廠區暴雨管理與排水系統之整合分析與績效

前言

近年氣候變遷使降雨強度變異增加，暴雨時逕流量往往超過原本道路及排水系統所能負荷，另一方面又面臨水資源缺乏的問題。美國綠建築(LEED)及台灣綠建築(EEHW)中，亦強調基地保水、用水減量，與廢水回收再利用等指標，但水資源整合管理尚未被重視。

水資源從開發、使用、成本、效益，到回收再利用等相關研究不少，但多分別論述，較少將水資源議題整合討論(Burkhard et al. 2000)。例如，城市開發區排水系統設計與暴雨管理做法，是一可以探討的議題。

本研究以台積電某一新建廠區為例，分析基地排水幹管以及景觀設施的排水能力，比較其關聯性。並由暴雨管理措施之建置，滿足綠建築對暴雨設計的要求，提升廠區環境績效。

研究方法為：(1)計算排水系統之排水量與景觀設施之保水量，以驗證暴雨管理設施的保水成效與貢獻比例；(2)比較暴雨管理與排水系統間之效益，並探討暴雨管理的額外功能。

文獻回顧

城市大都會區的地表，大多被不透水的建築物和鋪面所覆蓋，以至於降雨無法入滲補注地下水，而增加地表逕流，造成大地喪失吸水、滲透、保水的能力。大量的逕流更容易產生洪水，並夾帶汙染物而影響水質，對人們的生活帶來威脅(USEPA 2004)。所以近年來採用最佳暴雨管理做法(Stormwater best management practices, BMPs)，目的為減緩洪患，及都市暴雨逕流所夾帶產生之汙染物質。

水資源規劃整合的議題包含雨水管理、廢水管理，及廢水再利用(Burkhard et al. 2000)。賈海峰(2013)提到，在城市或工業區實施排蓄結合，以建立綠色(BMP)與灰色(排水系統與下水道系統)基礎設施相結合的體系，做法除了對城市旁的河流全面治理，也要對雨水排水系統全面整治，保障城市區排水能力。

排水系統與雨水貯留設施之保水能力評估架構如 圖一所示。完整的雨水貯留系統設施評估工具應包含保水量計算及集水區逕流計算，設定模組後輸入所需要設施資料參數，計算設施保水量與設施前逕流量及尖峰流量，最後計算設施後逕流量、尖峰流量與降雨容受度增加量等。未來可結合雨水下水道系統檢討成果，反應出設置保水設施後降雨容受度提升情況。

降雨與逕流量公式

分析雨水管理首先要了解降雨公式。內政部營建署(2010)「雨水下水道設計指南」指出，降雨公式主要包含Talbot、Sherman及Horner等三種。因Horner公式最為精準而為一般分析採用。

  ......................... 式(1)

  ......................... 式(2)

  ......................... 式(3)

式中：I =降雨強度(mm/hr)；a、b、c為回歸分析所得之參數；t =降雨延時(分鐘)，以集流時間計，排水系統統一以10分鐘計。

農委會「水土保持技術規範」(2012)第十七條：洪峰流量之估算，有實測資料時，得採用單位歷線分析；面積在一千公頃以內者，無實測資料時，得採用合理化公式(Rational Formula)計算。合理化公式如下：

  ......................... 式(4)

式中：Q =洪峰流量(m³/sec)；C =逕流係數(無單位)；A =集水區面積(ha)。

暴雨管理

暴雨管理的原則是管理雨水的來源地，不僅是傳統的將水排入下水道系統，且能夠使雨水直接滲入地底補充地下水，或把雨水貯留在基地內；一來可防止突如其來的大雨造成嚴重水患，二來在必要時可將貯存的雨水加以利用(Martin et al. 2007)。BMP可分為結構性及非結構性，美國環保署USEPA (2004)列出16種常見的結構性BMPs，見 表一。

排水系統設計

本研究回顧文獻及相關規定，分析、計算水資源數據，評估水資源措施之成效，並設計其環境績效架構。

新建廠區設計主幹、支幹及景觀的排水，依以下兩節分析、計算廠區的主幹及支幹排水規劃，以及推估降雨後之逕流量，評估排水系統之成效。

排水規劃

新廠區之排水規劃見 表二。其降雨重現期採25年、降雨延時設定為10分鐘。並依照 表三，以Horner公式計算，a為2969.4，b為39，c為0.70857，得出降雨設計強度為188.39mm/hr。

新建廠區基地範圍內共有六個排水預留口，供設計的排水幹管流入，然後再排入聯外的排水設施。因此，廠區規劃的排水設計，亦將集水區分為六區(A1~A6)，配置如 圖二。

表四為新廠區主排水幹管之集水面積與設計逕流量。A1區集水面積5.38公頃，設計逕流量2.53cms；A2區集水面積為2.89公頃，設計逕流量1.36cms；全區總集水面積共17.01公頃，總逕流量8.01cms。

推估降雨逕流量

欲推估廠區10、25、50，及100年一次頻率暴雨之短延時(10、30、60及90分鐘)和長延時(3、12及24小時)降雨量，以Horner公式及合理化公式計算，分別求出不同降雨延時之降雨強度和逕流量。

因排水幹管設計為25年重現期，且延時取10分鐘之降雨量，所以標準降雨強度為188.39mm/hr，標準逕流量為8.01cms，超過此標準就易淹水。計算式如下：

由 表三查得10年一次頻率之降雨強度

I = 1720.3/(t+25)^0.65239，

因此10分鐘延時之降雨強度，

I = 1720.3/(10+25)^0.65239= 169.15(mm/hr)；

30分鐘延時之降雨強度，

I = 1720.3/(30+25)^0.65239= 125.95(mm/hr)；

60分鐘延時之降雨強度，

I = 1720.3/(60+25)0.65239= 94.81(mm/hr)，依此類推。

再代入合理化公式(Q=CIA/360)計算逕流量。式中，Q=逕流量(cms)；C=逕流係數，以廠房開發區0.90計；I =降雨強度(mm/hr)；A=集水面積(ha)。得到10分鐘延時之逕流量，

Q= 0.9×169.15×17.01/360= 7.19 (cms)；

30分鐘延時之逕流量，

Q= 0.9×125.95×17.01/360= 5.36 (cms)；

60分鐘延時之逕流量，

Q= 0.9×94.81×17.01/360= 4.03 (cms)，依此類推。

計算結果見 表五，表中整理不同重現期與延時之降雨強度和逕流量。短延時降雨之中，只有50和100年頻率降雨，延時10分鐘之暴雨會超過設計標準8.01cms，逕流量為8.64cms和9.29cms。此結果表示50年一次頻率且延時10分鐘之暴雨，以及100年一次頻率且延時10分鐘之暴雨，所產生的逕流量會大於排水管設計標準，易產生淹水。相較於長延時的降雨，在10、25、50年，或100年的重現期下，皆不會超過設計的標準。因此顯示新建廠區設計之排水幹管，除非降雨重現期頻率極大且延時短，否則能應付絕大部分的降雨逕流量，使廠區不致淹水。

分析結果

新廠區規劃並設計景觀設施，為了分析此等景觀設施保水的成效，依據營建署之保水規範，將景觀設施分類，並計算保水量、排水分擔量、系統排水量。 圖三為新廠區景觀設計平面圖，包含四項規劃設計的景觀設施，為梯田曲帶花園、永續農田地景、自然生態綠林，及綠蔭蝶舞花香。

表六為廠區及景觀設施資料及規定。廠區總面積共330,000平方公尺，回填土種類假設為砂土，其土壤最終入滲率f=10^-5，假設土壤深度為1m，四區保水設計及使用公式如 表六說明。內政部營建署(2012)「建築基地保水設計技術規範修正規定」常用保水設計之保水量計算公式，分別針對綠地、披覆地、草溝(Q₁)、透水鋪面(Q₂)，及花園土壤雨水截留設計(Q₃)之保水量計算。其中，t為最大降雨延時基準值(標準值86,400sec)，f為土壤最終入滲率。以下分析設施種類、功能，並計算保水量。

以自然生態綠林區為例試算保水量如下：

廠區東側、北側及東北側設置三區自然生態綠林區，分別為 圖三中a、b、c區。內含複層植栽密林區及複層植栽區，亦有人行道及溝渠。保水設計屬綠地、被覆地、草溝設計。保水量計算如下：

Q1a= A×f×t = 4,262×10-5×86,400=3,682(m³)；

Q1b= A×f×t = 630×10-5×86,400 = 544(m³)；

Q1c= A×f×t = 358×10-5×86,400 = 309(m³)；

Q1a+Q1b+Q1c=4,535(m³)；

自然生態綠林區總保水量共4,535 m³。

其餘景觀設施同樣帶入 表六公式與數據，可得各別保水量如 表七所示。分擔量算法以花園區為例，算法為1,680m³÷廠區總面積330,000m²×1,000mm÷24hr，貢獻比例為0.21/189.45=0.11%。合計四項景觀設施總保水量8,407 m³，分擔量1.06mm/hr，排水貢獻比例0.56%。

廠區排水系統與景觀設施降雨量分擔比例見 圖四。排水系統能分擔99.44%的降雨量，景觀設施僅分擔0.56%，顯示景觀設施雖能增加降雨分擔量，但卻是有限的，若要應付強降雨，仍需依靠傳統的排水系統。

暴雨管理效益

暴雨管理措施確實可以增加保水、減少逕流，但對於水量的控制有限，還是要由傳統的排水系統才能分擔較多的水量。下節探討BMP控制暴雨逕流水量以外的其他效益，並接著分析常見的BMP及廠區景觀設施效益。

暴雨管理效益類別與分析

BMP的設置尚有其他功能，如滯洪池、草溝等，在工業園區主要功能是保水，但可依自然法則實施的生態綠化工程，使其與環境結合，增加生物多樣性；綠屋頂的設置不僅能保留並過濾雨水，亦可提供生物作為棲息地，植被的覆蓋使建築物表面維持恆溫，可減少調節室內溫度所耗費的能源等(余嘯雷2013)，這些功能對環境的效益是正向的(Burkhard et al. 2000)。換言之，有效的暴雨管理除可滿足暴雨逕流水量控制的要求，亦有助於其他面向的效益，見 圖五(LEED 2009)。

暴雨管理不僅控制逕流量，亦可控制水質(Burkhard et al. 2000)，利用園林綠化可緩和都市氣候高溫化現象，以降低熱島效應，並維持生物多樣性(USEPA 2008)。雨水貯集利用亦有簡易開發水源、調配用水、節約排水與滯洪防澇等多重功能，並可作為工業及民生用水之替代水源，減少用水量，增進用水效能(LEED 2009)。最後，在暴雨管理中亦可思考如何降低暴雨因應措施的成本(建研所2012)。美國綠建築LEED及台灣綠建築EEWH等皆含相關效益指標，整理如 表八，並簡述如下。

控制逕流水質

BMP設施可以淨化水質，達成控制暴雨逕流水質的目的。每種BMP有不同的沉澱、吸收、過濾、生物攝取等功能，能移除部分汙染物。表九整理出常見BMP對總懸浮固體(TSS)、氮(N)、磷(P)、病原體和金屬的汙染物移除率，最後平均5項汙染物移除率，並列出效益，分為「低」、「中」、「高」，及「無」。「低」為平均移除率小於40%，「中」為平均移除介於40~65%，而「高」代表平均移除率大於65%，「無」則代表此BMP對汙染物移除率為0%。

由 表九可知，汙染物移除率平均值以透水鋪面最高(75%)，其次為生態池(69%)和入滲池(68%)，效益為高。為達成LEED SS, C6.2水質控制指標及EEWH基地保水指標，可參考 表九選擇適合基地採用之BMP。

降低熱島效應

BMP設施具有降低熱島效應的功能，美國環保局(USEPA)(2008)詳細說明樹木、花園植被、綠屋頂、透水鋪面等設施如何降低熱島效應，以及降低的成效。 表十為植栽地表類型相較於一般地表所能降低的氣溫(USEPA 2008)。

森林、農田、樹木花園，及草地等，都是透過遮蔭(shading)和蒸發散(evapotranspiration)幫助降低城市氣溫。森林區的空氣溫度約比一般土地低5℃，農田區低3℃，城市花園區低2~3℃，一般草地則低1~2℃。建築物設置綠屋頂，一般能降低0.2~4℃。透水鋪面則是因鋪面材料的因素使地表降溫，約可降低0.6℃。

為達成LEED SS, C7.1、7.2及EEWH綠化量指標，多設置植栽區、綠屋頂和透水鋪面皆可有減緩都市熱島效應。

生物多樣性和棲息地

BMP對於生態多樣性和棲息地的效益可分為以下三點說明。

• 生態廊道
  在自然棲地中，連接兩個鄰近、孤立的自然地區，可允許生物從一處遷移至另一區域，即為「生態廊道」（張義勝等2013），可增加物種的交流繁殖機會。
• 多孔隙生物棲地
  多孔隙環境能容納水分、空氣，滋養了豐富的生物，適於野花、野草爬藤植物生長，也適於甲蟲、小昆蟲的覓食和築巢，有助於創造多樣化的棲地。
• 植物多樣性
  因單一數種過多無法提供健全的生態林相，且特別容易因病蟲害造成同種樹種全面生病死亡，因此綠化時，避免選用單一樹種、降低不同樹種數量上的差距，以提高歧異度。

LEED在基地永續發展指標(SS)方面，C5.1強調基地開發的原則為保護及恢復動植物棲地，C5.2為提供大比例的開放性綠地種植原生種植物(LEED 2009)。而EEWH指標1為生物多樣性，亦被列為EEWH的基礎指標。主要在於顧全「生態金字塔」最基層的生物如蚯蚓、細菌、花草樹木等生存空間和環境（建研所2012）。

用水效能

綠建築在景觀設計之初，可設置建築物屋頂或地面回收雨水的BMP，如儲雨桶、蓄水桶，及綠屋頂等。經由沉砂、攔汙與過濾處理後，將雨水儲存起來，日後可做為供應景觀澆灌用水或生態池的水源，亦可作為民生用水的備用資源，達到生活用水減量的成效（建研所2012）。

LEED在用水效能(WE)評估方面，鼓勵透過新科技和節水器材，減少生活用水的消耗。EEWH指標8為水資源，以建築節水為主，其策略包括使用省水器材、雨水廢水回收再利用系統等，並針對一些大量耗水的建築案例要求設置彌補措施。

BMP成本分析

了解BMP效益後，也應該了解其所需花費的成本。 表十一統整出本研究探討之BMP，處理1立方公尺水的成本（綠屋頂以平方公尺計算），包括規劃設計成本、建造成本、營運和維護成本，最後算出總成本(USEPA 1999; WSDOT 2002; Brown and Schueler 1997)，其中營運和維護成本是以使用年限50年計算。12項BMP中，透水鋪面總成本最高，為美金$4,001/m³，其次是砂石過濾池($2,281/m³)，最低者為滯洪池($132/m³)。

營運和維護成本平均美金$984/m³，佔BMP總成本比例最高(57%)。建造費用佔總成本的比例次高(38%)，規劃設計成本佔總成本比例最小(5%)。

設施效益分析

本節將上節介紹四個暴雨管理設施的其他效益套入11項常見BMP進行分析，並以「低」、「中」、「高」，和「－」表示，見 表十二。

在控制逕流水質功能方面（參考 表九），入滲池、透水鋪面及生態池對汙染物的去除率最高（大於65%）。而在降低熱島效應的功能上，綠屋頂效益最高，因綠屋頂除透過植物的遮蔭和蒸發散降低城市氣溫外，還能節約建築物使用空調的能源。

在維持生物多樣性和增加棲息地方面，生態池和滯洪池因提供多樣化的棲息地，適合多種陸生及水生動植物在此環境生長、繁殖，因此效益較高。在增進用水效能上，儲雨桶和蓄水桶因可儲存大量雨水，並於需要時有效運用，此功能效益高。滯洪池所儲存之水，可用於農田灌溉、補助地下水，或提供次級用水，但近程可行性不大，因其水質、水量不穩定，如需再利用，其成本過高投資效益並不大（李鴻源 2013），因此，將其效益列為中等。

另外，將上節介紹四個暴雨管理設施的其他效益套入新建廠區，分析四區景觀設施的暴雨管理功能。

四區景觀設施效益功能整理如 表十三。總體而言，此四景觀設施之暴雨管理附加效益，除了無法增進用水效能外，能達成控制逕流水質、降低熱島效應，及維持生物多樣性和增加棲息地等三項功能，並可達成LEED和EEWH相關指標。

控制逕流水質

廠區四項景觀設施設計為單純的綠化植被及花園造景，並非實際的BMP設施，因此，在控制逕流水質的功能上，僅接近植栽草溝的功能，而植栽草溝平均汙染物移除率為30%，效益低，如 表九。

降低熱島效應

在降低熱島效應成效方面，因為四項景觀設施在科技園區增加了綠地及花園面積，根據美國的資料如 表十(USEPA 2008)，可降低氣溫。

並根據EEWH的綠化量指標計算廠區景觀設施二氧化碳固定量，見 表十四(參考EEWH)。永續農田地景與自然生態綠林之Gi×Ai值遠大於另兩設施，評估為效益高；梯田曲帶花園之Gi×Ai值小，效益低；綠蔭蝶舞花香之花園區之Gi×Ai值介於中間，效益中等。

計算式如下：

TCO2c= 1.5×(0.5×A'×β) = 1.5×(0.5×14,109×400) = 4,232,700(kg)

TCO2= (7,765,700)×0.8= 6,270,160(kg)

設計值TCO2>標準值TCO2c (6,270,160>4,232,700)，因此基地景觀設施綠化量指標為合格。

生物多樣性和棲息地

BMP對於生物多樣性和棲息地的效益共有下列三點：(1)生態廊道，(2)多孔隙生物棲地，及(3)植物多樣性。評估廠區景觀設施是否達成此效益，達成一點，給1分。得3分之景觀設施，在維持生物多樣性和增加棲息地的功能效益高；得2分者，效益中等；得1分者，效益低，得0分者，無此功能效益，詳見 表十五。

結果顯示，自然生態綠林區三項功能皆得分，因為此區仿造森林做設計，種植大量原生樹種的喬木和綠地，除提供生態廊道供生物交流外，也提供多孔隙的環境，創造多樣化的棲息地，使此區域達成植物的多樣性，因此效益最高。永續農田地景區、綠蔭蝶舞花香區景觀設施達成2分，兩景觀區也包含綠地和多孔的環境供生物棲息，但因種植的植物種類有限，並沒有達到植物多樣性的效益，效益中等。梯田曲帶花園區有大空間的花圃和草地，僅達成生態廊道1分，效益低。

用水效能

新廠區之四區景觀設施，皆為耗水綠地，並無法達成增進用水效能之BMP功能，卻因設施澆灌需求，反而使用水量大增，對綠建築認證並無幫助。因此，為了達成EEWH水資源指標，廠區必須設置雨水貯集利用設施，以彌補此耗水景觀設施。

依據綠建築評估手冊（建研所2012）計算廠區耗水綠地需設置的雨水貯集利用BMP設施。耗水綠地每100m²設置0.5×Ns m³以上雨水貯集利用設施。

計算廠區需澆灌的綠地，梯田曲帶花園面積4,000m²，永續農田地景3,800m²，綠蔭蝶舞花香之綠地區1,059m²。共8,859m²。計算彌補措施公式如下：

(Ai/100)×0.5×Ns=88.59×0.5×11.94=529(m³)

因此，新廠區之景觀設施雖為耗水綠地，無法增加BMP雨水廢水回收再利用之用水效能，但廠區如設置529噸以上容量的雨水貯集設施，即可達到EEWH水資源指標之雨水設施得分。

結論

排水規劃

新建廠區主支幹排水系統設計重現期25年，降雨延時採10分鐘，設計降雨強度為188.39mm/hr，最大總逕流量8.01cms，將流入基地範圍內的六個排水預留口。廠區之排水系統，可應付絕大部分的暴雨逕流量。

BMP景觀設施保水量

計算新廠區景觀設施保水量，得出自然生態綠林區保水量4,535m³最大，分擔量0.57mm/hr，排水貢獻比例0.3%。新廠區景觀設施總保水量共8,407m³，預計總分擔量1.06mm/hr，貢獻排水比例0.56%。而設計排水系統貢獻比例為99.44%，顯示幾乎所有逕流雨水還是須依靠傳統排水系統排除。

其他效益分析

暴雨管理其他效益包括控制逕流水質、降低熱島效應、維持生物多樣性和增加生物棲息地，及增進用水效能，而這些效益亦可達成LEED和EEWH等相關指標。最後分析常見BMP及廠區景觀設施效益。分析結果為，大多數BMP都能達成控制逕流水質、降低熱島效應，及維持生物多樣性和增加棲息地等功能，但較難達成增進用水效能。而廠區設置之景觀設施，能達成降低熱島效應、維持生物多樣性和增加棲息地等功能，但無法達成增加用水效能，如於廠區設置529頓以上容量的雨水貯集設施，即可將儲存的雨水再利用，而達成此BMP功能。

本研究探討暴雨管理與排水系統於新廠區之整合分析，尚有不足之處，例如，只針對此新建廠區整合其排水系統與暴雨管理措施，就整個廠區水資源使用來看是不夠的。後續研究可搭配廠區水設計，套入自來水、製程廢水、回收再生水等，提出一套水資源整合方法，考量此整合設置之的環境績效，擴大水資源運用的整體績效。