雨水下水道警戒水位制定評估研究

(本篇刊載於2013電子計算機於土木水利應用研討會論文集)

張向寬 國立臺灣大學氣候天氣災害研究中心 博士後研究員 
欉順忠 國家實驗研究院臺灣颱風洪水研究中心 副研究員 
賴進松 國立臺灣大學 水工試驗所 研究員 
譚義績 國立臺灣大學生物環境系統工程學系 教授

摘要 

      警戒水位為水利管理單位及地方防救災單位於颱洪豪雨期間評估是否啟動緊急應變措施之參考依據。參考歷史洪水水位及水位上升速度，中央管河川將河川警戒水位分成三級，且依照警戒水位設置預警系統。市區發生淹水主要原因為強降雨量導致超過雨水下水道系統負荷而溢出，然而目前並無針對雨水下水道系統制定警戒水位。本研究以新北市中和大排集水區為案例，並利用暴雨水流經理模式進行雨水下水道內變量流模擬。 首先以 2 場颱洪事件進行模式檢定驗證，再加以 10 場颱洪暴雨事件及 2 場設計降雨為情境，藉由人孔溢流情況，選擇板南路上編號 703 人孔為溢流監測位置。此外考量該處於颱洪暴雨時管內水位上升速度及動員準備與疏散時間，制定該處雨水下水道二級與一級警戒水位分別為 6.4 m 及 7.3 m，以提供防救災單位參考。

一、前言 

      近年來常發生極端降雨事件，各流域降雨量時有超過市區雨水下水道系統可容納情形，進而造成雨水下水道溢流而發生淹水災情。目前河川警戒水位分為三級，其定義分別為三級警戒水位為河川水位預計未來 2 小時到達高灘地之水位；二級警 戒水位為河川水位預計未來 5 小時到達計畫洪水位(或堤頂)時之水位；一級警戒水位為河川水位預計未來 2 小時到達計畫洪水位(或堤頂)時之水位。警戒水位為河川管理單位於颱洪豪雨期間判斷是否啟動緊急應變措施之依據，攸關民眾生命及財產安全。目前中央管河川皆具有重現期 200 年或 100 年之防洪堤防保護，河水溢岸氾濫現象已屬罕見。市區發生淹水之主要原因為雨水下水道系統不堪負荷而冒水溢出所造成，但目前並無針對雨水下水道系統制定警戒水位。
     本研究主要以新北市中和大排為例，以暴雨水流經理模式(SWMM)作為水理分析模式，模擬歷史颱洪事件時雨水下水道水理狀況，並歸納排水瓶頸位置與該處水位上升速度，以制定中和大排集水區雨水下水道警戒水位。 

二、研究區域 

      中和大排為新北市中和區主要之排水系統，位於中和區市中心。中和大排集水區、排水幹線及抽水站位置如圖 1 所示。集水區分為三區，以南山溝分洪工程為界，上游山區集水面積為 320.5 公頃，下游都會區集水面積為 409.4 公頃，而連城支線集水區為 594.1 公頃。該集水區內人口大多集中在下游都會區與連城支線集水區。中和區雨水下水道排水系統為依據 1977 年重現期 3 年暴雨強度設計，且系統末端設有中和抽水站，可將堤內降雨排入堤外河道。目前 SWMM 模式為根據新北市水利局人孔及下水道幹管調查報告(新北市政府水利局 2010)所建置。中和大排集水區總人孔數為155，主幹線長 3780 m，連城支線長 2260 m，而進入中和抽水站前池之幹線通水斷面尺寸為 20 m 寬 × 5.66 m 深。

圖1、中和大排集水區排水區域及排水幹線

三、水理演算模式 

      暴雨水流經理模式(SWMM)主要依據變量流理論，以一維連續方程式與動力波理論為基礎，依水流流程之特性，將模式分成地表逕流(RUNOFF)模組與排水幹管輸水(EXTRAN)模組兩部份，最終可模擬出管線流況、人孔水位與人孔溢流量。其中地表逕流是指雨量降落地面後，流入各排水幹管前之水流狀況，模擬方式是經由動力波逕流演算計算匯入排水人孔之水流流量歷線；幹管輸水部份則是利用疊代法求解動力波方程式，計算各排水幹管系統之流量、人孔節點之水位以及溢出人孔之水量。其模式資訊可參考 http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/sw mm.html。 

四、數值模式檢定驗證 

     圖 2 表示 SWMM 模式中模擬區域內排水管線與人孔位置。模式中逕流模式 (RUNOFF) 模擬降雨流入人孔之地表逕流量，再使用下水道管線模式 (EXTRAN) 模擬各管線流量及人孔水位。研究中利用 2 場颱洪事件為模式驗證案例：(1) 2004 海馬颱風；(2) 2006 0710 午後暴雨。降雨條件使用南勢角雨量站監測資料，並利用中和抽水站前池水位進行模擬結果比較。

     海馬颱風時中和抽水站前池處觀測與模擬水位如圖 3a 所示，尖峰水位誤差值為 0.21 m。 0710 午後暴雨事件之中和抽水站 水位歷線模擬結果如圖 3b 所示，尖峰水位誤差值為 0.07 m。以上模擬水位與觀測水位相當接近。以上 2 場颱洪事件模擬溢流人孔位置及溢流位置集中在南勢角支線左右兩側市區與下游主要排水路附近市區 (圖 4)。根據新北市水利局調查資料顯示 (新北市政府水利局 2005，2007)，本研究模擬人孔溢流結果與易淹水區域相近。此模式檢定驗証結果顯示，利用 SWMM 模式建置之中和大排排水系統已能合理反應現場水理狀況。SWMM 模式中地表逕流 (RUNOFF) 模組之地表粗糙係數依不同土地利用設定範圍為 0.020 – 0.080，而輸水管線 (EXTRAN) 模組中管線粗糙係數設定範圍為 0.012 – 0.015。

圖 2、中和大排集水區雨水下水道圖 

圖 3、淹水事件之降雨組體與中和抽水站觀測及模擬水位比較：
(a) 海馬颱風 2004；(b) 0710 午後暴雨 2006 

圖 4、模擬之人孔溢流點與易淹水地點：(a) 海馬颱風 2004；(b) 0710 午後暴雨 2006 

五、雨水下水道警戒水位值之制定與應用 

5.1 警戒位置

     研究中考慮以下颱洪暴雨事件之降雨進行下水道水理模擬：(1)瑞伯颱風 (1998)；(2)象神颱風 (2000) ；(3)納莉颱風 (2001) ；(4) 艾利颱風 (2004)；(5) 0820 午後暴雨 (2004) ；(6)海馬颱風 (2004)；(7) 0710 午後暴雨 (2006) ； (8) 0627 午後暴雨 (2008)；(9) 0612 暴雨 (2012)。 同時也考慮該集水區重現期 5 年短延時 (90 min) 與長延時 (24 hr) 之降雨，其設計雨 型如圖 5 所示。SWMM 模式內輸入雨量延時資料亦為 90 min 與 24 hr，且降雨間距分別以 7.5 min 及 1 hr 表示。模式中之 算時距設定為 3 sec。因 SWMM 模式演算時距小於設計雨型時間間距，因此模式內給定之雨量為該時刻之雨量值。 
     當降雨開始一段時間後，因進入下水道流量超出設計標準，則造成人孔發生溢流，而颱洪暴雨事件模擬結果中初期溢流 人孔位置則表示於圖 6(a) 至 (k) 中。以上模擬結果，初期溢流人孔位置為編號 703、q1、 q10 及 q65 等四處人孔，其位置如圖 6(l) 所示。此外位於板南路上且 TWD97 坐標為 (300320,2765148) 之編號 703 人孔除易發生溢流現象外，且溢流量也較其溢流人孔大，故選擇編號 703 人孔進行雨水下水道警戒水位值設定討論。

圖 5、重現期 5 年設計雨型：(a) 短延時 (90 min)；(b) 長延時 (24 hr) 

圖 6、各情境下初期溢流人孔與重複溢流點：(a)瑞伯颱風 (1998)；(b)象神颱風 (2000)；(c) 納莉颱風 (2001)；(d) 艾利颱風 (2004)；(e) 0820午後暴雨 (2004)；(f)海馬颱風 (2004)； (g) 0710 午後暴雨 (2006)；(h) 0627 午後暴雨 (2008)；(i) 0612 暴雨 (2012)；(j)重現期 5 年短延時降雨；(k)重現期 5 年長延時降雨； (l)重複溢流人孔點 

5.2 警戒水位值制定 

     雨水下水道警戒水位值需參考雨水下水道水位上升速度及救災動員準備或疏散時間。研究中參考水利署「河川警戒水位值修訂說明及原則」(2005，2006) 將雨水下水道警戒水位分成二級：滿管警戒水位訂為「二級警戒水位」及人孔溢流地表警戒水位訂為「一級警戒水位」。圖 7 表示雨水下水道一及二級警戒水位位置。編號 703 人孔處於各模擬案例所得滿管與溢流水位上升速度如表 1 所示。 

     研究中選擇編號 703 人孔處颱洪暴雨事件模擬結果前三高滿管及溢流水位上升速度之平均值制定雨水下水道警戒水位，因此滿管水位上升速度為 0.20 m/hr，而人孔溢流水位上升速度為 0.25 m/hr。 

一級警戒水位:Hw1 = H1 – Tw × V1 (1) 
二級警戒水位:Hw2 = H2 – Tw × V2 (2) 

H1:人孔地表高程；7.4 m 
H2:雨水下水道滿管高程；6.5 m 
Tw:救災動員準備時間；0.5 hr 
V1:溢流前水位上升速度；0.25 m/hr 
V2:滿管前水位上升速度；0.20 m/hr 

     板南路編號 703 人孔之地表高(Hw1)為 7.4 m，雨水下水道滿管高程(Hw2)為 6.5 m。 研究區域內防救災單位(消防局、警察局與醫院)與避難地點(各級學校)，且距離住家不超過 1.5 km。參考日本疏散避難指導方針(2012)中說明老人、非視障群眾及使用輪椅殘障人士於平地移動速度(日本疏散避難指導方針審查委員會，2012)分別為 1.3、 0.88 – 1.29 及 0.91 m/s。因此在 1.5 km 距離間移動時間為 19 – 27 min，所以研究中決定以 30 min 做為救災動員準備及民眾疏散時間。將各項數據代入公式(1)與(2)，可得板南路編號 703 人孔二級警戒水位 (滿管水位)為 6.4 m，一級警戒水位(溢流水位)為 7.3 m。

圖 7、雨水下水道警戒水位；(a) 二級警戒水位；(b)一級警戒水位

表 1、編號 703 人孔處滿管與溢流水位上升速度 (單位:m/hr) 

六、結論與建議 

     本研究以新北市中和大排為例，並以 SWMM 模式進行雨水下水道水理模擬，由模擬結果與參考淹水防救災原則制定雨水下水道警戒水位，以提供防救災單位進行動員與民眾疏散作業參考。研究中以 9 場實際颱洪暴雨事件降雨觀測及 2 場重現期 5 年設計降雨為輸入條件，模擬雨水下水道管路內水位上升速度外並挑選出模擬案例中重覆發生溢流人孔位置，以做為警戒水位制定。研究中選出板南路上編號 703 人孔，經參考該位置實際滿管水位及人孔高程後，並考慮區域內防救災動員及民眾疏散動線，決定避難時間為 30 min，而推估板南路編號 703 人孔位置之二級警戒水位為 6.4 m，一級警戒水位為 7.3 m。
     藉由監測人孔處之雨水下水道內水位，將可即時提供防救災單位進行動員與民眾疏散作業參考。此外監測水位到達二級警 戒水位時，相關救災單位出動移動式抽水機組、橡皮艇、交通管制人員等至監測人孔位置附近區域待命，並於監測水位到達一級警戒水位時，開始通知居民進行疏散。 

參考文獻 

1.日本疏散避難指導方針審查委員會 2012 内閣府政策統括官津波避難ビル 等に係るガイドライン。

2.新北市政府水利局 2005 臺北縣雨量 站與水位監測站規劃研究。

3.新北市政府水利局 2007 臺北縣示範 區雨量及水位警戒值之研究規劃。

4.新北市政府水利局 2010 臺北縣 99 年 度雨水下水道現況調查與系統模擬分 析(中和市、瑞芳鎮、深坑鄉及林口鄉)。

5.經濟部水利署 2005 中央管河川警戒 水位制定標準及北區河川檢討。

6.經濟部水利署 2006 中南東區中央管 河川警戒水位檢討及制定。