1-1 前言
由於國內經濟的迅速成長，人口急遽成長，使得近年來各地區都市化的現象 日益顯著；因之，都市水文有關問題亦日趨重要；都市雨水下水道系統似常無法 負荷及滿足現有與未來都市發展之需求。尤其當雨季來臨，特別是颱風帶來之豪 雨及夏季午後之暴雨，所挾帶之降雨強度遠超過雨水下水道系統之設計容量時，
或是排水系統維護不當、抑或其它天然災害如地震等因素，使其受損壞時，溢流 出下水道排水幹線之水量，將漫流於地表上，而造成淹水水患。因此，為研析如 此複雜之流況，研發下水道排水系統受損之淹水模式是必要的。
新莊市位於台北市西南側，屬於大台北盆地之一部分，東鄰三重市，北接泰 山鄉，西南有 山鄉及樹林鎮，東南隔大漢溪與板橋市相望，為台北都會區之一 衛星都市。全市行政區域面積為 19.7383 平方公里，共分八十四個里，除西部丹 鳳、雙鳳里一帶屬於丘陵地外，其餘皆為平原。新莊市東南側瀕臨大漢溪，境內 除西部丹鳳里及雙鳳里地區屬丘陵地，地勢較高外（標高在 10 公尺至 220 公尺 間），其餘皆為平原，地勢較低窪平緩，標高介於 2～10 公尺間。平原地區大致 以縱貫公路（中正路）為界，分為南北兩區，北區地形自縱貫公路由南向北傾斜，
平均地面坡度約為 0.15％，以縱貫公路旁地勢較高，標高約 5.0～7.0 公尺，中港 大排兩岸地勢較低，標高約 2.0～3.0 公尺。南區地形大致由西南向東北漸降，平 均地面坡度約 0.1％，標高介於 5.0～10.0 公尺之間。新莊市現有排水設施係由中 港大排及塔寮坑溪等天然排水路分別排除北部及西南部之雨水，另公館溝排水路 原直接排入大漢溪，其集水範圍涵蓋至塔寮坑溪之建國橋（後港一路），係因台 北防洪三期工程新莊提防設施，乃將其出口封口，並以雨水下水道方式南引排入 塔寮坑溪排水閘門前，再排入大漢溪。新莊市區由於地勢低窪，每遇豪雨時河川 水位高漲，區內排水幹線無法以重力順利排水，造成低窪地區淹水。
永和市位於台北盆地之南側，北面新店溪與台北市相望，東、西、南面隔中 和市與板橋、土城、新店緊鄰，為北縣鄰近鄉鎮市進入台北市之交通樞紐。新店
溪為淡水河主要支流，流域面積廣闊，水源豐富，該溪迴繞永和市東北面，為永 和市雨水下水道系統主要出口，且區內防洪抽水站皆設於該溪左岸旁，故與防洪 計畫之關係至為密切。永和市雨水下水道規劃系統於民國六十六年由省政府建設 廳公共工程局所規劃，至今已逾 25 年之久。永和市轄區之主要排水系統包括永 和排水分區、秀郎排水分區，以及與中和市相鄰之瓦瑤東支流排水分區、秀山排 水分區。永和排水分區北鄰新店溪，西南與瓦瑤溝東支流排水分區為界，東南則 與秀郎排水分區為鄰，集水面積 158 公頃。永和市轄區內之各主要排水幹線，除 與中和市相鄰之瓦瑤溝東支流整治工作尚在進行，其餘幹線大致已設施完成，因 此市區排水均能發揮功能，惟局部地區受地形地勢限制，造成排水瓶頸，易有淹 水現象。
本研究計畫為整合型計畫：「防洪水利設施受損淹水數值模式之研發及應用」
暨子計畫一，將以台北縣永和市區以及新莊市區為研究對象，收集研究區域之降 雨資料與地文資料，透過二維地表淹水模式與雨水下水道排水系統模式之整合銜 接與研發，以模擬永和與新莊市區內，於颱洪事件或暴雨之下，可能之淹水範圍 與淹水深度，使低窪地區之居民及行政機關得先了解淹水情況，提早防範及提出 應變措施。
1-2 方法與目的
本研究首先建立地表二維淹水模式以及雨水下水道排水系統模式，接著將兩 個模式整合銜接後應用在選定之研究區域中，期能模擬都市區內因下水道系統受 損之淹水情形。
在建立雨水下水道排水系統模式方面：本研究擬採用都市暴雨經理模式
（Storm Water Management Model）簡稱 SWMM 模式，係由美國環境署於 1969-1971 年所發展之模擬都市地區漫地流及管路系統之水理及水質模式，演算 過程分地表逕流及幹線輸水兩部分求解。另外，於建立二維地表淹水模式方面：
本研究選定可忽略二維水深平均變量流方程式中之慣性項的二維零慣性淹水模
式，以模擬洪水流經廣闊淹水地區之情形；並採用 MAC(marker & cell)之差分觀 念，以交替方向顯式法(alternating direction explicit scheme)來解此二維零慣性方程 式。
本研究將分三年依序進行。第一年已完成建立下水道排水系統模式以及地表 二維淹水模式，並整合銜接兩模式後應用於新莊市區，於納莉颱洪事件下之淹水 模擬。第二年已完成所選定之台北縣永和市區，進行研究區域之淹水模擬應用。
接著最後一年(本年度)，將第一年度所建立之模式加入抽水站操作之功能，並以 永和市區為研究對象，模擬抽水站受損時之淹水情形；另外，將第一年度所採用 的 120×120 公尺解析度之 DTM 數值資料，提高至 40×40 公尺精確度，並重新模 擬新莊市區之淹水現象。
1-3 文獻回顧及其相關研究
本節首先回顧下水道排水系統模式，再回顧淹水模式方面之研究，最後回顧 兩個模式整合銜接方面之研究。
現有下水道模式大多基於明渠流之聖文南(Saint-Venant)方程式或其簡化而 來。完整之動力波方程式(complete dynamic wave equation)中，包含了描述明渠變 量流之動力影響的所有項式。經過省略動力波方程式中之不同項式，可得到不同 等級之簡化式。若省略局部加速度項，稱為擬似定量動力波(quasi-steady dynamic wave)簡化；若同時省略局部和位變加速度項(local and convective acceleration terms)，即為零慣性力波(noninertia wave)簡化；如果壓力項和慣性力項皆省略，
此種簡化式即為運動波(kinematic wave)方程式[10,35,36,37,39]。完整之一維變量 流方程式為一複雜的動力波模式，若用於複雜之排水系統中，則所花費之時間及 人力甚為可觀，一般除在精密分析及評估排水系統幹線之水流狀況使用外，均將 動力波模式於以簡化，如使用擴散波或運動波模式，以從事排水系統之水理計算。
由於都市排水系統之幾何邊界之複雜性，多年來許多水理研究機構、政府機 構投入經費及時間發展出許多都市下水道數學模式，以從事水理分析及設計之
用。一般下水道模式依其使用之目的及模式之簡易可分成[16]：(1)規劃模式 (planning model)，為大區域之計算模式，通常僅從事區域性簡易之水文與水質分 析，而不涉及複雜之管線或明渠水力計算；(2)設計與分析模式(design and analysis model)，具有規劃及設計功能，通常可包括排水幹線系統之水力計算；(3)評鑑模 式(operation model)，為一較高精度之模式，用以評估現有或設計之雨水下水道系 統之排水功能。
關於較精確的動力波模式包括以下模式。Sevuk[13]於 1973 年所發展之 ISS 模式，是以一階表示式(first-order scheme)之特性方程式求解動力波方程式。ISS 模 式 考 慮 匯 合 點 之 迴 水 影 響 至 三 段 下 水 道 ， 而 解 網 路 中 水 理 則 以 疊 段 法 (overlapping segment method)。即在同時段中，一管一管地逐一求解。但此模式 僅 能 處 理 明 渠 。 Hoff-Caluson[6] 於 1982 年 所 發 展 之 SII-S 模 式 ， 是 採 用 Abbott-Ionescu 六 點 隱 式 法 ， 配 合 雙 掃 法 同 時 解 出 流 量 及 水 深 。 Froise and Burges[5](1978)模式以四點非中心隱式法求解一維變量流方程式，下游邊界以正 常流流況為邊界條件，但如此則不能考慮受迴水影響之情形；且亦僅能模擬明渠 流，無法處理滿管流況。法國的 Chevereau[3]於 1978 年所發展之 CAREDAS 模 式，其數值方法也是以四點隱式差分法。模式並會自動檢視渠道的坡度，以決定 是否以簡化的運動波式計算，或是在夠緩的坡度時，以動力波式進行演算。
Pansic[12]於 1980 年所發展出之 SURDYN 模式，乃能處理明渠流與滿管流的模 式中，唯一以壓力管流來模擬滿管流，並連同明渠流一齊解出流況。其計算水深
將洪氾區依地勢分隔為若干格網，網格間以管線相連接，利用管網分析法建立空 間二維性網路模式(space two-dimensional network model)，以研究潰壩後洪水在洪 氾區中傳播之情形。國內顏等[31]曾應用水庫瀦蓄之概念，以一維變量流理論探 討濁水溪下游堤防潰決後洪水波傳遞之狀況。關於潰堤後洪水波傳播運行模擬之 相 關 研 究 較 多 。 Preissmann 與 Cunge[4]曾研究洪氾淹水區準二維洪流模式 (quasi-two-dimensional flood plain flow model)，其將洪氾淹水區依地形和地貌，
如灌溉渠道、低堤、涵洞等水工構造物，做為核胞(cell)網格畫分之根據，配合其 中各種參數，如此模式方能符合實況。Katopodes & Strelkoff[8,9]以特性法解壩體 在瞬間完全破壞之二維水流流況，Akanbi & Katopodes[40]則以有限元素法(FEM) 模擬之；其皆利用移動網格(moving-grid)法處理潰壩後所產生巨大加速度與水頭 差之水理特性，亦藉此處理移動鋒線邊界條件(moving boundary condition)，但是 其模式中必須假設推估波鋒線下－計算時刻前進後之位置，而無法自行演算波鋒
應用於台北市捷運南港、淡水線站體與隧道淹水分析。許等[26]亦採用此模式應 用於高速鐵路苗栗、彰化與雲林車站及汐止基地淹水防洪之研究。
在模式結合方面，謝[41]採用美國環境保護署發展之 SWMM 模式以地表逕 流配合排水幹線輸水來模擬降雨後水流在地表及排水管線中之動態及超過排水 設計容量人孔之溢流體積，再將河川溢堤流量與排水系統之溢流量視為都是淹水 模式之輸入依據。Chang 等[2]將一維河川變量流動力波模式與二維零慣性波漫 地流淹水模式結合演算，配合地理資訊系統資料庫，應用於台灣高鐵車站，做為
在模式結合方面，謝[41]採用美國環境保護署發展之 SWMM 模式以地表逕 流配合排水幹線輸水來模擬降雨後水流在地表及排水管線中之動態及超過排水 設計容量人孔之溢流體積，再將河川溢堤流量與排水系統之溢流量視為都是淹水 模式之輸入依據。Chang 等[2]將一維河川變量流動力波模式與二維零慣性波漫 地流淹水模式結合演算，配合地理資訊系統資料庫，應用於台灣高鐵車站，做為