全洪程自動化水深觀測系統規劃及建置 成果報告

在整個颱風洪水過程中（以下簡稱全洪程）進行量測河川重要參數，如：水位、水流流速、河床面高程、水流含砂濃度等，是河川洪災預警之基礎。但目前除水位外，其它河川參數量測多以人工方式進行。在實際操作過程中，因颱風期間風雨交加，水流強勁，有時在人員安全考量或橋梁封閉的情況下，無法實施全天候人工觀測。加上目前河川管理單位受限於人力及設備，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20條以上測線），每日能得到的數據組數有限，導致錯失尖峰流量通過的時刻，無法充份掌握各站全洪程流量變化過程，對於洪水預警以及事後分析檢討幫助有限，因此亟需一套自動化水深觀測系統來取代人工觀測方法，對掌握濁水溪水情有重大助益。 本計畫於建置自動化水深觀測系統前，已先對國內外既有之自動化系統進行蒐集及評估，結果發現，目前自動化觀測設備仍著重於水位、流速及河床沖淤監測等設備，尚無自動化的水深觀測系統。經評估本計畫彰雲大橋處之濁水溪河段特性，及現有各項可直接或間接量測水深設備之適用性後，最後採用新型水文量測系統(多功能河川水文自動化量測系統簡化版)並整合四河局現有儀器，作為本計畫所需之自動化水深觀測系統。 於裝設自動化水深觀測系統前，經會同相關橋梁管理單位進行現場勘查及橋梁載重安全性評估後，於取得公路總局第二區工程處及彰化縣政府同意後，選定於彰雲大橋之橋墩P12~P13及橋墩P14~P15兩段橋面板處，安裝二套固定式自動化水深觀測設備及一套自動化資訊傳輸設備，並透過彰雲大橋南岸水位站房供電使用。全部系統於民國101年7月12日架設完成，經運作測試良好後，即開始進行全洪程水深觀測。 全洪程自動化水深觀測系統共由五大子系統所組成，包括現地觀測設備、網路傳輸設備、監控主機、資料儲存及控制操作介面等。現地量測設備之重錘內安裝一水壓計，透過重錘於入水、落底及出水過程中之水壓值變化，由程式自動判斷落底當時之水壓從而計算出水深，然後將資料即時傳回四河局水情中心內的監控中心平台資料庫，提供後端遠端監看系統進行水深觀測值的查詢展示。 自動化水深觀測系統運作迄今，於中、低流量情況皆可順利取得水深資料。7月30日～8月3日中度颱風蘇拉侵襲台灣，為本年度侵台之最大颱風，在濁水溪彰雲大橋所產生之最大流量超過10,000 CMS。本系統約在最大流量通過時不幸發生水壓計傳輸線遭流木扯斷，造成量測工作中斷，所幸主系統皆未損壞，於颱風過後即迅速完成修復。此外亦發現重錘於蘇拉颱風高流量時無法每次落底之情況，故原系統機構設計必須進行改良方可應付濁水溪河性的高度挑戰。 依據本年度所蒐集之少數資料進行分析結果顯示，蘇拉颱風汛期前後位於1號設備地點的河床高程約上升1.35公尺，退水期的水深紀錄亦可驗證產生淤積的現象，另流速與水深的比對資料則由於資料量過少，須待下年度汛期間達成三次以上中高流量觀測紀錄後再行補充分析。 目前已蘇拉颱風的水深觀測經驗，針對重錘無法每次順利落底及水壓計傳輸線遭流木扯斷之情況進行系統機構修正改良，並經異地環境測試後效果良好，已可改善原遭遇的問題，但原地測試則因濁水溪自蘇拉颱風過後即一直處於低流量情況，觀測設備所在位置的河道水位甚低，故迄今未有適當機會進行原地測試，下年度仍將於汛期前找尋更高流量的環境進行測試，並於汛期前將改良完成的設備安裝妥善，把握下年度中高流量的觀測時機進行操作。目前系統改良內容簡述如下： 1、修改重錘入水方式改為切換式 透過程式設定於觀測水深低於0.5公尺時，採用原設計的緩降入水方式；水深大等於0.5公尺時，則切換為自由落體入水方式。 2、改良鋼索與傳輸線設備 已採用新型線材材料，可將訊號傳輸線與鋼索包裹合一，可大幅減低遭漂流木衝擊受損機率。 3、改變重錘重量及形狀 修改重錘形狀由圓柱體改為刀斧型(重量為40公斤)，經測試結果，發現其落水速度甚快，且可於水中保持穩定，不易被快速沖往下游。 本計畫另進行建置纜車辦理全洪程流量觀測之可行性評估，依載重大小將纜車區分為高載重的纜車及低載重的水文纜道分別進行可行性評估，結果如下： 1、高載重纜車 因全洪程期間人員操作安全性及造價甚高因素考量，現階段尚不具採用高載重載人纜車方式進行全洪程觀測的條件。 2、低載重水文纜道 為可行的方案，但考量初次建置經驗不足，建議先以較小河段作為試辦地點，初步篩選清水溪龍門橋下游為建議的試辦地點。 本計畫另依據本局實際進行全洪程流量觀測作業方式，參考現有常時流量觀測標準作業程序後，研擬「全洪程流量觀測標準作業程序」草案，修正內容主要針對觀測地點、觀測儀器、觀測頻率及時間進行修改，並已將本計畫自動化水深觀測設備列入可採用觀測儀器選項內。 本計畫最後共歸納四點結論與三點建議如下。 結論： 1. 原設備採用重錘緩慢落水方式不適用於濁水溪高流速情況。 2. 自動化水深觀測系統的仍具備多項優點。 3. 現階段尚不具採用載人纜車方式進行全洪程流量觀測的條件。 4. 本階段成果尚未完整仍待後續年度取得觀測資料後補充。 建議： 1. 修改設備建置方式，由固定式改為移動式。 2. 增加水位站電源供應能力，單獨供自動化水深觀測系統使用。 3. 與現有水情觀測系統整合，可提昇效率。