頻率域相位速度分析法量測含砂濃度影響因子探討

由於頻率域相位速度分析法目前僅進行數值模擬的研究，尚未針 對此方法進行影響因子的探討，於是本研究將針對此方法進行實驗討 論影響因子。第一部份是針對感測器的長度及型態做討論，第二部份 則是針對纜線長度進行探討，決定感測器形式及影響因素之後再進行 實驗室含砂濃度實驗討論感測器的適用性，最後則是現場實測評估。

3.2.1 TDR 感測器設計

TDR 感測器屬於侵入式量測技術，必須將感測器放入水中進行 感測動作，雖然目前現有的70cm 及 45 cm 開放式感測器在實驗室測 試能有良好的量測結果，但根據目前現場的觀測經驗，TDR 泥砂濃 度感測器(包含感測器與溫度計)容易因受外物撞擊損壞，或是常有異 物(如石塊或雜草)纏繞干擾而誤判量測資料，或是可能因侵入式感測 器使得流場改變，影響量測代表性與穩度性，以上的實務量測問題，

可能需從感測器本身型式外表進行改良方能避免。

本研究希望能以室內實驗驗證，在不影響量測精度下，嘗試將

TDR 感測器由兩方面進行改善。第一是減短 TDR 感測器之長度，可 能利用新式分析方法，大幅減少 TDR 感測器外露長度，使得外物不 容易撞擊或纏繞，也可能減少對流場干擾。第二是將原有三根探針形 式，轉換成同軸式，盡可能減少外物撞擊損壞以及異物纏繞干擾。

以上兩種改善方案將利用鹽度影響試驗與含砂濃度率定試驗結 果加以評估，以瞭解並驗證其可行性。

3.2.2 水質鹽度影響試驗

水庫或現地河川之水質鹽度或導電度有一定變化範圍，前期的走 時分析方法，主要是利用走時分析以求得渾水介電度，但時間域的分 析容易受到外在雜訊或系統穩定性影響，使得量測資料穩定性不佳。

因此本研究希望以頻率域相位速度分析方法，在此方法不受外在雜訊 或走時偏差影響之下，進行鹽度試驗，在 0 ppm 無泥砂之純水環境下 進行不同型式與長度的感測器對於導電度影響之評估。

3.2.3 纜線電阻影響試驗

由於現地觀測需利用接續纜線以連接感測器，Lin et al. (2007b) 指出一般利用TDR 走時分析得到介電度均可能受到纜線長度（電阻）

影響。前期研究證實基於改良走時方法並使 TDR 系統參數均獨自標 定，則可去除纜線電阻影響。此一特點對於現地儀器架設以及標定過

程，可減少不同感測器之泥砂率定過程，僅需要標定各感測器之TDR 系統參數，在效率上有顯著助益。

基於上述理念，本研究將針對新式頻率域相位速度分析法，驗證 纜線電阻是否為影響量測準確度之影響因素，以開放式感測器及同軸 感測器為基準，測試不同長度纜線下在 0 ppm 的純水中不同鹽度範圍 的量測結果。

3.2.4 含砂濃度率定試驗評估

一般河川內泥砂土壤來源不同，主要泥砂組成差異在於礦物及其 粒徑大小，若水砂混合物係由不同土壤種類組成時，可能影響電學量 測結果。目前利用2.4 節敘述之新式走時分析方法，已證實不受土壤 粒徑影響，土壤礦物成分差異造成之量測誤差則在 15%以內(如

圖 2.31所示)，遠小於現有量測儀器(如光學及超音波)量測受土壤種類之

而為驗證新式頻率域相位速度分析法於泥砂率定及其泥砂種類 影響，本研究選擇以石門水庫沉澱池之細料粉土(Shihmen clay) 以及 矽砂土(Silica silt)為材料，其泥砂粒徑分佈曲線如圖

3. 1所示。

實驗流程為採用固定量的自來水，其導電度為 400(μS/cm)，加入 不同濃度(ppm)之砂土，分別量測不同濃度狀態之 TDR 波形及對應之 電學性質，除了討論頻率域相位速度分析法之適用性之外，也針對感

測器量測效能進行討論。

100 10 1 0.1 0.01 0.001

Particel size D (mm) 0

Shihmen clay (Gs = 2.73) Silica silt (Gs = 2.67)

U. S. Standard Sieves Hydrometer

Gravel Coarse

Sand Medium Sand Fine Sand Silt Size Clay Size ASTM

泥砂量測的準確性。