試驗配置與規劃 - 砂箱降雨模擬試驗 - 土壤電阻率與含水特性關係之探討

3.1 砂箱降雨模擬試驗

3.1.2 試驗配置與規劃

在砂箱試驗配置方面TDR 感測器由水平擺設如圖 3- 8所示改由垂直擺設如圖 3- 9所示， TDR 感測器以垂直方式，且左右對稱埋置於ERT 二邊測線旁，深度為表層下五公分。

ERT 測線佈設，為了減少 3D 效應的影響因此採用 3D 佈設方式，

測線為對稱矩形，電極棒數為 2*24 支，間距為 2 公分，探測深度為 12 公分，施測方式採用 Dipole-Dipole equatorial

在砂箱試驗配置方面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，且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。為了驗證地電阻的解析度，因此在降雨期間將會於雨水入滲深度到達四公分、八公分及十二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。

表 3 - 1 砂箱地電阻施測相關參數

電極間距 (cm) X 向：2cm，Y 向：2cm 電極數目 48 支

測線展距 (cm) X 向：2cm，Y 向：94cm 施測方式 Dipole-Dipole equatorial

圖 3- 7 砂箱試驗配置平面圖

圖 3- 8 砂箱儀器配置示意圖(TDR cone 平行擺設)

圖 3- 9 砂箱儀器配置示意圖(TDR cone 垂直擺設)

圖 3- 10 砂箱試驗儀器配置完成結果 3.2 砂箱試驗結果與討論

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，分別對含水量與導電度進行相關率定；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。

3.2.1 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。兩TDR cone感測器率定結果如圖 3- 11與圖 3- 12所示，率定β值分別為β1=0.1405、β2=0.17072，β為TDR感測器探頭形狀因數，圖中虛線為導電度值1:1 直線，資料點則為TDR率定所計算之導電度值，兩張圖的結果皆顯示出非常良好的對應關係，TDR 導電度值幾乎完整對應於實際導電度1:1 直線上，因此以兩TDR cone 感測器進行砂箱土壤的量測可得到相當準確的導電度，而再由其倒數即可推求電阻率

β₁=0.1405

β₂=0.17072

圖 3- 12 TDR 2 導電度率定結果 2.體積含水量量測率定

在利用率定模率定試驗土樣體積含水量與導電度基本率定關係的同時，藉由 TDR 感測器於不同含水量下量測土體導電度的過程中，由於含水量的變化亦會造成感測器波形走時之改變，因此對其 TDR 量測波形進行走時分析，來決定土壤不同含水狀態下的視介電度（Ka）值，再利用Ka平方根與體積含水量的線性關係(式 2-8)來率定相關待定參數。

由前期初探結果(姚奕全、2007)可知因本研究土樣的異向性並不明顯，對於TDR感測器在不同方向下之量測結果差異性不大，因此本試驗在率定方面將配合小型率定模之限制採用垂直之方向。TDR感測

器對不同體積含水量θ下所對應之Ka值平方根進行率定後，其結果如圖 3- 13所示。由圖 3- 13可知，其所迴歸出之率定曲線隨著體積含水量的提高， k_a亦逐漸上升，其趨勢具有一致之變化斜率，且迴歸線的R²值大於0.95 以上，趨近於 1，顯示資料迴歸結果相關性高。而所迴歸之率定係數a、b，如表 3-2 所示。

表 3 - 2 k_av.sθ 之率定係數垂直向

TDR cone a=1.0874，b=10.613

【註】 ^K^a ⁼^a⁺^b^θ

圖 3- 13 θ v.s k_a率定結果

3.2.2 砂箱模擬試驗結果

圖 3-14、圖 3- 15為砂箱試驗體積含水量與導電度的監測結果，

由圖 3-14的量測結果可知，兩TDR 感測器於土層中之初始含水量約等於0.06，當降雨開始後，進入試驗第一階段降雨溼潤(wetting)，在累積降雨約180 分鐘的濕潤過程中，兩土層位置的含水量明顯隨著降雨時間的增加而上升，當試驗時間到達 180 分鐘後降雨停止，此時含水量接近整體試驗過程的尖峰值，TDR cone1 尖峰含水量約 0.27，

TDR cone2 則接近 0.3。試驗第二階段則為自然乾燥(drying)，在降雨停止之後讓砂箱土壤自然乾燥至 91 小時，過程中兩土層位置的含水量值也隨著乾燥時間增加而逐漸遞減，當試驗結束時TDR cone1 的含水量值為 0.19 與TDR cone2 的含水量值為 0.21。整體而言兩位置的體積含水量變化皆與降雨歷時有非常一致的變化趨勢。

圖 3- 15則為砂箱試驗導電度的監測結果，兩TDR 感測器的初始導電度約 0(μs/cm)，當第一階段降雨濕潤(wetting)開始後，兩土層位置導電度隨著降雨時間增加而逐漸上升，在降雨停止之前，TDR cone1、TDR cone2 測得之導電度在約第 150 分鐘便提前出現尖峰值 158(μs/cm)與 198(μs/cm)，之後雖仍然在降雨中，但導電度卻逐漸降低，其變化趨勢與實際降雨停止情形有所出入。而在降雨停止後，試驗進入第二階段自然乾燥(drying)，此時兩位置土層的TDR感測器所

測得導電度隨乾燥時間越長，有緩慢下降的趨勢，試驗結束時TDR cone1 與TDR cone2 的導電度值分別約為 66(μs/cm)與 70(μs/cm)。由上述的導電度監測結果可知，導電度的變化趨勢有提前到達尖峰值，

且較不若體積含水量來得有一致性，根據吳瑋晉(2008)結論，初步研判應為TDR cone埋設深度不足所致。

圖 3- 17 TDR cone為垂直擺設與水平擺設所得之體積含水量與導電度監測資料共同比較，可發現TDR 量測所得之體積含水量與導電度於乾溼循環中有一明顯之遲滯現象產生，使得土壤由濕到乾以及乾到溼的迴歸結果會有某些程度的差異性，雖然將TDR cone 垂直擺設量測可將遲滯圈減小，但仍無法有效解決此一現象。

在砂箱地電阻影像方面，地電阻測線於降雨溼潤過程中於不同入滲深度（4、8、12cm）與乾燥過程中，觀測砂箱土壤之電阻率分布隨時間的變化情形，如圖 3- 18、圖 3- 19。砂箱試驗過程中，三維地電阻監測所得資料經相關反算軟體（EarthImager 3D ver.1.3.1

（AGI,2007），該軟體分析時已考慮砂箱邊界效應之影響）進行分析，

以獲得砂箱土壤真實的電阻率分佈，地電阻影像分析方面主要是截取 ERT 測線x=1cm 之長條形剖面，來觀察砂箱土壤的電阻率變化情況，其不同入滲深度所反算之結果與實際入滲過程側視照如圖 3- 18 所示。圖 3- 18最深入滲深度為 4cm 之結果可知，實際入滲情形並非

均勻，而地電阻反算之結果亦顯示電阻值由 350（ohm-m）之高電阻逐漸降低成200（ohm-m），深度約為3cm，其變化趨勢與入滲側視照相符；在最深入滲達 8cm 時，入滲區部份電阻值己降至 200

（ohm-m），深度約 7cm，其變化趨勢與入滲側視照相符；入滲深度 12cm之結果亦皆與實際入滲情形相符。

砂箱試驗後於自然乾燥階段，該階段所涵蓋時間較長，由整體砂箱試驗時間第 3 小時一直到 91 小時，因此各監測結果經分析整理後，

僅取 3 小時、24 小時、64 小時以及 91 小時等電阻率剖面差異相對較為顯著的四個時間點，來觀察地電阻法於砂箱試驗中的監測結果。圖 3- 19為x=1cm，於上述四個監測時間所得電阻率差異百分比剖面；由圖 3- 19，自 24 小時的剖面開始，於表層下z=8cm且y=0~35cm的剖面位置，電阻率有些微上升的趨勢，而隨著監測時間越長，該位置電阻率值漸增，且電阻率上升區域逐漸向外擴展；一直到 91 小時，深度 8cm 以下的剖面位置電阻率普遍上升，其中又以剖面位置y=0~20cm與 y=25~35cm處的電阻率上升變化較為顯著的區域。顯示砂箱試驗於乾燥過程中，z=8cm下方土壤電阻率變化較大，可能原因為砂箱下仍有 35 公分的入滲厚度，又入滲速度大於表面的蒸散速度，使的變化速率較為快速。

1 10 100 1000 10000 100000

time(min)

1 10 100 1000 10000 100000

time(min)

σ(μs/m)

cone1 cone2

圖 3- 15 砂箱試驗 TDR 量測結果導電度與時間之關係

TDR cone1 TDR cone2 calibration 線性 (calibration)

圖 3- 16 砂箱試驗 TDR cone 垂直擺設 σv.sθ 率定結果水平 calibration 垂直TDR2 cone2 垂直calibration 垂直TDR1

圖 3- 17 砂箱試驗 TDR cone 水平擺設 σv.sθ 率定結果

圖 3- 18 不同入滲深度電阻率分佈與入滲側照圖

圖 3- 19 不同入滲時間電阻率分佈圖

在文檔中土壤電阻率與含水特性關係之探討 (頁 75-0)