一、都市暴雨排水原理

每年臺灣地區均受強烈臺風侵襲，加以河流陡急，人為不當開發，極易照造成水災。水災防治可以分為防洪與排水兩方面，防洪指防止河川的洪水沖毀堤岸或溢過堤岸而泛濫，排水則是將一個區域過多的水量排至該區域之外，最后納入河川，以避免淹水，雖然方式不同，目的都在避免洪水損失。排水工程通常被水利工程師當作小問題，而不太受重視，其實它的投資成本額和每年的維修費，可能要比受許多人矚目的河川防洪工程來得多。排水工程和河川防洪最大的區別，除了前者處理的是到達河川之前的水，后者處理的是河川里的水之外，主要是在處理技術上的不同。畢竟排水工程所容忍的淹水時間和河川防洪大不相同，在可能范圍內，前者可以容許較長的時間，而后者恐怕就要因此而釀成巨災，因此在處理技術上兩者也就有所不同了。排水問題最近愈來愈受重視，尤其是都市雨水下水道的問題，甚至引起中央行政長官的關注，而在報上時有所聞。賀伯臺風時，臺北市社子島臨時抽水站部分抽水機浸損與門閥門損壞。臺北縣土城水門動力設備毀壞，四汴頭抽水站八部抽水機損壞，光復水門控制設備部份浸水損壞。造成社子、土城地區嚴重淹水損失慘重。其實，排水問題并不只限于與居住環境有關的都市排水而己。廣義地說，「排水」這個名詞乃泛指排除過量之水到該區域之外，此過量之水包括地面及地下所不需要的水。按照應用范圍區分，排水問題大致可以分成三類：都市暴雨排水、農田排水和公路排水，在此主要介紹都市暴雨排水原理。在都市里，暴雨通常匯流到街道旁的下水道入水口，然后利用埋在地下的管道輸送到河川、湖泊，甚至海洋等適當的放流位置。由于地質的關系，有時下水道必須穿過不透水層而集流于較深的地層下，至于出水口則通常遷就地形來決定，因為原則上，利用重力作用輸水是最方便、最經濟的方式。下水道入水口以愈接近水源愈佳，因為如此一來，這些水造成不便的范圍就大大減少了。此外，在考慮經濟因素的情況，有些時候設置抽水站來協助輸水，也可能是有利的方式。(一)設計排水量設計都市暴雨排水設施時，我們必須先設計排水量，而要設計排水量，又必須先知道可能造成此排水量的暴雨，然后才能有所依據以進行工程設施的設計。因此整個工作的流程可以概分為：決定設計暴雨量→根據設計暴雨量換算成排水量→依據排水量進行排水設施的設計。都市暴雨排水通常是選擇排除某一種發生頻率的暴雨來作設計的，所謂發生頻率指的是該暴雨重現期距的倒數。由于都市排水不良所造成的乃是一種公害，很難估計它實質的損失，因此設計暴雨的選擇必須依據設計者的判斷。比如說，某住宅區因為暴雨的緣故，一年只不過淹幾次水，則選擇重現期距較短的暴雨(較小的暴雨)，而容許非常大的暴雨所造成的淹水情形，如此并不至于造成太大的不便，卻可以省下不少的經費。然而如果是在商業區，則因為暴雨淹水，往往損失不貲，所以有必要選擇較長重現期距的暴雨(較大的暴雨)作為設計暴雨量。此外，原本地質排水條件的優良與否，也該列入設計暴雨量的考慮。對一般情況而言，在住宅區選擇重現期距1至2 年的暴雨，而在商業區選擇重現期距5至10年的暴雨，大致是允當的。當然，選擇都市排水的暴雨量，最終還是決定于政府和民間對于此一公共設施的投資意愿。根據所設計的暴雨量來推算排水量是一件復雜的工作。因為集水區之地理、地質等有著不同的條件，而且雨水匯流到下水道入水口原本就是千頭萬緒的過程，更遑論該暴雨的延時和地理分布是否合理了。對于復雜的問題，一來數學上沒有辦法處理，二來縱然能夠處理，工程上是否實際，也是個大問題，因此，對于排水量的估算，從簡單的假設排水量為雨量的一半，到以復雜的電子計算器程序仿真，方法不勝枚舉，然而使用最廣、最易為工程界接受的，首推合理法(rational method)( 合理化公式) 。合理法乃是簡單地假設最大流量(Qp) 等于集水區的流量系數(C) 乘上設計暴雨強度(I) ，再乘上集水區面積(A) ，即Qp=CIA 其中流量系數和集水區的透水情形、地面粗糙程度等都有關系。降雨強度公式常用的有兩種：物部公式以及Honer 公式。

1.物部公式（降雨強度由日雨量推定）

I= {R24/24} ×{24/tc}k 其中I 為洪水到達時間或集流時間tc 內之平均降雨強度(mm/hr) ，R24 為24小時一日降雨量，k 為常數，一般為1/2~2/3 。

1 公式（降雨強度由降雨強度-延時-頻率曲線推定）I=a/ ( t + d )k 其中I 為平均降雨強度(mm/hr) ，t 為降雨延時(min) ，a,d 為系數。目前水利處已對全省已建檔自記雨量站，藉回歸及率定方式，得到物部公式與Honer 公式之系數值，可供查詢使用。集流時間tc 之決定常用的有兩種：美國加州公路局公式以及Rhiza 公式。

2 1.美國加州公路局公式tc = (0.87 L3 / H )0.385 其中L 為水路最高點與流域出口的距離(km)，H 為水路最高點與流域出口的高程差(m)，tc 為集流時間（hr）。

2.Rhiza 公式tc =L/V=L/ { 72( H / L)（2/3）}} 其中L 為水路最高點與流域出口的距離(km)，H 為水路最高點與流域出口的高程差(km)，V 為洪水之平均流速（km/hr）。大致上，一般臺灣地區應用之區域排水規劃，為配合實際地形因素，可將Rhiza 公式中系數72修正為135，由于公式中影響集流時間之主要因素為坡度，而沿海地區坡度通常較平緩，山坡地區坡度通常較陡峭，故沿海地區或坡度平緩地區，多為配合實際地形狀況，將公式系數修正為135，山坡地區則維持系數72。若計劃排水路之坡度變化較大，可以由坡度變化劇烈之處分界，將水路分為上下游數段計算，各段分別采用集流時間公式計算后，全部相加而得到最高點至流域出口的集流時間。至于流量，由于下水道是為輸水而設計，并非為了儲水，因此，通常我們只計算最大流量，而不在乎排水的體積。但如果把抽水站也考慮在內，則排水體積也就要顧及了。需要特別注意的是，在設計都市暴雨排水問題，使用合理法推算最大地表水量時，由于要把集水區分劃成許多小區間(一般以下水道入水口區分)，而每一次以合理法推算出來的只是一小區間的最

大流量而己，所以在設計下水道排水設施時，必須把每一小區間總合起來考慮�，F在我們已經可以了解，在推算排水量時結果是否準確，主要是決定于設計暴雨的選擇和流量系數的決定。設計暴雨的問題我們已經討論過了，至于流量系數則完全仰賴于合理的推測。如果考慮分劃的許多小區間，綜合起來計算設計排水量，則由于可以有許多不同的C、I、A ，我們可以想象得到這將是一件非常繁復的手續，幸好如今已經有高速度的電子計算器，對于這種復雜而實際上并不困難的計算，我們只要輸入不同的C、I、A ，其余的只要設計一個簡單的程序，讓計算器來代勞就可以了。(二) 設計排水設施至于排水設施(下水道管路)的設計，則必須根據計算出不同入水口的最大水量，利用流體力學的方法，推算排水系統網絡中每一段所需要承擔的排水量，然后再決定這些排水量所需要的管路之截面積和坡度等。當然在知道排水量的條件下決定管路的截面積和坡度必須選擇較經濟的設計，因為較大的截面積可容許較小的坡度，如此一來管子成本變高，而挖方成本則降低；反之，亦可選擇截面積較小的管子，而增加管線開挖的成本。這里牽涉到的流體力學計算，可以使用簡單的管網來計算，或者用復雜的微分方程來計算，前者的結果自然要比后者粗略得多。簡單的計算可以人力或簡單的電子計算器程序處理，復雜的微分方程則不是人力所能做到，非仰賴電子計算器不同。有一點不能忘記的是在考慮計算方法時，必須了解所設計的工程，其重要性和準確需求，如果工程很大，則最好使用復雜的電子計算器程序處理；如果工程很小或很簡單，則使用復雜的方式處理不但不必要，反而是一種浪費。對于都市暴雨排水設計的考慮，同樣也可以應用到土地(農田)和公路的排水。

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