TWI400434B - 泥沙濃度測量方法及其系統 - Google Patents

Description

泥沙濃度測量方法及其系統

一種濃度測量方法，尤其是有關一種泥沙濃度的測量方法及其系統。

在地形高低起伏大的地區，泥沙問題較為嚴重，而流體中泥沙濃度的測量，在水利水電工程建設、水文觀測預報、土壤侵蝕研究、水土流失治理、上游泥沙崩塌與下游淤積關係的研究、甚至土石流的預防等等的領域中，扮演著很重要的角色。

一般傳統之泥沙含量濃度的量測，是用實地取樣，擷取一定量的泥沙樣本，經過處理、烘乾、稱重，在計算求得泥沙濃度，這種實地採樣的測量方式所測出之泥沙濃度數值的正確性，有很大一部份取決於採樣所得之泥沙樣本的代表性，而且其測量所花費的時間長、操作過程繁瑣、勞動力消耗大，實地採樣的危險性也高，更不用說在颱風或土石流發生的期間，根本就無法進行實地的取樣，也就無從得知即時動態的泥沙濃度數值變化等等。

習知泥沙濃度測量的方式確實有其侷限性，以及有浪費資源和效率不佳的疑慮，因此泥沙量測方式的改良確實有其必要性。

藉由在欲測量待測泥沙流之泥沙濃度的地區，設置壓力測量單元以及液面高度測量單元，來偵測某區域待測泥沙流之泥沙壓力和泥沙液面高度，而依據所測量而得之泥沙壓力和泥沙液面高度，經過運算處理，即可得知待測地區流體的泥沙濃度數值。如此便不需實地取樣，也不需進行冗長的操作才得到待測泥沙流體的泥沙濃度，達到去除實地取樣所造成的危險、提昇測量的效率並減少資源浪費之目的。

為了達到上述目的，根據本發明的一方案，提供一種泥沙濃度測量系統，應用於一泥沙流的量測，系統中包括了一第一壓力測量單元、一液面高度測量單元以及一處理單元。其中第一壓力測量單元可以是一個壓力式水位計，設置於泥沙可能淤留的地區(像是攔沙壩附近)，或是泥沙流可能流經之地區(像是可能發生土石流的地區、坡度陡的河道等等)，當泥沙流覆蓋於第一壓力測量單元上時，便測量當時的壓力作為該泥沙流的一第一泥沙壓力，並將數據傳送給處理單元。

而液面高度測量單元可以是一個雷達波水位計，同樣設置於泥沙可能淤積或是流經的區域的上方，利用雷達波碰到空氣與泥沙流之交界面所產生的反射現象，來偵測泥沙流的一泥沙液面高度，並將所得之數據傳送至處理單元。最後處理單元接收到第一泥沙壓力以及泥沙液面高度的數據後，便依據第一泥沙壓力以及泥沙液面高度，運算得出泥沙流的一泥沙濃度。

又，根據本發明的另一方案，提供一種泥沙濃度測量方法，應用於一地區的一泥沙流量測，步驟包括有：首先，提供第一壓力測量單元(例如壓力式水位計)以及液面高度測量單元(例如雷達波水位計)，並將兩者預先設置於欲測量泥沙濃度的地區，像是攔沙壩附近、河道，甚至是土石流流道等。

接著在欲測量的時間點，第一壓力測量單元就測量泥沙流的一第一泥沙壓力，然後透過有線或是無線的網路，將其傳送至處理單元，而液面高度測量單元在實質上同一時間，同時測量出當時該泥沙流的一泥沙液面高度，也同樣透過無線或是有線的網路將數據傳送至處理單元。最後，處理單元便依據所接收到的同一時間之第一泥沙壓力以及泥沙液面高度，運算得出該泥沙流在該時間點的一泥沙濃度。

利用預先設置之壓力測量單元和液面高度測量單元，來量測泥沙流的液面高度以及泥沙壓力，接著再經過處理運算，便可以得知泥沙流即時動態的泥沙濃度，提昇泥沙濃度測量的效率，並避免實地採集泥沙樣本所可能發生的危險。

以上之概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明本發明之技術手段與達成功效，然所敘述之實施例與圖式僅提供參考說明用，並非用來對本發明加以限制者。

藉由預先設置之設備來量測泥沙流的壓力以及液面高度，來運算得出待測泥沙流之即時動態的泥沙濃度，避免實地採取泥沙樣本所可能發生的危險，並提昇測量的效率，以及減少不必要的資源與人力的消耗。

請參閱第一圖，為泥沙濃度測量系統的一種實施例之方塊圖，包含有一處理單元11、一第一壓力測量單元13、一液面高度測量單元15、以及一第二壓力測量單元17。處理單元11是透過有線或是無線的網路21來與第一壓力測量單元13、液面高度測量單元15、以及第二壓力測量單元17進行資料訊號的傳送與接收。

其中第一壓力測量單元13可以是任何能夠測量流體壓力的裝置，像是土壓計、水壓計或壓力式水位計等等，設置於泥沙可能淤留的地區(像是攔沙壩附近)，或是泥沙流可能流經之地區(像是可能發生土石流的地區、坡度陡沖刷嚴重的河道等等)，當泥沙流覆蓋於第一壓力測量單元13上時，便測量當時的壓力作為一第一泥沙壓力，並將數據傳送給處理單元11進行後續處理。

而在第一壓力測量單元13測量壓力時，液面高度測量單元15也同時測量泥沙流的一泥沙液面高度，並將數據傳送至處理單元11作處理。液面高度測量單元15可以是任何可以測知流體液面高度之裝置，如雷達波水位計就是透過測量所送出之雷達波因為碰觸空氣與流體交界面處發生反射所經過之時間，來計算得出流體的液面高度。而液面高度測量單元15同樣設置於泥沙易淤積處，或是泥沙流流經之處，來測量待測泥沙流體之液面高度。

另外，泥沙濃度測量系統可以增設第二壓力測量單元17，甚至是複數個校準壓力測量單元，來作所測到之第一泥沙壓力的數據準確度判斷以及校正，同樣可以為土壓計、水壓計或是壓力式水位計等能夠測量流體壓力的裝置。

第二壓力測量單元17所測到的第二泥沙壓力，或是另外複數個校準壓力測量單元所測到之校準泥沙壓力，同樣會傳送到處理單元11。處理單元11將所接收到之第二泥沙壓力與該第一泥沙壓力作比較，看數據相差是否在一容許誤差範圍之內(比如說相差不到一個百分比)，若是，則處理單元11便認定該量測到之第一泥沙壓力為可信之數據。或者，處理單元11將所接收到之所有的泥沙壓力(包含第一泥沙壓力以及該些校準泥沙壓力)去除過大或是過小等不合理之數值(比如說超過一第一預設壓力，或是小於一第二預設壓力的數值，其中第一預設壓力大於第二預設壓力)，並將剩餘之泥沙壓力數據作平均，以得出較可信的校正後之泥沙壓力數據，提昇量測的準確度。

而處理單元11在接收到泥沙液面高度以及校正過後之泥沙壓力之後，便將兩者經過處理運算，得出該泥沙流的泥沙濃度，完成泥沙濃度的偵測。運算的公式可以如下所示：

p=[(γ_s -γ_w )C_d +γ_w ]h

上述算式中p即為所測得之泥沙壓力；h即為所測得之泥沙液面高度；γ_s 為土粒單位重量，通常是使用統計估計值2.65，當然其數值並不以此為限；而γ_w 為清水單位重量，通常為1；最後，C_d 即是所欲得知的泥沙濃度，處理單元11將數據帶入上述公式中，經過處理運算便可得出泥沙流的泥沙濃度。

請參閱第二圖，為泥沙濃度測量系統的一種實施例之示意圖，第一壓力測量單元13(本例中為壓力式水位計)、第二壓力測量單元17(本例中為土壓計)、以及液面高度測量單元15(本例中為雷達波水位計)皆預先設置於河床32處，而河床32旁邊架設有攔沙壩31能讓泥沙淤積，如此便可透過量測泥沙流30的泥沙壓力(圖未示)以及泥沙液面高度(圖示中的h)，並經。過運算而得出泥沙流30的泥沙濃度。

接著請參閱第三圖，為泥沙濃度測量方法的一種實施例之流程圖，方法步驟包含：提供第一壓力測量單元13(S301)，可以是任意能夠測量流體壓力的裝置，將其預先設置於欲測量待測泥沙流之泥沙濃度的地方，如攔沙壩31處。然後提供液面高度測量單元15(S303)，可以是任何能夠測量流體液面高度的裝置，與第一壓力測量單元13設置於同樣地方，以測量相同待測泥沙流的數據。

在實質上同一時間點，該第一壓力測量單元13測量待測泥沙流之第一泥沙壓力(S305)，而該液面高度測量單元15也同時測量該待測泥沙流的液面高度(S307)。在測量完畢後，第一壓力測量單元13便將所測得的第一泥沙壓力之數據傳送至處理單元11(S309)，同樣地，液面高度測量單元15也將所量測到的泥沙液面高度之數據傳送至處理單元11(S311)。最後，處理單元11在接收到第一泥沙壓力以及泥沙液面高度的數據後，便運算得出泥沙流的泥沙濃度(S313)，完成泥沙濃度的測量。

另外，請參閱第四圖，為泥沙壓力校準方法的一種實施例之流程圖，包含有：提供第二壓力測量單元17(S401)，可以是任何能夠測量泥沙流壓力的裝置，與第一壓力測量單元13設置於同樣地方，在第一壓力測量單元13偵測泥沙流的第一泥沙壓力的同時，第二壓力測量單元17也測量泥沙流的一第二泥沙壓力(S403)。

接著第二壓力測量單元17便將所測到之第二泥沙壓力傳送給處理單元11(S405)，然後處理單元11在接收到該第二泥沙壓力時，便將其與同時間量測到之第一泥沙壓力作比較(S407)，若兩者數據相差在一容許誤差範圍之內(如相差不到一個百分比)，該處理單元11便判斷該第一泥沙壓力為準確之數據(S409)。

進一步補充說明，除了上述之泥沙壓力準確度確認的方式，還可透過預先設置複數個校準壓力測量單元，來偵測複數個校準泥沙壓力，並將該些數據傳送至處理單元11，而處理單元11將所有泥沙壓力的數據(包含第一泥沙壓力以及該些校準泥沙壓力)去除過大或是過小等不合理的數值(如超過一第一預設壓力，或是小於一第二預設壓力的數值，其中第一預設壓力大於第二預設壓力)，並將剩餘之數據作平均，得到較為準確的校準後之泥沙壓力數值。

藉由預先在欲測量泥沙流之泥沙濃度的地區，設置壓力測量單元以及液面高度測量單元，用來在實質上同一時間點分別量測泥沙流的泥沙壓力以及泥沙液面高度，傳送至處理單元進行運算處理，便可得知泥沙流在該時間點的泥沙濃度。如此一來，便可隨時測量泥沙流即時動態的泥沙濃度資料以作研究之用，更能夠去除實地採樣泥沙樣本所可能引起的危險，並提昇測量的效率，以及減少不必要的資源與人力消耗。

以上所述為本發明的具體實施例之說明與圖式，而本發明之所有權利範圍應以下述之申請專利範圍為準，任何在本發明之領域中熟悉該項技藝者，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在本案所界定之專利範圍之內。

11．．．處理單元

13．．．第一壓力測量單元

15．．．液面高度測量單元

17．．．第二壓力測量單元

21．．．網路

30．．．泥沙流

31．．．攔沙壩

32．．．河床

S301～S313．．．流程圖步驟說明

S401～S409．．．流程圖步驟說明

第一圖為本發明泥沙濃度測量系統的一種實施例之方塊圖；

第二圖為本發明泥沙濃度測量系統的一種實施例之示意圖；

第三圖為本發明泥沙濃度測量方法的一種實施例之流程圖；以及

第四圖為泥沙壓力校準方法的一種實施例之流程圖。

S301～S313．．．流程圖步驟說明

Claims (20)

1. 一種泥沙濃度測量方法，應用於一地區的一泥沙流的量測，包括：利用預先設置於該地區之一第一壓力測量單元來測量該泥沙流的一第一泥沙壓力；利用預先設置於該地區之一液面高度測量單元來測量該泥沙流的一泥沙液面高度；該第一壓力測量單元透過一網路將該第一泥沙壓力傳送至一處理單元；該液面高度測量單元透過該網路將該泥沙液面高度傳送至該處理單元；以及該處理單元依據該第一泥沙壓力以及該泥沙液面高度，運算得出該泥沙流的一泥沙濃度；其中該第一泥沙壓力以及該泥沙液面高度係在實質上相同之一時間點測量而得。
2. 如申請專利範圍第1項所述之泥沙濃度測量方法，其中該第一壓力測量單元係為一壓力式水位計。
3. 如申請專利範圍第1項所述之泥沙濃度測量方法，其中該液面高度測量單元係為一雷達波水位計。
4. 如申請專利範圍第1項所述之泥沙濃度測量方法，其中該網路係為一有線網路或一無線網路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：利用預先設置於該地區之一第二壓力測量單元來測量該泥沙流的一第二泥沙壓力。
6. 如申請專利範圍第5項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：該第二壓力測量單元傳送該第二泥沙壓力至該處理單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：該處理單元比較該第一泥沙壓力與該第二泥沙壓力。
8. 如申請專利範圍第7項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：若該處理單元的比較結果，顯示該第一泥沙壓力與該第二泥沙壓力相差在一容許誤差範圍之內，則該處理單元判斷該第一泥沙壓力為準確數值。
9. 如申請專利範圍第5項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：利用預先設置於該地區之複數校準壓力測量單元，在實質上同一時間量測該泥沙流之複數校準泥沙壓力。
10. 如申請專利範圍第9項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：該些校準壓力測量單元傳送該些校準泥沙壓力至該處理單元。
11. 如申請專利範圍第10項所述之泥沙濃度測量方法，更包括：該處理單元依據所接收到的第一泥沙壓力以及該些校準泥沙壓力，來校準該第一泥沙壓力。
12. 一種泥沙濃度測量系統，應用於一地區之一泥沙流的量測，包括：一第一壓力測量單元，係以測量該泥沙流的一第一泥沙壓力；一液面高度測量單元，係以測量該泥沙流的一泥沙液面高度；以及一處理單元，耦接於該第一壓力測量單元和該液面高度測量單元，係以依據該第一泥沙壓力以及該泥沙液面高度，運算得出該泥沙流的一泥沙濃度；其中該第一泥沙壓力以及該泥沙液面高度係在實質上相同之一時間點測量而得。
13. 如申請專利範圍第12項所述之泥沙濃度測量系統，其中該第一壓力測量單元係為一壓力式水位計。
14. 如申請專利範圍第12項所述之泥沙濃度測量系統，其中該液面高度測量單元係為一雷達波水位計。
15. 如申請專利範圍第12項所述之泥沙濃度測量系統，其中該第一壓力測量單元以及該液面高度測量單元，係以一有線網路或一無線網路與該處理單元作資料的傳送與接收。
16. 如申請專利範圍第12項所述之泥沙濃度測量系統，更包括：一第二壓力測量單元，耦接於該處理單元，係以測量該泥沙流的一第二泥沙壓力，並將該第二泥沙壓力傳送至該處理單元。
17. 如申請專利範圍第16項所述之泥沙濃度測量系統，其中該處理單元係比較該第一泥沙壓力與該第二泥沙壓力，並依據該比較結果來判斷該第一泥沙壓力的準確度。
18. 如申請專利範圍第17項所述之泥沙濃度測量系統，其中該處理單元依據比較結果來判斷該第一泥沙壓力的準確度，係若該第一泥沙壓力與該第二泥沙壓力相差在一容許誤差範圍之內，則判斷該第一泥沙壓力為準確數值。
19. 如申請專利範圍第12項所述之泥沙濃度測量系統，更包括：複數校準壓力測量單元，係以在實質上相同的時間點量測該泥沙流的複數校準泥沙壓力，並將該些校準泥沙壓力傳送至該處理單元。
20. 如申請專利範圍第19項所述之泥沙濃度測量系統，其中該處理單元係依據所接收到的該第一泥沙壓力以及該些校準泥沙壓力，來校準該第一泥沙壓力。