【聯合工程顧問，1998】聯合大地工程顧問股份有限公司，「東部鐵路改善工程北迴鐵路雙軌計畫新永春隧道新建工程N8K+058處突發性湧水崩塌背景說明」，1998
    【環境保護署，2003】行政院環境保護署，「營造業放流水標準」，2003

    英文部分
    【Barton et al.,1985】Barton, N., Bandis, S., and Bakhtar, K., “Strength, Deformation and Conductivity Coupling of Rock Joints”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,Vol. 22, No. 3, pp.121-140,1985.
    【Bieniawski,1979】Bieniawski, Z. T. “The Geomechanics Classification in Rock Engineering Applications”,Proc.Intl.Cong.Rock Mech. Montreux 2,1979
    【Berson et al.,2000】Berson, A., Smith, S. and Thearling, K., “Building Data Mining Application”,for CRM, New York, McGraw-Hill Inc., 2001.
    【Hall,1995】Hall, C. ed., “The Devils in The Details: Techniques, Tools, and Application for Database Mining and Knowledge Discovery Part 1”, Intelligent Software,1995
    【Harrel,1985】Harrel, F.E.and Lee, K.L.“A Comparison of the Discrimination of Discriminant Analysis and Logistic Regression
    under Multivariate Normality”,Statistics in Biomedical，Public
    Health and Environmental Sciences,Sen,P.K.ed.,Amsterdam,1985
    【Quinlan,1993】Quinlan, J.R., “C4.5:Programs for Machine Learning”,Morgan Kaufmann, San Mateo,CA,1993
    【Raaen et al.,1999】Raaen, A. M., Skomedal, E., Kjorholt, H., Markestad P. and Okland,D., “Stress Determination from Hydraulic Fracturing Tests: The System Stiffness approach” ,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 38, No. 1, pp.529-541,2001.
    【Shen et al.,1997】Shen, B., and Barton, N., “The Disturbed Zone Around Tunnels in Jointed Rock Masses”,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol.34, No.1, pp.117-125,1997.
    【Skempton,1966】Skempton,A.W. “Some Observations on Tection Shear Zone”,Proc.1st Congr.Rock Mech.,Lisbon,1:329-335,1966.
    【Tambo et al.,1998】Tambo, N. and T. Kamei, “Coagulation and Flocculation on Water Quality Matrix”, Water Science and Technology, Vol.37, No.10, pp.31-41,1998.
    【Wei,1995】Wei, Z. Q., Egger, P. and Descoeudres, F., “Permeability Predictions for Jointed Rocked Masses” ,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 32,No. 3, pp. 251-261, 1995.
    【Zhang et al.,1993】Zhang, L. and Franklin, J. A., “Prediction of Water Flow into Rock Tunnels: An Analytical Solution Assuming An Hydraulic Conductivity Gradient”,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 30, No. 1, pp.37-46, 1993.

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