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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：
V= {1/n}×R (2/3) ×S (1/2) Q =V ×A= {1/n}×R (2/3) ×S (1/2) ×A= {1/n}×A(5/3) /P (2/3) ×S (1/2) 其中n 为粗糙系数，一般采用n=0.015╋V 为断面平均流速(M/S) ╋R 为水力平径(M)╋S: 水力坡度，Q 为设计流量(M3/S，CMS) ╋A 为流水断面积(M2) 。若为压力流况下则以Hazen-Williams 公式计算其平均流速：V= 0.85 C R 0.63 ×S 0.54 其中C 为Hazen-Williams 流速系数，一般采用C=100╋V 为断面平均流速(M/S) ╋R 为水力平径(M)╋S: 水力坡度。配合所设计段面形式即可求出断面积与水力平径，例如矩形明沟，坡度需要配合地形决定，宽度b 与坡度决定即可经由计算求得水深d（A=bd, P=b+2d），暗管亦可以经由计算求得水深d。
1 2.流速限制为避免水中悬浮物沉积底部，最小流速不得大于0.6M/S ，而且为避免冲刷边壁而缩短使用年线，管路内最大流速不得大于3.0M/S，一般流速以1.0~1.8M/S 为宜。(三)常见的排水设施有:
2 1. 排水沟：位于街道的两边，与街道走向平行，较道路中心略低，为天然的排水道，横断面一般呈三角形。
3 2. 下水道入水口：大小依设计排水量而定，它的平面布设密度视容忍淹水的程度而不同。
4 3. 下水道出水口：出水口原则上以低于出水口的低水位，且又不妨碍观瞻为宜，为了避免出口高水位倒灌，则有防潮门设施。
4. 输水管：视设计而决定规格，断面不一定为圆形，可参考制式管路的规格和抗压
强度而作选择。
5 5. 人孔：为了便于检查与清理，通常在下水道方向改变、管径变换、坡度改变及分支干管交接处设置人孔。
6 6. 抽水站：在某些情况下，为了提高下水道的高程，俾能再应用重力作用输水，而有采用抽水站设施的机会。
二、案例：明新技术学院教学区排水系统改善规划
学校53年创立，86年改制技术学院。由于不断发展，排水量持续增加，而原有排水系统管理不善、渐受淤泥阻塞、渠底高低起伏无法自然渲泄，遇降雨则雨水汇集无法排出，加上校内新建工程相继落成完工，以致超出原有排水系统之功能，每逄大雨淹渍停车场、校内干道及校门所属广场，因此研拟规划校区基地排水系统，以改善校区及学校外围排水功能，并分年分期项目规划施工，期能改善目前日益严重之积水状况。本规划目标为改善校园内排水系统，发挥有效排水功能，解决校园内部雨季严重水患之问题，以确保校园内建筑与设施之安全。进而研拟规划干、支线之安全排水断面及相关构造物改建工程改善方案为范围。全校面积为25.2公顷。本期规划面积5.62公倾，主要是教学大楼及各系馆。(一)区域概况
1 1.地势本区地形之自然坡度，基地区自东北向西南海边递降，纵向坡度以东西约四百分之一，横向地面坡度以北向南约一千分之一递减，另区域东方之湖口台地地区由东北向西南倾斜，地面坡度约一百分之一。
2 2.土质本区域为嵌头溪与凤山溪之综合冲积层，表层为浅薄之近代冲积层，但下部多为细密之黄色或红色冲积土壤，并嵌有砾石层，透水性不佳。
3.降雨本区属于亚热带气候，各月份雨季分布之趋势相类似，而雨季30公厘以上者之降雨日数以5 月份及9月份居多。至于2月及3月份之晴天较少，为小雨连绵之季节。全年干燥期间为10月份至1月份，此间虽偶有雨天，但多为小雨季，对工程施工期甚无影响。(二)水文分析
台一线排水系统由省公路规划设计并完成，而本校排水系统即连接台一线新丰段下游，故本规划应承受公路计划排水量渲泄限制。参照省水利局、省公路局及中央气象局雨量调查报告，本规划搜集相关水文资料如下:
3 1.雨量站: 省水利局头前溪流域，凤山溪流域新竹县市雨量站。
4 2. 设计频率: 路侧排水设施设计频率采用10年降雨强度时间公式，并且采用新竹站10年频率。1575
I＝────────(t + 32)0.6795 t: 降雨延时
1 3.径流系数: 区域性排水设施采用C=0.5 。
2 4.集水面积: 本期计划区为5.62公顷。
3 5.尖峰流量: 暴雨所产生洪水量之多寡常影响工程之安全及费用，故规划设计水土保持构造物时，均需合理估计洪水量作为计划之重要依据。洪水量有数种不同推估方法;且任何一种方法均有其优劣点，应视计划之重要程度，工程地点及其附近有无实测流量或雨量记录而做适当之选择。洪水量之推估方法有:洪峰频率曲线法，洪峰流量相关法，暴雨与洪峰流量相
关法，合理化公式法，单位流量历线法及三角型流量历线法等数种。一般规划因集水面积不大，流量资料缺乏，有时连雨量资料亦难齐全。故采用一般合理法推算洪水量。其公式为
Qp =CIA/ 360 其中Qp 为计划排水量(CMS) ╋C 为径流系数╋I 为降雨强度(mm/hr) 每小时内之平均降雨量╋A 为集水面积(ha) 。
1 6.水力计算: 以均匀流公式计算断面(设计)Q = Aw ×VQ 为流量(M3/S，CMS) ╋A 为流水断面积(M2) ╋V 为断面平均流速(M/S)
2 7.以曼宁公式计算流速V= {1/n}×R (2/3) ×S (1/2) = {1/n} ×{bd / (b+2d ) }(2/3) ×S (1/2) n 为粗糙系数╋V 为断面平均流速(M/S) ╋R 为水力平径╋S: 能量坡度Q = Aw ×V= {1/n} ×{b d} ×{ (b d) / (b+2d ) } (2/3) ×S (1/2) b 为渠道宽度╋d 为渠道水深。(三)排水现况
1.现址调查:
校内之主要排水系统，计有忠孝路、信义路及环校道路(施工中)三大排水系统，其集水区承受雨水、人为污水、实验废水等三种。其总集水区面积除环校道路排水系统注入校园后方山沟外，仁爱路及忠孝路排水系统分别汇流台一线排水系统后注入凤山溪排放至台湾海峡。
3 2.排水不良原因: 本区造成排水不良之原因经实地勘查，其调查结果归纳如下:
1 (1) 原有排水系统已使用30年以上，且未维修。
2 (2) 区域内人口数量已逐年增加，致污水量激增。
3 (3) 适逄校区内部多项工程先后兴建，致使原有系统不堪承受暴增之排水量。如遇降雨则雨水汇集无法排出，原有排水沟管理不善，缺乏浚渫、杂草秽物阻塞。渠宽广狭不齐，渠底高低起伏无法自然渲泄。造成积水及溢流漫布之严重情形。
4 (4) 现有之行政大楼与部份教学区原为全校师生活动场所，历经时间变迁而逐渐扩大，校方将其行政大楼独立划分为行政区(含明德楼招待所、校长宿舍)，当初兴建之排水系统计划欠周，基地内明渠暗管凌乱散布，维护松懈陈旧不堪，以致泥土丛草阻塞，一旦遭遇暴雨则校园内积水滞流漫布。(四)排水规划原则：本规划以改善校园基地范围内排水管路为原则，尽量利用原有沟渠布设基础，以减少施工费，俾利工程实行。
1 1. 排水沟尽可能设于区内低洼处。
2 2. 配合校园水土保持处理而设排水沟应依据该设施之排水方向及间距选择适当地点设置。
3 3. 排水沟方向变化时，弯曲部外侧应加强保护并加高。
4 4. 排水断面应由上游至下游分段加大。
5 5. 排水沟尽量以直线设置，避免急转弯。
6 6. 排水沟纵坡应力求平顺，避免变化过大。
7 7. 涵管之排水量除应足以渲泄设计洪水量之外，尚应参酌泥砂含量及漂流物酌增断面。入口处之水面以不超过管顶为原则，
8 8. 涵管横越马路等主要设施时，尽量与其成正交。
9. 暗渠(预备将来污水排放之用)不宜过长，入口处应设沉淀池或拦污池。(五) 工程布置：
以六百分之一平面图，配合实地测量及调查资料布置干支线排水及相关构造物(图1) 。本期计划分为忠孝、信义等二大排水系统兹将该排水系统分别说明如下:
9 1.忠孝路排水干线系统忠孝路系统起于商科大楼排水基准点，沿明道楼，电机系系馆转入台一线排水干管排放。支线区分为商科大楼、商学馆、明道楼、综合大楼、电机系统馆各支系区。全长237.6 公尺，工程附属构造物如下，集水井4座，排水管路一组( = 60cm) 。
10 2.信义路排水干线系统信义路排水起点左侧位于体育馆排水基准点，右侧位于12~15 宿舍排水基准点，顺坡降沿信义路两侧集流，沿线所属排水支线分为明光楼、电子系系馆、宗山楼、土木系系馆，图书馆、化工系系馆、明明楼等各排水支系，汇集于忠孝路排水干线，排放出校。全长178.2 公尺，工程附属构造物如下: 集水井3座，排水管路一组( = 60cm) 。信义路之主要排水干线为管路A，其水力计算过程如图2，其设计之管路断面如图3，其施工之配置如图4，图4明沟左下方为收集明沟水量之暗管。施工中之环校道路于本期规划暂略。三组排水干线系统概要如保表1。
表1 排水干线系统表
道路名称 道路全长 集水井数量 水管管径
忠孝路排水干线系统 237.6M 4座 = 60cm
信义路排水干线系统 178.2M 3座 = 60cm
环校道路排水干线系统 暂略 暂略 暂略
（六）改善重点
所须改进事项及设计变更重点归纳如下:
1.忠孝路排水系统
1 (1) 明沟加盖:原有忠孝路两旁之水沟采明沟设计，常因掉落之树叶、砂土及垃圾而阻塞水沟，导致排水系统无法发挥作用而形成淹水之现象;故建议校区内之所有明沟皆应予以加盖，以防止类似之现象再继续发生。。
2 (2) 整建泄水坡度:目前忠孝路全线水沟之泄水坡度并不一致，导致部份地段无法顺利将雨水排出，故须重新改建，以期达到要求之泄水坡度，方能改善现有之排水不良问题。
3 (3) 加盖采用混凝土路缘石并使人车分道:明沟加盖之沟盖建议使用混凝土制之路缘石，不易损坏为其最大之优点，考虑本校在上下学(班) 时间之际，时常发生老师学生的人车争道之窘境，因此与其将路缘石向道路的方向放置而增加些许的车道空间(一边约为2m)，倒不如将路缘石依相反方向放置，再从水沟与大树之间挪出些许空间，施以沥青加封，使其成为另一种利于行人权益之人行步道，进而达到人车分道之理想状况。
2.出口排水系统
1 (1) 扩大电机馆前连接暗管:现场勘察后发现，位于电机馆前，负责连接忠孝路排水管道及总出水口之下游暗管为直径30cm 涵管，而上游忠孝路水沟宽40cm，总出水口为直径60cm 管渠，这种上游宽，下游窄之不合理之现象应予以调整，建议更改下游暗管之管径，而暗管直径应为40-50cm 之圆形管，方可保持管道之疏通。
2 (2) 加大总出水口尺寸:总出水口以十年为使用限制而使用直径80cm 管渠，然而在旧有之总出口已有直径30cm 管
渠，且经资深人员以多年之经验而设计使用直径60cm 管渠，业已符合设计之要求，故总出水口采用直径60cm 管渠。
3.定期维护: 任何设施在其完成之后，必须注意定期维护保养，以期望延长其使用之年限，故须注意以下
各点:
1 (1) 水沟清理: 积存沟内之尘土、树枝、落叶，应定期清除干净。
2 (2) 阴井铁盖保养: 阴井铁盖常因生锈而损坏，故应定期保养，亦可使用其它较不易生锈损坏之材质予以代替。
3 (3) 人车分道管制: 路缘石上之人行道设计，原则上为行人专用，严禁任何车辆进入及行驶，以避免行人发生伤害事件及毁损人行道。建议在忠孝路排水系统采用明沟以利清理，再加盖以防堆积阻塞，整建泄水坡度使能自然渲泄:加盖采用混凝土路缘石使并人车分道。在出口排水系统方面，扩大电机馆前连接暗管以调整上游宽下游窄之不合理现象:加大总出水口尺寸。在设施完成后定期维护清理水沟:定期保养阴井铁盖或使用其它较不易生锈损坏之材质;并人车分道管制:以利安全。三、结论排水工程虽然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。本文介绍都市暴雨排水的问题并简介本校所做过之排水系统改善规划方案，希望提供读者一些基本的概念以供进一步学习之基础，