中華大學 碩士論文

中華大學 碩士論文

題目：以數值地形分析細網格區域排水 特性之研究

系 所 別：土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名：M09404005 陳楷霖

指導教授：邱垂德 博士

中華民國 九十六 年 八月

誌謝

承蒙恩師 邱垂德教授在楷霖碩士班求學期間，對於楷霖處事態 度的細心指點與不斷的鼓勵，並於論文研究期間給予學術上的指導與 建議，讓楷霖獲益良多，受用無窮，師恩浩蕩，將永銘於心。恩師認 真負責的處事態度及嚴謹的治學精神，為楷霖一生的典範，在此敬上 由衷的敬意與無限的祝福。

本論文撰寫初成期間，承蒙本校林文欽教授、朝陽科技大學黃怡 碩教授，擔任審核委員，對楷霖論文逐字斧工、巨細靡遺的指正與觀 念澄清，並惠賜寶貴的意見，使得本論文得以更加詳實且完備，在此 敬上最誠摯的敬意與謝意。

求學期間感謝台灣世曦地理資訊部管長青協理、鄭宏逵副理、林 耀宗組長、周宏達工程師、李卿鳳工程師、許雅涵工程師及內部各位 工程師、中興工程顧問社大地工程研究中心趙啟宏工程師、黎明工程 顧問股份有限公司水工部水資源組郭永錡工程師，在學識上之傳授與 專業領域上極熱心的教導，本論文研究得以順利完成，在此一並致上 最高謝意。

論文研究期間，感謝同窗好友毓翰、俊奇、建凱、奕祥，學弟政 雄、福民、偉鈞及偉成等的大力協助；學長理成、同宇、振緯、嶺億、

信樺、國書、蘊中、嘉全、柏凱、定中、皓博、陳安及學姊桂芬；同 學逸瑜、俊傑、文彥、君瑋、玟玲及給予我學術上最大指導的美雯；

學妹宜庭、佩珊相互扶持與鼓勵，另外感謝好友國軒、碧珠、如婷的 鼓勵與支持，於不及備載的好友們也一併獻上千萬分感謝。

II

中文摘要

近年來由於全球氣候異常，水文極端現象明顯，受災範圍與程度 均遠較過去為烈，2004 年歐洲及中南美洲、2005 年美國均出現前所 未見的大洪水，台灣亦無例外。台灣地區地形陡峻、降雨強度集中，

每年侵襲颱風平均約 3.5 次，豪大雨數 10 次，平均年損失約 128 億 元以上，防洪治水成為公共工程的主要課題。

以往的淹水潛勢分析乃基於精度較差的數值地形模型，近年來資 訊科技發達，高精度數值地形模型較易取得，對區域排水及淹水潛勢 預測的影響則有待探討，促使本研究針對校園之排水特性做一相關探 討分析，而且校園裡所包含之人員安全及設備財產相當的龐大，再加 上本研究區域曾發生淹水狀況，有利於區域排水特性之模擬驗證。本 研究以二維淹水模擬軟體進行中華大學校區以 5 年、10 年、20 年、

25 年、50 年之降雨強度下所發生之淹水潛勢狀況，並分別以 2m×2m 及 5m×5m 數值地形模型為本研究所需之模擬參數，進而探討本研究 區域排水之特性及狀況。

將分析結果與水土保持技術規範之規定相互比較，得知本研究區 域之渠道設計皆符合規範，並發現本研究區域之兩座人工湖的存在降 低了淹水面積擴大問題，及綜合不同土地利用狀況模擬所得結果推估 適合於本研究區域之逕流係數值約為0.43，採用較高精度數值地形模 型對本研究區域之排水系統進行排水效益之模擬，並藉由GIS 平台做 相關的整合展示，更可往分析及管理方面進展，提供相關單位在災害 防治及管理方面之應用。

關鍵字：數值地形模型、二維淹水模擬、降雨強度、地理資訊系統

Abstract

Because the weather is changeful in the whole globe in recent years, the phenomenon of hydrology is extreme. There had many floods in Europe, middle America and South America in 2004, in the U.S.A in 2005 and Taiwan is no exception.

The plague of areas are serious than before. In Taiwan, we have to discuss the problem of preventing the flood because the terrains are steep, rainfall are heavy.

There had 3.5 typhoon, 10 times of heavy rain each year in Taiwan, the average year loses approximately above 128 hundred million Yuan, the flood prevention regulates waterways into the public works main topic.

The flood probability is based on Digital Terrain Model before, but the correction of Digital Terrain Model is worse. The information of technology are better, we can get the correct data easier than before. We have to discuss the influence of flood probability and Regional Drainage.We have to notice the property and the safety of people on campus, so my studies analyze the characteristics of drainage on campus, and the area had the circumstances of flood before. We could simulate the experiment in Regional Drainage Characteristics. My studies use two-dimension inundation simulation model to know the inundation potential circumstances in 5 years, 10years, 15years and 20years in Chung Hua University. We also use 2m×2m,5m×5m Digital Terrain Model to get the simulate data and we discuss the circumstances,

characteristics of Regional Drainage in this area.

We compare with the result of analysis and Technical regulation on water and soil conservation, we could know the design of the ditch in this area is conform to the standard. We notice the existence of two man-made lakes can reduce the problem of the area of flood, and we synthesize the circumstances of different areas to use, we can get the result of data is 0.43 for runoff coefficient of this area. We use the accurate Digital Terrain Model to simulate drainage system of the area and simulate the

efficiency of drainage. We also GIS to do the related presentation, the way also can go deep into analysis and management, we will provide for the related organization to

IV

目錄

誌謝... I 中文摘要...II Abstract ...III 目錄... IV 圖目錄... VI 表目錄... XI

第一章 緒論...1

1-1 前言 ...1

1-2 研究緣起及目的 ...2

1-3 研究流程 ...3

第二章 文獻回顧 ...5

2-1 水文經驗公式 ...5

2-2 淹水演算模式 ...16

2-3 FLO-2D 數值模式 ...18

2-3-1 基本理論介紹...19

2-3-2 模式之限制與假設...21

2-3-3 資料輸入及輸出方式...21

2-3-4 資料建置 ...24

2-3-5 模擬結果展示...29

2-4 數值高程模型之應用 ...30

2-5 地理資訊系統之應用 ...32

第三章 研究流程 ...35

3-1 研究流程 ...35

3-2 資料來源 ...36

3-3 研究區域 ...37

3-3-1 區域概況 ...37

3-3-2 區域水文概況...38

3-3-3 區域土地利用狀況...39

3-3-4 區域邊界選取...40

3-4 模式之檢定與驗證 ...40

3-4-1 參數設定 ...41

3-4-2 初步模擬 ...42

3-4-3 驗證方法 ...48

第四章 結果分析與討論 ...53

4-1 現況淹水潛勢模擬 ...53

4-1-1 各重現期距降雨模擬...53

4-1-2 歷史災害淹水模擬...72

4-2 區域排水系統模擬 ...73

4-3 模擬數據之應用 ...78

第五章 結論與建議 ...88

5-1 結論 ...88

5-2 建議 ...89

參考文獻...90

VI

圖目錄

圖1-1 本研究架構流程圖 ...4

圖2-1 逕流示意圖 ...5

圖2-2 河道流向位相示意圖 ...19

圖2-3 FLO-2D 程式主視窗 ...22

圖2-4 模擬結果圖形展示視窗 ...23

圖2-5 運算結果之文字檔 ...23

圖2-6 模式控制資料視窗 ...25

圖2-7 運算控制資料視窗 ...26

圖2-8 降雨資料輸入視窗 ...27

圖2-9 水中結構物資料視窗 ...28

圖2-10 經由 FLO-2D 模擬輸出之成果與 GIS 結合套疊展示圖...30

圖3-1 本研究流程示意圖 ...36

圖3-2 中華大學校區及校內建物分佈概況位置示意圖...38

圖3-3 新竹地區 1995 年至 2005 年之平均月降雨量概況圖...39

圖3-4 利用 ArcGIS 擷取、編修 DTM 點位資料之示意圖 ...40

圖3-5 累積降雨百分比曲線示意圖...41

圖3-6 歷時水位深度關係示意圖...43

圖3-7 水位高低與地表高程之間差異示意圖...43

圖3-8 歷時流速示意圖 ...44

圖3-9 綜合比較(地表高程、水深、流速)文字檔 ...44

圖3-10 時間與流量關係文字檔 ...45

圖3-11 程式模擬歷程之圖形資料 ...46

圖3-12 初步模擬研究區域範圍內側門出口處之最大淹水深度示意圖 ...47

圖3-13 研究區域側門淹水歷史資料照片...47

圖3-14 研究區域範圍內渠道分佈示意圖...50

圖3-15 中華大學側門淹水 ...51

圖3-16 側門汽車停車場淹水 ...51

圖3-17 側門汽車停車場淹水 ...51

圖3-18 校內排水孔阻塞無法排水...51

圖3-19 中華大學男宿門口淹水 ...52

圖3-20 中華大學校內步道積水 ...52

圖3-21 新竹市區道路淹水 ...52

圖3-22 新竹市大庄街道淹水 ...52

圖3-23 新竹中華路與元培街口 ...52

圖3-24 新竹市地下道公車滅頂 ...52

圖4-1 本研究區域範圍內側門斷面網格編號示意圖...54

圖4-2 本研究設計之累積降雨百分比...54

圖4-3 以五年暴雨重現期模擬之研究區域內最大淹水深度示意圖..55

圖4-4 以五年暴雨重現期模擬之研究區內側門斷面水位資料...56

圖4-5 以五年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時水位 示意圖...56

圖4-6 以五年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時流速 示意圖...57

圖4-7 以十年暴雨重現期模擬之研究區域內最大淹水深度示意圖..58 圖4-8 以十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面水位資料

VIII

圖4-10 以十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時流速 示意圖...59 圖4-11 以二十年暴雨重現期模擬之研究區內最大淹水深度示意圖60 圖4-12 以二十年暴雨重現期模擬之研究區域內側門斷面水位資料61 圖4-13 以二十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時水 位示意圖...61 圖4-14 以二十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時流 速示意圖...62 圖4-15 以二十五年暴雨重現期模擬之研究區內最大淹水深度示意圖 ...63 圖4-16 以二十五年暴雨重現期模擬之研究區域內側門斷面水位資料 ...63 圖4-17 以二十五年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時 水位示意圖...64 圖4-18 以二十五年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門斷面歷時 流速示意圖...64 圖4-19 以五十年暴雨重現期模擬之研究區內最大淹水深度示意圖65 圖4-20 以五十年暴雨重現期模擬之研究區域內側門斷面水位資料66 圖4-21 以五十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門歷時水位示 意圖...66 圖4-22 以五十年暴雨重現期模擬之研究區域範圍內側門歷時流速示 意圖...67 圖4-23 研究區域範圍內側門(網格點編號 59)不同重現期距降雨強度

之歷時水位比較...68 圖4-24 研究區域範圍內側門(網格點編號 83)不同重現期距降雨強度

之歷時水位比較...68

圖4-25 研究區域範圍內側門斷面之不同重現期距降雨強度水位比較

...69

圖4-26 研究區域範圍土地利用狀況示意圖...71

圖4-27 以 2005 年 5 月 12 日之暴雨強度模擬之研究區內最大淹水深 度示意圖...72

圖4-28 以 2005 年 5 月 12 日暴雨強度模擬之研究區域內側門斷面水 位資料...73

圖4-29 本研究區範圍內之渠道類型示意圖...74

圖4-30 研究區域範圍內渠道類型及其位置分佈示意圖...74

圖4-31 本研究採用之模擬程式中渠道參數設定資料檔...77

圖4-32 中央氣象局大雨特報時研究區域週遭水位達 0.1m 及 0.5m 分 布示意圖...79

圖4-33 中央氣象局豪雨特報時研究區域週遭水位達 0.1m 及 0.5m 分 布示意圖...80

圖4-34 中央氣象局大豪雨特報時研究區域週遭水位達 0.1m 及 0.5m 分布示意圖...81

圖4-35 中央氣象局大豪雨特報時研究區域週遭水位達 0.1m 及 0.5m 分布示意圖...82

圖4-36 研究區域全景展示圖 ...83

圖4-37 研究區域淹水展示圖 ...83

圖4-38 研究區域範圍內降雨強度 94.68mm/hr 時水位高於 0.1m 淹水 範圍示意圖...84

X

圖4-41 水位高 TIN 與 5m 數值地形之 TIN 套疊圖 ...86 圖4-42 本研究淹水區域範圍之資料與數值地形模型結合展示製作流 程圖...87

表目錄

表2-1 逕流係數參考值 ...7

表2-2 角屋睦經驗公式 C1參考值...12

表2-3 中央氣象局十個測候站 Horner 公式分析成果表 ...15

表3-1 研究區域範圍內土地利用狀況表...39

表3-2 新竹雨量站 Horner 降雨強度...48

表3-3 新竹雨量站 Horner 公式計算之各重現期距降雨強度 ...49

表3-4 合理化公式計算各重現期距之洪峰流量表...49

表3-5 研究區域範圍內渠道基本資料表...50

表4-1 研究區域內各重現期之降雨強度造成之淹水面積比較資料表 ...70

表4-2 由研究區域範圍內出流口之流量推估逕流係數表...71

表4-3 經由曼寧渠道公式所得之研究區域範圍內渠道流量...75

表4-4 研究區域範圍內渠道特性數據比較表...77

表4-5 不同精度數值地形模型於研究區域範圍內模擬之淹水面積..78

1

第一章 緒論

1-1 前言

根據相關文獻及專家學者指出目前全球天候異常，降雨於時間與 空間上有分布不均之狀況發生。就台灣而言，台灣處於東亞大陸棚之 邊緣，地形受到歐亞大陸板塊、菲律賓海板塊與太平洋海板塊的相互 碰撞擠壓之影響，使得台灣高山疊起，全島嶼總面積約 73.7％ 的區 域皆屬於山坡地，平地面積僅約佔總面積之 26.3 ％，台灣受地理位 置及氣候之影響，屬高溫多雨；雖然雨量豐沛但是 78％降雨卻集中 在每年 5-10 月之梅雨及颱風帶來的豪雨，此降雨不均的狀況往往導 致乾旱及洪災的發生，再加上受地形限制的影響，水資源的涵養相當 困難，每當颱風及豪雨所帶來的雨量，往往造成下游區域有嚴重的災 害發生。

隨著經濟快速發展，對於土地資源之需求大幅提昇，人為開發漸 漸往山坡地發展，再加上台灣近年來發生的重大颱風災情，所造成的 傷害已不足以計算。若坡地無加強防護或區域排水系統的規劃未完 善，伴隨而來則是恐怖的災害和憂關生命財產的問題發生，由此可見 區域排水之重要性，據文獻指出都市排水防護標準，直轄市及省轄市 為五年一次之暴雨瞬排水，縣轄市則為三年一次之暴雨瞬排水；區域 排水之防護標準則為五至十年一日暴雨於一日內排除[1]。

鑒於淹水災害日益嚴重，經濟部乃針對淹水現況進行全面調查，

並進一步分析與探討，以尋求解決對策。[2]依據國科會防災國家型 科技計畫辦公室所模擬之淹水潛勢區域，加上近幾年調查颱洪受災淹 水範圍得知，台灣易淹水低窪地區總面積約1,150 平方公里，八成集 中於縣（市）管河川、區域排水、事業海堤等未完成改善或地層下陷 等地區。

1-2 研究緣起及目的

由於近年來的氣候異常，伴隨 5-10 月份的梅雨及颱風帶來的暴 雨其所造成的傷害無數，直接影響到生命財產的安全，而水患對都市 排水及區域排水的影響亦不容小覷，根據歷史資料指出 2005 年 5 月 12 日新竹市受到梅雨鋒面的影響，從上午十點到十二點，兩個小時 分別出現96 豪米、35 豪米的降雨，導致部分地區有積水現象發生，

主要原因大部份為區域排水系統設計的問題或排水系統的阻塞再加 上部分地區地勢低窪或者部分地區緊鄰山區，當暴雨降下時往往因地 表逕流過大而使雨水宣洩不急，導致積(淹)水的情形。此時，位於新 竹市香山區中華大學之側門及其部分汽車停車場發生嚴重的積水狀 況。而該校雖於2004 年訂定校園災害管理實施計畫[3]，但依然有水 患的問題出現，明顯指出區域排水設施有其探討的空間。

內政部消防署納莉颱風900920 第二十一報[4]所記載，納莉颱風 造成全國各級學校受損，統計淹水或設施受損的總共有382 所，而所 造成的不僅僅是如此而已更關係到學生學習的阻礙等等之影響況。水 患儼然是成為校園災害危機中值得積極去探討災害之ㄧ。國內各單位 亦有許多淹水潛勢模擬方面及相關的研究報告，但針對二維模擬所出 的結果卻因區域過於龐大而導致部分區域之成果與現實狀況有所差 異的情形發生。

根據上述澇災所造成之影響及其相關研究，擬定以下幾點為本研 究之研究目的：

1、以 2005 年風災之最大暴雨強度為依據，模擬校園之排水系統是否

3

一客觀性的差異比較。

3、將本研究所模擬之成果與地理資訊系統結合，並評估若以地理資 訊系統為整合平台，針對本研究之成果作一 合性的分析及探討 之可能性。

4、針對模擬所得之易積水區域，探討該區域之土地利用狀況及提出 改善方案供相關單位參考。

1-3 研究流程

本研究主要是模擬暴雨下排水系統的特性於研究區域所造成之 災害影響及評估，則本論文架構如圖1-1 所示。而其探討內容之大綱 如下：

第一章 介紹前言、研究緣起與目的及本文流程架構。

第二章 回顧淹排水分析、區域排水等之相關研究。

第三章 模式應用及介紹、演算資料建置及模式驗證。

第四章 現況區域之淹水潛勢模擬及其相關應用。

第五章 提出本研究結論與建議。

圖1-1 本研究架構流程圖

5

第二章 文獻回顧

因目前全球暖化、天氣異常的關係導致洪災與乾旱的發生，台灣 因地形及地勢的影響，在暴雨或颱風下常常會有水患發生，對此國內 於水患方面有相當多的研究報告，而本研究參考前人所做的研究歸納 整理後，並探討區域排水之特性對區域水文狀況所造成的影響，以下 則為本研究採用前人研究之相關回顧及理論依據。

2-1 水文經驗公式

降雨發生之後，經由地表或地下匯集之水，概稱為逕流，逕流可 分為地表逕流、地表下逕流及地下水逕流三部份[5]，而暴雨時所產 生的逕流乃以地表逕流為主，亦可稱之為洪水，如圖2-1 所示。

圖2-1 逕流示意圖[本研究整理]

氣象局並無暴雨之相關定義，大部分都是氣象局專家因研究所需 所做的定義，每份研究的定義都不同，以下為主台灣各單位對暴雨所 做的定義，台灣省住宅及都市發展局稱降雨時間在 60 分鐘以內，而 有較大之降雨為暴雨；經濟部水利署則稱有較大雨量之降雨為暴雨，

其降雨時間可達一日以上者，如一日暴雨、二日暴雨、三日暴雨等[6]。

在集水區內有關逕流資料精確的分析，應用於集水區經營、河川治理 等水土保持構造物時，常影響其設計安全及費用多寡，但一般的水土 保持工程構造物施設地點，大部分在河川的中、上游地區，因位置偏 遠且欠缺長年的水位、流量觀測資料，在推估洪水量時，常採用合理 化公式法或經驗公式法求得，然在重要工程設計規劃時，則必需另以 較精確的方法計算洪水量。

一、合理化公式[6]

一般水土保持工程皆施設於集水區面積較小之野溪、坑溝或坡地 上，如野溪治理、防砂壩工程、產業道路橋涵工程、農地排水系統等，

應用合理化公式估計洪水量較為方便。洪水量計算係根據集水區之集 流時間、平均降雨強度、集水面積及與集水區內土壤、覆蓋、地形、

地勢等因子有關之逕流係數相乘而得。集水區面積100 公頃以內，合 理化公式適合性佳，但面積在1000 公頃以上則可能不適用。

Q

_p

C I A

360

1 (2-1) 上式

Q

_P：洪峰流量(cms)

C ：逕流係數

I

：集流時間內之平均降雨強度(mm/hr)

A

：集水面積(ha)

1、逕流係數

逕流係數為逕流量與降雨量的比值。視地形、地勢、土壤、地質、

7

(Ⅱ)一場暴雨逕流係數

為一場暴雨內之總逕流量與總降雨量的比值。

(Ⅲ)長時間逕流係數：

係指長期(如年、季節、月等)逕流係數，為長期內之總逕流量與 總降雨量的比值。

一般水土保持工程構造物設計時，皆採用洪峰逕流係數計算逕流 量，以提高構造物的安全，逕流係數的決定可參考表 2-1，水土保持 工程一般均位於山區或山坡地，且集水面積較小，逕流係數勢必較一 般地區為高，故在無實測可靠資料地區，建議採用洪峰逕流係數為 0.70～0.90；坡地社區開發則洪峰逕流係數採用 0.90～1.00。

表2-1 逕流係數參考值

集水區 狀態

陡峻

山地 山嶺區

丘陵地 及森林

區

平地 耕地

灌溉中 水田

山地 河川

平地小 河川

大半為 平地之 大河川 一次暴

雨逕流 係數

0.75

∣ 0.90

0.70

｜ 0.80

0.50

｜ 0.75

0.45

｜ 0.60

0.70

｜ 0.80

0.75

｜ 0.85

0.45

｜ 0.75

0.50

｜ 0.75

2、降雨強度

(Ⅰ)降雨強度公式可以其參數之多寡予以分類常見的降雨強度公式 有下列幾種；

(1)單參數(物部公式)

^c

t I R

24)

24 (

24 (2-2) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

R₂₄：日降雨量(mm/hr) t：降雨延時(hr) C：參數

本公式應用於日雨量資料完備之地區，由於物部公式精度較差，

目前已較少使用。

(2)二參數 (A)Talbot 公式

B t I A

= + (2-3) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B：參數

(B)Sherman 公式

_D

t

I A

(2-4) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、D：參數

(C)久野石黑公式

B t I A

= ± (2-5) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B：參數

註：通常將”±”採用”＋”，亦即 B 值最小為零，否則 I 值會呈負值

9

(3)三參數 (A)Horner

_c

B t I A

) +

= ( (2-6) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B、C：參數

當公式中 C=1 時，即為 Talbot 公式，當公式中 B=0 時，即為 Sherman 公式。國內目前最常採用此公式。

(B)Farazdaghi 公式

B t I

_D

A

= + (2-7) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B、D：參數

本公式或稱Cleveland 公式，為美國土木工程學(ASCE)建議採用 公式，當公式中 D=1 時，即為 Talbot 公式，當公式中 D=0.5 時，即 為久野石黑公式。

(C)佐藤勝夫公式

_D

B t I A

) +

= ( (2-8) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B、D：參數

當公式中D=1 時，即為久野石黑公式。

(4)四參數

(A)佐藤勝夫公式

_{D C}

B t I A

) +

= ( (2-9) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、B、C、D：參數

當公式中D=1 時，即為 Horner 公式，當公式中 C=1 時，即為 Farazdaghi 公式。

(B)竹內清一公式

_{m bt c}

t

I

= ²

A

_{+ +} (2-10) 上式 I：降雨強度(mm/hr)

t：降雨延時(min) A、n、b、C：參數

國內未見採用四參數之降雨強度公式。

(5)其他

『水土保持技術規範』[7]之無因次降雨強度公式 _c

T t

B t T A H

I G I

) + )( log

• + (

25 =

60

(2-11)

₆₀²⁵ )² 094 . 0 + 29 . (25

=

P

I P

(2-12) 上式 T：頻率年(或稱重現期距)

11

度(mm/hr)

P：年平均降雨量(mm) A、B、C、G、H：係數(依地區不同而異)

國內山坡地開發之水土保持計畫皆採用本式

(Ⅱ)利用降雨強度公式計算。依研究性質選擇適當頻率及距離研究地 點最近或氣候型態相似地區之降雨強度公式。表 2-3 為測站的位 址及所對應之 Hornerr 降雨強度公式。

3、集流時間

係指地表逕流自集水區最遠位置到達某一指定地點出水口所需 時間，其包括由集水區邊界經地表面流至河道所需時間，與逕流由河 道上游流至下游所需時間的和。集流時間與集水區形狀大小、坡面、

河道的物理特性，降雨強度等因子有關，且集流時間因降雨強度的增 大而縮短，因此集流時間不容易估計，因而間接影響合理化公式之平 均降雨強度的估計。集流時間的估計方法，如下所示：

(Ⅰ)日本角屋睦經驗公式

T

_P =

C

₁ •

R

_e^-0.35 •

A

^0.22 (2-13) 上式

T

_P：集流時間(min)

C1：係數

R_e：有效降雨強度(mm/hr)，

R

_e

= I • C

I 為降雨強度, C 為洪峰逕流係數 A：集水面積(km²)

C₁：參數值因集水區地表狀態而異，如表2-2 所示：

表 2-2 角屋睦經驗公式 C₁參考值

表層區分 C1值 表層區分 C1值 丘陵山森地 290 高爾夫球場 130-150

放牧地 190-210 農地(水路密) 90-110

都市地 60-90

(Ⅱ)分段估算法：

集流時間[7]

t

_c

= t

₁

+ t

₂ (2-14)

v

t =

₁

l

(2-15) 上式

t

_c：集流時間(min)

t

₁：流入時間(雨水經地表面由集水區邊界流至河道 所需時間)

t

₂：流下時間(雨水流經河道由上游至下游所需時間) l ：漫地流流動長度

v ：漫地流流速(一般採用 0.3~0.6 m/s)

13

而河道所匯集之坡面逕流流下的速度，應依據各溪段斷面、坡 度、糙率等資料，依曼寧公式計算；天然河段得採用下列芮哈(Rziha) 經驗公式估算。

(Ⅲ)Rziha 公式[7]

W

t

_c =

L

(2-16)

其中 =72( )^0.6

L W H

上式

t

_c：集流時間(hr)

L

：流域長度(km)

^H

：集水區最上游至出口處之高程差(km) W ：流速(km/hr)

4.推估洪峰流量方法

洪峰流量的估算與逕流係數、集流時間、降雨強度、集水面積等 因子有關，而且集水區的集流時間，降雨強度值的決定和集水區面積 大小三者之間亦有相互關係，因此以合理化公式估算洪峰流量時，必 需考慮各個因子互動的關係。由公式(2-13)

T

_P =

C

₁ •

R

_e^-0.35 •

A

^0.22

可改寫成

T

_P =

C

₁ •(

I

•

C

)^-0.35 •

A

^0.22 (2-17) 由表2-3 之降雨強度公式

] ) + [(

= _n

b T

I a

(2-18) 求集流時間(

T

_P)之降雨強度，故以

T

_P取代上式之T

C I

R

_e

= •

代入(2-18)式中

] ) + ( [ •

= _n

P

b

T a

I c

(2-19)

由公式(2-17)與公式(2-19)之聯立方程式，求同時成立之 R_e 與

T

P，可利用牛頓求根法先算

T

_P，並代入公式(2-18)計算降雨強度 I，

最後利用合理化公式，即可計算洪峰流量。

(二)曼寧公式[8、9]

Q

=

A

•

V

(2-20) ²

1 3 2

1 •

=

R S

V n

(2-21)

P

R = A

(2-22) 上式Q ：流量(cms)

A：通水斷面積(m²) V：流速(m/s)

n：粗糙係數 R：水力半徑(m) S：水力坡降

P：濕周長，即與水接觸週邊之長度(m)

15

表2-3 中央氣象局十個測候站Horner公式分析成果表[10] 再發生年 站名5年 10年 20年 25年 50年 基隆I=(1054.3)/(t+18)0.63521 I=(1304.7)/(t+22)0.64592 I=(1653.8)/(t+28)0.66329 I=(1776.0)/(t+30)0.66854 I=(2229.3)/(t+37)0.68663 台中I=(1165.1)/(t+20)0.63096 I=(1226.3)/(t+23)0.60598 I=(1261.1)/(t+27)0.58511 I=(1298.3)/(t+28)0.57733 I=(1422.4)/(t+35)0.56563 台南I=(1199.7)/(t+17)0.62310 I=(1720.3)/(t+25)0.65239 I=(2566.2)/(t+35)0.69246 I=(2969.4)/(t+39)0.70857 I=(4688.2)/(t+52)0.76040 台東I=(603.7)/(t+5)0.53884 I=(673.8)/(t+4)0.53630 I=(742.1)/(t+3)0.53571 I=(733.8)/(t+3)0.53781 I=(842.0)/(t+2)0.53836 高雄I=(992.1)/(t+22)0.58917 I=(1985.0)/(t+50)0.65699 I=(6453.2)/(t+113)0.79529 I=(11236.1)/(t+147)0.8634 I=(163227.0)/(t+333)1.1960 台北I=(1891.3)/(t+25)0.73365 I=(2067.3)/(t+27)0.72115 I=(2116.7)/(t+28)0.70325 I=(2104.1)/(t+28)0.69609 I=(2043.3)/(t+28)0.67373 新竹I=(1431.5)/(t+32)0.66672 I=(1806.7)/(t+37)0.67791 I=(2293.8)/(t+43)0.69514 I=(2529.1)/(t+46)0.70444 I=(3156.7)/(t+52)0.72303 恆春I=(1065.5)/(t+20)0.60212 I=(1376.8)/(t+26)0.61925 I=(1746.2)/(t+32)0.63850 I=(1883.5)/(t+34)0.64529 I=(2404.7)/(t+41)0.66921 宜蘭I=(815.8)/(t+18)0.56006 I=(954.5)/(t+23)0.55218 I=(1077.2)/(t+28)0.54251 I=(1121.6)/(t+30)0.54014 I=(1272.5)/(t+37)0.53406 花蓮I=(839.1)/(t+20)0.57040 I=(926.5)/(t+21)0.56381 I=(1012.1)/(t+22)0.56012 I=(1031.5)/(t+22)0.55820 I=(1089.0)/(t+22)0.55288

2-2 淹水演算模式

淹水模式的主體乃由數學模式來模擬洪泛區洪水泛濫後洪水波 之傳遞狀況情形，其對排水或防洪工程之設計極具研究價值。本研究 整合近年來以數值模式模擬淹水程度之研究，其中較具體之研究文獻 如下：

(一)Cunge 等(1980)[11]以二維流(two-dimensional)之觀點取簡化之擬 似二維流(quasi-two-dimensional)，對於複雜之洪水平原建議依據 洪泛區之地勢、地物將研究試區分成若干區，各相鄰分區間以合 乎水理現象之流量律(曼寧公式或堰流公式)及連續方程式連接之 ，再應用有限差分法分別建立顯式法及隱式法之擬似二維流淹水 模式，並將此模式應用於湄公河三角洲、Sengel 河泛濫區及 Mono 河泛濫區均得到良好之模擬結果。

(二)葉克家(1983)[12]以潰堤後洪水在洪水平原之傳播情況為一維變 量流過程，利用地形圖上之等高線判斷洪水可能走向劃定通水斷 面，再以有限差分法求解 De-Saint Venant 方程式來模擬濁水溪在 二水鐵路橋隘口以下發生潰堤時之淹水狀況，其研究結果顯示因 洪泛區廣闊且地形變化複雜，一維性變量流理論不足以描述洪水 自決口處向泛濫區傳播之現象，故相關研究有必要進行二維性之 變量流之洪水演算。

(三)顏清連、許銘熙(1986)[13]等對於淡水河下游三重、蘆洲一帶，以 二維性變量流理論為基礎，建立洪泛區二維性數值演算模式。其 方法係假設決口以線性擴大方式破壞，再經河系洪水演算模式銜

17

該研究並加入洪泛區內抽水站的排洪效應來模擬淹水深度與淹水 範圍隨抽水站運轉而消退之過程。

(四)蔡長泰(1989)[14]認為對已開發洪泛區的淹水過程除受地形影響 外，亦深受道路、排水路等之影響。而在採用 Cunge 法模擬濁水 溪在中下游發生潰堤時與發生暴雨時之泛濫過程，發現隱式擬似 二維淹水模式雖較節省計算機時間，但若未能確定淹水過程中泛 濫區均有水流動則仍以顯示擬似二維淹水模式最為適合，且所得 之模擬結果頗能反應道路、排水路等對於洪水泛濫傳播之影響，

並探討淹水範圍及水位到達時間，使沿岸低漥地區居民能預作警 戒與防範而減少洪災損失。

(五)O’Brien and Julien（1993）[15]以 FLO-2D 模擬 1983 年 Rudd Creek 土石流，其模擬方法為假設下游土石方為洪峰時自上游挾帶而 來，模擬結果與實測值對照，在扇形頂點處之模擬最大深度、淹 沒範圍前緣之深度及流速都與實際情況吻合。

(六)呂育勳等(1995)[16]應用擬似二維流之基本方程式，以有限差分法 建立洪水平原淹水模式以模擬洪水波在泛濫區之傳播。在研究中 將洪泛區中之洪水平原、主流及支流依流況及實地狀況分成平原 分區與渠流分區，其中淹水之陸地屬於平原分區；排水路、渠流 屬於渠流分區。在經由實驗結果與模式模擬結果之比較，二者頗 為吻合，顯示此一模式對於潰堤淹水過程具有良好之模擬功能。

(七)簡名毅(1999)[17]建立一流域之洪水與淹水模式，模式中考慮地表 淹水與河川洪水之水理交互作用，結合一維河系變量流演算模式 與二維漫地流淹水模式，針對河川洪水與地表淹水進行演算。利 用此模式可模擬降雨所造成之地表淹水範圍及深度，以及流域內 排水路出口之流量。在資料處理方面，該研究使用數值地形資料

（DTM），以 ARC/INFO 地理資訊系統，處理洪水與淹水模式所 需之各項資料及模擬結果之輸出，以確實反應模擬區域內局部地 形變化之特性。若配合準確之降雨預報，本研究模擬成果可作為 淹水預報之工具。

(八)陳昌榮(2002)[18]利用二維漫地流淹水模式模擬地表淹水情形，探 討其研究區域淹水情況，以其提供淹水資訊，使當地居民與主管 機關可以事先防範，以避免重大災情發生。

(九)葉佳典(2003)[19]利用暴雨經理模式 SWMM，建置其研究區域之 排水系統。模式中以不同重現期距分別為 5 年、20 年、50 年、100 年及 200 年的設計降雨與實測降雨，模擬探討滯洪池興建完成後 防洪閘門之操控效能。

(十)李雄傑、周志芳、周志興等(2004)[20]利用 SOBEK 模式之ㄧ維渠 道變量流及二維漫地流模式，以評估沿海低窪地區綜合治水方案 之探討。

(十一)范世億、彭思顯(2006)[21]等針對南投縣某區域排水計畫區，使 用 O’Brien、Julian、Fullerton 等所提出之 FLO-2D 二維數值模式 作為淹水模擬工具，該模式能夠模擬流動速度與深度、並推估合 理的淹沒面積。並可根據淹沒區域圖推估淹沒面積、統計洪災損 失等。此淹水潛勢分析可提供相關治水方案分析、環境營造規劃 及研擬治理工程計畫等對策參考。

2-3 FLO-2D 數值模式

19

值方法是以有限差分為主體。最早應用於聯邦緊急事件管理署(FEMA) 在科羅拉多州所做的都市化沖積扇的洪災風險研究。1993 推出商業 版本，模式可以在網格數上無限制、河道流向分為八個相位[23]，如 圖2-2 所示、以及改進其他物理過程等，其目前主要是應用在降雨逕 流及泥流的模擬。本模式提供了動力波(Fully Dynamic Wave)、擴散波 (Diffusive Wave)、運動波(Kinematic Wave)等三種波動的動量方程 式，可依實際問題的複雜程度擇一種波動來使用。

圖2-2 河道流向位相示意圖[23]

FLO-2D 模式為二維洪水災害模擬模式，可用於都市淹水、洪水 平原管理、工程風險設計、不規則形狀河道水理演算、橋樑涵洞水理 演算，可以處理漫地流、都市水文，泥流及土石流。該模式能夠模擬 流體流動的速度及深度，並推估合理的淹沒面積，可作為災害影響範 圍預測之工具[24]。

2-3-1 基本理論介紹

控制方程式之基本方程式[23]如下：

連續方程式

i y hV x

hV t

h

x y

∂

= +

∂

∂

+

∂

∂

∂

(2-23)

式中，h＝流動深度，t＝時間，V _x＝x 軸方向的平均流速；V _y

＝y 軸方向的流速，i＝有效降雨強度。

運動方程式

1( ) )

( )

( t

V g y V g V x V g V x S h

S_{fx ox} ^{x x y x x} (2-24) 1( )

) ( )

( t

V g x V g V y V g V y S h

S_{fy oy} ^{y y x y y} (2-25) 式中，S_fx＝ｘ軸方向之摩擦坡降；S_fy＝ｙ軸方向之摩擦坡降；

S_ox＝ｘ軸方向之床底坡降；S_oy＝ｙ軸方向之床底坡降；ｇ＝重力加 速度。式(2-24)及式(2-25)分別為 x 軸與 y 軸方向上代表力平衡之動量 方程式，亦稱為動力波方程式，其表示成無因次化以討論加速度之影 響。由左至右依次：摩擦坡降、底床坡降、壓力梯度、慣性力中對流 加速度項和局部加速度項。當右邊最後三項同時省略時，則稱為擴散 波(diffusive wave)方程式。當右邊最後四項同時省略時，上述兩式即 為動量方程式中之運動(kinematic wave)方程式。FLO-2D 模式可使用 動力波與擴散波模式進行模擬。

Green-Ampt 入滲公式(Mein and Larson, 1973)如下：

0 t IA P(t)

(t) r r(t)

0 t IA P(t) t

r

0 當

0 當 ) (

此公式結合初始截留量 IA 計算降雨損失，當累積降水 P(t)大於 初始截留量時，此時為開始降雨

r

₀

( t )

，而持續降雨才會使用下列之入 滲公式。

K t r t

f t

F

^f ( ) _h

) 1 (

) ) (

( ⁰

21

濕峰的毛管勢能，ψ為孔隙率，K_h^*飽和水力傳導係數，θ₀初始土壤含 水量。本模式未考慮入滲後之出流量機制。

2-3-2 模式之限制與假設

1、FLO-2D 模式之限制條件為：

(1)由於定床模式之限制，故本模式無法模擬刷深之現象。

(2)模式無法模擬震波(shock wave)與水躍(hydraulic jumps)現象。

2、FLO-2D 模式之假設條件為：

(1)淺水波假設

(2)滿足穩定流阻滯方程式(steady flow resistance equation)。

(3)靜水壓力分佈。

(4)差分時間間隔內為穩定流(steady flow)。

(5)分析網格點斷面與水力粗糙度為均值。

(6)每一個網格點的高程與曼寧值僅有單一值。

2-3-3 資料輸入及輸出方式

FLO-2D 程式主要由 Fortran 語言寫成，為一視窗化介面，適用於 一般市面上所使用的微軟視窗軟體，其主要功能如下所示：

1、資料輸入介面

FLO-2D 程式所輸入之各項資料可透過程式視窗介面輸入(程式 畫面如圖2-3)，或是建立程式規定之制式文字檔格式輸入之。共計可 輸入模式控制資料(CONT.DAT) 、運算控制資料(TOLER.DAT)、入流 資 料(INFLOW.DAT) 、 出 流 資 料 (OUTFLOW.DAT) 、 降 雨 資 料 (RAIN.DAT)、入滲資料(INFIL.DAT)、蒸發散資料(EVAPOR.DAT)、

渠道資料(CHAN.DAT)、渠道橫段面資料(XSEC.DAT)、水工結構物資 料(HYSTRUC.DAT) 、 街 道 資 料 (STREET.DAT) 、 面 積 削 減 係 數

(ARF.DAT)、複合式資料(MULT.DAT)、泥砂資料(SED.DAT)、堤防資 料(LEVEE.DAT)等參數資料；另有兩項必備之資料，地理位置資料 (CADPTS.DAT)及數值地形資料(FPLAIN.DAT)，則需利用 FLO-2D 軟 體所附之GDS 程式建立之。

圖 2-3 FLO-2D 程式主視窗

2、成果輸出

若使用者在 CONT.DAT 中選擇圖形展示洪水平原運算結果，

FLO-2D 在運算中會顯示 DTM 及可能影響範圍之簡易圖示(如圖

23

圖2-4 模擬結果圖形展示視窗

圖2-5 運算結果之文字檔

2-3-4 資料建置

1、模式控制資料(CONT.DAT)

此視窗中需輸入運算所需之基本設定及控制參數，若此處所輸入 之參數和其它項目資料中的參數不同，則模式將無法運算，此控制資 料為FLO-2D 能運算所必要輸入的參數資料之一，其共分成 8 個區塊 (如圖 2-6)，分別敘述如下：

(1)時間控制及圖形選項設定介面

此區塊調整模式模擬時間、間隔、運算結果是否圖形顯示及公制英 制轉換。若欲以單位歷線模擬計畫區，則模式模擬時間因為單位流 量歷線之延時，而模擬間隔即為單位流量歷線之單位時間。

(2)系統構成元件選擇介面

此區塊可選擇欲模擬之系統的構成元件。如主河道、街道、堤岸建 築物、支流等構成系統之主要元件皆可透過此區塊予以勾選。

(3)模擬流況選擇介面

此區塊選擇欲模擬之流況，包括是否模擬土石流或泥流、是否考慮 入滲、是否考慮泥砂輸送、是否考慮降雨入流量及是否考慮蒸發量。

(4)水工結構物選擇區塊

此區塊可提供程式運算具有橋樑、堤岸等水工構造物之情況。

(5)資料修正參數輸入介面

此區塊輸入模式運算所需之流力基本參數包括：曼寧 n 值、束縮係 數、網格面積減少率、最大福祿數及薄層流曼寧 n 值等。

(6)顯示洪水平原運算結果選項介面

25

(7)顯示渠道運算結果選項界面

此區塊可供使用者選擇是否要圖形化顯示渠道運算結果，並可設定 顯示渠道那一出流點之出流歷線。

(8)運算時間間距區塊

可以配合區所需求之時間間隔做時間歷線的輸出。

(9)圖形展示設定區塊

決定是否要顯示入流歷線，並可設定圖形化展示視窗更新顯示之時 間間隔。

圖2-6 模式控制資料視窗

2、運算控制資料(TOLER.DAT)

在此介面可選擇擴散波、動力波、運動波等三種演算方程式，並 可將演算方程式的輸出及輸入備份，此項資料為FLO-2D 運算所必要 輸入的檔案之一(如圖 2-7)。另外還有表面滯留深度、流深變化百分 比可供輸入。

圖2-7 運算控制資料視窗

3、降雨資料(RAIN.DAT)

FLO-2D 可輸入雨量，其輸入格式為降雨百分率及時間，但也可 將雨量轉為入流歷線在INFLOW.DAT 及 OUTINFLOW.DAT 中輸入，

如圖2-8 所示。

27

圖2-8 降雨資料輸入視窗

4、入滲資料(INFIL.DAT)、蒸發散資料(EVAPOR.DAT) 可輸入土壤孔隙率、入滲率及蒸發率之資料。

5、渠道資料(CHAN.DAT)、渠道橫斷面資料(XSEC.DAT)

此功能提供使用者建立渠道斷面資料，可選擇渠道是矩形、梯形 還 是 複 式 斷 面 ， 或 可 輸 入 渠 道 橫 斷 面 測 量 資 料 ， 亦 可 以 使 用 HEC-RAS 建立之渠道斷面匯入至此程式。

6、水工結構物資料(HYSTRUC.DAT)

此視窗可提供使用者輸入橋樑、涵洞、堰壩等會影響及能控制流 量之水工結構物資料加以模擬，如以橋樑為例，如圖 2-9，則需輸入 橋樑入流、出流所在點位及橋樑斷面水深與流量之關係率定表或率定 曲線。藉由此率定關係，FLO-2D 程式才可針對橋樑進行模擬。

圖2-9 水中結構物資料視窗

7、街道資料(STREET.DAT)、面積削減係數(ARF.DAT) 供使用者輸入街道及面積減少之比例等資料。

8、多重渠流(MULT.DAT)

設定多重渠道的寬度及最大水深，即若設定之渠道寬度小於格點 尺寸時，可在此輸入其設定參數，曼寧n 值亦可此檔案輸入。

9、泥砂資料(SED.DAT)

此介面為模擬土石流之流況時必需輸入的資料，若非模擬土石流 之流況可以不必輸入此項資料，可輸入的參數包括土砂濃度黏滯性阻 力係數、土砂濃度黏滯性降伏應力、土砂比重、漫地流層流阻力係數、

29

11、地理位置資料(CADPTS.DAT)

此項資料供使用者輸入數值地形網格之真實地理座標值，可方便 使用者整合至ArcGIS 中。

12、數值地形資料(FPLAIN.DAT)

輸入網格點資料，即輸入包含平面座標及高程植之DTM 資料。

FLO-2D 輸入之數值地形資料格式共有五個欄位分別為網格點編號、

X 座標值、Y 座標值、高程值及曼寧 n 值。FPLAIN.DAT 為 FLO-2D 模 式運算必要輸入之參數資料之一。

並在 INFLOW.DAT 及 OUTINFLOW.DAT 中指定入流點位及出流點 位，其點位編號對照FPLAIN.DAT。

2-3-5 模擬結果展示

經FLO-2D 程式模擬所輸出成果，可得知淹水發生規模與淹沒範 圍展示圖，再利用 ArcGIS 軟體套疊相片基本圖或其他圖層，如圖 2-10，便可得知淹水可能影響之現地範圍。

此外 FLO-2D 程式也會產生＊.OUT 等分析結果文字檔案，以提 供使用者參考或分析之用。

圖2-10 經由 FLO-2D 模擬輸出之成果與 GIS 結合套疊展示圖

2-4 數值高程模型之應用

台灣地區的DTM 資料乃由農委會委託農林航測所測製，採用解

31

(一)楊昌儒等(1998)[25]討論數值高程模型(Digital Terrain Model，

DTM)解析度對於淹水模式分區代表高程之影響，其方法係將原始 之 40m×40m 解析度數值高程模型分別以雙線性內插與選取最近 點法重新取樣，各產生 20m×20m 與 80m×80m 兩種解析度之數值 高程模型，再依重新取樣對分區代表高程於賀伯颱風淹水模擬所 得之最大分區淹水深度差異進行比較。結果顯示以雙線性內插方 式重新取樣為 80m×80m 解析度之數值高程模型用於賀伯颱風淹 水模擬時所得之最大淹水分區深度差異最大，顯示出數值高程模 型解析度愈低則所模擬出之淹水結果與實際情形愈不相符。

(二)賴進松等(2004)[26]利用零慣性二維淹水模式，針對精度不同之數 值地形高程(包含 200m×200m、40m×40m、20m×20m)。模擬其研 究區域之淹水潛勢，包括淹水範圍極深度的影響，藉以探討數值 地形模型精確度對於淹水模擬結果的影響。研究發現，小網格精 度較能代表當地地表高程即淹水情況。

(三)黃誌川等(2003)[27]隨著數值地形模型（Digital Terrain Models, DTMs）的發達與地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）的成熟，許多環境資料庫相繼建立，如何利用這些環境資料 庫去建立與水文參數之間的關係，以利經營管理單位應用就顯得 格外重要（Beven, 2000）。本研究的目的是以地理資訊系統及數值 地形模型為基礎，建構單場事件的分佈型水文模式（Single Event Distributed Integrated Model, SEDIM）；以橫溪水文站以上的集水 區作為研究；希望能有效地模擬水文歷線、地表逕流深度的空間 分佈與地表下逕流的空間分佈。

(四)丁志雄等(2004)[28]在遙測與 GIS 技術的基楚上應用數值高程模 型(DEM)生成的網格模型進行洪水的淹沒分析再 予洪水水位和

洪水流量兩種條件下對於三角形網格模型和任意多邊形網格模型 分 得出洪水淹沒 果並對洪水遙感監測獲得的淹沒範圍利用網 格模型進行水深分布計算，結果顯示以 GIS 技術為基礎採用平面 模擬方法進行洪水淹沒範圍和水深分布的模擬是可行的，使 感 監測與一般洪澇災害損失評估模型比較好地結合得出更準確的災 情損失評估結果。

2-5 地理資訊系統之應用

由於地理資訊系統對於地理資料的管理有其優勢，故近年來將地 理資訊系統應用土木水利之研究頗多，而在本研究中所參考之研究文 獻如下：

(一)Nageshwaretal(1992)[29]利用地理資訊系統軟體 ARC/INFO，求取 空間資料與模擬集水區所需之水文參數並加以整合，建立美國 Kentuckey 州之 Big Sandy River 流域水文資料庫以供水文模式所 用。

(二)Luis(1995)[30]等發展一套集水區即時模擬介面(Real-Time Interactive Basin Simulator，RIBS)，該介面結合水文模式與資料 庫，採分佈模式進行即時洪水預測，並提供決策者資訊以協助推 估中大型及水區之洪峰流量。

(三) 游保杉、顏沛華(1996)等[31]鑑於合乎物理現象與物理定律為基 礎之分散模式需處理大量空間資料，因此該研究藉由地理資訊系 統進行城鎮淹水模式與其相關模式之參數推求與模擬結果展示及

33

(四)陳通發(1997)[32]利用地理資訊系統套裝軟體 ArcView， 結合 HEC-1 水文模式並以網路聯結工作站之三度空間分析模組，於 Windows 系統架構下發展一套能即時反應出集水區水文特性之自 動化水文模擬程式介面，其對於 ArcView 應用介面之開發甚具啟 發性。

(四)王吉照(1999)[33]應用地理資訊系統軟體 ARC/INFO 及 ArcView 配合地理資料庫的建立與自行撰寫之物件導向程式，建置一套架 構於 ArcView 系統上之流域水文雨型模式，以各種延時之降雨資 料選取最大值進行相關統計分析，並利用卡方檢定來尋求最具適 合之機率分佈，進而推求不同頻率年之降雨強度與河川流域降雨 強度-延時-頻率關係式。

(五)葉人瑞(2000)[34]利用地理資訊系統軟體 ArcView 與 ARC/INFO 來求取淹水模式所需之各項參數及展示淹水模擬之結果，並針對 研究區域內賀伯颱風發生時之土地利用、地形以及排水路情況與 現況下之土地利用、地形以及排水路情況分別以賀伯颱風所造成 之暴雨為降雨條件來進行淹水模擬，以期有效的預測暴雨所造成 的淹水程度，並建立一即時的預測系統以提供予工程與決策單位 參考，進而減少洪災所帶來淹水的損失。

(六)顏利玲(2001)[35]目的在於建置一系統，蒐集管理防救災人員及義 工回報災情資料建置成資料庫，進行空間分析後提供洪災及時資 訊給一般民眾、防災相關人員及決策者，以作為災害發生時即時 應變以及平時防救災資源配置的參考，系統提供災情查詢、淹水 災情推估、救災決策支援的功能。

(七)張哲豪(2001)[36]由於災害防救計畫涵蓋面相當廣，且包含許多空 間相關資料，以地理資訊系統方式落實，不僅在使用上可增進業 務執行效率，更能發揮資料整合功能，顯示出潛在的資訊。然而，

由於圖形資料的空間精度與其數化圖源完全相關，一般系統使用 者往往忽略這項因素，在空間資訊疊合上無法確認資訊的可靠 度，因而降低了災害防救計畫的可行性。

(八)張政亮等(2005)[37]結合福衛二號衛星遙測影像與地理資訊系統 (GIS)等資訊技術，分析民國 90 年桃芝颱風與 93 年敏督利颱風 肆虐所造成 72 水災後，對大甲溪中上游流域內坡地崩塌災害的 分佈與變化情形，提供作為災害防治決策系統的參考。

(九)黃國文等(2005)[38] 目前國內都市排水主管單位所採用的水理模 擬模式，多數為一維模式，計算結果僅能顯示雨水下水道系統管 線之水深及流速等水理參數，在管理決策上多所不足；雖然雨水 下水道系統模擬模式與集水區地形二維水理模式已整合成功，惟 仍不普遍。因此，本文借重地理資訊系統在空間資訊整合及展示 的功能，將一維水理模式計算結果，利用地理資訊系統整合雨水 下水道水位與集水區地表高程資料，再將積水區域範圍繪出展示 ，供都市排水系統規劃或檢討之決策參考。

綜合以上前人的研究再加上本研究所具備的資源狀況而論，本 研究將採用O’Brien、Julian、Fullerton 等所提出之 FLO-2D 二維數值 模式作為淹水模擬工具，並藉由歷史資料及合理化公式估計洪水量與

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第三章 研究流程

本研究主要模擬演算模式是二維洪水災害模擬模式，重點在於研 究區域的數值地形的邊界選取及區域排水系統的建置，藉由在某暴雨 強度下研究區域集水後所發生的水文狀況；另外以不同的土地利用情 況來決定不同的模擬參數，如曼寧粗糙值、入滲係數、渠道參數等之 相關設定係數，以下將針對上述內容運算模擬出的結果分析其中對於 淹水潛勢的所造成的影響。

3-1 研究流程

本研究首先進行研究區域之資料蒐集，包括數值地形模型、降雨 及渠道資料，以整合成模式資料建置，以進行淹水模擬，並將模擬的 結果對照歷史淹水紀錄進行驗證，最後則將模擬分析的經驗與所得相 關水文參數進行分析與探討，進行的流程如圖3-1 所示。

圖3-1 本研究流程示意圖

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1、數值地型模型

本研究所採用之數值地型模型主要是以地面解析度 20m×20m 之 航空照片生成之正射影像，並藉由航測軟體(Leica Photogrammetry Suite，LPS)進行匹配後，產生之數值地形模型，而本研究是使用 2m

×2m 及 5m×5m 之規則網格精度之模型，作為模擬時所需之資料。

2、雨量資料

依據研究區域之歷史資料得知，於2005 年 5 月 12 日因梅雨鋒面 影響，二小時內降雨量達 100mm 以上，並使導致研究區域及週遭呈 現淹水災情發生，故本研究以新竹雨量站當日之降雨量及重現期距為 5 年、10 年、20 年、25 年及 50 年之降雨量作為本研究之雨量資料來 源。

3、渠道資料

研究區域之渠道，主要分為兩大部分，一為建物週遭之排水系 統，另一則為匯集後之主要排水道；兩者之大小分別為0.5m×0.6m 之 矩形渠道及 3m×1.7m 之矩形渠道，以上為本研究所量測之渠道大小

，並依此作為本研究模擬所使用。

3-3 研究區域

本研究回顧前人研究後針對於淹水潛勢上排水設施之效益及其 洪災所造成之相關影響來做一客觀性的分析及研究，而以校園為基礎 作為本研究對於區域排水特性之研究範圍，以下為本研究區域之基本 介紹。

3-3-1 區域概況

中華大學校區鄰近新竹市南郊的青草湖，距市區五公里，佔地約

20 公頃，校區最高之高程約為海拔 90 公尺，最低處約為 63 公尺，

高程差約27 公尺，屬於山坡地之地形。學校地形大致可分為兩部份：

學校南邊及操場，地形較為平坦，高程約從82 公尺到 90 公尺。另外 從學校學生活動中心到最北邊的後門，地形起伏較大，高程約從 82 公尺到 63 公尺。中華大學設有工學院、管學院、建築與規劃學院、

人文社會學院、資訊學院及觀光等學院，校內系館、行政及宿舍建築 物約14 棟及兩座人工湖，如圖 3-2 所示。

圖3-2 中華大學校區及校內建物分佈概況位置示意圖

3-3-2 區域水文概況

本研究採用中央氣象局之新竹雨量站歷年（1995～2005 年）統 計資料，如圖3-3 所示。由圖 3-3 可得知，本區域年平均降雨量 1,600

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圖3-3 新竹地區 1995 年至 2005 年之平均月降雨量概況圖 [本研究依中央氣象局新竹雨量站資料整理]

3-3-3 區域土地利用狀況

本研究區域土地利用狀況大致可分為一般瀝青混凝土道路、植被 (如一般草地)、人工湖、建物、透水鋪面(如鋪設透水磚之道路及廣場 等)、PU 用地(如操場跑道及藍球場用地等)等，其各土地利用狀況如 表3-1 所示。由表 3-1 可得知，植被佔本研究區域比例最多者，其次 為道路、建物，透水鋪面、PU 用地最後為人工湖佔用面積比例為最 少。

表3-1 研究區域範圍內土地利用狀況表[本研究整理]

種類 總面積(m²) 百分比(％)

道路 45757.476 26.90

建物 36666.789 21.55

植被 59356.922 34.89

人工湖 5099.554 3.00

PU 用地 12735.439 7.49

透水鋪面 10496.622 6.17

總面積 170112.82 100.00

3-3-4 區域邊界選取

由於模擬所需之DTM 之點位資料過於龐大，對於其他不屬於本 研究區域地區應予以刪除，否則會造成模擬資料過於龐大及時間浪費 的問題，因此本研究將 DTM 資料轉檔為(x,y,z)之文字檔(*.CSV)並匯 入ArcView 軟體[39，40]，編修所需之研究區域範圍，如圖 3-4 所示，

以便於本研究使用。圖 3-4 為擷取研究區域範圍之 DTM 點位之示意 圖，分別包含了DTM 點位資料、研究區域範圍及套疊用之正射影像。

圖3-4 利用 ArcGIS 擷取、編修 DTM 點位資料之示意圖

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3-4-1 參數設定

本研究於 FLO-2D 內所使用的參數主要包含了，模式控制資料 (CONT.DAT)、運算控制資料(TOLER.DAT)、降雨資料(RAIN.DAT)

、渠道資料(CHAN.DAT)等參數資料；另有兩項必備之資料，地理位 置資料(CADPTS.DAT)及數值地形資料(FPLAIN.DAT)，上述為本研究 於淹水模擬所具備的參數，而在這些參數中主要影響整個區域模擬結 果者分別敘述如下。

1、降雨資料

程式模擬所需之降雨資料，必須正規化成累積降雨百分比如圖 3-5 所示，方可於模擬程式時所使用。

圖3-5 累積降雨百分比曲線示意圖

2、渠道資料

此參數為本研究核心之ㄧ，憂關雨水的流向不同的渠道大小及暴 雨的影響是否會溢流現象，影響甚巨。