下水道說明
壹、污水管網規劃設計基本考慮因素








     

  


貳、污水管渠規劃設計概說
2.1 水深比與流量比



2.2末端管渠設計
  1. 依日本針對末端管渠的實際調查
    1. 流入污水管的固體物主要為糞便污物及衛生紙，並未發現沙土。
    2. 再者，因末端管渠污水收集區域小，管渠零流量及低流量之延時頗長，此時污物幾不流動。而當產生日尖峰流量時，即便末端管渠水深極淺，但當有水流時，停滯於污水管的污物即會順流而下，並不會造成搬動的影響。
  2. 由以上的實際調查成果
    1. 實際流速在最低流速（例如0.6m/s）以下，使用上仍不會有問題。
    2. 換言之，在設計實務上，因末端管渠流量極小，若以實際流量設計並要達到最低流速限制，將會造成很大的坡度，這對於地表坡度平緩區域將會極不經濟。
    3. 從其現象的特性看，以滿管流量設計也不會有問題。即設計者是可考慮以滿管流速來進行設計(即坡度較緩)
  3. 於末端管渠設計上，日本地方自治體並無強制規定設計準則，而由設計者依末端管渠流速、掃流力等因素來決定管渠坡度，由下圖所調查的日本的末端管渠坡度分布圖顯示，管徑200mm的末端管渠坡度在0.2%~0.6%之間。
  4. 另外末端管渠同時亦需考量到施工精度問題，例如由下圖的調查結果顯示，施工與設計值的誤差值在0.02%~0.1%之間



2.3陡坡管渠
  1. 流況分析
    管渠流況影響著使用年限與使用安全，因此判定管渠流況是重要一環。可根據水流速度與液面干擾波的傳播速度的對比關係 來定義管渠屬亞臨界流、臨界流或超臨界流流況。物理特性上：
    1. 亞臨界流：渠道流速較緩慢，干擾波擾動可傳遞到上游，故下游的流動情況可以影響上游。
    2. 超臨界流：渠道流速較快，干擾波不能夠向上游傳播，即下游的流動情況不會影響至上游。
    3. 臨界流：當水流的速度等於干擾波的傳播速度時，這時干擾波也不能夠向上游傳播。此水深稱為臨界水深(critical depth)、此管渠坡度稱為臨界坡度(critical slope) a.在固定流量、管徑下所對應的臨界水深、臨界坡度為一定值，故可做為判定管渠流態的一重要指標。7-32式為臨界坡度近似解


  2. 判斷發生超臨界流管渠坡度
    案例分析：由下表，當n=0.015時，關切的是900mm以下管渠
    1. 管徑200mm~500mm、水深比=0.5情況下，當管渠坡度超過0.92%~0.68%、設計流速0.87m/s~1.37m/s時，已達臨界流狀態。
    2. 管徑600mm~900mm、水深比=0.7情況下，當管渠坡度超過0.91%~0.80%、設計流速2.01m/s~2.46m/s時，已達臨界流狀態。
    3. 管徑1000mm以上管渠之臨界坡度所代表之流速已超過管渠最大流速3.0m/s，故一般設計情況下不易發生。


  3. 消能設施
    為因應地表坡度等變化，污水管渠由超臨界流變為亞臨界流(陡坡變為緩坡)時：
    1. 超臨界流在下游遇到亞臨界流阻礙產生大擾動，渠流中原有之能量由於水流之碰撞擾動而引致水躍。
    2. 此時產生水躍現象導致管渠水位異常上升、人孔蓋飛跳等意外事故。
    3. 故需於有產生水躍現象處設置消能設施以消除水躍帶來的潛在設施維護問題。



2.4 管渠餘裕
管渠設計流量既已考量人口推估、單位污水量、入滲量、尖峰係數，為何要考慮管渠餘裕?原因歸納如下列8大因素
  1. 地下水滲入因素(如區域環境不同、單位滲入量設定之差異)
    (a) 管渠設計流量雖已考量地下水入滲因素（相當於平均日污水量之12%~21%。），但因變化幅度甚大，故需考慮餘裕因素。
  2. 雨水滲入因素(如區域環境不同引致的設定誤差)
    (a) 此部分的影響雖已併入地下水入滲因素（相當於平均日污水量之12%~21%），但因變化幅度甚大，故需考慮餘裕因素。
  3. 平均日污水量誤差(如計畫人口、單位用水量誤差)
    (a) 污水下水道設計年限至少達20年以上，除了推估人口可能產生差異外，最大時污水量亦有推估差異。
  4. 集污區內調查結果之區域差別(因區域別導致地下水與雨水滲入量誤差)
    (a) 於收集區域大的污水下水道系統，存在各集污區因地下水水位高低、地質、降雨強度差異，使得計畫污水量有所不同 。
  5. 施工誤差、施工後變動、淤積（如地震、地層下陷導致設計坡度改變)
    (a) 因為施工誤差或施工後因地層下陷等因素導致設計坡度改變，也會影響管渠輸送量。實務上，此因素影響值推估困難，故需考慮餘裕因素。
  6. 埋設後變更管徑、坡度困難（污水管渠設置困難、建設經費龐大)
    (a) 當管渠埋設後，若因管渠設計量不足，導致需再變更管徑、坡度，其工程相當困難且經費龐大，故需考慮餘裕因素 。
  7. 確保管渠通風（避免產生硫化氫氣體腐蝕管壁)
    (a) 當計算出污水收集區域之設計流量後，為確保污水管渠流動下能自然產生適當之通風現象，以避免產生硫化氫氣體腐蝕管壁，故需考慮餘裕因素，預留適當餘裕量以備污水量之驟增。
  8. 確保污水管渠內之水流為重力流
    (a) 重力流設計的污水管渠系統，管渠輸送水量隨水深而改變，故基於為確保污水管渠內之水流為重力流，並預留適當餘裕量，故需考慮餘裕 。

2.5 運用曼寧公式的關鍵考量
Robert Manning於1891年所發表曼寧公式（V=1/nS1/2R2/3），是目前普遍運用於污水重力管渠的水力公式。於同一管材之曼寧公式使用上， 普遍視粗糙係數n為常數項，其值含括所有可能產生水頭損失係數。運用曼寧公式時，曼寧粗糙係數n應加入適當餘裕度，理由為：
  1. 污水下水道流態：經分析是處於粗滑過渡區域，亦即由曼寧公式所得到紊流粗糙區之摩擦係數f，會比實際上的粗滑過渡區域之摩擦係數f低。
  2. 污水下水道管材：為商用管材（commercial pipe），不同製造商、不同批管材內部粗糙度會有差異。
  3. 施工精密度：於施工實務上，因每支下水道管材僅約1~2.4m，欲維持固定坡度是不切實際的。因此於管接頭處，會有些許程度凹凸。
  4. 長久使用：使用經年的污水下水道系統，管道內壁生成生物膜，會影響管壁粗糙度。
  5. 局部水頭損失：基於維護、轉向及匯入分支管之需要，下水道系統需設置人孔，致使產生管道突擴、突縮的局部水頭損失。

日本相關研究報告整理分析指出，n值應加上餘裕度，以因應上述因子對n值之影響。以管渠摩擦損失n=0.010的FRP為例，在使用曼寧公式計算時，經加上損失餘裕後，建議使用n=0.013。其考慮因子為
  1. n=0.010 (管渠摩擦損失)
  2. + 0.0003(粗滑過渡區域與紊流粗糙區摩擦損失差額)
  3. + 0.002 (進出人孔局部損失)
  4. + 0.001 (連接管匯入局部損失)
  5. ≒ 0.013。
國內目前設計管渠時，雖假設n值不因水深之不同而有所變化（即設定n為常數），但通常設計時採用管渠內面為普通情況下之曼寧粗糙係數值，故已適度考量n值之餘裕，各種管材選用參考如下表。但本表與日本之經驗仍有所不同，例如：
  1. RCP管:國內n值建議使用0.015，而日本研究建議使用0.013。
  2. 塑化管:國內n值建議使用0.012，而日本研究建議使用0.013。
  3. 故在為達最經濟的設計前提下，應結合產官學界做一縝密研究。



2.6 曼寧係數n是否為定值?
在同一管材(管內壁粗糙度Ks為常數)、水力半徑R為自變數下，可n值圖解，由圖可看出曼寧係數n隨水深變化，即n並非定值，另管內壁粗糙係數小的管材受水力半徑(水深)影響程度大於管內壁粗糙係數大的管材。