第二章 文獻回顧
2.2 泥砂濃度量測電學方法
由前小節所述，於泥砂濃度量測現有技術方法有諸多的限制，無 法實際達到實際量測之需求，例如能兼顧低濃度與高濃度泥砂之量 測，故近年來學者紛紛研究並嘗試以電學方法作為量測，目前主要利 用 電 學 方 法 量 測 可 分 為 電 磁 波 時 域 反 射 法 (Time Domain Reflectometry，簡稱 TDR)及電容量測方法，因此分別於此節敘述此 兩種量測方法之優缺點及量測限制。
近年來由於先進監測技術的發展，因此將電磁波時域反射法用於 大地工程監測技術上，已有多項成果，而Starr (2005)將TDR 監測技 術應用於河床基底泥砂濃度量測上，其量測方法為使用三根長 55cm 不鏽鋼棒與2.5cm 厚之德爾林塑膠(Derlin®)所組成之探頭，並且分別 於流量為5、70 及 130 CMS 三個不同大小之洪水事件(如圖 2. 13 )所 示中，監測河流基底濃度之變化，其研究監測配置如圖2. 14。
實際監測結果如圖2. 15 所示，當感測器未做泥砂種類的標定時，量 測水砂混和物濃度之標準偏差約在 20 g/L 的範圍內，而當感測器完 全埋入河道0~2.5 cm 底泥材質時，量測標準偏差約在 200 g/L 之範 圍內。
除此之外，監測結果顯示在中、大規模洪水事件中，河床基底所 量得之濃度值高達 1500 到 1900 g/L 之間與試驗室率定有一良好相
關性，但在小洪水事件中，所量得得濃度值較大洪水事件稍低僅200 到800 g/L。
但若河床基底出現高濃度的現象時，研判可能為河床基底產生超 高濃度流，而這種現像是傳統儀器無法在河床基底可量測到的。由 Starr (2005)研究所提出之電學泥砂濃度量測技術，主要為解決高濃度 量測的技術，研究結果顯示當感測器埋在河床基底約 0~2cm，發現 大、中規模洪水事件，基底濃度從400 升至 1200 g/L 之間，且過流 量尖峰後，穩定在 1500 至 1900 g/L 之間，最後則又回到 400 升至 1200 g/L 間；小洪水歷時之濃度變化則僅約 200 至 800 g/L 之間，
這些結果吻合高濃度泥砂運移與河道侵蝕之關係。而其量測主要限 制，為在低濃度的環境中量測，以河川之泥砂濃度變化範圍考量，量 測誤差還是遠超過能容許的最大範圍；甚且其所研究對象為河床基底 超高濃度(甚至已快接近土壤含水狀態)，並不能代表河川或於蓄水設 施中懸浮濃度量測之參考。因此，若為滿足低濃度量測需求，則需再 作進一步研究。
圖2. 13 現地實際洪水事件(Starr, 2005)
圖 2. 14 TDR 監測儀器配置(Starr, 2005)
圖2. 15 (a)大洪水，(b)中洪水，(c)小洪水事件時河床基底濃度與洪水 流量關係 (Starr, 2005)
而Li et al. (2005)提出以電容方式量測含砂濃度，其方法主要利用 平板及圓柱型電容感測器，如圖2. 16 所示，當泥砂濃度增加時，Li 等 學者基於輸出之電流容量與濃度成正比關係之原理，施作相關影響試 驗來驗證電容感測器的效能。試驗測試所用之土樣分別為兩試驗場址 農田裡之表土與含砂較多之表土，其影響因子探討分為以下五種：(1) 泥砂濃度、(2)溫度影響、(3)水流速度、(4)土壤組構及(5)水質鹽度。
研究結果顯示：
(1)當泥砂濃度體積百分比≦70%及其密度在 0~1150 kg/m3 時，
所量得輸出之濃度與電容之關係有一線性良好相關性，如圖 2.
17 所示；當泥砂濃度體積百分比≧70%或其密度為 1150 kg/m3 時，結果將趨於非線性化。
(2)在相同濃度下，量測輸出結果隨著溫度升高而提高，但其線 性度稍差，如圖2. 18 所示。
(3)在水流流速 0~2 m/s 下，感測器量得結果並未受影響。
(4)土壤組構不同對量測結果影響非常小。
(5)水質鹽度會使所量得值升高，如圖 2. 19 所示，但發現當鹽度 濃度在小於0.2 %時，量測誤差約於±0.3 %，但若當鹽度濃度在 大於0.2 %時，則將使量測誤差上升約達到±1.1 %。
綜合上述測試結果，電容式泥砂濃度量測技術具有高濃度量測的
能力，但黏土和砂的粒徑大小會影響濃度之輸出結果及當在高濃度 (大於 70%)時，因沉澱物與水已經很難再流動，將導致無法量測；除 此之外，電容式泥砂濃度量測在低濃度量測時，其準確性不足等，因 此尚需進一步研究。
圖 2. 16 平板式與圓柱型電容 (Li et al., 2005)
圖2. 17 泥砂濃度(<70%)與電容輸出關係(a)平板式 (b)圓柱型 (Li et al., 2005)
圖2. 18 溫度影響電容輸出之關係 (a)平板式 (b)圓柱型 (Li et al., 2005)
圖2. 19 水質鹽度影響電容輸出之關係 (a)平板式 (b)圓柱型 (Li et al., 2005)