文：陳明陀、Chia-Wen Kuo

水利工程與水利技師

水利工程（Hydraulic engineering）是為了控制、利用和保護地表及地下的水資源與環境而修建的各項工程建設的總稱【維基百科】。

水利技師執業範圍:從事防洪、禦潮、灌溉、排水、堰、壩、堤防、涵渠、下水道、給水、水力發電、築港、河川橋樑、水資源開發、水工結構、山坡地開發、河川地開發、海浦地開發等工程及其他有關水利工程之規劃、設計、監造、研究、分析、試驗、評價、鑑定、施工、養護、檢驗及計劃管理等業務【各科技師執業範圍】。

下列水利工程之規劃、設計、監造應經水利技師簽証【公共工程專業技師簽證規則】：(1)水庫及蓄水工程。(2)海岸、河川整治及水利工程。(3)自來水工程。(4)下水道工程：包括雨水下水道及污水下水道。(5)農田灌溉及排水工程。

我們的母親之河

所謂河長海闊，「河川孕育文化、大海凝聚智慧」，人類的文明起源都是依傍在水域周邊，然後開始發展，每一個偉大國家、繁華文化城市及鄉、鎮、區都會有一條母親之河。濁水溪（長約187公里）發源於合歡山主峰與東峰之間，是台灣最長的河川，素有台灣母親河之稱；大甲溪（長約124公里）發源自南湖大山，涵蓋所有臺中市的範圍，供應了全市280萬人口的日常用水，成為臺中的母親之河；筏子溪為烏溪重要支流，發緣於大雅區橫山圳排水，其在台中高鐵軌道與74號快速道路間河段，是台中的國際門面，如（圖1）所示，故有台中市「迎賓河」之稱，也是台中市區的母親之河。

筆者所居住的臺中市沙鹿區，也有一條母親之河叫做南勢溪排水，現為臺中（直轄）市管區域排水，權責起點為安良港排水匯流口，權責終點為沙鹿區埔子一號橋，長度約3公里，若含權責終點以上渠段總計約6公里，南勢溪發源自大肚台地，其水源為天然湧泉，從4,000年前便有人類活動遺跡，豐沛的水資源終年供水穩定，在冬季及春季幾乎沒有天然降雨時段，作為居民洗衣、清潔及灌溉等用途，在沒有自來水時代亦當為飲用。水質清澈乾淨、環境良好而孕育豐富的生態資源，有多樣性動植物，也是民眾休憩、戲水、騎車、散步、跑步、釣魚及生態觀察的好去處。

南勢溪是少數的平地排水還存在有溪哥及原生鰕虎的地方，107年整治下游段時，還發現台灣特有種的南海溪蟹，因以往文獻紀錄只在彰化以南，所以造成很大的生態保育議題；然這幾年來周遭建案超過幾千戶以上，導致南勢溪生態面臨巨大壓力與考驗，原生魚環境遭受嚴重威脅，雖然其自淨能力強，但應加速推動污水下水道建置，雨汙分流才是根本解決之道，照片如（圖2~圖8）所示。

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河川與排水之規劃設計流程

水利工程師要如何完成河川與排水的河道整治呢？原則上參考既有的規劃設計規範，如經濟部水利署河川治理及環境營造規劃參考手冊、區域排水整治及環境營造規劃參考手冊及水利工程技術規範等，進一步考量河防安全、整體經濟效益、環境景觀休憩、生態衝擊影響及民眾需求等，規劃設計流程圖如（圖9、圖10），其專業程度較為謹慎複雜，沒有受過專業訓練的人士則較難理解。

作者嘗試以水利工程師最常用的3個公式，合理化公式、河道流量公式及曼寧公式，簡單說明排水斷面如何設計，當然公式運用上是有其限制的，公式內容詳細如下一節所述：

1. 合理化公式：推估渠道流量
2. 河道流量公式：由河道斷面積及流速可知道河道流量
3. 曼寧公式：由合理化推估的流量，進一步設計排水斷面

如何推估流量與斷面設計

1. 合理化公式

藉由推算河道中的流量，進而設計防洪構造物。如何推算流量可以採用簡單的合理化公式法（Rational Formula），該方法是在1889年由克契林氏（Kuichling）所創，因簡單且計算方便，廣泛的被應用，合理化公式是長這個樣子的：

其中

(1) Q = 尖峰流量，單位為立方公尺/秒（m³/s）。

(2) C = 逕流係數：反映雨滴落下後受地上物影響後（如植物截留、土壤入滲等），實際成為地表逕流的係數，為無因次單位。

(3) I = 集水區內的平均降雨強度：代表一段時間內的降雨深度，可用測量儀器取得，也能利用經驗公式設計而得，單位為毫米/小時（mm/hr）。

(4) A = 集水區面積，單位為公頃（ha）。

合理化公式說明示意圖，如（圖11）所示:

(5) 例：有一區域的集水面積A=100公頃（1公頃=10,000平方公尺）、降雨強度I=100毫米/小時、逕流係數C=0.8，帶入合理化公式計算，即可求得尖峰流量　Q=22.2立方公尺/秒。

2. 河道流量公式

由合理化公式求得集水區流量，假設全部流量都進入到河道，那河道流量公式（連續方程式）可以被定義如下，如（圖12）所示。

其中，

(1) Q = 尖峰流量，單位為立方公尺/秒（m³/s）。

(2) A = 通水面積，代表水流通過時的面積，單位為平方公尺（m²）。

(3) V = 流速，代表河道中水流的速度，單位為公尺/秒（m/s）。

3. 曼寧公式

有了流量以後，如果可以知道流速，就能知道面積，進而去設計留給洪水通過的河道範圍，而流速的推求就必須介紹於1889年由Robert Manning提出的曼寧公式，它是長這個樣子：

其中，

(1) V = 流速，單位為公尺/秒（m/s）。

(2) n = 粗糙係數：代表河道中粗糙情況對水流影響的一個係數，當河道都是自然植被時，n值越大流速則會越小；當河道都是人工的混凝土材料時，n值越小流速就會越大，單位為秒/公尺^1/3 ()。

(3) R = 水力半徑：定義為通水面積A除以濕周P，單位為公尺(m)。濕周代表斷面中與水接觸的長度，當濕周越小，水利半徑越大，代表水流通過時受到阻力越小，流速就會越大。

(4) S = 水力坡度，代表一段距離內高程的變化量，單位為公尺/公尺(m/m)，即無單位，水力坡度越大時流速就會越大。

經由以上一連串的流量、流速的推求，可以推得洪水通過時需要的面積，進而去設計河道斷面型式、構造物型式等，在設計型式上有很多選擇及變化，像是材料上可選擇土石料、混凝土材料、鋼筋混凝土等，堤身可以分為斜坡式堤、直牆式堤或複合式堤等，如（圖14~圖15）所示。

承洪韌性．與水共生

「承洪韌性．與水共生」是現代水利工程新的思維，不再一昧地追求蓋高高又灰灰的混凝土構造物，將人與水環境隔絕，進一步思考，在不影響當地生態環境下，讓人類、動植物都能有共存的空間。期望利用不同種類的防洪工程，融入海綿城市及出流管制與逕流分擔等治水策略，輔以國土規劃等管理手段，打造樂居安業的環境。現在因為都市地區土地取得不易，寸土寸金的情況下，實務的水利工程仍以大量的堤防作為基本的防洪工程，這也是現階段水利工程必須突破的困境。

或許你(妳)對水利工程不熟悉、或許對家鄉溪流也不熟悉，但家鄉應該也有一條母親之河，一直等待著你(妳)，就如臺中市沙鹿區的南勢溪排水，溪中遍布湧泉，水源清淨，充滿生態、也是我跟小孩最常親近的溪流，我希望能ㄧ直保持。你(妳)有多久沒去走走、親近溪流呢？找個時間靜下心來，去散散步去親近她，我想一定會有特別的發現而收穫滿滿喔。

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