為改善國內河川含砂濃度人工觀測方式，經濟部水利署自2006年起發展時域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR），透過自動化觀測機制，掌握即時及長時間河川含砂濃度變化資料，經過多年努力，觀測範圍已可達1,000ppm以上，有助掌握颱洪期間河川高濃度含砂資料，作為規劃及強化水利設施的參考。
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台灣地震頻繁，再加上颱風豪雨造成河川上游集水區邊坡崩塌不斷，除瞬間土石流災害發生外，對於水資源及防洪設施亦造成威脅。例如2004年艾利颱風，石門水庫因大量土砂入庫影響，使水庫原水濁度攀升，影響後端淨水作業，造成桃園地區民眾多日用水受限；此外，2009年莫拉克颱風侵襲過程，多條河川因挾帶大量泥砂，除造成堤防衝毀外，亦造成林邊、佳冬等地區下游嚴重淤積。
水利署表示，鑑於近年來土砂災害頻傳，長期掌握河川含砂濃度變化資料，作為未來規劃及強化相關水利設施之重要參據，已顯得越來越重要。由於國內河川含砂濃度目前採人工定時定點取樣分析，除了時間與人力成本耗費之外，無法立刻的取得試驗結果。另外現有之自動化間接物理量其與泥砂濃度之關係受到泥砂粒徑大小之影響甚鉅，造成標定之困難，且台灣河川或水庫異重流含砂濃渡於颱洪期間動輒超過數萬ppm，無法涵蓋所需之量測範圍，加上泥砂運移觀測需要掌握含砂濃度在時間與空間上之分佈，然而現有商業化設備昂貴，將使多點佈設及後續維護成本可觀。為能有效率地提供泥砂運移觀測資料，需考慮發展成本可行、高空間解析度、高時間解析度、高量測範圍、耐久性的泥砂自動化觀測系統。因此，經濟部水利署自2006年起發展時域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR），並委託國立交通大學（防災與水環境中心）執行發展工作。
時域反射法技術類似雷達設備，其系統包含TDR主機、傳輸纜線及自製感測器等設備（如圖1），係利用置於水面上的時域反射儀探測置於水面下的感應導波器，TDR儀器發射一電磁方波並接收反射訊號，電磁波之速度由介電度決定（光速除以介電度開根號）。由於水的介電度約為80，土的介電度約為5左右，渾水的整體介電度與含砂濃度具有高度相關性，因此TDR技術由2006年開始研究測試，量測精度從1萬ppm（經濟部水利署2006）改進至2000 ppm （經濟部水利署2007），並於建置試驗測站進行現地實測評估、探討觀測實務問題與相關改善（經濟部水利署2009、2010），其中針對現地觀測容易受異物干擾及導波器結垢問題，分別提出同軸包覆式感測器及導體之絕緣(coating)對策。其階段性成果證實TDR方法相對於傳統人工採樣，具有即時性、自動化及節省作業人力之優點，另有經濟、維護性、高濃度觀測、不受粒徑大小影響等重要特性。相關成果已於國際期刊發表(Chung and Lin 2011)，為國際間首先提出利用TDR技術有效量測河川及水庫含砂濃度者。但後續研究於現地測試亦發現一些問題，包括感測器結垢、感測器更新便利性及量測結果於非颱洪期間受到日夜溫差影響，如圖2所示。若能解決上述現地實測所發掘之問題及進一步提升量測精度與穩定性，將能完善國內自行發展之TDR含砂濃度觀測技術，提出在國際上具突破性的含砂濃度監測技術，並廣泛應用於河川輸砂或庫區全洪程之水砂運移觀測，協助解決國內日益嚴重的泥砂問題。
因此2011~2012年期間水利署則進一步提出河川含砂濃度量測平台規劃研究案（經濟部水利署2011、2012），目的在於全面改善TDR自動化泥砂觀測技術實務問題，並著手遠端河川含砂濃度量測平台之規劃與建置。其中為根本解決TDR之主機溫度效應，國立交通大學團隊提出全數位化(Fully digital)擷取之TDR主機，並透過室內試驗證實其主機不受環境溫度影響，如圖3所示。另一方面其研究利用鐵氟龍塗裝方式，證實可減緩感測器結垢現象，並提出感測器維護拆裝模組化，預期可降低現場維護成本，提升維護便利性，大幅提昇現場實務量測可應用性。因此現階段含砂濃度觀測範圍已可達1,000ppm以上，對於高濃度含砂資料已能有效掌握。
為能於現地進行試驗驗證，其研究於集集攔河堰南岸渠道以及里嶺大橋建置自動化泥砂濃度觀測站，分別如照片1與照片2所示。於集集攔河堰南岸渠道主要則是配合人工或幫取取樣，進行實務量測穩定性驗證作業，其成果如圖4所示，人工取樣與自動化幫浦取樣資料顯示濃度在1500 ppm左右，使用全數位化TDR系統，其量測的均值與變異性與取樣結果相符。里嶺大橋於觀測期間經歷過天秤颱風事件，因此取得全洪程泥砂濃度歷時資料如圖5所示。其研究後續並將颱洪事件資料更新，以補充其含砂濃度與流量間資料搜集以及關係建立。
另一方面，其研究團隊規劃建置一套全自動化的水文資料擷取及回傳的系統，目前已利用新式現場TDR自動化監測系統（經濟部水利署2010），依據設定的時間頻率，每隔一段時間回傳於相關量測資料，並經由監測站台將資料回傳至伺服器端。此外為配合即時的水文資訊發佈並且提供主動式的站台控管的功能，其研究提出河川含砂濃度量測平台之伺服器端「資料中心」與「儀控中心」，其完整架構以及各項模組功能規劃已完成，並於現地測站評估測試上線，目前均可正常運作，相關成果如圖6所示。
發展自動化即時的河川泥砂觀測技術已為重要趨勢，經濟部水利署仍將持續發展時域反射法（Time Domain Reflectometry, TDR）之觀測技術，透過天然觀測場址之大量觀測成果回饋，調整觀測設備參數及適當之載具，藉此提昇觀測精度及解析度，使本技術逐步成熟，作為國內未來水文觀測重要工具。
圖1 (1)TDR含砂濃度觀測系統示意以及(2)實際含砂濃度感測器圖
圖6 河川含砂濃度量測平台資料中心之監測資料查詢、繪圖與輸出網頁
參考資料
1. 行政院經濟部水利署，（2006），「河川泥砂觀測技術改善及示範站建置計畫1/2」，國立交通大學防災工程研究中心。
2. 行政院經濟部水利署，（2007），「河川泥砂觀測技術改善及示範站建置計畫2/2」，國立交通大學防災工程研究中心。
3. 行政院經濟部水利署，（2009），「泥砂觀測技術改善研發計畫(1/2)」，國立交通大學防災工程研究中心。
4. 行政院經濟部水利署，（2010），「泥砂觀測技術改善研發計畫(2/2)」，國立交通大學防災工程研究中心。
5. 行政院經濟部水利署，（2011），「河川含砂濃度量測平台規劃及建置(1/2)」，國立交通大學防災工程研究中心。
6. 行政院經濟部水利署，（2012），「河川含砂濃度量測平台規劃及建置(2/2)」，國立交通大學防災工程研究中心。
7. Chung, C.-C., and Lin, C.-P. (2011), “Measurement of Suspended-Sediment Concentration using Time Domain Reflectometry,” Journal of Hydrology, Vol. 401, 134-144.
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