海绵城市之含水层补给砾石桩与垂直渗透导管LID工法新设计

许少华，张俼瑍，洪碧芳（.台湾逢甲大学建设学院水利工程与资源保育学系，台湾·台中 4074；.台湾侨光科技大学商学与管理学院财务金融学系，台湾·台中 407）



海绵城市之含水层补给砾石桩与垂直渗透导管LID工法新设计

许少华1，张俼瑍1，洪碧芳2
（1.台湾逢甲大学建设学院水利工程与资源保育学系，台湾·台中 40724；2.台湾侨光科技大学商学与管理学院财务金融学系，台湾·台中 40721）

摘 要：海峡两岸之都会地区快速发展，使不透水地表面积增加，加上降雨型态逐渐改变，都市防洪必须采取更多元的策 与手段，以因应此一趋势所造成的挑战。近年来，国际间常采用低冲击开发（low impact development， LID）之入渗工法为都市防洪的手段。低冲击开发措施，是利用开发区域其中一小部分土地，以小单元分布式之入渗方式削减地表径流，恢复该区块之原始水文循环状态，以提升地下水补注、降低热岛效应，以实现海绵城市之概念。本研究以台中市卵砾石地层为研究对象，导入上述低冲击开发概念，以办公大楼旁之空地，设置一植生滞留池并加入砾石桩，利用砾石桩之高渗透性，将自大楼屋顶收集之降雨径流，快速导入含水层中，进而补注地下水。人为注水试验结果显示，植生滞留池于设置砾石桩后，入渗率可提升约10倍，而自然降雨事件入渗率效果更加显著。以暴雨径流管理模式（storm water management model， SWMM）评估植生滞留池设置前后之功效，植生滞留池设置后，于5年重现期距降雨事件下，可达到86%出流体积削减，也降低5%洪峰流量，设置砾石桩后，于自然降雨事件中植生滞留池皆未产生地表出流。而以停车场铺面区域为例，加入垂直式渗透导管改造后之透水铺面饱和入渗率计算值可增加18～35倍，模拟子集水区与铺面改造情境下加入垂直式渗透导管，考虑设置数量与削减径流百分比，其设置面积10%时发挥最佳削减效益，以连锁砖改造为植草砖之情况设置垂直式渗透导管面积达10%与现况情境相较之下，于五年重现期降雨可削减15%以上之地表径流体积。

关键词：海绵城市；低冲击开发（LID）；水资源利用；地下水补给；砾石桩；垂直式渗透导管；暴雨径流管理模式（SWMM）

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在高度都市化开发情况下，长期忽略应保持原有地表的透水能力，造成都市不透水面积增加，降雨无法进入地表下补充土壤水份，除了造成都市热岛效应以外，地下水资源也日益枯竭；若排水设施来不及排除大雨所产生之地表径流量，则使淹水灾害更加严重。

透过美国发起的低冲击开发（Low Impact Development，LID）理念，以及欧洲的绿色基础设施（Green Infrastructure， GI）概念，设置贮存、渗透、减少径流之设施来削减地表径流量、增加都市滞洪及入渗的空间，同时也分摊都市的地表径流量。

本研究以台中市之卵砾石地层为主要研究对象。台中盆地之地质结构主要为卵砾石层，此地质条件原具备良好之入渗率，但因都市化开发影响其入渗能力，若能以低冲击开发措施，利用小单元分布式之入渗方式削减地表径流，以回复该区块之原始水文循环状态为目标，应是一值得探讨之议题［1，2］。

1 文献回顾

1.1 低冲击开发概念（Low Impact Development， LID）

低冲击开发技术为美国东部马里兰州的Prince George's County及美国西北部的西雅图市、波特兰市于1990年末期发起的暴雨管理技术，此技术原理为通过小规模分布式的源头来控制径流与污染源，尽量使开发后之水文情况接近未开时的情况［3］。

都市开发造成洪峰提前发生、径流量明显增加及洪峰到达时间减短，水文历线变化剧烈，若透过低冲击开发工程技术，设置设施分散径流、延长径流路径、增加汇流时间、提升土地滞蓄洪量，则可将开发后对水文之影响进行调控。

低冲击开发技术与传统的雨水管理方法相较下，最大的差别在于低冲击开发技术可于集水区上进行径流调节，透过低冲击开发技术设施可利用到大自然的土壤及植被以增加蓄流、入渗、过滤、蒸发等功能，减少径流及排水量的产生，达到分散滞洪之目的［4］。

1.2 砾石桩及渗透导管应用原理

一般传统砾石桩工法使用在防止土壤液化上，压密土层并配合预压工法，藉由砾石桩高透水性向上排出。砾石桩工法即是藉由砾石桩高渗透性，以垂向方式打破地层低渗透性之土层，提高透水系数增加横向入渗及含水量，将地表水快速导入地层，进而补注地下水，如图1。

图1　设置砾石桩前后差异示意图Fig.1 Conceptual sketch of installing a gravel pile

渗透导管材质为钢制，配置将渗透导管设置在透水性铺面之基底层与铺面搭配使用，使雨水能由渗透导管上端之透水铺面做收集之动作后流入管内直接穿透表土层，再经由渗透导管本身之开孔进行横向之渗透，快速地将表面径流导入至土壤深层，亦可提升透水性铺面之整体入渗效率，图2为透水性铺面结合渗透导水管之试验配置概念图［5］。

图2　铺面搭配渗透导管概念图Fig.2 Conceptual sketch of installing a vertical infltration pipe

2 植生滞留池现地试验与结果分析

2.1 植生滞留池配置

为评估试验场址设置砾石桩前后，入渗能力以及滞洪效益之差异，主要利用人为注水，初步测定试验场地入渗能力，比较试验场址设置砾石桩前后之差异，并提供现地实验数据予数值仿真，作为数值模拟检定验证之用。初步于植生滞留池进行人为注水，整体植生滞留池如图3所示，试验进行前须完成引水阀门至前池入流处之管线架设，并将前池水位计、池内水位计及地下水位计调整至所需记录时间间距，完成后开启阀门至设定开度进行试验。

试验开始时水流注入前池，经由前池三角堰出流，即由水位计自动记录出流高度变化计算入流量，再由渠道流入池内，透过池底入渗至地下含水层中，若入流量大于入渗量则池内水位升高，此时藉由池内水位计记录蓄水量变化，待蓄水至一定高度后由池内三角堰计算其出流量，植生滞留池整体入出流利用I-O=ds/dt之关系式进行入渗率评估。

图3　植生滞留池Fig.3 Bio-retention pond constructed in water resources planning institute

2.2 人为注水试验结果

藉由人为注水试验获得植生滞留池设置砾石桩前后之饱和入渗率如表1所示，植生滞留池原始饱和入渗率为24.7 cm/hr，增设砾石桩后测定之饱和入渗率为477cm/hr，将试验结果与观测实际降雨回归之Philip入渗公式推展至24小时点绘如图4，相较于注水试验结果，自然降雨事件之入渗率，远高于设置砾石桩之人为注水试验约10倍，推断应是因自然降雨事件中，含水层临前条件中尚属未饱和之状态。

表1　设置砾石桩前后植生滞留池饱和入渗率计算值比较Table 1 Comparison of infltration rate before and after installing gravel pile

图4　植生滞留池设置砾石桩前后24小时入渗情况比较图Fig.4 The infltration rate before and after installing gravel pile in bio-retention pond

3 透水性铺面现地试验与结果分析

3.1 试验场地铺面配置

试验场址为大学停车场，如图5所示试验场址设置三种不同形式铺面砖，铺面结构依其功能分成两个部分，上层铺面砖为表层，下层砾石级配为基层；本试验区三种铺面之表层材料特性相同，皆为混凝土制成，但其用途及透水效益皆有所不同，（A）车道连锁砖为使车辆行驶，考虑到载重之因素，故表层下方的基层使用混凝土来强化基础，而（B）停车间格连锁砖及（C）停车格植草砖为停车使用，表层下方基层为使用沙垫层与砾石级配层铺设。

图5　试验区停车场三种不同形式铺面砖Fig.5 Three kinds of pavements in parking lot， the study site

3.2 注水试验结果

各铺面与原始土壤试验数据推估得Philip入渗式之K与S值：（A）铺面车道连锁砖饱和入渗率平均为1.16cm/hr，（B）铺面停车间格连锁砖饱和入渗率平均为2.63cm/hr，（C）铺面植草砖入渗率计算值平均为6.31cm/hr，（D）周围土壤入渗率计算值平均为3.09cm/hr。将铺面之级配层下方增设渗透导水管进行改造，探讨（B）停车格间连锁砖、（C）停车格植草连锁砖铺面增设渗透导管后之入渗效益。

实验数据整理于表2可得知，停车格间连锁砖埋设渗透导管后之饱和入渗率计算值平均为90.3cm/hr，如图6所示与现况情况相比提升35倍之多；于停车格植草砖埋设渗透导水管后之饱和入渗率计算值平均为111cm/hr，与现况相比提升了18倍之多，其入渗效益有明显上升的趋势。

表2　试验改造前后内环饱和入渗率计算值比较Table 2 Comparison of infltration rate before and after installing infltration pipe

图6　停车间格铺面与停车间格植草砖铺面加入渗透管之入渗率Fig.6 Comparison of infltration rate before and after installing infltration pipe

4 SWMM模式效益评估

SWMM（Storm Water Management Model）［6］暴雨径流管理模式是由美国环境保护署于1971年使用FORTRAN语言发展设计而成之系统模式，主要为管理城市径流使用，模拟降雨及径流产生过程，包含地表径流、排水管道水量输送、管线处理、蓄水储存等。

4.1 植生滞留池

利用SWMM模式仿真水利规划试验所旧正办公室如图7所示。水规所旧正试验场地之SWMM模拟主要分为三组，一组为假设未设置植生滞留池（Bio-retention）之模拟，第二组为设置植生滞留池后之模拟，第三组则为设置植生滞留池后池内设置砾石桩之模拟，试验成果比较后，可得知设置LID设施及砾石桩后，对于降雨事件之削减效益。

图7　植生滞留池设置概念模式示意图Fig.7 Conceptualize the study site of bio-retention pond for SWMM modeling

（1）植生滞留池设置前后之削减效益成果

根据三场降雨模拟成果（表3），植生滞留池之设置，确实削减各重现期距之总出流体积及减缓洪峰流量。三场降雨事件下，植生滞留池之设置前后之出流体积削减百分比达32.0%～59.0%；洪峰流量削减百分比为3.9%～21.9%。

（2）植生滞留池设置砾石桩前后之削减效益成果

根据现地观测成果，植生滞留池之设置并打入砾石桩后，在此三场降雨事件下并无发生溢流，故削减效益视为100%。

表3　植生滞留池及砾石桩设置前后模拟成果Table 3 Comparison of outfow discharge before and after installing gravel pile in bio-retention pond

4.2 铺面区域

根据试验场址地表铺面状况概念化为六个子集水区的设置，根据地表坡度以及降雨时地表水流方向之观察，建立其概念化模式如图8，依试验场址现况简化划分为S1停车间格连锁砖铺面、S2草地、S3停车格植草砖铺面、S4停车间格连锁砖铺面、S5停车格植草砖铺面、S6连锁砖车道砖铺面、以及设置一出流位置，本研究将现场现况情境模拟设为基准值，其它案例结果则与此基准值比较。

图9为连锁砖皆改植草砖的情境下进行不同LID模块设置面积之出流量，表4为连锁砖皆改植草砖的情境下搭配渗透导管之LID模块仿真结果。

图8　试验场址停车场之概念化模式Fig.8 Conceptualize the study site of parking lot for SWMM modeling

图9　连锁砖改造为植草砖情境基准下设置LID模组之迳流历线Fig.9 Runoff hydrograph for installing infltration pipe beneath permeable bricks for 5%， 10%， and 20% area， respectively

表4　连锁砖改植草砖情境基准下设置不同LID模组面积Table 4 Peak fow/volume reduction for various area percentage of permeable pavement

4.3 减洪效益分析

依据《建筑基地保水设计技术规范》，及根据绿色建筑基地保水各项工法之型式所提出之保水 设计公式进行设置砾石桩及渗透导管后设施容量估算。

以植生滞留池设置砾石桩为例，此植生滞留池面积约12m2，与屋顶雨水收集排水管相接，承接建筑物收集之雨水。

整栋建筑物之面积约1044m2，假设以建筑技术规则中，以建筑基地面积乘以0.045m3/m2为例，其雨水贮集滞洪设施容量不得低于47m3。

以植生滞留池直径4m、高度0.4m，可贮集水体体积V为5.02m3，可透水面积A为12.55m2，基地土壤在增设砾石桩后，最终入渗率f以注水试验之平均饱和入渗率5.65m/ hr，降雨延时基准值t为一小时，再加上贮水体积5.02m3，得到植生滞留池设施容量为76m3。

以停车场连锁砖铺面之面积约93m2，并且其基层因考虑停车载重，几乎无基层，因此以0.1计算为例，原始饱和入渗率平均为1.16cm/hr，停车格间连锁砖埋设渗透导管后之饱和入渗率计算值平均为90.3cm/hr，其原始滞蓄洪容量为5.19m3，埋设渗透导管后可达46.6m3。

5 结论

（1）人为注水试验结果显示，植生滞留池于设置砾石桩后，入渗率可提升约10倍。以SWMM评估植生滞留池设置前后之功效，植生滞留池设置后，于5年重现期距降雨事件下，可增加86%出流体积削减，可减少5%洪峰流量。

（2）根据三场降雨模拟成果，植生滞留池之设置，确实削减各重现期距之总出流体积及减缓洪峰流量。三场降雨事件下，植生滞留池之设置前后之出流体积削减百分比达32%～59%；洪峰流量削减百分比为3.9%～21.9%，植生滞留池之设置并打入砾石桩后，在此三场降雨事件下并无发生溢流。

（3）以停车场铺面区域为例，加入垂直式渗透导管改造后之透水铺面饱和入渗率计算值可增加18～35倍，模拟子集水区与铺面改造情境下加入垂直式渗透导管，考虑设置数量与削减径流百分比，其设置面积10%时发挥最佳削减效益，以连锁砖改造为植草砖之情况设置垂直式渗透导管面积达10%与现况情境相较之下，于五年重现期距降雨可削减15%以上之地表径流体积。

（4）由减洪效益分析中可以发现，仅是以开发区域其中一小部分土地进行改良，试验结果于小降雨能发挥相当之功效，于大型降雨也可有效削减径流体积并延迟洪峰到达时间，若是以分布式小单元之方式，对于创造海绵城市将有相当的效益。

参考文献（References）

［1］台湾经济部水利署水利规划试验所.都会区地下含水层滞洪效益研究（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］台湾经济部水利署水利规划试验所.都会区地下含水层滞洪效益研究（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］张嘉玲.低冲击开发之应用及发展趋势［J］.中国土木水利工程学会会刊，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模式评估花槽减缓地表径流之效益［D］.台湾逢甲大学硕士学位论文，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模式评估透水性铺面搭配渗透导管对地表径流之影响［D］.台湾逢甲大学硕士学位论文，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）

中图分类号：P642.12

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0070-05

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.017

收稿日期:2015-12-02

修订日期:2015-12-14

作者简介:许少华（1960-），男，博士，教授，主要从事河川工程及地下水资源评估与管理等研究.

基金项目:台湾经济部水利署水利规划试验所科专计划（GPN1010402967）