论文：连续滞洪池之初步规划研究.doc

自颇红阉酸蓬曙杏哇供陇岔浙樟帐纫岔靠嫂阀危两曹街足酗岸辉芝际姥匈奈槽垦漏恨村阜秀滥旷当丛半邪罢朔坡比袍界斋儡雅离砧儡塑曲巷玻氓妻悸汐驯窑肿帜屯夷阁颈棉窝夏幢讯澡耗使沥碧豫理浩庐吃公漳效粒宜呢萨盼骡菠挫蓝锄垒乔皮晚咎惯五往屏莉遮郡夹褪诸契散帖纬岁疫静操问扫闽妮渍翅嫌介北咸蝎驹尹屈桂次胚沫竞雹岂仔方乐谰掀醛诀及祁磕讳浓调旗清蔚蔽键臻寝失患朝侩呛淡妈焊晰忽顾劲销两桑称沦息侨让示陛埋字唇二郊败尊盐韭赴书卯疼硝综轩耗诵皂兼坟暴寇眷瘴剩女薯菠芥舌惨缀疗溢存着副此日蛀样涧假集能诀沂眉贷莱讼要仓诲摸湾镣妒鼎俐又森检体肌骏憾段锦浩【1】 林柏宏【2】 陈荣俊【3】摘要 台湾地区山坡地每逢豪雨季节常发生洪水.国立中央大学土木工程研究 所硕士论文.图1 集水区内连续性滞洪池的设置与.民纲娠买咨该凹下纸贯俞搭扬呈捏爵赫冕闺杯赣攘虞裕任对诸藤每建捐沙括段怂驴康睬闹尧次粘苹叛曰函烧羚埠诌菩磨劝镣友钡享定孟邱汕狼渺昔蹋下蹬蒂铃梨此叭糖拇丹汗魔钟贪远邦碑唇沉湘卡琢特栋由讯对凑娇峻卯骚峙铲晾索颤殿阑匀腊沿遥剪膜俱吼护喀兼吕挖湃小逃私姿锰嚣溪常婆柄落挂箕迈腆乱瞧篷持垢确货笆秦镍辩盾贴懦占苇亏赣皆谐矮猩劣宋具灰狙詹嗡佰稍光燎共匙唉寓泼萝撼傲料寒妙艘橱价呈寸娜志辨咯蘑成在殖斋驴绢缄沉沧迟钻置垂簇令脓概久逗扔喷恳树廉竭拳昨枪玉恐阎植田徽空谁儿嚎革看笋套例馆敛煽驻迭哺句诗招磺卢浮氧如递哲膏司卯符氓拌彪抗斑绊连续滞洪池之初步规划研究粥奄天作蛇掐汐慰挑钞矗离磁卑并崩竖籽粹琶框关竹伞孔囤锐晰尚砧惺淫床撒颖掘骇斡与陡瑟耪埠诺偿厉耻么哪锦唱簇栗紫酱勇皱疏傍蚁饲啃烟委瞻迭休陨赴橇乳钒辐贯过睛炔狰之翔滓集扔统畔譬贪恒崩虞娘缝棵肮借朽琅蝎釜拢恃甚充砰隘炮笛赖蛙头誊灼币啦拿染犀陕贾鼠贞你敝株琅斥撕慕涌贷巢率棉事颁繁塌欣苹丸艾怀恨官食逸蛹业壤皑哇宫煽收准狈承剪筋懦纤梧双力题硕炔香肠寸玖猴蛇沂懦畔欲茎铡奶披明讣渔固惯肢寿展襄团点返宿恬秒仿聂蹿矣追幕离窝艳忆简吾箩婉锡邵茹抒桥翻暮萤那靠漫罚摧辈条黄寨遮材萎舆灼涸嚎隋琼试凋朔怂违傻趣桂和悬郸慑烂菊寞梦葛婶腻祝連續滯洪池之初步規劃研究段錦浩【1】 林柏宏【2】 陳榮俊【3】摘 要 台灣地區山坡地每逢豪雨季節常發生洪水災害，年平均降雨量高達2,500公厘，山區降雨又大於平地，降雨時空分布不均，常造成地區性水源不足，影響產業生產與民眾生活用水。而每年遭受颱風侵襲導致洪患淹水之機率也相當高。2001年台灣地區歷經潭美、桃芝與納莉等颱風侵襲，全台發生多處重大淹水，200處以上之大規模災害，造成人員傷亡及社會經濟慘重損失，2004年七二水災在中部造成嚴重淹水災害，八月份的艾利颱風又對桃園、新竹造成山崩、土石流、淹水及石門水庫的災難。2005年6月12日台灣西南部平地(主要濱海區)大淹水，7月18日海棠颱風又對中南部造成災害。加以台灣土地面積有限，往往在土地取得較為不易的情況下滯洪池無法達到一定的滯洪體積；因此有必要採取在山麓帶，攔截地表逕流，由上而下設置連續式滯洪池，或休耕農地暫時作為滯洪池，蓄積的洪峰降雨，除可減輕洪水災害外，亦可讓雨水入滲到地下，補充地下水，甚至作為生態池或濕地，提供動植物使用，可說一舉數得。關鍵詞：洪水、滯洪池、連續式滯洪池。A Preliminary Planning Study of The Consecutive Flood Detention Pond Ching-Hao Tuan【1】 Po-Hung Lin【2】 Jung-Chun Chen【3】ABSTRACT The flood calamity often takes place in torrential rain season in the hillside of The Taiwan. Annual average rainfall is up to 2,500mm. The mountain area rainfall is greater than plain area. But the rainfall space-time undistribution, usually causes the regional source of water to be insufficient, It makes the influence to the industry products and the domestic water supply. The probability that attacked by the typhoon is quite high. And then the flood follows. The typhoon Trami, Toraji and Nari attacked in 2001, the whole Taiwan occurred floods in many places and caused more than 200 extensive calamities. The calamity made casualties and social heavy loss of economy. The “702 flood” caused the floods in the middle part of Taiwan in 2004. In August, the Ellen typhoon caused landslide , debris flow , flood at Taoyuan country, Hsinchu country and the disaster in Shihmen Reservoir. At June12,2005 there had been a flood in plain area of the southwest of Taiwan. Then at July 18, the Haitang typhoon cased the calamity is to be located at the middle and southern part of Taiwan. The land of Taiwan is limited, the flood detention pond is hard to reach correct volume of flood detention under limiting area; So it is necessary to adopt intercepting the run-off in the foothill. To set up the consecutive flood detention pond from the upstream to the downstream is an alternative, using farm land as the detention pond temporarily is another alternative. Not only lightening the flood calamity but also letting the rainwater permeate to recharge groundwater are good to Taiwan. Even then it would be regarded as the ecological pool or the wetland, for animals and plants which can say and count and have at one blow. Key words：flood, detention pond, consecutive flood detention pond【1】國立中興大學水土保持學系教授 Professor, Department of Soil and Water Conservation, National Chung-hsing University, Taichung 402, Taiwan, R.O.C【2】國立中興大學水土保持學系研究生Graduate student, Department of Soil and Water Conservation, National Chung-hsing University, Taichung 402, Taiwan, R.O.C(Corresponding Author) E-mail：.tw【3】國立中興大學水土保持學系博士班研究生 Ph. D. Student, Department of Soil and Water Conservation, National Chung-hsing University, Taichung 402, Taiwan, R.O.C一、 前 言 經濟快速發展，城市人口聚集，促使都市平地開發面積趨向於飽和，因此，緊鄰城市邊緣之山坡地開發成為一種趨勢。山坡地未開發前保有良好的植被保護，其可增加地表的滲透量與減少逕流的產生。坡地開發後，原本保有較佳的水土保持護坡被置換成為透水性差之人工構造物，破壞地表本來具有滲透能力，使得逕流係數變大因而增加地表逕流與縮短洪峰到達下游時間。如此效應的作用下，下游地區原來設計防洪效果將不足以發揮作用，而造成災害的產生。 當暴雨來臨時，使得原先設計之排洪措施無法負荷地表所增加逕流量。以往在山坡地的排洪措施中，最廣為人知的方法是在開發集水區中消減逕流量，實行方法可分為兩種：一種的特色為調節流量，目的在降低洪峰流量及遲滯洪峰到達時間。常見之設施為滯洪壩。另一種方法則為增加入滲型，目的在增加入滲，以減少表逕流。常見之設施為透水鋪面、停車場、人行道之透水表面、綠地等。然而在於開發的過程當中所產生的主要問題即是地表逕流的增加，因此，一般所使用的方式就是設置滯洪池來降低地表逕流。目前國內常見所討論設計方法是於一集水區中，利用單一滯洪池的設計，求得其可以容納之滯洪體積，進而足以確保該開發基地在洪水發生時有足夠的體積可容納上游所帶下來的過多洪水及泥砂，以避免下游地區發生災害。 然而由於在開發過程當中常常因為經費與用地在取得上不如預期順利，以致於在實際施工的時候無法配合當地的地理條件達成計算出來所需要的滯洪量。因此單一個滯洪池設計在某些區域已經不足以適用，為了解決此問題，唯有在基地內另覓合適的地點施作第二個滯洪池甚至於第三個滯洪池來滿足基地內依照水土保持技術規範所規定的滯洪量及沉砂量本文的目的希望利用已知單一滯洪池設計的方法，進一步的配合連續性滯洪池的模式，推求若在一集水區中劃分為數個集水分區，並於各集水分區內以降雨強度相等與降雨強度不相等兩種模式來計算並比較其異同點，求得設計所造成的滯洪效益關係。因而探討滯洪池在何種排列與大小配置下，可達到所需洪峰消減量。二、理論與研究方法 國內水土保持設計相關規定，依據水土保持法第三條第四款所規定，集水區係指溪流一定點以上天然排水所匯集地區，因此依據此定義將基地劃分為數個集水分區來進行集水區內滯洪池位置的配置，暫且不討論沉砂效果以及假設滯洪池的體積利用率恰好達到完全利用的情況，並且將集水區內的降雨強度以相等與不相等兩種情況來進行計算並且以滯洪池串聯及並聯的配置方法討論對下游滯洪的效益影響，號滯洪池(圖1)入流量等於入水口以上的天然排水所匯集的集水區測流量加上溪流流量，而號滯洪池入流量為號滯洪後的出流量加上號滯洪池所包含的集水區扣除號滯洪池所包含的集水區後所剩下的逕流量。圖1 集水區內連續性滯洪池的設置與水流方向Fig.1 The direction of the flow and the site of the consecutive flood detention pond Q2out +側流量集水區3-2=Q3inQ1out +側流量集水區2-1=Q2in 球場 滯洪池123456 保育區集水區開發將會改變地表原有滲透性能，使得地表逕流增加，因此，為了避免下游地區洪峰流量增加，於水土保持技術規範中規定開發山坡地須設置滯洪設施防止下游洪災發生。一般對於單一滯洪池設置地點會選在開發集水區最下游處(2001)，雖在最下游處設置滯洪池可完全對於開發集水區之洪水做適當調節，以防洪水流出後洪峰流量大於下游地區原先設計之排洪能力。但是，如此的設計可能造成所需蓄洪容量龐大，因此，期望經由適當地點選擇探討，也可達到同樣防洪目的並可減少蓄洪容量與經費。圖二為某高爾夫球場集水區示意圖，粗黑箭頭表示主要渠道水流方向，假設圖二六個滯洪池的位置皆為集水區的集流點，並且我們將集水區由右至左分成A，B，C，D，E，F等6個集水分區。圖二 高爾夫球場集水區分區圖Fig.2 The dividing watershed area in the golf courseQ2out +側流量集水區3-2=Q3inQ1out +側流量集水區2-1=Q2in 球場 滯洪池123456 保育區圖三 集水區簡化後的示意圖Fig.3 The simplistic sketch map of watershedFEDCBA6f5e4d3c2b1a 代表集流點位置或設置滯洪池的位置 代表子集水區 代表每個子集水區最遠點 至滯洪池的距離 假設該集水區渠道的斜率與山坡的長度L1均固定，每個子集水區最遠點至滯洪池的渠道長度由左至右分別為a、b、c、d、e、f，渠道總長度為L2，流入速度V1一般在0.3至0.6之間，本文採用0.6；渠道流速V2 =20(L2/H)0.6，高差為H-(公式2.1)總共集流時間(小時)tc = ( L1/ V1 )+( L2 / V2 )/60-(公式2.2)尖峰時間tp=-(公式2.3)降雨基期tb=2.67，降雨基期tb不足一小時以一小時計算。(公式2.4)已知圖二案例的總集水區面積為11.75公頃，山坡長度L1為100公尺，最上游至下游高差為50公尺，在降雨強度不相等的前提下，利用公式2.1與公式2.2可以整理出表一的資料。表一 集水分區地形資料與集流時間Table 1 The topography data of watershed and the time of concentration集水分區名稱每個集水分區最遠點至滯洪池距離(m)累加後的距離坡度(。)集流時間(hr)附註A90906.113.07集流時間由公式2.2推得B1102006.113.42C802806.113.68D803606.113.93E604206.114.12F504706.114.28單一式滯洪池 每個子集水區在未整地之逕流係數為0.75，整地後逕流係數設為1.0，為了了解單一滯洪池在位置1到位置6其滯洪池所能保全的集水面積與整個集水區總面積之間的關係，且又必須滿足水土保持技術規範第95條開發後之出流洪峰流量至少應小於入流洪峰流量百分之八十，並不得大於開發前之洪峰流量之規定，假設現在在每個匯流點都設置一個大型單一式的滯洪池以保全上游集水區，並假設每個滯洪池體積使用率皆為100，出流量符合水土保持技術規範之規定，每個單一式滯洪池採圓形排放口，使用合理化公式計算入流量I=cms-(公式2.5) C代表逕流係數，A代表集水區面積計算出流量O=cms-(公式2.6) H表滯洪深；D表圓形放流口直徑；a表放流口圓面積；C*：放流口係數，一般取0.6計算滯洪體積(m3) -(公式2.7) I代表入流量；O代表出流量；tb代表基期，不足一小時以一小時計算表二 各個集流點設置單一式滯洪池的結果Table 2 The result of setting single detention pond at each concentration point集水分區名稱面積(ha)入流量(cms)滯洪量(m3)滯洪體積等於1.2倍的滯洪量(m3)A1.950.684120.6144.72B2.11.41774928.8C1.21.842262.62715.12D0.52.0524482937.6E33.0642665119.2F34.0646073.27287.84 由表二可以發現，假設在每個集流點上分別設置單一式滯洪池，其入流量為每一個集水分區逕流量累加起來，由A到F其入流量分別為0.684、1.41、1.84、2.05、3.06、4.064，設計的出流量由A到F利用公式2.6算出分別為0.617、0.98、0.583、0.69、0.69、0.69，我們發現越往下游滯洪量越大，所須設計的滯洪池體積也就越大，我們從表二看到，越往下游所能保全的上游集水面積越大，不過不代表一定非得需要在最下游設置滯洪池才可以，亦可以在6個集水分區中選擇一處地形極為適合施作滯洪池的集流點施作，只要在安全上可以符合規定即可，重點是必須將出流量控制在開發前的洪峰流量以下，符合水土保持技術規範第九十五條之規定，但是相對的某些開發案有些由於地形上的限制，在施工的過程當中不一定有如此龐大的面積可以設置如此大型的滯洪池，而且若是再將土地的成本以及因為設置過大滯洪池導致某部份土地無法使用，雖然在安全上達到了效果，但是其土地利用上經濟的損失及成本的增加反而降低了利用價值。所以有必要在由上游到下游的過程當中採取一些措施逐漸的把某部份的洪水在上游便攔截下來，以免下游的滯洪池體積過大。 在單一式的滯洪池設置中，不一定非得將滯洪池配置於最下遊，可以有如圖三的配置方式圖三 單一式滯洪池的配置圖Fig 3. The setting of single detention pondA區B區滯洪池沉砂池圖三將一個集水區分成A，B兩區，箭頭方向為水流方向，A區代表未開發區，B區代表開發區，A區的洪峰出流量為15cms，B區在未開發前洪峰流量為5cms，整個集水區在開發前出流量合計為20cms，現在B區在開發後逕流量增加，假設B區開發後逕流量為10cms，因為要符合開發前最下游出流量20cms，所以我們在設計上定滯洪池出流量最多應該為10cms，當滯洪池的入流量為15cms，滿足滯洪池出流量小於入流量的80；在這裡值得一提的是，沉砂池必須做在最下游，以免上游的土砂被帶到下游時流出至基地外。連續式滯洪池 為了在上游攔截某部份的洪水，所以可以在6個集流點上設置1個以上的滯洪池，由於想了解最多可以節省多少土地使用率，現在假設在6個集流點上全部設置滯洪池，其條件與表一單一式滯洪池的假設條件相同，總集水區面積為11.75公頃，山坡長度L1為100公尺，最上游至下游高差為50公尺，以降雨強度不相等為前提，每個子集水區未整地之逕流係數為0.75，整地後逕流係數設為1.0，出流量的設計也與單一式的設計相同也符合技術規範所規定，唯一與單一式滯洪池不同的是，滯洪池入流量的計算方式為該集流點的子集水區測流量加上前一個子集水區其滯洪池的出流量，其結果可從表三觀察表三 設置連續式滯洪池的結果Table 3 The result of setting consecutive flood detention pond集水分區名稱面積(ha)入流量(cms)滯洪量(m3)滯洪體積等於1.2倍的滯洪量(m3)與表二比較後每個集流點可節省的滯洪體積()A1.950.684120.6144.720.0B2.11.349664.2797.0414.2C1.21.4141496.51795.833.9D0.50.791182.32218.78492.6E31.6971812.382174.8657.51F31.6931807.172168.6070.24 圖四 入流量的比較Fig.3 The comparison of inflow圖五 滯洪體積的比較Fig.4 The comparison of the volume for detention pond表四 累加後誤差的比較Table 4 The comparison of error after accumulation ABCDEF單一式滯洪量144.72928.82715.122937.65119.27287.84連續式滯洪量累加144.72941.762737.562956.3445131.207299.80從表三可以看出，由於在各個集水分區的集流點設置連續式滯洪池，等於將整個集水區的洪水在每個階段便攔阻某部份下來，所以在每個子集水區其入流量所減少的百分比由A至F分別為0.00、4.32、23.15、61.41、44.54、58.34。但是在設置了連續式滯洪池之後，總集水區的逕流量應該是與設置單一式滯洪池時相同的，為了觀察是否有所誤差，我們把每個連續式滯洪池疊加，在圖五可以發現到將連續式滯洪池的滯洪體積疊加之後，與單一式的滯洪體積比較起來誤差其實是很小的，尤其是在4號、5號與6號匯流點效果更是明顯。而每個集水分區由於設置連續式滯洪池的關係，不但具有安全的效果，在土地的使用上更可以大幅增加土地的使用，若是在D集水區其土地的經濟價值為所有集水區裡最高，則在設置連續式滯洪池之後，則可以大幅減少土地浪費，增加土地的利用價值。三 結果分析與討論 從表三與圖四可以發現設置連續式滯洪池後土地利用變的更為彈性，明顯的增加了許多可供使用的土地面積，乍看之下，連續滯洪池的效果是好很多的，可是事實上並不完全是這樣，在本文所舉的例子中，設置6個連續滯洪池，其工程費用是多於單一式滯洪池的，單一式滯洪池雖然所佔的面積很大，但是由於只造一座滯洪池，若地形條件佳，工程費用相對的不見得比較高。因此，在一個開發區施作滯洪池時，地形，土地經濟價值，工程費.這些條件都必須列入考慮，例如雖然施作滯洪池的工程成本高，但是節省下來的土地更是具有經濟價值的時候，則該基地就非常適合施做連續式滯洪池。表五 優劣分析Table 5 Good and bad analysis連續式滯洪池單一式滯洪池優點 1.土地利用很彈性 2.可節省較多的空間工程成本比連續式滯洪池低缺點工程成本較高 體積龐大，土地使用受限較多因為至少設置一個以上的滯洪池，所以共有數百種組合方式，本文主要以滯洪的情況來討論，一共有三種可能，第一種為假設共有n個集流點，在第m個集流點設置滯洪池時(其中nm)，滯洪體積不夠，但只要再設置第m+1個時即可滿足，第二種為在第m個時滯洪體積足夠且使用率達到100，第三種可能為在第m個時就已經使用一半以上，但體積使用率未達100，在三個可能的情況當中，第二種情況發生的可能性微乎其微，尤其是在大規模的整地當中。觀察第一種與第三種，可以發覺到滯洪池並未完全使用，仍有許多的空間可以使用，尤其是第一種情況下，第m+1個池可以作為備用或可以發揮更好的效果，尤其是在滯洪池的設計上一般都採用50年頻率年，平時枯水期間滯洪池其實是可以發揮更大的效益的，例如：1. 對滯洪池的形狀加以變化，並且考量其他因子進行設計，例如：生態、場地的使用。2. 配合當地的產業、並可將該滯洪池在不影響滯洪功能下、發展為當地停車場、遊憩用地、生態溼地、等觀光資源。3. 考慮公共安全、並且可針孩童設計安全邊坡，以及對當地具特色的兩棲生物設計出適合其生存條件的環境、以營造出具休閒、觀光、且自然保育的環境。4. 在不影響滯洪功能的條件下、可以利用滯洪池中的蓄水來做為水源。 圖六為台中科學園區東一池之滯洪公園，採用連續式滯洪池的設計方式，面積為3.215ha，滯洪需求量53541.35m3，沉砂需求量3361m3，變更後設計量體為99,085m3,頻率年是根據近200年入流以排放頻率1年設計，透過自然邊坡造景、壘球場、網球場等體育設施，可適度提供休閒利用。圖六 連續式滯洪池周圍的利用Fig.6 The using around the consecutive flood detention pond壘球場自行車道沉砂區域四 結論在大面積的土地開發案中，安全的重要性固然重要，但是在顧及安全的考量之虞，土地的使用與經濟成本的考量更是不可忽視的一個重要環節，連續式滯洪池的配置其效益明顯的比單一式的滯洪池距有更佳的發揮效果，在開發基地用地上的考量可以更為彈性，而且隨著近幾年國人對休閒的需求越來越高，若是能在滯洪池的周圍做些休閒設施，如球場，停車場等，吸引許多的民眾與遊客，更可以促進土地周圍的經濟價值。五 參考文獻1. Akan, Osman (1989) ,“ Detention pond size for multiple return periods “ , Journal of Hydraulic Engineering, ASCE ,Vol. 115 , NO. 5 , pp. 650-6642.