時域反射技術 (TDR) 應用於石門水庫異重流之監測

時域反射技術 (TDR) 應用於石門水庫異重流之監測 (Density Current Monitoring in Shihmen Reservoir Using Time Domain Reflectometry)
國立中央大學土木工程學系助理教授 鐘志忠

臺灣於颱風或豪大雨期間，山坡地容易產生地表土壤沖蝕 (Erosion) 與坡地崩塌 (Landslide)，造成大量的土石進入河川後被運移至下游水庫內，導致水庫淤積 (Sedimentation) 問題，以石門水庫為例，目前淤積量已佔水庫容量約三分之一。延長石門水庫操作壽命，減緩入庫泥砂淤積已刻不容緩。

現有主要減少泥砂淤積方法中，最有效應屬水力排砂 (Sediment Sluicing)。水力排砂首要配合作業為監控水庫庫區上游邊界（如桃園市復興區羅浮地區）泥砂濃度隨水流進入水庫之時間分佈，此一泥砂濃度一般指受水流而可懸浮於水中之泥砂固體顆粒，稱做「懸浮泥砂濃度 (Suspended Sediment Concentration, SSC)」；第二作業則是持續監控庫區內懸浮泥砂或是異重流 (Turbidity Currents or Density Currents) 之運移行為，如此一來才可提供水庫管理單位進行水庫排洪設施操作，用水力方式將泥砂排出水庫，以有效留住清水，達成「蓄清排渾」之目標。

上述之懸浮泥砂濃度監測，其技術需要幾項必要條件，才可達到蓄清排渾目的。第一，由於颱風期間環境惡劣，人力無法長時於水庫周圍以及庫區進行泥砂濃度觀測，因此需以自動化 (Automatic) 監測技術進行定時監控，並利用無線傳輸 (Wireless)，將資料即時 (Real time) 回傳至管理中心；第二，此一監測技術需於有限經費下有效涵蓋空間上不同位置，包含水庫上游至下游，以及不同水深之監測需求，如此才可掌握懸浮泥砂或是異重流於空間上之分佈與運移行為；第三，此監測技術需提供高泥砂濃度量測範圍（至少 1～10 萬 ppm），並且不受泥砂粒徑影響，以能準確掌握泥砂含量。最後，此一技術相關監測設施必須堅固且容易維護，即使感測設備損壞，也可以低成本恢復作業。

基於上述監測需求，水利署於 2004 年之後便長期支持時域反射技術 (Time Domain Reflectometry, TDR) 於懸浮泥砂濃度監測研發，並於 2008 年開始石門水庫懸浮泥砂濃度自動化監測建置與擴充改善直至今日。

TDR 為一電磁波量測技術，其系統如圖一所示，包含一電磁波產生主機（Step Generator，內含波形擷取器 (Sampler) ），類似雷達原理，將電磁波送至傳輸同軸纜線 (Coaxial cable) 與感測器 (Probe)，在感測器內量測電磁波於混水之傳遞時間 $$(\Delta t)$$ 或速度（需利用電腦或示波器 (Oscilloscope) 進行分析），藉以評估混水內懸浮泥砂濃度。TDR 可基於單一主機進行多點分工 (Multiplexing)，感測器堅固且建置成本低，透過相關研究已證實 TDR 泥砂濃度量測不受泥砂粒徑影響，量測精度約為 1000 ppm，量測範圍適用於中高泥砂濃度環境。

圖一 TDR 量測系統。(Chung and Lin, 2011)

圖二顯示利用 TDR 技術於石門水庫羅浮地區、水庫庫區上中下游浮台，以及下游水庫排放口之監測配置。其中羅浮地區為河道地形，為掌控懸浮泥砂濃度入流情形，相關研究於河道護岸以及河道主深槽建置 TDR 觀測設備（另也包含人工幫浦觀測系統），以利評析空間上懸浮泥砂濃度分佈及推估總入庫砂量；水庫庫區不同位置之浮台監測系統，均包含至少八組不同深度之 TDR 感測器，可於颱風期間掌控懸浮泥砂濃度分佈或是異重流之行為。

圖三為 2013 年蘇力 (Soulik) 颱風期間 S7 浮台泥砂濃度監測結果，主要呈現監測過程 (Elapse time) 於不同水深高程 (Elevation) 所得到之 SSC 觀測值，透過此一監測結果可掌握異重流濃度、厚度以及運移型態，配合庫區上中下游多個測站之異重流抵達時間，可估計異重流速度。如此一來可提供管理單位水力排砂操作依據。例如圖二經過 40 小時監測後，發現泥砂開始於水庫底部累積（超過四萬 ppm），因此石門水庫管理單位於第 100 小時進行排砂隧道開啟，即可快速將累積泥砂帶出水庫以外。基於下游各排放口之泥砂濃度觀測結果，蘇力颱風觀測期間，其入庫總砂量估計為 921.88 萬噸（乾重），觀測期間排放總砂量為 323.01 萬噸，比對入庫與出庫砂量，概估囚庫總砂量為 598.87 萬噸，泥砂量排放比為 35%。

圖二 石門水庫 TDR 懸浮泥砂濃度自動化監測（水利署水利規劃試驗所，2015a）

圖三 2013 年蘇力 (Soulik) 颱風期間 S7 浮台泥砂濃度監測結果（水利署水利規劃試驗所，2014）

目前此一系統持續提供颱風期間懸浮泥砂濃度監測，除上述即時回饋管理單位蓄清排渾操作外，相關資料也可歸納異重流形成要件與運移行為，也能作為上游集水區崩塌地與泥砂產量關係參考，以及相關輸砂模式研究之率定與驗證使用。

參考文獻

1. Chung, C.-C. and Lin, C.-P., (2011). High Concentration Suspended Sediment Measurements using Time Domain Reflectometry. Journal of Hydrology, 401, 134-144.
2. 水利署 (2015)。河川含砂濃度全洪程觀測與含砂濃度歷線推估模式建構 (2/2)。
3. 水利署水利規劃試驗所 (2014)。石門水庫長期監測計畫與防淤操作模擬分析 (2/2)。
4. 水利署水利規劃試驗所 (2015a)。石門水庫颱洪期間泥砂運移長期監測。
5. 水利署水利規劃試驗所 (2015b)。水庫泥砂監測技術研發及現場測試評估-以石門水庫為例。
6. 水庫淤積嚴重怎麼辦？（一）異重流與水力排砂｜科學 Online。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=55027
7. 水庫排砂操作｜科學 Online。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=65142