第三章 現場地聲分析
第四節 土石流警戒條件之探討
3.4.1 地聲偵測土石流的考量因素
由於土石流前鋒往往夾帶大量礫石與泥沙，大量礫石的滾動、撞 擊或摩擦則會促使地表振動的振幅或能量變大，因此透過地聲所偵測 的地表振動之速度振幅(Arattano and Moia, 1999; Arattano, 1999;
Abancó et al., 2014; Arattano M. et al., 2014; Coviello et al., 2015)或振 動能量(Huang et al., 2007；方耀民等人，2008)去判釋是否有事件是目 前最多人採用的方式。在本文前節的歷史土石流事件分析中也可發現，
事件發生時的速度振幅至少是事件前帄均振幅的 4.9~290 倍之間，因 此透過振幅隨時間的變化的確可以快速的判釋是否有事件發生。
除了能量的絕對大小有很大的變化外，由前節的振幅分析或時頻 分析都可觀察到，土石流前峰抵達地聲斷面時，劇烈的水文變化也會 直接反應在訊號的變化程度，使其訊號的振幅或能量在短時間內有快 速且劇烈的上升，因此除了探討能量的絕對大小變化外，其相對的能 量變化速率也可做為偵測土石流的考量因素之一。
在振幅或能量隨時間的改變過程上，前節的振幅法採用的是 1 秒 內的帄均振幅(Arattano and Moia, 1999; Arattano, 1999; Abancó et al., 2014; Arattano M. et al., 2014; Coviello et al., 2015)，而過去也有部分學 者採用 1 秒的累積能量(Huang et al., 2007)，不管是採用帄均值或累積 值，其能量隨時間的取樣將直接決定能量曲線的帄滑程度，其取樣的 標準則可視被偵測事件之能量變化尺度去決定。
因為土石流流動過程所夾帶的礫石、泥砂等的摩擦與撞擊運動在 振動頻率的表現上往往會集中於某些特徵頻帶(劉格非和李欣輯，
1999；Huang et al., 2004；黃清哲，2007；Schimmel et al., 2015)，因
並依此探討不同單位時間的能量變化。其中在不同
t下的 STFT 過程，若資料點不足 2 的次方則補零至足點(Zero Padding)，且不同時間間隔 下的 STFT 過程，時間窗同樣都重疊 50%的
t。 頻能量，並將時頻能量沿著頻率軸以梯型法(Trapezoidal rule)做數值 積分，而其積分的範圍則針對 5-40 Hz、40-80 Hz、80-250 Hz 三種頻 段分別計算，最後獲得不同時間(
t)帄均下、不同頻寬的累積能量變 件下的結果，由左而右分別展示 5-40 Hz、40-80 Hz、80-250 Hz 頻段 下的結果。在時間間隔
t的比較中，從圖 3-5 可發現不管任何頻段的累積能 量或斜率，其曲線的振盪程度都會隨著
t的延時變長而降低。其原因 歸咎於當
t越大，則能量(時間與頻率的函數)帄均的時間越長，因此使得延時小於
t的能量振盪幅度減小。透過此特性，其環境雜訊的振 盪程度在
t=10 秒的情況將會比
t=1 秒的情況還小，且在
t=10 秒的 情況下，小於 10 秒的短時間脈衝訊號，如：人或動物採踏到地聲埋 設位置、現場地聲檢校的槌擊測詴等，其能量將會因為帄均的時間較 長而削減。另外，由於一波土石流經過地聲斷面時，一般都大於 10 秒以上，因此在本文討論的三種
t下，若要用於偵測土石流，並減少 因短時間不明雜訊而誤判為土石流的狀況，選擇
t=10 秒的情況將較 優於
t=5 秒或 1 秒的情況。而在頻率區段的比較上，從圖 3-5(b)、3-5(d)即可很明顯的看到 5-40 Hz 的累積能量和斜率皆遠大於其它頻段，而在圖 5(a)、5(c)的案 例中，雖然 80-250 Hz 的累積能量和斜率與 5-40 Hz 的結果在同一個 尺度，但 80-250 Hz 的頻寬卻是 5-40 Hz 頻寬的 4.9 倍，意即 80-250 Hz 間的單位頻寬之累積能量其實只有 5-40 Hz 的 0.2 倍，因此從頻段來 考量的話，透過土石流特徵頻率區段(5-40 Hz)的累積能量與斜率的確 比其它頻段更能凸顯土石流發生與否的訊號特徵。
不同
t和頻帶之累積能量與累積能量斜率圖；橫軸皆為時間 圖3-5(分鐘)，黑色實線為累積能量(cm
2/s
2)，青色實線為累積能量斜率
(cm
2/s
3)，虛線為影片判釋之土石流前峰時間
06:42:30 2.80×10
-4 3.71×10
尺度)以上，因此在已知帄時環境噪音(ambient noise)的累積能量
P
an與率圖可參考圖 3-6。當累積能量或累積能量斜率超過警戒門檻值時，
本文則將該時間判釋為土石流經過地聲斷面的到時，其結果可參考表 3-3 後 4 列。
表3-3. 不同條件下的土石流警戒條件與判釋時間
四場土石流之的累積能量與累積能量斜率警戒圖；其能量計算間隔t為 10 秒，積分頻段為 5-40 Hz；水帄 圖3-6
藍實線(RP
=10 或
RS=5)與藍虛線(
RP=5 或
RS=2.5)為方法一的警戒條件；水帄紅實線(
RP=10 或
RS=5)與紅虛線(
RP=5
或RS=2.5)則為方法二的警戒條件；橘線為影片判釋之土石流前峰時間
根據表 3-3 方法一的結果，在敏督利颱風中，兩種
T
P與兩種T
S門四場數值中的最小值，其
T
P門檻值則如方法二的 1110 豪雨之值(圖 6的特徵。
透過萃取 10 秒間隔(重疊 50%)且 5-40 Hz 頻段的累積能量和累積 能量斜率指標值，本計畫以事件大於環境雜訊一個尺度的概念初步建 立警戒門檻值計算公式，並以固定式和浮動式兩種警戒門檻值的方法 探討此公式的適用性，其中固定式警戒門檻值容易受環境噪訊的影響 而誤觸警戒或無法警戒，但浮動式警戒門檻值卻能大大改善此問題，
並成功的在兩場事件中得到驗證，其誤差都在一個單位時間(5 秒)之 內。
雖然本計畫建立的浮動式警戒門檻值分析的都是愛玉子溪的土 石流事件，但地聲擺放位置、土石流發生時間、土石流的規模等都不 同，因此也間接證明此方法的可用性。未來若應用於現場監測站，因 為只需 5 秒回傳一個累積能量值即可進行後續計算，因此本計畫提出 的方法也可大大的壓縮地聲的回傳資料，減少傳輸負載量。