模式簡介與基本資料建置

一、模式簡介

本計畫採用荷蘭 WLDelft Hydraulic 所發展之 SOBEK 數值模式進行示範 案例模擬評估分析。SOBEK 模式包含降雨逕流、渠流、水質、輸砂、即時控 制(Real Time Control)及漫地流(Overland flow)等不同模組，係整合河川、都市 排水及流域管理之數值模式，且同時可考慮如橋梁、涵洞、閘門、堰、虹吸工、

雨水下水道等不同水工結構物水理現象，故可應用於河川與都市下水道系統之 水理計算及區域淹水模擬，供防洪及水資源管理者進行管理、決策與分析之用。

為模擬示範區內不同土地利用配置之滯洪效益，本計畫採 SOBEK 模式中 之降雨-逕流模組(Rainfall Runoff Module，RR)、一維渠流模組(Channel Flow Module，CF)及二維漫地流模組(Overland flow Module，OF)，整合河川、排水、

雨水下水道系統，並考量閘門、分(疏)洪水路、滯洪池、抽水站等水工設施，

配合數值高程資料，計算相同降雨事件下，示範區內若進行不同滯洪設施方案 規劃前後之淹水潛勢差異。各模組簡要說明如下：

(一) 降雨-逕流模組

本計畫示範區依其土地利用分布為平原及都市地區，採 Paved、

Unpaved 模組進行計算。水文分析模式簡介如下：

1. Paved 模組

當降雨落於地表時，若地表狀況為舖面(paved)，則此降雨將直接 貯蓄於地表(街廓)和進入雨水下水道系統，如圖 6-3 所示，貯蓄於街廓 及雨水下水道可視為兩個蓄水庫。SOBEK 模式中，可運用此一地表直 接逕流概念計算平原及都市區域逕流量。

第六章 示範案例規劃與效益評估

109

PRECIPITATION EVAPORATION

STORAGE ON-THE-STREET

STORAGE IN SEWER

PUMPING INTO OPEN WATER OR BOUNDARY DWF

SPILL INTO OPEN WATER

圖 6-3 Paved 降雨逕流模式架構圖

(資料來源：Sobek User Manual。)

2. Unpaved 模組

SOBEK 的 Unpaved 模組係包含了水流流進、貯蓄及流出等機制，

如圖 6-4 所示。其流進機制為降雨及滲流；貯蓄機制為水流進入地下水 及未飽和層；流出機制則為蒸發散、地表逕流及入滲。當降雨落於地 表時，若地表狀況為無舖面(Unpaved) ，則此降雨將入滲(Infiltration) 至地表下，並使地下水的水位上升，再透過不同土壤層的排水能力進 入渠道中；或直接於地表形成地表逕流(Surface runoff)而進入渠道中。

故運用此一地表直接逕流概念計算都市地區逕流量。

3. Horton 入滲公式

SOBEK 所採用之逕流損失為 Horton 入滲公式，為 Horton(1939) 觀測土壤水份入滲速率，而以指數遞減型式表示如(5-26)式所示：

kt c 0 c (f f )e f

) t (

f    ^ ··· (6-1) 式中︰fc為平衡入滲率；f0為起始入滲率；k 為入滲常數；t 為時間。

圖 6-4 Unpaved 降雨逕流模式架構圖

(資料來源：Sobek User Manual。)

然而起始入滲率通常較高，而減少至趨近於固定值，此固定值即 平衡入滲率，亦等於土壤飽和時之水力傳導度。本計畫中定義非建成 區多舖以草地植被，而建成區則多為不透水舖面，分別設定未舖面 (Unpaved) 與 已舖面 (Paved) 之 入 滲 損 失 ， 其 採用 SOBEK 之 預 設 值 (default)以推估有效降雨，如表 6-3 所示。表中顯示非建成區起始入滲 率及平衡入滲率比建成區大，因此預設值係符合實際物理機制。

表 6-3 植被(Unpaved)與建成區(Paved)之入滲率及入滲常數參考表

土地利用型態 起始入滲率 f0

(毫米/小時)

平衡入滲率 fc

(毫米/小時)

入滲常數 k (小時^-1)

草地植被(Unpaved) 5 1 0.1

建成區(Paved) 2 0.5 0.1

(資料來源：Sobek User Manual。)

(二) 一維渠流模組

第六章 示範案例規劃與效益評估

式中，式中，x,y=模擬區域之迪卡兒空間座標；u,v=x,y 方向之平均 流速；d=模擬區地表水深；a=邊牆摩擦係數；V  u^v^ 。

交互流量發生，可根據通過這些控制點之流量進行模式銜接。而當排水路水 位高出堤防時，則採用河系溢堤洪水演算模式，考慮二模式地表水路出口與 排水路水位之水流交互作用，同時演算出河道水位與集水區淹水狀況。

二、示範區模擬分析流程

本研究針對擇定之都市地區，在都市開發後且未設置滯洪空間情況下進行 淹水模擬，再依本研究所研提策略就都市地區進行整體滯洪空間規劃，並分別 以一日降雨量 450、550、650 毫米等 3 種情境分析評估滯洪空間設置後之淹水 改善效益，以建立完整評估模式，供未來各縣市政府都市計畫通盤檢討或辦理 防洪治水計畫之參考。

三、輸入條件說明 (一) 分區邊界

以南屯溪排水集水區範圍為邊界。北與東至土庫溪集水區邊界，西鄰 內新庄子溪、劉厝排水與中和排水，南以大里溪為界。

(二) 水文事件情境設定

一般市區排水設計標準為 10 年保護標準及 25 年不溢堤，為探討氣候 變遷所產生之極端降雨事件對都市之影響，本計畫之示範案例以 50 年重 現期之一日暴雨或大於該降雨量之事件作為水文模擬情境。而依據民國 100 年「易淹水地區水患治理計畫」臺中市管區域排水劉厝排水系統規劃 報告中，臺中雨量站 50 年重現期之一日暴雨約為 450 毫米，因此本計畫 以一日降雨量 450、550 及 650 毫米 3 種降雨量；並參考民國 92 年「臺中 地區柳川排水及土庫溪排水系統改善規劃」報告之設計雨型進行雨量分配 設定水文情境分析。其中一日 450 毫米降雨量之最大時雨量為 82.62 毫 米；一日 550 毫米降雨量之最大時雨量 100.98 毫米；一日 650 毫米降雨 量之最大時雨量 119.34 毫米。

第六章 示範案例規劃與效益評估

113 (三) 排水及雨水下水道系統道斷面

排水斷面參考民國 91 年「中部地區(土庫溪排水、后里地區排水)檢 討改善規劃」報告之斷面資料，雨水下水道則依臺中市政府民國 101 年度 之雨水下水道調查成果資料進行設定，SOBEK 模式之排水斷面及雨水下 水道資料建置成果如圖 6-5 所示。

圖 6-5 SOBEK 建置成果示意圖

(資料來源：本計畫分析彙整。)

(四) 邊界條件 1.入流量

採用 SOBEK 模式內之 Paved 及 Unpaved 模組，依據各種土地利用

型態於子集水區中佔有之面積，計算各水文事件下之逕流量。

2.下游邊界條件

本計畫之南屯溪匯入土庫溪排水，因此下游邊界條件參考民國 92 年「臺中地區柳川排水及土庫溪排水系統改善規劃」報告，以土庫溪 匯入斷面之各降雨事件對應之重現期洪水位進行設定。

(五) 數值地形

以集水區 5 公尺5 公尺數值高程資料進行模式運算。

(六) 粗糙係數

排水路採治理規劃報告建議之曼寧糙度係數 n 值；雨水下水道則為 0.012；二維網格則根據計算範圍內土地利用調查成果給定 kn 值，其中水 利用地之 kn 值為 0.2、農業用地為 0.8、交通用地為 1.0、遊憩用地為 3.0，

而工業用地、建築用地則為 10.0。

(七) 滯洪措施配置設定

本計畫模擬四種配置設定原則，分別說明如下︰

1. 現況︰無進行任何滯洪措施配置。

2. 利用公共設施用地設置滯洪空間︰挑選計畫範圍內，包括公園用地、

學校用地、機關用地、停車場用地、體育場所用地等公共設施用地等 空間進行降挖設置滯洪池，初步遴選集水區內可供利用之滯洪空間如 表 6-4 所示，其位置分布則如圖 6-6。再考量易淹水區位、與鄰近排 水與雨水下水道系統之關係及滯洪效益，分別針對三種水文情境進行 滯洪空間設置，各區位依照公共設施用地建蔽率規定計算評估可供滯 洪空間之使用面積，平均降挖深度約 3m；惟各縣市政府實際規劃時，

應考量當地之地下水位，擇選適當之降挖深度。

第六章 示範案例規劃與效益評估

115

擬區中，整體入滲面積比例約為總面積之 11%，約 103.6 公頃，因此 將市區各子集水區中，原透水面積比例佔該子集水區面積不足 30%

者，藉由法定空地變更為草地植披之透水鋪面調整入滲面積 30%；

若原有入滲面積比例佔該子集水區面積大於 30%，則不進行調整，

調整後整體之入滲面積比例約為總面積之 32%，約 301.4 公頃，入滲 面積約增加 197.8 公頃。

表 6-4 南屯排水集水區區內可供設置滯洪空間一覽表

第六章 示範案例規劃與效益評估

117

圖 6-6 南屯排水集水區利於設置滯洪空間區位

(資料來源：本計畫分析整理。)