高濁度原水的影響

由於台灣屬海島型氣候，東部山區豐水期的雨量豐沛，為確保民生和 工業用水穩定，現已興建水壩蓄水予以因應。但隨人口逐漸增加及產業 日漸發達，對於用水量和用水品質的要求逐漸提升，過去一些水利設施 設計與水壩蓄水量已不足以滿足現今需要。加上，近年來氣候變遷異常 和板塊運動頻繁下，地震導致土石鬆動，使得山區在大雨沖刷後山禿狀 況日顯嚴重，尤其在每年夏秋時，颱風盛行伴隨著豐沛雨量，夾帶大量 土石不僅釀成山崩破壞道路，更導致土石泥濘流入水壩，使得水壩內原 水濁度急遽上升。因此，將使得高濁度原水造成壩口發電機組的損壞，

不僅設備需停機修護得花上一筆極大費用外，更造成民生與工業用電上 的供應損失。圖 2-1 為東部奇萊山區山禿、落石嚴重情景。

(a) (b)

(c) (d)

圖 2-1：東部山區路段崩塌狀況。其中(a)為嚴重山禿情景，(b) (c)為山禿現象危及 路面崩塌場景，(d)呈現山區雨後落石崩落壓毀護欄情況。

由圖 2-1(a)可觀察到，因地震導致山禿嚴重，若颱風帶來豐沛雨量

(a) (b) (c)

(d) (e) (f) 圖 2-2：不同水質濁度與雷射光散射的變化。由左至右為低(a)(d)、中(b)(e)、高(c)(f)

濁度；由上而下為綠色(a)(b)(c)、紅色(d)(e)(f)雷射光源。

在圖 2-3，透過不同濁度的水漾與日光燈的影響，加以雷射光照射水 面，觀察水面有何不同程度的光散射變化，如圖 2-3(a)為較不混濁的水 漾，所呈現光散射影像較為擴散；而圖 2-3(b)則為較混濁的水質，可看 出其光散射較為收斂；其中若加以日光燈模擬太陽光照射水面可以發 現，其水面上的擴散影像是有所變化的，如圖 2-3(c)濁度與圖 2-3(a)相 同情況下散射程度較為收斂，同理，圖 2-3(d)與圖 2-3(b)在相同濁度下，

亦呈現擴散影像較收斂情況。

(a) (b)

(c) (d) 圖 2-3：不同水質濁度與日光干擾時，雷射光照射水面的擴散影響變化。其中(a)低

濁度、無日光干擾，(b)高濁度、無日光干擾，(c) 低濁度、有日光干擾，(d) 高濁 度、有日光干擾。

透過圖 2-2 與圖 2-3 可發現，水面場型的擴散變化，除了隨著不同濁 度而有所差異外，由於外照光線的干擾，在場型變化上也有所影響。尤 其在，隨著時間有不固定照度的太陽光下，將造成擴散場型，隨著日照 強度的不同而有所變化，使得在影像處理上無法收斂與分析。因此，我 們在檢測環境的選擇上，將盡可能避免在有日照干擾的環性下取樣分析。

2.2 天長壩環境資訊

由於台灣位置處於亞熱帶區域，夏秋兩季颱風常帶來的連日豪大雨，

使得水災發生頻繁，若能做好山區水土保持，有效儲存豐沛雨水不但可 以大大降低災害發生，也可以藉此蓄水發電，達到災害預防和水資源的 充份利用。在本節中，藉由台灣東部發電廠，位於奇萊山的天長壩集水 區，介紹其壩口閘門控制資訊、集水區水質狀況及檢測環境的選擇，藉 此進行檢測系統的評估。

2.2.1 引水閘門資訊

天長壩位於奇萊山區海拔一三四 0 公尺，為台電東部發電廠的取水壩 口之一。如圖 2-4 所示，藉由此山脊形成的集水區將水引進入壩口的取 水閘門，然而水道匯集各支流於蓄水池，利用水位落差產生動力，配合 發電機組進行發電。然而天長壩口主要機組有攔(排)砂閘門機組、取水 閘門機組和備用發電機組，其作用在當山區水源濁度過高時取水閘門為 全閉，即不取水狀態；其攔(排)砂閘門則是清理取水口砂石淤積的重要 閘門，約半個月清理一次；此外，若山區因山崩造成斷電時，備用發電 機房將提供水閘門動力供應，由現場台電巡守員依情況手動開閉閘門。

圖 2-4：為天長壩全景圖。其中黃色實線部分為取水閘門全閉，非取水時水流行進方 向；黃色虛線為取水閘門全開，壩口取水水道的引水方向。

天長壩口 備用發電機房

引水道路口

天長壩口閘門控制，如圖 2-5(a)為閘門控制箱與取水閘門機組，圖 2-5(b)為取水閘門，當原水濁度低於可發電標準值時(以人眼目視判定) 此閘門開啟，把水引進水道；由於取水閘門經流水沖刷，常有沙石、木 頭或動物屍體堵住閘門情況，此時圖 2-5(c)所示排沙閘門機組開啟，淤 積於取水口的沙石由此排沙口排出，如圖 2-5(d) 。

(a) (b)

(c) (d)

圖 2-5：天長壩閘門運作。其中(a)為取水閘門控制機組與取水、排沙閘門的控制箱，

(b)為取水閘門和排沙閘門，(c)為排沙閘門控制機組，(d)排沙閘門開啟時，所淤積 的砂石由此壩口排出。

下游發電廠的發電機組運作與否，取決於原水的濁度，若符合發電條 件時，取水閘門開啟將水引入水道，如圖 2-6 為天長壩引水道資訊，由 於水道內無光源干擾，極適合做光散射分析之研究。

閘門控制箱 取水閘門機組

排沙閘門 取水閘門

(a) (b)

(c) (d) 圖 2-6：天長壩引水道資訊。其中(a)為引水道入口，(b)與(c)為引水道外觀，(d)

為引水道取水情景。

2.2.2 天長壩口水質資訊

壩口集水區在多日大雨後，原水濁度常伴隨著懸浮固體的增加而升 高，如圖 2-7 中，則呈現不同濁度下的水質狀況。在圖 2-7(a)與(b)中，

為連日未雨的清澈水質；圖 2-7(c)與(d)為陣雨後稍微混濁的水質狀況；

圖 2-7(e)與(f)則為連日大雨後，嚴重混濁的水質狀況。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f) 圖 2-7：呈現不同原水濁度下的水質資訊。(a)與(b)為清澈水質，(c)與(d)為輕微混

濁水質，(e)與(f)嚴重混濁水質。

2.2.3 檢測環境選擇

在檢測環境部分，因光訊號分析較容易受日光影響，所以在環境選擇 方面將盡可能選擇較無光線干擾的檢測環境。如圖 2-8 為遙測式與浸入式 檢測所選擇的系統架設點，圖 2-8(a)與(b)為天長壩口的引水道束井，其高

築物內，所以受日光干擾小，加上在遙測式設備上的安裝與校正，有不 需水壩停止取水即可作業的便利性，相較於引水道內的作業環境，較適 合做遙測式光訊號分析；而圖 2-8(c)與(d)為引水道入口內的水道環境，因 水道內無任何光線，且浸入式檢測設備需直接固定於水面下，所以選定 此處做浸入式水濁度的光訊號分析。

(a) (b)

(c) (d) 圖 2-8：為遙測式與浸入式檢測系統的架設地點。(a)為天長壩口的引水道束井，(b)

為引水道束井俯視圖，(c)引水道內取水環境情景，(d) 引水道內停水環境情景。

浸入式系統 設備架設點 遙測型系統

設備架設點

2.3 檢測設備

2.3.1 浸入式檢測設備

此系統檢測設備包括：綜合性雷射/電流表模組、塑膠光纜和沉水盒。

如圖 2-9 所示，為一浸入式系統設備的檢測方式，而圖 2-9 中(a)為綜合性 雷射/電流表模組，經由此模組來選擇不同雷射(綠、紅)的開關。為避免 懸浮物質沉澱影響實驗判斷，故加以改良以循環的儲水設備來增加水的 流動性，以模擬較為均勻混濁之儲水環境來進行檢測，如圖 2-10 所示，

為一實驗室檢測設備環境架構圖，而圖 2-10 中由(a)抽水馬達將水往高處 儲水箱抽，由圖 2-10 中的(b)流下依此循環，為了避免檢測時光的反射特 性，我們將較高處的儲水箱內部塗成黑色來降低光的反射效應。

圖 2-9：簡易浸入式設備的檢測方式。(a)為綜合性模組，(b)為塑膠光纜，(c)為沉 水盒。

圖 2-10：實驗室檢測設備環境架構圖。(a)為抽水馬達，(b)為出水口。

2.3.2 非浸入式檢測設備

在非浸入式檢測設備中：包括 300mW 的高功率雷射(紅、綠各一組) 及 Sony 高感光類單眼相機，如圖 2-11 所示。我們將相機在錄製前，與欲 拍攝的上層儲水箱垂直固定焦距後，將高功率雷射垂直照射上層儲水箱 水面，並錄製其水面場型的擴散變化情形。圖 2-12 為非浸入式檢測設備 的環境架構圖，實記錄製時雷射與相機需與水面垂直。

(a)

(b)

(a) (b) 圖 2-11：非浸入式設備。(a)為高功率雷射筆，(b)高感光類單眼相機。

圖 2-12：非浸入式檢測設備環境架構圖。

在本節中，透過對於用水濁度的標準，了解高濁度原水對於電廠發電 可能造成的損壞，無論是在修復機組的花費或發電供應上將造成莫大的 損失。因此發電廠對於原水濁度的監控相當重視，所以才將壩口的水質 濁度檢測作為取水判斷的重要依據，不僅可從遠端就能及時回報控制中 心壩口原水濁度狀況，若搭配遠端遙控閘門的開閉系統，更能預防高濁 度取水引起發電作業的損失。經由不同程度原水濁度的光散射特性中，

發現可利用此特性進行簡易的濁度判斷，若加以改良檢測系統的設計，

將能達到壩口及時原水濁度的監控，進而預防災害發生與設備損失。

最後在原水濁度檢測系統設計中，將提出以下兩種檢測方法做為整個 原水濁度檢測的主要判斷依據。

雷射光源透過光纜測量於水面下光穿透能量之侵入式光訊號散 射分析法。

雷射光源照射水面計算不同光譜於水面上場型變化之遙測型多 頻譜信號場型分析法。

第三章 識別原理與系統架構

本章將提出兩種水質檢測技術，分別為浸入式光信號散射分析技術、

以及遙測型多頻譜信號場型分析技術，作為水濁度檢測的判斷依據，藉 由這兩種分析原理套用到天長壩上，此壩口為花蓮東部水力發電廠山區 的其中一座引水壩。經由幾次的場勘後，我們將兩種檢測技術依實際壩 口的環境，設計一套整合性的原水濁度檢測系統，與目前透過下游控制 中心採取檢體分析原水濁度的方法，更具有低成本和即時反應取水壩口 濁度狀況的特性。而此系統將經由光纖網路骨幹，把判斷結果傳回控制 中心，藉此即時資訊來決定遠端壩口取水閘門開閉的依據，達成預防高 濁度取水引起發電設備損毀的目的。

3.1 設計理念

在本節中，我們利用光在不同介質中具有相異散射的特性，依散射光 的強度與水面散射光的場型變化進行分析，並探討於不同環境下系統參 數的校正，據此設計一套架構於天長壩的原水濁度檢測系統，以達到壩 口濁度監測的功效。

3.1.1 侵入式光訊號散射分析法

吾人採用光纜傳輸接收模組，作為水體檢測的工具，由於水體對於不 同波段的光譜具有不同的吸收、散射等效應，故設計以光纜將光訊號傳 輸於水面下之沉水盒，在水面下形成一半開放式的檢測區間，當水體通 過其間時，藉由匹配過的光耦合電路，在迴路末端檢測並分析接收到的

吾人採用光纜傳輸接收模組，作為水體檢測的工具，由於水體對於不 同波段的光譜具有不同的吸收、散射等效應，故設計以光纜將光訊號傳 輸於水面下之沉水盒，在水面下形成一半開放式的檢測區間，當水體通 過其間時，藉由匹配過的光耦合電路，在迴路末端檢測並分析接收到的