利用開爾文船波量測渠道流速之研究

Abstract

由於氣候變遷的影響，致使極端事件頻傳，更彰顯水資源規劃管理及防災需求的重要，為了獲得準確的水文資料，現階段需以人工量測方式進行，在常流量下，人工量測需克服地域條件限制來估算流量，除了人力資源的消耗外，在洪水或極端事件的情況之下，更是存在非常高的危險性。近年來，除了聲波技術的儀器大量使用外(例如：都卜勒流速剖面儀)，利用非接觸式量測技術(例如：粒子影像量測法)來量測，由於成本低且具可視化優勢，已成為水文量測的趨勢。 本研究利用影像的非接觸特性，運用電腦視覺分析自由水體流經結構物所產生的尾流，以實驗的手段建立開爾文船波(Kelvin Wake)與福祿數的相關性來量測水流的流速。本研究的實驗設置於長27公尺、寬1公尺的室內水槽，模擬6種流況流經6種不同形狀之結構物的尾流角，利用邊緣檢測(Edge Detection)結合直線檢測(Line Detection)，以斜率換算角度的方式來分析尾流角的改變，並找出其趨勢性。試驗結果表明在有限水深情形下，當福祿數或流速改變時，尾流角度會有顯著的變化。在Fr<0.55的亞臨界流中，尾流角隨福祿數的增加而減小，且其不因流經結構物的形狀不同而改變。而在Fr≈0.55時，角度會產生不連續的跳動，使得此區段的流速難以量化。本研究顯示可以透過尾流角與福祿數的相關性，將其轉換為一種經濟且有效的方法來量測渠道流速，同時可以利用影像判釋的技術提高結構物下游的量測資料準確性，在極端事件中為水資源規劃管理與防災預警系統提供相關資料。