為探討本研究所建立數學模式其演算結果之合理性，本研究設計兩個假想案例，應用於 台南科學園區之A 集水分區雨水下水道系統，佐以颱風期間之人孔及滯洪池水位資料，探討 模式之實用性。
5-1 封閉型邊界格區案例
本研究設計案例之雨水下水道配置如圖5-1，共佈置 9 個人孔(標號 1 至 9 號)。雨水下水 道系統之出口為無溢流設施之滯洪池，視之為第10 號人孔。涵管標號以兩端人孔標號表示。1 至6 號人孔皆為 1.5 公尺之正方形，所銜接之雨水下水道管徑為 1.5 公尺；7 至 9 號人孔為 1.6 公尺之正方形，所銜接之雨水下水道管徑為1.6 公尺。滯洪池為 90 公尺之正方形，池底高程 設定為0 公尺。各管線長度皆為 100 公尺，坡度 0.001，曼寧糙率係數取為 0.015，如表 5-1、
表5-2。
圖5-1 設計案例之雨水下水道示意圖
表5-1 設計案例各人孔資料 1,3 1.50 100.0 0.001 2,5 1.50 100.0 0.001 3,4 1.50 100.0 0.001 4,7 1.50 100.0 0.001 5,6 1.50 100.0 0.001 6,7 1.50 100.0 0.001 7,8 1.60 100.0 0.001 8,9 1.60 100.0 0.001 9,10 1.60 100.0 0.001
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (hour)
0 0.1 0.2 0.3
Discharge (cms)
圖5-2 設計案例之 1、2 號人孔入流歷線
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Time (hour) 0
Elevation (m)
Manhole 1 & 2 Manhole 3 & 5 Manhole 4 & 6 Manhole 7 Manhole 8 Manhole 9
Manhole 10
圖5-3 設計案例一各人孔與滯洪池演算之水位歷線
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Time (hour) 0.1995
Discharge (cms)
圖5-4 設計案例一滯洪池進流歷線
5-2 水位型邊界格區案例
設計案例二之雨水下水道系統流入一河流以流入處之河流水位歷線做下游邊界條件，相 當於「水位型邊界格區」，演算各人孔之流量與水位，流量型邊界格區1 號人孔與 2 號人孔之 入流歷線與案例一相同，如圖5-2 所示。且 3 至 9 號人孔亦無入流歷線。圖 5-6 為河流在雨水 下水道系統流入處之水位歷線，亦即雨水下水道系統之外水位。演算結果之各人孔水位歷線如 圖5-6，可看出雖然是定量流進流(圖 5-2)，但因邊界外水位歷線之上升與下降的迴水影響，使 得各人孔之水位歷線亦有上升及下降，但此一影響向上游方向遞減。因此在規劃雨水下水道系 統時，若向自然水域渲洩，必須將自然水域在豪雨洪水期間之水位歷線納入評估，以免發生逆 流倒灌而加重洪水災害。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Time (hour) 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Elevation (m)
圖5-5 設計案例二之下游邊界條件
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (hour)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Elevation (m)
Manhole 1 & 2 Manhole 3 & 5 Manhole 4 & 6 Manhole 7 Manhole 8 Manhole 9
D.B.C.
圖5-6 設計案例二各人孔演算之水位歷線
5-3 實例應用與討論
為探討本模式之實用性，本研究選擇台南科學園區(圖 5-7)之 A 集水分區為實例應用對 象，研究範圍西以環西路一段，東至大洲排水，北以西拉雅大道為邊界，如圖5-8。假設環西 路一段以西；大洲排水以東；西拉雅大道以北以及環西路一段、環東路一段以南之地表逕流不 進入本研究範圍之雨水下水道系統。模擬民國95 年「凱米颱風」時期下水道人孔與滯洪池洪 水過程，模擬結果並與颱風期間之實測水位資料比較。
圖5-7 台南科學園區基地全區導覽圖
圖5-8 台南科學園區 A 集水分區
5-9 研究範圍網格佈置圖
圖5-10 台南科學園區之 A 集水分區
5-3.1 地表淹水之格網佈置
由於豪雨期間於地表進入雨水下水道系統之流量資料並無紀錄，故必須先以地文性排水-淹水模式(PHD-model)[13]演算豪雨期間之地表逕流，以得到流至街道之淹水深度，用以分析 地面流入雨水下水道之流量。於本研究範圍內依據地形地貌佈置街區網格，並將道路亦參酌人 孔位置畫分格區，如圖5-9 所示，總網格數為 206 格。
5-3.2 雨水下水道系統之佈置
A 集水分區之雨水下水道系統如圖 5-10 所示，為說明方便將各人孔編號如圖 5-11 所示。
格區編號由1 至 88，滯洪池編號 89，相鄰格區間雨水下水道以兩端格區編號表示，且曼寧係 數取為0.015。演算時各格區之起始水深為零，各涵管之起始流量亦為零。又本案例之颱風豪 雨期間，人孔未溢流，故道路格區只接受來自街區格區之流量，以計算街道水深及進入下水道 系統之地表逕流。因此各格區亦輸入由地文性排水-淹水模式(PHD-model)所得之流量歷線，亦 即這些格區為流量型內格區。
圖5-11 人孔與排水管線佈置示意圖
5-3.3 模擬區域之水文條件
1. 降雨型態
民國95 年凱米颱風中央氣象局於 7 月 23 日晚間 11 點 30 分發怖陸上颱風警報，於 26 日 凌晨2 點 30 分解除陸上颱風警報並發佈豪雨特報，於 28 日早晨 6 點 45 分解除豪雨特報。本 應用案例採用之雨量資料為台南科學園區污水處理廠屋頂之自計雨量計資料，紀錄自7 月 23 日凌晨1 點至 28 日晚間 12 點共 144 小時之時雨量資料，如圖 5-12 所示。
7/23/06 7/24/06 7/25/06 7/26/06 7/27/06 7/28/06 7/29/06
Rainfall intensity (mm/hr)
圖5-12 民國 95 年凱米颱風之時雨量降雨資料
47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 Time (hour)
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Elevation (m)
47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 Time (hour)
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Discharge (cms)
圖5-13 道路格區水位歷線轉換流量歷線示意圖
7/23/06 7/24/06 7/25/06 7/26/06 7/27/06 7/28/06 7/29/06 Date
1.2 1.6 2 2.4 2.8
Elevation (m)
圖5-14 民國 95 年凱米颱風 A 滯洪池水位歷線
5-3.4 模擬結果與討論
台南科學園區之A 集水分區雨水下水道系統之第 67 號人孔設有自計水位計以紀錄豪雨期 間知人孔水位歷線。演算結果之第67 號人孔水位歷線與實測之水位歷線如圖 5-15 所示，可看 出趨勢相當一致，但模擬水位均有高估之情形，探討其原因如下：
1. 將地文性排水-淹水模式(PHD-model)演算之街道逕流，假設均進入街區網格之人孔，
此假設可能使一部分應沿街道傳輸的流量也進入人孔，而高估人孔進流量，以致高估 人孔水位。
2. 在進行地面水流演算時，未包括降雨損失如截留、入滲、地表蓄存等。雖台南科學園 區不透水層居多，但仍然部份為透水層，故應考慮降雨損失之影響。
為考慮降雨損失之影響，本研究以S.C.S.法估計超滲降雨，CN 值取為 92，所得之超甚降 雨組體圖如圖5-16 之斜線部份所示。重新演算之水位歷線如圖 5-17 所示，由圖中可以看出降 雨前期因截留、入滲、地表蓄存之關係造成之降雨損失確實影響地表逕流進入下水道系統之流 量，但對於中低水位仍有高估之情形，此應與忽略街道之水流傳輸，以致高估街道人孔之進流 量有關，因此必須進一步整合地文性排水-淹水模式以同步演算雨水下水道之排水現象。
0 10 20 30 40 50 60 70
Time (hour) 2
2.2 2.4 2.6 2.8 3
Elevation (m)
observed simulated
圖5-15 民國 95 年凱米颱風 67 號人孔之演算及實測水位歷線
0
Rainfall intensity (mm/hr)
7/23/06 7/24/06 7/25/06 7/26/06 7/27/06 7/28/06 7/29/06 Date
圖5-16 考慮降雨損失後之降雨組體圖比較圖
0 10 20 30 40 50 60 70
Time (hour) 2
Elevation (m)
observed
3. lm
D(或lm
B)=2.0
以前述凱米颱風之水文條件演算，結果如圖5-18 所示，可以看出人孔豎井尺寸之改變對 演算結果之影響頗為輕微，此當因雨水下水道系統每隔數十公尺才有一人孔或匯流井，而人孔 或匯流井之深度一般在地面下數公尺以內，因此人孔或匯流井對於演算雨水下水道系統之輸水 能力影響不大，並可因而增加演算時距，提昇演算效率，有利於增進洪水期間預報模式之效率。
0 10 20 30 40 50 60 70
Time (hour) 2.3
2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
Elevation (m)
observed MHL1.0X MHL1.5X MHL2.0X
圖5-18 不同人孔豎井尺寸之演算及實測水位歷線
第六章 結論與建議
6-1 結論
本文將應用擬似定量流理論並依據明渠水流及管流之基本方程式建立緩坡雨水下水道系 統模擬模式，且可依管線之斷面形狀以圓形或矩形模擬。經由應用案例之模擬分析，可得以下 結論：
1. 雨水下水道之水理現象可分成兩端不浸沒、一端浸沒及兩端浸沒之滿管流等三種流 況，各有其適用之流量公式，本文建立之數值解法可依據兩端水位求解雨水下水道之 流量。
2. 由設計案例與實例應用之演算結果顯示本文所建立之「緩坡雨水下水道系統模擬模 式」，可用於演算降雨過程中雨水下水道人孔水位變化之現象與管線之輸水能力，並 可考慮迴水影響。
3. 由實例應用之結果顯示以 S.C.S.法考慮降雨損失，降雨前期因截留、入滲、地表蓄存 之關係造成之降雨損失確實影響地表逕流進入下水道系統之流量。
4. 雨水下水道系統向滯洪池、河川或區域排水渲洩時，若滯洪池水位持續上升至相當程 度，其迴水影響使上游各人孔水位持續上升。因此承受雨水下水道系統之滯洪池需有 足夠之出流設施，以影響避免雨水下水道系統之豪雨洪水之宣洩。
5. 雨水下水道系統向自然水域渲洩時，邊界之外水位的迴水效應將影響各人孔之水位，
但此一影響向上游方向遞減。因此在規劃雨水下水道系統時，必須將自然水域在豪雨 洪水期間之水位歷線納入評估，以免發生逆流倒灌而加重洪水災害。
6. 雨水下水道系統中，管涵或箱涵之蓄水容積較人孔或匯流井為大，因此人孔或匯流井 對於演算雨水下水道系統之輸水能力影響不大，並可因而增加演算時距，提昇演算效 率，有利於增進洪水期間預報模式之效率。
6-2 建議
1. 雨水下水道系統模式應與地表面降雨逕流模式整合應用，以提高評估雨水下水道輸水能力 之精確度，應而應用於豪雨期間之淹水預報。為能有效率的整合模式，建議進一步研究地 面水流與人孔間之水流交換機制之功能。
2. 雨水下水道系統中如人孔、匯流井、管涵或箱涵之尺寸、位置及對應之地面自然狀態、建 物及土地利用等資料均龐大複雜，可應用地理資訊系統分析及處理之能力，有效率的整合 處理，以更具有其展示及查詢等功能，作為日後都市地區防災淹水預警或排水系統評估之 依據。
研究成果自評
總計畫及子計畫四預期完成之工作項目：
1. 蒐集分析 SWMM-EXTRAN 模式及 Hydro-Works 模式在國內之既有應用案例。
2. 研發變量流雨水下水道系統水理模式。
3. 進行定量流雨水下水道設計模式與變量流雨水下水道水理模式之比較。
4. 進行變量流雨水下水道水理模式之既有案例模擬比較。
5. 進行變量流雨水下水道水理模式之共同研究案例之初步模擬。
研究內容符合預期完成之工作，2、3、4 項之模式研發整合比較機制均已完成，於研究案 例‐台南科學園區之模擬演算，亦達到預期成效。
謝誌
本研究承蒙行政院國家科學委員會專題研究計畫 NSC 96‐2625‐Z‐006 ‐002 之經費支持，使 得以順利完成。計畫執行期間台南縣政府、經濟部水利署第六河川局、經濟部水利署水利規劃
本研究承蒙行政院國家科學委員會專題研究計畫 NSC 96‐2625‐Z‐006 ‐002 之經費支持，使 得以順利完成。計畫執行期間台南縣政府、經濟部水利署第六河川局、經濟部水利署水利規劃