既有泥砂濃度觀測方法技術回顧與問題評析

傳統泥砂濃度量測技術方法主要可分為直接量測法及間接量測 等兩種方法，而直接取樣包括取樣瓶取樣與幫浦取樣法等兩種，但其 不易自動化、試體樣本易受擾動且耗費人力，無法在颱風或豪雨期間 即時反應現地泥砂之濃度。間接量測方法主要利用光學或音波等物理 性質與濁度之關係推估泥砂濃度，量測容易自動化，但其量測關係常 受泥砂粒徑大小、礦物成分組成等其他因素影響，因此量測時需針對 觀測目標特別標定。本節參考Wren et al. (2000) 及 Wren and Kuhnle (2002)所做各種含砂濃度量測的量測技術回顧，與 Campbell et al.

(2004)提出利用光纖透光度(Fiber optic In-stream Transmissometer, FIT) 之量測方法，並回顧張育嘉(2006)整理其操作原理與優缺點如下述所 示：

直接量測方法

(1)懸浮質取樣器(bottle sampling) 原理：

懸浮質取樣器為一最簡單之取樣方法，其目的在於希望能在 取樣器周圍混水中，取得較有代表性的樣本，以瞭解垂直或橫斷 面的懸移質濃度。而原理係採用取樣瓶置於水中進行取樣，取樣

器具如圖2.1所示，利用取樣瓶則需注意取樣瓶口之水流速度需 等同現地水中流速，否則其取樣之泥砂將不具現地代表性。為控 制瓶口之水流速度能與外界環境達到平衡狀態，已有許多整合性 之取樣裝置可進行使用。一般取樣瓶之操作準則，乃下降取樣瓶 至取樣深度之下約一倍取樣瓶高度之深度進行取樣，然後取樣順 序則由水底向上分層取樣。而採樣則須取回試驗室進行烘乾法或 秤重法求得泥沙濃度。

優點：

取樣瓶法具採樣之可靠性以及普遍性。累積式(integrated type)之取樣器可進行全深度量測。另外，取樣瓶法可作為所有泥 砂量測方法之標定參考。

限制：

取樣瓶在時域上之解析度差，且無法採用自動化方式，得需 以人工方式量測，時間及人力成本耗費極大，且試體可能因人為 擾動而失去代表性，無法確定量測之準確度。此外，人為取樣無 法連續觀測泥沙含量，不能有效反映大雨洪水、颱風時的現地狀 況。

圖2.1 各式取樣瓶 (2)幫浦取樣(pump sampling)

原理：

幫浦取樣利用真空原理進行取樣，通常幫浦之吸入口需面向 上游。如同取樣瓶法，使用幫浦取樣時，其吸入口之水流速度須 與現地水流速度相同。而取樣後之試體則於試驗室進行泥砂濃度 以及粒徑分佈試驗。

優點：

幫 浦 取 樣 提 供 一 可 靠 之 取 樣 法 ， 特 別 是 針 對 小 顆 粒 (<

0.062mm)之泥砂樣本。自動化幫浦取樣法可事先程式化，針對不 同時間與量測高程進行設定，以減少人為操作。一般可自動化商 業性產品可參考圖2. 2 所示。

限制：

與其他量測方法比較，幫浦取樣之時間域解析度較差，主要 由於幫浦取樣之過程耗時所導致。另外，試驗室分析將會增加其 量測費用。而取樣之泥砂顆粒尺寸會因為幫浦之取樣口於水中之 方位而有所變化。不過，目前之研究發現在取樣口之相對流速非 小於80％或非大於200％時，其取樣口方位所造成之泥砂濃度變 化不會超過20％。一般可自動化之取樣器其揚程僅有8 至9m，

得需利用沈水式幫浦以採取更深之泥砂樣本，但沈水式幫浦目前 仍無自動化。

圖2. 2 幫浦取樣器 間接量測方法

(1)聲波背散射法(acoustic backscatter methods)

原理：

聲波背散射法由傳感器發射一高頻(1-5 MHz)之聲波，透過聲 波進入水中感測。若水中之懸浮質屬於一均勻尺寸之顆粒材質，

則由反射回傳之聲波訊號(backscattered signal)可計算水中泥砂含 量濃度，量測方法如圖2. 3 所示。此方式所得到訊號之強度取決 於水中泥砂顆粒之大小及濃度；另外，聲納法可選擇不同頻率聲 波 以 探 測 不 同 尺 寸 之 泥 砂 顆 粒 。 但 當 使 用 高 頻 訊 號 時 ， backscattered 接收器之量測範圍約1-2 公尺，因此，當量測預定 深度大於2 公尺以上時，則其傳感器得需潛入水下進行探測。聲 波背散射法另有Range Gating 的量測方式，主要透過聲波回響之 反射時間探測不同深度之泥砂濃度，如圖2. 3 所示。

優點：

在所有泥砂濃度量測法中，聲波背散射提供了一非破壞式之 量測方法，並可進行垂直向之量測。而高時間(≒0.1 s)與高空間 (≒1 cm)之解析度，則可觀察擾動泥砂之運動狀況，以提供擾動 泥砂之運動機制之研究資訊。而一般傳統之取樣瓶或是幫浦取 樣，則無法提供即時之訊息。

限制：

建立聲波背散射法所擷取資料與泥砂濃度間之率定關係，是

相當困難且繁瑣，通常由室內標定泥砂濃度與量測訊號強度，以 建立其相對關係，但如何準備可供超音波背散射法標定的試體準 備設備是一件相當困難的工作。而在高泥砂濃度之狀況下，聲波 之衰減量將是一嚴重問題。因此在計算泥砂濃度時，必須考量其 訊號之衰減量，但考慮訊號衰減需要知道泥砂濃度(被量測的未 知數)，為克服這項問題，需假設在靠近接收器第一個range bin 內 的現地泥砂濃度，這項假設方法，會使得量測距離之增加而使量 測誤差擴大。

圖2. 3a) Acoustic backscatter method, b) Range gating method (Wren, et al. 2000)

(2)雷射束反射法(focused beam reflectance) 原理：

本方法使用一雷射束投射至水下小型取樣區塊(< 2μm2)並快 速旋轉，爾後水中之泥砂顆粒反射使部分之雷射束，如圖2-4 所 示。而從反射之時間走時，可計算顆粒之弦長(chord length)。此

量測結果通常用於計算水中泥砂之體積含量。

優點：

雷射束反射法不受到泥砂顆粒粒徑之影響。通常雷射訊源可 量測之泥砂顆粒粒徑範圍為1-1000μm，甚至粒徑超過1000μm 大 小之泥砂顆粒也可適用。而其泥砂濃度量測範圍為0.01 g/L 至50 g/L。此儀器重量輕，易於攜帶。且有許多現場量測之文獻報告 可提供參考。

限制：

若水中之泥砂顆粒不具反射效應，如高有機含量的顆粒，則 雷射束反射法之量測效果偏差。而在低泥砂濃度(0.001 g/L)之狀 況，雷射束反射法須較長之擷取時間。由於雷射束反射法中，泥 砂顆粒尺寸取決於顆粒之弦長，因此需事先假設顆粒之幾何形 狀。若泥砂顆粒幾何形狀不一，則會大幅影響其量測值。另外，

雷射束反射法屬於侵入式量測法，且其儀器成本昂貴。

Reflected Laser Beam

Laser Source/

Detector Laser Beam

Sediment Particle Reflected Laser Beam

Laser Source/

Detector Laser Beam

Sediment Particle

圖2. 4 雷射束反射法 (Wren, et al., 2000)

(3)雷射繞射法(Laser Diffraction) 原理：

此方法乃投射雷射束進入水中後，水中之懸浮顆粒將散射、

吸收或反射投射之雷射束，如圖2. 5 所示。而散射後之雷射將由 一多重元素偵像儀(multielement photodetector)所接收，而多重元 素偵像儀主要由環狀偵測器所組合，主要功用為量測雷射之散射 角度。而泥砂顆粒之粒徑則可藉由量測之散射角，透過Fraunhofer 近似公式或Lorenz-Mie 理論解計算得知。透過此方法可不受顆 粒粒徑之影響，然而需事先假設顆粒之密度。

優點：

由於雷射繞射法以量測泥砂顆粒粒徑大小為主，因此雷射繞 射法不受到泥砂顆粒粒徑之影響，也不受到泥砂組成成分之影 響。此方法也應用於量測水泥、巧克力或是微生物中顆粒粒徑大 小。另外，雷射繞射法也不受到泥砂顆粒之折射係數影響。

限制：

如同雷射束反射法，雷射繞射法之儀器成本也相當昂貴；而 其泥砂顆粒尺寸之量測限制約為250 μm，泥砂濃度量測範圍上限 為5 g/L。根據上述限制，若需量測較大尺寸之泥砂顆粒，其需較 長雷射之焦距。另外，由於多重元素偵像儀距需靠近雷射訊源，

故所能量測之空間範圍較小。而雷射繞射法本身屬於一高度技 術，因此需要專業訓練人員負責操作及資料分析。此外，雷射繞 射法之資料經過統計演算後，與泥砂濃度間並非為一對一之關 係，除非現地之泥砂顆粒分佈較為均勻，才可提供較好之量測結 果。

Sediment Partical

Laser Source

Laser Beam

Concentric Ring Detector Sediment Partical

Laser Source

Laser Beam

Concentric Ring Detector

圖2. 5 雷射繞射法 (Wren, et al., 2000)

(4)核能法(Nuclear Measurement) 原理：

核能法主要量測輻射之衰減或反射訊號。量測之儀器分為下 列三種形式：a)量測人為訊源之反射(backscatter)輻射、b)量測人 為訊源之穿透(transmission)輻射，以及 c)量測泥砂顆粒之自然輻 射。其中第一種方式乃採用一人造輻射訊源，將輻射投射至欲量 測試體中，而輻射接收器通常置於與訊源同一平面。而第二種方 法，其輻射接收器通常置於訊源對面，量測因通過濁水後之輻射

衰減量，並比對通過純水後之輻射衰減量。透過上述兩者之比 值，則可計算水中泥砂之含量。上述方法一般利用儀器內部之電 子模組，修正因水質溫度變化及輻射訊源能量衰減之影響。

優點：

此方法因耗能小，適於長時間之觀測。另外，此方法之泥砂 濃度量測範圍為50~12000 ppm，且不受到水的顏色或是水中生物 影響。

限制：

由於人造輻射源會自然衰減，因此需要時常替換輻射源。而 泥砂之化學成分為影響量測讀數之主因。另外，使用核能法之操 作需要具合格執照之專業人員。由於核能法本身之靈敏度限制，

此方法較適用高於1000 ppm之泥砂濃度。另一方面，現地水質本 身之化學成分不一，因此室內標定參數不能適用於現地量測結 果；而核能法因人造輻射源會自然衰減之關係，則需要定期性重 新標定量測儀器，故核能法之現地標定程式較為困難。而核能法 每次量測需費3-5 分鐘，因此核能法無法反應水中泥砂濃度之即 時變化。

(5)光學反射法(Optical Backscatter, OBS) 原理：

OBS 採用紅外線或是可見光直接投射於水中進行量測，而部 分 光 線 會 因 懸 浮 顆 粒 而 反 射 。OBS 透 過 數 組 光 電 二 極 管 (photodiode)量測反射之光線。接收之反射光線能量則用於計算 泥砂含量多寡(如圖

2. 6 所示)。OBS需於量測前對於已知濃度之

優點：

OBS 量測值與均質之泥砂濃度成一線性關係，且此一關係 可適用超過OBS 所能量測之泥砂濃度範圍極限。OBS 提供一高

OBS 量測值與均質之泥砂濃度成一線性關係，且此一關係 可適用超過OBS 所能量測之泥砂濃度範圍極限。OBS 提供一高