JP2741738B2 - 平均流速の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平均流速の測定方法及
びその装置に関し、更に詳細には、海洋、河川等におけ
る流れ環境を解明するための新たな流速測定方法及びそ
の測定装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】水中生物特に定着性の種の分布は、流れ
環境に大きく影響されるといわれており、水産生物の生
息場の形成要因を解明するために実際の水域における流
れ分布を調査することは極めて重要である。ところで、
海洋、河川等における流れの時間的変動は一般に大きい
が、ある種の生息場が特定の場所に形成される理由を考
える場合には、まずある程度長い期間の平均的な流れの
大きさ（以下平均流速という）を把握する必要がある。

【０００３】しかし、従来用いられてきた現地観測用流
速計は、主に流向、流速の時間変化を調べることを目的
としたもので、平均流速を測定するに適したものではな
かった。例えば、従来平均流速を測定するには、通常、
流速の刻々の瞬間値や短時間の平均値を測定して内蔵し
た記録装置に蓄えるプロペラ流速計、電磁流速計、超音
波流速計等の測定器を用い、記録された多くのデ−タか
ら数値処理して一つの平均値を得る作業を要し、労力の
無駄の多いものであったばかりでなく、それらの計測器
は電子部品を内蔵するため、観測現場となる水域内に配
置した場合に、漏水や結露に極端に弱く、僅かの振動に
よっても接触不良を起こし易いという技術的欠点を有し
ていた。更に、経済的にも、その利用には多額の経費と
労力を要するので、実際には充分な観測地点を確保する
ことができず、調査の実施上において大きな障害となっ
ていた。

【０００４】一方、これら電子機器によらず海水の流動
量を計測する手段として、ａ）鉄板が水流の強さに応じ
て腐食する性質を利用して海水の流動量を推定する方法
や、ｂ）石膏塊が水中で当る水流の強さに応じて減耗す
る性質を利用して流動の度合の比較及び測定を行なう方
法があり、これらは取扱が容易でかつ安価であるため沿
岸域の生物研究のための海水流動調査に利用されてき
た。しかし、前者は、鉄の腐食が海水の溶存酸素量に左
右され、且つ、潮流の流速によって鉄板の受水量が変化
する等で誤差が大きいという難点を有し、後者は、石膏
の溶解速度が水温によって大きく変化し、またその溶解
速度と流速との間には直線関係が成り立たないという性
質があるために、狭い海域の流れの強さを相対的に評価
する場合に適用されるに過ぎないものであった。従っ
て、いずれも流れ環境の解明に必要な平均流速の測定に
は、満足できるものではなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、流れ環境の
変動を解明するために必要とされる比較的長時間の平均
流速を精度良く且つ簡便に測定するに適した測定方法の
開発と、同方法を簡便で且つ低コストに実施できる測定
装置を得ることを目的としたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

＜測定装置＞説明の便宜上測定装置を先に説明すると、
本発明の測定方法には、流れの作用で濃度変化を惹起す
る水溶性物質を内包し、その濃度の対数の時間変化率と
流速との間に直線関係が成立つ状態の測定装置を必要と
する。その装置には、水溶性物質を周囲の水と密度成層
を形成しない濃度に調整して封入した溶液室を有し、当
該溶液室の一端に水流に臨んで連行又は剥離に伴う圧力
低下を惹起する狭口の流出管を連通し、他端に粘性損失
により運動エネルギ−を減衰させる制流材を充填した入
水部を連設した測定装置を用いることができる。

【０００７】ここで、水溶性物質とは、水に均一に混合
する物質をいい、例えば、染料やコロイド粒子としたプ
ラスチック粉等を挙げることができ、又、溶液室に封入
される周囲の水と密度成層を形成しない濃度とは、周辺
の水と密度差が大きいために沈降又は浮上を起こして装
置外に自然に漏洩してしまううことがない濃度をいう。
そして、該溶液室は、方向性による偏りをなくすため軸
対称の封入容器によって形成するのが望ましい。又、連
行（エントレインメント）又は剥離に伴う圧力低下を惹
起する狭口の流出管とは、管内の水が流水に接する先端
で、水の粘性により引き付けられ又は流れが管の外壁面
から剥離し、それにより口部を相対的に減圧するものを
いい、例えば、円筒管に形成し、後述するようにその内
径が溶液室の体積に対して小さいものを用い、該円筒管
を前記溶液室の上面中心部に孔を設けて鉛直に取り付け
るのが望ましい。更に、入水部は、上記流出口から溶液
室内の水が流出した場合に当該溶液室に水を供給するも
ので、その為には、溶液室に流水の運動量が圧力に変る
のを抑える為に粘性損失により運動エネルギ−を減衰さ
せる材料、例えば、ガラス玉、砂、スポンジなどの透水
性のある制流材を充填する。

【０００８】＜測定装置の作用＞上記測定装置を流水の
中に設置すると、狭口の流出管の先端では、連行と剥離
に伴う圧力低下により、流水の速度に応じて流出口から
水溶性物質が流出し、溶液室内の水溶性物質に濃度変化
が惹起される。次に、当該溶液が流出すると同時に、入
水部から周辺水が吸い込まれて、溶液室内に拡散して溶
液を希釈するが、この流れは、入水部でガラス玉等の制
流材の作用を受け、粘性損失により運動エネルギ−が減
衰し、流速がほとんど零になる。この流出と入水の一連
の流れの機構により、水溶性物質の濃度の変化率の対数
と流速との間には、直線関係が成り立つ状態となる。

【０００９】＜測定方法＞次に、上記測定装置を用いた
本発明の測定方法を説明する。 （イ）先ず、上記測定装置を、対象となる水域の測定位
置の水底に設置する。このとき測定装置に封入する水溶
性物質として、例えば染料を用いることができるが、太
陽光によって脱色し難い染料を選択することが好まし
い。

【００１０】（ロ）当該測定装置を設置したら、適当時
間で測定を開始し、その測定の開始時をｔ＝０として、
その時点ｔ＝０における溶液室内の水溶性物質の濃度Ｃ
_in（０）を測定し、次いで、一定時間Ｔが経過した時点
ｔ＝Ｔにおける溶液室内の水溶性物質の濃度Ｃ_in（Ｔ）
を測定する。このとき、流出口から注射器を挿しこん
で、注射針を所定の位置まで挿入して溶液室内から少量
の溶液を採取し、これを分光光度計にかける等の手段を
用いることができる。

【００１１】（ハ）更に、上記濃度Ｃ_in（０）、Ｃ
_in（Ｔ）を測定したら、その測定値を下記の演算式に代
入し、

【数３】 この式を演算して、流速測定期間における平均流速を算
出する。ここに、ｔは経過時間で、Ｔは測定時間で、Ｃ
_outは周辺水に含まれる水溶性物質の濃度で、ｕは流出
口周辺における流速、ｕ₀及びβは測定装置に固有の定
数を表す。ここで、平均流速を演算する式として（１）
式が導き出されるのは、以下の理由による。先ず、流出
管内に発生する流れｖについては、一般に次式で表わさ
れる関係が成り立つ。 ｖ＝α（ｕ−ｕ₀ ）・・・（い式） （α及びｕ₀ は正の定数で測定装置の構造に依存する
値） 次いで、流出管の通水断面積をＡ、溶液室の体積をＱで
表わすと、Ｑ／Ａｖは溶液室内の溶液が流入する周辺水
と交換する時間の大きさの程度を表すが、溶液室内に流
入した水が流出管から排出されるまでに溶液と混合する
時間は、Ｑ／Ａｖが大きい程長くなる。このことから、
流出管の内径と溶液室の体積を適当に決めることによ
り、溶液室内では流入する周辺水と溶液が完全混合する
とみなすことができるようになる。このようにして決め
られた大きさの測定装置では、溶液室における水溶性物
質の濃度に関して、近似的に次式が成り立つ。

【数４】 ここに、Ｑ_in（ｔ）は時点ｔにおける溶液室内の水溶性
物質の平均濃度、Ｃ_out は周辺水に含まれる前記水溶性
物質の平均濃度である。そこで、（ろ）式に（い）式を
代入して、両辺を時間ｔ＝０からｔ＝Ｔまで積分し、両
辺をＴで除し、β＝αＡ／Ｑとおくと、前出の（１）式
が得られる。

【００１２】（ニ）更に、周辺水に含有されない物質を
水溶性物質として選択すれば、Ｃ_out＝０とおけるの
で、平均流速はより簡単な次式で表される。

【数５】 上記（１）式及び（２）式は、例えば分光光度計で水溶
性物質の濃度を測定する場合に、周辺水の濁りによりＣ
_outが無視できない場合には（１）式を用い、周辺水の
濁度が溶液室内の濁度に比べて無視できない程低くＣ
_out＝０とみなすことができる場合には（２）式を用い
る等、状況に合せて選択する。

【００１４】

【実施例】

＜測定装置＞本発明の実施例を図１に基づいて説明す
る。８０φの上蓋２と同径の底蓋３を配した円筒型の封
入容器４の内部に隔壁５を水平に設けることにより、上
方に高さ７０ｍｍの溶液室６及び下方に高さ２５ｍｍの
入水部７を形成する。当該隔壁５の中心部に、８φの通
水孔８を設け、入水部７の側壁に複数個の３φの吸水孔
１０を円周方向に均等に設ける。上蓋２に孔を内径２φ
とした小径の流出管１を鉛直に３０ｍｍの高さに立設
し、一方、入水部７に４．５φとしたガラス玉の制流材
９を充填する。又、図２に示すように、通水孔８の開閉
用に上げ蓋１２を設けると、通水孔からの周辺水の流入
を制御できるので流速測定期間の調整に便利である。こ
の実施例では、封入容器４の上面にあけた孔にコルク栓
１７をはめ込み、上端に摘み１８を有する開閉棒１６を
コルク栓１７に貫通させ、蝶番１１により動き且つ下面
に板状の磁石１３を取り付けた平板状の上げ蓋１２を溶
液室の底面に取り付け、通水孔８の周辺に薄い鉄板１４
を接着し、開閉棒１６の下端と上げ蓋１２を吊り糸１５
で結んでいる。尚、入水部は、封入容器とは別個に設け
て、溶液室と柔軟性のある導水管で結んだ態様としても
良い。

【００１５】＜測定方法＞次に、上記装置を用いた測定
方法の実施例について説明すると、本実施例では水溶性
物質として染料（商標名オパ−ルブラック：保土谷化
学）を用い、測定対象を実験的に流速ｕの定常流になる
ように設定した回流水槽を設定し、その中に固定して、
Ｃ_out＝０とみなせるように回流水槽に給水した。ま
た、溶液室内の染料の濃度については、注射器を用いて
流出管からその注射針を所定の深さまで挿入して少量の
溶液を採取して分光光度計により測定した。この場合、
ｔとｌｏｇ｛Ｃ_in（ｔ）／Ｃ_in（０）｝との間には直線
関係があるはずであるが、図３に示す試験の結果、数々
の流速ｕに対するＣ_in（ｔ）／Ｃ_in（０）の時間変化
は、その理論がよく当てはまることを表わしている。こ
の図３において縦軸は対数で表示され、また実線は始点
ｔ＝０，Ｃ_in（ｔ）／Ｃ_in（０）＝１を通る回帰直線で
ある。その回帰直線の傾きの絶対値をλとすると、
（い）式及び（ろ）式よりλはβ（ｕ−ｕ₀ ）を表すの
で、（２）式が成り立つには、λがｕの一次式で表され
ればよい。図４は回帰直線の傾きλと流速ｕとの関係を
示している。λがｕの一次式でほぼ表されており、
（２）式が成り立つことが実験的に検証された。尚、こ
の装置の場合、ｕ≧ｕ₀ ≒６ｃｍ／ｓｅｃの範囲が適用
条件となっているが、測定装置の形状を工夫することに
よりｕ₀ を０に近づけることができる。又、計測可能な
時間は、水溶性物質の初期濃度を高くしたり、溶液室の
内容積を大きくしたり、流出管の断面積を小さくしたり
することによって長くすることができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、流向流速の時間変化を調べる
調査や頗る高い測定精度を要求する調査には利用できな
いが、長期間の流速の概略値を調査する場合には、海水
成分や温度に影響されることなく精度良く測定できると
共に、湿気や振動に弱い電子部品を要しないので確実性
が高く、更に、取扱が簡便で低コストであるので現地観
測に手軽に利用できる。特に、多数の流速計を必要とす
る平均流速の空間分布を調べる場合や、手軽に長時間の
平均流速を測定したい場合には、本発明は非常に有効な
手段となり、水中生物の流れ環境の解明等に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明測定装置の一実施例を示す側面図であ
る。

【図２】本発明測定装置の別な態様を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明測定方法に基づく溶液室中での染料の相
対濃度の時間変化を示す相関図である。

【図４】図３の回帰直線の傾きの絶対値λと流速ｕの関
係を示した相関図である。

【符号の説明】

１ 流出口 ４ 封入容器 ５ 隔壁 ６ 溶液室 ７ 入水部 ８ 通水孔 ９ 制流材 １０ 吸水孔 １２ 上げ蓋 １６ 開閉棒

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流れの作用で濃度変化を惹起する水溶性物
   質を内包し、その濃度の対数の時間変化率と流速との間
   に直線関係が成立つ状態の測定装置を測定地点に配置
   し、 当該水溶性物質の水溶液の測定開始時（ｔ＝０）の濃度
   Ｃ_ｉｎ（０）と、測定終了時（ｔ＝Ｔ）における濃度Ｃ
   _ｉｎ（Ｔ）を夫々測定し、 上記濃度の測定値Ｃ_ｉｎ（０）、Ｃ_ｉｎ（Ｔ）を下記の
   演算式に代入し、 ｛ｔ：経過時間 Ｔ：測定時間 Ｃ_ｏｕｔ：周辺水に含
   まれる水溶性物質の濃度 ｕ：流速 ｕ_ｏ：測定装置に
   固有の定数 β：測定装置に固有の定数｝ これより測定期間における平均流速を算出することを特
   徴とする測定方法。
2. 【請求項２】流れの作用で濃度変化を惹起する水溶性物
   質を配し、その濃度の対数の時間変化率と流速との間に
   直線関係が成立つ状態の測定装置を測定地点に配置し、 当該水溶性物質の水溶液の測定開始時（ｔ＝０）の濃度
   Ｃ_ｉｎ（０）と、測定終了時（ｔ＝Ｔ）における濃度Ｃ
   _ｉｎ（Ｔ）を夫々測定し、 上記濃度の測定値Ｃ_ｉｎ（０）、Ｃ_ｉｎ（Ｔ）を下記の
   演算式に代入し、 ｛ｔ：経過時間 Ｔ：測定時間 ｕ：流速 ｕ_ｏ：測定
   装置に固有の定数β：測定装置に固有の定数｝ これより周辺水に含まれる水溶性物質の濃度Ｃ_ｏｕｔ＝
   ０とした場合の測定期間における平均流速を算出するこ
   とを特徴とする測定方法。