雨水貯集滯洪設施案例資料蒐集與評估

第三章 案例蒐集與智慧雨水貯集系統軟、硬體相關設備 規劃設計

本章節首先針對國內雨水貯集滯洪設施之相關案例進行資料蒐集與檢討分 析，並選擇合適的案例進行智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式之驗證；進而針 對驗證案例進行智慧監控與相關軟、硬體設備之規劃設計，包含軟體設備之操控 程式撰寫與相關內容，以及硬體設備選擇與裝設，並連結智慧雨水貯集系統雨洪 管理操作模式，詳細研究內容分述如后。

第 一 節 雨 水 貯 集 滯 洪 設 施 案 例 資 料 蒐 集 與 評 估

本節蒐集彙整既有建築基地雨水貯集滯洪設施相關之案例，其遴選以雨量豐 沛地區、儲水槽容量較大、設施合適且單純及相關資料取得較完整等原則進行挑 選；進而針對其集雨範圍、排洪機制、監測設備裝設與監測成果等案場資料進行 智慧監測設備與雨洪管理操作模式驗證之適用性評估。本計劃報告中以新北市

○○國中與台北市○○新建工程為例，內容說明如后。

1. 新北市○○國中

新北市○○國中基地面積範圍約 29,300m²，設置容量約1,279 m³的地下雨水 貯集滯洪設施，藉集水溝、集水井等集雨設施收集地表逕流，以及透水鋪面、雨 水花園等透、保水設施的雨水入流，現場設施位置分布如圖3-1 所示。

本案例已裝設雨量計及水位計等監測設備，其監測設備皆為每5 分鐘一筆的 資料蒐集頻率。水位計設置於基地南側，選擇平坦、空曠場所，觀測降雨資料紀 錄保存在保管箱中；因基地之設計為將降雨產生的逕流皆導至基地西南方地下滯 洪設施，除了滿水位後會產生溢流之外，並無其他出流口，故於滯洪設施內設置 一水位計，紀錄降雨期間滯洪設施之水位變化，其水位計放置位置如滯洪設施剖 面圖3-2 所示。

圖 3- 1 新北市○○國中現場設施位置分布圖

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

圖 3- 2 新北市○○國中雨水貯集滯洪設施剖面圖

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

新北市○○國中雨水貯集滯洪設施之排洪機制係在颱風或豪大雨來臨前藉於 中央氣象局發佈豪雨以上之警戒或發佈陸上颱風警報且新北市為警戒區範圍，即 以自動式開啟閘門來執行放水作業，如圖3-3 所示，使儲水槽內的水排空作為滯 洪空間；另為避免雨水存放過久導致蚊蟲孳生，於平時至少每兩週將貯水排空一 次，於冬季(12 月到 2 月)則至少每四周將貯水排空一次，整體的排洪機制如圖 3-4 所示。

第三章

A

B

1.開啟A按放下鈕 2.待C處顯示水位達0m 3.按下A處上昇鈕

4.手動將B依順時鐘方向旋緊

C

圖 3- 3 新北市○○國中雨水貯集滯洪設施之排水閘門說明

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

平時供應基地中水回收利用

於以下事件發布後

(1)氣象局發布陸上颱風警報且本市為警戒區 (2)氣象局發布本市豪雨以上警戒

隨即執行

關閉貯水槽閘門

回復平時蓄水功能 強制(持續)開啟閘門，以排放

儲水量

將貯水槽排空

兩週內(12月至2月份為四週內) 未有降雨且貯水槽仍有貯水

圖 3- 4 新北市○○國中雨水貯集滯洪設施之排洪機制流程圖

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

透過105 年 10 月 7 至 106 年 11 月 6 日共一年一個月的監測成果來進行排 洪成效探討，其中共呈現 40 場降雨事件，包含監測期間的豪雨及颱風事件 (尼 莎颱風)，如表 3-1 所示，其成果顯示在 40 場降雨事件，共計 7 場降雨事件發生 溢流的情況。

表3- 1 新北市○○國中雨水貯集滯洪設施之監測成果彙整表

第三章

25 106/07/09 22 644.6 219.1 841.5 -- -- 26 106/07/10 13.5 395.6 212.7 211.9 -- -- 27 106/07/12 39 1142.7 542.0 467.5 -- --

28 106/07/29 30.5 893.7 298.3 13.6 -- -- 尼莎颱風 29 106/08/02 7.5 219.8 40.8 470.4 -- --

30 106/08/03 25 732.5 358.0 511.2 -- -- 31 106/08/17 14 410.2 79.5 140.3 -- -- 32 106/08/27 57.5 1684.8 696.0 243.4 -- -- 33 106/09/01 13.5 395.6 121.7 314.3 -- -- 34 106/09/03 12.5 366.3 174.7 516.2 -- -- 35 106/09/08 22 644.6 128.9 805.5 -- -- 36 106/09/13 12.5 366.3 136.8 137.5 -- -- 37 106/10/12-1 41 1201.3 474.0 489.0 -- --

38 106/10/12-2 76.5 2241.5 115.3 958.7 16.5 0.9 有溢流發生 39 106/10/14 38 1113.4 502.6 219.1 -- --

40 106/10/15 22 644.6 186.9 649.4 -- --

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

2. 台北市○○新建工程

台北市○○新建工程位於中山區，其基地面積為 2339.01 m²，於基地建築物東 北方設置容量約196.96 m³的地下雨水貯集滯洪設施，藉集水溝、集水井等集雨 設施收集基地之地表逕流，其現場工程配置圖如圖3-5 所示。

台北市○○新建工程雨水貯集滯洪設施設有三台泵浦進行被動操作，其中一 台為備用泵浦，其系統排洪機制為常見的雨水貯集滯洪設施的排洪方法，即係透 過起抽水位及停機水位來進行機械式操作，分別為自池底向上0.8m 及 0.5m，揚 程為 4m，如圖 3-6 所示意；系統另設有電動閥，滿水位時自動關閉電動閥，使 雨水無法流入滯留池，可避免在地下產生溢流淹水。

圖 3- 5 台北市○○新建工程工程配置圖

（資料來源：本計畫蒐集彙整）

圖 3- 6 台北市○○新建工程雨水貯集滯洪設施之機械式排洪示意圖

（資料來源：本計畫成果）

3. 小結

新北市○○國中的雨水貯集滯洪設施，雖藉中央氣象局的豪雨或颱風警戒進 行排洪，但由表3-1 監測成果彙整表顯示，有 7 場降雨事件發生溢流的情況，主 要原因係降雨前滯洪設施內的雨水貯集量較多，因此在接收到豪雨或颱風警戒時

第三章

才進行排洪而造成排水不及的情況；而台北市○○新建工程係透過傳統滯洪設施 機械式排洪，為確保槽體內有足夠的滯洪空間，故其起抽水位設在槽體高度約1/3 處，然此滯洪機制容易造成泵浦長時間抽排之能源損耗，且若排洪時恰為降雨事 件洪峰流量發生期間，將造成排水系統與下游集水區之負擔，另外此系統未裝設 監測設備，將無法確切了解實際抽排情況與其系統是否發生故障。

綜合上述之問題，應透過智慧監控與雨洪管理決策模式的整合，可使系統排 洪機制進行優化而依據預測降雨進行預先排洪，可對不同降雨型態作針對性操作，

達到更好的滯洪功效。

第 二 節 智 慧 監 控 與 相 關 軟 、 硬 體 設 備 之 規 劃 設 計

經雨水貯集滯洪設施案例資料蒐集與評估成果，由於本年度計畫目的係為了 透過案例實地裝設監測設備，來驗證本研究的智慧雨洪管理模式之可行性，若直 接在實際的滯洪設施上裝設，將需取得其設施之使用權，且再經多次協商與案例 遴選，並需考量測試時間與路程等不便；本計劃經多次討論後，將先透過物理試 驗模型的架設進行做智慧雨洪管理模式之驗證，，並針對相關軟、硬體設備進行 規劃設計如本年度模式測試結果符合預期成效，未來將可針對實際案場之既有設 施進行實際測試與驗證。

1. 物理試驗模型之規劃內容說明

為確保未來於實地驗證案例裝設後能順利運作，故本年度計畫研擬一套物理 試驗模型，透過裝設200 L 的貯集桶做為雨水貯集利用系統的儲水設施，搭配 50 L 的入流控制桶，以及其它流量計、水位計及泵浦等設備，並連結傳輸線路、

Arduinod 開發版及主機電腦進行測試，其智慧雨水貯集系統雨洪管理之物理試驗 模型示意如圖3-6 所示，裝設成果如圖 3-7 所示。

圖3- 7 慧雨水貯集系統雨洪管理之物理試驗模型示意圖 (資料來源：本計畫蒐集彙整)

圖3- 8 慧雨水貯集系統雨洪管理之物理試驗圖 (資料來源：本計畫蒐集彙整)

在入流量預測為前提的智慧操作機制下，如何取得作為預測所用的雨量或流 量資料對本智慧操作有重要影響，針對不同的場址需求或限制，可選用雨量計、

流量計、水位計等監測設備作為及時的資料輸入，在不同的設備選擇下，獲得的

第三章

入流體積所需資料的方法，如表3-2 所示。

表3- 2 預測入流體積獲取方式

雨量計 流量計 水位計 預測入流體積獲取方式

方案1  V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = c × 𝐼_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}× A × T

方案2  V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = 𝑄_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}× T

方案3   V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = 𝐴_𝑠 × [h(t) − h(t − 1)] + 𝑄_𝑜𝑢𝑡

(資料來源：本計畫成果)

透過在不同的感測設備選用下，可以用作預測的資料可分為三種：

方案1：雨量計資料

在此設備方案下，所獲得的資料為雨量計讀數，將未來各時間點之雨量轉換 為累積雨量進行預測，再將預測過後的雨量應用合理化公式轉換為未來入流體積 進行操作模決策

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = c × 𝐼_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}× A × t (3. 1) 式中：

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}：未來入流體積(m³)；

c：逕流係數；

𝐼_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}：預測累積雨量(mm)；

A：基地面積(m²)；

T：操作時距。

方案2：入流流量計資料

此方案為在雨水貯集桶槽之入流口處裝設流量計，以流量資料作為預測數據，

相較於方案1 省略了合理化公式的轉換步驟，些微提升程式的計算效率，但若有 複數桶槽續進行操作，其設備上之成本會相對較高。

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = 𝑄_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}× t (3. 2) 式中：

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}：未來入流體積(m³)；

𝑄_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}：未來入流量(m³/min)；

T：操作時距。

方案3：桶槽水位計資料

此方案以兩個時刻桶槽內裝設之水位計之讀取資料相減之數值乘上桶槽的 底面積作為預測之數據，即直接以入流體積之變化作為預測數據，此方案之限制 條件為在雨水貯集設施內水位為滿桶的狀態下，無法得知其水位差，需另於出流 管設置流量計獲取流量資訊才可進行預測，且在設備成本上也相對較高。

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡} = 𝐴_𝑠 × [h(t) − h(t − 1)] + 𝑄_𝑜𝑢𝑡 (3. 3) 式中：

V_{𝑓𝑜𝑟𝑒𝑐𝑎𝑠𝑡}：未來入流體積(m³)；

𝐴_𝑠：雨水貯集設施底面積(m²)；

h(t)：當前時刻之水位(m)；

h(t-1)：前一時刻之水位(m)；

𝑄_𝑜𝑢𝑡：出流體積(m³)。

第三章

2. 軟體設備之操控程式撰寫與相關內容

本計畫所建立之操控程式係透過 Matlab 進行軟體撰寫，目的是希望對比機 械式操作方法能有更好的蓄水及滯洪效益，達成預排放的理想，故軟體的操控理 念係是將雨水貯集系統桶槽內的水位控制在可以容納下一段時間內的入流量，當 系統預測下一時刻之雨量所帶來的入流量大於當前雨水桶內的剩餘空間時，就會 即時進行排水操作，並於下一時刻判斷空間足夠容納接下來的入流量時，即停止 排放，如圖3-9 示意。

圖 3- 9 智慧雨水貯集系統雨洪管理模式之理念

（資料來源：本計畫研究成果）

(1) 預測機制與流程

藉案例模擬在降雨事件前透過降雨預報或預警資訊連結，透過開啟滯洪孔及 泵浦抽排的方式而預留滯洪空間，並分析其雨水排放之操作機制(如：排放時機、

排放量等)，使雨水貯水槽抽排機制可於每場降雨前進行針對性降雨的滯洪空間 預留操作，預計可獲得更佳的滯洪功效。整體決策流程如圖3-10 所示：

圖3- 10 智慧雨水貯集系統 Matlab 決策模式操作流程

圖3- 10 智慧雨水貯集系統 Matlab 決策模式操作流程