土樣準備與試驗儀器配置

本研究砂箱試驗，使用寶山第二水庫庫區粉質砂土為試驗土樣，其粒 (b)

(a)

(a) (b)

徑分佈曲線如圖3- 5 所示；土壤係先以#4 標準篩來過濾較大礫石塊，再用 通過#4 標準篩之土樣進行試驗，過篩後的土樣將其放置室溫下自然烘乾數 天，以模擬現地初始的乾燥狀態。砂箱的尺寸大小為 60cm×60cm×60cm，

為了降低砂箱邊界對於地電阻量測時的電流場產生邊界效應的影響，填入 土樣深度應盡可能等於電探測線展距，規劃砂箱中的電探測線展距為50cm 左右，因此填入之土樣深度至少為50cm，此外砂箱內模擬地層的土壤條件 需與率定模內的土壤相同，為使後續砂箱降雨模擬所建立的率定關係得以 和率定模的基本率定結果做相關的比對與驗證，故固定砂箱土樣與率定模 土樣在約略相同乾密度γ_d=15.5kN/m³的土層條件下，將自然乾燥後的寶二 水庫土樣，以大型夯錘分層均勻夯入約50cm 深的土壤厚度，如圖 3- 6。

圖3- 5 寶二水庫土樣粒徑分佈曲線（姚奕全，2007）

圖 3- 6 大型夯錘將土樣分層夯入砂箱（姚奕全，2007）

在砂箱試驗中所使用到的主要相關儀器設備有二類，即 TDR 量測系 統、及地電阻量測系統，以下將對各實驗儀器設備做一簡單說明。

TDR 量測設備

研 究 中 所 使 用 的 TDR 量測設備為美國 Campbell 公司所生產的 TDR100，如圖 3- 7 所示，可配合多工器（Multiplexer）同時量測不同 TDR 感測器，並搭配資料擷取器（Datalogger）具有可程式化、自動化量測的功 能來輔助降雨初期的資料密集量測。至於TDR 感測器方面則是如前述章節 在率定土樣基本關係時所使用的小型 TDR cone 感測器；貫入式探頭有利 於感測器置入砂箱進行資料量測，又其本身貫入土壤中所佔體積較小，故 可降低感測器本身材料電阻對於地電阻量測時的電場影響。

圖 3- 7 Campbell TDR 100 量測儀 地電阻量測設備

在地電阻量測系統方面，本研究所使用的地電阻探測儀器為法國IRIS 公司所生產的SYSCAL PRO Switch 48，如圖 3- 8 所示，可連接 48 頻道電 極，主機內部含電源傳送器（transmitter），訊號接收器（receiver）與電源 供應器（booster），在電源供應部分可依施測需求外接直流式電源提供更大 電流，另外為了滿足二維或三維的施測配置，可以利用Switch Pro box 外 接更多電極纜線以達到需求。由於本研究為小尺寸室內砂箱模擬，因此在 連結的傳輸纜線與電極棒方面，使用 24 頻道集線器兩個，如圖 3- 9，共 48 頻道搭配 2.5 公分不銹鋼釘為電極棒來進行地電阻量測。而研究預計以 三維電探進行砂箱試驗之探測，因此使用三維反算軟體 AGI EarthImager 3D Ver. 1.3.7，將電探主機所量得視電阻率分佈（Apparent Resistivity）經 過反算最佳化分析後，以獲得砂箱內土壤真實的電阻率分佈情形。

圖3- 8 地電阻探測儀-SYSCAL PRO Switch 48

圖3- 9 ERT 24 頻道集線器 3.4.2 試驗規劃

為了讓土壤內部各含水特性參數有足夠的乾溼變化量，以達到模擬現 地在長時間的監測過程中，因受到間歇性的降雨入滲行為或乾濕季的季節 交替等影響所形成的土壤乾溼循環，使其含水量、飽和度等含水特性大幅 度的變化，另為符合現地率定電阻率與含水特性的目的，因此在砂箱土壤

為自然乾燥的狀態下開始降雨，並控制所模擬的累積降雨量，使電探探測 深度 10cm 的土層深度範圍內土壤接近飽和含水量的臨界狀態，以確保砂 箱內土壤含水特性有足夠的變異範圍進行迴歸分析。在整體砂箱試驗的過 程當中，以TDR 量測系統來監測土壤體積含水量與導電度兩參數值，而地 電阻量測系統則監測土壤三維電阻率剖面的變化。

試驗共分為降雨濕潤（wetting）以及乾燥（drying）兩階段。第一階 段為降雨濕潤，即模擬現地降雨行為，使砂箱土壤由初始乾燥狀態因降雨 而逐漸濕潤的過程，以 ERT 與 TDR 儀器監測與擷取土壤電學性質及各含 水特性參數值。而在降雨過程中，由於土壤的乾濕變化較為快速，因此降 雨濕潤期間的資料必須密集量測，以確保後續迴歸結果趨勢的正確性。而 為了驗證地電阻的解析度，在降雨期間於雨水入滲深度到達四公分、八公 分、十二公分及十六公分時進行地電阻量測，量測期間將停止降雨且為避 免各儀器之間的電場互相干擾降低試驗準確性，因此TDR 量測系統亦會同 時暫停；另在第一階段的降雨過程中以 TDR 量測系統搭配 Multiplexer 與 Datalogger 的使用，每 4 分鐘 1 次密集量測土壤體積含水量與導電度。

降雨結束後，進行第二階段乾燥過程資料量測，過程中土壤的乾濕變 化不如溼潤時快速，故可逐步拉大量測時間間隔，由數十分鐘增加到數小 時，並同時利用地電阻量測系統進一步監測砂箱土壤隨時間的電阻率剖面 變化，而為避免各量測設備電場效應的互相干擾，各儀器量測的順序為

TDR、地電阻，依序得到體積含水量、導電度與電阻率剖面。

砂箱試驗整體概念與流程如圖 3- 10 所示。由上述砂箱試驗模擬現地 降雨的濕潤以及乾燥的過程中可得土壤不同含水狀態下之電學性質及含水 特性參數，如電阻率剖面分佈、導電度、體積含水量。經由導電度與體積 含水量的迴歸分析，可得到地電阻場址的率定參數，用以驗證未來於現地 透過長時間資料監測，現場率定各場址參數的可行性，並進一步將監測過 程中所得各電阻率剖面轉換為含水量剖面，對地電阻剖面做含水特性詮 釋，以探討應用地電阻法調查與監測地層含水特性分佈。

圖3- 10 砂箱試驗流程（修改自姚奕全，2007）

3.4.3 試驗配置改良

由論文（姚奕全，2007）分析可得知，ERT 三維地電阻量測之結果有 精度不佳、解析度不足之問題存在，TDR 方面則有導電度與體積含水量無

法同時到逹尖峰值之現象發生；為了解決上述問題使得含水特性能詮釋的 更準確，本研究將針對此二部份問題進行試驗配置改良，以期改善量測之 結果，進而求得合理之結果並提高試驗精度。

在 ERT 測線佈設改良方面，論文（姚奕全，2007）所採用的配置為 4*12 間距 5 公分的矩形排列方式如圖 3- 11 所示，由於探測深度受砂箱尺 寸限制約為10 公分，僅為排列間距之二倍，故在解析精度 5 公分、探測深 度10 公分之下，其所得之地電阻剖面將無法有效呈現含水量變化之情況。

為了在固定探測深度範圍下提高解析度，且保持測線為對稱矩形，故本研 究將ERT 的配置方式由 4*12 間距 5 公分改為 2*24 間距 2.5 公分，如圖 3- 12 所示。如此探測深度仍維持 10 公分但解析度則提高為 2.5 公分，可增加 地電阻剖面對含水量變化之解析度，以便能更精確掌握水量入滲及蒸散情 形。

在TDR 儀器量測部份，為釐清及解決導電度與體積含水量無法同時到 逹尖峰值之問題，將針對埋置深度（探討TDR 感測器量測結果是否受空氣 影響）及砂箱邊界界面滲流問題（釐清模擬降雨時雨水有無延著砂箱邊界 滲流而影響TDR 量測結果）二部份來探討。首先要釐清的是 TDR cone 是 否因埋設位置過於接近表面，使覆土層過淺而造成量測時易受到空氣-土層 界面之影響，故本研究將TDR cone2 埋設深度加深，距離表層約為 10 公 分；TDR cone1 則仍維持埋設深度距離表層 5 公分，且將 cone1 與 cone2

皆埋設於砂箱同側如圖3- 13（a）case1 所示，以做為比較對照之用。

另為避免模擬降雨時雨水沿著砂箱界面滲流，直接影響TDR cone，造 成TDR cone 量測誤差；因此本研究擬將 TDR cone 埋置於砂箱內部，距離 邊界約十五公分如圖3- 13（b） case2 所示，來排除砂箱邊界界面滲流的 影響。

而整體試驗儀器的詳細配置如圖3- 14 所示。為避免進行 case2 試驗時 ERT 測線與 TDR cone 因埋置位置過近而產生互制干擾，故將 TDR cone 埋置方向與ERT 測線相互平行如圖 3- 15。表 3- 1 則為砂箱地電阻施測參 數。各試驗儀器於實驗室配置完成結果如圖3- 16。

表3- 1 砂箱地電阻施測相關參數

電極間距 （cm） X 向：2.5cm，Y 向：2.5cm 電極數目 48 支

測線展距 （cm） X 向：2.5cm，Y 向：57.5 cm 施測方式 Dipole-Dipole equatorial

圖 3- 11 原始砂箱試驗配置平面圖（修改自姚奕全，2007）

圖3- 12 砂箱 ERT 測線排列方式改良示意圖

圖 3- 13 砂箱 TDR cone 埋設方式改良示意圖

圖3- 15 實際砂箱儀器平面配置圖

圖 3- 16 砂箱試驗儀器配置完成結果

四、試驗結果與討論

4.1 TDR 量測系統及土壤導電度與體積含水量關係之率定結果

研究中係利用 TDR 量測系統來探測砂箱中土壤之導電度與體積含水 量參數，故在試驗前需先將所使用的兩支 TDR cone 感測器之量測波形，

分別對兩參數值進行相關率定；另一方面，在率定後，可藉由TDR 量測導 電度的特性，透過小型率定模建立試驗土樣其含水量與導電度之基本率定 關係，進而得到含水量與電阻率的率定關係，以做為後續砂箱試驗率定結 果之比較與驗證。各相關率定結果如以下章節所述。

4.1.1 TDR 量測系統率定結果

1. 導電度（電阻率）量測率定

本研究試驗土樣為寶二水庫之粉質砂土，預計其導電度變化範圍應介 於0~400（μs/cm），研究中以純水加入不同鹽分來控制導電度，進行導電 度的率定工作。根據 Lin（2007），可知導電度與 TDR 感測器波形之穩態 反射係數ρ^∞相關，如式 2-10，其中 β 為 TDR 感測器探頭形狀因子，ρ^∞ 為TDR 穩態反射係數，而 k 則為纜線阻抗修正因子，將每次不同導電度下 所測得之穩態反射係數以及其他各已知之參數值帶入相關公式，即可率定 出待定探頭型式常數β 值。兩 TDR cone 感測器率定結果如圖 4- 1 與圖 4- 2

本研究試驗土樣為寶二水庫之粉質砂土，預計其導電度變化範圍應介 於0~400（μs/cm），研究中以純水加入不同鹽分來控制導電度，進行導電 度的率定工作。根據 Lin（2007），可知導電度與 TDR 感測器波形之穩態 反射係數ρ^∞相關，如式 2-10，其中 β 為 TDR 感測器探頭形狀因子，ρ^∞ 為TDR 穩態反射係數，而 k 則為纜線阻抗修正因子，將每次不同導電度下 所測得之穩態反射係數以及其他各已知之參數值帶入相關公式，即可率定 出待定探頭型式常數β 值。兩 TDR cone 感測器率定結果如圖 4- 1 與圖 4- 2