雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討

第二章 雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討

內政部建築研究所致力於綠建築的九大指標中，雨水貯集利用類屬於水 資源指標。為有效推動建築物設置此系統以充分有效利用水資源，除了加強 雨水貯集系統之教育宣導與推廣工作外，尚須建立相關法制化的架構，以利 推廣雨水貯集系統。

目前國內對於屋頂雨水貯集供水系統容量設計有關的研究主要集中在點 的分析上，因此在無雨量站設立之地方較不便設計，且對於未來進行法制化 無強而有力之著眼點。故本章首先探討雨水貯集系統之影響因素，然後分析、

歸納其容量設計方法，最後發展區域系統容量設計方法作為法制化分區之依 據。

第 一 節 台 灣 地 區 降 雨 資 料 整 理

雨水貯集利用系統之設計，在決定設施規模及雨水貯集槽時，應考量水 量的供需平衡，因此對於基地所在地區的降雨量掌握十分重要。不同的地區 有不同的降雨特性，降雨量的多寡將影響雨水貯集槽容量及相關設施的設 計；另外在需求部份有用水量及溢流量，在使用水量部份會因建築物類型不 同而有不同的用水型態與用水量。

雨水貯集利用系統的評估與操作，首先需掌握該建築基地所在地區之降 雨資料；目前中央氣象局共有 300 多處降雨測站，本研究於第一年之工作為 選定幾個具代表性的測站，並取得可靠之基礎累積量測資料，完成建立第一 階段法制化工作目標所需之雨水利用評估計算依據，以及設計規範；這些測 站主要位於人口密集的都會區及中央山脈所設之測站，包含台北、基隆、花 蓮、宜蘭、澎湖、新竹、台中、嘉義、台南、高雄、日月潭、阿里山、恆春 與台東等十四個測站，大致分布涵蓋全台灣各地區。並以最近 100 年間(1900 年~2000 年)之氣象資料為分析對象，以逐月及逐時雨量紀錄作為全國各地在

導入雨水利用設計時之評估參考資料。本研究所取得之 1900-1984 年降雨資 料為中央氣象局之逐月降雨量資料，1985-2000 年降雨資料為中央氣象局之 逐時地面氣象資料，該十四個氣象測站依降雨量行政分區分為以下五個區 域，如圖 2-1.1 所示。

（1）北部地區：包括宜蘭、基隆、台北、新竹等四個測站

（2）中部地區：包括台中、日月潭、阿里山等三個測站

（3）南部地區：包括嘉義、台南、高雄、恆春等四個測站

（4）東部地區：包括台東、花蓮等二個測站

（5）附屬島嶼：澎湖測站

圖 2-1.1 十四個氣象測站位置分布

宜蘭

澎湖 嘉義 花蓮

高雄 台南

台東

恆春

阿里山 日月潭 台中

台北 基隆

新竹

第二章 雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討 雨量約在 1800-2500mm 之間。依據劉衍淮先生（文獻 A-2）採取之年雨量 分類法，將偏差大於 400mm 者作為「濕年」與「乾年」之標準，將台灣地 區的年平均雨量 2200mm 來看，意即年降雨量超過 2600mm 為濕年（多雨）、 年降雨量不足 1800mm 則為乾年（少雨），台灣在 1940-2000 年內總共 7 個濕年：1947、1951、1953、1956、1974、1990 及 1998 年；乾年則有 5 個：1946、1963、1980、1993 及 1995 年。

圖 2-1.2 台灣年總降水量(1941 年-2000 年)

1940年 1950年 1960年 1970年 1980年 1990年 2000年

降

表 2-1.1 台灣地區十四個測站年降雨量(1941-2000 年)

台北 基隆 花蓮 宜蘭 澎湖 台南 高雄 嘉義 台中 阿里山 新竹 恆春 日月潭 台東

1941 年 * 3203.4 1890.1 2376.6 1290.2 2018.9 1544.5 * 2094.6 4898.5 2375.2 2027.4 * 1539.1 1942 年 1596.1 1918.5 1473.9 1877.5 916.6 1208.5 1125.5 * 1899.7 3811.7 1519.0 2278.9 2612.2 1475.2 1943 年 1378.3 2736.1 2349.3 2734.9 945.7 1438.3 2096.6 * 1824.8 3087.1 1354.4 3493.8 2298.3 1653.0 1944 年 * 3294.8 1933.5 * 932.2 1600.6 1360.1 * 2484.4 4608.0 2126.0 2538.6 3061.1 1663.3 1945 年 1604.6 * 2404.3 2339.4 1202.1 2925.0 * * 1984.9 4807.8 1761.0 2446.5 * 2562.9 1946 年 1642.7 * 1741.8 2527.1 863.7 1400.7 1272.0 * 1097.5 3608.6 943.0 1711.7 1926.8 1708.9 1947 年 2964.2 5512.5 3081.3 4498.9 1507.1 2273.9 2284.7 * 2532.6 5851.7 2677.7 2753.1 3144.0 3273.2 1948 年 1775.0 3598.0 * 2262.7 872.5 * 1525.7 * * 4637.8 1505.6 2234.1 2127.9 2526.8 1949 年 1860.0 3608.1 2738.6 2790.3 841.9 * 2044.8 * * 3541.9 1653.6 2551.4 1632.1 1685.8 1950 年 2126.5 3530.7 2203.7 2879.1 1360.3 2307.4 1814.5 * 2217.0 5083.4 1646.5 2458.0 2824.9 1582.6 1951 年 1869.0 4857.4 2525.5 4053.1 1183.2 1969.7 1955.9 * 1810.9 5005.0 1674.4 2585.8 2388.0 2420.7 1952 年 1623.9 3560.7 2063.0 2499.2 1005.3 1922.2 2205.5 * 1696.4 3235.5 1557.6 2737.3 2131.1 1958.2 1953 年 2433.7 5172.9 2369.0 3645.0 1465.8 2243.8 1768.1 * 2144.2 4787.7 2183.8 3194.9 3329.6 2207.8 1954 年 1627.5 3834.1 2215.9 3422.9 755.2 1201.2 1790.6 * 851.0 2396.8 751.7 1934.8 1648.3 1474.2 1955 年 1727.2 2568.4 1403.2 1758.5 1174.5 2547.9 1901.5 * 2062.6 3936.1 1393.9 2155.1 2394.8 1351.7 1956 年 2584.1 4930.0 2355.1 3734.8 1363.3 2266.4 1864.8 * 1768.3 4691.0 1589.5 2665.0 2561.0 2190.7 1957 年 2195.1 3923.0 2032.7 2577.9 710.4 1529.1 1610.3 * 1687.8 3015.0 1560.5 1881.6 1677.4 1873.4 1958 年 1977.5 3563.6 2334.9 2258.0 941.3 1395.9 1575.4 * 1187.9 3706.7 1208.0 2500.1 1959.2 1790.9 1959 年 2199.2 3513.8 1978.2 2245.2 1141.7 1935.4 1938.1 * 2590.9 4940.4 2251.8 2433.8 3085.1 1845.6 1960 年 2344.4 3397.5 2007.3 2882.9 902.1 1743.6 1750.2 * 1764.9 4492.1 2261.5 2000.0 2971.8 1447.7 1961 年 1925.0 3005.3 2222.0 2297.7 1050.2 953.8 1649.8 * 1185.7 3147.7 1310.4 2871.0 1944.4 2201.0 1962 年 2062.8 3419.5 2329.2 2261.2 785.8 946.7 1437.7 * 1405.7 4026.5 1578.7 1590.6 2382.9 1383.1 1963 年 1708.0 1944.3 1509.1 1703.0 660.2 1051.3 805.1 * 1557.9 4475.1 1202.7 754.1 2179.6 1042.8 1964 年 1370.7 3678.4 2406.3 2675.9 329.7 875.0 863.8 * 1128.8 2821.6 1129.6 1593.3 1495.8 1974.3 1965 年 1569.6 3352.4 2311.7 2588.0 733.9 1265.7 1138.5 * 1566.9 3769.1 1197.9 1208.4 2135.6 1226.3 1966 年 2326.9 3851.4 1456.6 3026.8 1099.3 1583.8 1405.6 * 1655.2 5713.6 2027.9 1664.4 2630.5 1750.0 1967 年 1643.7 3584.2 2803.4 2810.7 812.8 1290.7 1492.4 * 1283.5 3014.6 1161.8 1793.6 1975.7 1684.7 1968 年 2020.8 3234.7 2467.3 2448.0 1354.2 2090.5 2044.2 * 1741.0 3787.1 1858.6 2739.9 2303.0 2772.7 1969 年 2550.1 3459.1 2376.4 3061.4 1289.8 1404.6 1141.8 1413.5 1617.5 3746.2 2372.0 1861.7 2032.8 1917.1 1970 年 2436.3 4854.6 2093.2 3475.1 853.7 1373.6 1512.0 1423.0 1694.9 2925.0 2315.2 2580.0 2429.7 1860.9 1971 年 1462.9 3172.0 2398.8 3481.9 698.0 1045.9 885.7 1451.5 1050.4 3067.4 1270.4 1594.1 1485.7 2093.0 1972 年 2422.5 2839.3 2072.5 2559.6 1458.4 2506.5 2108.3 2554.3 2338.1 5881.2 2023.2 2124.9 3278.3 1765.6 1973 年 1794.6 3465.0 2199.2 2602.5 1439.4 1556.6 1928.9 1884.2 1488.6 3782.6 1633.3 2504.6 2217.3 2600.9 1974 年 2366.9 4825.8 3116.1 3982.1 1196.8 1560.5 2681.0 1717.0 1606.9 4519.8 2275.8 3440.4 2714.1 3155.8 1975 年 2409.9 3436.7 2100.5 2226.2 1456.9 2380.0 2199.5 2357.9 1688.7 4720.0 2334.9 2070.6 2767.0 1551.1 1976 年 1620.3 2643.1 1321.5 2201.6 609.3 1457.5 1126.4 1464.8 2064.8 4728.6 1694.9 1137.5 2547.2 1978.4 1977 年 2486.7 3663.6 1940.5 2322.1 1078.5 3112.0 2793.9 2714.7 2073.7 5167.4 1850.8 2073.5 2645.8 1887.0 1978 年 2018.8 3691.1 2044.1 2671.2 657.5 1251.4 1145.6 1662.9 1357.7 4754.6 1894.3 1925.3 2432.8 1796.1 1979 年 2333.6 3193.1 1266.0 2139.1 648.6 1471.6 1481.2 1823.8 1561.3 4117.9 1772.6 2080.0 2565.2 1336.1 1980 年 2160.6 3514.9 1723.7 2153.3 531.3 530.7 572.8 878.8 1017.5 2239.6 1280.3 888.7 1576.2 817.5 1981 年 2289.9 3798.5 2228.9 2780.5 1232.8 1872.0 2276.9 2118.0 2234.5 4117.4 2428.3 2329.3 2989.1 1628.4 1982 年 2046.9 3240.7 1648.7 2284.9 1118.7 1861.5 1695.2 1436.2 1525.4 3502.8 1808.6 1663.8 2178.3 1438.4 1983 年 2251.5 3464.3 1556.4 2729.1 1046.7 1939.6 2230.5 1743.6 1743.0 4071.2 2344.7 1772.1 2500.0 998.4 1984 年 2711.3 4836.2 2245.9 3238.1 761.9 1373.3 1628.5 1379.1 1547.8 3229.7 1961.8 2194.0 2198.4 2181.4 1985 年 2487.9 4322.8 2495.8 3233.1 1050.3 1391.6 1995.6 1625.8 2074.4 4133.4 1976.0 2418.4 2808.1 2015.1 1986 年 2605.6 4586.9 2396.4 2878.6 982.1 1588.8 1622.1 1427.3 1528.6 3476.4 2226.7 1706.5 2506.5 1733.8 1987 年 2219.1 4260.1 2327.6 2393.7 777.0 1347.7 1554.4 1282.9 1393.6 3588.3 1488.0 2164.0 2432.4 1480.5 1988 年 2821.2 4555.9 2997.3 4278.6 670.6 2099.3 1935.6 1723.9 1212.3 3649.1 1421.7 2114.6 2004.1 2184.8 1989 年 2268.6 3598.4 2229.9 2749.8 879.7 1230.7 1382.6 1336.4 1639.1 3654.7 1613.0 1959.7 2348.0 1759.1 1990 年 2913.0 4452.3 3003.1 2936.2 1372.4 1578.7 1834.3 2127.9 2042.7 5019.3 2222.9 2126.7 2973.0 3202.1 1991 年 2215.9 3303.0 1795.1 2546.0 582.8 1694.3 1810.3 1187.4 979.1 3094.0 1207.2 2449.6 1542.5 2277.9 1992 年 2391.9 3668.0 2520.9 2731.2 1021.7 2324.7 1973.7 2039.6 1791.3 4627.9 1784.5 1696.6 2435.4 1373.8 1993 年 1745.0 3053.6 989.0 1937.5 726.0 1211.3 1083.5 1347.8 1110.6 2641.8 1353.2 994.2 1852.0 1281.1 1994 年 2043.7 3458.5 1997.5 2969.1 601.6 2106.5 2470.0 2197.6 2027.6 4037.7 1836.5 1651.4 * 1870.3 1995 年 1716.7 2881.9 2181.9 2279.3 913.0 977.6 1134.1 1028.9 1376.0 2673.1 1211.1 2099.0 2239.9 1742.9 1996 年 2248.1 3927.5 2707.5 2966.8 867.1 1025.8 1107.4 1566.2 1615.7 4647.0 1604.6 1380.7 2439.9 1707.9 1997 年 2580.6 3206.1 1503.7 1836.3 682.9 1985.6 2118.4 2297.9 1965.6 3606.6 1959.5 1866.0 2423.7 1191.8 1998 年 4404.7 5438.1 3557.5 4945.3 1256.4 1846.8 2433.9 2446.7 2177.3 4364.2 2088.3 2650.3 3065.3 2418.9 1999 年 1958.1 2746.7 1677.0 2193.5 1054.6 2135.2 2763.6 1603.6 1389.4 3074.9 1157.1 3072.1 * 2107.2 2000 年 2744.0 5404.4 2459.5 4209.8 1144.0 1754.3 1569.0 1350.5 1796.7 3099.8 1760.6 2326.6 1954.6 2102.

第二章 雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討

隨著全球氣候的變遷，台灣地區長期降雨量之趨勢亦有所變動，根據吳 明進(1994)分析（文獻 A-3）：台灣降水呈東部、北部增加，西南部減少的 細微結構差異。而根據程萬里(1995)分析（文獻 A-4）：台灣降水趨勢東北 部有顯著增加，而西南部有顯著的減少，兩者皆發生在主要降水期，即東北 部在冬季，西南部在夏季。另根據賴威志(1999)分析（文獻 A-5）：未來台 灣地區降水較多地區和降水較少地區的降水量差距會增大，降雨量一向較多 的山區降水將逐年減少。

將 14 個測站之降雨量統計，得表 2-1.2 之結果。初步發現台北、基隆、

花蓮、宜蘭、新竹、台東測站呈上升趨勢，其中基隆上升最為顯著；台中、

嘉義、台南、高雄、日月潭、阿里山、恆春、澎湖測站呈下降趨勢，其中以 阿里山下降趨勢最為顯著，可知近 60 年來台灣東部、北部降雨量都有增加 之現象，中、西南部呈降雨量減少的現象，此結果與程萬里等（文獻 A-4）

「台灣地區氣候環境變化趨勢」研究結果相差不大。

表 2-1.2 十四個測站年降雨量 5、10、30、50、100 年平均值

台北 基隆 花蓮 宜蘭 澎湖 台南 高雄

近 100 年平均值 2123.7 * * * 996.8 1736.2 * 近 50 年平均值 2198.7 3727.1 2159.3 2797.6 962.6 1636.2 1707.9 近 30 年平均值 2324.7 3755.0 2156.8 2815.2 950.6 1673.9 1784.8 近 10 年平均值 2404.9 3708.8 2139.0 2861.5 885.0 1706.2 1846.4 近 5 年平均值 2787.1 4144.6 2381.0 3230.3 1001.0 1749.5 1998.5

嘉義 台中 阿里山 新竹 恆春 日月潭 台東 近 100 年平均值 * 1701.3 * * 2168.4 * 1830.1

近 50 年平均值 * 1636.4 3898.4 1721.4 2064.4 2349.5 1841.0 近 30 年平均值 1725.9 1647.3 3909.6 1782.8 2015.8 2397.2 1855.9 近 10 年平均值 1706.6 1622.9 3586.7 1596.3 2018.7 2244.2 1807.4 近 5 年平均值 1853.0 1788.9 3758.5 1714.0 2259.1 2470.9 1905.6

*表示無記錄資料

第 二 節 降 雨 類 型 分 區 方 法

系統供水量的大小關係到屋頂雨水貯集系統的成敗，所以在設計屋頂雨 水貯集系統時，必須充分了解影響系統供水變化的因素。根據 Liaw（2004）

的研究，會影響雨水貯集供水系統之主要因素包括：取水模式、取水間距、

需水型態、降雨型態、降雨收集效率係數及降雨資料記錄年限等。

影響因素中，取水模式、降雨收集效率係數及降雨型態對系統容量設計 較敏感，故需進一步討論。需水型態雖有因季節的不同而改變，但變動幅度 並不大，對系統的影響較不明顯，而以日平均需水量計算即可（Liaw, 1997）；

取水間距與降雨資料記錄年限的長短會影響系統供水率的準確度，取水間距 愈短運算較為複雜但較符合實際用水情形，降雨資料記錄年限愈長系統愈趨 於穩定，至少應為 50 年以上較為妥當（Liaw, 2004），然因各地區雨量站記 錄年限不一，本計畫擬以超過 40 年連續降雨紀錄雨量站進行分析。

1.取 水 模 式 分 析

在取水模式中，由供水率的觀點來看，是以「體積」來作考量，不同的 取水模式會對系統提供不一樣的供水率，模擬系統實際運轉時的取水狀況，

有兩種取水模式，其一是先取水後溢流模式(YBS Model，Yield before spill model)，另一種模式為先溢流後取水模式(YAS Model，Yield after spill model)。

所謂 YAS Model 的取水操作規則可表示為：

Yt = Min (Dt ，S t-1 ) （1）

St+1 = Min (St-1 + Qt ，Smax) – Yt （2）

而 YBS Model 的取水操作規則可表示為：

Yt = Min (Dt ，S t-1 ) （3）

第二章 雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討

St+1 = Min (St-1 + Qt- Yt ，Smax) （4）

式中：St+1、S t-1：分別為 t+1 時刻與 t-1 時刻的儲蓄量； Yt ：t 時刻的供水 量； Qt ：t 時刻的入流量； Dt ：t 時刻的需水量； Smax ：貯水槽最大容量。

兩種不同取水模式會對系統供水造成不同結果，YAS Model 模擬的供 水率較小，因為 YAS Model 是先確定是否溢流再取水，所以在前一時刻入流 量加蓄水量大於系統貯蓄容量狀況下，其下一時刻的蓄水量會比 YBS Model 的小，因此本研究選用 YBS Model 作為系統取水操作模式以提供較好的供 水率。

2.降 雨 收 集 效 率 係 數 的 影 響

降雨收集效率係數會受到坡度、地理位置、季節、降雨強度、集水面積 與形狀等因子的影響，同時研究中也發現降雨收集效率係數對系統容量設計 極其敏感，廖朝軒（1997）曾針對 5 種不同型式屋頂進行現場實驗分析降雨 收集效率係數對屋頂形狀與降雨量之改變情形，此系統設置在國立台灣海洋 大學理工學院內，試驗系統包括 4 個主要子系統：屋頂雨水收集、雨水水質 採樣、雨水貯存及雨量觀測系統。

研究之屋頂型式採用人字型、水泥平頂型、人字模型、圓弧模型及鋸齒 模型 5 種型式進行實測雨量分析，經過一年的試驗結果如表 2-2.1 所示，而 由各實測分析結果，C 值介於 0.81～0.84 間，故本計畫擬以水泥平頂型式 C

＝0.81 進行後續分析。

表 2-2.1 不同屋頂型式之降雨收集效率係數之變化

型式 人字型 水泥平頂 人字模型 鋸齒模型 圓弧模型

分析資料個數N 84 90 93 79 87

平均值C^* 0.82 0.81 0.84 0.83 0.81 變異數_σC² 0.076 0.068 0.064 0.095 0.066

)

第二章 雨水貯集利用法制化降雨類型分區探討

聚類檢定是為了測試各組間有無差異性。要檢定兩群組間有無差異性所 使用的方法是 t 檢定（t-Test），對於三組或三組以上平均值的檢定，則必須 使用變異數分析（Analysis of Variance；ANOVA）。變異係數分析是一種用 以檢定幾組獨立群體相似與否的一種統計分析方法，主要是利用各群資料的 變異狀況來檢驗各群的差異，總變異可分為群內變異和群間變異。聚類分析 之結果適當與否，有下列兩原則加以檢定：

(一) 群內之變方應為最小（即均一性）。

(二) 群間之變方應為最大（即異質性）。

將組間均方值除以組內均方值，即得到 F 值。本研究以α ＝0.05，F 的 臨界值可由查 F 分配表得知，若所得的 F 值大於臨界 F^＊值，則代表

( _{− −} ))<α (F_{K 1,N K}

P ，表示分組結果是可以接受的，若所得的 F 值，小於臨界 F

＊值，則代表各組之間並無差異，必須重新分組。

本研究利用 SPSS 統計套裝軟體，採用動態聚類分析中的 K 均值法進行 分群，而分析中之變數若採用月或年之平均降雨量來作分析，所產生之結果 無法明顯看出實際降雨分佈情形；採用日降雨量雖與實際用水情形較為相 近，但會因資料太過龐大，增加計算的負擔，所以將以各雨量站 40 年之平 均旬雨量作聚類分群分析之變數。

以台灣北部地區為例，本計畫採用現存雨量站中記錄年數完整且連續達 40 年以上之站，共選取 58 站，分別為台北市 3 站，台北縣 12 站，基隆市 1 站，桃園縣 16 站，新竹市 1 站，新竹縣 12 站及宜蘭縣 13 站；經不斷決定 計算不同初始分類數，最後將 58 個雨量站分作 7 類，表 2-2.2 統計出第一、

二、三、四、五、六、七群體分別有 1、16、9、1、2、17、12 站。表 2-2.3 為台灣北部地區降雨型態聚類檢定結果，當α ＝0.05 時， F^＊0.05(6,51)之值為

二、三、四、五、六、七群體分別有 1、16、9、1、2、17、12 站。表 2-2.3 為台灣北部地區降雨型態聚類檢定結果，當α ＝0.05 時， F^＊0.05(6,51)之值為