以地聲感應進行 土石流流速及監測之研究 報告人：王晉倫 學號： 日期：2004/10/9

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1 以地聲感應進行 土石流流速及監測之研究 報告人：王晉倫 學號：89242001 日期：2004/10/9
　授課教授：林俐玲教授(1) 　鄭皆達教授(2) 　　　陳鴻烈教授(3) 　林德貴教授(4) 報告人：王晉倫 學號： 日期：2004/10/9 1

2 土石流防災綜合性監測 = + Rainfall Geophone 土石流防災綜合性監測 1.降雨特性(強度及累積雨量)
2.警戒值發布(機率式) 3.配合疏散時間點之發布 4.使用者的反應 1.地聲特性(室內實驗) 2.架設位置的選擇 3.流速的量測 4.警戒值設定 5.反應時間的長短 + = 土石流防災綜合性監測

3 地聲傳播特性之理論研究 當石頭或於渠道流動之礫石撞擊孔隙介質時，從震源(撞擊點)處釋放巨大能量，在孔隙介質(礫石層)中產生強烈的振動，並以波的形式從震源向四周傳播。 假設礫石層為均質、各向同性、彈性且為半無限域，在巨大的衝擊作用下，質點在礫石層內振動並於傳遞過程中形成波動。在衝擊的瞬間除部分能量以聲能及熱能傳播外，大部分的能量根據波的性質和特點不同分別以實體波(body wave)及表面波(surface wave)的形式在礫石層中傳播(Woods，1968)。

4 國內外相關文獻及參考資料 （1/4） Berti, M., R. Genevois, R. LaHusen, A. Simoni, and P. R. Tecca, “Debris Flow Monitoring in the Acquabona Watershed on the Dolomites (Italian Alps),” Phys. Chem. Earth (B), Vol. 25, No.9, pp , 2000. Berti et al. (2000)主要討論在義大利阿爾卑斯山的Acquabona裝設土石流觀測儀器所量測的結果。觀測儀器種類包括：雨量計、孔隙水壓計、地聲探測器、超音波水位計、法向應力計及錄影機等。 在平常狀態（pre-event mode）每秒鐘傳回一次地聲及降雨強度資料。當降雨強度及地聲強度都超過門檻值時，監測系統馬上進入緊急狀態（event mode），每秒鐘記錄資料五次。 沿著河道裝有七支地聲探測器，分配在3個觀測站。土石流波湧的速度可藉由波湧抵達不同地聲探測器的時間而求得。在作者所觀測到的最大土石流中，其流動持續達38分鐘之久，並發生15次陣流。

5 國內外相關文獻及參考資料（2/4） Itakura, M., N. Fujii, and T. Sawada, “Basic Characteristics of Ground Vibration Sensors for the Detection of Debris Flow,” Phys. Chem. Earth (B), Vol. 25, No.9, pp , 2000. Itakura et al. (2000)的論文相當簡短只有四頁，主要是比較三種地聲感應器在接收地聲功能上的差異，這三種地聲感應器分別為麥克風式﹝acoustic﹞、壓電式﹝piezoelectric﹞以及感應線圈式﹝moving-coil﹞。 將這三種感應器裝置在同一地點測試，其中以壓電式和麥克風式感應器獲得較高的S/N值﹝signal-to-noise﹞，而麥克風式感應器更是其中擁有最高S/N值的感應器。 使用麥克風式感應器時先放置於鋼管內，再埋置於土中。實驗時將三種感應器埋置於1公尺深的洞中，並藉由一顆7.3公斤重的石頭從1.5公尺高的地方降落產生地聲。

6 國內外相關文獻及參考資料（3/4） Arattano, M., “On Debris Flow Front Evolution Along a Torrent,” Phys. Chem. Earth (B), Vol. 25, No.9, pp , 2000. Arattano (2000 and 2003)主要是分析利用四個地聲探測器量測土石流發生時地聲訊號的特性，並得到一些很有用的結果。如：土石流流經地聲感應器時，以波湧（wave front）通過地聲感應器時之速度振幅最大，常會出現峰值。由相鄰兩個地聲探測器所測得的振幅峰值發生時間，可推算出土石流在這兩個地聲探測器間的平均流速。

7 國內外相關文獻及參考資料（4/4） Arattano, M., “On Debris Flow Front Evolution Along a Torrent,” Phys. Chem. Earth (B), Vol. 25, No.9, pp , 2000. Arattano, M., “Monitoring the presence of the debris-flow front and its velocity through ground vibration detectors,” The Third Int. Conf. on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment, Switzerland, pp , 2003. Arattano (2000 and 2003)主要是分析利用四個地聲探測器量測土石流發生時地聲訊號的特性，並得到一些很有用的結果。如：土石流流經地聲感應器時，以波湧（wave front）通過地聲感應器時之速度振幅最大，常會出現峰值。由相鄰兩個地聲探測器所測得的振幅峰值發生時間，可推算出土石流在這兩個地聲探測器間的平均流速。

8 地聲檢知器埋設地點探討（1/2） 地聲檢知器埋設相關位置初步探討
埋設在橋墩或壩翼之混凝土內。 當土石流之規模不夠大時，土石流撞擊能量無法使橋墩產生搖動，地聲檢知器便無法收錄到訊號。 埋入溪床底部，用石塊撞擊土層進行實驗，實驗結果發現藉由地聲檢知器得到非常明顯之土石地聲訊號， 土石流來臨時，強大的衝擊力可能將溪床刷深數公尺，此時埋設在溪床或護岸之地聲檢知器將被沖毀、流失，無法順利取得土石流地聲資料。

9 Z X Y 神木村愛玉子溪上游地聲檢知器埋設位置（溪床中岩盤） 神木村愛玉子溪下游地聲檢知器埋設位置（混凝土護岸與河床交界處）-ok
中游 X Y 神木村愛玉子溪中游地聲檢知器埋設位置（乾砌石護岸中） 神木村愛玉子溪下游地聲檢知器埋設位置（混凝土護岸與河床交界處）-ok

10 地聲檢知器埋設地點探討（2/2） 72水災後，埋設在中游（乾砌石護岸中）以下游（護岸與河床交界處）之地聲均有擷取到土石流地聲訊號。
72水災後，埋設於神木村之土石流示範觀測站中游之地聲檢知器，因大規模之土石流流經使得地聲檢知器被土石流沖毀。 72水災後，埋設在中游（乾砌石護岸中）以下游（護岸與河床交界處）之地聲均有擷取到土石流地聲訊號。

11 訂定土石流發生地聲警戒基準值（1/5） 相關文獻及研究成果初步得知，訂定土石流發生警戒值的方法主要有兩種:
日本學者以地聲能量大小達到平時環境噪音的幾倍且持續幾秒的時間，並配合土石流之特徵頻率，來判斷。 美國學者則以地聲能量的大小及延時來判斷生。 目前擬以地聲能量之大小、持續延時及土石流之特徵頻率三個參數來訂定。

12 土石流觀測站蒐集到的土石流地聲特性之分析及研究- Gabor 轉換（2/5）
下游鋼索檢知器 CCD 下游地聲檢知器 相距173公尺 神木村觀測站鋼索斷裂時間 中游地聲檢知器 神木村 下游鋼索1 07/02 09:16:07 下游鋼索2 07/02 16:41:52

13 開始 堆積 沖刷 沖刷 沖刷 停止 7/2 上午9時 7/2 下午5時 7/3 上午8時 7/4 上午10時 7/4 下午4時
7/5 上午10時

14 土石流地聲訊號持續時間（下游地聲檢知器）
訂定土石流發生地聲警戒基準值（2/5） 土石流地聲訊號持續時間（下游地聲檢知器） X軸－持續14.6秒 Y軸－ 持續13.9秒 Z軸－持續13.8秒

15 土石流地聲訊號強度大小（下游地聲檢知器）
訂定土石流發生地聲警戒基準值（3/5） 土石流地聲訊號強度大小（下游地聲檢知器） X軸 強度大小為環境噪音之32.35倍 Y軸 強度大小為環境噪音之25.65倍 Z軸 強度大小為環境噪音之22.90倍

16 土石流地聲頻譜分析 FFT 10-30Hz 時段： 7月2日16時41～42分 儀器：下游Geophone(X軸)
時域訊號 土石流地聲頻譜分析 時段： 7月2日16時41～42分 儀器：下游Geophone(X軸) 方法：快速傅立葉轉換(FFT) FFT 放大 10-30Hz 5Hz 130Hz

17 訂定土石流發生地聲警戒基準值（4/5） 由上圖得知，三軸之土石流地聲訊號以X軸方向之能量值為最大，與先前實驗Z軸方向能量值最大之結果不同
土石流流動是由上游往下游，以滾動、碰撞、摩擦底床的形式前進，因此能量主要分佈在XY平面。

18 訂定土石流發生地聲警戒基準值（5/5） 參考93年7月2日神木村土石流地聲訊號 速度振幅為環境噪音之22倍以上
地聲頻率介於10～130Hz間，主要頻率為10Hz 持續13秒以上

19 土石流觀測站蒐集到的土石流地聲特性之分析及研究- Gabor 轉換（1/5）
93年7月2日神木村土石流

20 土石流觀測站蒐集到的土石流地聲特性之分析及研究- Gabor 轉換（4/5）
由93年7月2日神木村土石流之地聲時域訊號得知，中游之地聲檢知器收錄到的地聲能量約為下游地聲檢知器的10倍。 中游地聲檢知器埋設在乾砌石護岸中，可擷取到較完整之土石流能量，而下游之地聲檢知器係埋設在混凝土護岸中，地聲檢知器需與混凝土護岸一起產生振動，方能接受到地聲訊號。 埋設在乾砌石護岸中的地聲檢知器，可得到較佳之地聲訊號。

21 土石流觀測站蒐集到的土石流地聲特性之分析及研究- Gabor 轉換（5/5）
中游 中游 。 下游 下游 將土石流地聲之時域訊號以秒為單位計算出每秒累積能量，再將中游地聲檢知器與下游地聲檢知器相鄰的距離（173公尺）除以兩者之每秒累積速度最大值之相臨時間（13秒），最後求得流動速度為

22 神木村愛玉子溪雨量與地聲變化(0702) 中游地聲訊號啟動 16:41:37 雨量警戒 8:40 下方鋼索斷裂9:16:7 上方鋼索斷裂
16:41:52

23 愛玉子溪土石流影像分析 土石流發生前流量有明顯變小的現象 V = 10 sec 130 m = 13 m/sec
由影像資料粗估土石流波前流速

24 下游地聲檢知器累積能量歷時圖 （2004/07/02 16:36~16:48）
土石流波前流速分析(地聲)--坡度約6度 下游地聲訊號到達尖峰時間16:41:43 173 m V= = 13.3 m/s 13 sec 中游地聲訊號到達尖峰時間16:41:56 下游地聲檢知器累積能量歷時圖 （2004/07/02 16:36~16:48） 偵測到第二波土石流 地聲檢知器遭沖毀時間 2004/7/2 16:43:18 X= cm/sec 事件最大峰值 2004/7/2 16:41:43 X= cm/sec 事件開始時間 2004/7/2 16:41:37 X= cm/sec 事件結束時間 2004/7/2 16:42:30 X= cm/sec 偵測到第一波土石流 2004/7/2 16:36:28 X= cm/sec 2004/7/2 16:39:32 X= cm/sec 偵測到第波土石流 2004/7/2 1:37:47 X= cm/sec 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 35:00 36:00 37:00 38:00 39:00 40:00 41:00 42:00 43:00 44:00 45:00 46:00 47:00 累積能量(cm/sec) 173m

25 Thanks for your Attention
行政院農業委員會水土保持局 Thanks for your Attention 優質、效率、團隊 Soil and Water Conservation Bureau Always working with you