海綿城市之含水層補給礫石樁與垂直滲透導(dǎo)管LID工法新設(shè)計

許少華，張俼瑍，洪碧芳（.臺灣逢甲大學(xué)建設(shè)學(xué)院水利工程與資源保育學(xué)系，臺灣·臺中 4074；.臺灣僑光科技大學(xué)商學(xué)與管理學(xué)院財務(wù)金融學(xué)系，臺灣·臺中 407）

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海綿城市之含水層補給礫石樁與垂直滲透導(dǎo)管LID工法新設(shè)計

許少華1，張俼瑍1，洪碧芳2
（1.臺灣逢甲大學(xué)建設(shè)學(xué)院水利工程與資源保育學(xué)系，臺灣·臺中 40724；2.臺灣僑光科技大學(xué)商學(xué)與管理學(xué)院財務(wù)金融學(xué)系，臺灣·臺中 40721）

摘 要：海峽兩岸之都會地區(qū)快速發(fā)展，使不透水地表面積增加，加上降雨型態(tài)逐漸改變，都市防洪必須采取更多元的策 與手段，以因應(yīng)此一趨勢所造成的挑戰(zhàn)。近年來，國際間常采用低沖擊開發(fā)（low impact development， LID）之入滲工法為都市防洪的手段。低沖擊開發(fā)措施，是利用開發(fā)區(qū)域其中一小部分土地，以小單元分布式之入滲方式削減地表徑流，恢復(fù)該區(qū)塊之原始水文循環(huán)狀態(tài)，以提升地下水補注、降低熱島效應(yīng)，以實現(xiàn)海綿城市之概念。本研究以臺中市卵礫石地層為研究對象，導(dǎo)入上述低沖擊開發(fā)概念，以辦公大樓旁之空地，設(shè)置一植生滯留池并加入礫石樁，利用礫石樁之高滲透性，將自大樓屋頂收集之降雨徑流，快速導(dǎo)入含水層中，進(jìn)而補注地下水。人為注水試驗結(jié)果顯示，植生滯留池于設(shè)置礫石樁后，入滲率可提升約10倍，而自然降雨事件入滲率效果更加顯著。以暴雨徑流管理模式（storm water management model， SWMM）評估植生滯留池設(shè)置前后之功效，植生滯留池設(shè)置后，于5年重現(xiàn)期距降雨事件下，可達(dá)到86%出流體積削減，也降低5%洪峰流量，設(shè)置礫石樁后，于自然降雨事件中植生滯留池皆未產(chǎn)生地表出流。而以停車場鋪面區(qū)域為例，加入垂直式滲透導(dǎo)管改造后之透水鋪面飽和入滲率計算值可增加18～35倍，模擬子集水區(qū)與鋪面改造情境下加入垂直式滲透導(dǎo)管，考慮設(shè)置數(shù)量與削減徑流百分比，其設(shè)置面積10%時發(fā)揮最佳削減效益，以連鎖磚改造為植草磚之情況設(shè)置垂直式滲透導(dǎo)管面積達(dá)10%與現(xiàn)況情境相較之下，于五年重現(xiàn)期降雨可削減15%以上之地表徑流體積。

關(guān)鍵詞：海綿城市；低沖擊開發(fā)（LID）；水資源利用；地下水補給；礫石樁；垂直式滲透導(dǎo)管；暴雨徑流管理模式（SWMM）

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在高度都市化開發(fā)情況下，長期忽略應(yīng)保持原有地表的透水能力，造成都市不透水面積增加，降雨無法進(jìn)入地表下補充土壤水份，除了造成都市熱島效應(yīng)以外，地下水資源也日益枯竭；若排水設(shè)施來不及排除大雨所產(chǎn)生之地表徑流量，則使淹水災(zāi)害更加嚴(yán)重。

透過美國發(fā)起的低沖擊開發(fā)（Low Impact Development，LID）理念，以及歐洲的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure， GI）概念，設(shè)置貯存、滲透、減少徑流之設(shè)施來削減地表徑流量、增加都市滯洪及入滲的空間，同時也分?jǐn)偠际械牡乇韽搅髁俊?/p>

本研究以臺中市之卵礫石地層為主要研究對象。臺中盆地之地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為卵礫石層，此地質(zhì)條件原具備良好之入滲率，但因都市化開發(fā)影響其入滲能力，若能以低沖擊開發(fā)措施，利用小單元分布式之入滲方式削減地表徑流，以回復(fù)該區(qū)塊之原始水文循環(huán)狀態(tài)為目標(biāo)，應(yīng)是一值得探討之議題［1，2］。

1 文獻(xiàn)回顧

1.1 低沖擊開發(fā)概念（Low Impact Development， LID）

低沖擊開發(fā)技術(shù)為美國東部馬里蘭州的Prince George's County及美國西北部的西雅圖市、波特蘭市于1990年末期發(fā)起的暴雨管理技術(shù)，此技術(shù)原理為通過小規(guī)模分布式的源頭來控制徑流與污染源，盡量使開發(fā)后之水文情況接近未開時的情況［3］。

都市開發(fā)造成洪峰提前發(fā)生、徑流量明顯增加及洪峰到達(dá)時間減短，水文歷線變化劇烈，若透過低沖擊開發(fā)工程技術(shù)，設(shè)置設(shè)施分散徑流、延長徑流路徑、增加匯流時間、提升土地滯蓄洪量，則可將開發(fā)后對水文之影響進(jìn)行調(diào)控。

低沖擊開發(fā)技術(shù)與傳統(tǒng)的雨水管理方法相較下，最大的差別在于低沖擊開發(fā)技術(shù)可于集水區(qū)上進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，透過低沖擊開發(fā)技術(shù)設(shè)施可利用到大自然的土壤及植被以增加蓄流、入滲、過濾、蒸發(fā)等功能，減少徑流及排水量的產(chǎn)生，達(dá)到分散滯洪之目的［4］。

1.2 礫石樁及滲透導(dǎo)管應(yīng)用原理

一般傳統(tǒng)礫石樁工法使用在防止土壤液化上，壓密土層并配合預(yù)壓工法，藉由礫石樁高透水性向上排出。礫石樁工法即是藉由礫石樁高滲透性，以垂向方式打破地層低滲透性之土層，提高透水系數(shù)增加橫向入滲及含水量，將地表水快速導(dǎo)入地層，進(jìn)而補注地下水，如圖1。

圖1　設(shè)置礫石樁前后差異示意圖Fig.1 Conceptual sketch of installing a gravel pile

滲透導(dǎo)管材質(zhì)為鋼制，配置將滲透導(dǎo)管設(shè)置在透水性鋪面之基底層與鋪面搭配使用，使雨水能由滲透導(dǎo)管上端之透水鋪面做收集之動作后流入管內(nèi)直接穿透表土層，再經(jīng)由滲透導(dǎo)管本身之開孔進(jìn)行橫向之滲透，快速地將表面徑流導(dǎo)入至土壤深層，亦可提升透水性鋪面之整體入滲效率，圖2為透水性鋪面結(jié)合滲透導(dǎo)水管之試驗配置概念圖［5］。

圖2　鋪面搭配滲透導(dǎo)管概念圖Fig.2 Conceptual sketch of installing a vertical infltration pipe

2 植生滯留池現(xiàn)地試驗與結(jié)果分析

2.1 植生滯留池配置

為評估試驗場址設(shè)置礫石樁前后，入滲能力以及滯洪效益之差異，主要利用人為注水，初步測定試驗場地入滲能力，比較試驗場址設(shè)置礫石樁前后之差異，并提供現(xiàn)地實驗數(shù)據(jù)予數(shù)值仿真，作為數(shù)值模擬檢定驗證之用。初步于植生滯留池進(jìn)行人為注水，整體植生滯留池如圖3所示，試驗進(jìn)行前須完成引水閥門至前池入流處之管線架設(shè)，并將前池水位計、池內(nèi)水位計及地下水位計調(diào)整至所需記錄時間間距，完成后開啟閥門至設(shè)定開度進(jìn)行試驗。

試驗開始時水流注入前池，經(jīng)由前池三角堰出流，即由水位計自動記錄出流高度變化計算入流量，再由渠道流入池內(nèi)，透過池底入滲至地下含水層中，若入流量大于入滲量則池內(nèi)水位升高，此時藉由池內(nèi)水位計記錄蓄水量變化，待蓄水至一定高度后由池內(nèi)三角堰計算其出流量，植生滯留池整體入出流利用I-O=ds/dt之關(guān)系式進(jìn)行入滲率評估。

圖3　植生滯留池Fig.3 Bio-retention pond constructed in water resources planning institute

2.2 人為注水試驗結(jié)果

藉由人為注水試驗獲得植生滯留池設(shè)置礫石樁前后之飽和入滲率如表1所示，植生滯留池原始飽和入滲率為24.7 cm/hr，增設(shè)礫石樁后測定之飽和入滲率為477cm/hr，將試驗結(jié)果與觀測實際降雨回歸之Philip入滲公式推展至24小時點繪如圖4，相較于注水試驗結(jié)果，自然降雨事件之入滲率，遠(yuǎn)高于設(shè)置礫石樁之人為注水試驗約10倍，推斷應(yīng)是因自然降雨事件中，含水層臨前條件中尚屬未飽和之狀態(tài)。

表1　設(shè)置礫石樁前后植生滯留池飽和入滲率計算值比較Table 1 Comparison of infltration rate before and after installing gravel pile

圖4　植生滯留池設(shè)置礫石樁前后24小時入滲情況比較圖Fig.4 The infltration rate before and after installing gravel pile in bio-retention pond

3 透水性鋪面現(xiàn)地試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗場地鋪面配置

試驗場址為大學(xué)停車場，如圖5所示試驗場址設(shè)置三種不同形式鋪面磚，鋪面結(jié)構(gòu)依其功能分成兩個部分，上層鋪面磚為表層，下層礫石級配為基層；本試驗區(qū)三種鋪面之表層材料特性相同，皆為混凝土制成，但其用途及透水效益皆有所不同，（A）車道連鎖磚為使車輛行駛，考慮到載重之因素，故表層下方的基層使用混凝土來強化基礎(chǔ)，而（B）停車間格連鎖磚及（C）停車格植草磚為停車使用，表層下方基層為使用沙墊層與礫石級配層鋪設(shè)。

圖5　試驗區(qū)停車場三種不同形式鋪面磚Fig.5 Three kinds of pavements in parking lot， the study site

3.2 注水試驗結(jié)果

各鋪面與原始土壤試驗數(shù)據(jù)推估得Philip入滲式之K與S值：（A）鋪面車道連鎖磚飽和入滲率平均為1.16cm/hr，（B）鋪面停車間格連鎖磚飽和入滲率平均為2.63cm/hr，（C）鋪面植草磚入滲率計算值平均為6.31cm/hr，（D）周圍土壤入滲率計算值平均為3.09cm/hr。將鋪面之級配層下方增設(shè)滲透導(dǎo)水管進(jìn)行改造，探討（B）停車格間連鎖磚、（C）停車格植草連鎖磚鋪面增設(shè)滲透導(dǎo)管后之入滲效益。

實驗數(shù)據(jù)整理于表2可得知，停車格間連鎖磚埋設(shè)滲透導(dǎo)管后之飽和入滲率計算值平均為90.3cm/hr，如圖6所示與現(xiàn)況情況相比提升35倍之多；于停車格植草磚埋設(shè)滲透導(dǎo)水管后之飽和入滲率計算值平均為111cm/hr，與現(xiàn)況相比提升了18倍之多，其入滲效益有明顯上升的趨勢。

表2　試驗改造前后內(nèi)環(huán)飽和入滲率計算值比較Table 2 Comparison of infltration rate before and after installing infltration pipe

圖6　停車間格鋪面與停車間格植草磚鋪面加入滲透管之入滲率Fig.6 Comparison of infltration rate before and after installing infltration pipe

4 SWMM模式效益評估

SWMM（Storm Water Management Model）［6］暴雨徑流管理模式是由美國環(huán)境保護(hù)署于1971年使用FORTRAN語言發(fā)展設(shè)計而成之系統(tǒng)模式，主要為管理城市徑流使用，模擬降雨及徑流產(chǎn)生過程，包含地表徑流、排水管道水量輸送、管線處理、蓄水儲存等。

4.1 植生滯留池

利用SWMM模式仿真水利規(guī)劃試驗所舊正辦公室如圖7所示。水規(guī)所舊正試驗場地之SWMM模擬主要分為三組，一組為假設(shè)未設(shè)置植生滯留池（Bio-retention）之模擬，第二組為設(shè)置植生滯留池后之模擬，第三組則為設(shè)置植生滯留池后池內(nèi)設(shè)置礫石樁之模擬，試驗成果比較后，可得知設(shè)置LID設(shè)施及礫石樁后，對于降雨事件之削減效益。

圖7　植生滯留池設(shè)置概念模式示意圖Fig.7 Conceptualize the study site of bio-retention pond for SWMM modeling

（1）植生滯留池設(shè)置前后之削減效益成果

根據(jù)三場降雨模擬成果（表3），植生滯留池之設(shè)置，確實削減各重現(xiàn)期距之總出流體積及減緩洪峰流量。三場降雨事件下，植生滯留池之設(shè)置前后之出流體積削減百分比達(dá)32.0%～59.0%；洪峰流量削減百分比為3.9%～21.9%。

（2）植生滯留池設(shè)置礫石樁前后之削減效益成果

根據(jù)現(xiàn)地觀測成果，植生滯留池之設(shè)置并打入礫石樁后，在此三場降雨事件下并無發(fā)生溢流，故削減效益視為100%。

表3　植生滯留池及礫石樁設(shè)置前后模擬成果Table 3 Comparison of outfow discharge before and after installing gravel pile in bio-retention pond

4.2 鋪面區(qū)域

根據(jù)試驗場址地表鋪面狀況概念化為六個子集水區(qū)的設(shè)置，根據(jù)地表坡度以及降雨時地表水流方向之觀察，建立其概念化模式如圖8，依試驗場址現(xiàn)況簡化劃分為S1停車間格連鎖磚鋪面、S2草地、S3停車格植草磚鋪面、S4停車間格連鎖磚鋪面、S5停車格植草磚鋪面、S6連鎖磚車道磚鋪面、以及設(shè)置一出流位置，本研究將現(xiàn)場現(xiàn)況情境模擬設(shè)為基準(zhǔn)值，其它案例結(jié)果則與此基準(zhǔn)值比較。

圖9為連鎖磚皆改植草磚的情境下進(jìn)行不同LID模塊設(shè)置面積之出流量，表4為連鎖磚皆改植草磚的情境下搭配滲透導(dǎo)管之LID模塊仿真結(jié)果。

圖8　試驗場址停車場之概念化模式Fig.8 Conceptualize the study site of parking lot for SWMM modeling

圖9　連鎖磚改造為植草磚情境基準(zhǔn)下設(shè)置LID模組之逕流歷線Fig.9 Runoff hydrograph for installing infltration pipe beneath permeable bricks for 5%， 10%， and 20% area， respectively

表4　連鎖磚改植草磚情境基準(zhǔn)下設(shè)置不同LID模組面積Table 4 Peak fow/volume reduction for various area percentage of permeable pavement

4.3 減洪效益分析

依據(jù)《建筑基地保水設(shè)計技術(shù)規(guī)范》，及根據(jù)綠色建筑基地保水各項工法之型式所提出之保水 設(shè)計公式進(jìn)行設(shè)置礫石樁及滲透導(dǎo)管后設(shè)施容量估算。

以植生滯留池設(shè)置礫石樁為例，此植生滯留池面積約12m2，與屋頂雨水收集排水管相接，承接建筑物收集之雨水。

整棟建筑物之面積約1044m2，假設(shè)以建筑技術(shù)規(guī)則中，以建筑基地面積乘以0.045m3/m2為例，其雨水貯集滯洪設(shè)施容量不得低于47m3。

以植生滯留池直徑4m、高度0.4m，可貯集水體體積V為5.02m3，可透水面積A為12.55m2，基地土壤在增設(shè)礫石樁后，最終入滲率f以注水試驗之平均飽和入滲率5.65m/ hr，降雨延時基準(zhǔn)值t為一小時，再加上貯水體積5.02m3，得到植生滯留池設(shè)施容量為76m3。

以停車場連鎖磚鋪面之面積約93m2，并且其基層因考慮停車載重，幾乎無基層，因此以0.1計算為例，原始飽和入滲率平均為1.16cm/hr，停車格間連鎖磚埋設(shè)滲透導(dǎo)管后之飽和入滲率計算值平均為90.3cm/hr，其原始滯蓄洪容量為5.19m3，埋設(shè)滲透導(dǎo)管后可達(dá)46.6m3。

5 結(jié)論

（1）人為注水試驗結(jié)果顯示，植生滯留池于設(shè)置礫石樁后，入滲率可提升約10倍。以SWMM評估植生滯留池設(shè)置前后之功效，植生滯留池設(shè)置后，于5年重現(xiàn)期距降雨事件下，可增加86%出流體積削減，可減少5%洪峰流量。

（2）根據(jù)三場降雨模擬成果，植生滯留池之設(shè)置，確實削減各重現(xiàn)期距之總出流體積及減緩洪峰流量。三場降雨事件下，植生滯留池之設(shè)置前后之出流體積削減百分比達(dá)32%～59%；洪峰流量削減百分比為3.9%～21.9%，植生滯留池之設(shè)置并打入礫石樁后，在此三場降雨事件下并無發(fā)生溢流。

（3）以停車場鋪面區(qū)域為例，加入垂直式滲透導(dǎo)管改造后之透水鋪面飽和入滲率計算值可增加18～35倍，模擬子集水區(qū)與鋪面改造情境下加入垂直式滲透導(dǎo)管，考慮設(shè)置數(shù)量與削減徑流百分比，其設(shè)置面積10%時發(fā)揮最佳削減效益，以連鎖磚改造為植草磚之情況設(shè)置垂直式滲透導(dǎo)管面積達(dá)10%與現(xiàn)況情境相較之下，于五年重現(xiàn)期距降雨可削減15%以上之地表徑流體積。

（4）由減洪效益分析中可以發(fā)現(xiàn)，僅是以開發(fā)區(qū)域其中一小部分土地進(jìn)行改良，試驗結(jié)果于小降雨能發(fā)揮相當(dāng)之功效，于大型降雨也可有效削減徑流體積并延遲洪峰到達(dá)時間，若是以分布式小單元之方式，對于創(chuàng)造海綿城市將有相當(dāng)?shù)男б妗?/p>

參考文獻(xiàn)（References）

［1］臺灣經(jīng)濟(jì)部水利署水利規(guī)劃試驗所.都會區(qū)地下含水層滯洪效益研究（1/3）［R］.2013.Water Resources Planning Institute of Taiwan.Study on utilizing infltration into aquifer for food detention in urban area （1/3）［R］.2013.

［2］臺灣經(jīng)濟(jì)部水利署水利規(guī)劃試驗所.都會區(qū)地下含水層滯洪效益研究（2/3）［R］.2014.Water Resources Planning Institute of Taiwan.Study on utilizing infltration into aquifer for food detention in urban area （2/3）［R］.2014.

［3］張嘉玲.低沖擊開發(fā)之應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.中國土木水利工程學(xué)會會刊，2008，35（4）:104-110.Chang C L.Application and future trend of low impact development［J］.The Magazine of The Chinese Institute of Civil and Hydraulic Engineering， 2008，35（4）:104-110.

［4］林郁汶.以SWMM模式評估花槽減緩地表徑流之效益［D］.臺灣逢甲大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.Lin Y W.Assessing the runoff reducing and delaying benefts of a bio-retention by SWMM model［D］.Master's thesis， Feng Chia University of Taiwan.2013.

［5］徐筱婷.以SWMM模式評估透水性鋪面搭配滲透導(dǎo)管對地表徑流之影響［D］.臺灣逢甲大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.Syu S T.Assessing the effect on surface runoff of permeable pavement combined with infltration pipes using SWMM model［D］.Master's thesis， Feng Chia University of Taiwan.2014.

［6］Rossman L A.Storm water management model user's manual Version 5.0［Z］.U.S.Environmental Protection Agency.2010.

New design of gravel pile and vertical infiltration pipes on low impact development （LID） measures for aquifer recharge in a sponge city

HSU Shao-Hua1， CHANG Yu-Huan1， HUNG Pi-Fang2
（1.Department of Water Resource Engineering and Conservation， Fung Chia University， Taiwan Taichung 40724，China；2.Department of Finance， Overseas Chinese University， Taiwan Taichung 40721， China）

Abstract:Urban areas in Taiwan are developing rapidly， which results in the creation of impermeable areas that are susceptible to flooding during periods of major rainfall.The strategy of flooding control in urban areas must take a multivariate approach to adapt to changing climates.Low impact development （LID） is a recent and popular approach used in fooding control.It uses a small part of an area to infltrate storm water into local aquifers by using multi-units to spread the storm water runoff and restore the local hydrologic cycle.Taichung City is composed of several thick gravel deposits underneath a thin layer of top soil about one meter thick.The LID concept was applied by building a bio-retention pond next to a building， which received storm water collected on rooftops while allowing the water to infltrate the aquifer.The frst experiment was conducted in a rain garden next to a university campus building.It was found that the increase of aquifer infltration was proportional to the circular area.This area refers to the contact area between gravel piles and the soil of top layer.The artifcial recharge was determined by collecting the infltration rate of the bio-retention pond before and after the installation of the gravel pile.The data show that the bio-retention pond original saturate infltration rate is 24.7 cm/hr.After the addition of the gravel pile， the infltration rate is increased to 477 cm/hr.An infltration pipe was also installed in a parking lot， which increased the infltration rate through the permeable pavement 18～35 times higher than the original rate.In order to simulate the effect of installed infltration pipe， a storm water management model （SWMM） is used to determine the amount of required infltration pipe and the reduction percentage of the total runoff.The best confguration is achieved by altering interlock brick to grass brick while installing infltration pipe.In this scenario， a reduction of 15% of the surface runoff volume is possible during a 5-year rainfall period..

Key words:sponge city； low impact development （LID）； water resource utilization； ground water supply； gravel pile；infltration pipe； storm water management model （SWMM）

中圖分類號：P642.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1329（2016）02-0070-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.017

收稿日期:2015-12-02

修訂日期:2015-12-14

作者簡介:許少華（1960-），男，博士，教授，主要從事河川工程及地下水資源評估與管理等研究.

基金項目:臺灣經(jīng)濟(jì)部水利署水利規(guī)劃試驗所科專計劃（GPN1010402967）