什麼是合理化公式(Rational Method)?
合理化公式是土木與雨水工程中最常用的方法,用來推估小型集水區(通常面積在 200 英畝/80 公頃以下)的尖峰逕流量。它將尖峰流量 Q 與三項數值連結:無因次的逕流係數 C、降雨強度 i,以及集水面積 A,並以簡潔的關係式表示:\(Q = C \cdot i \cdot A\)。
計算器使用說明
請先選擇單位制,再輸入三項數值。在美制單位下,i 以「英吋/小時」計、A 以「英畝」計,由於換算係數約為 1.008,計算結果可直接得到以「立方英尺/秒(cfs)」為單位的 Q,相當方便。$$Q = \text{C} \times \text{i (in/hr)} \times \text{A (acres)}$$在公制(SI)單位下,i 以「公釐/小時」計、A 以「公頃」計,結果再除以 360,即可得到以「立方公尺/秒(m³/s)」為單位的 Q。$$Q = \frac{\text{C} \times \text{i (mm/hr)} \times \text{A (ha)}}{360}$$
公式詳解
逕流係數 C 代表降雨量中轉化為地表逕流的比例:草坪與公園約為 0.10–0.30,住宅區約為 0.40–0.60,鋪面或商業用地則約為 0.70–0.95。降雨強度 i 取自設計暴雨對應的 IDF 曲線(降雨強度-延時-頻率曲線),所採用的延時等於集流時間(time of concentration)。將三者相乘,即可得到瞬時尖峰流量。
實例演算
某 5 英畝的商業基地,C = 0.70、設計降雨強度為 2.5 in/hr,則 $$Q = 0.70 \times 2.5 \times 5 = 8.75 \text{ cfs}$$ 改以公制計算:某 5 公頃基地,C = 0.70、i = 60 mm/hr,則 $$Q = \frac{0.70 \times 60 \times 5}{360} = 0.583 \text{ m}^3/\text{s}$$
常見問題
合理化公式適用於多大的面積?它最適合用於小型且相對均質的集水區,通常面積小於 200 英畝。面積較大或地形複雜的集水區,應改用 SCS/NRCS 等水文歷線(hydrograph)方法。
為什麼美制的換算係數被忽略?因為精確係數(\(1 \text{ acre} \cdot \text{in/hr} = 1.008 \text{ cfs}\))非常接近 1,工程師習慣直接視為 1,本工具也採用相同做法。
該如何選定降雨強度?請依所選的重現期距(例如 10 年重現期暴雨)採用當地的 IDF 曲線,並以等於集水區集流時間的暴雨延時來取值。