自動化水文觀測車之發展

一、 前言

水利署第八河川局辦理平時河川流量量測工作是以人工手拋重錘量取水深，利用手持雷達波表面流速儀量取表面流速，然後推估流量。限於體力及安全因素，重錘重量多不超過6公斤，因此僅能用於低流速流況，否則重錘容易被推往下游；再加以持續操作容易累積疲勞，水面反光及波浪等也容易影響人工判讀，進而影響數據品質。

為節省人力、降低人員作業風險、提高水文量測數據品質、改善人員作業環境(免於高溫日曬下作業及免拋重錘等)、及水文量測數據自動記錄等，乃著手研製「自動化水文觀測車」，主要將水文觀測儀器整合於既有之水文工作車上，並具備高度自動化之特性，達到「單人即可完成河川水文量測」之理想（基於安全理由，出外作業時仍以至少兩人為一組進行）。

二、流量量測工作執行現況

目前第八河川局執行流量量測工作所採用的儀器為重錘（圖1）及手持式雷達波表面流速儀（圖2）。實際作業時，由駕駛將工作車盡量靠近橋護欄，由另一名操作員站立於工作車後方平台上，垂放重錘直到河床，並以「手感」確認落底。標定第一次繩索長度後，再拉起重錘直到水面，標定第二次繩索長度，前後兩次繩索長度的差值即為水深。操作員再用手持雷達波表面流速儀量取表面流速，即完成單一測點。然後由駕駛將工作車開往下一測點位置（兩測點間距約10公尺），重覆前述工作直到完成全斷面量測，作業情形如圖3所示。量測流量同時也必須採取水樣送回實驗室進行泥沙濃度分析。目前採取水樣是利用繩索吊掛水桶之方式，垂放至水面取水。

圖1 第八河川局量取水深所採用之重錘(12磅，約5.4公斤重)

圖2 手持式雷達波表面流速儀

圖3 第八河川局進行流量量測工作現場情形

限於體力及臂力等因素，重錘僅能使用12磅重(5.4公斤)，如果直接垂放重錘，則重錘沉底地點會因水流而落於下游。故實務上操作人員會以鐘擺方式，先將重錘擺至上游後再落下，則重錘會被水流帶往操作人員的正下方。重錘沉底後，操作人員會上下晃動重錘，以「手感」確認重錘是否確實落底，然後操作人員標定第一次繩索長度。重錘被拉離河床底部時，必須靜待擺盪停止後，再標定第二次繩長。兩次長度差值即為水深。由於繩長、重錘重量、水流流速及水深等會影響上述操作方式的準確性，因此操作人員通常需具備一定的經驗才能勝任。

綜合上述的問題，本研究團隊希望開發出自動化水文觀測車，量測人員於低流量時可機動至適當地點，在車內以遙控方式進行水文觀測作業，可節省大量人力，同時也達到安全目的。除水體採樣分析外，其餘水文數據皆能即時展現並儲存於行動電腦中，不必再標定繩索量取差值。自動化水文觀測車除具機動性優點外，當固定地點之水文站發生故障時，亦能快速暫代其功能繼續量測工作。

三、 系統介紹

自動化水文觀測車所裝載之自動化水文觀測系統分為遙控與量測兩項子系統，量測人員可在工作車內，以觸控螢幕筆記型電腦透過無線遙控方式，操作水文觀測設備，以較省力、安全的方式量測河川之濁度、水深並採取水樣。除水樣必須攜回實驗室分析外，其餘參數可及時展現並儲存。自動化水文觀測系統架構如下：

1.遙控系統

遙控系統內含一裝設無線基地台AP功能之控制主機，利用無線傳輸技術，使量測人員在工作車內利用行動電腦等裝備連上控制主機，並操作自動化水文量測儀器，然後將量測結果即時儲存於控制主機中，並同步展現於行動電腦。俟量測結束後可隨時查看量測成果或工作車返回河川局擷取數據。

2.量測系統

量測系統係整合各儀器設備成一自動化系統，包括捲揚機、懸臂支撐、攝影機、內含水壓計及濁度計之重錘及取水瓶等，均經由遙控系統之控制主機控制。捲揚機組及自動懸臂機組係焊接在鋼板上，再以自攻螺絲固定鋼板於車貨斗的扶手，因此只需將自攻螺絲旋開即可將鋼板等整體移走，恢復車體原貌；發電機則獨立置於鋼板下方。以上全部設備約占車貨斗容量的一半，故貨斗的後半部仍可裝載其它設備如鉛魚、繩索、水桶、交通錐、水樣瓶等。

圖4 自動化水文觀測車後視圖

圖5 自動化水文觀測車側視圖

目前自動化水文觀測車之性能及操作有以下特色：
1. 捲揚機組可垂放及收回18公斤(或40磅)鉛魚或重錘，明顯優於人工所能操作的範圍。
2. 懸臂機組以無線遙控器控制，無需人力操作。
3. 除發電機外，全部儀器是以行動電腦透過無線Wi-Fi方式控制，行動電腦則在駕駛座或助手座上操作，其優點有:
   (1) 量測儀器可由駕駛在車內單獨操作，達到「單人即可完成河川水文量測」之理想。
   (2) 下雨時，人員在車內操作，增加便利性；另一方面，陽光太強時，在車內才能輕鬆閱讀行動電腦的LCD畫面。
4. 懸臂前端設有攝影機，可將重錘下方河道情況顯示於行動電腦上，因此人員不必下車亦能看到儀器量測情形。
5. 儀器量測結果即時展現於行動電腦上，並自動儲存，無需簿記。
6. 全部設備重約100公斤，約為2包水泥重量。
7. 設備僅占用貨斗一半空間。
8. 設備用4顆自攻螺絲固定於車貨斗，沒有破壞車體結構，可拆卸驗車。
9. 全部尺寸符合交通法規。
10. 可量測水深、濁度及取水樣。也可擴充其它儀器。

四、 使用流程

自動化水文觀測車觀測作業基於安全考量，基本上以兩人一組同行。作業開始後，首先將工作車停妥（必要時由助手放置交通錐等安全警示設備），將車後之懸臂轉出至河道上方，由懸臂前端攝影機回傳之影像確認為進行量測工作之適當位置（如下方是否有漂流木等），然後操作人員於工作車內使用行動電腦透過無線遙控方式操作移動式自動化水文觀測設備，將包括水壓計、濁度計及取水瓶之重錘透過捲揚機垂放於水中；待水深及濁度數據量測完成，再遙控將重錘收回至工作車上，將車後之懸臂轉回原來位置，同時操作人員以手持式雷達波表面流速儀量取表面流速，將工作車駛離測點，觀測作業即為結束，整體作業流程如圖6所示。

圖6 自動化水文觀測車觀測作業流程圖

五、 結論

民國102年度以自動化水文觀測車配合人工進行平時量測流量共有10次，依照實地操作經驗，確實能同步量測水深、濁度及取水樣，不再仰賴人員分別操作笨重之重錘及以水桶取水，大幅節省人力並降低風險，全部量測工作皆由電腦排程完成作業，操作人員只需在車內透過行動電腦無線下達指令，自動化系統即會自行進行工作，量測作業較不受環境影響。未來若能加裝雷達波表面流速儀，則可同時量測表面流速並即時計算出流量，對平時流量量測作業工作量及人員不足等問題，將提供重要幫助。

參考文獻

1. 經濟部水利署，2005，「河川水位流量觀測手冊(初稿)」。
2. 經濟部水利署，2006 ，「曾文水庫集水區水文站維護觀測及改善計畫」。
3. 經濟部水利署，2009，「員山子分洪入流段水文量測及水理分析（1/3）」。
4. 經濟部水利署南區水資源局，2013，「曾文水庫庫區泥砂濃度觀測站建置及量測研判分析計畫第六次期中報告」。
5. 經濟部水利署，2005，「水工模型試驗參考手冊」。
 

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