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都市暴雨排水原理与案例,http://www.5idzw.com
一、都市暴雨排水原理
每年台湾地区均受强烈台风侵袭，加以河流陡急，人为不当开发，极易照造成水灾。水灾防治可以分为防洪与排水两方面，防洪指防止河川的洪水冲毁堤岸或溢过堤岸而泛滥，排水则是将一个区域过多的水量排至该区域之外，最后纳入河川，以避免淹水，虽然方式不同，目的都在避免洪水损失。排水工程通常被水利工程师当作小问题，而不太受重视，其实它的投资成本额和每年的维修费，可能要比受许多人瞩目的河川防洪工程来得多。排水工程和河川防洪最大的区别，除了前者处理的是到达河川之前的水，后者处理的是河川里的水之外，主要是在处理技术上的不同。毕竟排水工程所容忍的淹水时间和河川防洪大不相同，在可能范围内，前者可以容许较长的时间，而后者恐怕就要因此而酿成巨灾，因此在处理技术上两者也就有所不同了。排水问题最近愈来愈受重视，尤其是都市雨水下水道的问题，甚至引起中央行政长官的关注，而在报上时有所闻。贺伯台风时，台北市社子岛临时抽水站部分抽水机浸损与门阀门损坏。台北县土城水门动力设备毁坏，四汴头抽水站八部抽水机损坏，光复水门控制设备部份浸水损坏。造成社子、土城地区严重淹水损失惨重。其实，排水问题并不只限于与居住环境有关的都市排水而己。广义地说，「排水」这个名词乃泛指排除过量之水到该区域之外，此过量之水包括地面及地下所不需要的水。按照应用范围区分，排水问题大致可以分成三类：都市暴雨排水、农田排水和公路排水，在此主要介绍都市暴雨排水原理。在都市里，暴雨通常汇流到街道旁的下水道入水口，然后利用埋在地下的管道输送到河川、湖泊，甚至海洋等适当的放流位置。由于地质的关系，有时下水道必须穿过不透水层而集流于较深的地层下，至于出水口则通常迁就地形来决定，因为原则上，利用重力作用输水是最方便、最经济的方式。下水道入水口以愈接近水源愈佳，因为如此一来，这些水造成不便的范围就大大减少了。此外，在考虑经济因素的情况，有些时候设置抽水站来协助输水，也可能是有利的方式。(一)设计排水量设计都市暴雨排水设施时，我们必须先设计排水量，而要设计排水量，又必须先知道可能造成此排水量的暴雨，然后才能有所依据以进行工程设施的设计。因此整个工作的流程可以概分为：决定设计暴雨量→根据设计暴雨量换算成排水量→依据排水量进行排水设施的设计。都市暴雨排水通常是选择排除某一种发生频率的暴雨来作设计的，所谓发生频率指的是该暴雨重现期距的倒数。由于都市排水不良所造成的乃是一种公害，很难估计它实质的损失，因此设计暴雨的选择必须依据设计者的判断。比如说，某住宅区因为暴雨的缘故，一年只不过淹几次水，则选择重现期距较短的暴雨(较小的暴雨)，而容许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，却可以省下不少的经费。然而如果是在商业区，则因为暴雨淹水，往往损失不赀，所以有必要选择较长重现期距的暴雨(较大的暴雨)作为设计暴雨量。此外，原本地质排水条件的优良与否，也该列入设计暴雨量的考虑。对一般情况而言，在住宅区选择重现期距1至2 年的暴雨，而在商业区选择重现期距5至10年的暴雨，大致是允当的。当然，选择都市排水的暴雨量，最终还是决定于政府和民间对于此一公共设施的投资意愿。根据所设计的暴雨量来推算排水量是一件复杂的工作。因为集水区之地理、地质等有着不同的条件，而且雨水汇流到下水道入水口原本就是千头万绪的过程，更遑论该暴雨的延时和地理分布是否合理了。对于复杂的问题，一来数学上没有办法处理，二来纵然能够处理，工程上是否实际，也是个大问题，因此，对于排水量的估算，从简单的假设排水量为雨量的一半，到以复杂的电子计算器程序仿真，方法不胜枚举，然而使用最广、最易为工程界接受的，首推合理法(rational method)( 合理化公式) 。合理法乃是简单地假设最大流量(Qp) 等于集水区的流量系数(C) 乘上设计暴雨强度(I) ，再乘上集水区面积(A) ，即Qp=CIA 其中流量系数和集水区的透水情形、地面粗糙程度等都有关系。降雨强度公式常用的有两种：物部公式以及Honer 公式。
1.物部公式（降雨强度由日雨量推定）
I= {R24/24} ×{24/tc}k 其中I 为洪水到达时间或集流时间tc 内之平均降雨强度(mm/hr) ，R24 为24小时一日降雨量，k 为常数，一般为1/2~2/3 。
1 公式（降雨强度由降雨强度-延时-频率曲线推定）I=a/ ( t + d )k 其中I 为平均降雨强度(mm/hr) ，t 为降雨延时(min) ，a,d 为系数。目前水利处已对全省已建档自记雨量站，藉回归及率定方式，得到物部公式与Honer 公式之系数值，可供查询使用。集流时间tc 之决定常用的有两种：美国加州公路局公式以及Rhiza 公式。
2 1.美国加州公路局公式tc = (0.87 L3 / H )0.385 其中L 为水路最高点与流域出口的距离(km)，H 为水路最高点与流域出口的高程差(m)，tc 为集流时间（hr）。
2.Rhiza 公式tc =L/V=L/ { 72( H / L)（2/3）}} 其中L 为水路最高点与流域出口的距离(km)，H 为水路最高点与流域出口的高程差(km)，V 为洪水之平均流速（km/hr）。大致上，一般台湾地区应用之区域排水规划，为配合实际地形因素，可将Rhiza 公式中系数72修正为135，由于公式中影响集流时间之主要因素为坡度，而沿海地区坡度通常较平缓，山坡地区坡度通常较陡峭，故沿海地区或坡度平缓地区，多为配合实际地形状况，将公式系数修正为135，山坡地区则维持系数72。若计划排水路之坡度变化较大，可以由坡度变化剧烈之处分界，将水路分为上下游数段计算，各段分别采用集流时间公式计算后，全部相加而得到最高点至流域出口的集流时间。至于流量，由于下水道是为输水而设计，并非为了储水，因此，通常我们只计算最大流量，而不在乎排水的体积。但如果把抽水站也考虑在内，则排水体积也就要顾及了。需要特别注意的是，在设计都市暴雨排水问题，使用合理法推算最大地表水量时，由于要把集水区分划成许多小区间(一般以下水道入水口区分)，而每一次以合理法推算出来的只是一小区间的最
大流量而己，所以在设计下水道排水设施时，必须把每一小区间总合起来考虑。现在我们已经可以了解，在推算排水量时结果是否准确，主要是决定于设计暴雨的选择和流量系数的决定。设计暴雨的问题我们已经讨论过了，至于流量系数则完全仰赖于合理的推测。如果考虑分划的许多小区间，综合起来计算设计排水量，则由于可以有许多不同的C、I、A ，我们可以想象得到这将是一件非常繁复的手续，幸好如今已经有高速度的电子计算器，对于这种复杂而实际上并不困难的计算，我们只要输入不同的C、I、A ，其余的只要设计一个简单的程序，让计算器来代劳就可以了。(二) 设计排水设施至于排水设施(下水道管路)的设计，则必须根据计算出不同入水口的最大水量，利用流体力学的方法，推算排水系统网络中每一段所需要承担的排水量，然后再决定这些排水量所需要的管路之截面积和坡度等。当然在知道排水量的条件下决定管路的截面积和坡度必须选择较经济的设计，因为较大的截面积可容许较小的坡度，如此一来管子成本变高，而挖方成本则降低；反之，亦可选择截面积较小的管子，而增加管线开挖的成本。这里牵涉到的流体力学计算，可以使用简单的管网来计算，或者用复杂的微分方程来计算，前者的结果自然要比后者粗略得多。简单的计算可以人力或简单的电子计算器程序处理，复杂的微分方程则不是人力所能做到，非仰赖电子计算器不同。有一点不能忘记的是在考虑计算方法时，必须了解所设计的工程，其重要性和准确需求，如果工程很大，则最好使用复杂的电子计算器程序处理；如果工程很小或很简单，则使用复杂的方式处理不但不必要，反而是一种浪费。对于都市暴雨排水设计的考虑，同样也可以应用到土地(农田)和公路的排水。
3 1.水利计算以前述合理化公式求得之流量Q 需要多大断面Aw 可以利用Aw=Q /V 求得，V 为断面平均流速，在重力流况下以曼宁公式计算其平均流速：
，都市暴雨排水原理与案例
一、都市暴雨排水原理
每年台湾地区均受强烈台风侵袭，加以河流陡急，人为不当开发，极易照造成水灾。水灾防治可以分为防洪与排水两方面，防洪指防止河川的洪水冲毁堤岸或溢过堤岸而泛滥，排水则是将一个区域过多的水量排至该区域之外，最后纳入河川，以避免淹水，虽然方式不同，目的都在避免洪水损失。排水工程通常被水利工程师当作小问题，而不太受重视，其实它的投资成本额和每年的维修费，可能要比受许多人瞩目的河川防洪工程来得多。排水工程和河川防洪最大的区别，除了前者处理的是到达河川之前的水，后者处理的是河川里的水之外，主要是在处理技术上的不同。毕竟排水工程所容忍的淹水时间和河川防洪大不相同，在可能范围内，前者可以容许较长的时间，而后者恐怕就要因此而酿成巨灾，因此在处理技术上两者也就有所不同了。排水问题最近愈来愈受重视，尤其是都市雨水下水道的问题，甚至引起中央行政长官的关注，而在报上时有所闻。贺伯台风时，台北市社子岛临时抽水站部分抽水机浸损与门阀门损坏。台北县土城水门动力设备毁坏，四汴头抽水站八部抽水机损坏，光复水门控制设备部份浸水损坏。造成社子、土城地区严重淹水损失惨重。其实，排水问题并不只限于与居住环境有关的都市排水而己。广义地说，「排水」这个名词乃泛指排除过量之水到该区域之外，此过量之水包括地面及地下所不需要的水。按照应用范围区分，排水问题大致可以分成三类：都市暴雨排水、农田排水和公路排水，在此主要介绍都市暴雨排水原理。在都市里，暴雨通常汇流到街道旁的下水道入水口，然后利用埋在地下的管道输送到河川、湖泊，甚至海洋等适当的放流位置。由于地质的关系，有时下水道必须穿过不透水层而集流于较深的地层下，至于出水口则通常迁就地形来决定，因为原则上，利用重力作用输水是最方便、最经济的方式。下水道入水口以愈接近水源愈佳，因为如此一来，这些水造成不便的范围就大大减少了。此外，在考虑经济因素的情况，有些时候设置抽水站来协助输水，也可能是有利的方式。(一)设计排水量设计都市暴雨排水设施时，我们必须先设计排水量，而要设计排水量，又必须先知道可能造成此排水量的暴雨，然后才能有所依据以进行工程设施的设计。因此整个工作的流程可以概分为：决定设计暴雨量→根据设计暴雨量换算成排水量→依据排水量进行排水设施的设计。都市暴雨排水通常是选择排除某一种发生频率的暴雨来作设计的，所谓发生频率指的是该暴雨重现期距的倒数。由于都市排水不良所造成的乃是一种公害，很难估计它实质的损失，因此设计暴雨的选择必须依据设计者的判断。比如说，某住宅区因为暴雨的缘故，一年只不过淹几次水，则选择重现期距较短的暴雨(较小的暴雨)，而容许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，却可以省下不少的经费。然而如果是在商业区，则因为暴雨淹水，往往损失不赀，所以有必要选择较长重现期距的暴雨(较大的暴雨)作为设计暴雨量。此外，原本地质排水条件的优良与否，也该列入设计暴雨量的考虑。对一般情况而言，在住宅区选择重现期距1至2 年的暴雨，而在商业区选择重现期距5至10年的暴雨，大致是允当的。当然，选择都市排水的暴雨量，最终还是决定于政府和民间对于此一公共设施的投资意愿。根据所设计的暴雨量来推算排水量是一件复杂的工作。因为集水区之地理、地质等有着不同的条件，而且雨水汇流到下水道入水口原本就是千头万绪的过程，更遑论该暴雨的延时和地理分布是否合理了。对于复杂的问题，一来数学上没有办法处理，二来纵然能够处理，工程上是否实际，也是个大问题，因此，对于排水量的估算，从简单的假设排水量为雨量的一半，到以复杂的电子计算器程序仿真，方法不胜枚举，然而使用最广、最易为工程界接受的，首推合理法(rational method)( 合理化公式) 。合理法乃是简单地假设最大流量(Qp) 等于集水区的流量系数(C) 乘上设计暴雨强度(I) ，再乘上集水区面积(A) ，即Qp=CIA 其中流量系数和集水区的透水情形、地面粗糙程度等都有关系。降雨强度公式常用的有两种：物部公式以及Honer 公式。
1.物部公式（降雨强度由日雨量推定）
I= {R24/24} ×{24/tc}k 其中I 为洪水到达时间或集流时间tc 内之平均降雨强度(mm/hr) ，R24 为24小时一日降雨量，k 为常数，一般为1/2~2/3 。
1 公式（降雨强度由降雨强度-延时-频率曲线推定）I=a/ ( t + d )k 其中I 为平均降雨强度(mm/hr) ，t 为降雨延时(min) ，a,d 为系数。目前水利处已对全省已建档自记雨量站，藉回归及率定方式，得到物部公式与Honer 公式之系数值，可供查询使用。集流时间tc 之决定常用的有两种：美国加州公路局公式以及Rhiza 公式。
2 1.美国加州公路局公式tc = (0.87 L3 / H )0.385 其中L 为水路最高点与流域出口的距离(km)，H 为水路最高点与流域出口的高程差(m)，tc 为集流时间（hr）。
2.Rhiza 公式tc =L/V=L/ { 72( H / L)（2/3）}} 其中L 为水路最高点与流域出口的距离(km)，H 为水路最高点与流域出口的高程差(km)，V 为洪水之平均流速（km/hr）。大致上，一般台湾地区应用之区域排水规划，为配合实际地形因素，可将Rhiza 公式中系数72修正为135，由于公式中影响集流时间之主要因素为坡度，而沿海地区坡度通常较平缓，山坡地区坡度通常较陡峭，故沿海地区或坡度平缓地区，多为配合实际地形状况，将公式系数修正为135，山坡地区则维持系数72。若计划排水路之坡度变化较大，可以由坡度变化剧烈之处分界，将水路分为上下游数段计算，各段分别采用集流时间公式计算后，全部相加而得到最高点至流域出口的集流时间。至于流量，由于下水道是为输水而设计，并非为了储水，因此，通常我们只计算最大流量，而不在乎排水的体积。但如果把抽水站也考虑在内，则排水体积也就要顾及了。需要特别注意的是，在设计都市暴雨排水问题，使用合理法推算最大地表水量时，由于要把集水区分划成许多小区间(一般以下水道入水口区分)，而每一次以合理法推算出来的只是一小区间的最
大流量而己，所以在设计下水道排水设施时，必须把每一小区间总合起来考虑。现在我们已经可以了解，在推算排水量时结果是否准确，主要是决定于设计暴雨的选择和流量系数的决定。设计暴雨的问题我们已经讨论过了，至于流量系数则完全仰赖于合理的推测。如果考虑分划的许多小区间，综合起来计算设计排水量，则由于可以有许多不同的C、I、A ，我们可以想象得到这将是一件非常繁复的手续，幸好如今已经有高速度的电子计算器，对于这种复杂而实际上并不困难的计算，我们只要输入不同的C、I、A ，其余的只要设计一个简单的程序，让计算器来代劳就可以了。(二) 设计排水设施至于排水设施(下水道管路)的设计，则必须根据计算出不同入水口的最大水量，利用流体力学的方法，推算排水系统网络中每一段所需要承担的排水量，然后再决定这些排水量所需要的管路之截面积和坡度等。当然在知道排水量的条件下决定管路的截面积和坡度必须选择较经济的设计，因为较大的截面积可容许较小的坡度，如此一来管子成本变高，而挖方成本则降低；反之，亦可选择截面积较小的管子，而增加管线开挖的成本。这里牵涉到的流体力学计算，可以使用简单的管网来计算，或者用复杂的微分方程来计算，前者的结果自然要比后者粗略得多。简单的计算可以人力或简单的电子计算器程序处理，复杂的微分方程则不是人力所能做到，非仰赖电子计算器不同。有一点不能忘记的是在考虑计算方法时，必须了解所设计的工程，其重要性和准确需求，如果工程很大，则最好使用复杂的电子计算器程序处理；如果工程很小或很简单，则使用复杂的方式处理不但不必要，反而是一种浪费。对于都市暴雨排水设计的考虑，同样也可以应用到土地(农田)和公路的排水。
3 1.水利计算以前述合理化公式求得之流量Q 需要多大断面Aw 可以利用Aw=Q /V 求得，V 为断面平均流速，在重力流况下以曼宁公式计算其平均流速：
，都市暴雨排水原理与案例