时域反射技术 (TDR) 应用于石门水库异重流之监测

台湾于颱风或豪大雨期间,山坡地容易产生地表土壤沖蚀 (Erosion) 与坡地崩塌 (Landslide),造成大量的土石进入河川后被运移至下游水库内,导致水库淤积 (Sedimentation) 问题,以石门水库为例,目前淤积量已佔水库容量约三分之一。延长石门水库操作寿命,减缓入库泥砂淤积已刻不容缓。

现有主要减少泥砂淤积方法中,最有效应属水力排砂 (Sediment Sluicing)。水力排砂首要配合作业为监控水库库区上游边界(如桃园市复兴区罗浮地区)泥砂浓度随水流进入水库之时间分布,此一泥砂浓度一般指受水流而可悬浮于水中之泥砂固体颗粒,称做「悬浮泥砂浓度 (Suspended Sediment Concentration, SSC)」;第二作业则是持续监控库区内悬浮泥砂或是异重流 (Turbidity Currents or Density Currents) 之运移行为,如此一来才可提供水库管理单位进行水库排洪设施操作,用水力方式将泥砂排出水库,以有效留住清水,达成「蓄清排浑」之目标。

上述之悬浮泥砂浓度监测,其技术需要几项必要条件,才可达到蓄清排浑目的。第一,由于颱风期间环境恶劣,人力无法长时于水库周围以及库区进行泥砂浓度观测,因此需以自动化 (Automatic) 监测技术进行定时监控,并利用无线传输 (Wireless),将资料即时 (Real time) 回传至管理中心;第二,此一监测技术需于有限经费下有效涵盖空间上不同位置,包含水库上游至下游,以及不同水深之监测需求,如此才可掌握悬浮泥砂或是异重流于空间上之分布与运移行为;第三,此监测技术需提供高泥砂浓度量测範围(至少 1~10 万 ppm),并且不受泥砂粒径影响,以能準确掌握泥砂含量。最后,此一技术相关监测设施必须坚固且容易维护,即使感测设备损坏,也可以低成本恢复作业。

基于上述监测需求,水利署于 2004 年之后便长期支持时域反射技术 (Time Domain Reflectometry, TDR) 于悬浮泥砂浓度监测研发,并于 2008 年开始石门水库悬浮泥砂浓度自动化监测建置与扩充改善直至今日。

TDR 为一电磁波量测技术,其系统如图一所示,包含一电磁波产生主机(Step Generator,内含波形撷取器 (Sampler) ),类似雷达原理,将电磁波送至传输同轴缆线 (Coaxial cable) 与感测器 (Probe),在感测器内量测电磁波于混水之传递时间 $$(\Delta t)$$ 或速度(需利用电脑或示波器 (Oscilloscope) 进行分析),藉以评估混水内悬浮泥砂浓度。TDR 可基于单一主机进行多点分工 (Multiplexing),感测器坚固且建置成本低,透过相关研究已证实 TDR 泥砂浓度量测不受泥砂粒径影响,量测精度约为 1000 ppm,量测範围适用于中高泥砂浓度环境。

时域反射技术 (TDR) 应用于石门水库异重流之监测

图一 TDR 量测系统。(Chung and Lin, 2011)

图二显示利用 TDR 技术于石门水库罗浮地区、水库库区上中下游浮台,以及下游水库排放口之监测配置。其中罗浮地区为河道地形,为掌控悬浮泥砂浓度入流情形,相关研究于河道护岸以及河道主深槽建置 TDR 观测设备(另也包含人工帮浦观测系统),以利评析空间上悬浮泥砂浓度分布及推估总入库砂量;水库库区不同位置之浮台监测系统,均包含至少八组不同深度之 TDR 感测器,可于颱风期间掌控悬浮泥砂浓度分布或是异重流之行为。

图三为 2013 年苏力 (Soulik) 颱风期间 S7 浮台泥砂浓度监测结果,主要呈现监测过程 (Elapse time) 于不同水深高程 (Elevation) 所得到之 SSC 观测值,透过此一监测结果可掌握异重流浓度、厚度以及运移型态,配合库区上中下游多个测站之异重流抵达时间,可估计异重流速度。如此一来可提供管理单位水力排砂操作依据。例如图二经过 40 小时监测后,发现泥砂开始于水库底部累积(超过四万 ppm),因此石门水库管理单位于第 100 小时进行排砂隧道开启,即可快速将累积泥砂带出水库以外。基于下游各排放口之泥砂浓度观测结果,苏力颱风观测期间,其入库总砂量估计为 921.88 万吨(乾重),观测期间排放总砂量为 323.01 万吨,比对入库与出库砂量,概估囚库总砂量为 598.87 万吨,泥砂量排放比为 35%。

时域反射技术 (TDR) 应用于石门水库异重流之监测

图二 石门水库 TDR 悬浮泥砂浓度自动化监测(水利署水利规划试验所,2015a)

时域反射技术 (TDR) 应用于石门水库异重流之监测

图三 2013 年苏力 (Soulik) 颱风期间 S7 浮台泥砂浓度监测结果(水利署水利规划试验所,2014)

目前此一系统持续提供颱风期间悬浮泥砂浓度监测,除上述即时回馈管理单位蓄清排浑操作外,相关资料也可归纳异重流形成要件与运移行为,也能作为上游集水区崩塌地与泥砂产量关係参考,以及相关输砂模式研究之率定与验证使用。


参考文献

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