TWI497038B - 多功能河川水文自動量測系統 - Google Patents

Description

多功能河川水文自動量測系統

本發明係關於一種河川水文的量測，特別指一種多功能河川水文自動量測系統。

在整個颱風洪水過程中(以下簡稱為全洪程)量測水文參數，如：水位、水流流速、河床面高程、水流含砂濃度等，是河川洪水預警及其它構造物如橋梁安全預警系統等之基礎。但是目前除水位外，其它水文參數量測多以人工方式進行。

以量測河床面高程為例，傳統方法係以繩索或鋼索綁一重物，再由操作人員垂放入水中直至河底，由橋面高程扣除繩索長度即得河床面高程。但繩索或鋼索易隨風晃動且不完全垂直河面，會有一弧度，因此放出之繩索長度會超過實際垂直距離。尤其在颱風期間，受風力及水流沖擊影響，繩索或鋼索之弧度更大，測量誤差也隨著增大。

在實際操作過程中，因颱風期間風雨交加，且洪水水流強勁，在考量人員安全或者在橋梁封閉的情況下，難以全天候實施人工觀測，導致錯失尖峰流量通過的時刻，對於洪水預警以及事後分析檢討幫助有限。

雖然目前河川管理單位正嘗試恢復推動全洪程觀 測，惟受限於人力及設備，單次人工觀測的時間通常為2小時以上(單次觀測通常要施作4至5條測線)，每日能得到的數據組數有限；此外夜間、豪雨會導致視線不佳，對人員安全及觀測準確性有莫大影響，因此亟需一套自動化系統來取代人工觀測方法。

本發明之主要目的，係提供一種多功能河川水文自動量測系統，包含：一水位計，應用電波或音波的發射及反射計算該水位計到水面的距離，再以水位計所在位置的高程扣除距離即得水面高程(即水位)；一流速計，應用電波或音波以都普勒原理量測水面流速；一重錘探測器，由重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速計構成：水壓計，應用水壓量測得到水深；泥砂濃度計，利用音波都普勒原理量測泥砂濃度；流速計，利用旋杯式或旋槳式或電阻式散熱速率原理量測各種水下深度之流速。泥砂濃度計、流速計與水壓計同時運作可得到不同水深位置之泥砂濃度及流速。當水壓計沉到河床面時，量到的水深即為水面到河床面的距離，再由前面得到的水面高程(即水位)扣除距離即得河床面高程。由不同時刻得到的河床面高程相比較即得到河床沖刷(或淤積)深度。

本案的多功能河川水文自動量測系統之一實例的詳 細架構包含一支撐架，該支撐架位於橋面下，有一立板連接橋面板下方；立板下為一平板；該支撐架用以固定所有量測單元；一防水鐵箱，該防水鐵箱位於支撐架之平板上方，該防水鐵箱內含：一訊號處理器及資料儲存設備位在該防水鐵箱內，該訊號處理器及資料儲存設備可在設定時間內，發出訊號使各種量測儀器分別量測出水位及水流表面流速等；一捲揚機位在該防水鐵箱內，且包含一鋼索，至少一防水電線(傳輸訊號)及至少一滑輪；其中該鋼索延伸出防水鐵箱，用以吊放一中空圓柱型重錘探測器；該鋼索外繞防水電線，該電線則用於傳輸各種量測儀器的訊號至訊號處理器；該鋼索可以升降，所以可取得在不同水深的水文參數資料；一水壓計，該水壓計位於中空圓柱型重錘探測器之中空空間內，用於量測水壓，利用公式轉換即可得到水壓計所在位置之水深；其中該中空圓柱形重錘係位於鋼索之末端，該中空圓柱形重錘之中空空間內含水壓計，用於將水壓計沉入水中並到達河床，當該中空圓柱形重錘沉入水中，內含的水壓計開始量測水壓，水壓經公式轉換後即得水壓計所在位置之水深；當該中空圓柱形重錘到達河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達到固定值來判斷該中空圓柱形重錘是否到達河床。

有關本案創作為達目的所運用之技術手段，茲謹再配合圖式一，二及三所示之實施例，詳細說明本案之如下：本案主要是提出一種多功能河川水文自動量測系統，包含一水位計，應用電波或音波的發射及反射得水位；一流速計，應用電波或音波以都普勒原理量測水面流速；一重錘探測器，由重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速計構成：水壓計，應用水壓量測得到水深；泥砂濃度計，利用音波都普勒原理量測泥砂濃度；流速計，量測各種水下深度之流速。泥砂濃度計、流速計與水壓計同時運作可得到不同水深位置之泥砂濃度及流速。當水壓計沉到河床面時，量到的水深即為水面到河床面的距離，再由前面得到的水面高程(即水位)扣除距離即得河床面高程。由不同時刻得到的河床面高程相比較即得到河床沖刷(或淤積)深度。

本案之多功能河川水文自動量測系統之結構，如圖一所示，包含：一支撐架10，該支撐架10位於橋面下，該支撐架10包含一立板11連接橋面板下方，立板11下為一平板12，平板12上有一防水鐵箱20，平板12下方則安放一水位計30及流速計40。該支撐架10用以固定所有量測單元。

一防水鐵箱20，該防水鐵箱20位於支撐架10之平板 12上方，內含：訊號處理器21、資料儲存設備22、通訊設備23、捲揚機24、鋼索25、防水電線(傳輸訊號)26及滑輪27。該防水鐵箱20內之訊號處理器21及資料儲存設備22可由一部輕便型電腦完成。而該防水鐵箱內20之捲揚機24連接一鋼索25，該鋼索25延伸出防水鐵箱20，用以吊放中空圓柱型重錘50及超音波式泥砂濃度量測計60。

其中該鋼索25一端連接該防水鐵20箱內之捲揚機24，另一端延伸出該防水鐵箱20並垂下用以吊放該中空圓柱形重錘50。該鋼索25外繞防水電線26，該電線26則用於傳輸泥沙濃度量測計60及水壓計55訊號至訊號處理器21。因為該鋼索25可以升降，所以可取得不同水深的水流含砂濃度。

一訊號處理器21及資料儲存設備22，該訊號處理器21及資料儲存設備22可在設定時間內，發出訊號使水位計30、流速計40分別量測出水位高度及水流表面流速。同時，訊號處理器21發出訊號啟動捲揚機24，放出鋼索25、防水電線26、中空圓柱形重錘50、水壓計55及泥砂濃度量測計60。該訊號處理器21可自行設定時間間距自動量測水文參數，並將資料儲存於資料儲存設備22中。且因為利用電腦控制量測，所以無人員操作安全之顧慮，量測準確性高於人工方式，且不受天候、夜間視線不良或 橋梁封閉之影響。

本案中的通訊設備23可以是有線及無線的連接，用於將相關訊號處理器及資料儲存設備連接到遠端的控制端，所以使用者可以進行遠端的遙控及資料傳送、分析等。人員無需在現場，甚至能以行動裝置如平板電腦等控制儀器進行量測任務。

一水位計30，該水位計30位於支撐架10之平板12下方，與支撐架10之立板11對齊，該水位計30為一超音波或雷達波式水位計，利用發出及反射之訊號來測得水面高程。

一流速計40，該流速計40位於支撐架10之平板12下方，該流速計40為一雷達波式或影像追蹤式流速計，利用發出及反射之訊號或影像比對來測得水流表面流速。

該中空圓柱形重錘50位於鋼索25之末端，用於將水壓計55、泥砂濃度量測計60沉入水中並到達河床，該中空圓柱形重錘50之中空空間內含水壓計55。當該中空圓柱形重錘50沉入水中，內含的水壓計55開始量測水壓，水壓經公式轉換後即得水壓計55所在位置之水深。當該中空圓柱形重錘50到達河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達到固定值來判斷該中空圓柱形重錘50是否到達河床。

該水壓計55位於中空圓柱形重錘50之中空空間內， 用於量測水壓，利用公式轉換即可得到水壓計55所在位置之水深。

一泥沙濃度量測計60，該泥沙濃度量測計60位於鋼索25之末端，中空圓柱形重錘50之上方，為一超音波式泥沙濃度量測計，另外可視需要加裝電阻式流速計。

本案中在該中空圓柱形重錘50處尚可加裝電阻式散熱速率原理流速計，配合水壓計55的水深讀數，則能得到垂直剖面的水流流速分佈，對計算平均流速、流量、輸砂量等，能得到更精確的結果。

因本系統採模組化設計，可視當地條件取消部分模組。例如某些橋梁已設有水位計30，故不必重覆裝設水位計30。又例如受限於經費因素，可取消泥砂濃度量測計60等，如圖三所示者。惟本系統之水力參數計算方法及邏輯等，為本發明創新之主要部分，不應受部分模組被取消而受影響。

本發明係利用電腦控制水文之量測，利用訊號處理器設定在一定時間內，啟動捲揚機，放出鋼索、防水電線、泥砂濃度量測計、水壓計、中空圓柱形重錘，以及使水位計及流速計分別測出水位高程及水流表面流速。當重錘沉入水中，內含的水壓計開始量測水壓，水壓經公式轉換後即得水壓計所在位置之水深。當重錘到達河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達到固定值來判斷重錘是否到 達河床。由水壓固定值可決定當時總水深(指河床面至自由水面之水深)。將水位計所量取之水位高程扣除總水深後，即可得當時河床面高程，由前、後時間量測之河床面高程相減，即可得到當時河床面沖(淤)深度。中空圓柱形重錘上方之泥砂濃度量測計沉入水中後，同時與水壓計開始量測泥砂濃度。藉由水壓計與泥砂濃度量測計之數據時間比對，可得到不同水深(度)之泥砂濃度值。此對學術研究提供重要參考。

本系統優點為1.能自行設定時間間距自動量測水力參數。2.無人員操作安全顧慮，量測準確性高於人工方式，且不受天候、夜間視線不良或橋梁封閉之影響。3.能即時獲得量測結果並回報，不需人工計算後再彙整回報。4.能遠端遙控，人員無須在現場，甚至能以行動裝置如平板電腦等控制儀器進行量測任務。5.因為能即時取得河床面高程，因此更能精確地利用「斷面流速法」量測流量。6.能即時取得不同水深的水流含砂濃度，相較於目前僅能以人工方法取水樣後送實驗室分析，並且多僅能採集水面下20%水深處之含砂濃度而言，大幅改善方便性及時效性。7.如加裝電阻式流速計，配合水壓計的水深讀數，則能得到垂直剖面的水流流速分佈，對計算平均流速、流量、輸砂量等，能得到更精確的結果。8.本系統的重錘探測器雖有鋼索連結至捲揚機，但鋼索僅用於垂放重錘探測器，其 長度不用於高程計算內，因此即使風吹及水流使鋼索成一弧度，亦不影響高程計算，此為本系統與傳統河床面高程量測方式最顯著不同之處，且明顯優於傳統方式。

綜上所陳，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧支撐架

11‧‧‧立板

12‧‧‧平板

20‧‧‧防水鐵箱

21‧‧‧訊號處理器

22‧‧‧資料儲存設備

23‧‧‧通訊設備

24‧‧‧捲揚機

25‧‧‧鋼索

26‧‧‧防水電線

27‧‧‧滑輪

30‧‧‧水位計

40‧‧‧流速計

50‧‧‧中空圓柱形重錘

55‧‧‧水壓計

60‧‧‧泥砂濃度量測計

第一圖為本案之完整設計的示意圖。

第二圖為本案之防水鐵箱的細部元件示意圖。

第三圖為本案之簡化設計的示意圖。

10‧‧‧支撐架

11‧‧‧立板

12‧‧‧平板

20‧‧‧防水鐵箱

25‧‧‧鋼索

26‧‧‧防水電線

30‧‧‧水位計

40‧‧‧流速計

50‧‧‧中空圓柱形重錘

55‧‧‧水壓計

60‧‧‧泥砂濃度量測計

Claims (10)

1. 一種多功能河川水文自動量測系統，包含：一水位計，應用電波或音波的發射及反射計算出該水位計到水面的距離；以及一水壓計，應用水壓的量測得到水面到河床的距離；由水位計所在位置之高程，扣除水位計到水面及水面到河床的距離，即得到河床的高程。
2. 一種多功能河川水文自動量測系統，包含：一支撐架，該支撐架位於橋面下，有一立板連接橋面板下方；立板下為一平板；該支撐架用以固定所有量測單元；一防水鐵箱，該防水鐵箱位於支撐架之平板上方，該防水鐵箱內含：一訊號處理器及資料儲存設備位在該防水鐵箱內，該訊號處理器及資料儲存設備可在設定時間內，發出訊號使各種量測儀器分別量測出水位高度及水流表面流速等；一捲揚機位在該防水鐵箱內，且包含一鋼索，至少一防水電線(傳輸訊號)及至少一滑輪；其中該鋼索延伸出防水鐵箱，用以吊放一中空圓柱型重錘；該鋼索外繞防水電線，該電線則用於傳輸各種量測儀器的訊號至訊號處理器；該鋼索可以升降，所以可取得不同水深的資料；以及 一水壓計，該水壓計位於中空圓柱形重錘之中空空間內，用於量測水壓，利用公式轉換即可得到水壓計所在位置之水深。
3. 如申請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測系統，其中該中空圓柱形重錘係位於鋼索之末端，該中空圓柱形重錘之中空空間內含該水壓計，用於將水壓計沉入水中並到達河床，當該中空圓柱形重錘沉入水中，內含的水壓計開始量測水壓，水壓經公式轉換後即得水壓計所在位置之水深；當該中空圓柱形重錘到達河床，水壓即不再變化，因此可由水壓是否達到固定值來判斷該中空圓柱形重錘是否到達河床。
4. 如申請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測系統，尚包含：一泥沙濃度量測計，該泥沙濃度量測計位於鋼索之末端，中空圓柱形重錘內部之上方。
5. 如申請專利範圍第4項之多功能河川水文自動量測系統，其中該泥沙濃度量測計為一超音波式泥沙濃度量測計。
6. 如申請專利範圍第5項之多功能河川水文自動量測系統，尚包含一流速計；配合水壓計的水深讀數，則能得到垂直剖面的水流流速分佈，對計算平均流速、流量、輸砂量等，能得到更精確的結果。
7. 如申請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測 系統，尚包含：一流速計，該流速計位於支撐架之平板下方，該流速計為一雷達波式或影像追蹤式流速計，利用發出及反射之訊號或影像比對來測得水流表面流速。
8. 如申請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測系統，尚包含：一水位計，該水位計位於支撐架之平板下方，與支撐架之立板對齊。
9. 如申請專利範圍第8項之多功能河川水文自動量測系統，其中該水位計為一超音波或雷達波式水位計，利用發出及反射之訊號來測得水面高程。
10. 如申請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測系統，尚包含一通訊設備與該訊號處理器及資料儲存設備連接，以有線或無線的方式將該訊號處理器及資料儲存設備連接到遠端的控制端，所以使用者可以進行遠端的遙控及資料傳送，分析。