都市雨水貯集滯洪設施容量差別應用效益分析

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國立臺灣大學工學院土木工程學系碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering National Taiwan University

Master Thesis

都市雨水貯集滯洪設施容量差別應用效益分析 A Simulation Study on Utility Design of Urban

Rainfall Retention and Their Effectiveness

黃悅瑩 Yue-Ying Huang 指導教授：李天浩

Major Professor: Lee, Tim-Hau

中華民國 104 年 8 月

August. 2015

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摘要

本論文利用臺中市劉厝排水資料，模擬分析「建築物雨水貯留利用設計技術規範修正規定」，「建築技術規則建築設計施工篇」，「臺北市基地開發排入雨水下水道逕流量標準」，「低衝擊開發設計手冊」等規範與洪澇管理手段，並檢討設施不同應用策略和設計容量，在減少逕流量和淹水的效益。

根據觀測降雨歷線或設計雨型，以美國水土保持局（SCS, Soil Conservation Service）的曲線數法計算降雨損失，應用區塊運動波直接逕流模式（BKW, Block Kinematic Wave）計算逕流歷線，將其輸入並結合 SWMM（Storm Water

Management Model）的幹線輸水模組（EXTRAN Module），建立下水道和市街流兩個圖層，沿道路設置人孔，並在人孔處設置雙向銳緣堰，作為雙層排水系統根據水面高程交換流量的控制機制。設計降雨採用 Horner 公式的降雨強度－延時－

頻率函數，選擇重限期、計算各延時的降雨強度，並以水文設計應用手冊中的 SSGM 法設計雨型，建立評估檢討設施效益的設計降雨。

採用降低 SCS 法曲線數的方式，模擬低衝擊開發設施；雨水貯集滯洪設施則是使用溢流堰控制流量，若區塊逕流量超過設定流量，或市街渠流水深超過容許高度，便通過測流堰，進入雨水貯集滯洪設施。模擬分析顯示，若為短延時、低重現期降雨事件，設置低衝擊開發設施的逕流減量效益高於雨水貯集滯洪設施，

低衝擊開發可以同時削減總逕流量和洪峰流量；若為長延時降雨事件，設置雨水貯集滯洪設施的效益較佳。

若採用空間均勻分布策略設置雨水貯集滯洪設施，則上游因逕流量不大，淹水深度沒有達到於流入標準，多未使用。以中游減（逕流）量概念設置的雨水貯集滯洪設施，多數容積也未使用，使用的容積多在局部低漥或出流口附近；且模擬結果顯示，淹水是先進入局部較低漥處雨水貯集滯洪設施，當此設施滿載後才

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會進入附近另一個雨水貯集滯洪設施。顯示若有可能，雨水貯集滯洪設應該優先設置在低窪的易積淹水路段。分析模擬結果，建議都市內水防澇減災管理策略，

可略作為上游減量、中游滯澇、下游防澇。

關鍵詞：逕流減量設施、雨水貯集滯洪設施、低衝擊開發、SWMM、區塊運動波直接逕流模式

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Abstract

This thesis simulates and analyses the regulations and strategies about flood management, including “Regulation Amendment for Building Rainwater Harvesting, Reuse, and Detention, Design and Technical Specifications”, “Building Technology Rules, Design and Construction articles”,”Taipei Construction Site Rainwater Drainage Standard”,“Low Impact Development Design Handbook”, with drainage system data of Liu Cuo in Nantun Dist., Taichung Country. Therefore, we examine their effectiveness in reducing runoff and peak flow.

The effective rainfall time series are processed by the curve number method of SCS. And thesis time series are the input of BKW model which can calculate and output runoff time series. Then combining with EXTRAN module in SWMM, we construct two layer drainage system, sewer system and street system, as well as importing the dates from BKW model. Two layers in SWMM are connected by weirs, which can simulate the phenomenon that the flow in sewer system overflow to streets or flow in the street system backflow to sewers. Then thesis evaluates the strategy and facilities with BKW+SWMM model and design hyetographs, which are built from Horner’s equation and SSGM with local variables.

About simulating facilities, decreasing the curve number performs the change after applying Low Impact Development and establishing the storages and weir in SWMM present the region installing rainfall retention space(雨水貯集滯洪容積= rainwater storage and retention volume).

From the simulation results, Low impact development is effective when the total rainfall volume are relative small. However, rainfall retention space can effect reduce

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the peak flow which the drainage system can’t bear. Additionally, there is a phenomena that if we set rainfall retention space and let them distribute evenly in space, there are specific ones be used which are located in lower elevation area or closed to the ends of sewer.

According to the analysis of simulation results, this thesis proposes the flood management in urban area can be “reducing volume in upstream, retaining flood in midstream and preventing flood in downstream”.

Key Words : SWMM、BKW、LID、Rainfall Retention Space

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VII

圖目錄

圖 1-1 世界年總降雨量 (資料來源：World Bank) ... 2

圖 1-2 滯洪空間削減逕流目標示意圖 ... 3

圖 1-3 洪水來源示意圖(RIBA, 2009) ... 5

圖 1-4 日本東京地區外圍琦玉縣地下所設置地下滯洪排水系統(巨廷, 2013) ... 9

圖 1-5 神田川水系廟正寺川調節池(平時：左圖；洪水時期：右圖) ... 9

圖 1-6 德國 Kronsberg 地區施作低衝擊開發設施(巨廷, 2013) ... 10

圖 1-7 改良之 JW 工法上視圖 ... 11

圖 1-8 改良之 JW 工法側視圖 ... 11

圖 1-9 改良之 JW 工法溝渠設置 ... 12

圖 1-10 改良之 JW 工法剖面透視 ... 12

圖 1-11 住家入口處設置擋水板(臺北市信義區公所) ... 12

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X

圖 1-12 住家式圍牆成為防淹堤防(RIBA, 2009) ... 12

圖 1-13 提高建築物高程示意圖(RIBA, 2009) ... 13

圖 1-14 高腳建築物示意圖(巨廷, 2013) ... 14

圖 1-15 美國利用街道排水情形(郭純園，巨廷 (2013)) ... 14

圖 1-16 哥本哈根集雨街計畫(巨廷, 2013) ... 15

圖 1-17 臺灣人口分布點圖，套疊地形圖(國立臺中女中 GIS 中心) ... 16

圖 1-18 北部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)... 18

圖 1-19 中部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)... 18

圖 1-20 南部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)... 18

圖 1-21 夏季午後雷雨量變化示意圖 ... 19

圖 1-22 BKW 斜板單元計算示意圖 ... 21

圖 1-23 BKW S－Q 曲線 ... 22

圖 1-24 BKW 區塊串聯計算示意圖 ... 22

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XI

圖 2-1 研究架構流程圖... 25

圖 2-2 劉厝排水系統與下水道子集水區分佈圖(巨廷與宋長虹, 民 102 年) ... 28

圖 2-3 劉厝地區觀測系統佈置圖(巨廷與宋長虹, 民 102 年) ... 29

圖 2-4 模擬範圍與集水區劃分 ... 30

圖 2-5 劉厝地區高程... 31

圖 2-6 施作增加入滲損失類設施逕流示意圖(總降雨量較低情境) ... 32

圖 2-7 施作增加入滲損失類設施逕流示意圖(總降雨量較高情境) ... 33

圖 2-8 施作設置逕流量標準類設施逕流示意圖 ... 33

圖 2-9 SWMM&BKW 模式示意圖 ... 36

圖 2-10 下水道系統圖層與節點 ... 37

圖 2-11 街道系統圖層與節點 ... 38

圖 2-12 BKW 區塊化分圖 ... 41

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XII

圖 2-13 道路簡化後模擬剖面 ... 42

圖 2-14 SWMM 街道結合下水道單元示意圖 ... 42

圖 2-15 SWMM 街道結合下水道單元剖面示意圖 ... 43

圖 2-16 SWMM 街道結合下水道 SWMM 內設置圖 ... 43

圖 2-17 民國 102 年 5/17 降雨量與觀測站流量歷線 ... 45

圖 2-18 民國 102 年 8/29 降雨量與觀測站流量歷線 ... 45

圖 2-19 5/17 觀測站 L2 檢定結果 ... 47

圖 2-20 5/17 觀測站 L6 檢定結果 ... 47

圖 2-21 8/29 觀測站 L2 驗證結果 ... 48

圖 2-22 8/29 觀測站 L6 驗證結果 ... 49

圖 2-23 SWMM 街道結合下水道與設置地下滯洪體積於 SWMM 內設置圖 ... 51

圖 2-24 SWMM 街道結合下水道與設置地下滯洪體積於剖面示意圖 . 52

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XIII

圖 2-25 SSGM 設計降雨降雨延時 1.5 小時(90 分鐘) ... 53

圖 2-26 SSGM 設計降雨降雨延時 12 小時(720 分鐘) ... 53

圖 3-1 延時九十分鐘五年重現期模擬結果 ... 55

圖 3-2 延時九十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施模擬結果 .... 56

圖 3-3 延時九十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施所減低淹水深度 ... 57

圖 3-4 延時九十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QA 逕流差異比較 ... 58

圖 3-5 延時九十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異比較 ... 58

圖 3-6 延時九十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QC 逕流差異比較 ... 59

圖 3-7 延時九十分鐘二十五年重現期模擬結果 ... 60

圖 3-8 延時九十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施模擬結果

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XIV

... 61

圖 3-9 延時九十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施所減低淹水深度 ... 62

圖 3-10 延時九十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QA 逕流差異比較 ... 63

圖 3-11 延時九十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異比較 ... 63

圖 3-12 延時九十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QC 逕流差異比較 ... 64

圖 3-13 延時七百二十分鐘五年重現期模擬結果 ... 65

圖 3-14 延時七百二十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施模擬結果 ... 66

圖 3-15 延時七百二十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施所減低淹水深度 ... 67

圖 3-16 延時七百二十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QA 逕

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XV

流差異比較 ... 68

圖 3-17 延時七百二十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異比較 ... 68

圖 3-18 延時七百二十分鐘五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QC 逕流差異比較 ... 69

圖 3-19 延時七百二十分鐘二十五年重現期模擬結果 ... 70

圖 3-20 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施模擬結果 ... 71

圖 3-21 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施所減低淹水深度 ... 72

圖 3-22 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QA 逕流差異比較 ... 73

圖 3-23 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異比較 ... 73

圖 3-24 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置雨水貯集滯洪設施 QC

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XVI

逕流差異比較 ... 74

圖 3-25 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發模擬結果 ... 76

圖 3-26 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發所減低淹水深 ... 77

圖 3-27 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QA 逕流差異比較 ... 78

圖 3-28 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QB 逕流差異比較 ... 78

圖 3-29 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QC 逕流差異比較 ... 79

圖 3-30 延時九十分鐘二十五年重現期設置滯洪空間與低衝擊開發模擬結果 ... 80

圖 3-31 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施所減低淹水深度 ... 81

圖 3-32 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪

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XVII

設施 QA 逕流差異比較 ... 82

圖 3-33 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異比較 ... 82

圖 3-34 延時九十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施 QC 逕流差異比較 ... 83

圖 3-35 延時七百二十分鐘重現期二十五年設置低衝擊開發模擬結果 84

圖 3-36 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發所減低淹水深 ... 85

圖 3-37 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QA 逕流差異比較 ... 86

圖 3-38 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QB 逕流差異比較 ... 86

圖 3-39 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發 QC 逕流差異比較 ... 87

圖 3-40 延時七百二十分鐘重現期二十五年設置雨水貯集滯洪設施與

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XVIII

低衝擊開發模擬結果 ... 88

圖 3-41 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施所減低淹水 ... 89

圖 3-42 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施 QA 逕流差異 ... 90

圖 3-43 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施 QB 逕流差異 ... 90

圖 3-44 延時七百二十分鐘二十五年重現期設置低衝擊開發與雨水貯集滯洪設施 QC 逕流差異 ... 91

圖 3_45 策略性設置雨水貯集滯洪設施和低衝擊開發設施... 92

圖 3-46 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施和 LID QA 逕流差異 ... 93

圖 3-47 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施和 LID QB 逕流差異 ... 94

圖 3-48 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施和

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XIX

LID QC 逕流差異 ... 94

圖 3-49 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施後淹水模擬結果 ... 95

圖 3-50 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施後淹水降低效益 ... 96

圖 3-51 重現期 25 年延時 90 分鐘設置逕流減量設施 QA 逕流 ... 98

圖 3-52 重現期 25 年延時 90 分鐘設置逕流減量設施 QB 逕流 ... 98

圖 3-53 重現期 25 年延時 90 分鐘設置逕流減量設施 QC 逕流 ... 99

圖 3-54 重現期 25 年延時 720 分鐘設置逕流減量設施 QA 逕流 ... 99

圖 3-55 重現期 25 年延時 720 分鐘設置逕流減量設施 QB 逕流 ... 100

圖 3-56 重現期 25 年延時 720 分鐘設置逕流減量設施 QC 逕流 ... 100

圖 A-1 熱島效應熱能來源示意圖(Rizwan et al., 2008) ... 117

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XX

表目錄

表 1-1 1970~2006 侵臺颱風劇烈降雨排名前 10 名颱風，23 站整場降

雨平均排名(周仲島, 2009) ... 17

表 2-2 民國 102 年 5/17、8/29 總雨量和觀測站流量詳細資料 ... 44

表 2-3 檢定結果中參數資料 ... 46

表 2-3 檢定結果中模擬效益 ... 48

表 2-4 驗證結果 ... 49

表 2-5 低衝擊開發設施設置後 CN、S 變化 ... 50

表 2-6 不同延時與重現期設計降雨 CN 值相對應的有效降雨和總雨量比值 ... 50

表 2-7 Horner’s Eq 參數 ... 52

表 3-1 雨水貯集滯洪設施設置減洪效益 ... 54

表 3-2 重現期 25 年延時 90 分鐘設置衝擊開發設施或水貯集滯洪設施減洪效益 ... 75

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XXI

表 3-3 重現期 25 年延時 720 分鐘設置衝擊開發設施或水貯集滯洪設施減洪效益 ... 75

表 3-4 重現期 25 年延時 720 分鐘策略性設置雨水貯集滯洪設施和 LID 效益 ... 93

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1

第一章緒論

第一節研究動機

人類傍水而居，河岸人口稠密，但是嚴重洪水發生時常重挫經濟，人口密集或是產業發展較完善的地區尤為嚴重。過往多著重於以工程建設抵抗洪水，如荷蘭著名的海堤，臺灣淡水河堤防和排水系統等；但是工程建設存在極限，堤防高度與下水道管徑不能無止境增建。全球暖化趨勢，在世界各地頻繁發生極端降雨事件，乃在現有基礎建設條件下，再發展出洪水管理的觀念，如提高透水鋪面比例，設置滯洪空間，以及將城市道路改為具有排水功能等方案。

臺灣各主要都會區，近年推動的洪水管理策略，例如臺北市引入日本河川流域洪水管理的「上游保水、中游減洪、下游防洪」策略，作為都會區的綜合治水策略(曾淳錚等, 2014)。「上游保水」是在都市排水分區上游山區或平地增加入滲，方法除了植樹外，還可設置類似 JW 工法或低衝擊開發設施等，將地表降雨透過大孔徑滲漏或排水管線，提升降雨量的入滲百分比率。「中游減洪」是設置滯洪設施、減少逕流量。「下游防洪」則包括防範外水洪氾災害，以及減少內水澇災損失。高雄市的策略是「治水三招再加一」，三招是「立體防洪、出流管制、海綿城市」，再加一是「降低農作及漁產損失」。其中，三招和臺北市的策略其實相同，唯不是從流域區段著眼，文字表達使用的手段；「立體防洪」是墊高或是高腳化建築物，「海綿城市」是指保水，「出流管制」是抑制逕流；再加一則是外圍非建地的減少澇災損失。

配合洪水管理策略的管理手段，包括低衝擊開發設施、雨水貯集滯洪設施等。國內陸續制定的相關規範，如《建築物雨水貯留利用設計技術規範修正規定》，和《建築技術規則建築設計施工篇》等；後者要求大面積建築基地開發(300 平方公尺以上)，需設置基地面積乘以 45 釐米雨量的滯留體積。《臺北市基地開發

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2

排入雨水下水道逕流量標準》(2013)則除了採用更高標準的每平方公尺 78 釐米雨量的滯留體積要求外，同時訂定雨水流出抑制設施標準，規定每平方公尺最大允許排放量為 0.0000173cms，或轉換為降雨強度 62.28mm/hr，即利用滯留體積儲存超過此強度降雨的逕流流出。

如圖 1-1 世界銀行所調查的年降雨量(World Bank, 2015)，綠建築與低衝擊開發等設施大多起源自歐美已開發國家，多為溫帶海洋性（西岸）氣侯或溫帶大陸型氣候，天氣溫和，年降雨量多為 1000 釐米上下，同時降雨時間上分布平均。

相較之下，臺灣年總降雨量約為歐美國家的兩至三倍，且單一颱風事件便可能在部分山區降下約千釐米的總雨量。除了降雨量和時間分配差異外，在古老大陸板塊的歐美已開發國家，河川較長、地勢較緩，逕流旅行時間數天至月餘；臺灣是由板塊擠壓形成的陡峻島嶼，坡陡流急，旅行時間往往只有幾小時，逕流歷線特性差異也很大。經濟部水利署(2002)調查臺灣地區年降雨體積約 900 億噸，但是約有 500 億噸左右逕流入海，說明了臺灣降雨強度高、時間集中、同時儲蓄體積少的特性。此外，臺灣土地面積約占全世界萬分之二，朱傚祖(2014)估計河川輸砂入海量占世界量百分之二，亦為臺灣坡陡流急特性極端的另一例證。

圖 1-1 世界年總降雨量 (資料來源：World Bank)

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3

歐美國家的低衝擊開發設施，往往兼具地下水補注功能，並無逕流進入設施的時機控制功能，原則上將所有的雨水導入，當容積填滿後則溢流出到雨水下水道，如圖 1-2 的降雨量或逕流量歷線示意圖，這樣的運用設計，通常設施會貯集圖中直線部分。若是在滯洪容量佔單一事件降雨總量比率不低的條件下，低衝擊開發設施亦可減少總逕流量，甚至有機會降低洪峰流量的效益。但是臺灣降雨強度高、時間集中、都會區地狹人稠，滯洪空間容量僅佔事件降雨總量很低比率的條件下，設施容積需要用來抑制洪峰流量或尖峰降雨，即如圖 1-2 中斜線範圍的雨量，此時便須設計雨水貯集滯洪設施的流入時機，透過控制達到減峰目的。

圖 1-2 滯洪空間削減逕流目標示意圖

都市內水治水策略的目標多是降低地表淹水機率，但是任何方案都有其設計重現期，意即發生高於降雨事件重現期設計標準時，地表仍會淹水。美國丹佛社區的下水道排放約 10 年重現期的降雨－逕流量，若是流量超過下水道輸水能力，淹出路面，則由設計由道路輸送多出的雨水，道路的路緣石(curb)高度以下作為輸水明渠，可以輸送約 25 至 50 年重現期事件的降雨－逕流量；以路界為邊界的「道路明渠」則可排放約 100 年重現期的降雨－逕流量。山腳下道路的路緣石可能會高達 20cm，目的就是用道路作為排放山區流下的大流量。換句話說，

過去是由市政府水利單位在道路下方，建設 3 至 5 年重現期保護標準的下水道，

雨量

時間

逕流量

排水系統設計標準(包含下水道、邊溝與抽水站)

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4

是小排水系統（minor sewer system）；未來道路工程單位也要配合設計做好「路面排水系統」，使道路本身成為大排水系統（major sewer system），共同達到 10- 50 年重現期的降雨排水設計標準。

氣候變遷、降雨變大的趨勢下，因為都市不淹水的工程成本太高；所以，都市內水治水防澇的終極策略不再是「不淹水」，而是降低淹水損失策略，或是即使淹水也「不損失」，即如高雄市採取的「立體防洪」策略。作法如建築物基地墊高，在出入口處設置擋水階梯，或是設置擋水閘板等策略，皆可降低建築物淹水損失。當沿道路的一樓都按照水利單位劃設的「洪水基準線」，或是按照淹水潛勢圖的淹水深度設置擋水閘板時，同時可再將道路輸送雨水能力提高到 100 到 200 年重現期的內水保護標準。

除了使道路也能輸送雨水、淹水不進入建築物等設計外，也需要評估雨水貯集滯洪空間（micro system）的運用方式，即如圖 1-2 中的直線或斜線的兩個陰影區的差別效益，即是本研究的主要目的。

第二節文獻回顧 1.2.1 系統概念

傳統都市排水系統設計規範，主要是使系統達到排除某重現期降雨逕流量，

避免淹水的功能；若極端降雨事件的逕流量超過設計保護標準，滿出排水系統、

導致地表淹水，屬於超越工程保護標準的災害，便不在設計規範的考慮範圍內。

除了因應氣候變遷，也是設計規範觀念的進步，近年在雨水系統設計規範之上，

再發展出逕流抑制設施，例如低衝擊開發設計、雨水貯集滯洪設施等工程手段；

以及研發都市積淹水即時預警報系統，在發生淹水前若干時間通知淹水潛勢區民眾，以人員撤離地下空間、設置擋水閘板等措施，達到「雖然淹水但不損失」目

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5

標的避災、減災非工程手段。

圖 1-3 洪水來源示意圖(RIBA, 2009)

如圖 1_3(RIBA, 2009)，英國按照淹水來源或型式，將都市淹水區分為暴潮淹水(tidal flood)、逕流(pluvial)淹水、迴水(backwater)淹水、下水道滿管淹水

(flooding from sewer)、人造基礎建設淹水(flooding from man-made infrastructure)、

地下水(groundwater)淹水等六種。其中，逕流(pluvial)淹水是降雨強度扣除入滲等損失所產生的地表逕流，在進入排水系統前所造成的淹水，即是在可重力排水區的短暫「流經淹水」，水文上對應的概念和名詞是滯留容量(detention storage)水深所造成的淹水，淹水深度通常不大，可以使用運動波或擴散波模式，根據流量計算淹水深度。下水道滿管淹水，臺灣的水利名詞稱其為「排水不良淹水」，即從上游而下的逕流量，超過排水系統某局部段或主支流匯流點下游管渠，在均勻流假設下的重力傳輸能力，部分流量自下水道或排水系統滿出地表的淹水。迴水 (backwater)淹水是指下水道系統排入河川，因為河川水位或抽水站水位超過流量所對應的均勻流水深，導致系統排水能力下降，位於鄰近河川的低地淹水。「排水不良淹水」和「迴水淹水」的主要辨識方法，是前者通常較少發生在排水系統最下游。以臺北、臺中等鄰山區都會為例，「逕流淹水」通常位於山邊，即都市排水系統的最上游；「排水不良淹水」(下水道滿管淹水)發生在中游；「迴水淹

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6

水」發生在下游。「下水道滿管淹水」和「迴水淹水」都需要利用 SWMM 等模式，作系統模擬分析。

美國丹佛(Denver)將都市排水系統分為 Micro、Minor、Major 三個層次。

Micro 系統包含各式低衝擊開發和雨水貯集滯洪設施，目的是減少有效降雨或的逕流量；Minor 系統是指下水道系統，主要是蒐集和排除 Micro 系統無法吸納、

溢出的逕流量，在不考慮 Micro 系統條件的設計重現期約為五年；最後，Major 系統是指下水道滿管溢出地表時的市街、道路排水功能，加上道路的線性滯留體積，約可承受 100 年重現期降雨的逕流量。當街道成為排水系統其中一環時，必須設計使鄰街建築、設施，在某容許範圍內的淹水，不至於構成損失(郭純園, 2014)。

臺北市除了要求建築基地設置貯集滯洪設施容量為 78mm 乘以基地面積外，

還要求建築基地排出的最大流量不得大於 62.3mm/hr 乘以基地面積。最大可排出流量是以建築基地為單位作設計，設計方法可在基地排水出口處，用明渠轉為涵管，且涵管滿管重力排水量設計為 62.3mm/hr 乘以基地面積的方式控制；超過設計流量的部分，則採用明渠側溢的方式，流入建築基地的貯集滯洪設施。若貯集滯洪設施是以滯洪為主要目標，則因為空間降雨並非均勻分布，都市中僅部分區域的貯集滯洪設施容量，在削減貯集洪峰流量後便裝滿了設施容量；絕大部分建築基地的貯集滯洪設施容量仍有蓄水空間，還需要參考利用 SWMM 模擬設計暴雨事件的逕流結果，考慮都市排水系統的上、中、下游來檢討貯集滯洪設施容量運用規則和空間配置，得到以排水單元或都市整體的理想設計。

排水系統的上、中、下游需要相對應措施以外，現實爭中需考量空間中降雨不均之現象，局部區域發生較強降雨會對其周圍區域造成影響，需考量如何引導逕流到周遭之逕流減量設施，同時又不造成淹水情形擴散。

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7

1.2.2 逕流減量設施

此節主要是介紹各式逕流減量設施，逕流減量設施中以提升入滲率、滯留、

增加粗糙度等方式達到管控逕流、雨水，延遲洪峰抵達時間或降低洪峰流量，進而減少淹水發生機率；若出現高重現期降雨事件，導致路面淹水時，便以高程管理和道路排水方式處理流達或流經淹水，降低淹水可能造成的損失。

符合雨水貯集滯洪設施的設計有相當多，如 JW 工法鋪面、低衝擊開發設施、雨水貯留等，這些設施都有不同程度的逕流減量效果。

雨水貯留

《建築物雨水貯留利用設計技術規範修正規定》(詳細法條內容及相關探討請見附錄 A.1)針對綠建築所設計之規範，但當總樓地板面積低於一萬平方公尺，和非綠建築之建築物皆無強制作用。

雨水貯留設計須符合設計規範，依據建築物使用設計貯留體積，此設置門檻對於低樓層數之建築物不算嚴苛，但是當樓層數增加，建築物所需設置之貯留空間也會增大，且住宅類建物，須以戶數計算而非以居室樓地板面積計算，當居住密度越高所需設置貯水空間越大。但是當所計算單日替代自來水量高於當地均日雨量時，便只需以當地雨水日降雨量設計。技術規範中規定所設置雨水貯留體積需為當地日均降雨量或是每日設計替代自來水量的三倍。若是依據日均降雨設計，以日均降雨量最高的蘇澳(12.96 毫米)為例，單位面積所需貯存的雨量深度接近 39 毫米；中雨量地區如臺北市的日均降雨量為 6.59 毫米，單位面積需貯存約 20 毫米。

史健軍與高家偉 (2007)設計符合規範的實驗，評估得到雨水貯留設施所節省水費的效益並不高；原因是臺灣的水費低，每戶每月水費原為 250 元，其研究結

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果可節省水費分別為 43 與 27 元，相較於其他日常花費，其節省金額可能無法吸引人們投資裝設雨水貯留系統，不過若是配合政策推行，如提升水費，或是分段收費，抑或補助裝設等措施，以貯留雨水挹注中水系統之法可行性即可堤高，尤其是考量近年水情吃緊，可減少自來水廠及水庫的負擔。

Villarreal 和 Dixon (2005)研究提及世界各地雨水貯留使用情形，研究的建築物多為體育館等公共建築物，在某些案例中其自來水替代效用相當高，原因是其容積比較低，建築物屋頂收集雨水面積較大，如前文討論雨水貯留效率，若要維持一定自來水替代效率，樓層、樓地板面積、居住密度都是限制因子之一。

雨水貯集滯洪設施

新建大面積基地建築物，若未受山坡地之水土保持技術規範規範，都要遵守

《建築技術規則建築設計施工編 4-3 條》(詳細法條內容及相關探討請見附錄 A.2) 設置雨水貯集滯洪設施，而雨水貯留只限於規範綠建築不同，此法的施行針對的建築物較為全面，且其設置目標和雨水貯留空間不同，雨水貯集滯洪設施的容量主要是用於滯洪，與雨水貯留容量的目的減少自來水使用量的不同。

雨水貯集滯洪設施設計容量，是以建築基地面積計算，規定每平方公尺需設計 0.045 立方公尺，或深度為 45mm 的容量，若是以較高建蔽率 70%為例，屋頂面積每平方公尺至少需設計 64mm 的容量。而如前文，臺北地區的雨水貯留設施，設計容量約為 20mm 深度乘以屋頂面積；由此簡單計算可知，雨水貯留設施的設計容量，低於雨水貯集滯洪設施最低標準許多。

國際間有許多使用分洪設施，與本論文所探統的雨水貯集滯洪設施使用觀念相似，如日本東京外圍琦玉縣於地下所設置的滯洪排水空間，當東京附近河川水位達設置標準時，水會開始進入此地下蓄水空間(圖 1-4)，進而排入東京灣。神田川水系廟正寺川則於河道旁設置滯洪調節池(圖 1-5)，平時河川水位不高時會走一般河道(圖 1-5 左)，但是當暴雨發生，水位隨之增加，當水位高於溢流口時便會

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進入調節池(圖 1-5 右)。

圖 1-4 日本東京地區外圍琦玉縣地下所設置地下滯洪排水系統(巨廷, 2013)

圖 1-5 神田川水系廟正寺川調節池(平時：左圖；洪水時期：右圖)

若運用雨水貯集滯洪設施，削減尖峰降雨產生之逕流，故不會一開始就讓雨水佔有容積，雨水貯集滯洪設施應該盡量保持淨空，以免因為低強度降雨期間雨水滯留佔有空間，影響可配置使用的滯洪空間(Vaes and Berlamont, 2001)。雨水貯集滯洪設施體積管理模式，與充分利用雨水的雨水貯留體積設置目的相反，若是按照法規中所言，基地保水設施可部分取代雨水貯集滯洪空間，屋頂雨水收集管道也可合併施作減少成本，但是營建署法規可能需要制定較為詳細的貯留容積設

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置目的，是降低自來水用量還是減低洪峰為主?

低衝擊開發設施(Low Impact Development)

低衝擊開發起源於 1990s 初期，其宗旨為透過設置低衝擊開發設施，使已開發地區的逕流特性，儘可能使其接近未開發前的環境狀態。其方法是在微尺度範圍(micro scale)處理降雨，於設施中提升土壤入滲率或滯留雨水，達到降低降雨產生之地表逕流和汙染物排放量。低衝擊設施項目包羅萬象，設計方向為減少不透水面積或設置滯留空間，較常見有綠屋頂、樹箱、植生溝、雨水花園(EPA, 2000)。施行低衝擊開發，降低不透水面積，草地面積和生態池數量增加，可提升生態多樣性與減低熱島效應，雨水滯留再利用之部分，則符合水資源有效管理，

此外還兼有景觀功能。施作低衝擊開發設施效果見圖 1-6。

圖 1-6 德國 Kronsberg 地區施作低衝擊開發設施(巨廷, 2013)

設置綠屋頂、增加綠地面積，可以削減都市結構變化所增加之熱能，即使會間接減低空調產生的濕熱空氣，但是臺灣夏季時期溫度極高，空調使用在所難免，人為熱能因子仍然存在，若是當人為所產生的熱能遠高於綠化效應，低衝擊開發所能減緩的熱島效應可能較為有限。(相關探討請見附錄 A.3)

張富銘 (2015)以實驗評估於臺灣設置低衝擊開發設施，可以對五年重現期及

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以下降雨事件，達到某種程度延遲及降低洪鋒流量。但 EPA 並無將低衝擊開發效能無限上綱，其設置地區之地質、水文條件都會影響設施設置的效果，土壤性質、地下水水位、坡度都會影響低衝擊開發的減洪效果，且其無法完全替代傳統雨水管理之設施的功能，如雨水下水道、堤防等(EPA, 2000)。

參照 Low Impact Development Hydrologic Analysis(1999)，低衝擊開法設施減澇方式包含減低 Curve Number、延長集流時間、滯留和暫時拘留雨水。且 Pyke 等人 (2011)、Dietz 與 Clausen, (2008)研究表示，施作低衝擊開發，增加透水面積提升滲透率與逕流減少量成正比，本研究使用 Curve Number 表現施作低衝擊開發設施後地貌變化。

近年國內相當矚目之 JW 生態工法的「JW 防災空調導水鋪面」(品岱股份有限公司)也可達到基地保水的目的，此工法不受土壤砂石等介質入滲率侷限，其設計是在人工舖面上密集廣布水平導水溝和垂直導水管，將雨水有效導入地下空間。

若是搭配較複雜之入滲高度設計(如圖 1-7~1-10)(呂少驊 et al., 2015)，限制雨水流入時機，也可達到如雨水貯集滯洪設施類似雨水管理效果。如圖 1-9、圖 1- 10 中所設計，當雨水降至人行道時會先由溝渠收集再流至邊溝系統，但當降雨強度增加時，淹水深度高於路緣淹進人行道後，雨水始可經由高程較高的導水孔進入改良之 JW 工法地下空間。

圖 1-7 改良之 JW 工法上視圖 圖 1-8 改良之 JW 工法側視圖

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圖 1-9 改良之 JW 工法溝渠設置 圖 1-10 改良之 JW 工法剖面透視

都市高程與建築物空間使用管理

避免洪水進入建築物，使家具等有形財產毀壞造成損失，較為直觀的方法便是於入口處設置障礙物，如設置臨時沙包、擋水隔板(圖 1-11)、建設圍牆(圖 1- 12)，或是像捷運入口處加設階梯等方法。除了如上述所列於入口處設置阻擋物以外，整體提高樓地板高程(圖 1-13)，或如新加坡組屋（國宅）一樓空間低度利用等，皆為為防範之道，且無如臨時障礙物可能因阻擋不完全造成損失的情形。

圖 1-11 住家入口處設置擋水板(臺北市信義區公所)

圖 1-12 住家式圍牆成為防淹堤防(RIBA, 2009)

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圖 1-13 提高建築物高程示意圖(RIBA, 2009)

Botzen 等人 (2013)於荷蘭研究，若是每棟新建房屋投資加高基地高程，可將洪水損失風險減低至零，其所需成本低於荷蘭新建住宅價格二十分之一，約百分之五十當地民眾願意投資。雖然臺灣建築物形式和水文條件與荷蘭有所差異，

和荷蘭都市比較，臺灣都市建築物中高樓所占比例較高，基地加高之成本可分攤至每樓、每戶，故投資效益可能高於荷蘭。然而加高基地高層與設置阻水障礙物，若有較大洪水侵襲時，相同體積洪水量進入一處低窪區造成積淹，兩者因為阻擋洪水進入加高阻水住宅，只有無建築物之空地面積可接受淹水，故當建蔽率越高，淹水災情可能會越嚴重，即可能有以鄰為壑、間接加重災情的疑慮。

現代建築物出現前，於濕熱國家干欄式建築(高腳屋)相當普遍，如台灣和東南亞地區，此建築形式可防止動物、害蟲入侵外，兼具通風、避免濕氣或淹水等功能，有現代建築地面樓層也採用類似設計手法(圖 1-14)，於平時可做於市民活動空間，或是從事一些成本較低之商業活動，但於低頻率高強度降雨事件發生時，此空間便可做為臨時滯洪空間，且避免了上段所述建築物設計對洪水災情間接所造成的影響。

但若是處於坡度較陡或是低勢相對較高之地區，建議可以設置擋水板、圍牆或是提高建築物高程方式降低「下水道滿管淹水」所造成之損失。而經常發生

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「迴水淹水」之低窪或是靠近河岸地區，建議可考慮將地面樓層設置為地面滯洪空間，避免設置為住宅或進行高成本工商業活動等，可改設成市民共同活動廣場等。

圖 1-14 高腳建築物示意圖(巨廷, 2013)

道路排水

國外有些國家將都市道路納入排水系統，如美國丹佛地區，目的是處理重現期高於下水道設計之降雨事件，為了讓洪水沿街道排出，須於道路兩旁設置擋水障礙物以助形成渠道(圖 1-15)。(巨廷, 2013)

圖 1-15 美國利用街道排水情形(郭純園，巨廷 (2013))

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Guo (2000b)以道路排水為主題發表多篇相關研究，其曾以 Izzard Equation 計算道路水力半徑，繼而以 Manning Equation 計算道路排水流量，考量道路原先設計寬度、坡度和動量限制後，推求道路漫淹寬度、淹水深度與流速，建立道路排水演算基礎。Guo (2000a)也曾研究當邊溝設計為加蓋式，遭遇較高降雨強度時，

其排水能力會受邊溝入口輸水能力限制，進而從路口處開始淹水，其以堰流公式計算邊溝入口流量，進而推求淹水時間和淹水範圍，以及退水時間。

哥本哈根為了使都市可因應氣候變遷造成的極端降雨，利用一個人口稠密地區百分之二十原先是停車場或交通街道的土地，創造寬廣的綠色集雨街道，平時可做為綠色遊憩用地、自行車道與車道，但當強降雨事件發生，此低窪部分可作為蓄水空間，或排水通道，且於暴雨時可形成串聯的水路排洪(圖 1-16)(巨廷, 2013)。

圖 1-16 哥本哈根集雨街計畫(巨廷, 2013)

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1.2.3 臺灣環境條件

地形與人口分布位置

中央山脈為臺灣本島的主脊，高聳的山勢造就坡陡流急、山多平原少的地貌型態。按民國 104 年 5 月戶籍統計資料，臺灣現有人口約有兩千三百多萬人，但如圖 1-17 所示人口多集中於西岸平原都市，臺北、臺中、高雄分別為人口密度較高的都會區。因為地形與島嶼面積有限等因素，臺灣人口集中處與山區距離不遠，加上短距離內劇烈的高程變化，使得山區逕流至都市或出海口的旅行時間相當短，強降雨事件發生時常造成下游地區發生嚴重洪患，且洪水造成的過高的河川水位也會降低內水排出效率。

圖 1-17 臺灣人口分布點圖，套疊地形圖(國立臺中女中 GIS 中心)

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降雨

臺灣整體而言年總雨量約為 2500 毫米，但降雨地區和時間分配不均。雨水來源主要為五六月的梅雨，和七至九月的颱風降雨，此外冬季時期北部地區受東北季風影響，對北部地區降雨量也有貢獻，相較之下，冬季為中南部地區的枯水期。但近年來強降雨事件發生頻率與強度有上升趨勢，如表 1-1 所列西元 1970 至 2006 年間，全臺 23 測站平均總雨量最高前十名中有五件發生在 2000 年之後，顯示 2000 年後颱風所造成的強降雨事件機率上升(周仲島, 2009)；此外王婕妤 (2012)分析臺灣地區 1961~2010 單日最大降雨量變化趨勢，參見圖 1-18 ~ 1-20，

1991~2010 年間降雨強度有上升趨勢，北部地區變化並不明顯，但是中南部地區單日最大降雨量明顯增加；圖 1-21 則顯示臺北地區因為熱島效應，臺北夏季雷雨雨量和雷雨降雨事件上升(Chen et al., 2007)。

上段所列文獻佐證臺灣降雨型態與強度於近年來有變遷趨勢，且整體而言強降雨發生機率提升，於年降雨量無改變的情形，表示雨量更集中某幾個降雨事件當中，加重臺灣降雨原本時間上分配不均的現象。

表 1-1 1970~2006 侵臺颱風劇烈降雨排名前 10 名颱風，23 站整場降雨平均排名(周仲島, 2009)

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圖 1-18 北部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)

圖 1-19 中部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)

圖 1-20 南部地區年單日最大降雨量趨勢圖(王婕妤, 2012)

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圖 1-21 夏季午後雷雨量變化示意圖

P 為每年夏季總雨量，𝐏_𝑻𝑺為每年夏季午後雷雨雨量，∆𝐏每年夏季其他來源降雨量，𝐍_𝑻𝑺 (b 圖紅線)為每年夏季午後雷雨事件數。此圖顯示臺北地區午後雷雨雨量呈上升趨勢(Chen et al., 2007)

1.2.4 模擬評估系統

Storm Water Management Model 是臺灣下水道建設時較常使用的模擬系統。

SWMM 地表逕流量計算方法為，原始雨量扣除地表滯留與入滲後為有效降雨，

繼而以曼寧公式計算逕流歷線，計算速度雖較快，水理方面較為薄弱，使逕流與真實情況有些差距。SWMM 模式於管道計算能力是眾所公認，但無法表現流水至人孔冒管後於地面上的流向與淹水現象，只能將滿管水量貯存於節點，若要呈現二維淹水情形需要結合其他模式計算節點水量，如 Hsu et al. (2000)藉由輸出人孔出流歷線後，繼而以二維漫地流計算地表淹水情形，但是尚未考量退水時回流至下水道的現象，但於兩年後之發表文章(Hsu et al., 2002)則有考量街道、下水道雙向影響。林聖恩 (2011)以雙掃法解迪聖凡南方程式演算溢流至街道部分水量，

並在下水道還有多餘容積時，使其回流至下水道。但兩組人皆使用 SWMM 逕流

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模組，亦即假設集水區流出雨水皆完全流進下水道中，此假設並不貼近真實情況，當下水道接近滿管，或是降雨強度較高時，雨水並不會出流口等待，而是於地表以邊溝甚至街道進行輸送。

1.2.5 區塊化運動波直接逕流模式 BKW(Block Kinematic Wave Model)

胡修華 (2011)、游翔麟 (2013)、鍾文忠 (2015)持續開發改進區塊化運動波直接逕流模式模式，將過去以像元為網格，用數值方法計算集水區逕流的方式，

改為在不同強度穩態有效降雨強度下，以曼寧公式分別模擬漫地流與集中流，計算區塊內滯留體積和流量，建立區塊單元的 S－Q 關係曲線，將像元(DEM)推展至區塊尺度。

如圖 1-22 所示 θ 為斜板與水平夾角，S₀為斜板坡度，L_p為斜板長度，灰色部分 S 為積分所求單位寬度蓄水體積，依據穩態假設，出流量等於入流量(總雨量)，單位寬度出流量q_L(𝑥_𝑝) = 𝑖 ∙ 𝑥_𝑝∙ cos 𝜃(2-22)。根據動量方程式，斜板流量也可表示為q_L(𝑥_𝑝) = ¹

𝑛𝑆₀^1/2𝑦^5/3(2-23)，便得該降雨強度下斜板各處之水深，即可求出蓄水量。公式如下

S = ∫ y(x₀^L^p _p)dx_p = ∫ [^q(x^p⁾

1 nS₀

1 2

]

3/5 L_p

0 dx_p (1-1)

S = [^i∙x^p^{∙cos θ}

1 nS₀

1 2

]

3 5 5 8x_p

8 5||

0 Lp

(1-2)

S(L_p) = [^{i∙cos θ}1 n√S0]

3 55

8L^8/5_p (1-3)

(42)

21

圖 1-22 BKW 斜板單元計算示意圖

由於假設降雨強度為穩態，意即斜板上為逕流也為穩態，斜板上各處水深維持不變；用曼寧公式計算斜板上各位置的水深後，沿斜板積分各處水深，便可推求出在此穩態強度降雨下的斜板滯留蓄水體積（detention storage）。聯合不同穩態強度降雨下的斜板滯留蓄水體積和直接逕流量的關係，便可建立流量與蓄水體積之 S－Q 曲線 (圖 1-23)。圖中一條 S─Q 曲線為一區塊依據不同降雨強度之雨水滯留體積與逕流所建立，但因為區塊面積、坡度、曼寧糙度等並不一定相同，故建立不同的 S─Q 曲線。應用時便利用已建立的 S－Q 曲線，以類似水庫演算式 1-4，演算區域降雨－逕流歷線。

dS

dt = 𝑄_𝑜𝑢𝑡 − 𝑄_𝑖𝑛 (1-4) 模式以區塊為計算單位，實際情形中因為坡度等原因，區塊裡的真實旅行時間可能不一致，故將區塊切割成更小區塊時，比較能避免單一區塊旅行時間差異過大造成的誤差，將小區塊逕流串聯後便能得降雨逕流歷縣，如圖 1-24，此逕流歷線較接近真實逕流歷線。

降雨強度 i

S L_𝑂cosθ

𝑥_𝑂

θ 𝑞_𝐿

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22

圖 1-23 BKW S－Q 曲線

圖 1-24 BKW 區塊串聯計算示意圖

第三節問題研析

總結前兩節臺灣都市防澇策略諸多問題，臺灣洪澇頻繁發生的原因是降雨強度強和事件總雨量較大，但相較而言臺灣都市人口密度較高的地區，是無法設置相對應的滯洪空間，施行相關減澇設施時皆須有所調整，於上游、中游、下游位置有所設置的防澇設施也需有所差異，對於不同重現期的降雨，也須設計不同策

降雨強度 i

S₁

L_𝑂cosθ

𝑞_𝐿 S₂

S₃

S_n

⋯

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略檢討評估雨水貯集滯洪設施的減量、減峰效益。

1. 歐美日本等國家氣候、水文與臺灣相異，採用其都市防澇減災工程策略，效益未必相同，需要經過評估，正確定位。

2. 配置雨水貯集滯洪設施於都市排水系統上、中、下游等不同位置，該地區所面臨的淹水頻率與淹水型態，其抑制逕流的概念不同，運用規則也未必相同，需要釐清其在整體治水策略所扮演的角色。

3. 對於不同型態暴雨，不同重現期設計降雨，是否應該研析不同防澇減災策略。

4. 設置之減澇設施若是無明確訂定設置目標和相關操作規範，其設施可能無法發揮預期中的效用。

第四節研究目標

根據第三節所提出的問題，以 SWMM 結合 BKW 建立模式，於有雨量及流量觀測資料處率定參數和驗證模式，確立模式可信度後，以 Horner’s Eq.及 SSGM 設計降雨事件，再以設計降雨進行差異化逕流減量策略模擬，最後分析模擬結果分析，提出在臺灣降雨條件下，雨水貯集滯洪設施扮演的角色，與如何運用設施能提供較佳效益，結合上述兩點提出最佳洪水管理方案。彙整研究目的後條列如下:

1. 檢驗雨水貯集滯洪設施，應用於臺灣降雨條件下的減量、減淹效益。

2. 評估《建築技術規則建築設計施工篇》規範基地面積貯留 45mm 的運用方法、空間配置和淹水減量效益。

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3. 比較低衝擊開發設施與雨水貯集滯洪設施的逕流與洪峰削減效益。

第五節論文架構

本論文第二章為研究方法論，介紹本文模式建立與率定驗證，分析說明淹水管理層級策略，以及設計降雨與模擬治澇設施的方法，第三章為模擬結果與分析，是以設計降雨模擬容量差別化策略的淹水深度與逕流量的變化，第四章為論文總結與建議。

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第二章研究方法

本章說明研究方法，圖 2-1 為完整研究架構流程。首先，以 SCS Curve Number 法處理降雨損失，繼而應用 BKW 模式計算直接逕流歷線，再結合 SWMM 雙層模式模擬逕流，模式建立後以臺中市劉厝排水的實際觀測數據，檢定和驗證模式成效。最後，以 Horner 公式結合 SSGM 雨型設計，設計不同重現期與延時的降雨，在劉厝地區評估滯洪空間設置前後減洪效益。

圖 2-1 研究架構流程圖

第一節介紹劉厝地區各式排水設施與背景，第二節介紹淹水層級管理策略，

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第三節中介紹 BKW 結合 SWMM 的模式，並以 SCS CN 計算有效降雨，第四節為模式檢定、驗證過程與結果，第五節為低衝擊開發設施與雨水貯集滯洪設施模擬方法，第六節說明利用 Horner 公式和 SSGM 雨型設計降雨

第一節模擬地區─台中劉厝

劉厝排水位於臺中市南屯區，全流域面積約有 2.8 平方公里，此區排水系統為供應下游農田灌溉，為灌排結合的水路，自內新庄子溪引水(水門操作由臺中農田水利會南屯工作站負責)，繼而沿中彰快速公路往南，於鎮和巷和中彰公路交會處附近再次匯入筏子溪。研究目的為都市滯洪空間差別應用的減洪效益，故選擇模擬劉厝排水區上游已建成下水道地區，此區包含建成住宅區和新興都市計畫區。(巨廷與宋長虹, 民 102 年)

2.1.1 雨水下水道系統

見圖 2-2 中系統 A-1 為原有雨水下水道收集系統，收集黎明路以西、公益路以南及永春路以北一帶地區逕流量，其由 1.5 公尺×1.5 公尺漸變為 4.5 公尺×3.3 公尺之雨水下水道，經單元 3 開發區後排入鎮平溪支線。系統 A-2 為配合單元 2、3 開發新設之雨水下水道，兼具灌溉水量輸送功能。為維持下游農田灌溉所需水量，引水後沿環中路南行至公益路轉向東行至新闢龍富路，南行經單元 3 開發分區，但進入單元 3 開發分區前並無雨水逕流匯入。雨水下水道系統 A-2 與系統 A-1 均在永春東路及永春東七路交叉口附近匯入鎮平溪支線。雨水下水道系統 B 亦為新設之雨水下水道，於公益路轉向南行後，經五權西路、永春路，沿線收集五權西路以南、永春路以北一帶地區之逕流量匯入劉厝排水。雨水下水道系統 C 亦為新設之雨水下水道，本下水道上游與雨水下水道系統 B 共線。水路南行至五權西路後轉變為明渠，明渠段過永春東路後再轉為箱涵，收集永春路以南一帶地

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區之逕流量，並於單元 2、單元 5 交界處匯入鎮溪支線。雨水下水道系統 D 亦為新設之雨水下水道，收集五權西路與永春路間，鄰近環中路一帶地區逕流量匯入劉厝排水。本計畫區雨水下水道採用五年一次短延時暴雨降雨強度。(巨廷 and 宋長虹, 民 102 年)

2.1.2 流量、雨量觀測站布置

見圖 2-3 中 L2 位於向上路、永春東七路口之雨水下水道箱涵內，量測右上角已建成區域之逕流量，L2’為 L2 流量輔助觀測站；L6 位於單元 3 所屬雨水下水道匯入鎮平溪支線處，觀測單元 3 出口之逕流量。雨量測站設置在劉厝排水系統東南側鎮平國小內，因為只使用單一雨量測站之雨量，故假設降雨於劉厝地區空間上均勻分布。(巨廷與宋長虹, 民 102 年)

2.1.3 模擬範圍與集水區劃分

選擇模擬劉厝排水區上游已建成下水道地區，此區包含建成住宅區和新興都市計畫區，總區域面積約為 1.33 平方公里，地勢東北高西南低(圖 2-5)，整體坡度約為 1%。根據下水道系統將集水區劃分為 A 至 E，A 區和 B 區部分為已開發地區，其餘部分為新都市計畫區，尚未有建築物，但已完成道路與下水道建設。

模擬範圍如圖 2-4。因為劉厝水系為筏子溪內獨立子集水區，故假設無外水進入模擬範圍，且假設地面水流只會經由模擬時所設置之出口流出。

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28 註： 1.底圖資料來源「國家太空中心 2011」

2.本影像由國家太空中心授予經濟部水利署水利規劃試驗所加以複製

圖 2-2 劉厝排水系統與下水道子集水區分佈圖(巨廷與宋長虹, 民 102 年)

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2.本影像由國家太空中心授予經濟部水利署水利規劃試驗所加以複製

3.雨水下水道依據台中市雨水下水道系統圖(巨廷工程顧問股份有限公司繪製)建置 4.觀測站依據「土地利用型態變遷對逕流影響之評估研究」計畫需求設置

圖 2-3 劉厝地區觀測系統佈置圖(巨廷與宋長虹, 民 102 年)

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2.本影像由國家太空中心授予經濟部水利署水利規劃試驗所加以複製 3.子集水區區域劃分為本研究依據雨水下水道系統劃分

4.觀測站依據「土地利用型態變遷對逕流影響之評估研究」計畫需求設置 圖 2-4 模擬範圍與集水區劃分

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31 註：1.高程資料為巨廷工程顧問股份有限公司提供

圖 2-5 劉厝地區高程

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第二節淹水管理層級策略

筆者建議於臺灣設置各式洪水管理設施時應該明確制定目標，因為臺灣特殊氣候環境，相同設施所能達到的減洪效益並不一定相同，若是設定過多目標，可能減低其所能達到減洪功用，如前文所提及的雨水貯留設施，於國外降雨強度不高地區雨水筒可能可以兼顧減洪及水資源再利用，但是臺灣降雨強度及總雨量相較之下偏高，雨水滯留設施平時可能需要盡量保持淨空。

滯澇設施作逕流降低方式如圖 2-6、圖 2-7、圖 2-8，一類如低衝擊開發設施，此類設施以增加降雨損失方式降低逕流，逕流削減結果如圖 2-6；但是當總雨量較大，貯納空間有限時，其對逕流影響會隨時間增加而減低，如圖 2-7 所示；另外一類則如圖 2-8，當逕流量達到所訂定的標準後才啟用，可削減降雨較強時段所產生逕流，施作此類設施逕流結果如圖 2-8。

圖 2-6 施作增加入滲損失類設施逕流示意圖(總降雨量較低情境)

流量

時間

逕流量

提升入滲量設施後之逕流量

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圖 2-7 施作增加入滲損失類設施逕流示意圖(總降雨量較高情境)

圖 2-8 施作設置逕流量標準類設施逕流示意圖

筆者建議不同程度的降雨事件應該有相對應的治理策略，和相對應的洪水治理設施。將降雨事件以強度區分為第一層日常降雨，第二層雨水下水道系統設計標準以上之降雨，第三層數十年重現期至堤防重現期降雨，以及第四層高於堤防重現期之降雨，並針對不同程度降雨事件提出對應策略。第四層降雨為外水進入都市造成的淹水，前三層為內水問題。論文中會模擬第一、二層的策略與設施，

第三、四層策略則屬政策層面，需搭配淹水或洪水預報系統，故論文中無進行模

流量

時間

逕流量

施作提升入滲量設施後之逕流量

流量

時間

逕流量

設置啟用標準設施後逕流量

設置標準

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34

擬。

2.2.1 第一層級：日常降雨

針對這類較常發生且危害較低洪水，雨水筒、植生溝、綠屋頂等低衝擊開發或保水基地設施搭配五年左右重現期之下水道，藉由入滲和滯留減少地面逕流量，並避免逕流於第一時間集中排放至於下水道，而造成下水道滿載，而造成下水道下游流經一帶，或是低漥地區宣洩不良而淹水。同時滯留或貯留之水資源，

如前文可替代自來水，和以增加綠地面積減低都市熱島效應，兼具景觀功能。

2.2.2 第二層級：雨水下水道系統設計標準以上之降雨

重現期梢高達十年之淹水便啟用雨水貯集滯洪空間，啟動機制為發現路面開始淹水且深度會影響車輛行駛時，或是此區逕流已達地區逕流管控標準時，便讓水進入滯洪空間，儲存超越下水道和邊溝負荷能力之逕流量，並於洪水消退後，

立即排空滯洪空間內之貯水，盡量保持空間淨空以在下次洪水來時及時發揮作用。此部分之滯洪空間設置目的不包含水資源再利用，單純為削減洪水尖峰時流量。因為時間限制，論文中指模擬當路面淹水達一深度後進入雨水貯集滯洪空間的情形。

2.2.3 第三層級數十年重現期至堤防設計強度之降雨

當遭遇重現期達數十年之降雨強度，且滯洪空間體積也以裝滿，低窪地區便會因下水道滿載開始淹水。避免此強度洪水進入建築內造成損失，可以高程管理中各項方案減低損失，並輔以道路排水方式加速排出洪水。

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2.2.4 第四層級：堤防設計重現期以上之洪水

針對降雨強度高於堤防設計重現期之洪水，前幾階段之洪水管理策略皆可不同程度減低災情，但是當遭逢如莫拉克颱風於高雄地區所降下的總雨量及強度時，是無法避免溢堤、潰堤或各式淹水災情發生，此時應該配合已建立之洪水警報系統，適時撤離和封鎖避免不必要之人員傷亡。

第三節 SWMM 結合 BKW

本文以 SWMM 優異渠道計算部分搭配鍾文忠所開發之 BKW 斜板流模式，

以解決前文所列問題。先以美國 SCS CN 法扣除降雨損失，已獲得有效降雨，進而將有效降雨及子集水區資料輸入 BKW 模式，演算子集水區出流量，再將 BKW 演算結果分配至 SWMM 節點。SWMM 模式中建構兩層渠流系統，分別為街道系統與下水道系統，且兩系統以雙向堰連接，使兩層系統流水可雙向交換，且 BKW 計算結果會匯入至街道系統節點，較符合現實中雨水至街道進入下水道的過程，當下水道系統有空間時期便會流入下水道，但有最大流速限制，亦即可模擬當暴雨時期，雨水來不及進入下水道所造成的漫淹現象，此外也可模擬因集水區上游輸送造成下游地區下水水道容量遞減而淹水的問題，另外當下水道滿管時，也可至下水道溢流形成市街流。圖 2-9 為 BKW+SWMM 模式流程示意圖。

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圖 2-9 SWMM&BKW 模式示意圖

如上段簡介模式當中需要建立街道與下水道系統圖層。下水道系統圖層依據台中市雨水下水道系統圖建置，如圖 2-10，藍點為原先雨水下水道系統節點，因模擬所需增加黃色節點，下水道斷面、高程資料也依據台中市雨水下水道系統圖設置；圖 2-11 為街道系統圖，因為欲模擬人孔處街道與下水道逕流交換情形，原先下水道系統中有節點處街道系統都會有相對應節點，另外在街道處選擇適合距離也建立節點，論文假設劉厝地區所有街道斷面接一致，詳細模擬斷面稍後介紹，道路高程則依據圖 2-5 高程資料設置。

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4.雨水下水道依據台中市雨水下水道系統圖(巨廷工程顧問股份有限公司提供)建置

圖 2-10 下水道系統圖層與節點

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圖 2-11 街道系統圖層與節點

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2.3.1 降雨損失公式

以美國水土保持局 SCS 公式扣除損失獲得有效降雨，但考量土質與當地水文環境，實際土壤情形可能介於 CNI 至 CNⅢ之間，公式如下

𝐶𝑁(𝐼𝐼𝐼) = ^{23𝐶𝑁(𝐼𝐼)}

10+0.13𝐶𝑁(𝐼𝐼) (2-1)

𝑆 = (¹⁰⁰⁰

𝐶𝑁 − 10) 2.54 (2-2)

𝑃_𝑒 = ^{(𝑃−0.2𝑆)}²

𝑃+0.8𝑆 (2-3)

P：累積降雨 P_e：有效累積降雨

S：集水區可能最大蓄水量

CN(III)：Curve Number of SCS 適用於潮濕土壤 CN(II)：Curve Number of SCS 適用於一般土壤 (Chow, 1964)

2.3.2 區塊劃分與逕流分配

依據街道劃分 BKW 模擬模式所需區塊，將街區視為排水單元，故劃分最主要是依據街區輪廓，當街區較面積較大或是其所在位置下水道較為密集時，會將街區切成較小的排水區塊，區塊切割結果如圖 2-12。每個區塊資料和參數輸入至 BKW 模逕流模式後，BKW 模式會依據模式設定切割成更小區塊，本論文考量 BKW 模式計算時間與計算精確度，每一個區塊計算時會切割成十個小區塊。

劉厝地區地勢走向明顯，高程由右上向左下遞減，故劃分 BKW 所需子集水區後，降逕流平均分配至較低兩邊(西側與南側)的 SWMM 道路圖層上的節點。

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2.3.3 BKW 模式所需資料與參數設定

面積

需要區塊面積大小。

漫地流長度

BKW 計算時需要漫地流之寬度。以全區域面積與總道路長度計算劉厝地區 Drainage Density，並以此統一每個集水區的面積與漫地流之長度的關係。公式如下，計算結果為 D=1/59 (1/公尺)。

𝐷 =^{∑ ∑ 𝐿}^𝑖 ^𝑗 ^𝑖𝑗

∑ 𝐴_𝑖 _𝑖 (2-4)

𝐿_𝑜= ¹

2𝐷 (2-5)

i：第 i 個子集水區 j：第 j 段渠道 L_o：漫地流長度 D：Drainage Density (Chow, 1964)

坡度

坡度取集水區任兩角點高程計算，取最大坡度為集中渠道坡度，次高坡度則作為漫地流坡度。

曼寧粗糙係數

模式中需要輸入集中渠道曼寧粗糙係數，次高坡度則作為漫地流曼寧粗糙係數，研究中參考 SWMM 使用者手冊所給表格之數值設定，繼而進行檢定。

出流口數

街道系統圖層中，每一個節點都會被分配至一個區塊，每一個區塊內所分配到的節點總數即為該區塊之出流口數，再將 BKW 計算所得單一區塊逕流歷線平

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均分配置區塊內相對應的街道節點。

註： 1.底圖資料來源「國家太空中心 2011」

圖 2-12 BKW 區塊化分圖