流速儀比較與林邊溪流量量測

江介倫，楊翰宗，呂育軒，吳佳穎，簡志耿

（1.屏東科技大學 水土保持系，臺灣 屏東912；2.樹德科技大學 休閑事業(yè)管理系，臺灣 高雄824）

臺灣地勢陡峻，河川短促，造成河川流量變化大，因而河川水文資料的觀測、搜集、調(diào)查工作格外困難，水文基本資料系水資源開發(fā)利用、防災預警及水利工程規(guī)劃設計最重要之規(guī)劃依據(jù)，而流量觀測一直是臺灣水文技術(shù)上亟待突破之課題[1]。河川流量是研究水文現(xiàn)象的主要因子之一，目前較常使用的流速儀大多為機械式的，故取電磁式流速儀、超聲波數(shù)位流速儀及旋杯式流速儀，分別比較機械式和非機械式的儀器實測差別和實用性。

河川的通水斷面積、流速、流量、河川深度及河道寬度等會因豐水期與枯水期變化量大，每條河川皆有不同的特性，藉由實地測量之數(shù)據(jù)，進而分析林邊溪來義大橋附近之流量與通水斷面積、河川深度及河道寬等的關系式，以提供水利工程做為參考數(shù)據(jù)。

1 研究背景

流速測量一直是水利工作中很重要的一環(huán)，楊翰宗等人[2]利用手持式聲波杜普勒流速儀和旋杯式流速儀進行低水位時期之流量測定，比較兩種量測儀器的優(yōu)缺點及其所測得之流量，顯示手持式聲波杜普勒流速儀可準確測得流量，且儀器攜帶以及安裝非常便利，并可大幅縮減整個流量的量測時間。許盈松等人[3]曾分別針對旋杯式流速儀與旋槳式流速儀，依據(jù)ISO3455規(guī)范進行校正試驗工作，并對量測值進行回歸分析、器差分析及不確定度分析。歸納評估此兩種常用轉(zhuǎn)子式流速儀之器差及不確定度分析差異，可明顯看出旋杯式流速儀在流速低于0.5m／s條件下之靈敏度及器差表現(xiàn)皆較佳。黃宏斌等人[4]針對電波流速儀與旋葉式或電磁式流速儀于渠槽試驗中測出之表面流速，利用所測得之水流點流速值進行分析，得到電波流速儀觀測清水流況下的河川之修正系數(shù)，以及平均流速與表面流速間之回歸關系式。謝志能[5]收集曾文溪及高屏溪主流及其支流上水文站的實測流量資料，所收集之資料為流量及河道相關斷面資料進行分析，得到流量和斷面積在河川自然的沖淤下，仍符合流體力學的連續(xù)方程序；自然河床屬動床，故在河床沖淤變動下，流量與水面寬度、水力深度之相關性較差。王瑞德[6]探討人工渠道及自然河道的水力半徑R及水力深度D 之比值α（R／D）。以曾文溪及高屏溪為例，分析自然河道α值的特性，其曾文溪α值為0.70～0.95，高屏溪α值為0.80～0.95。

2 量測方法

2.1 流速量測方法分類

流速測量依接觸水體與否主要可以分為接觸式與非接觸式[7]。（1）接觸式。流速計最常使用的螺旋流速計是普來式流速計（Price current maters），通常以一點法或二點法量測平均流速，量測時可由橋梁上、船上或架設索道施測，每一點量測至少須超過40 s；浮標量測法適用于多數(shù)的洪水流況，水流急且氣候惡劣，流速計難以施測的情況下，利用浮標量測水面流速計算平均流速的方式；聲波都卜勒流速剖面儀主要是依據(jù)都卜勒原理，利用聲頻偵測水體中隨水流移動之懸浮微粒散射回波的頻移，以量測水中流速，同時經(jīng)由底床回波反射量測水深。

（2）非接觸式。流速影像量測方法是依據(jù)影像擷取器架設的位置可分為衛(wèi)星航照、航空攝影及地面攝影等，一般衛(wèi)星航照由于高解析度影像不易取得且機動性不足所致，衛(wèi)星影像在洪水量測上大多應用于淹水區(qū)的量測與分析，而用于水面流場量測主要是利用航空與地面攝影兩種方式；微波雷達表面流速儀是使用連續(xù)波雷達做為量測機制，通?？蓪⑵浼茉O于橋梁上量測水面速度。但由于其僅能從事單一固定測點的速度量測，經(jīng)由率定橫向及垂向平均流速之轉(zhuǎn)換系數(shù)，計算斷面平均流速與流量。

2.2 流量計算法

流量計算一般有中斷面法與平均斷面法，本研究采用平均斷面法估算流量。此法系將河川分為數(shù)個斷面，其水深分為d1，d2，d3，…，寬度為b1，b2，b3，…，各斷面平均流速為v′n＝（vn＋vn＋1）／2，則通過河川斷面之流量即為各部分流量之總和。

3 儀器介紹

研究所使用三臺儀器之特性如表1所示。

表1 儀器之特性

3.1 電磁式流速儀（簡稱FP111）

量測時將螺旋槳放入水中，水流帶動渦輪使摩擦很小的軸轉(zhuǎn)動，旋葉上的磁性金屬在渦輪轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生電信號脈沖，通過轉(zhuǎn)換裝置可以將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成水流速度并顯示在手柄屏幕上（圖1）。

3.2 超聲波數(shù)位流速儀（簡稱ADC）

ADC發(fā)出一超聲波，而這個超聲波將被水中的懸浮顆粒反射。通過DSP（數(shù)位信號處理器）處理，反射后的回聲圖像取決于粒子大小與形狀。再過一段短的時間間隔后，儀器發(fā)出第二超聲波，第二幅回聲圖像亦相同處理。

根據(jù)DSP的量測相位，利用交叉關系方法（Cross Correlation Method）比對兩個時間差的反射圖像，這種方法隨著時間位移，去除所有不同的訊號，保留兩幅相似的圖像，用于計算水流速度并顯示于LCD屏幕上（圖2）。ADC的量測點，位于量測探頭前端，大約10～15cm的距離處。

3.3 旋杯式流速儀（Price type AA meter）

旋轉(zhuǎn)杯受流水沖擊而轉(zhuǎn)動，其回轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)由發(fā)數(shù)位計數(shù)器顯示，并配合所經(jīng)時間之量測，最后根據(jù)流速與轉(zhuǎn)速公式求得水流流速（圖3）。

公式一般表示為：V＝aN＋b，其中V＝流速（m／s）、N＝旋杯旋轉(zhuǎn)次數(shù)（r／s）、a及b為率定常數(shù)，而率定后之常數(shù)與計算公式為：V＝（2.2048 N＋0.0178）×0.3048＝0.672 N＋0.0054

圖1 電磁式流速儀

圖2 超聲波數(shù)位流速儀

圖3 旋杯式流速儀

4 研究區(qū)概況

林邊溪位于屏東縣境內(nèi)，東經(jīng)120°28′—120°40′，北緯22°20′—22°30′，河長約42.19km。流域面積約336.30km2，發(fā)源于中央山脈之南大武山西南麓，主要支流包含瓦魯斯溪、大后溪、來社溪、尖刀尾溪、七佳溪、力力溪等，主流流經(jīng)泰武鄉(xiāng)、來義鄉(xiāng)、新埤鄉(xiāng)、佳冬鄉(xiāng)、林邊鄉(xiāng)，在佳冬鄉(xiāng)和林邊鄉(xiāng)交界流入臺灣海峽。本次研究區(qū)域選定在來社溪與林邊溪之交接處，位于來義鄉(xiāng)來義大橋附近，現(xiàn)地狀況如圖4所示。

圖4 來義大橋下游河床現(xiàn)況

5 結(jié)果與分析

于林邊溪同時間同測點ADC與FP111，測得11場之平均流速比較，F(xiàn)P111所測數(shù)值較ADC大，見圖5，以ADC所測流速為基準，其平均誤差率為8.17%。

利用2010年8月到2011年2月共實測22場流速實測數(shù)據(jù)計算出濕周（P）、河道斷面積（A）、水力半徑（R）、水面寬度（T）、水力深度（D）和流量（Q），分別比較其相關系式，以及的R／D＝α值之趨勢，流量計算方法取平均斷面法計算，因其與實際地形頗為相符且準確性較高。而林邊溪之α值（R／D）之趨勢如圖6所示，皆大于0.9。

圖5 ADC與FP111流速比較

圖6 流量與α值的關系

圖7 流量分別與（a）通水斷面積（b）水面寬度及（c）水力深度的關系

而流量Q與通水斷面積A之關系如圖7a顯示流量Q與通水斷面積A之相關性非常良好，判別系數(shù)R2高達0.9434。圖7b顯示流量Q與水面寬度T之關系，當流量Q＞10cm／s時以后，流量Q與水面寬度T之測點開始散亂，相關性有越來越差趨勢。圖7c顯示出流量Q＞10cm／s以后，流量Q與水力深度D之相關性有越來越差趨勢，此與流量Q和水面寬度T之關系相似。

6 結(jié)論

（1）α值（R／D）和流量Q 大約在0.911～1之間，而流量Q＜10cm／s時，α值非常趨近于1，當流量Q＞10cm／s時，α值大約在0.91～0.96，當?shù)弥訑嗝姒林蹬c較易量測的水面寬度T，則濕周可由P＝T／α推算出。

（2）流量Q與通水斷面積A有極高的關系性（R2＝0.9434）符合Q＝AV之物理特性。Q，T之關系式與Q，D之關系式都有流量Q＞10cm／s時以后，相關性有越來越差的趨勢，故流量Q＞10cm／s時水面寬度T及水力深度D的改變量較大。

（3）一般機械式儀器進行低水位量測時，螺槳常因為流速太小導致無法克服磨擦力而轉(zhuǎn)動，或被一些小石子卡住螺槳不能轉(zhuǎn)動，而影響儀器量測之精度。

（4）超聲波數(shù)位流速儀水深只要可以淹沒量測探頭，即可進行流速之量測，應用于淺水測量流速為相當實用之儀器；高水位高流速時為考量測量人員之安全性，以垂吊方式量測的旋杯流速儀為首選 。

（5）整個實測紀錄中，當水流流速非常微小的時候（即流速為0.01m／s時），只有ADC依舊可將這些微流速量測出來。

（6）整體比較下超聲波數(shù)位流速儀穩(wěn)定性良好、量測精度高且在量測探頭下有壓力計可直接由顯示屏幕上讀取水深操作簡易方便等特性，明顯的超聲波數(shù)位流速儀優(yōu)于機械式的電磁式流速儀及旋杯流速儀。

[1]許盈松，劉杰立，張國強.流量觀測不確定度評估：以濁水溪溪洲大橋站為例[J].臺灣水利季刊，2004，52（1）：72－82.

[2]楊翰宗，陳彥章，郭振泰，等.應用手持式聲波杜普勒流速儀量測低水位時之流量[J].臺灣水利，2008，55（4）：21－32.

[3]許盈松，蔡俊鋒，周湘俊，等.旋杯式與旋槳式流速儀觀測特性分析研究[J].中華水土保持學報，2007，38（2）：185－194.

[4]黃宏斌，謝孟荃，電波流速儀與旋葉式流速儀于清水流之流速觀測研究[J].中華水土保持學報，2007，36（1）：69－88.

[5]謝志能.曾文溪及高屏溪流量關系式之研究[D].臺灣臺南：成功大學，2003.

[6]王瑞德.水力半徑和水力深度比值之研究[D].臺灣臺南：成功大學，2003.

[7]李明靜.河川表面流速與流量非接觸式量測方法之發(fā)展及應用[D].臺灣臺南：成功大學，2003.