第三章 PCSWMM應用於透水性鋪面基地保水量之模擬
第一節 PCSWMM模式介紹
一、PCSWMM簡介
在 1995 年 Thompson 和 James 證實透水鋪面回收暴雨所產生的表面逕流，
但卻也考慮到透水鋪面的滲透能力不如天然的透水面積入滲效率高，因為透水鋪 面鋪設於市區中，需考慮到街道灰塵的阻塞，故美國環境保護署創造了一套全名 為Computer code called PCSWMM for Permeable Paves，簡稱為 PCSWMM，專門 計算透水鋪面效益所使用之模式。
PCSWMM 程式採用視窗化的介面，方便使用者輸入所需參數，建立透水鋪 面模型，經由程式執行輸出結果分為書面報告與圖型兩種，可由書面報告得知降 雨量、表面逕流量、基底層排水量、路基深層入滲量、底層最初含水量與底層最 終含水量之相互關係，而由輸出圖型得知透水鋪面各時間點之表面逕流量、基底 層排水量、底層保水狀態與降雨曲線四種圖形，經由輸出結果分析後可得知此透 水鋪面於各降雨量下所得之效益。
二、PCSWMM模型理論 A.模型結構介紹
鋪面主體結構分為面層、底層與路基層三大部分，而透水鋪面也是以這三個 單元做為基本架構，但功能則與一般傳統路面不同。一般設計透水鋪面面層之滲 透係數至少大於 10-2cm/sec，理想狀態下降雨需要一小時降 360mm 之大雨才會 有表面逕流產生，故往往透水鋪面與降雨時雨水通常會渗至底層，直至底層達到 飽和無法容納水量，而造成表面逕流。而由面層入滲至底層之水量經由一段時 間，會慢慢入滲至路基層而變成地下水。
PCSWMM 程式考慮透水鋪面水流動不同於一般傳統路面，故將透水鋪面模 型分為四大單元，分別為承受降雨使雨量往下入滲之面層，容納面層雨量往下入 滲之底層，底層因需考慮有多少孔隙可容納水量之問題，故將底層分為底層不飽 和區域與底層飽和區域兩單元。最後一單元為接收底層往下入滲雨量，進而計算 補助多少地下水之路基層，透水鋪面模型如圖3.1 所示。
圖3.1 PCSWMM透水模型
資料來源：Users guide to SWMM，2003。
B.模型排水型態介紹
水在透水鋪面之排水型態比一般傳統路面複雜，如降雨於面層時，分為面層 直接排除與入滲至底層兩種型態。若降雨直接入滲至底層，又分為底層不飽和區 域排水與飽和區域排水。水於不飽和區域排水方式只有直接垂直往下流動至底層 飽和區域一種。但底層飽和區域處理經由不飽和區域入滲至此區域之水，卻分為 兩種排水型態，其一為鋪築透水鋪面過程中，若底層有設計基底層排水設施，則 此透水鋪面可由基底層排水系統將水排入排水設施，另一種型態為直接滲入路基 深層，補注地下水量。總結上面所述，PCSWMM 排水型態總共分為表面逕流、
面層入滲、底層飽和區滲透、底層基底層排水與深層路基滲漏五種，如圖3.2 所 示。
圖3.2 PCSWMM排水型態
資料來源：Users guide to SWMM，2003。
三、PCSWMM操作步驟
經由視窗介面引導使用者輸入所需參數。此一程式經由視窗介面引導使用者 輸入所需參數，故此小節介紹 PCSWMM 軟體操作步驟，解釋各輸入之參數所 代表之意義。
圖3.3 PCSWMM參數輸入流程圖
資料來源：本研究整理。
A.單位選擇
進入程式的第一個視窗，使用者選擇此次模擬透水鋪面所使用之單位，有英 制單位與公制單位作為選擇，也經由此一步驟定義了此次透水鋪面所使用之單 位，介面如圖3.4 所示。
圖3.4 單位選擇輸入
B.面層參數輸入
面層參數有四個需要輸入，分別為透水鋪面面積、洩水坡度、最大排水長度 和透水情形，如圖3.5 之介紹前分別敘述如下：
(1)鋪面面積（permeable pavement area）
第一個參數為設定此透水鋪面之面積(A)，底層和路基層參照面層所輸 入之面積，於以下各步驟視窗中不再設定面積參數。
(2)洩水坡度（average slope）
第二個參數為輸入洩水坡度，以百分比做表示，通常人行道洩水波度考 慮到行人之舒適性，故人行道之洩水坡度通常設於1%~3%之間。
(3)排水長度（maximum length of overland flow）
第三個參數為表面逕流所流經的最大長度(L)，平行於洩水坡度。
(4)透水鋪面排水孔隙情形（age of installation）
透水鋪面排水孔隙為第四個輸入參數，共有六種情況可供選擇，程式內 建參數如表3.1。
(5)鄰近鋪面參數輸入
鄰近鋪面參數有四個需要輸入，分別為鄰近鋪面種類、鄰近鋪面面積、
鄰近鋪面洩水坡度和鄰近鋪面最大排水長度，如圖3.7。
圖3.5 面層參數輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
圖3.6 透水鋪面透水參數輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
圖3.7 鄰近鋪面參數輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
表 3.1 排水孔隙情形
排水孔隙情形 最小滲透速率 最大滲透速率
New Installation 190 mm/hr 200 mm/hr Cleaned to 24 mm 180 mm/hr 200 mm/hr Cleaned to 18 mm 160 mm/hr 200 mm/hr Cleaned to 12 mm 125 mm/hr 200 mm/hr Cleaned to 6 mm 50 mm/hr 175 mm/h Not cleaned 25 mm/hr 150 mm/hr
C.底層參數輸入
底層參數有四個參數需要輸入，分別為底層材料型態、底層深度、初始水深 和不飽和區域最初含水量，參數介紹分別簡敘如下：
(1)底層材料種類(type of base material)
底層材料種類為底層輸入第一個參數，有開放級配與透水混凝土兩種材料供 為選擇。
(2)底層厚度(depth of base material)
透水鋪面底層厚度定義為面層下緣至路基層上緣之距離。
(3)底層初始水深(initial depth of water in base material)
透水鋪面底層滲透係數和水深關係著底層排水性能，因為水於飽和土壤流動 比不飽和土壤慢，所以底層初始水深越深，則排水性能越差。
(4)不飽和區域初始含水量(initial moisture content of unsaturated zone)
不飽和區域初始含水量為底層輸入第四個參數值，輸入不飽和區域初始含水 量之值目的在於程式計算深層滲漏率。
圖3.8 底層參數輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
D.排水型態與路基層土壤種類
輸入參數的第四個步驟為飽和含水層基底層排水與路基深層滲漏，此兩種參 數分別敘述如下：
(1)基底層排水型態(type of lateral base drainage)
可供選擇的基底層排水型態有無基底層排水、排水緩慢與快速排水三種，而 三種基底層排水型態相對應的流動指數與流動係數，如圖3.9 所示。
(2)路基土壤種類(subgrade soil type)
於視窗下拉式選單中選擇土壤種類，其相對應之滲透係數位於進階選單。
圖3.9 排水型態與路基層土壤種類輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
E.雨量資料
輸入第五步驟為透水鋪面模型承受之雨量資料，程式執行結果成敗依據雨量 大小是否引發表面逕流作為判斷。
(1)降雨強度：
PCSWMM 軟體將美洲各大城市兩年降雨強度輸入為程式內定值，若下拉式 選單中無符合地區做選擇，則點選進階按鈕，點選進階按鈕後於視窗輸入所 分析地區降雨量資料。此視窗所代表意義為將一段時間內之降雨量分為 12 階段輸入，使用者將量測所得雨量資料輸入即可。
PCSWMM 軟體可分析一段時間內所作降雨，於圖 3.10 輸入量測所得降雨 延時，並將時間內所降之雨量分為12 階段模擬分析。
圖3.10 雨量資料輸入
資料來源：PCSWMM，2002。
F.程式執行與結果
當所有資料輸入完畢之後，進入如圖 3.10 視窗，按 Run-Model 鈕，
PCSWMM 程式即開始執行，當程式執行完畢後其鋪面模型將出現成功或失敗符 號，如圖 3.11 所示即為成功圖形，圖形成功表示透水鋪面於此降雨量下無表面 逕流產生。
(1)輸出書面報告按鈕
PCSWMM 程式執行輸出書面報告分為兩部份，第一部份為模型輸入資料，
包含透水鋪面實地架構、面層參數、底層參數、基底層排水參數、路基層參 數和降雨資料等。第二部份為將面層資料與底層資料兩部份細分，如表 3.2 所示，其面層資料包含總降雨量、總入滲量、總蒸發量、表面逕流量及窪地 貯流量。而底層資料包含基底層總排水量、路基深層入滲量、底層初始貯水 量及底層最終貯水量。
(2)輸出分析圖形按鈕
程式執行輸出圖形包含底層貯水-時間關係、降雨強度，如圖 3.12 所示。
圖3.11 輸入成功圖形
資料來源：PCSWMM，2002。
圖3.12 輸出分析圖形
資料來源：PCSWMM，2002。
表 3.2 程式輸出結果
項 目 資 料 內 容 總降雨量（Total rainfall）
總入滲量（Total infiltration）
總蒸發量（Total evaporation）
表面逕流量（Total runoff）
面層資料（Surface summary）
窪地貯流量（Remaining surface storage）
基底層總排水量（Total lateral base drainage）
路基深層入滲量（Total deep percolation）
底層初始貯水量（Initial storage in base）
底層資料（Subsurface summary）
底層最終貯水量（Final storage in base）