JP2006226754A - River flow rate observation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、河川管理のために使用され、河川の流量をほぼリアルタイムで測定することができる河川流量観測システムに関する。 The present invention relates to a river flow rate observation system that is used for river management and can measure the flow rate of a river in almost real time.
河川管理上、河川流量の把握は非常に重要な問題のひとつである。例えば、集中豪雨等の際には、警戒すべき河川の流域に沿う河川流量のオンタイムな把握が、防災上きわめて有益となる。降雨量から河川流量と河川の各部における水位とを予測するシステムでは、河川流量を実測するための設備も必要になる。また、河川流量を正確に測定できれば、河川改修計画、ダム建設計画、利水、河川の水質管理、植生や生態系と河川流量との関係の調査研究にも役立つ。この目的のために、河川流量の各種測定方法が開発されている(特許文献1〜5参照)。
ここで、従来の河川流量観測システムには、次のような解決すべき課題があった。
上記の特許文献にあるように、ビデオカメラや水位計、レーダー観測、超音波による水深測定、浮子等を用いた従来の測定方法では、河川の流量を精度良く測定しようとすると装置が大がかりになり、設備費が高額になるという問題があった。また、測定作業や測定データの取得のために現地で係員が測定装置を操作することから、安全性の面でも解決すべき課題があった。
Here, the conventional river flow observation system has the following problems to be solved.
As described in the above patent documents, the conventional measuring method using video cameras, water level gauges, radar observation, ultrasonic water depth measurement, floats, etc., makes the apparatus large when trying to measure the river flow rate with high accuracy. There was a problem that the equipment cost was high. In addition, there are problems to be solved in terms of safety because the staff operates the measuring device in the field for measurement work and acquisition of measurement data.
本発明は以上の点に着目してなされたもので、安価な流速検出素子を使用して河川の各部の流速分布を求め、その結果に基づいて河川流量を正確に測定できるシステムを提供することを目的とする。
本発明はさらに、無人で測定データを自動的に収集し、河川流量を遠隔監視することができるシステムを提供することを目的とする。
本発明はまた、多数の流速検出素子による測定データのばらつきを補正して、実用上十分な精度で河川の横断面からみた流速分布を求めることができるシステムを提供することを目的とする。
The present invention has been made paying attention to the above points, and provides a system capable of obtaining the flow velocity distribution of each part of the river using an inexpensive flow velocity detection element and accurately measuring the river flow based on the result. With the goal.
It is another object of the present invention to provide a system that can automatically collect measurement data and monitor a river flow remotely.
Another object of the present invention is to provide a system capable of correcting a variation in measurement data caused by a large number of flow velocity detection elements and obtaining a flow velocity distribution viewed from a cross section of a river with practically sufficient accuracy.
本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成1〉
河川の横断面からみて、垂直方向にそれぞれ異なる深さに複数の流速検出素子を配置して、上記各流速検出素子がそれぞれ検出した流速情報と、各流速検出素子を識別する識別情報とを含む測定データを取得する測定データ取得手段と、上記各流速検出素子の検出した流速情報を、予め各検出素子ごとに設定した補正値を用いて補正する流速情報補正手段と、上記河川の横断面からみた河川各部の流速分布を表示出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
In each embodiment of the present invention, the above-described problems are solved by the following configurations.
<
A plurality of flow velocity detection elements are arranged at different depths in the vertical direction as seen from the cross section of the river, and flow velocity information detected by each flow velocity detection element and identification information for identifying each flow velocity detection element are included. From measurement data acquisition means for acquiring measurement data, flow velocity information correction means for correcting flow velocity information detected by each of the flow velocity detection elements using a correction value set in advance for each detection element, and from a cross section of the river A river flow rate observation system comprising output means for displaying and outputting the flow velocity distribution of each part of the river.
〈構成2〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、上記河川の横断面を、上記各流速検出素子の配置された深さを基準に水平に分割して、分割した各領域の断面積と対応する流速検出素子の検出した流速情報により該当する領域の部分流量を算出する部分流量算出手段と、算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、河川全体の上記横断面における流量を算出する集計手段と、集計された河川全体の上記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
<
In the river flow observation system according to
〈構成3〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、河川の横断面からみて、垂直方向にそれぞれ異なる深さに複数の流速検出素子を配置したユニットを、上記河川の横断面からみて、水平方向にそれぞれ異なる場所に複数設けたことを特徴とする河川流量観測システム。
<
In the river flow observation system according to
〈構成4〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、上記河川の横断面を垂直に分割し、分割した各垂直分割領域の断面積と流速検出素子の検出した垂直方向の流速分布により、該当する垂直分割領域の部分流量を算出する部分流量算出手段と、算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、河川全体の上記横断面における流量を算出する集計手段と、集計された河川全体の上記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
<
In the river flow observation system according to
〈構成5〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、上記河川の断面図情報を記憶した記憶手段と、上記測定データを参照して、隣接する流速検出素子の流速情報の差が閾値以上のものの位置情報を全て取得する境界情報取得手段と、上記記憶装置に記憶された河川の断面図情報を読み出して、上記境界情報取得手段の取得した位置情報を上記河川の断面図上に表示することにより、上記河川の水面及びまたは河床位置を表示する状態情報生成手段と、生成された状態情報を出力する出力手段を備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
<
In the river flow observation system according to
〈構成6〉
構成1乃至5に記載の河川流量観測システムにおいて、各流速検出素子は、それぞれ独自の予め指定された方向の流速を検出するように設定されており、測定データには、当該検出方向情報が含まれることを特徴とする河川流量観測システム。
<Configuration 6>
In the river flow observation system according to any one of
〈構成7〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、上記流速検出素子の出力により上記河川の水平面内における流速分布曲線を求め、この流速分布曲線を川幅方向に積分して水平面内における部分流量を算出する部分流量算出手段と、算出した部分流量を垂直方向の全ての領域について累積加算して、河川全体の上記横断面における流量を算出する集計手段と、集計された河川全体の上記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
<Configuration 7>
In the river flow observation system according to
〈構成8〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、上記上記流速検出素子の出力により上記河川の垂直面内における流速分布曲線を求め、この流速分布曲線を垂直方向に積分して垂直面内における部分流量を算出する部分流量算出手段と、算出した部分流量を川幅方向の全ての領域について累積加算して、河川全体の上記横断面における流量を算出する集計手段と、集計された河川全体の上記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。
<Configuration 8>
In the river flow observation system according to
〈構成9〉
構成1に記載の河川流量観測システムにおいて、構成7に記載された集計手段と構成8に記載された集計手段とから河川全体の上記横断面における各流量をそれぞれ集計し、一方の流量のデータを他方の流量のデータで補完することを特徴とする河川流量観測システム。
<Configuration 9>
In the river flow rate observation system described in
[システムの概略]
図1の(a)は河川の概略図、(b)と(c)は平常時と増水時の河川の横断面図である。
この発明では、図1(a)のような河川10の流域の任意の場所で、水の流速を自動的に多点測定する。河川10にはその流域に橋梁12が設けられている。例えば、これらの橋梁12のうちの幾つかに、本発明の河川流量観測システム13、14を設置する。それぞれ別の場所に設置された河川流量観測システム13と河川流量観測システム14は、光ファイバケーブル16により接続されており、河川・道路事務所15が各システムから取得した測定データを収集し、解析処理等を行う。なお、河川流量観測システム13と河川流量観測システム14と河川・道路事務所15との間のデータ伝送は、後で説明するように、携帯電話通信網等の無線通信網を使用することもできる。
[System overview]
(A) of FIG. 1 is a schematic view of a river, and (b) and (c) are cross-sectional views of the river during normal times and when water increases.
In the present invention, the water flow velocity is automatically measured at multiple points in any location in the basin of the
河川10の横断面は、例えば、図1の(b)や(c)に示すようなものである。河川の横断面図20において、河川10の水量が少ない平常時には、河床21に対して水面22の位置が十分に低い位置にある。一方集中豪雨で増水すると、図1(c)に示すように、水面22の位置が堤防直下まで上昇する。
The cross section of the
このシステムでは、図1(c)に示すように、河川10の横断面からみて、垂直方向にそれぞれ異なる深さに複数の流速検出素子26を配置して、水深に応じた流速を測定する。図1の例では、増水したときも流域全体の流量が検出できるように、垂直方向Yと水平方向Xに流速検出素子26を2次元配置している。
In this system, as shown in FIG. 1C, a plurality of flow
[流速検出素子]
図2の(a)は流速検出素子を取り付けた橋脚を示す側面図、(b)は流速検出素子部分を示す上面図である。
この図2(a)は、橋を河川10の流れに沿って切断したとき、その橋脚30を側面からみた図で、川の水は図の左方から右方に向かって流れる。流速検出素子26は支持体25に対して縦方向に等間隔で固定されている。支持体25は橋脚30に対して、バンド31を用いて固定されている。なお、図2(b)に示すように、支持体25にはL字金具33が固定されており、砲弾型の流速検出素子26は、流れの方向にその先端を向けて、L字金具33の上に1台ずつクランプ34を用いて固定される。クランプ34は流速検出素子26を随時交換できるような、既知の任意の着脱式固定機構からなる。支持体25が十分に強度のあるものならば、河川の任意の場所に設置して構わない。この例では、強度を確保するために、橋脚を利用した。
[Flow velocity detection element]
2A is a side view showing a pier with a flow velocity detecting element attached thereto, and FIG. 2B is a top view showing a flow velocity detecting element portion.
FIG. 2A is a view of the
各流速検出素子26はそれぞれ連続的に、あるいは所定の時間間隔で河川10の流速を測定して流速情報を生成する。各流速検出素子から出力された流速情報には、それぞれ各流速検出素子を識別するための識別情報を含める。流速情報は、所定方向の水が毎秒何メートルの速度で流れているといった数値情報である。識別情報は、各流速検出素子を識別できる記号や数字からなり、例えば、観測地点を示す記号と、ユニットを識別する記号と、全ての流速検出素子に付けた一連番号とを組み合わせたもので、「YAMA−U01−03」といった内容の情報である。
Each flow
各流速検出素子26は、それぞれ独自に流速を検出する。全ての流速検出素子26の検出特性を据えるのは容易でない。同一仕様で製造したものでも、設置条件により検出特性が変わることがある。異なる仕様のものでは、さらにばらつきが激しくなることも予想される。必要以上に高い精度の測定を要求しているのではなく、全体としてほぼ妥当な測定データが得られればよい。洪水発生前後には流木や土砂等が衝突するからきわめて過酷な条件で検出処理が行われる。従って、使用中に損傷して測定不能になることもある。そこで、予め流速検出素子の取り付け時等に得られた流速情報を、例えば、近傍の流速検出素子の流速情報と比較して、個別に流速情報を最適化するための補正値を設定しておく。補正しても妥当なデータが得られないときは故障と判断すればよい。
Each flow
各流速検出素子26は、故障をしたり動作が不安定になったら、個々にただちに交換できるようにしておく。交換をしたときは、新たな流速検出素子26について、改めて流速情報を最適化するための補正値を設定するとよい。
Each flow
[流量計算]
図3は河川の流量計算方法の説明図である。
上記の流速検出素子26によれば、河川の横断面の各部における流速を検出した測定データ群が得られる。この測定データ群により河川の流量を算出する。まず、図3(a)のように垂直に一列だけ支持体25上に流速検出素子26を配置した場合を考える。河川の横断面を、各流速検出素子26の配置された深さを基準に水平に分割する。分割線を図中破線で示す。
[Flow calculation]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a river flow rate calculation method.
According to the flow
すなわち、1個の流速検出素子が、その配置された付近の深さの平均流速を検出するものとして、各流速検出素子に対して、河川の横断面を水平な線で分割して、1つずつ領域を割り付ける。図3(a)では、一例として、水面22から数えて2番目の領域36にハッチングを施した。分割した各領域の断面積と、対応する流速検出素子の検出した流速情報の積を求めると、その領域を流れる流量が算出できる。これを部分流量とする。算出した部分流量を全ての領域について累積加算すれば、河川全体の当該横断面における流量を算出できる。これを出力すれば、河川の流量をリアルタイムで観測することができる。各流速検出素子がその深さの平均流速を示していないときは、補正値を用いて補正すればよい。
That is, assuming that one flow velocity detection element detects an average flow velocity at a depth in the vicinity of the flow velocity detection element, the cross section of the river is divided by a horizontal line for each flow velocity detection element. Allocate areas one by one. In FIG. 3A, as an example, the second region 36 counted from the
また、垂直方向にそれぞれ異なる深さに複数の流速検出素子を配置したものを1ユニットとして、図3(b)に示すように、複数のユニットを用意するとよい。1つの支持体25で支持されている流速検出素子26が1ユニットである。これらのユニットを、河川の横断面からみて水平方向に適当な間隔で配置する。図3(b)の例では3ユニットを配置した。1ユニットは水深方向に1次元で流速検出素子を配置し、複数のユニットで2次元に流速検出素子を配置する。
Moreover, it is preferable to prepare a plurality of units as shown in FIG. 3B, with one unit having a plurality of flow velocity detection elements arranged at different depths in the vertical direction. The flow
2次元的に配列された流速検出素子群によれば、河川の深さ方向だけでなく幅方向にも、多数の点で流速を独立に測定できる。流量を求めるには、河川の横断面を垂直方向と水平方向の複数の線で縦横に分割して、各流速検出素子に1つの領域を割り付ける。図3(b)に、一例として、中央の最も水面22に近い1領域37にハッチングを付した。それぞれ流速と領域の面積の積を求めて部分流量を算出する。この部分流量を累積加算すると河川の横断面からみた流量が算出できる。
According to the flow velocity detecting element group arranged two-dimensionally, the flow velocity can be measured independently at many points not only in the depth direction of the river but also in the width direction. In order to obtain the flow rate, the cross section of the river is divided into vertical and horizontal lines by a plurality of vertical and horizontal lines, and one region is assigned to each flow velocity detection element. In FIG. 3B, as an example, one
図3(b)において、河川の中腹付近は最も水の流れが速く川岸に近いほど水の流れが遅い。この傾向は、河川のそれぞれの測定場所によってほぼ特定できる。図3(b)に示すように、例えば、3組のユニットを川の中腹と両岸付近に配置して、それぞれの流速を求めれば、川の幅方向の概略的な流速分布特性42が演算処理により求められる。従って、各ユニットの測定値について、それぞれ適当な補正情報を用いて換算処理をして、こうした流速分布特性を考慮した流量計算が可能になる。 In FIG. 3B, the flow of water is fastest near the middle of the river, and the flow of water is slower as it is closer to the riverbank. This tendency can be almost identified by each measurement location of the river. As shown in FIG. 3B, for example, if three sets of units are arranged in the middle of the river and near both banks, and the respective flow velocities are obtained, a rough flow velocity distribution characteristic 42 in the river width direction is calculated. Required by processing. Therefore, the measurement value of each unit is converted using appropriate correction information, and the flow rate calculation considering such flow velocity distribution characteristics becomes possible.
[測定データの補正]
河川の横断面は、増水や土砂流により大幅に変化するときがある。このときに、河川の流量を正確に算出するために、上記のシステムにより2次元的に配列された流速検出素子の流速情報を比較する。隣接する流速検出素子の流速情報の差が十分に大きいときは、一方が水面より上に出ていたり、一方が河床に接したり埋もれていると判断してよい。両者の間あるいはごく近くに水面や河床がある。従って、閾値を設けて比較演算処理を行い、隣接する流速検出素子の流速情報の値の差が閾値以上の場合に、例えば、流速情報の値が小さい方の流速検出素子の位置情報を取得して、河川の断面図上にマークを付ける。これらのマークを結んでできた閉ループにより、河川の断面図上に、河川の水面や河床位置を表示して、実際に水の流れている部分とそれ以外の部分を区別することができる。この部分の面積が、河川の流量算出のための基準データになる。
[Correction of measurement data]
The cross section of a river may change significantly due to increased water or sediment flow. At this time, in order to accurately calculate the flow rate of the river, the flow rate information of the flow rate detection elements arranged two-dimensionally by the above system is compared. When the difference in flow velocity information between adjacent flow velocity detection elements is sufficiently large, it may be determined that one is above the water surface, or one is in contact with or buried in the river bed. There is a water surface and riverbed between or very close to both. Therefore, a comparison calculation process is performed with a threshold value, and when the difference between the flow rate information values of adjacent flow rate detection elements is equal to or greater than the threshold value, for example, the position information of the flow rate detection element with the smaller flow rate information value is acquired. Mark on the river cross section. Due to the closed loop formed by connecting these marks, the water surface and riverbed position of the river can be displayed on the cross-sectional view of the river, and the part where the water actually flows can be distinguished from the other part. The area of this part becomes reference data for calculating the river flow rate.
例えば、激しい土砂流があるような場合には、浮子を使っても超音波を使っても河床の位置を検出するのは困難である。しかしながら、上記のように複数の流速検出素子を使用して、水中の各部の流速を測定できる範囲で測定すると、測定場所に応じた流速の相違によって、十分に実用になる精度で河川の水面や河床位置を特定できる。こうして、河川の流量を特定の場所で正確に測定できると、その測定値の時間的な変化をとらえたり、河川の上流と下流で同様の測定を行って、増水予測をして災害情報に含めることができる。 For example, when there is a heavy debris flow, it is difficult to detect the position of the river bed using either floats or ultrasonic waves. However, when using a plurality of flow velocity detection elements as described above and measuring within the range where the flow velocity of each part in water can be measured, the water surface of the river and The riverbed position can be specified. In this way, if the river flow rate can be measured accurately at a specific location, the time change in the measured value can be captured, or similar measurements can be made upstream and downstream of the river to predict water increase and include it in the disaster information. be able to.
図4は、測定データから河川流量を演算する場合に使用する情報と演算処理方法の説明図である。
河川流量の演算処理に当たっては、各流速検出素子ごとに、図4(a)に示すように、識別情報51、流速情報52、補正値53、領域面積54、及び部分流量55を求めておく。識別情報51と流速情報52とは、各流速検出素子から収集される。補正値53は、隣接する流速検出素子の流速情報52を具体的に比較し、予め取得されている流速検出素子の特性を考慮して、個別に設定する。領域面積54は、測定場所ごとのユニット構造や流速検出素子の配置間隔などから、予め計算しておく。部分流量55は、流速情報52を補正値53で補正した後、領域面積54との積を求めた結果である。なお、川の流れの方向と流量との関係を予め測定しておき、個々の流速検出素子について、それぞれ流速検出方向を最適化することもできる。すなわち、全ての流速検出素子を同じ方向に向けておく必要はない。このときは、流量計算時に検出方向に応じた補正が必要になる。従って、上記のデータに、流速検出素子の検出方向情報を含めるとよい。
FIG. 4 is an explanatory diagram of information used when calculating the river flow rate from the measurement data and the calculation processing method.
In the calculation process of the river flow rate, identification information 51, flow
次に、具体的なデータの取り扱い方法を説明する。図4(b)に示すように、例えば、1つのユニットに設けられた9個の流速検出素子から流速情報52が図のようにD1、D2、…D9というように得られたとする。矢印の長さは検出した流速に対応する。これらのデータD1、D2、…D9を上から順番に比較していく。例えば、データD1とD2とを比較した場合、データD1は著しく低い。データD2は水面近くの所定の流速を測定した値になっている。従って、データD1を出力した流速検出素子は、水面位置57より上に配置されているものと判断することができる。
Next, a specific data handling method will be described. As shown in FIG. 4B, for example, it is assumed that
その結果、データD2を出力した流速検出素子以下に水が存在するというように、河川の水面位置を決定できる。また、例えば、データD3の実測値は、黒い矢印のようにデータD2よりもかなり大きな値になっている。しかしながら、一般に、河川の垂直方向にみた流速分布特性41は、水面から河床に向かうに従って、流速が遅くなるという傾向がある。このため予め例えば、0.8といった補正値53を設定しておく。これによって、データD3が補正され、流速分布特性41に沿う値になる。こうしておけば、流速が全体に増加した場合も全体に減少した場合も、ほぼ妥当な出力値が得られることになる。データD6については、逆に実際の測定値が予想される測定値よりも低い値になっている。従って、補正値により若干大きな値に補正している。また、データD7は、他の素子の出力に比べて著しく低い。これは、何らかの原因で流速検出素子が破損したものと考えられる。従って、このデータは無視する。
As a result, the water surface position of the river can be determined such that water exists below the flow velocity detecting element that outputs the data D2. Further, for example, the actual measurement value of the data D3 is considerably larger than the data D2 as indicated by a black arrow. However, in general, the flow velocity distribution characteristic 41 seen in the vertical direction of the river tends to decrease in flow velocity from the water surface toward the river bed. For this reason, a
また、流速分布特性41に従えば、データD8、データD9というように河床位置58に向かうにつれて流速が急激に減少する。従って、データD8、データD9の値から河床位置58を推測することができる。以上の処理により、9個の流速検出素子を含む1つのユニットで、垂直方向の流速分布を測定できた。また、水面位置57と河床位置58とを推測できた。幾つかのユニットを川幅に対してほぼ平行に配列すると、川の幅方向の水面位置と河床位置をほぼ正確に推定することができる。その結果を利用して、川の断面形状を特定し、川の実際の断面積を考慮した流量計算ができる。
Further, according to the flow
[システムの構成]
図5は、上記のような演算処理を実行するために図1に示したような管理側のコンピュータを含むデータ処理システムの機能ブロック図である。
現地の測定器60には、既に説明した多数の流速検出素子26が接続されている。測定器60は1ユニットに1台設けてもよいし、2以上のユニットに対して1台設けてもよい。流速検出素子26にはセンサ部61と識別情報メモリ62と測定データ生成部63とが設けられている。センサ部61は、既知の任意の流速センサである。機械的なものや電気的なもの等、様々なものがあるが、その出力データが測定データ生成部63に送り込まれる。
[System configuration]
FIG. 5 is a functional block diagram of a data processing system including a management computer as shown in FIG. 1 in order to execute the arithmetic processing as described above.
A number of the flow
識別情報メモリ62は、各流速検出素子を区別するための情報を記憶した装置である。測定データ生成部63は、流速情報と識別情報とを組み合わせた測定データを生成する。測定データ取得手段65は、多数の流速検出素子からそれぞれ順番に測定データ68を取得し、記憶装置67に記憶させる。この測定データ68は、測定データ送信手段66によって送信される。測定データ送信手段66は、例えば、携帯電話の機能を持ち、パケット送信によって管理側のコンピュータ70に対し記憶装置67に記憶された測定データ68を全て送信する。
The
管理側のコンピュータ70には、測定データ受信手段72と記憶装置73と演算処理装置74とが設けられる。また、演算処理結果を出力するためのプリンタ71が接続されている。記憶装置73には、測定データ受信手段72から転送された測定データ75が記憶される。さらに、既に説明した補正値53や領域面積54などを含む演算用データ76も記憶装置73に記憶されている。また、河川の断面図情報77も記憶されている。
The
演算処理装置74は、管理側のコンピュータ70において実行されるコンピュータプログラムを制御する。図に示す各手段は、演算処理装置74により実行されるコンピュータプログラムである。ここでは、流速情報補正手段81、部分流量算出手段82、集計手段83、境界情報取得手段84、状態情報生成手段85、及び、出力手段86を設けた。流速情報補正手段81は、各流速検出素子の検出した流速情報を既に説明した補正値を用いてその値を補正する機能を持つ。
The
部分流量算出手段82は、既に説明した通り河川の横断面を分割した領域の断面積と流速検出素子の検出した流速情報により該当する領域の部分流量を算出する機能を持つ。集計手段83は、部分流量算出手段82の算出した部分流量を集計して河川全体の流量を出力する機能を持つ。境界情報取得手段84は、既に説明した要領で隣接する流速検出素子の流速情報の差が閾値以上のものの位置情報を求め、水面や河床に相当する位置情報を取得する機能を持つ。状態情報生成手段85は、河川の断面図情報を読み出して境界情報取得手段の取得した位置情報を断面図上に表示し、河川の水面や河床位置を表示する情報を生成する機能を持つ。出力手段86は、プリンタ71やコンピュータ70のディスプレイを制御し、上記の演算処理結果を表示出力する機能を持つ。
The partial flow rate calculation means 82 has a function of calculating the partial flow rate of the corresponding region based on the cross-sectional area of the region obtained by dividing the cross section of the river and the flow velocity information detected by the flow velocity detection element as described above. The counting unit 83 has a function of counting the partial flow rates calculated by the partial flow
[システムの動作]
図6と図7は上記のシステムの動作フローチャートである。
このフローチャートは、システム各部の具体的な制御を含めた処理を示す。まず、最初のフローチャートは、測定データ取得手段65の動作を示す。はじめに、ステップS11では、測定データ取得手段65に接続された、対象となる流速検出素子26を1つ選択する。ステップS12では、その流速検出素子26から測定データを読み取る。ステップS13では、読み取った測定データを記憶装置67に記憶する。ステップS14では、別の流速検出素子に接続の切り替えをする。こうして、例えば、1つのユニットに含まれる全ての流速検出素子の測定データを、一定の周期で記憶装置67に記憶させる。次の周期では、新たに読み取った新しい測定データを記憶装置67に上書きする。こうして、記憶装置67に常に最新の測定データが記憶されているように制御する。
[System Operation]
6 and 7 are flowcharts of the operation of the above system.
This flowchart shows processing including specific control of each part of the system. First, the first flowchart shows the operation of the measurement data acquisition means 65. First, in step S11, one target flow
次のフローチャートは、測定データ送信手段66の動作を示す。測定データ送信手段66は、記憶装置67に記憶されたデータを、管理側で要求するインタバルで周期的に送信する。この周期を図示しないプログラムタイマで決めておく。ステップS21では、そのタイマ監視をする。ステップS22ではタイムアップを検出する。ステップS23では、記憶装置67に記憶された測定データ68の読み出しをする。そして、電子メール送信文を編集する。測定データは、例えば、添付ファイルにする。ステップS24では、携帯電話回線を利用して、そのメールを送信する。例えば、橋に取り付けられた4組のユニットに、それぞれ携帯電話機能を持つ測定器を搭載しておけば、所定の周期で管理側のコンピュータに対して、測定データがメールで転送され、その橋の場所での、河川の横断面からみた各部の流速データが収集できる。
The following flowchart shows the operation of the measurement data transmission means 66. The measurement data transmission means 66 periodically transmits the data stored in the
次のフローチャートは、測定データ受信手段72の動作を示す。測定データ受信手段72は、メール受信機能を備える。まず、ステップS31では、受信したメールの読み出しをする。次にステップS32では、メールに添付された測定データを記憶装置73に書きこんで記憶させる。このとき、後で演算処理が容易なように、所定のデータ形式に整理するとよい。 The following flowchart shows the operation of the measurement data receiving means 72. The measurement data receiving means 72 has a mail receiving function. First, in step S31, the received mail is read. In step S32, the measurement data attached to the mail is written into the storage device 73 and stored. At this time, it may be arranged in a predetermined data format so that the arithmetic processing is easy later.
図7のフローチャートは、管理側のコンピュータの演算処理装置74による動作を示す。まず、ステップS41では、流速情報補正手段81が、記憶装置73から、流速検出素子の測定データ読み出しをする。ステップS42では、予め設定しておいた補正値を用いて、補正演算をする。さらに、ステップS43で、隣接する流速検出素子の測定データとの比較演算をする。これにより、その流速検出素子が川面より上方にあるか、河床より下にあるときは、流量演算の対象外になるように、フラグ等を記憶しておく。ステップS44では、全ての流速検出素子について演算処理が終了したかどうかという判断をする。この判断の結果がイエスのときはステップS45の処理に移行し、ノーのときはステップS41の処理に戻る。こうして、全ての流速検出素子の測定データの補正値を得る。
The flowchart of FIG. 7 shows the operation of the
ステップS45では、境界情報取得手段84が、水面位置と河床位置の検出をする。その結果は例えば、状態情報生成手段85に渡して、出力手段86の処理により、プリンタ71に出力する。あるいは、モニタディスプレイに表示する。出力結果は例えば、図3に示したような図である。これで、時々刻々の河川の断面の状態が監視できる。一方、ステップS46では、部分流量算出手段82が、各流速検出素子に断面積割り付けをする。これは各流速検出素子ごとに固定された値でよい。川面より上方の素子や河床より下方の素子を自動的に演算対象から除外すればよい。ステップS47では、該当する断面積と部分流量計算処理をする。ステップS48では、集計手段83が、累積加算をする。これで、全流量が求められる。ステップS49では、出力手段86により71等を用いて流量算出結果の出力をする。以上のような処理により、管理側のコンピュータによって河川の状態監視が行われる。
In step S45, the boundary information acquisition means 84 detects a water surface position and a river bed position. The result is transferred to, for example, the state information generation unit 85 and output to the
以上のシステムによれば、安価な流速検出素子を使用して河川の各部の流速分布を求め、その結果に基づいて河川流量を正確に測定することができる。さらに、無人で測定データを自動的に収集し、河川流量を安全に遠隔監視することができる。また、多数の流速検出素子による測定データのばらつきを補正して、実用上十分な精度で河川の横断面からみた流速分布を求めることができる。 According to the above system, the flow rate distribution of each part of the river can be obtained using an inexpensive flow rate detection element, and the river flow rate can be accurately measured based on the result. In addition, measurement data can be automatically collected unattended, and river flow can be monitored safely and remotely. In addition, it is possible to obtain the flow velocity distribution as seen from the cross section of the river with sufficient accuracy for practical use by correcting variations in measurement data caused by a large number of flow velocity detection elements.
図8は、本発明のシステムの具体的な動作の説明図である。
図8において、垂直断面60は、河川の橋梁に沿う横断面を、水面位置57から河床位置58に向かって垂直方向に切断した面を示す。図示したA1、A2、A3、A4、A5の各位置に橋脚が存在するものとする。各橋脚には、既に説明した多数の流速検出素子26を配置したユニットが設置されている。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a specific operation of the system of the present invention.
In FIG. 8, a
ここで、この垂直断面60を通過する流量を求める。既に説明したように、各流速検出素子26は、例えば、それぞれが配置された場所において流速をV1、V2、V3、V4、V5というように検出する。この検出値に基づいて、この例では水平面内における流速分布曲線を求める。この曲線は、流速ベクトルの先端を滑らかな曲線で結ぶ、いわゆる補完処理により図示したような曲線である。
Here, the flow rate passing through the
例えば、A2の位置での水深をh、全川幅をWとする。そして、A2の位置で1つの流速検出素子26が検出した流速をV2とする。川幅方向の軸をX軸とする。また、垂直方向の軸をZ軸、任意位置での微小水深をΔZとする。この場合に、V2を検出した流速検出素子26の設置部分の単位面積当たりの流速は、ΔZV2となる。そして、ΔZの厚みの部分の流速は、Xが0からWまでの積分値となる。
For example, the water depth at the position of A2 is h, and the whole river width is W. The flow velocity detected by one flow
橋脚には水深方向(垂直方向)に多数の流速検出素子26が取り付けられている。各流速検出素子26においてそれぞれの高さにおける流速分布曲線を求める。そして、全体に垂直方向に積分をすると、垂直断面60を通過する河川の水量を計算することができる。この水量は単位時間当たりの部分水量である。上記の積分値にさらにZが0からhまでの積分をすれば、垂直断面60を通る全水量を計算することができる。
すなわち、演算式は次の式1に示す通りになる。Vは流速(変数)である。
∫∫ΔZΔXV X=0→W、Z=0→h (式1)
例えば、河川の形状が比較的シンプルで川幅方向の流速分布曲線が比較的単純な場合には、この式1の演算式による計算方法が適する。
A number of flow
That is, the arithmetic expression is as shown in the following
∫∫ΔZΔXV X = 0 → W, Z = 0 → h (Formula 1)
For example, when the shape of the river is relatively simple and the flow velocity distribution curve in the river width direction is relatively simple, the calculation method using the calculation formula of
一方、川幅方向には橋脚が存在し、あるいは様々な障害物があると流速分布曲線が複雑な曲線になる。さらに、河床の形状が複雑になった場合にも、流速分布曲線が複雑になる。そこで、この場合には次の方法によって演算処理をする方が、より少ない誤差で計算をすることが可能になる。 On the other hand, if there are piers in the river width direction or if there are various obstacles, the flow velocity distribution curve becomes a complicated curve. Furthermore, the flow velocity distribution curve also becomes complicated when the riverbed shape becomes complicated. Therefore, in this case, the calculation can be performed with less error by performing the arithmetic processing by the following method.
図9は、本発明のシステムによる別の河川流量の演算処理方法の説明図である。
図9において、垂直断面60とX軸とZ軸の設定は、図8に示したものと同様である。また、A1、A2、A3、A4、A5の各位置に橋脚が存在する。そして、これらの橋脚に、図10に示すように多数の流速検出素子26が垂直方向に適当間隔で配列され固定されている。各流速検出素子26は、それぞれ固定された場所の流速を検出する。この例では、河川の水の流れと平行な垂直面内における流速分布曲線を求める。図示の例では、流速検出素子26が配置された5箇所における微小幅ΔXの流速分布曲線が求められている。
FIG. 9 is an explanatory diagram of another river flow calculation processing method according to the system of the present invention.
In FIG. 9, the setting of the
ここで、例えば、水深がhのA2の部分を考える。このA2の部分での微小幅ΔXの水が図示の流速分布で流れた場合、この部分における流量は、ΔXVをZが0からhまで積分した値になる。他の部分についても同様である。そして、これをX軸方向にみた場合にX=0からW(川幅)まで積分すれば、図8の場合と同様に垂直断面60を通る全水量を計算することができる。
すなわち、演算式は次の式2に示す通りになる。Vは流速(変数)である。
∫∫ΔXΔZV Z=0→h、X=0→W (式2)
次に、図9に示した例について各橋脚間の流速分布をさらに詳細に説明する。
Here, for example, a portion of A2 where the water depth is h is considered. When water having a minute width ΔX in the portion A2 flows with the flow velocity distribution shown in the figure, the flow rate in this portion is a value obtained by integrating ΔXV from 0 to h in Z. The same applies to other parts. If this is viewed from the X-axis direction and integrated from X = 0 to W (river width), the total amount of water passing through the
That is, the arithmetic expression is as shown in the following
∫∫ΔXΔZV Z = 0 → h, X = 0 → W (Formula 2)
Next, the flow velocity distribution between the piers will be described in more detail with respect to the example shown in FIG.
図10は、河川の橋梁に沿う横断面と、a-a断面及びb-b断面での各水平面内での流速分布とを示す説明図である。
図10において、橋梁の各橋脚61、62、63、64、65のそれぞれの位置に、垂直方向に多数の流速検出素子26が設置されているものとする。これらの流速検出素子26は、いずれも各部分の流速を検出する。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a transverse section along a river bridge and a flow velocity distribution in each horizontal plane at the aa section and the bb section.
In FIG. 10, it is assumed that a large number of flow
ここで、例えば、橋脚61と62の間の流速分布曲線71に着目する。橋脚61と62が存在するために、流速分布曲線71は図示のように複雑な形状になる。図9に示したように各流速検出素子26の設置位置における垂直方向の微小幅ΔXについてその部分を通る流量を計算しておくと、これを図10に示す流速分布曲線71に沿ってX軸方向に積分すれば、各橋脚61と62の間を流れる水量を計算することができる。例えば、この水量が場所によって大きく異なると、橋脚に異常な側圧が加わり、橋の倒壊の原因になる。こうした状態を予測するために、上記式2の演算式による計算方法を採用することが好ましい。
Here, for example, attention is paid to the flow
図11は、橋脚61、62の間の流速分布曲線を水平方向と垂直方向に展開したものの模式図である。
図11に示す面71と面60に囲まれた体積は、橋脚61、62の間を通過する水量に相当する。上記のような演算処理を行うことによって様々な要求に応じた河川の状態情報を求めて表示し、安全管理に役立てることができる。
FIG. 11 is a schematic diagram of a flow velocity distribution curve between the
The volume surrounded by the
なお、図8に示した方法による演算処理と図9に示した方法による演算処理のいずれを採用するかは、実際に測定されたデータと予測される誤差の関係により自由に選択すればよい。あるいは両方の演算処理を採用し、一方を他方の補完に使用することにより、より正確な流量が得られる。 It should be noted that whether to use the arithmetic processing by the method shown in FIG. 8 or the arithmetic processing by the method shown in FIG. 9 may be freely selected depending on the relationship between the actually measured data and the predicted error. Alternatively, by adopting both arithmetic processes and using one for complementing the other, a more accurate flow rate can be obtained.
10 河川
12 橋梁
13 河川流量観測システム
14 河川流量観測システム
15 河川・道路事務所
16 光ファイバケーブル
20 河川の横断面図
21 河床
22 水面
25 支持体
26 流速検出素子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記各流速検出素子の検出した流速情報を、予め各検出素子ごとに設定した補正値を用いて補正する流速情報補正手段と、
前記河川の横断面からみた河川各部の流速分布を表示出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 A plurality of flow velocity detection elements are arranged at different depths in the vertical direction as seen from the cross section of the river, and flow velocity information detected by each of the flow velocity detection elements and identification information for identifying each flow velocity detection element are included. Measurement data acquisition means for acquiring measurement data;
Flow velocity information correction means for correcting the flow velocity information detected by each of the flow velocity detection elements using a correction value set in advance for each detection element;
A river flow rate observation system comprising: output means for displaying and outputting a flow velocity distribution of each part of the river as seen from the cross section of the river.
前記河川の横断面を、前記各流速検出素子の配置された深さを基準に水平に分割して、分割した各領域の断面積と対応する流速検出素子の検出した流速情報により該当する領域の部分流量を算出する部分流量算出手段と、
算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、河川全体の前記横断面における流量を算出する集計手段と、
集計された河川全体の前記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
The cross section of the river is horizontally divided based on the depth at which each flow velocity detecting element is arranged, and the corresponding area is determined by the flow velocity information detected by the flow velocity detecting element corresponding to the sectional area of each divided area. A partial flow rate calculation means for calculating a partial flow rate;
Aggregating means for accumulating the calculated partial flow rate for all regions and calculating the flow rate in the cross section of the entire river;
A river flow rate observation system comprising: output means for outputting a flow rate in the transverse section of the total river.
前記河川の横断面からみて、垂直方向にそれぞれ異なる深さに複数の流速検出素子を配置したユニットを、前記河川の横断面からみて、水平方向にそれぞれ異なる場所に複数設けたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
A plurality of units in which a plurality of flow velocity detecting elements are arranged at different depths in the vertical direction as seen from the cross section of the river are provided at different locations in the horizontal direction as seen from the cross section of the river. River flow observation system.
前記河川の横断面を垂直に分割し、分割した各垂直分割領域の断面積と流速検出素子の検出した垂直方向の流速分布により、該当する垂直分割領域の部分流量を算出する部分流量算出手段と、
算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、河川全体の前記横断面における流量を算出する集計手段と、
集計された河川全体の前記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
A partial flow rate calculation means for vertically dividing a cross section of the river, and calculating a partial flow rate of the corresponding vertical divided region based on a sectional area of each divided vertical divided region and a vertical flow velocity distribution detected by the flow velocity detecting element; ,
Aggregating means for accumulating the calculated partial flow rate for all regions and calculating the flow rate in the cross section of the entire river;
A river flow rate observation system comprising: output means for outputting a flow rate in the transverse section of the total river.
前記河川の断面図情報を記憶した記憶手段と、
前記測定データを参照して、隣接する流速検出素子の流速情報の差が閾値以上のものの位置情報を全て取得する境界情報取得手段と、
前記記憶装置に記憶された河川の断面図情報を読み出して、前記境界情報取得手段の取得した位置情報を前記河川の断面図上に表示することにより、前記河川の水面及びまたは河床位置を表示する状態情報生成手段と、
生成された状態情報を出力する出力手段を備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
Storage means for storing cross-sectional information of the river;
With reference to the measurement data, boundary information acquisition means for acquiring all positional information of the flow velocity information difference between adjacent flow velocity detection elements equal to or greater than a threshold value;
By reading the cross-sectional information of the river stored in the storage device and displaying the position information acquired by the boundary information acquisition means on the cross-sectional view of the river, the water surface and / or river bed position of the river is displayed. State information generating means;
A river flow rate observation system comprising output means for outputting generated state information.
各流速検出素子は、それぞれ独自の予め指定された方向の流速を検出するように設定されており、測定データには、当該検出方向情報が含まれることを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1 to 5,
A river flow rate observation system, wherein each flow velocity detection element is set to detect a flow velocity in a unique direction specified in advance, and the measurement data includes the detection direction information.
前記流速検出素子の出力により前記河川の水平面内における流速分布曲線を求め、この流速分布曲線を川幅方向に積分して水平面内における部分流量を算出する部分流量算出手段と、
算出した部分流量を垂直方向の全ての領域について累積加算して、河川全体の前記横断面における流量を算出する集計手段と、
集計された河川全体の前記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
A partial flow rate calculation means for obtaining a flow rate distribution curve in the horizontal plane of the river by the output of the flow velocity detection element, calculating the partial flow rate in the horizontal plane by integrating the flow rate distribution curve in the river width direction,
Aggregating means for accumulating the calculated partial flow rate for all regions in the vertical direction and calculating the flow rate in the cross section of the entire river,
A river flow rate observation system comprising: output means for outputting a flow rate in the transverse section of the total river.
前記前記流速検出素子の出力により前記河川の垂直面内における流速分布曲線を求め、この流速分布曲線を垂直方向に積分して垂直面内における部分流量を算出する部分流量算出手段と、
算出した部分流量を川幅方向の全ての領域について累積加算して、河川全体の前記横断面における流量を算出する集計手段と、
集計された河川全体の前記横断面における流量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
A partial flow rate calculation means for obtaining a flow rate distribution curve in the vertical plane of the river by the output of the flow rate detection element, calculating the partial flow rate in the vertical plane by integrating the flow rate distribution curve in the vertical direction;
Aggregating means for accumulating the calculated partial flow rate for all regions in the river width direction and calculating the flow rate in the cross section of the entire river,
A river flow rate observation system comprising: output means for outputting a flow rate in the transverse section of the total river.
請求項7に記載された集計手段と請求項8に記載された集計手段とから河川全体の前記横断面における各流量をそれぞれ集計し、一方の流量のデータを他方の流量のデータで補完することを特徴とする河川流量観測システム。 In the river flow observation system according to claim 1,
Aggregating each flow rate in the transverse section of the entire river from the counting means described in claim 7 and the counting means described in claim 8, respectively, and supplementing the data of one flow rate with the data of the other flow rate River flow observation system characterized by
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