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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

應用微波雷達表面流速儀建置自動化水位流量 站之研究-以頭前溪中正橋為例

系 所 別:土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名:E09504001 陳世財 指導教授:林 文 欽 博 士

中華民國 九十七 年 八 月

(2)

誌 誌 誌 誌謝 謝 謝 謝

在二年研究所的求學歷程,首先感謝恩師 林文欽博士,無論在 論文的撰寫或課堂上的傳授,均蒙恩師細心教導,使我獲益良多,學 生之論文得以順利撰寫完成,在此向恩師致上最高的敬意。亦感謝口 試委員對學生之論文給予指正並提供寶貴的意見,在此對臺灣大學的 林國峰博士及本校的 徐增興博士致上最深的謝意。

由於論文需現場量測流量資料,感謝成功大學朱副組長木壽之團 隊及水利署第二河川局吳課長益裕、徐治民、楊明饒等同仁於颱風期 間鼎力協助測水,同時也感謝美雯及同窗修業的同學在學業上、生活 上的切磋與鼓勵,讓我心無旁鶩的順利完成學業。

最後,要感謝我的內人月娥及女兒宜君、宜暄,感謝你們對我 的支持與鼓勵,讓我無後顧之憂的順利完成學業,你們的關心與愛心 是我最大的動力及精神支柱。謹此,將本論文完成的喜悅、成果與榮 耀獻給我最愛的親人、恩師與朋友。

陳世財 謹誌 九十七年八月 於新竹中華大學

(3)

摘要 摘要 摘要 摘要

水利工程及水文分析皆需要河川流量實測資料;諸如,各防洪工 程設計、河川環境規劃及水資源利用調配…等等問題。但往往在流量 量測的過程中,遭遇極大的困難,除考量天候、地形及交通上之限制 外,亦須考量儀器維修與工作人員的安全。此外,台灣地區因水文特 性不易掌握,如河川坡陡流急、洪枯流量差異大,加以河道底床沖淤 變化劇烈等,促使流量觀測方式倍增困難,因此,各種適用於台灣河 川自動化測量之研究因應而生。

河川流量量測方式可分為直接量測與間接量測。直接量測主要係 利用量水儀器量測河川流速與水深,進而估算平均流速與斷面通水面 積。而間接量測係於不沖不淤之斷面中,構築量水結構物如堰、閘門 或固定渠道等加以量測流速及水深,經由建立水位-流量率定曲線關 係、並透過水位的量測再估算流量。流速量測之儀器包含傳統的螺旋 流速儀、電磁流速儀及浮標法等。河川斷面通水面積的量測,依據資 料取得方式可分為直接儀器量測與間接推估兩種。一般的直接量測所 使用的工具包含測繩、測桿及聲波測深儀等方法。量測時由橋上、測 量船上,或是架設索道,依河寬大小,分段量測各斷面的水深,再計 算各段面之通水面積。

本文以為微波雷達表面流速儀進行實地量測,含表面流速、平均 流速與水深量測,進而推估流量。本研究主要係採經濟部水利署於頭 前溪中正大橋下游建置自動化水位流量站為研究站址,搭配現地之流 量觀測作業,以進行量測資料分析與比較。預期未來能將此觀測法實 際應用於第一線之觀測工作,並減少量測的困難度、提高施作人員的 安全性、以及增加量測資料之可信度。

關鍵字:微波雷達、流量量測

(4)

目錄 目錄 目錄 目錄

誌謝... I 摘要...II 目錄...III 表目錄...V 圖目錄... VI 照片目錄...VIII 附表目錄... IX 符號說明表...X

第一章 導論...1

1.1 研究背景與目的...1

1.2 文獻回顧...3

1.3 研究內容與架構...7

第二章 現行河川流量量測方式與面臨問題 ...10

2.1 河川水位流量觀測之目的 ...10

2.2 現行河川流量量測方式 ...10

2.2.1 水位流量率定曲線法...11

2.2.2 人工斷面積流速測量法...11

2.2.3 控制斷面流量量測法...18

2.2.4 聲波都卜勒流速剖面儀觀測法 ...19

2.2.5 微波雷達表面流速量測法...23

2.3 河川流量量測方法比較 ...24

2.4 流量觀測面臨之問題...27

(5)

第三章 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 ...28

3.1 天然河川自動化水位流量站站址選擇 ...28

3.2 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 ...29

3.3 平均流速及水深與表面流速之關係 ...37

第四章 頭前溪流量量測之結果與分析 ...44

4.1 中正橋水位量測與流量推估 ...44

4.2 低水位流量量測之成果分析 ...48

4.2.1 浮標法與人工涉水量測...48

4.2.2 水深量測成果分析與比較...49

4.2.3 流速量測成果分析與比較...50

4.2.4 流量量測成果比較與誤差來源分析探討 ...51

4.3 高水位流量量測之成果分析 ...52

4.3.1 浮標法與自動化水位流量量測流量 ...52

4.3.2 水深量測成果分析與比較...53

4.3.3 流速量測成果分析與比較...54

4.3.4 流量量測成果比較與誤差來源分析探討 ...56

4.4 小結...57

第五章、結論與建議 ...59

5.1 結論...59

5.2 建議...60

參考文獻...62

附表...65

(6)

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 2-1 流量觀測方式比較表 ...26 表 3-1 頭前溪流域流量站站況資料表 ...31 表 3-2 頭前溪斷 31.1 至斷 35 水理計算成果表...35

(7)

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1-1 研究架構圖 ...9

圖 2-1 斷面流量計算方式 ...13

圖 2-2 旋杯式流速儀 ...14

圖 2-3 浮標種類及其樣式 ...16

圖 2-4 浮標觀測法示意圖 ...17

圖 2-5 都卜勒測速原理 ...20

圖 2-6 聲波都卜勒流速儀實測河川流速剖面之示意圖...21

圖 2-7 H-ADCP 流速量測原理示意圖 ...23

圖 3-1 頭前溪流域範圍圖(水利署,2005) ...30

圖 3-2 頭前溪主流地理位置概況 ...32

圖 3-3 頭前溪標準流量測站量測系統整體配置示意圖...36

圖 3-4 流量推估流程示意圖 ...37

圖 4-1 頭前溪中正橋量測系統架構圖 ...44

圖 4-2 頭前溪中正橋位置概況 ...45

圖 4-3 頭前溪中正橋實測斷面資料 ...46

圖 4-4 頭前溪中正橋與經國橋於韋帕颱風推估流量與水位關係圖47 圖 4-5 頭前溪中正橋與經國橋柯羅莎颱風推估流量與水位關係圖47 圖 4-6 頭前溪中正橋實測流量值(97 年 7 月 1 日 10 時)...49

圖 4-7 頭前溪中正橋實測水深(97 年 7 月 1 日 10 時)...49

圖 4-8 頭前溪中正橋實測流速(97 年 7 月 1 日 10 時,斷面 1)..50

圖 4-9 頭前溪中正橋實測流速(97 年 7 月 1 日 10 時,斷面 2)..51 圖 4-10 頭前溪中正橋水深-流量關係圖(97 年 7 月 1 日 10 時) .51

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圖 4-11 頭前溪中正橋流量值(96 年 9 月 19 日 11 時) ...53

圖 4-12 頭前溪中正橋流量值(96 年 10 月 8 日 10 時)...53

圖 4-13 頭前溪中正橋水深(96 年 9 月 19 日 11 時)...54

圖 4-14 頭前溪中正橋水深(96 年 10 月 8 日 10 時)...54

圖 4-15 頭前溪中正橋流速(96 年 9 月 19 日 11 時)...55

圖 4-16 頭前溪中正橋流速(96 年 10 月 8 日 10 時)...55

圖 4-17 頭前溪中正橋水深-流量關係圖(96 年 9 月 19 日 11 時)56 圖 4-18 頭前溪中正橋水深-流量關係圖(96 年 10 月 8 日 10 時) ...56

(9)

照片目錄 照片目錄 照片目錄 照片目錄

照片 3-1 頭前溪中正大橋下游面 ...33

照片 3-2 頭前溪中正大橋固床工及下游河床狀況...33

照片 3-3 頭前溪中正大橋下游面現況 ...34

照片 3-4 頭前溪中正大橋上游面河床現況...34

(10)

附表目錄 附表目錄 附表目錄 附表目錄

附表 1-1 頭前溪中正橋 97 年 7 月 1 日 10 時實測資料(流速儀法)

...65 附表 1-2 頭前溪中正橋 97 年 7 月 1 日 10 時實測資料(浮標法)66 附表 1-3 頭前溪中正橋 96 年 9 月 19 日 11 時實測資料(浮標法)

...67 附表 1-4 頭前溪中正橋 96 年 9 月 19 日 11 時實測資料(微波雷達法)

...67 附表 1-5 頭前溪中正橋 96 年 10 月 8 日 10 時實測資料(微波雷達)

...68 附表 1-6 頭前溪中正橋 96 年 10 月 8 日 10 時實測資料(浮標法)

...69

(11)

符號說明表 符號說明表 符號說明表 符號說明表

A 斷面積

[L2] b 斷面寬

[L]

c 音速

[L/T]

d 斷面水深

[L]

f1 發射晶體發射頻率

[1/T]

f2 接受晶體接收頻率

[1/T]

fd 都普勒偏移頻率

[1/T]

fR 雷達波之頻率

[1/T]

H 水位

[L]

Je 能量坡降

k Von Karman常數 ks 底床面粗糙長度

[L]

Ln 水面小波之波長

[L]

N 旋杯轉動次數/秒

[1/T]

Q 流量

[L3/T]

q 斷面流量

[L3/T]

(12)

Sω 沉降速度ω之泥沙垂線平均含砂量

[M/L3] U 垂線平均流速

[L/T]

UI 內區水深方向之平均流速

[L/T]

UO 外區水深方向之平均流速

[L/T]

u* 底床摩擦速度

[L/T]

us 表面流速

[L/T]

V 流速

[L/T]

Vn 雷達之相對移動速度

[L/T]

Z 無流量時之水位

[L]

ρ 水之密度

[M/L3] ρs 泥沙之密度

[M/L3] θ 發射超音波束與水流流向間之夾角

(13)

第一章 第一章 第一章

第一章 導 導 導 導論 論 論 論

1.1 研究背景與目的 研究背景與目的 研究背景與目的 研究背景與目的

水利工程及水文分析中皆需要可靠的河川流量資料,諸如各式防 洪工程設計、河川環境規劃,以及水資源利用調配…等等問題。但在 水文觀測現代化的過程中,河川流量的量測一直遭遇極大的困難。其 主要原因在於流量的計算中,需要同時包含通水面積和平均流速的量 測與計算,但天然河川中,河川斷面受到水流沖淤作用影響,使得斷 面量測不易,而平均流速也很難準確量測,因此要同時掌握二者,實 屬不易。此外,洪水流量的量測更是困難,還必須考量儀器與人員的 安全性。洪水發生期間,水流中夾帶大量土石及懸浮物質,且水流相 當湍急,除了會造成施測危險之外,在量測時間及時機的掌握上顯的 更加困難,而量測的準確度與時效性,也受到施測地點及天候條件的 限制。因此,洪水流量值的量測一直存在相當大的不確定性。

依據量測方式,可將河川流量的量測分為直接量測與間接量測。直接 量測主要利用量水儀器量測河川流速與水深,進而計算平均流速與斷 面通水面積。而間接量測則是以量水結構物如堰、閘門或固定渠道 等,經由建立水位一流量率定關係、並透過水位的量測獲得流量。

流速量測所使用的儀器包含傳統的螺旋流速儀、電磁流速儀、或是以

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浮標法來量測。在現場施作流量觀測時,通常以一點法(0.6 倍水深 處的流速)、兩點法(0.2 及 0.8 倍水深處之平均值),以及三點法(0.2、

0.6 及 0.8 倍水深處之平均值)等的表面流速來代表平均流速。以上 之觀測方式,是假設河川垂向流速分布符合一定的流速律,例如幕次 律、對數律或拋物線律等流速公式。若河川流速並沒有遵循固定之流 速公式,則流速之計算上勢必會產生誤差。流量觀測作業通常在橋梁 上實施吊測,量取流速與水深,但流速分布常受到橋墩影響,而產生 渦流,使得垂向流速重新分配,進而引起量測上的誤差。近幾年,則 利用聲波杜卜勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profile,簡稱 ADCP)以直接量測垂向流速剖面,再以水深積分的方式,計算平均 流速與流量,此方式適用於感潮河段或流速分布無法符合一定的流速 律之處。浮標法通常用於無法使用流速儀量測時的流況,或是高流速 之處,但浮標極易受到風的影響,且其流向不容易保持在一直線上,

因此量測誤差也較大。上述之流速量測方法中,由於直接將儀器接觸 水體,除影響水體的流動外,也會損害量測的儀器,特別是在洪水期 間或高流速之處,使得流速儀無法準確地定位在正確的量測點上,而 必須以 45~180Kg 重的鉛球或鉛魚來保持流速儀能在正確的量測點 上,這些因素都會增加觀測工作之難度並造成觀測成果之不確定性。

河川斷面通水面積的量測,依據資料取得方式可分為直接儀器量測與

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間接推估兩種。一般的直接量測所使用的工具包含測繩、測桿,以及 聲波測深儀等。量測時由橋上、測量船上,或是架設索道,依河寬大 小,分段量測各斷面的水深,再計算各段面之通水面積。近年來,也 有使用透地雷達(Ground-Penetrating Radar,簡稱 GPR)直接量測河 川斷面(Spicer et.aL 1997)。而間接計算通水面積的方法,通常假設 河床為定床,再依河床幾何形狀,以水位利用水位-面積率定公式決 定通水面積。在許多的河川,高流量或洪水的過程中,通常會造成河 床斷面的沖刷,在洪水過後河床又回淤,使得在洪水期間,較難決定 河床斷面,連帶影響流量觀測的準確性。

直接觀測流量受到許多測量地點與天候條件上的限制,而使許多 流量資料難以取得,例如極端洪水流量。甚至在長時間洪水流量過程 的觀測,常以間接量測的方式,彌補資料上的缺失,並利用中、低水 期的水位與流量關係,或配合水面坡降的量測,來推求高水期的流量 資料。雖然這種同時忽略洪水期,斷面與流速分布變化所得的流量資 料,其可信度仍需深入探討。但如果流量站,具有穩定的斷面與水理 特性,可利用觀測之資料建立自動化水位流量站,用以獲得洪水時期 連續之水位流量資料,可有效改善目前之流量觀測方式,並提升完整 之資料品質。

1.2 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

河川流量資料的建置,須由透過河川流速分布、河川流量量測,以及 流速量測等方面著手。本節以前人相關研究加以闡述,並建構完整的

(16)

河川流量資料。

水文資料的調查與蒐集為水利署河川局的常態性業務,因為各種學理 研究與數值模式之發展均仰賴完整的基礎水文資料,但是因為台灣地 區水文特性之不確定性,提高了各種水文量觀測的難度,有鑑於此,

各種標準作業步驟、觀測理論及方法的研究發展一直是各界積極投入 的領域。民國 71 年台灣省水利局編撰「水文觀測實務講義」,對觀測 作業之理論方法詳加說明即是希望第一線工程人員能將實務結合理 論。

由於天然河川具有自由液面與固體邊界等特性,Coleman and Alonso(1983)在研究中,將明渠流之垂直方向的流區分為內、外兩 區,並以 Coles(1956)提出之尾流函數代入對數律的公式,進而得 到垂直方向的流速分布。Chen(1991)在研究中,提出冪次律(Power Law)之流速分布公式。Nikuradse(1932)研究中建議,在天然河川 中取z′ =ks 30,則可獲得河川中表面流速與水深之對數律的關係。在 確定河川流速分布之型態後,可依河床阻力特性和表面流速,透過水 深積分的方法求得平均流速(賴泉基等人,2000)。河床阻力特性,

主要是受到河床幾何形狀、底床粒徑,以及底床載的傳輸運動…等因

素影響(Xu and Wright, 1995)。此外,冪次律也是最早用於明渠流之

速度分布上,諸如Manning(1895)、Blasius(1913),以及Williams

(17)

and Hazen(1933)等人,皆以冪次律推求出明渠流之速度分布。Lloyd

(1995)透過質點追蹤來量測不穩定流場中的表面流速分布。Fujita

(1998)利用攝影機擷取洪水期間的水面影像,以直接計算的方式,

分析表面漂流物移動之速度,進而獲得表面流速分布。Keshavarzy

(2000)在研究中,以影像量測的方法量測底床質的運動變化。

Weitbrecht(2002)使用PIV量測淺水流的水面流速。

Crombie(1955)首先推論出雷達水面回波之杜卜勒頻率中,產

生了布拉格共振現象。隨後Bass et al.(1968)提出表面散射原理,

以雷達來量測水面流速。Song et al.(1994)以聲波杜卜勒流速儀

(ADCP)量測明渠流之動床的垂直流向速度分布,結果顯示尾流同 時存在於內外兩區之內,而且尾流強度略大於定床的案例。 Song

and Graf (1996)使用ADCP量測不穩定之明渠流,並探討其速度

分布,研究發現導入尾流公式後,垂直方向之流速受到不穩定之明渠 流況的影響甚小。盧昭堯(2001)利用聲波都卜勒流速儀,量測河川 最大流速發生之垂線位置,量測斷面最大流速Umax,再利用U =φUmax

推估斷面平均流速U。Lee et al.(2002a, 2002b)利用脈衝式微波雷達 流速儀應用於量測高屏溪攔河堰之表面流速,並利用流速分布理論推 估平均流速,進而推估河道流量。但其對於雷達波測流之器差及精確 度並未有現地比測資料之佐證探討。賴泉基(2002)以脈衝式的微波

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雷達測量曾文水庫下游與高屏攔河堰等二處之流速和流量。黃宏斌與 謝孟荃(2005)利用渠槽試驗對雷達波流速所測得之表面流速與旋葉 式、電磁式流速儀所測得流速值進行分析;在水深5.2-3.17cm,雷諾

數為10,000-195,000範圍,探討雷達波流速儀觀測清水流況下筆直河

川之修正係數,及斷面平均流速與表面流速間之迴歸關係式。但其討 論較侷限於試驗水槽穩定流況、低福祿數條件下之觀測偏角、俯角之 影響。許盈松等(2006)則利用直線型水槽及自走式台車進行微波雷 達表面流速儀之校正試驗及器差分析,並進行小型雷達波、手持雷達 波及普萊式流速儀現地比測試驗。其研究結果發現雷達波流速儀雖為 高流量時期非接觸式量測水流利器,但其制式修正參數修正精度略顯 不足,且觀測俯角、偏角、水面波動幅度及波動頻率等因素,明顯影 響量測水流正確性。

台灣地區水文特性不易掌握,河川坡陡流急,洪枯流量差異大,河道 底床變化劇烈,使的一般之流量觀測方式增加許多挑戰,因此各種適 用於台灣之研究亦因應而生。李明靜(2003)探討「河川表面流速與 流量非接觸式量測方法之發展及應用」,將流量非接觸式量測方法作 一深入之比較與驗證。蔡長泰(2005)發表「台灣地區水位-流量率 定曲線研究」,利用流量公式及洪流演算模式嘗試處理高水位時流量- 水位率定曲線之延伸。許盈松(2005)之研究「流量、泥沙觀測技術

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評析」,也蒐集了國內外水文及沖淤觀測技術,針對台灣的水文特性 並比較各種先進儀器的量測方式提出水文觀測方式的評估。王傳益

(2005)發表「聲波杜卜勒流速儀於台灣河川流量觀測之應用」,並 實際於台灣地區天然河川利用聲波杜卜勒流速儀觀測流量資料,由研 究成果可知除急流辮狀河川外,觀測成果十分良好。成功大學水工所 於民國94年度執行水利署委辦計畫「水文觀測站新建暨改善流量觀 測工程規劃」,計畫中提出自動化水位流量站之建置規劃,嘗試建立 觀測斷面及觀測步驟之標準化,以達到流量觀測標準化之目的。

1.3 研究內容與架構 研究內容與架構 研究內容與架構 研究內容與架構

在水文觀測現代化的過程中,如何提升河川流量觀測的準確性是 一個重要的課題,為逐步達成流量觀測標準化之目標,並使之落實於 台灣河川第一線管理單位之現場量測工作。本文配合水利署94年度 計畫於頭前溪建置之自動化水位流量站,初步探討利用微波雷達表面 流速儀觀測表面流速之方式,對觀測作業之改善成效及資料品質提升 之探討。本文共分為五章,以下就各章節內容與組織架構說明之,研 究架構詳如圖1-1。

第一章為緒論。本章共分為三節,分別就本文之研究背景與目 的、文獻回顧,以及研究內容與架構等三部份,簡要說明目前台灣之 河川流量觀測作業現況及流量觀測作業之發展方向,並導覽本文之主

(20)

要內容。

第二章為現行河川流量量測方式與課題,本章共分為四節。主要 闡述目前常用之河川流量量測方式與實務觀測面臨之課題,第一節主 要說明流量觀測作業之目的及對水利工程規劃之重要性,第二節則列 出目前實務常用之流量量測方式及作業步驟,第三節則綜整比較各種 流量量測方式之適用性,以釐定自動化水位流量站規劃之方向,第四 節主要為探討目前流量觀測實務面臨之問題。

第三章為標準斷面自動化水位流量站規劃方法,本章共分為三 節。主要為綜述建立自動化水位流量站之規劃方法,第一節主要說明 如何選擇合適之站址以降低各項環境因子對流量觀測之影響,第二節 則是以頭前溪為實例綜合考量各項因素,並提出頭前溪自動化水位流 量站之初步規劃,第三節則說明微波雷達表面流速儀量測流速之理論 基礎及資料處理方式。

第四章為頭前溪流量量測之結果與分析標準,本章共分為三節。

主要為利用人工流量量測方式與自動化水位站流量量測之資料成果 比較,進一步探討兩種流量量測方式誤差產生的原因,以利未來實務 流量量測作業之進行,第一節為平時低水位流量量測比較,主要利用 進行1~2 次人工涉測之成果與微波雷達表面流速儀量測成果進行比 較,第二節為颱洪時期高水位流量量測之比較,主要利用進行2~3

(21)

次浮標法或吊測與微波雷達表面流速儀量測成果進行比較,第三節則 是針對各種量測方式之資料品質及觀測作業改善之成效做初步之探 討。

第五章為結論與建議,總結本文第二章至第四章研究之結果,並 提出相關研究課題之建議。

圖1-1 研究架構圖

(22)

第二章 第二章 第二章

第二章 現行河川流量量測方式與 現行河川流量量測方式與 現行河川流量量測方式與 現行河川流量量測方式與面臨問題 面臨問題 面臨問題 面臨問題

2.1 河川水位流量觀測之目的 河川水位流量觀測之目的 河川水位流量觀測之目的 河川水位流量觀測之目的

河川水位流量觀測之目的可概分為防洪預警及水資源調配二 項,前者著重於河川水位變化之掌握,以警戒水位作為防災預警之管 制手段,而流量量測之正確性則有助於防洪設施之規劃設計;後者則 著重於長期河川流量資料之獲取,以建立水資源開發調配管理之基本 資訊,而水位資料之量測將有助於取水設施之規劃設計。基本上,台 灣地區之流量觀測作業可分為三類:

1. 經常流量觀測:配合各河川中、低水位觀測之流量,原則上各河 川所轄之水位流量觀測站每年需辦理流量測驗至少 30 次以上,

枯水期(11 月至翌年 4 月)每月至少 2 次,豐水期(5 月至 10 月)每月至少3 次。

2. 洪水流量觀測:觀測颱洪暴雨期間之流量,實務上多以架設輔助 索道以流速儀施測或採用浮標施測。

3. 全潮流量觀測:旨在瞭解潮汐變化對感潮河段水位流量之影響,

以推求各種水理因素間之相互關係,作為感潮河川水理模式建立 或水質分析之重要參考依據。

各水位流量測站係運用經常流量觀測及洪水流量觀測資料建立 水位-流量率定曲線(rating curve),已獲得高水時期之流量資料。

2.2 現行河川流量量測方式 現行河川流量量測方式 現行河川流量量測方式 現行河川流量量測方式

一般常用之河川流量量測方法,依其流速量測方法或流量計算方 法之不同可概分為直接及間接量測法二類。間接量測則指利用量水結

(23)

構物如堰、閘門或固定渠道等,經由建立水位-流量率定關係、並透 過水位的量測獲得流量。直接量測主要的方式是利用量水儀器量測河 川流速與水深,進而計算平均流速與斷面通水面積。

本節將先介紹現行流量觀測方式,並針對各方式於現地之適用性 及優劣性作一探討。主要介紹之觀測方法說明如下:

2.2.1 水位流量率定曲線法水位流量率定曲線法水位流量率定曲線法 水位流量率定曲線法

率定曲線形型式多採雙對數型式,即假如水位-流量率定曲線為

( )b

Q=a HZ (2-1) 式中,Q 為流量(cms),H 為水位(m),Z 為無流量時之水位

(m),a、b 為待定常數,其中,b 值依斷面形狀可分為:

矩形渠道 b =1.67(寬深比 B/h>20),

拋物線形渠道 b =2.17(寬深比 B/h>20),

三角形渠道 b =2.67。

天然河川中,因河道多為拋物線形,通常令b =2。一般而言,b 值受斷面寬深、複式斷面形狀比與曼寧係數等因素影響而變化。

因天然河川流路經常變化,且多為具高灘地之複式斷面,加以採 砂及疏浚等人為影響,河床斷面多呈不穩定狀態,水位與流量間率定 關係亦隨之變化,造成水位-流量率定曲線使用上之限制。

2.2.2 人工斷面積流速測量法人工斷面積流速測量法人工斷面積流速測量法 人工斷面積流速測量法

基本上斷面積流速測量法係以儀器直接量測表面流速或水中垂 向上多點流速,再經由公式或水深積算平均流速再乘以通水面積之方 法推計河川流量值,如圖2-1所示。其有三個步驟,第一步為分段量 測河川水深與流速,第二步為計算分段通水面積與平均流速之乘積,

(24)

第三步為總合分段流量值,Q=

V dA,茲分述各方法量測方式說明 如下所示:

於天然河道中之流量量測,一般係採斷面積流速測量法予以施 測,亦即流量Q =VA。採此法觀測流量時須於河道斷面上設定測線,

量測測線上之流速與水深,最後根據測線間之斷面積與流速推求其斷 面流量。利用浮標、流速儀測流速,搭配斷面測量為目前普遍使用之 流量觀測方式。一般流量觀測,必須同時進行水平距離、水深及流速 施測等項目,而觀測方式包括涉水施測、橋面吊測及船測等三類。

1. 通水斷面測量

通水斷面測量包括距離測量和水深測量兩項。茲將其測量方法說 明如下:

(1) 斷面距離測量

斷面距離測量,係為定出橫跨河流斷面線上測點的位置,一般規 定由左岸斷面測樁為起點。斷面位於橋樑時,可直接於橋上欄杆或橋 面上以米尺量測距離。在水深於 0.75 m以下,流速每秒1.5 m以下,

且可步涉之小河,可跨河架設纜索為斷面線,涉水在纜索上測定距 離。大河流速每秒 2.5 m以下,能行駛船筏時,可在岸上用經緯儀或 水準儀測定距離。

(2) 斷面水深測量

斷面水深測量,係為定出各測點水面至底床之高度。為量測斷面 上各點之實際水深,一般常採用測深桿、測深錘與聲納測深儀等工具。

測深桿為竹製、木製或金屬製,其上刻有尺度。當水深在0.75 m 以下,流速每秒 1.5 m以下,適用各式測深桿步涉直接測量;而當水 深不滿2 m,流速每秒 2.5 m以下,可自船上直接測量時,適用各式

(25)

測深桿施測。

測深錘為鉛製重錘,以鋼索繫之。當不適用測深桿測量水深時,

可採用測深錘自橋面或吊箱上測量。觀測時先測出測點至水面高度,

再測出測點至底床高度,兩者差值即為量測之水深。

聲納探深儀適用於水流湍急或水極深的大河流。其量測受測距精 度與超音波水中穿透能力限制,使用時應考量環境之影響。

圖2-1 斷面流量計算方式

2. 流速量測

流水速度為單位時間內水流經過之距離,河流、渠道中通常用的 流速單位為 m/sec,流速可用來計算流量。由於水路中流速各處不同,

所以流速測量一般分為點流速、垂直斷面平均流速與表面流速三種。

流速的量測,在直接方法中通常使用流速儀(點流速),或於岸 上、橋上施放浮標(表面流速)以進行觀測。其中,流速儀量測流速 之準確性較高,惟儀器受流速限制,當洪水流速超過其使用範圍時,

(26)

改以浮標法替代之。茲將流速量測方法分述如下:

(1) 流速儀量測

a. 量測原理:一般係以旋杯式流速儀(如普萊氏流速儀,圖 2-2) 進行施測。測量時,旋杯受流水衝擊而轉動,其旋轉數經由發音 器的聲響計出,配合所經時間之量測,最後根據流速與轉速公式 求得,公式一般表示如下:

V = a N + b (2-2) 其中 V =流速(公尺/秒)、N =旋杯轉動次數/秒、a 及b 為率定常數。

圖2-2 旋杯式流速儀

b. 量測步驟(參考水利署現行作業):

步驟1:首先利用皮尺測量水路斷面寬度,並依斷面寬度決定施測 斷面間距與測線位置。一般若河床平整,變化不大,則建 議以施測10個測線為原則;若河床不平整且極不規則時,

則可縮小測線間距且間距不需相等,以增加測線數目。

步驟2:至現場時需先以人工量測水位,並與超音波或浮筒式等自 記水位計觀測值比對,斷面測深開始與終了時都必須觀測 水位一次。若於感潮河段或水位變化不穩定河段,而附近 又無自記水位設備,應於流量測驗開始至終了時,每 15

(27)

分鐘應觀測水位一次,以利於流量計算。

步驟3:自橋面測水深時,斷面線必須選在下游,施測時先測橋面 至水面深度,再測橋面至底床深度,兩值相減即為量測水 深。水深量測應力求測桿或測錘垂直落於河床,測錘抵達 河床時,必然感到繩索受力較鬆,此時要稍稍提升拉直,

再計水的深度。

步驟4:若人員與儀器數量充足,可分成數個小組,則各測線同步 實施測驗,但若人員不足或僅一組,則一般自左岸逐步依 序向右施測。計算垂線流速之測法可分為單點法、二點 法、三點法數種,用以求出各測線上之平均流速,其採用 可按水深及涉測或吊測方法。

步驟5:涉水施測流速時,施測人員需站立於河道斷面下游處,並 面向上游,以免影響流速,右臂向右前方伸出懸桿,左手 握碼錶,同時應注意流速儀之測桿需垂直,並記錄流速儀 與測量斷面之水平夾角。

步驟6:依各測線水深實施不同測點法,如單點法(0.6水深)、二 點法(0.2 水深及 0.8 水深)、三點法(0.2 水深、0.6 水深 及0.8水深),並將流速儀放(吊)置於不同水深測點位置,

於測量前可先行製作不同水深對應之0.2、0.6、0.8 水深對 照表,以方便查詢。

步驟7:於各點水深施測流速時,務必使水中流速儀旋杯中心成平 面平行水流方向,方可承受完全的水流,揚聲器或耳機聲 響穩定後,即可開始計數轉數。聽到聲響時,同時按下碼 錶計時,在時間超過 40 秒,而轉數適當時則按停碼錶,

(28)

記下轉數與所經過之時間。

步驟8:流速儀測量每點流速轉數的時間以40秒至 60秒為原則,

若超過 60 秒仍無轉數,則檢視流速儀是否故障或遭異物 卡住,排除後重新施測一次,以確認轉數。

步驟9:於施測過程中若轉數過快不易辨識紀錄,則可將流速儀調 整為五轉一響。反之,若轉速過慢,則可更換低流速量測 範圍之流速儀後,再繼續進行上述步驟。

(2) 浮標量測

浮標大致可分為水面浮標、深水浮標與浮桿浮標三種,如圖 2-3 所示。一般國內於洪水流速測驗時,多採用水面浮標,而為減少水面 浮標受風力吹送影響,其形狀以扁球體最佳。

圖2-3 浮標種類及其樣式

浮標測法係利用水面上的浮標,測量其隨水流行經一定距離(L) 所需的時間(t),以計算水流表面之流速,其計算式為 Vsuf = L / t。 浮標觀測之步驟如圖2-4 所示。

(29)

圖2-4 浮標觀測法示意圖

浮標觀測之步驟說明如下:

步驟1:在河岸上選定上下游兩點相距80~100m釘定木樁,並豎立 標旗。此兩點連線應近似平行流向,垂直於此連線的對岸 亦釘設木樁,上游兩岸木樁連線稱為上斷面,下游者則稱 為下斷面,並準確量測上斷面與下斷面間之距離L。 步驟2:由觀測點A(橋上或預定位置)將浮標投下,記錄投下的

時間做為觀測開始的時間。

步驟3:當浮標通過上斷面線時,觀測點B處之觀測員立即通知下 斷面之測點 C處之觀測員。

步驟4:位於下斷面之觀測點C處之觀測員,收到觀測點B處之觀 測員「浮標通過」之訊息後馬上按下碼錶,待浮標通過下 斷面線時測定其流經的時間,並記錄之。

測測 測測 浮標 浮標 浮標

浮標通過時通過時通過時通過時聯絡聯絡聯絡聯絡測測測測 點 點 點 點

測測測

測 點 點 點 點 CCCC 紀

紀紀 紀 錄錄錄錄 測

測 測 測 投 投 投

投 下浮標下浮標下浮標下浮標

上斷面上斷面 上斷面上斷面線線線線

下斷面 下斷面 下斷面 下斷面線 線 線 線

L

(30)

步驟5:使用浮標法施測時,以 5 個測線為原則,得視斷面寬度與 現場狀況予以增減,並於各測線反覆進行上述步驟。

步驟6:於全部測線觀測結束時,量測上斷面線、下斷面線的水位,

同時記下水位觀測時間。

浮標法所測得之流速為表面流速,如欲求各測線垂直剖面之平均 流 速 , 則 可 透 過 浮 標 係 數 Kf 加 以 換 算 , 其 中 垂 線 平 均 流 速

suf

f V

K

V = 。浮標係數可於平時或中流量以上,且尚可使用流速儀時,

使浮標與流速儀相互配合,求取兩者間流速之相關性。

(3) 流量計算

河川流量之推求,可運用斷面及流速測量之結果計算而得。

a. 一般可依河道寬度不同將全斷面分為若干垂直子斷面,量測每一 部份的斷面積ai(m2)及平均流速vi(m/sec),計算出垂直子斷 面的流量,各子斷面流量的總和即為通過全斷面的流量。

Q = a1v1+a2v2+‥‥‥+anvn =Σav (2-3) b. 若以中斷面法計算流量,各子斷面平均流速vi可由上述單點法、

二點法或三點法求得,根據其結果計算各部分流量之總和,如圖

2-4所示,即

Q =Σqi =Σ(v .i di.bi);i=1,2,3,…..n (2-4)

2.2.3 控制斷面流量量測法控制斷面流量量測法控制斷面流量量測法 控制斷面流量量測法

多適用於人工定型化渠道或河川跨河水工構造物(如攔河堰), 利用人工化渠床或構造物具有不沖淤特性,且因斷面條件引致跌流而 產生臨界水深之水理狀況,可據以建立水位—流量之定率關係,提高 量測精度,即

(31)

Q=

V h dA h( ) ( )= f h( ) 2-5

式中,Q 為流量,V 為流速,A 為斷面積,h 為水位。

依其斷面型式特徵可區分為:

1. 量水堰(weir):依其堰頂寬度可區分為寬頂堰及銳緣堰,由其形 狀又有標準收縮矩形堰、標準不收縮矩形堰、標準梯形堰,及標 準90 度V 形堰之分。

2. 喉道收縮渠槽(flumes):有巴歇爾水槽(Parshall flumes),孫奈 利(Saniiri flumes),以及文丘里槽(Venturi flumes)等。

3. 潛孔口(submerged orifices):然因人為施設控制斷面多會阻滯水 流宣洩,造成上游水位抬昇,增加防洪風險,不適用於天然之河 川。

2.2.4 聲波都卜勒流速剖面儀觀測法聲波都卜勒流速剖面儀觀測法聲波都卜勒流速剖面儀觀測法 聲波都卜勒流速剖面儀觀測法

都卜勒微波雷達(ADCP)是利用聲學都普勒效應進行測流,換

能器(transmitter)發射出一定頻率的聲波射入水體中,當水體中之

散射子(即懸浮微粒子)以幾近於水體速度通過聲束時,呈運動狀態 之懸浮微粒子乃反射聲束,而呈現回聲(echo),此後向散射回波信 號會被 ADCP 接收,量得使該回波信號的頻率與發射的頻率之間産 生的頻差(如圖2-5所示),即都普勒頻移後,可推算測點流速值。

(32)

圖2-5 都卜勒測速原理

2 1

1

( )

2 cos f f C

V f θ

= (2-6)

式中,V 為水流速度,f1、 f2分別為發射晶體發射頻率與接收晶 體接收頻率,c 為音速,θ為發射超音波束與水流流向間之夾角。

基本上 ADCP 與傳統量測流速原理相同,但 ADCP 可在同一剖 面(垂向,不同深度) 量測多點之流速資料,故較傳統方法具備測 量時不擾動流場,耗時少,測速範圍大等優點。ADCP其可量測之水 深與其設計之聲波頻率高低有關,基本上,低頻穿透性較高,可測之 水體範圍較大;此外,因聲波傳遞遇水面或底床時會產生能量干擾,

一般干擾之範圍約為水深 10%,可利用聲波反射訊號之音噪比

(singnal / noise ratio)門檻值(threshold value)值之設定,以取捨具 可靠之流速值。一般而言,影響 ADCP 量測精率度之因素為:1. 都 普勒效應引致之頻率偏移之量測的準確性。2.音鼓間設計之夾角。3.

散射子速度與水流流速之差值。聲波都卜勒流速儀實測河川流速如圖 2-6所示(盧昭堯,2001)。

(33)

圖2-6 聲波都卜勒流速儀實測河川流速剖面之示意圖(盧昭堯,2001)

ADCP依其載具或安裝方式可分為下列幾種型式:

1. 船載式

船載式 ADCP 即 ADCP 安裝在測船上,此種量測方法特別適合 河口或湖泊等通水面積及水量大的的量測地點,當測船橫越測流斷面 時,利用超聲測深的原理,不斷測量水深。同時利用都普勒測速原理,

測得水體相應於測船之流速和測船相應於河床之運動速度,即船速由 此兩速度之向量差可得到水流之真實速度。測船的航跡通過船速和航

(34)

向計算而得,即可確定所測垂線之正確位置。此流速、船速、水深、

航向、垂線位置之數據由計算機在系統軟件控制下採集處理,並按一 定之流量計算方法算出流量。測量中每個垂線上之流速測量點間距可 以設置到1 公尺以下,測速垂線之間距可隨意設定,因此可測得精確 之流速分析。

2. 拖曳式

拖曳式 ADCP 為將 ADCP 放在小型載具中,利用人力拉動繩索 之方式,將 ADCP 移動,並利用 GPS 定位技術計算載具位置及移動 速度等資料,加以計算載具及水流之相對速度,進而計算水流速度,

使用拖曳式 ADCP 之量測結果與船載式 ADCP 相同。此種量測方式 適合斷面較小,水深較深,且低、中流速時量測。

3. 定點式

定點式 ADCP 為使用中斷面法,將斷面分為數條測線,再利用 ADCP。量測該測線子斷面之流速,因 ADCP可同時量測水深,故各 測線子斷面之流量可即時獲得。而目前軟體設定可依斷面寬規劃測線 數目,再決定各子斷面寬度,量測時ADCP會依設定之子斷面寬度,

量測該斷面之流速及水深。此種方法適用於中、高流量之河川量測,

但因 ADCP 對高含砂量之河川量測精度欠佳,故需選擇含砂量較低 之河川進行量測。

4. 側掃式

側掃式ADCP(Horizontal ADCP,H-ADCP)為橫向量測流速。圖

2-7為 H-ADCP流速量測原理示意圖,實務上係將H-ADCP之儀器安

置於岸邊之觀測柱架或棧橋墩座上水平上發射聲波,根據都普勒效應 測得該水層之流速分布,再依據指標流速法(velocity-index technique)

(35)

求流量值,再透過遠端儀器控制操作,達到自動化遙測之功能。當測 得經過欲量測斷面之流速剖面及通水面積後,由儀器整合之控制軟體 執行後端分析計算作業便可推算得流量。因儀器須固定且量測時須完 全浸入水中,故適合流量較穩定且斷面較規則之河川。

圖2-7 H-ADCP流速量測原理示意圖

2.2.5 微波雷達表面流速量測法微波雷達表面流速量測法微波雷達表面流速量測法 微波雷達表面流速量測法

微波雷達表面流速量測法推計流量作業可概分為二部分,其一為 表面流速量測,其二為平均流速與水深推計。

1. 表面流速量測

微波雷達量測水面流速之機制主要係依據布拉格(Bragg)散射 與都普勒效應二項原理。流動之自由水面上因風力之作用或水流之紊 流作用會產生微小的表面波紋,此微小波紋之波長尺度約為 1cm 至 2cm間,當水流流動時,此波將隨水體表面流移動,因此可將小波之 速度視為水流之表面流速,此系統之都普勒雷達即利用微波雷達(頻

率介於 10~18GHz 之 X 或 Ku 頻區間)偵測水流表面雷達回波產生

布拉格(Bragg)效應,獲得水流表面毛細波之速度,即可視為水流

(36)

表面流速。

2. 水深推求

垂向流速的分佈理論,可用一定之流速律來代表,假設河川於紊 流流況下,垂向流速可視為對數律及冪次律之分佈,若將河川橫斷面 分區量測其表面流速,則可推得該區表面流速與平均流速及水深進而 求得分區流量,再累加得斷面流量。

2.3 河川流量量測方法比較 河川流量量測方法比較 河川流量量測方法比較 河川流量量測方法比較

本章節以台灣目前河川流量量測較常使用的五種量測方法,即水 位流量率定曲線法、人工斷面積流速測量法、控制斷面法、聲波都卜 勒流速剖面儀觀測法(H-ADCP),以及微波雷達流速量測法。相關 方法說明如下:

1. 水位流量率定曲線法主要係利用量水結構物如堰、閘門或固定渠 道等,經由建立水位-流量率定關係、並透過水位的量測獲得流 量。然因天然河川流路經常變化,且多為具高灘地之複式斷面,

加以採砂及疏浚等人為影響,河床斷面多呈不穩定狀態,水位與 流量間率定關係亦隨之變化,造成水位-流量率定曲線使用上之限 制。

2. 人工斷面積流速測量法為目前水利署實務觀測常見之作業方 式,以人工持流速儀直接量測表面流速或水中垂向上多點流速,

再經由公式或水深計算平均流速再乘以通水面積之方法推計河 川流量值。由於是人工直接施測,施測作業受天候及地點之影響 大,尤其洪水流量的量測更是困難重重,必須考慮儀器與人員的 安全性,且因其流況為一變量過程,在量測時間及時機的掌握上

(37)

更形困難。

3. 控制斷面法主要係應用於人工定型化渠道或小型河川之跨河構 造物,惟應用於中大型天然河川則有其限制,因台灣地區河川多 屬複式斷面,倘為量測流量而設置跨河性之人為設施,不僅涉及 經費成本效益問題,且其阻滯洪水宣洩、抬昇水位等將影響防洪 安全,須審慎衡酌。若欲採此方法需以現已完成或配合其他目的 工程設施如攔河堰或橋樑固床工規劃設置。

4. 聲波都卜勒流速剖面儀觀測法(H-ADCP)係以超音波量測分層 流速及超音波束之聲源與底床接觸點距離,且不要求測流斷面垂 直於河岸,具有提升流量觀測效率及準確性之優點。然H-ADCP 運用於天然河川流量量測仍存有下列主要限制:

(1) 河面蕩漾及水質混濁均會影響量測結果。

(2) 河床質粒徑會影響超音波反射訊號判釋。

(3) 設備安裝位置須與斷面形狀配合,避免形成超音波量測死 角。

(4) 超音波束可量測距離有限,隨頻率高低成反比。

(5) 量測流速有其限制 ± 5m至 10m間。

(6) 屬接觸式量測儀器易受懸浮物體或水中礫石沖擊而毀損。

5. 微波雷達流速量測法亦屬非接觸式量測法,安全性較高且可長期 設置,其僅量測表面流速,再藉速剖定律推算水深及平均流速,

可掌握河床沖淤變化對流量推計之影響。適合台灣天然河川特 性,為提昇設備觀測之精度可搭配ADCP法檢核模式相關轉換參 數。

文中並比較這五種流量量測方法的量測原理與作業方式,以第一 線人員之作業考量角度,就其人力需求、作業危險性、操作機動性、

(38)

方法適用性,以及資料連續性等方面來進行比較,詳細之比較資料整 理如表2-1 所示。

表2-1 流量觀測方式比較表

水位流量率 定曲線法

人工斷面積

流速測量法 控制斷面法

聲波都卜勒 流速剖面儀 觀測法

微波雷達流 速量測法

需仰賴豐富 經驗之現場 人員,而後續 水位流量之 轉換作業人 力需求較低

需多人掌控 儀器設備並 以人工方式 記錄資料,人 力需求較多

若有穩定之 控制斷面僅 需維護標準 斷面之狀 況,人力需求 較低

需有人員操 作電腦設 備,現場人力 需求較低

需有人員操 作電腦設 備,現場人力 需求較低

室內作業危 險性低

現場作業危 險性高

室內作業危 險性低

室內作業危 險性低

室內作業危 險性低

可推求高低 水位流量

施測地點受 儀器作業限

需有控制斷 面處才能量

儀器設備雖 可車載但多 組量測時受 限人力機動 性下滑

儀器設備可 車載機動性

需位於底床 沖淤穩定河 段,方能適用

人工施測需 考慮到施測 人員安全性 或是是否有 橋樑等施測 平台

需有標準斷 面之施設,一 般常見於取 水口

可同時測得 深度剖面流 速資料

可測得表面 流速資料,配 合速剖公式 可推算斷面 流量值

需 由 連 續 之 水 位 資 料 轉 換 求 得 流 量 資料

資 料 長 度 受 限 於 施 測 時

可 由 水 力 公 式 推 求 流 量 資料

可 連 續 觀 測 獲 得 連 續 性 資料

可 連 續 觀 測 獲 得 連 續 性 資料

(39)

2.4 流量觀測面臨之 流量觀測面臨之 流量觀測面臨之 流量觀測面臨之問題 問題 問題 問題

綜合本章節所述,可知目前台灣天然河川,在流量觀測上所面臨 之問題,說明如下:

1. 台灣河川洪枯流量差異大,深水河槽位置經常變化,低水時期主 流路常偏離水位站。

2. 河川高灘地高程變化大,使主流路及高灘地之水理特性大不相 同。

3. 台灣河川坡度甚陡,河川斷面不易穩定,洪水過程中底床變化劇 烈,降低水位流量率定曲線之代表性。

4. 河川水位站常設置於橋樑上,惟橋樑影響流場及斷面穩定,使得 流量觀測之難度大為提升。

因此,希望可以藉由比較流量量測的方法,根據各量測方法的優 缺點,來克服人為操作、儀器設備,以及氣候的限制,進而建立理想 的洪水流量監測的機制。

(40)

第三章 第三章 第三章

第三章 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃

河川流量觀測誤差包含流速量測及通水面積量測之誤差,兩者都 可能肇因於量測設備誤差及計算方法誤差。基於降低流速量測及通水 面積量測兩項之誤差產生,提升流量觀測之準確度,自動化水位流量 站必須設法克服河道變遷及底床沖淤歷程不易掌握之影響,及高流量 觀測因資料不足需採率定曲線延伸外差問題,以提升流量量測準確度 並兼顧操作人員作業安全。

本章節首先針對天然河川自動化水位流量站站址選擇之議題,訂 定考量的因素,續接以頭前溪為例,探討自動化水位流量站之建置與 規劃。最後則依據對數律與冪次律之流速公式,建立水深及平均流速 與表面流速之關係。

3.1 天然河川自動化水位流量站站址選擇 天然河川自動化水位流量站站址選擇 天然河川自動化水位流量站站址選擇 天然河川自動化水位流量站站址選擇

一般而言,為避免河床沖淤,對天然河川流量觀測造成影響,其 站址選取考量之因素包括以下三項:

一、河相條件之穩定 1. 非為感潮河段。

2. 豐水期與枯水期均可進行觀測之位址。

3. 以有河床固床工(混擬土或蛇龍護甲)、河床水路穩定、攔 河堰,以及分水工等設施為優先考量。

4. 規劃中或已完成高水、低水護岸、堤防及疏浚之整治河段。

5. 河段上、下游平直、無陡彎,且無支流或側流滙入。

6. 平直河段長度至少須為河寬3 倍以上。一般平直河段至少應 達500公尺以上,若可達1,000 公尺則更為理想。

(41)

7. 十年內河床流路穩定,沖刷及淤積變化少之河段。

二、區位環境之配合

1. 考量流域內水系、地形及現有水位流量站分布狀況。

2. 未來水資源調配管理或防洪預警所需之控制斷面。

3. 儘量設於市電供應可及之區域,以維持電力穩定。

4. 各項傳輸資料通訊方法(包含各種有線及無線通信方法)可 施行之處。

三、流域觀測系統之整體考量

設置自動化水位流量站之目的,在藉設置斷面標準化與量測儀器 標準化以提昇流量量測準確性,其位置之選擇除技術層面之考量外,

更需以流域整體觀點衡酌其設置之必要性,系統化規劃配置傳統水位 流量站及標準斷面流量測站。

3.2 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃 頭前溪自動化水位流量站建置規劃

根據頭前溪流域的概況,以前述之站址選取考量因素,選定、建 置,以及規劃自動化水位流量站,並規劃流量觀測的方法。

一、流域概況

頭前溪位處台灣西北部,北鄰鳳山溪,東接淡水河及大安溪流 域,南有客雅溪及中港溪流域,西臨台灣海峽。上游主要支流上坪溪 發源於雪山山脈之鹿場大山(標高 2,616 公尺),流經五峰鄉、橫山 鄉,在竹東與上游與發源於李棟山(標高1,913公尺)之油羅溪會合,

以下始稱頭前溪。自會流點再向西流經竹東鎮、芎林鄉、竹北市、新 竹市後,於南寮附近與鳳山溪出口滙流約 500公尺,注入台灣海峽。

流域地形由東南山岳地帶向西北遞次傾斜,而至沿海,大致可分成起

(42)

伏狀之丘陵地、台地及沖積平原。頭前溪幹流長約 63 公里,流域面 積約 566平方公里;上坪溪流長約 44 公里,流域面積約 253平方公 里;油羅溪流長約 26 公里,流域面積約 178 平方公里,其流域地理 概況圖,如圖3-1 所示。

頭前溪目前設有經國橋、竹林大橋、內灣,以及上坪等4 個水文 測站,其站況資料及地理位置,分別如表3-1及圖 3-1所示。由水文 年報統計資料顯示,歷年最大流量為1,910秒立方公尺(民國 65年), 豐水期約為每年 5 月至 9 月,民國 87 年本流域月平均流量介於7.70

至 75.35 秒立方公尺之間;枯水期則為 11 月至翌年 3 月,其月平均

流量只有 5.63至 68.51 秒立方公尺。最大日平均流量為民國 85 年之

150秒立方公尺(竹林大橋),最小日平均流量為民國 85年的0.01秒 立方公尺(經國橋)。

圖3-1 頭前溪流域範圍圖(水利署,2005)

中正 中正中正 中正橋

(43)

表3-1 頭前溪流域流量站站況資料表

站名 位置

(編號) 水系 E

(公尺)

N

(公尺)

流域面積

(平方公里)

紀錄年限

(民國) 經辦單位

竹林大橋

H016 頭前溪 258636 2738036 441.38 1980~2004(現況站) 經濟部水利署 二重埔(1)

H010 頭前溪 253447 2742905 485.48 1951~1979 經濟部水利署 二重埔(2)

H011 頭前溪 254775 2742256 477.97 1940~1944 經濟部水利署 經國橋

H017 頭前溪 251139 2744702 499.18 1990~2004(現況站) 經濟部水利署 五峰

H002 上坪溪 261405 2724500 182.50 1937~1943,

1956~1968 台灣電力公司

上坪(1)

H003 上坪溪 261767 2726565 183.33 1937~1939 經濟部水利署 操樹排

H004 上坪溪 259273 2729613 225.29

1940~1943, 1951~1953, 1958~1970

經濟部水利署

上坪

H014 上坪溪 260738 2729329 221.73 1971~2004(現況站) 經濟部水利署 內灣

H013 油羅溪 267503 2733084 139.07 1971~2004(現況站) 經濟部水利署 九鑽頭

H008 油羅溪 263440 2733643 162.64 1940~1942 經濟部水利署

二、自動化水位流量站站址選定

經現場調查頭前溪主流河川概況,如圖3-2 所示。於連接新竹縣 芎林鄉與竹東鎮聯絡道路之中正橋,其下游處因位於新竹斷層及新城 斷層交接處,經長年沖蝕刷深致形成落差極大不連續斷面,分別如照 片3-1 及照片3-2所示,為保護橋梁安全,新竹縣政府橋梁維護單位 茲於主河道建造混凝土封底之三層階段平面型固床工,如照片3-3所 示,使之形成平坦穩定之河道斷面,並使頭前溪水流呈自由跌流況,

如寬頂堰之控制斷面,其上游水深及流量關係應呈單一率定關係,因 此,選定中正橋為流量標準斷面規劃位址。

(44)

中正橋橋長680 公尺,梁底高程為74.05公尺,16座墩柱之直徑 為3 公尺,由民國88年及94年兩次河床質採樣資料,由全河段平均 粒徑(Dm)或中值粒徑(D50)資料顯示,除中正橋上下游河段河床 質外,河床質均有粗化趨勢,如照片3-4所示,含砂百分比亦有降低 趨勢,中正橋固床工下游面由於泥岩裸露,含砂量高達 90%且幾無大 於1.0 公厘之顆粒。

頭前溪流域各洪水頻率條件下之水理分析結果如,表3-2所示,

由表可知,中正橋(斷面 31.1)於各重現期距流量時,其水位介於 62.32 公尺至66.53公尺,流速介於 3.88公尺/秒至 6.72公尺/秒間。

固床工

新中正大橋

芎林鄉

竹東鎮 中正大橋

微波雷達

圖3-2 頭前溪主流地理位置概況

流 向 流 向 流 向 流 向

(45)

照片3-1 頭前溪中正大橋下游面

照片3-2 頭前溪中正大橋固床工及下游河床狀況

中正橋 中正橋 中正橋 中正橋

固 固 固

固 床 床 床 床 工 工 工 工

流向 流向 流向 流向

流向 流向

流向 流向

(46)

照片3-3 頭前溪中正大橋下游面現況

照片3-4 頭前溪中正大橋上游面河床現況

流向 流向

流向 流向

(47)

表 3-2 頭前溪斷31.1至斷35水理計算成果表

三、頭前溪自動化水位流量站設備安裝規劃

計畫於橋上設置雷達波水位計以量測水位,據以推定流量。另考 量固床工使之形成平坦穩定之斷面,因此,規劃於橋梁上游側裝設 1 組併聯式連續波微波雷達表面流速量測系統,以量測其水流表面流速 及推計其流量,系統配置詳如圖3-3。

各重現期距

2 年 5 年 10 年 20 年 50 年 100 年 200 年

斷面 編號

河心 累距 (公里) 水位

(公尺) 速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

水位 (公尺)

速度 (公尺/

秒)

31.1 15.11 62.32 3.88 63.31 4.85 63.96 5.40 64.60 5.86 65.44 6.24 66.05 6.38 66.53 6.72

31.2 中正大橋

32 15.25 63.66 2.03 65.03 2.78 65.97 3.08 66.81 3.37 67.72 3.78 68.35 4.09 69.46 3.05

33 15.73 64.81 2.51 66.17 2.75 67.08 2.91 67.87 3.16 68.82 3.46 69.51 3.66 70.08 3.91

34 16.30 67.77 2.86 68.56 3.92 68.97 4.61 69.59 4.52 70.39 4.58 70.97 4.65 71.50 4.78

34.5 新中正大橋

35 16.76 70.63 3.51 71.50 3.96 72.01 4.08 72.35 4.48 72.79 4.92 73.11 5.23 73.42 5.52

(48)

圖3-3 頭前溪標準流量測站量測系統整體配置示意圖 四、流量量測方法規劃

本文以微波雷達表面流速儀,觀測水流表面流速之流量資料獲 取,係利用儀器測得之水流表面流速,利用對數律或冪次律垂向速度 剖面公式分別推算量測點次斷面之平均流速及水深,進而推計該次斷 面之流量,該斷面之流量則為各次斷面流量累計而得,茲將其推計方 法說明如圖 3-4所示。

(49)

圖3-4 流量推估流程示意圖

3.3 平均流速及水深與表面流速之關係 平均流速及水深與表面流速之關係 平均流速及水深與表面流速之關係 平均流速及水深與表面流速之關係

由微波雷達表面流速量測法,進行推計流量之作業可概分為二部 分,其一為表面流速量測,其二為平均流速與水深推計。為了解河川 流動方向的表面流速與水深及平均流速之關係,本節以對數律流速公 式與冪次律流速公式,分別推求出水深與平均流速,並建立水深及平 均流速與表面流速之關係式。

(50)

(一)表面流速量測

雷達微波量測水面流速之機制主要係依據布拉格(Bragg)散射 與杜卜勒效應二項原理。流動之自由水面上因風力之作用或水流之紊 流作用會產生微小的表面波紋,此微小波紋之波長尺度約為1 公分至 2 公分間,當水流流動時,此波將隨水體表面流移動,因此,可將小 波之速度視為水流之表面流速,此系統之杜卜勒雷達即利用微波雷達

(頻率介於 10~18GHz 之 X 或 Ku 頻區間)偵測水流表面雷達回波 產生布拉格(Bragg)效應,獲得水流表面毛細波之速度,即可視為 水流表面流速。而所謂杜卜勒頻率偏移效應乃指當物體與觀測相對運 動時,入射波源與反射波將產生頻率偏移,至於布拉格繞射的產生,

在於兩入射波數入射於相鄰晶格面時會產生建設性之干涉,若水面波 紋視為平面排列之晶格,當雷達入射波的 n 倍為波長nλ, fR及 c 分 別為雷達波之頻率和速度,入射角為θ,水面小波(ripple)之波長為 LBnB,根據布拉格定律,水面產生布拉格散射之條件為:

n 2sin

L nλ

= θ (3-1)

其中,n=1為平面排列,故偵測目標物移動所產生的杜卜勒偏移 頻率 fd可表為:

2 n sin

d

f V θ

= λ (3-2)

因水面波紋之布拉格效應,導致杜卜勒頻譜產生強烈之干涉,故 利用分析雷達水面回波一階(n=1)杜卜勒頻普可求得杜卜勒頻率 fd, 再由上式可求得水流表面波紋的朝向於雷達之相對移動速度Vn

(51)

(二)水深推求 1. 對數律

在河川主流區的流速分布受到尾跡流況的影響,因此,依據 Coleman and Alonso(1983)之 研究,引 入尾跡函 數(wake

function),並將對數律之流速公式修正如下:

max 1 2 2

ln cos ( ) 2

u u z z

u k h k h

π

Π

= + (3-3)

式中us為表面流速,

u為底床摩擦速度(= ghS ),f h 為水深,

Π為 Coles 尾跡強度參數,其大小與雷諾數、懸浮質濃度、

底質傳輸,以及河川流況等因素有關,

k 為底床面粗糙長度(s Roughness Length),

k 為Von Karman常數≈0.4,主要受到水中含砂量之影響。

依據過去的試驗資料顯示,清水之流速分布遵循對數律公 式,而挾砂水流在主流區仍遵循對數律公式,但 k 值減小,近底 區則偏離對數律公式,一般而言,含砂量愈大,則 k 值愈小。

Einstein and Chien(1955)建立 Von Karman 常數與參數E之關 係如下:

s

s e

E S

UJ ρ ρ ωω

ρ

− ∑

= ⋅ (3-4)

其中ρs與ρ 分別為泥砂與水之密度,

U為垂線平均流速,

Je為能量坡降,

參考文獻

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