間接量測方法

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

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 2-3a 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2-3b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2-3 a) 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

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。

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。

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0.05-12 g/L，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1 g/L 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序較為困 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泥砂進行標定程序。

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 提供一高時域與空間域之解

輸出即時資料以提供相關參考使用。

限制：

光學反射法量測結果受到泥砂顆粒尺寸影響。在相同泥砂濃度但不 同泥砂顆粒尺寸之狀況下，其兩者泥砂濃度量測結果相差約十倍。而光 學反射法於小泥砂顆粒粒徑之量測具有較高之靈敏度；通常20 μm 至 50 μm 之泥砂顆粒尺寸變化下，其量測值(V/(g/L))變化達 70％，而 200 μm 至400 μm 之變化時，其量測值變化為 30％。一般光學反射法適用於均勻 之泥砂顆粒粒徑或是其粒徑維持在200-400 μm 範圍內。

圖 2-6 Optical Backscatter, OBS (D&A Instrument Company)

(6)光學穿透法(Optical Transmission) 原理：

如同OBS 法，光學穿透法也是直接將光源投射至水中進行量測。而 水中之泥砂顆粒將部分吸收或反射其光線。而光線接收器將置於光源之 對面以量測光線之衰減量。透過事先的標定程序，則可了解量測衰減量

於泥砂濃度之關係。

優點：

光學穿透法承繼OBS 之多項優點，尤其是在低濃度之狀況，光學穿 透法提供了比OBS 更為精確之解析度。同樣地，光學穿透法之儀器也模 組已經大量商業化。

限制：

光學穿透法如同OBS 也面臨相同之量測問題，但泥砂顆粒粒徑之影 響較OBS 小，而泥砂顆粒之折射係數亦會影響其量測結果。光學穿透法 之量測讀數與泥砂濃度間並非成一線性關係，在濃度量測範圍上限時，

很大的泥砂濃度改變僅會造成儀器訊號輸出很小的改變量，可採用較短 之光學傳輸路徑以修正上述之問題，但水流的干擾較大。若遇到泥砂含 量之變化量較大時，需採用多組光學穿法儀器進行量測。

(7)遙測光譜反射法 原理：

光譜反射法主要量測經由水中泥砂顆粒所反射之紅外線或是可見 光，如圖 2-7 所示。光輻射經由攜帶式、空照式或是衛星式之光譜儀 (spectrometer)量測。而泥砂濃度與反射光輻之關係取決於泥砂顆粒之光學 性質、感測器接收角度、日照最高點角度以及量測之空間解析度。

優點：

光譜反射法能進行大範圍地域之量測，而且能持續觀察大範圍地域 之變化，特別是高泥砂濃度或侵蝕淘刷等問題之觀察，可提供需進行沖 蝕防制工作的重點區域。

限制：

通常增加0.05 g/L 之泥砂含量，光譜反射法量測之反射量僅增加約 1

％，但是感測器因外來光源、水位或是大氣影響之誤差量則大於1％。而 光譜反射法因受到泥砂組成礦物成分之影響甚大，因此在泥砂組成成分 未明狀況下，所量測之泥砂濃度具有相當大之誤差。另一方面，光譜反 射法也受到泥砂顆粒尺寸之影響。

圖2-7 遙測光譜反射法 (Wren, et al., 2000)

(8)光纖透光度法(Fiber optic In-stream Transmissometer, FIT)

Campbell, et al. (2004)提出光纖透光度法，主要利用光纖製成之感測 器，由一端利用 LED 輸入強光，再由感測器之另一端利用影像偵測器 (Photodetector)記錄其接收到的光源衰減強度，如圖 2-8 所示。此方式所 得到訊號之強度取決於水中泥砂種類及顆粒之大小，當泥砂濃度升高或 顆粒粒徑越大，將使訊號有明顯程度衰減。

優點：

光纖透光度法量測範圍約從 0~10 g/L，可兼顧低濃度與高濃度，相 較現有光學濁度計量測範圍較大，且若能經由標定之修正，可量測渾水 濃度之顆粒徑大小最大可至 710 μm 最小至 45 μm，亦可達到即時監測 用；且此法可透過調整光學的路徑長(optical pathlength)或改變光源之強 度，便可以較低的儀器成本來增加其量測效能，。

限制：

此法量測效能僅於室內試驗室測試，尚未應用於現地監測用；且其 量測系統受懸浮粒子粒徑影響大，若使用於現地量測時，則需加入精密

此法量測效能僅於室內試驗室測試，尚未應用於現地監測用；且其 量測系統受懸浮粒子粒徑影響大，若使用於現地量測時，則需加入精密