第四章 建築物雨水貯集系統之智慧化雨洪管理模擬模式
第三節 雨水貯集系統之智慧物聯網操作管理模擬模
本章節接續第三章中智慧雨水貯集系統架構設計成果，將系統分為供水標的 地面式及滯洪標的地下式的智慧雨洪管理，初步透過設計案例連結實際降雨而進 行模擬，探討原系統與改造為智慧管理的差異性，其成果將做為後續示範案例模 擬操作之參考。
1. 雨水貯集系統之智慧物聯網操作管理模擬模式建立
本計畫將雨水貯集設施區分為供水標的設計地面式及滯洪標的設計地下式，
其架構說明如第三章中介紹，示意如第三章中圖 3-3 及圖 3-4。供水標的地面式 利用供水量多寡作為容量設計方法，透過孔口以重力方式排放雨水，滯洪標的地 下型式則參考滯洪容量相關法規作為容量設計方法，藉由泵浦抽蓄方式排放雨水，
故本計畫將兩項不同型式雨水貯集設施結合智慧化概念建立智慧操作模式，採用 設計案例模擬驗證，探討雨水貯集設施在智慧操作及原有操作方式下的效益，其 供水標的地面式智慧雨洪管理(滯洪孔重力排放)及滯洪標的地下式智慧雨洪管 理(泵浦機械抽排)模擬模式建立流程圖如后。
(1) 供水標的地面式智慧雨洪管理(滯洪孔重力排放)
設定灰色預測參數:
輸入資料筆數 輸出資料筆數
t時刻入流 Q(t) 累積預測雨量轉入流量 V(t+df_t)
s(t+1)=s(t)+Q(t+1)
溢流
預測入流量-已排放量 剩餘空間
入流 入流
s(t+1) spill(t+1)
Or(t+1) Out(t+1)
t=td+tc
STOP Or=Ao*((2*9.81*H)^0.5)
s(t+1)=s(t)+Q(t+1)-Or(t+1) 開啟滯洪口
td:降雨延時(min) tc:集流時間(min) s(t):t時刻桶槽內水量(m3) s(t+1):t+1時刻桶槽內水量(m3) Q(t):t時刻入流量(m3/min) Q(t+1):t+1時刻入流量(m3/min) Or(t):t時刻孔口出流量(m3/min) Or(t+1):t+1時刻孔口出流量(m3/min) spill(t):t時刻溢流量(m3/min) spill(t+1):t+1時刻溢流量(m3/min) Out(t):t時刻系統出流量(m3/min) V(t+df_t):t+df_t時刻累積入流量(m3) 設定桶槽容量、基地面積、逕流係數、起始水量
、幫浦抽排量(允許排放量) 集流時間Tc=5min
預測入流量-已排放量>剩餘空間
圖4-2、供水標的地面式智慧雨洪管理(滯洪孔重力排放)模擬模式流程圖 (資料來源：本計畫成果)
(2) 滯洪標的地下式智慧雨洪管理(泵浦機械抽排)
設定灰色預測參數:
輸入資料筆數 輸出資料筆數
t時刻入流 Q(t) 累積預測雨量轉入流量 V(t+df_t)
s(t+1)=s(t)+Q(t+1)
溢流
預測入流量-已排放量 剩餘空間
入流 入流
s(t+1) spill(t+1) pump(t+1)
Out(t+1)
t=td+tc
STOP pump=p1
s(t+1)=s(t)+Q(t+1)-pump(t+1) 啟動泵浦
td:降雨延時(min) tc:集流時間(min) s(t):t時刻桶槽內水量(m3) s(t+1):t+1時刻桶槽內水量(m3) Q(t):t時刻入流量(m3/min) Q(t+1):t+1時刻入流量(m3/min) pump(t):t時刻泵浦抽排量(m3/min) pump(t+1):t+1時刻泵浦抽排量(m3/min) spill(t):t時刻溢流量(m3/min) spill(t+1):t+1時刻溢流量(m3/min) Out(t):t時刻系統出流量(m3/min) V(t+df_t):t+df_t時刻累積入流量(m3) 設定桶槽容量、基地面積、逕流係數、起始水量
、幫浦抽排量(允許排放量) 集流時間Tc=5min
預測入流量-已排放量>剩餘空間
圖4-3、滯洪標的地下式智慧雨洪管理(泵浦機械抽排)模擬模式流程圖 (資料來源：本計畫成果)
2. 案例設計與實際降雨連結系統模式
本計畫假設一小型建築基地之案例，基地面積為500m2，基地內建築物所占 面積為350m2，非建築物面積為150m2，人口數為100 人，其其它相關地文參數 如表4-7 所示。本案將結合原有排水管線設置雨水貯集設施，以供水標的設計地 面式雨水貯集系統，依綠建築評估手冊計算儲水槽容量為 10m3，其基地配置示 意如圖4-4 所示；而以滯洪標的設計地下式雨水貯集系統，依台北市基地開發排 入雨水下水道逕流標準設計標準計算儲水槽容量為 39m3，其基地配置示意如圖 4-5 所示。
表4-7、設計案例之相關地文參數
建築物 非建築物
佔基地面積比例 70% 30%
逕流係數 0.85 0.5
面積(m2) 350 150
建築物 建築物
建築物 地面式雨 水貯集設
施
圖4-4、設計案例之供水標的地面式雨水貯集系統設計示意圖 (資料來源：本計畫成果)
建築物 建築物
地下式雨水 貯集設施
建築物
圖4-5、設計案例之滯洪標的地下式雨水貯集系統設計示意圖 (資料來源：本計畫成果)
本計畫案例初步將透過一場實際降雨事件進行連結，選擇2015 年 8 月 18 日 的一場降雨延時150 分鐘，總降雨量為 83.5mm 的對流雨，此場降雨為北部因午 後對流雲系發展旺盛，氣象局針對雙北市等 11 個縣市發布豪雨特報，此大雨造 成台北市12 件災情，部分路段發生積水及坍方情形，故為本案以此作為設計案 例降雨事件之原因，並採用中央氣象局台北雨量測站 10 分鐘時距單位的雨量資 料進行模擬。
3. 系統效益評估指標
針對雨水滯(蓄)設施智慧操作模式的效益評估，本研究採用五項指標來探討 雨水滯(蓄)設施在智慧操作模式下之效益，說明如下:
(1) 洪峰延遲時間(Flood peak delay time)
評估雨水儲水槽在降雨延時內之洪峰延遲效能，評估指標越大表示延遲時間 越長。
𝐹𝑙𝑜𝑜𝑑 𝑝𝑒𝑎𝑘 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 𝑡𝑖𝑚𝑒 = 𝑡𝑂𝑢𝑡𝑚− 𝑡𝑄𝑚 (4-18) 𝑡𝑄𝑚:設置前出流時間點
𝑡𝑂𝑢𝑡𝑚:設置後出流時間點 (2) 洪峰削減率(Flood reduction rate)
評估雨水儲水槽在降雨延時內之洪峰流量削減效能，評估指標越大表示削減 效益越好。
𝐹𝑙𝑜𝑜𝑑 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑒 =𝑄𝑚−𝑂𝑢𝑡𝑚
𝑄𝑚 × 100% (4-19) 𝑄𝑚:設置前最大出流量
𝑂𝑢𝑡𝑚:設置後最大出流量
(3) 總逕流體積削減率(Volume reduction rate)
評估雨水儲水槽在降雨延時內之總逕流量削減效能，評估指標越大表示總逕 流體積削減量越多，效益越好。
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑒 =𝑉𝑄−𝑉𝑂𝑢𝑡
𝑉𝑄 × 100% (4-20)
𝑉𝑄:設置前總出流量 𝑉𝑂𝑢𝑡:設置後總出流量 (4) 蓄水率(Storage rate)
評估雨水儲水槽在降雨延時後之收集雨水效能，評估指標越大表示儲水槽後 續供水效益越好。
𝑆𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑒 =𝑠(𝑡𝑒𝑛𝑑)
𝑠𝑚𝑎𝑥
(4-21)
s(𝑡𝑒𝑛𝑑):降雨儲水槽內水量 𝑠𝑚𝑎𝑥:儲水槽容量
(5) 泵浦/孔口操作時間(pump/orifice operation time)
評估滯洪操作型式在降雨延時內的操作時間，評估指標越短表示操作時間較 少，效益越好。
𝑝𝑢𝑚𝑝/𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑚𝑒 = ∑𝑡𝑡=1𝑑 𝑝𝑢𝑚𝑝(𝑡)/𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑒(𝑡) > 0 (4-22) 𝑝𝑢𝑚𝑝(𝑡):泵浦出流量
𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑒(𝑡):孔口出流量 4. 模擬成果與修正檢討
地面式的雨水貯集設施容量依供水標的設計藉由降雨事件模擬，原系統於降 雨前期即發生溢流現象，洪峰削減率較低，而智慧雨洪管理系統較早排放雨水，
溢流發生時間點較晚，且洪峰削減率較大，儘管兩者皆發生溢流，但原系統於溢 流後無操作機制，而智慧雨洪管理系統在溢流後仍持續運作，由出流歷線可知其 溢流時間較短暫，總降雨延時內出流量大多屬於控制排放，對於後續突如其來之 降雨，可望降低影響。
表4-8、設計案例之地面式智慧雨洪管理模擬成果比較表
型式 系統
洪峰延遲
時 間
(min)
洪 峰 削 減 率 (%)
總 逕 流 體 積 削減率(%)
蓄 水 率 (%)
孔 口 排 洪 時間(min)
地面式
原系統 80 42% 47% 100%
智 慧 雨 洪
管理 86 49% 45% 96% 54 (資料來源：本計畫成果)
表4-9、設計案例之地面式智慧雨洪管理模擬成果圖
(資料來源：本計畫成果)
地面式原系統 智慧雨洪管理
水 位 變 化
出 流 歷 線
地下式雨水貯集設施容量依滯洪標的設計，其參考台北市基地開發排入雨水 下水道逕流標準設計為 39 噸，藉由降雨事件模擬，原系統及智慧雨洪管理系統 皆進行抽排，且沒有發生溢流現象，故兩者洪峰削減率相同，然而，智慧雨洪管 理系統於降雨後有效減少總逕流體積，並達到較高的蓄水率，且泵浦的操作時間 較原系統少，故對於即時的防洪操作及後續的供水效益皆可實現較佳的效果。
表4-10、設計案例之地下式智慧雨洪管理模擬成果比較表
型式 系統
洪峰延遲 時間 (min)
洪峰削減率 (%)
總逕流體積 削減率(%)
蓄水率 (%)
泵浦操作 時間 (min)
地下式
原系統 3 31% 15% 37% 54 智慧雨洪
管理 83 31% 92% 98% 5 (資料來源：本計畫成果)
表4-11、設計案例之地下式智慧雨洪管理模擬成果圖
(資料來源：本計畫成果)
地下式原系統 智慧雨洪管理
水 位 變 化
出 流 歷 線
第 四 節
示 範 案 例 遴 選 、 程 序 規 劃 與 模 式 模 擬 操 作 本研究選用位於台北市中山區一處之新建工程，其基地如下，已知基地面積 為 2339.01m2
，建築物面積約為 845m2
，基地圖說與地文參數如下圖，並將規範之 容量與允許排放量整理如下。圖4-6、台北市中山區一處新建工程之示範案例空照圖 (資料來源：Google Earth)
表 4-12、示範案例地文參數彙整表
建築物 A 非建築物
佔基地面積比例 64% 36%
逕流係數 0.85 0.5
面積 1494 845
(資料來源：盧建霖水利技師事務所)
表4-13、示範案例規範之設計容量及允許排放量
雨水貯集設計容量 最大允許排放量
法規標準 0.078*2339=183(m
3
) 0.0000173*2339=0.0405(m3
/s) (資料來源：盧建霖水利技師事務所)此案例之排水系統集水區分析圖如下，AA 區域為基地範圍，其中，連接至雨 水滯(蓄)設施的排水系統主要收集 AA1 與 AA2 集水區，AA3 集水區由於未連接基 地內排水系統，是以漫地流流出至公共排水溝，故在計算雨水滯(蓄)設施的集水 面積時，應與基地面積計算有所差異。
圖4-7、示範案例排水系統集水區分析圖 (資料來源：盧建霖水利技師事務所)
在基地建築物東北方，設有地下型式之雨水滯留池，容量為 196.96 m
3
，底 面積為 82.86m，高度為 2.4m，設有三台泵浦進行被動操作，其中一台為備用泵 浦，其起抽水位及停機水位分別為自池底向上 0.8m 及 0.5m，揚程為 4m，另外，本案例設有電動閥，滿水位時自動關閉電動閥，使雨水無法流入滯留池，可避免 在地下產生溢流淹水，其詳細設計圖說及相關參數如下。
圖4-8、示範案例泵浦性能曲線 (資料來源：盧建霖水利技師事務所)
表4-14、示範案例雨水儲水槽及泵浦相關參數
儲水槽容量(噸) 數目 高度(m) 泵浦抽排量(m
3
/s) 198.86 1 2.4 0.0163*2≒0.0325 (資料來源：盧建霖水利技師事務所)透過感測設備連結I/O 模組進行數據接收，並輸出至控制器，再由數據交換 器轉換格式於現場顯示器輸出系統資訊或透過閘道器傳輸資訊至雲端平台及伺 服器接收端進行資料彙整分析，其感測層整體連結流程架構大致可如圖4-9 示意。
水位計 雨量計
流量計 幫浦
I/O模組 控制器
DO、AO控制 Modbus控制
數據交換器
顯示器(LED、TPD)
閘道 雲端平台
LPWAN
圖4-9、示範案例雨水貯集系統智慧化雨洪管理之感測層流程規劃架構圖 (資料來源：本計畫成果)
利用過去 10 場台北降雨事件，以不同參數配置型態之預測模式，針對每場
圖4-12、示範案例原系統與智慧雨洪管理之蓄水率比較表 (資料來源：本計畫成果)
表 4-15、示範案例平均效益彙整表 評估指標
系統別 洪峰削減率 總逕流體積削減率 蓄水率
智慧雨洪管理 53% 76% 84%
原系統 18% 14% 29%
(資料來源：本計畫成果)
在此設定下，以 10 場降雨事件的平均而言，洪峰延遲時間部分，由於兩種 操作模式均屬控制排放，洪峰延遲不明顯，但均實現逕流控制效益；洪峰削減率 部分，由於泵浦抽排量較大，洪峰削減率均較不佳，智慧操作模式可達到 53%，
而被動操作模式僅有 18%；總逕流體積削減率部分，智慧操作模式達到 76%的削 減程度，被動操作模式由於持續排放的因素，總逕流體積削減率不到 20%；蓄水 率部分，智慧操作模式下，儲水槽的蓄水率可以達到 84%的效益，可在降雨延時 後儲存較多的雨水，利於後續供水使用，而被動操作模式蓄水率僅 29%。
31% 31% 27% 30%
21% 32% 36%
28% 32%
23%
45%
99% 92% 99% 99% 97% 94%
45%
71%
98%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
百 分 比
降雨事件
蓄水率
被動操作
智慧操作
原系統
智慧雨洪
管理
第五章 結論與建議
本計畫針對智慧雨水貯集系統在建築物雨洪管理及操作模擬研究之相關課題 進行探討及內容編撰，其完成工作項目說明如后。
第 一 節
結 論壹 、 完 成 建 築 物 雨 水 貯 集 系 統 智 慧 化 之 互 聯 網 路 相 關 設 備 及 其 資 訊 蒐 集 ， 並 進 行 設 備 型 式 探 討 與 遴 選 之 建 議 以 及 系 統 架 構 之 設 計
壹 、 完 成 建 築 物 雨 水 貯 集 系 統 智 慧 化 之 互 聯 網 路 相 關 設 備 及 其 資 訊 蒐 集 ， 並 進 行 設 備 型 式 探 討 與 遴 選 之 建 議 以 及 系 統 架 構 之 設 計