1-1 研究背景與目的
本計畫為整合型研究計畫「都市建設之淹水影響與改善措施評估研究」之總計 畫，並執行整合型計畫之子計畫四「都市雨水下水道功能與改善措施之評估研究」。
本研究計畫之背景與目的說明如後。
1-1.1 背景
台灣人口日益集中於都市，也形成許多新興都市，也擴充都市，或都市中舊社 區更新改善，均有公私建設密集，時常增建及改建，以致不斷的有地形地貌的改變，
及增加不透水面積，也就常改變原有的水流型制(flow regime) ，日益增加淹水災損。
因此已必要針對不斷更新擴充的都市建設，評估對都市淹水及排水的影響，並 依據評估結果，研訂改善措施方案，進而評估改善方案對提升排水設施功能的效益，
以期確實改善都市地區的淹水現象。因此擬進行本整合型研究計畫─都市建設之淹 水影響與改善評估研究。
基於對台灣都市建設及淹水現象之認識，為改善都市淹水現象，在法制面上，
首要的是有一套評估各項建設對淹水水理影響之模式，也需能評估排水設施之功能 及效益。雖然目前已有一些有關淹水及排水的數學模式，但為能應用於評估都市建 設對淹水及排水之影響，應成立整合型研究計畫，加以研發改進：
(1) 研析各種建設對都市地表逕流的影響機制，探討現有相關數學模式之適用 性；
(2) 研發或改進可評估各種建設對都市地表逕流影響之數學模式；
(3) 研究應用評估模式以研訂及評估淹水排水改善措施效益以作為制訂改善方 案之依據。
在都市雨水下水道的建設方面，因都市雨水下水道位於街道下，以收集街道兩 側社區、公園綠地等流進街道之水流，以維持交通順暢並減免淹水災損，因此都市 雨水下水道為都市重要公共建設，大都市的雨水下水道投資可遠超過河流防洪建設
之投資［Linsley,1992］。
目前已有許多都市與水下水道水理模式，大致可分為動力波模式（dynamic wave model），例如 SWMM-EXTRAN 模式（Roesner et al., 1988），ISS 模式（Sevuc and Yen,1982），CAREDAS 模式，UNSTDY 模式，MOUSE 模式，HYDRO-WORKS 模 式（L.W.Mays, 2004）；零慣性波模式（Noninertia Model），例如 HVM 模式，
DAGVL-DIFF 模式（L.W.Mays,2004），NISN 模式（Pagliara.s. , and B.C.Yen , 1997）
等；以及非線性運動波模式（Nonlinear Kinematic Wave Model），例如 USGS 模式、
ILSD-B2，ILSD-B3，WASSP-SIM 模式，SWMM-TRANPORT 模式（L.W.Mays,2004）
等。以上各模式水理背景及數值方法列於表1。
雖然迄今起發展許多雨水下水道系統之水理模式，但在國內目前有所利用的為 SWMM 模式及 Hydro-Works 模式，因此本計畫亦將收集此二模式所曾應用過的重要 案例作一檢討分析，探討其優缺點及適用性，並據以改進研發模式，提供國內都市 與水下水道水理分析之利用。
1-1.2 目的
台灣都市建設不斷更新與擴充，不僅必要評估對淹水及排水的影響，更必要評 估提升排水設施功能的效益，以作為研訂改善都市淹水現象措施方案之依據。本計 畫「都市雨水下水道功能與改善措施之評估研究」之目的為經由檢討目前相關雨水 下水道之功能，以研發改進雨水下水道模式，應用於評估現況雨水下水道之功能，
及改善措施之效益。
1-2 分年預期完成之工作項目及預期執行成果
1-2.1 預期完成工作項目
本計畫原訂擬以三年完成都市建設之淹水影響評估之研究，預期之工作項目如 下：
第一年工作項目(已完成)
1. 整理雨水下水道設計規範。
2. 整理共同研究應用地區之人文、地文及水文資料。
3. 建立地理資訊系統，以利蒐集資料之交換應用。
4. 研發並改進定量流雨水下水道設計模式。
5. 進行定量流雨水下水道設計模之比較。
第二年工作項目(本年度執行項目)
1. 蒐集分析 SWMM-EXTRAN 模式及 Hydro-Works 模式在國內之既有應用案 例。
2. 研發變量流雨水下水道系統水理模式。
3. 進行定量流雨水下水道設計模式與變量流雨水下水道水理模式之比較。
4. 進行變量流雨水下水道水理模式之既有案例模擬比較。
5. 進行變量流雨水下水道水理模式之共同研究案例之初步模擬。
第三年工作項目
1. 進行研究案例實際豪雨之演算。
2. 進行不同模式演算結果之探討比較，以進一步改進模式。
3. 依據演算結果探討雨水下水道設計規範之改善建議。
4. 整理歸納研究成果研定研究區都市雨水下水道改善措施及效益評估。
1-2.2 預期執行成果
第一年預期成果(已完成)
1. 雨水下水道設計規範之彙整。
2. 整合型計畫地理資訊系統之建立。
3. 完成定量流雨水下水道設計模式之建議。
第二年預期成果(本年度預訂成果)
1. 完成 SWMM-EXTRAN 模式及 Hydro-Works 模式國內重要應用案例之比較檢 討。
2. 完成變量流雨水下水道系統水理模式之測試。
3. 完成定量流雨水下水道設計模與變量流雨水下水道水理模之功能比較，以利選 用。
第三年預期成果
1. 完成實際豪與案例之演算。
2. 完成研究模式之改進。
3. 完成雨水下水道設計規範之改善建議。
4. 研定都市建設對淹水影響之改善措施及效益評估方法。
1-3 文獻回顧
雨水下水道是道路下之排水路，將豪雨逕流從街道運送到鄰近的地面排水路或 自然水域，如江河溪澗湖海或人工滯洪區，以避免街道淹水之管路，為一種長涵洞。
涵洞原指橫向穿過道路，與車行方向垂直或斜交，使水流在道路、鐵路或堤防下通 過之水路。雨水下水道與車行方向平行，也稱之為涵洞，並依其斷面形狀區分成箱 涵(box culvert，矩形斷面)與管涵(pipe culvert，圓形斷面)。
典型之雨水下水道研究可分為三類型：水理分析、水工試驗，以及數值模擬演 算模式。
涵洞之水理現象可能受到入口之幾何形狀、涵洞之坡度及斷面形狀與大小、涵 洞內面之糙度、上游水位及尾水狀況等影響，且可因上、下游水位之不同而有管流 型、閘流型、堰流型等三種不同之流動型態[17,18]。
Yen(1986)[42]將雨水下水道依入口(entrance)、出口(exit)及管內水流(pipe flow)，分為三區(region)進行水理分析。
入口處之水流流況如圖1-1a 所示，依入口處之水位與臨界水深區分成：入口未 潛沒(non-submerged entrance)時之亞臨界流入口(case Ⅰ)及超臨界入口(case Ⅱ)、入 口潛沒(submerged entrance)時之閘流型(case Ⅲ)及潛沒滿管流(case Ⅳ)等四種流況。
閘流型之管內前端可能形成空氣袋(air pocket)，即入口段有自由液面產生。case Ⅰ
受下游控制，case Ⅱ受上游控制，case Ⅲ可為亞臨界流況、超臨界流況或過渡 (transitional)流況。
出口處之水流流況如圖1-1b 所示，依入口處之水位區與臨界水深分成：出口 未潛沒(non-submerged exit)之自由跌流(case A)、連續流(case B)及水躍(case C)，以 及出口潛沒(submerged exit)之滿管出流(case D)等四種流況：case A 之下水道流況為 出口控制；case B 之下水道流況則視當時流況而定，若為亞臨界流況則為下游控制，
若為超臨界流況則上游控制；case C 之下水道流況，若匯流後水面為下游控制，則 下水道水流為上游控制；case D 之下水道流況，下水道流況常為下游控制，亦可由 上游及下游控制。
表1 雨水下水道網路模式水理性質簡介
表1 雨水下水道網路模式水理性質簡介(續)
表1 雨水下水道網路模式水理性質簡介(續)
(a) caseⅠ (b) caseⅡ
(c) caseⅢ (d) caseⅣ
圖1-1a 雨水下水道入口流況之種類[42]
(a) case A (b) case B
(c) case C (d) case D
圖1-1b 雨水下水道出口流況之種類[42]
依據上述之入口及出口流況，雨水下水道內流況可能完全或部分為亞臨界流、
超臨界流，或滿管流(surcharge)，如圖 1-1c 所示，有 10 種可能的下水道水流流況。
(a) subcritical (b) supercritical (c) subcritical to supercritical
(d) supercritical to subcritical (e) supercritical jump to surcharge
(f) supercritical to surcharge
(g) subcritical to surcharge (h) surcharge to supercritical (i) surcharge to subcritical
(j) surcharge
圖1-1c 雨水下水道管內流況之種類[42]
雨水下水道在明渠水流狀態之輸水能力方面，當兩人孔或匯流井銜接一下水道 管涵，若管內流況為明渠水流時，則類似連接兩水庫間之管道輸水問題(delivery of a canal connects two reservoirs)，或稱兩湖問題(the two-lake problem)[Chow, 1959；
Hendersen, 1966]。Bakhmeteff[23]分析明渠亞臨界流的兩湖問題，指出輸水能力因上 下游水位間之差異而有所不同，並畫出上下游不同水位下之輸水曲線(delivery curve)，如圖 1-2a 及圖 1-2b。
圖1-2a 亞臨界流況下，上游水深固定時之輸水曲線[21]
圖1-2b 亞臨界流況下，下游水深固定時之輸水曲線[21]
Yen et al. [42]進一步發展分析明渠水流之流量與兩端水位間之關係曲線圖，並 稱之為水力履性圖(Hydraulic Performance Graph，簡稱 HPG)，圖 1-3 為其中之一類 型。陳(2006)[12]則依據兩人孔或匯流井之水位及二者間之雨水下水道為渠流、半滿 管流或滿管流等之水流基本方程式，發展矩形斷面緩坡雨水下水道之兩端水位與流 量之關係曲線，並以實驗驗證之。
雨水下水道之水工試驗研究對象以匯流井或人孔的能量損失為主，由於水流流 經匯流井或人孔時會產生能量損失，影響管涵內水流流況，因此入口與出口之能量
損失係數(loss coefficients)為雨水下水道重要的研究課題，一般均經由實驗分析之。
在人孔或匯流井處，亞臨界或超臨界的明渠流或滿管流都有可能發生(Zhao et al., 2006)，Hsu et al. (1998)、Weber et al. (2001)、Shabayek et al. (2002)進行明渠流通 過匯流井的實驗研究；Del Giudice and Hager (2001)、Gisonni and Hager (2002)進行 超臨界流通過匯流井的研究[20]。
圖1-3 亞臨界流之流量與上游及下游水深關係示意圖[21]
對於單一匯流井或人孔連接兩條下水道管路之組合而言，Sangster et al. (1958, 1961)進行直通(straight through)與90D彎管匯流井之滿管(surcharged)實驗；Ackers (1959)進行直通與 45D、52D彎管之滿管實驗；Archer et al. (1978)進行直通與 30D、60D 彎管之滿管實驗；Howarth and Saul (1984)、Lindvall (1984)、Marsalek (1984)、Pedersen
and Mark (1990)則進行直通之滿管實驗[42]；Merlein(2000)[32]進行直通與 45D彎管 之滿管實驗。
下水道管網的人孔或匯流井可有三條或四條以上的管涵交匯。Sangster et al.
(1958, 1961)、Lindvall (1984)進行 T 形三方向(three-way)滿管匯流(merging)的實驗，
分析90D側向匯入之圓管管徑及流量對能量損失係數的影響。Joliffe(1982)則進行三 方向不滿管(nonsurcharged)匯流及分流(dividing)的實驗分析能量損失係數[42]。
Takashi Sakakibari et al. (1997)[39]以圓管連接四個矩形人孔進行的模型比 1：10 之能量損失係數實驗，其結果顯示流速大於0.6 m/s 且圓管曼寧糙率係數為 0.009 至 0.1 時，能量損失係數的範圍為 0.02 至 0.12。
Zhao et al. (2004)[20]進行三方向 25.8DEdworthy 匯流井與 90D垂直側向匯流管之 匯流試驗，研究結果證實在出流管涵為陡坡時，匯流井出口處存在由明渠流況轉變 至潛沒流況的三種流況(Regime I~III)。並且提出以潛沒因數(submergence factor)區分 三方向90D垂直側向匯流井中三種流況的判斷準則。結果顯示，當匯流井之側向入流 量約等於出流量之25%時，匯流井水位約為管徑之2.2倍，但出流管涵仍然保持明
Zhao et al. (2004)[20]進行三方向 25.8DEdworthy 匯流井與 90D垂直側向匯流管之 匯流試驗，研究結果證實在出流管涵為陡坡時，匯流井出口處存在由明渠流況轉變 至潛沒流況的三種流況(Regime I~III)。並且提出以潛沒因數(submergence factor)區分 三方向90D垂直側向匯流井中三種流況的判斷準則。結果顯示，當匯流井之側向入流 量約等於出流量之25%時，匯流井水位約為管徑之2.2倍，但出流管涵仍然保持明