聲波都卜勒流速剖面儀觀測法

都卜勒微波雷達（ADCP）是利用聲學都普勒效應進行測流，換

能器（transmitter）發射出一定頻率的聲波射入水體中，當水體中之

散射子（即懸浮微粒子）以幾近於水體速度通過聲束時，呈運動狀態 之懸浮微粒子乃反射聲束，而呈現回聲（echo），此後向散射回波信 號會被 ADCP 接收，量得使該回波信號的頻率與發射的頻率之間産 生的頻差（如圖2-5所示），即都普勒頻移後，可推算測點流速值。

圖2-5 都卜勒測速原理

^{2 1}

1

( )

2 cos f f C

V f θ

− ⋅

= ⋅ （2-6）

式中，V 為水流速度，f₁、 f₂分別為發射晶體發射頻率與接收晶 體接收頻率，c 為音速，θ為發射超音波束與水流流向間之夾角。

基本上 ADCP 與傳統量測流速原理相同，但 ADCP 可在同一剖 面（垂向，不同深度） 量測多點之流速資料，故較傳統方法具備測 量時不擾動流場，耗時少，測速範圍大等優點。ADCP其可量測之水 深與其設計之聲波頻率高低有關，基本上，低頻穿透性較高，可測之 水體範圍較大；此外，因聲波傳遞遇水面或底床時會產生能量干擾，

一般干擾之範圍約為水深 10％，可利用聲波反射訊號之音噪比

（singnal / noise ratio）門檻值（threshold value）值之設定，以取捨具 可靠之流速值。一般而言，影響 ADCP 量測精率度之因素為：1. 都 普勒效應引致之頻率偏移之量測的準確性。2.音鼓間設計之夾角。3.

散射子速度與水流流速之差值。聲波都卜勒流速儀實測河川流速如圖 2-6所示（盧昭堯，2001）。

圖2-6 聲波都卜勒流速儀實測河川流速剖面之示意圖(盧昭堯，2001)

ADCP依其載具或安裝方式可分為下列幾種型式：

1. 船載式

船載式 ADCP 即 ADCP 安裝在測船上，此種量測方法特別適合 河口或湖泊等通水面積及水量大的的量測地點，當測船橫越測流斷面 時，利用超聲測深的原理，不斷測量水深。同時利用都普勒測速原理，

測得水體相應於測船之流速和測船相應於河床之運動速度，即船速由 此兩速度之向量差可得到水流之真實速度。測船的航跡通過船速和航

向計算而得，即可確定所測垂線之正確位置。此流速、船速、水深、

航向、垂線位置之數據由計算機在系統軟件控制下採集處理，並按一 定之流量計算方法算出流量。測量中每個垂線上之流速測量點間距可 以設置到1 公尺以下，測速垂線之間距可隨意設定，因此可測得精確 之流速分析。

2. 拖曳式

拖曳式 ADCP 為將 ADCP 放在小型載具中，利用人力拉動繩索 之方式，將 ADCP 移動，並利用 GPS 定位技術計算載具位置及移動 速度等資料，加以計算載具及水流之相對速度，進而計算水流速度，

使用拖曳式 ADCP 之量測結果與船載式 ADCP 相同。此種量測方式 適合斷面較小，水深較深，且低、中流速時量測。

3. 定點式

定點式 ADCP 為使用中斷面法，將斷面分為數條測線，再利用 ADCP。量測該測線子斷面之流速，因 ADCP可同時量測水深，故各 測線子斷面之流量可即時獲得。而目前軟體設定可依斷面寬規劃測線 數目，再決定各子斷面寬度，量測時ADCP會依設定之子斷面寬度，

量測該斷面之流速及水深。此種方法適用於中、高流量之河川量測，

但因 ADCP 對高含砂量之河川量測精度欠佳，故需選擇含砂量較低 之河川進行量測。

4. 側掃式

側掃式ADCP（Horizontal ADCP,H-ADCP）為橫向量測流速。圖

2-7為 H-ADCP流速量測原理示意圖，實務上係將H-ADCP之儀器安

置於岸邊之觀測柱架或棧橋墩座上水平上發射聲波，根據都普勒效應 測得該水層之流速分布，再依據指標流速法（velocity-index technique）

求流量值，再透過遠端儀器控制操作，達到自動化遙測之功能。當測 得經過欲量測斷面之流速剖面及通水面積後，由儀器整合之控制軟體 執行後端分析計算作業便可推算得流量。因儀器須固定且量測時須完 全浸入水中，故適合流量較穩定且斷面較規則之河川。

圖2-7 H-ADCP流速量測原理示意圖