第三章 研究流程與方法
3.6 綠屋頂截水推估公式之建立
進行綠屋頂效益分析及相關決策，有必要建立一個公式推估綠屋頂截 水能力，以改善分析與決策的品質及輔助綠屋頂設置規劃。目前國內的綠 屋頂相關研究較少探討綠屋頂截水模式，國外亦只有少數相關研究，包括 採用 ANOVA 法來做迴歸分析(Van Woert et al., 2005; Mentens et al., 2006;
Getter et al., 2007; Hilten et al., 2008)。Villarreal and Bengtsson. (2005)則用 Hydrograph 預測尖峰流量及逕流量，Jarrett et al. (2006)採用了 AGRR 及 SGRR 模式分別預測年逕流量及逕流速度與逕流量，Getter et al. (2007)使 用 Curve number 法以 CN 值推估，以上這些方法採用類似非點源污染分析 時常用以推估暴雨逕流的類似方法，雖然在機制上與綠屋頂頗為接近，但 事實上仍頗不同，暴雨降在土地上，會入滲進入地下，但綠屋頂雖也會滲 入土壤，但會被屋頂防水層所阻隔，無法再滲入，故並不相同。此外，Hilten et al. (2008)則使用了 HYDRUS-1D 模式模擬預測逕流，唯該模式頗複雜，
實用性較差。由於國外之綠屋頂降雨截流模式不一定符合台灣之環境特性，
因此有必要發展本土之截水推估公式。
綠屋頂之截水機制基本上如圖 3.12 所示，其中包含降雨、蒸散、表面 逕流、滲漏水及基質含水等，而此水平衡可以 3.1 式來表示。降雨(I)將會 增加基質含水量(ΔSW)，而蒸散(ET)、逕流(R)及滲漏水(P)則會減少基質 之水份，因此 R、P 及 ET 在公式中為負號。此外，在綠屋頂截水機制中，
植物對於基質水份之吸收及排水板蓄水杯之水份蒸散，則皆包含於基質含 水量變化中(ΔSW)。
I : precipitation
ET : evapotranspiration R : surface runoff
P : deep percolation
ΔSW : change is soil water content
Precipitation
Evapotranspiration
Surface Runoff
Percolation Retention
Soil Moisture
Radiation
Wind Ambient
Temperature
Roof Surface Retention Absorption
Plant
Substrate
Roof Drainage
Retention
圖 3.12 綠屋頂截水模式影響因子考量圖
本研究以公式 3.1 為依據來發展適合台灣環境特性之截水推估公式，
然而由於蒸散機制不易測量，且預期降雨期間蒸散量不大，故本研究先考 量降雨、表面逕流、滲漏水及基質含水等機制，以迴歸分析方式發展一個 截水量(I-P-R)推估之經驗公式。由於透水係數越大滲漏速度越快，因而將 飽和透水係數(Ks)納入式中。降雨時間則是影響滲漏水量之主因。而基質 起始含水率(θi)及基質厚度(ΔL)會影響到可截水量，進而影響到滲漏水量，
因此也納入考量。另外，基質最大含水率(θmax)則代表基質的最大含水能 力，也決定了綠屋頂之最大可含水量。而由於θmax之值不易由實驗直接求 得，因此本研究以降雨量(I)減去滲漏水量(P)、再減去逕流水量(R)、然後
基質最終含水率的誤差，然後在誤差為 20%以內的選擇其最大的 I-P-R+θ
i值當作θmax。故基於上述因子，本研究建立公式 3.2 到 3.4 三個迴歸經驗 公式推估截水量。公式 3.2 將 Ks 及 T 合併相乘得到透水量，另外將θmax
扣除θi得到基質含水率差值，建立一個線性推估公式；公式 3.3 也是建立 線性推估公式，不過未考慮 Ks；公式 3.4 為建立一個指數型式的非線性推 估公式，公式中的係數將在第四章依實測數據推估之。
其中
RR: 截水量 (Rainfaill retention)，為 I-ET-P-R，由於本研究忽略 ET，
故為 I-P-R，亦即ΔSW；
I：降雨量(cm)；
P：滲漏水量(cm) R：逕流水量(cm)
Ks：飽和透水係數(cm/sec) T：降雨時間(hr)
θmax：基質最大含水率 θi：基質起始含水率 ΔL：基質厚度(cm)
3.7 截水實驗
為了收集所需要的數據本研究進行綠屋頂截水實驗，主要可分為前置 作業及模擬作業兩部分。在前置作業中，主要將進行下列項目：
1. 植栽培育：用育苗盆先進行植物培育到滿盆。
2. 基質特性測定：測定密度、孔隙度、透水及粒徑分佈。
在實驗作業方面，主要針對 5cm 及 10cm 二種厚度基質及不同的降雨 事件進行實驗。由於天然降雨較無法明確掌握發生時間，因此，如氣象預 報未來將會降雨，則本研究會將設備調整為全日自動監測。實驗作業步驟 如下：
1. 儀器校正：進行 TDR 的電壓值與含水率關係的校正，以及進行磅秤的 校正。
2. 實驗槽架設：實驗槽架設在戶外，直接暴露在天然降雨下。
3. 儀器設備架設：包括磅秤、數據接收器、及小型氣象站等。
4. 雨量量測：降雨以自行設置的小型氣象站量測。
5. 資料處理：將收集到的滲漏水量、逕流水量、土壤含水率及氣象站量 測的雨量進行整理比較。其中，也先將有誤差較大之數據進行排除，
在分析截水能力時不予考慮。在實驗中，綠屋頂之截流水量可以兩種 方式來獲得，一是以降雨量(I)扣除滲漏水量(P)及扣除逕流水量(R)來計 算，由於三個數據都是實測值，若實測數據沒有錯誤，這是較準確的
兩種方法所計算之截流水量之誤差過大時則代表量測上可能有問題，
除了儀器本身的誤差，其他可能原因為: (1) 由於含水率測點少，可能 因不均勻而有差異；(2) 蒸散量並非很小，這對於長時間的降雨影響 會較顯著;(3)目前假設滲漏水中的土壤雜質少，但也有可能是因雜質流 出較多。當二者所計算的截水量差異超過 30%時，或截留水量為負時 亦不合理，本研究將這些異常數據排除。
6. 依據所得結果以迴歸方式求各公式的係數值，並比對結果。
第四章 結果與討論
本章主要說明依前一章描述的研究流程與方法所得之結果，針對綠屋 頂分析其截水能力，首先進行實驗結果的說明，然後分析不同因子下綠屋 頂的截水能力，最後依據所得結果及所建立的綠屋頂截水總量推估公式求 取公式的係數值。以下一一說明之。
4.1 實驗結果
本節主要依綠屋頂在不同影響因子下所得到的實驗結果，包含十場雨 的降雨量、滲漏水及逕流水量及基質含水率進行說明，並將實驗結果及相 關天氣數據與基質特性實驗結果繪圖置於附錄 A 中，以下一一說明實驗結 果。
1. 降雨：研究期間為 2009-12-27 至 2010-05-29，在排除異常數據後共 收集了十場降雨，最小降雨量為 6.5 mm，最大降雨量為 101 mm，
各場降雨圖如附錄 A 中附圖 A.1.1-附圖 A.1.10 所示。
2. 滲漏水：相關結果如附圖 A.1.1-附圖 A.1.10 所示。在 5 cm 基質中，
以滲漏水量與降雨量相比，最大滲漏水比例為 2010-01-02 無植栽組 的 74.8%；最小滲漏水比例為 2009-12-29 的 0%。在 10 cm 基質中，
最大滲漏水比例為 2010-05-29 有植栽組的 83.1%；最小滲漏水比例 為 2010-04-06 有植栽的 33.4%，唯由於滲漏水量會受降雨、基質厚 度、起始含水率等所影響，無法只以量或比例來估算，故本研究試 著發展一個公式推估之。
3. 逕流水：相關結果如附圖 A.1.1-附圖 A.1.10 所示，在 5 cm 基質組 中，以逕流水量與降雨量相比，最大逕流水比例為 2010-03-08 無植 栽組的 5.3%，最小逕流水量為 0 cm，如 2009-12-27、2009-12-29、
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質組中，最大逕流水比例為 2010-05-29 無植栽的 27.8%，最小逕流 水量為 0 cm，如 2010-04-06、2010-04-08、2010-05-07、2010-05-29 有植栽組。在 5 cm 基質很少有逕流水，主要是由於基質薄，讓水 很容易通過，故沒有逕流水；而在 10 cm 基質無植栽組皆有逕流水，
而有植栽組的僅有 2010-05-23 有逕流水，雖然無植物組雨水較易滲 透至基質中，但植物可將水留滯於基質表面，讓雨水有時間可滲入 基質中，故逕流多發生於無植物組中。
4. 基質含水率：監測結果如附圖 A.2.1-附圖 A.2.10 所示，降雨前後基 質含水率(Δθ)變化最大的為 2010-03-08 無植栽組的 37%，起始基 質含水率(θi)為 30%。最小為 2009-12-29、2010-01-11 及 2010-04-06 無植栽的 3%，θi分別為 41%、40%及 42%。起始基質含水率會影 響基質可再含水的量，進而影響截水能力。當起始含水率愈高，則 截水能力會較差，反之而較好，例如 2010-04-08 降雨量為 57.92 mm 無植栽的θi為 42%而Δθ為 7%，2010-05-07 降雨量為 43.92 mm 無植栽的θi為 33%而Δθ為 17%，最終含水率差不多，但是較低 的起始含水率截水較好。
5. 天氣因子：所收集的數據如附圖 A.3.1-附圖 A.3.10 所示，在降雨期 間濕度相當的高以及氣溫偏低，在此將其蒸發假設為 0，所以在公 式上未考慮蒸發因子。
6. 基質特性：本研究所使用的基質，其透水係數 (K) 在 0.008-0.012 cm/sec 間，相對孔隙率 (n) 為 0.62-0.76 間，而在本研究中所建立 的經驗公式，透水係數(K)的值，選擇採用中間值 0.01cm/sec。而粒 徑分佈大約為 0.08-7.5 mm，相關實驗結果如附圖 A.4.1 所示。
4.2 綠屋頂截水因子分析
為了解綠屋頂在不同因子下的截水能力，本節主要針對前一章節所得 到各不同因子下的結果，依照有無植栽、不同厚度及不同降雨量三因子分 別分析綠屋頂截水能力受到不同因子的影響，相關結果請參見表 4.1 及表 4.2 以及附圖。另外在分析前，本研究藉由比較(θe-θi)及(I-P-R)所算出之 截水量，將選擇誤差較小之數據再進一步分析。在有植栽組將會採用的數 據共有 7 筆；在無植栽組將會採用的數據則有 5 筆。以下以所獲得之測量 數據，一一探討影響綠屋頂之相關因子。
1. 有無植栽：以表 4.1 及表 4.2 之結果比較植栽對於綠屋頂截水能力 之影響。比較結果可以參考圖 4.1，由圖中可以發現有植栽組的截 水量(I-P-R)或是基質最終含水量(I-P-R+θi)會大於無植栽組，例如 在 2010-01-11 20:18 的降雨事件，從圖 4.1 發現有植栽組的截水量 稍微小於無植栽組，但從表 4.1 及表 4.2 可以知道有植栽組的基質 起始含水率(θi)較大，因此在基質總含水量方面有植栽組高於無植 栽組，而在 2010-05-29 04:22 的降雨事件，從表 4.1 及表 4.2 可以發 現有植栽組的基質起始含水率(θi)大於無植栽組，但從圖 4.1 可看 出截留水量(I-P-R)在有植栽組仍大於無植栽組，可見有植栽組的截 水能力會高於無植栽組。由此可知道有植栽組的截水能力會高於無 植栽組。
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圖 4.1 三場降雨事件有無植栽之水量比較
2. 不同厚度：在此討論有植栽組部分，比較結果如圖 4.2，從圖中可 以看出降雨量(I)在 0-3cm 之間，10cm 基質的基質最終含水量 (I-P-R+θi)皆大於 5cm 基質，可見基質越厚則截水能力越好。例如 比較 2009-12-27 16:31 基質 5cm 與 2010-04-08 17:18 基質 10cm 兩 場降雨事件，從表 4.1 中可以得知 10cm 基質的基質起始含水率(θ
i)比 5cm 基質高，兩場的降雨量差不多，雖然 10cm 基質的起始含 水率比較高，但是看其基質最終含水，如圖 4.2 所示，基質 10cm 的最終含水高於基質 5cm，由此可知基質越厚其截水能力會越好。
0 1 2 3 4 5 6 7
2009-12-27 16:31 2010-1-11 20:18 2010-5-29 04:22
水量(cm)
降雨事件 I-P-R(with plant)
I-P-R(no plant) I-P-R+θi(with plant) I-P-R+θi(no plant)
圖 4.2 有植栽組 5cm 及 10cm 基質最終含水比較
3. 不同降雨量：在此討論有植栽組基質 5cm 及 10cm 以及無植栽組基
3. 不同降雨量：在此討論有植栽組基質 5cm 及 10cm 以及無植栽組基