第三章 生態入滲池工法性能試驗解析
第二節 實驗設計
1.隔水板設計
為確保集水面積範圍，與排除非人工降雨計製造的水分流入 生 態入滲池，在四周設計組合式隔水板，埋入地下深度 50 公分，與 生 態入滲池底深度相同，突出地面 30 公分高，溢流孔位置，高出地平 面 10 公分，故池底至溢流面的深度為 60 公分。
圖 3-9 組合式隔水板
圖 3-10 生態入滲池剖面圖 隔水板
2.人工降雨器噴嘴、支架配置說明
本降雨器最大降雨強度 I 可達 100 公釐/小時，控制閥調整噴嘴壓力，
改變降雨強度。
支架需具輕量化、抗風化、以拆裝極易搬運之特性，方便使用者組裝 拆卸與維修等需求。
圖 3-11 人工雨場噴嘴配置說明 圖 3-12 人工降雨器支架平面圖
3.試驗場配置說明
滲透池四周以隔水版圍起，溢流孔連接流量計紀錄流出量，池底放置 雨量計監測流入水量，水位計量測水位變化推算初始入滲數率，並埋 入套管監測土壤水分含量。
圖 3-13 試驗場平面配置圖
3-2.2 生態入滲池興建說明
為了進行「景觀化人工濕地處理校園污水之研究」及「生態入 滲池」二項主要研究議題之實測解析，配合行政院「水與綠建設計畫」
之子計畫「綠色廳舍改善計畫」之經費，由內政部建築研究所委託國 立成功大學建築系執行，在成功大學光復校區建築系建置上述議題之 實驗設施。
生態入滲池的設計，本研究群過去在「都市生態貯集水循環 技術之研究」中，曾有廣範初步調查，為了進行「生態入滲池」之實 驗必須設置儲水槽與動力馬達，藉助人造雨場設備，以模擬實際降雨 情形，及模擬解析雨水入滲速率，測試地表逕流與入滲參數，作為後 續治水、防洪及水資源再利用之基礎研究。
圖 3-14 成大建築 系角落閒置空間
圖 3-15〈左〉
改造後圍牆內外可 以共享水池景觀 圖 3-16〈右〉
改造後的人工溼地 景觀水池
圖 3-17 成功大學建築系景 觀化人工濕地處理校園污水 與生態入滲池施作情況，施 工歷時四個月，民國九時二 年七月到十月底完工。
圖 3-18〈左〉改造後景觀水池 圖 2-19〈右〉改造前情況
圖 3-20 改造前建築系下凹廣 場，平日作上課活動用。
圖 3-21 改造後廣場景況 圖 3-22 生態入滲池，結合景觀 生態防洪與學生活動之多功能 廣場。
圖 3-23 多功能生態入滲池 平日可供學生上課活動之用途，當 暴雨時可供雨水暫時貯集之生態 滲透池之用途。
3-2.3 試驗設備
1.未飽和土壤水分計 Sentek,DIVINER2000（含四支預埋管 ）
數字值讀式土壤水分計，此主機可搭配測 桿，直接讀取土壤含水量，可以及時了解 不同深度之土壤水分含量，並能判讀不同 水在土壤中之流動概況及分佈；其感測原 理為高頻電容式〈High Frequency
Capacitance〉其反應速率快、精確度高。本研究案用來監控及時水 分入滲速率，以繪製土壤水分含量與時間的關係圖。
2.水位計(keller,pr-36w)
水壓式水位計乃利用壓力式感應器；感應水壓並換算成需要的水位高 圖 3-24 未飽和土壤水分計探測桿（上）
埋入套管（下）
圖 3-25 讀取土壤含水量主機
圖 3-26 探測土壤水分剖面
3.流量計(BR40-P1-PS-2)
本實驗流量範圍在 1.32~6.6M3/HR，當水量溢流，可監測流出量 Q。
4.資料記錄器
現有紀錄計更新擴充頻道及軟體(8 通道類比輸入，1 通道脈衝輸 入)。用以下載水位計、流量計、雨量計即時紀錄資料，再傳輸至電 腦解析數據。
5.綜合型手持採土器〈hand auger〉
測量土壤滲透係數 k 值試驗實，採土樣、鑽 孔的用具。
6.葛洛夫滲透儀
以定水頭原理測量土壤滲透係數，在實驗之 前，建立滲透設施底面滲透係數的基礎資料，
作為設計保水量與實驗設計之參考依據。
資料記錄器
水池水位計
流量計
雨量計
其他類比輸入(0~5V 或4~20mA)感測器
圖 3-27 資料傳輸系統圖
圖 3-28 綜合型手持採土器
7.雨量計
量測範圍：0~100mm/H
測定人工降雨器的降雨強度 I 值，降雨強度〈I〉×集水面積〈 生態 入滲池的面積 A〉可得到總流入的水量。
8.人工降雨計〈包含噴嘴、抽水機、控制閥、固定座、配管〉
本實驗最大設計降雨強度可達 100mm/hr、噴嘴壓力 2kg/cm2、噴角 60 度、雨滴落高為三公尺。
設備空間：馬達 60*60*60CM3使用沉水式，置於地下水槽內。
所需電壓 220v
圖 3-30 人工降雨器配置
3-3.4 生態入滲池性能模擬解析
*蒸發量參考表 3-4 台灣地區蒸發量統計 台東 8.9 114.1 110.2 128.1 139.4 156.6 165.3 187.5 173.8 155.9 152.3 131.1 116.8 1901~1970 高雄 29.1 137.9 139.8 171.0 186.1 210.1 173.7 185.0 171.8 170.3 169.5 143.6 132.1 1932~1970
噴嘴
說明：
1. 人工降雨器影響因子
〈1〉降雨強度 I
本試驗場的人工降雨計，最大降雨強度為 100mm/hr，透過控制閥改 變給水量，可以設定不同的降雨強度。
〈2〉降雨延時
降雨持續的時間，與降雨強度成反比，相同的重現期距，降雨延時越 小，降雨強度越大。
本試驗場當降雨強度 I 為 100mm/hr，水池約在三個小時可以注滿。
2. 生態入滲池影響因子
〈1〉集水面積 A：
由隔水板圍成的六邊形 abcdef 的面積 A，如圖 3-33 所示，為了確保 周圍的水分不會影響生態入滲池實驗，以深度與生態入滲池底相同的 隔水板隔離，減低外界因素的干擾。
〈2〉 貯集體積 V：
貯集池有三階台度，總貯集體積如圖 3-34 所示，分為 V1 、V2 、V3 三部分，V=V1+V2+V3〈式 3.2〉，V=h1A1+h2A2+H3A3=17.05(m3)
〈3〉積水深度 H：
池底到溢流孔的高度為積水深度；H=h1+h2+h3=10+25+25=60(cm)，本
試驗場的設計深度為 60 公分。
式中，μ為流體之黏性;k 為飽和滲透率〈saturated permeability〉;
F 為總入滲體積；
H 為土壤表面之水深；
圖 3-34 不同土地使用對入滲例 的影響
m0為土壤初期水分含量；
m 為在時間 t 土壤剖面內，平均含水量。
下圖為入滲過程土壤剖面內之水分分布情形，由下圖知土壤水分經入 滲後，期含量隨深度增加而遞減，經飽和轉移〈transmission〉，濕 潤而至乾燥。
〈2〉滲透係數 k：為飽和滲透率，可由現場入滲實驗〈本研究案使 用葛洛夫入滲儀儀器法〉，以三維穩定狀態滲透公式之解必須由數值 法獲得，故通常是以簡化公式〈式 3.1〉計算飽和滲透係數，為一定 值。
4. 其他氣候因子
蒸發量由表可推得台南地區一天的蒸發量
全年總蒸發量 1560 公厘/365 天=4.27 公厘/天〈式 3.5〉
每日蒸發量×集水面積=0.28m3〈式 3.6〉
每日蒸發體積量/雨水貯集體積=0.015=1.5%〈式 3.7〉
由〈式 3.7〉可知蒸發量佔極小比例，故在本研究中忽略不計。
圖 3-35 土壤剖面水分分布圖 取自應用水文學，P.3-118
3-3.4 實驗步驟
土質測試
草地土壤滲透係數K
台南市降雨資料 資料收集
土質測試 滲透係數實測
實驗場設計
滲透貯留池保水量推估
流量計管徑尺寸決定
人工降雨模擬
入滲量 、 雨場強度I實測
流出量實測
實驗數據整理解析
生態入滲池保水能力 (水位計測得)
(雨量計測得)
(流量計測得)
圖 3-36 實驗流程
實驗依據下列 1 到 5 個步驟逐一進行，其步驟說明如下：
3. 當雨水開始入滲土壤後，埋設在土壤裡的觀測套管，插入未飽和 土壤水分計探測桿，監測分層土壤水分含量，推算得到出始入滲 速率 f。
4. 假設入滲率隨降雨持續時間 而遞減，當土壤水分飽和，
池底水位開始上升，由池底 放置水位計測得水位變化，
推算最終入滲速率〈k〉。
5. 當水位高出溢留孔，由溢留孔流出，流經流 量計，由流量計測得流量〈Q〉。
6. 由上述步驟可得實測之保水量，得到生態入 滲池保水能力。
圖 3-40 雨量筒 圖 3-41 量測土壤水分 圖 3-42 未飽和土壤水 分計主機、測桿
圖 3-43 水位計量測池底水位變化
生態入滲池實測保水量=IAt-Q〈式 3.8〉 ；
保水指標中，特殊保水設計的地面貯集滲透設施設計保水量 Q4， Q4=V+kAt〈式 3.9〉
Ｖ： 貯集體積（m３）
ｋ：滲透係數（或入滲率）（m/s）
Ａ：集水面積（ｍ２） ｔ：降雨時間（t）
Ｉ：降雨強度（m/s）---量測值，由雨量計測得
Ｑ：測得之流量（m３）---量測值由流量計測得，水位計可測及 時水位，可換算成貯集量
3-3.6 生態入滲池性能數據解析
綜合上述方式模擬與時測結果，整理如下表：
影響因子 變數 推估 11/18 實測 11/26 實測
降雨強度 I(mm/hr)
20~100 173.5〈需修正〉
灌水：
17.05 17.05 17.05
積水深度 H（cm） 60 48.47 60
實驗數據圖表整理
10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15
時刻
3.入滲速率變化圖
y = 4E-05e-0.0042x
0
10:30:00 11:00:33 11:30:00 11:55:00 12:25:00 12:50:27 13:20:00 13:45:11 14:15:00
時刻
二、 十一月二十六日實驗結果分析
10:05:00 10:48:00 11:31:00 12:14:00 12:57:00 13:40:00 14:23:00 15:06:00 15:49:00 16:32:00 17:15:00 17:58:00 18:41:00 19:24:00 20:07:00 20:50:00 21:33:00
時刻
10:05:00 10:37:00 11:09:00 11:41:00 12:13:00 12:45:00 13:17:00 13:49:00 14:21:00 14:53:00 15:25:00 15:57:00 16:29:00 17:01:00 17:33:00 18:05:00 18:37:00 19:09:00 19:41:00 20:13:00 20:45:00 21:17:00
時刻
水位變化(m)
水位(m) 停止進水
入滲速率
0 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004 0.00005 0.00006 0.00007 0.00008 0.00009 0.0001
13:13:00 13:37:00 14:01:00 14:25:00 14:49:00 15:13:00 15:37:00 16:01:00 16:25:00 16:49:00 17:13:00 17:37:00 18:01:00 18:25:00 18:49:00 19:13:00 19:37:00 20:01:00 20:25:00 20:49:00 21:13:00
時刻
入滲速率(m/s)
入滲速率
19：13 由第二階降到第一階，
面積改變〈A2→A3〉
15：18 由第一階降到第二階，
面積改變〈A1→A2〉
圖 3-51 停止進水後，入滲速率變化圖