試驗含砂水流濃度控制

含泥砂水流沖蝕試驗中，於水槽加入定量粒料，藉由水槽循環管路，

將含砂水流導入試驗段使試體表面受懸浮載侵蝕。由試驗水槽水量及加入 粒料重量可以得知試驗水槽內濃度(ppm)，為求更加準確得知通過水平試驗 段之管流濃度，則在試驗水槽內試驗段入水端(污物泵浦上方)及出水端(試 驗段出水口)設置為濃度量測位置，以驗證試驗水槽內泥砂濃度以及經過試 驗段之水流泥砂濃度是否均勻。本試驗以時域反射法(TDR)及比重瓶量測法 試驗水流濃度，以下為兩種量測方法介紹，下圖 3-11 為試驗水槽濃度量測 位置。

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圖3-11 水槽濃度量測位置

(紅色方框為濃度量測位置，藍色方框為污物泵浦)

比重瓶量測法量測作業程序(北水局，2006)

將利用比重瓶以秤重法之標準試驗程序如下列所示：

1. 先量測比重瓶空瓶（含瓶蓋）重量，並記錄於計算表中。

2. 將清水加入比重瓶至淹沒瓶口，蓋上比重瓶口蓋，排出多於水量（注

意瓶中應無氣泡存在），用吸水抹布將瓶身擦乾，爾後量測比重瓶與 清水（含瓶蓋）重量，並以溫度計記錄清水溫度。

3. 將取樣瓶中取得水樣均勻搖晃，使水樣無泥砂沈澱現象。

4. 使用塑膠漏斗將水樣緩緩倒入比重瓶內至淹沒瓶口，蓋上比重瓶口 蓋，排出多於水量（注意瓶中應無氣泡存在），並用吸水抹布將瓶身 擦乾。

5. 量測渾水加瓶（含瓶蓋）重，並記錄渾水溫度。

6. 將量測所得資料分別記錄於計算表內，即可求得泥砂體積比 SS 及泥

砂濃度ppm。

注意事項：

1. 秤重時，讀數需最少需達 0.01g。

2. 溫度量測精度至少需達 0.1℃。

3. 秤重儀器是否已經校正歸零。

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+ (g) (°c) (Gs)

( 1000cc)

+ (g) (°c)

(g)

(θs)

( )

( 1000cc)

(γ ) (W )

(W )

(ppm)

圖3-12比重瓶量測法量測濃度流程圖(北水局，2006)

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圖3-13比重瓶量測法量測濃度儀器

圖3-14含泥砂水秤重量測濃度 比重瓶量測法濃度計算流程

將試驗流程所取得之參數，分別記錄於觀測記錄手算表中，並利用手 算表中之公式，進行當次取樣濃度之計算。

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TDR(時域反射法)濃度量測(林志平，2006)

為了解泥砂運移的機制，泥砂觀測必須具備足夠的空間與時間解析 度，目前較容易取得之商業化可自動化含砂濃度觀測技術主要有光學、音 波、雷射等三大類，光學式受泥砂顏色與粒徑及其散射角度的影響大；由 於一般泥砂粒徑遠小於超音波之波長，單顆粒之超音波散射量與顆粒粒徑 三次方有關，因此超音波儀器受泥砂粒徑之影響極大，林志平(2008)團隊曾 針對石門水庫底泥、矽澡土、交大紅土、矽粉比較光學式與超音波儀器之 含砂濃度率定關係，結果顯示兩種方法受泥砂粒徑的影響很大，尤其是超 音波儀器對泥砂粒徑特別敏感；雷射繞射法不受泥砂粒徑的影響，但雷射 儀器昂貴，且量測範圍有限。現有商業化儀器量測值易受懸浮質粒徑的影 響且其量測範圍太小，無法滿足粒徑隨時間而變化且濃度變化範圍大的環 境，例如台灣的河川與水庫的環境。

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Optical (光學式) 100~5000ppm 之間

受顆粒顏色與粒

SuperSonic (超音波法)

1000~5000ppm 之間

受感測器尺寸、 diffraction)

利用雷射之折射 5000ppm

量測靈敏度高，量測

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利用透射或反射 500-12000ppm

取決於核能法本身之 (Differential pressure）

利用兩個壓力計 65,000ppm

易受溫度、水流 (Capacitance)

輸出之電流容量

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本研究選擇使用時域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR）

含砂濃度的量測方式，時域反射法利用置於水面上的時域反射儀探測 置於水面下的感應導波器，TDR 儀器發射一電磁方波並接收反射訊 號（如圖3-17），TDR 反射波形在感應導波器中之走時與含砂濃度具 有良好線性關係，可藉以推估懸浮質濃度。TDR 含砂濃度感測器與 典型的量測波形如圖3-18(b)所示。利用反曲點走時分析方法，量測 結果不受水質導電度的影響。溫度雖然會影響水的電磁波速，進而影 響含砂濃度的推估，但可經由溫度感測進行補償修正。

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圖3-15時域反射法示意圖(林志平，2006)

圖3-16(a)新式TDR含砂濃度感測器(b)典型TDR量測波形

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Traveltime, ns Open-end Shorted-end

Dual tangent line

t0 t

Apex of the derivative

 for tangent line method Time mark

 for derivative method

圖3-17 TDR走時分析方法(林志平，2006)

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下Stop scan停止查詢 按下望遠鏡查詢後,會出現 一對話框,按下“OK＂即可

如5秒內查詢不到,即可按 下Stop scan,換查下一個

COM

進入畫面後,選取TDR COM，並輸 入參數Vp=1,Average=4,Points=2 048，Start & Length,先輸入大概長 度

測量完畢後，在Probe Length(m)即為L長度,並紀 錄數值

在T1&T2輸入200、800、

1200、2000，即Wave Number 輸入10筆取平均值後，按下L Calibration

在Temp COM,選擇溫度計的COM，在AO output,輸入2.5，按下Set AO out，

即可在Temperature(oC),看到測量後 的溫度

按下Get Waveform後,會出 現一波形,截取其下降段，

找出其Start & Length (SSC-Length固定為4)

持續紀錄數據5筆，其數據 相差正負0.2mm，即為精確

L值 在Wave Number先輸入100 後,按下Get Waveform 讓TDR先打100筆資料熱機

不OK 可微調L值，L相差0.1mm ppm則差1200ppm上下 START

OK

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圖3-18 量測濃度步驟流程圖(基能科技)

圖3-19 時域反射法(TDR)量測濃度之試驗儀器配置圖

圖3-20 不同形式 TDR 濃度感測器 電源供應

小型電腦主機 TDR 主機 TDR 感測器連接線

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