JP3762945B2 - 非接触型流速計を用いた開水路流量観測方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川を始めとする開水路を流れる流体の流量を非接触型流速計を用いて観測するシステムに関し、特に風の影響を考慮した流量観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の開水路における流量観測として、自由水面を有する流体が流れる水路の上部空間に流れ方向に向け超音波、電波、光などを放射する流速センサを配置し、流体表面に発生する波などからの反射信号に基づいて流速を測定し、上記流速センサに近接して設けた水位センサにより水位を測定し、これら流速と水位とから開水路における流量を観測するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−５２６２２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の非接触型流速計を用いて流量を観測する流量観測システムは、河川等に非接触で河川表面の流速計測が可能であり、無人でのリアルタイム計測が可能なため、洪水時のような流れが激しい時、大量の流下物がある場合にも安全・確実に河川流量を把握できる有効な流量観測システムであるため、いくつかの河川に利用されている。しかし、非接触型流速計は流水の表面流速を計測していることから、台風襲来時のように強風が吹いた場合、流体の表面流速は水面上を吹いている風の影響を受け、順風時には大きく、逆風時には小さくなるため、実際の流量は一定であるにもかかわらず、流量を過大あるいは過小に評価してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、流体表面に発生する波紋や波などからの反射信号に基づいて流速を測定する非接触型流速計を用いた開水路流量観測装置において、吹送流の理論と実験により体系化された補正手法により、風の影響を取り除いた精度の良い開水路の流量観測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の非接触型流速計を用いた開水路流量観測方法は、非接触型流速計により開水路の流水の表面流速を計測して開水路の流量を観測する方法において、非接触型流速計の計測値を風により発生する吹送流の値に基づいて補正することを特徴とする。
また、本発明の非接触型流速計を用いた開水路流量観測方法は、観測所近傍で計測された風速値を観測水面上の一定の高さにおける流水の流れ方向の風速値に換算し、該換算された風速値に定率補正係数を乗じて風により発生する吹送流の値を求め、該吹送流の値に観測所近傍で測定された風向値を乗じて得られた値を前記水面上で計測された流速値に加算することにより補正された流速値を得ることを特徴とする。
また、本発明の非接触型流速計を用いた開水路流量観測装置は、非接触型流速計により開水路の流水の表面流速を計測して開水路の流量を観測する装置において、非接触型流速計の計測値を風により発生する吹送流の値に基づいて補正する補正手段を設けたことを特徴とする。
また、本発明の非接触型流速計を用いた開水路流量観測装置は、補正手段が、観測所近傍で計測された風速値を観測水面上の一定の高さにおける流水の流れ方向の風速値に換算し、該換算された風速値に定率補正係数を乗じて風により発生する吹送流の値を求め、該吹送流の値に観測所近傍で測定された風向値を乗じて得られた値を前記水面上で計測された流速値に加算することにより補正された流速値を得る手段であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
非接触型流速計は、ドップラー方式と画像処理方式の２つに大別される。ドップラー方式は、図１に示すように、電波もしくは超音波を水面上から流水方向に斜めに照射し、水面から反射してくる電波・超音波の周波数のドップラー効果による変化量を測定することにより水面の表面流速を計測するタイプである。
一方、画像処理方式は、図２に示すように、あらかじめ画面内の位置評定を行ったカメラで水面の画像を撮影し、その画像上に写っている波・紋様あるいはトレーサ粒子等の移動量を測定することによって水面の表面流速を計測するタイプである。これらの非接触型流速計の計測値、すなわち表面流測値に深さ方向の流速分布を考慮するための更正係数を乗じることにより深さ方向平均流速が求められ、複数測線における流速値による区分流量を合算することにより河川流量を観測できる。
【０００８】
仮に河川水表面が限りなく滑らかな平面（鏡面状態）だったとすると、ドップラー方式では電波又は音波照射方向に反射波が生じ得ず、画像処理方式では水表面の紋様が存在しないため、いずれも表面流速を計測することは不可能である。したがって、水表面に存在する波がこれらのセンサの直接の計測対象である。水表面に存在する様々な凹凸のうち、非接触型流速計の計測値に流速成分を生み出す波は、何らかの乱れや風等を契機として発生し、水粒子自体の動き（表面流速）の上に載る形で水表面を伝播する微小振幅波であり、不規則波である。したがって、風がない場合は、ある領域内の平均流速を計測している非接触型流速計の計測値においては、様々な周波数・方向を持った不規則波成分は打ち消し合って表面流速成分が検出される。
しかしながら、風が吹いた場合は、一律に風方向の成分波が発生し、その波速が非接触型流速計の計測値に影響を及ぼすものと考えられ、また、波が載っている表面流速自体に風によって生じる吹送流が重畳し、鉛直方向の流速分布に影響を与えているものと予測される。
【０００９】
図３及び図４は、流れに対し逆風の場合の流れに対する風の影響を示した概念図であり、図３は正面図、図４は平面図である。
風は、川の自流に対してθの角度をなして逆向きに風速Ｖで吹いており、流れの表面に吹送流Ｕ_０が発生している。図３において、Ｐ_１は川の自流により本来あるべき流速プロファイルであり、Ｐ_２は風により発生する吹送流Ｕ_０の影響を受けた現実の流速プロファイルである。
【００１０】
今、風がない場合の川の自流によって本来あるべき表面流速をＵ_１、風による吹送流をＵ_０、 静止水面上の微少振幅波の波速をＣ_０、及び非接触型流速計の計測値をＣ（固定座標系からみた風波の速度）とする。
風による吹送流Ｕ_０ は水面上１０ｍの風速をＵ_１０とすると、
Ｕ_０＝αＵ_１０ （αは定率補正係数） （１）
で表される。
一方、流れのないときの波速Ｃ_０ は、表面張力も考慮に入れて一般に次式で表現される。
Ｃ_０＝［（ｇ／ｋ＋Ｔｋ／ρ）tanh（ｋｄ）］^１／２ （２）
ここに、ｇ：重力加速度、ｋ：波数２π／Ｌ（Ｌ：波長）、Ｔ：表面張力、ρ：水の密度、ｄ：水深 である。
もし、風がなく、流速プロファイルをべき乗則で表現することができる河川自流のみに上記の微小振幅波が載っている場合は、Ｌ＜１．５ｍにおいて、その波速Ｃ_１は、次式で近似することができる。
Ｃ_１＝Ｃ_０ ＋Ｕ_１ （３）
しかし、風がある場合には、その風に起因した微小振幅波（風波）の波速Ｃは、（１）式による吹送流Ｕ_０ の影響を受け、次式で表される。
Ｃ＝Ｃ_０＋Ｕ_１＋γ・Ｕ_０ （４）
ここに、γ：風波の波長Ｌ及び吹送流が流速プロファイルに与える影響深さｄによって変化する係数である。
ここで、河川においては、海上と異なり吹送時間・吹送距離が短いため、波長Ｌは小さくｄも小さいと考えられることから、γ≒１とおくことにより、固定座標系からみた風波の波速Ｃは、図５に示すように、
Ｃ＝Ｃ_０＋Ｕ_１＋Ｕ_０ （上流→下流方向を正とする。） （５）
と近似できる。
上記（５）式から、非接触型流速計の計測値Ｃ及び風による吹送流Ｕ_０から風がない場合の川の自流によって本来あるべき表面流速Ｕ_１ を求めることができる。
なお、吹送流Ｕ_０は上記（１）より、水面上１０ｍの風速Ｕ_１０ 及び定率補正係数αから求められる。
また、Ｃ_０ は上記（２）式により、波長Ｌを測定もしくは仮定することにより求めることができるが、波長Ｌの測定装置を組み込むことは現時点においてコスト等の問題から現実的でないこと、及び後述する実験結果からＣ_０ を無視しても風速影響成分の相当部分を減少できることから、本発明においてはこれを無視して川の自流によって本来あるべき表面流速Ｕ_１ を求めるものとする。
Ｕ_１ ≒Ｃ−Ｕ_０ （６）
【００１１】
風速Ｕ_１０の求め方について説明する。
図６は、Ｕ_１０ を求める手法について説明したものであり、水面上の任意の高度で風向値θと風速値Ｕを測定し、滑面の式である▲１▼式によりＵ（１０）を求め、風速値Ｕ（１０）が７ｍ／ｓｅｃより大きい場合は粗面の式である▲２▼式によりＵ（１０）を求める。▲２▼式により求めたＵ（１０）が７ｍ／ｓｅｃより大きい場合はその値を水面上１０ｍの風速Ｕ_１０ とする。一方、▲１▼式より求めた風速値Ｕ（１０）が７ｍ／ｓｅｃより小さい場合は▲１▼式で求めた値を水面上１０ｍの風速Ｕ_１０ とする。また、▲２▼式により求めたＵ（１０）が７ｍ／ｓｅｃより小さい場合は、▲１▼式で求めた値と▲２▼式で求めた値の和の１／２の値をＵ_１０とする。
なお、上記した水面上の任意の高度における風向値θ及び風速値Ｕの測定設備をわざわざ設置するのが困難であるような場合には、観測地点近傍の地面上の任意の高度に設置した測定設備で、又は観測地点近傍にある既存の測定設備の任意の高度で測定された値を以て上記水面上の任意の高度における風向値θ及び風速値Ｕの近似値として用いることができる。
また、本明細書において、「観測所近傍」という場合は水面上又は観測地点近傍を含んだ概念として用いる。
【００１２】
次に、定率補正係数αについて説明する。
既往の研究では、静水時でも風のせん断力により水面付近に吹送流が発生し、その吹送流速値は、水面上１０ｍ地点の風速の３％〜４％程度となるとされている。
しかし、既往の研究が海上のような吹送距離が数ｋｍ〜数十ｋｍもある場所を対象としているのに対し、河川の場合には、吹送距離はせいぜい数百ｍ〜１ｋｍ程度であることから、実験を行うことにより河川における定率補正係数αを求めることとした。
【００１３】
定率補正係数αについての実験について説明する。
実験で使用した非接触型流速計は、ドップラー効果を利用した電波流速計、超音波流速計と画像処理により表面流速を計測するＰＩＶ法、オプティカルフロー法の４つの非接触型流速計を水路上に設置した。
図７に示すように、幅３ｍ、長さ５０ｍの水路の中央部分２５ｍを幅２ｍに狭めて実験水路とし、その中央にアクリル製の風洞を設置した。風は、最大風速１９０ｍ３／ｍｉｎの風量が異なる２種類の送風機を各４基使用した。実験ケースは、風向について、流れに対して順風と逆風の２ケース、風速について、風無し、弱風（水面上１０ｍ換算値：６．０ｍ／ｓ程度）、逆風（水面上１０ｍ換算値：７．６ｍ／ｓ程度）の３ケース、水の流れとして、静水、低流速（０．７ｍ／ｓ程度）、高流速（１．１ｍ／ｓ程度）の３ケースの合計１４ケースである。計測項目は、各非接触型流速計による表面流速値、１辺が５ｃｍの厚さ０．５ｃｍの木片をトレーサとした表面流速である計測値、風洞出口において、水面上約５ｃｍ、４０ｃｍの２個所で風速値、非接触型流速計の計測地点の波高計測値である。
【００１４】
本実験の吹送流速（トレーサ流速）が水面上１０ｍ換算風速の何％に当たるかを検討した結果を図８に示す。この図より、弱風・強風ともに水面上１０ｍ換算風速の１．６％程度になっており、既往の研究の３％〜４％よりもかなり小さいことがわかった。静水時の非接触型流速計計測値は、ＰＩＶ法を除いて、弱風時で２０数ｃｍ程度、強風時で４０〜５０ｃｍ程度トレーサ流速を上回る計測値が得られた。波高計の計測結果から風波が確認されていることから、吹送流に加えて風波の影響を受けている可能性が高い。その波速を考慮すると、ＰＩＶ法を除く非接触型流速計の計測結果と一致することが確認できた。
【００１５】
次に、流れがある場合で風が無い場合の非接触型流速計計測値を基準とし、風がある場合の代表として順風時の計測値の差異を図９に示す。この図より風速が増加すると無風時の同じ流量の流速値よりも大きくなっており、静水時同様に風による吹送流の影響が考えられる。そこで、吹送流を水面上１０ｍ地点風速換算値の１．６％とみなして風無し時の非接触型流速計計測値に加算し、風有り時の非接触型流速計計測値と比較する。図１０は電波流速計の結果である。順風低流速を除き吹送流１．６％と良く一致している。また、順風低流速でも、風によって発生する波の波速を考慮すると比較的一致することがわかった。
【００１６】
〔風の影響を受ける開水路断面の流量観測〕
図１１は、本発明の実施の形態における流量観測装置の概略を示した図である。
観測所に設けられる流量観測装置は、開水路の表面流速を計測する非接触型流速計１、観測所近傍に設けられた風向・風速計２及び開水路の水位を測定する水位計３とを備えている。非接触型流速計１からの表面流速データ及び風向・風速計２からの風向・風速データは流速計変換器４に入力され、また、水位計３からの水位データは水位計変換器５にそれぞれ入力される。流速計変換器４には、非接触型流速計１の計測値を風により発生する吹送流の値に基づいて補正する補正手段、すなわち、観測所近傍で計測された風速値を観測水面上の一定の高さにおける流水の流れ方向の風速値に換算し、該換算された風速値に定率補正係数を乗じて風により発生する吹送流の値を求め、該吹送流の値に観測所近傍で測定された風向値を乗じて得られた値を前記水面上で計測された流速値に加算することにより補正された流速値を得る補正手段が内蔵されている。
そして、流速計変換器４及び水位計変換器５から出力される信号は演算処理装置６に入力され、所定の演算がされ、流速及び流量を外部出力するようになっている。
【００１７】
図１２は、本発明の実施の形態における流量観測のフローを示した図である。
上記流量観測装置を用いて流量を観測する手順は、次のとおりである。
（１）非接触型流速計１を用いて水面上の風波の速度Ｃを測定する。
併せて、風向・風速計２を用いて観測所近傍の風向値θと風速値Ｕを測定する。そして、測定された風向値θ及び風速値Ｕを平滑化処理（一定時間内に計測された値の平均化処理）を行う。
（２）平滑化処理された風速値Ｕから上記式▲１▼又は式▲２▼により水面上１０ｍの風速値Ｕ_１０ を求める。
（３）風速値Ｕ_１０ を、平滑化処理された風向値θを用いて水の流れ方向の風速成分に換算する。
（４）水の流れ方向の風速成分に換算された風速値Ｕ_１０に 実験で求めた定率補正係数（α＝１．６％）を乗じて吹送流Ｕ_０ を求める。
（５）非接触型流速計１で測定された風波の速度Ｃと吹送流Ｕ_０とから上記（６）式を用いて、川の自流によって本来あるべき表面流速Ｕ_１ を求める。
（６）表面流速Ｕ_１ に、風がないことを前提とした鉛直方向平均流速への区分断面毎の更正係数βを乗じて、風の影響を取り除いた断面平均流速を求める。
（７）風の影響を取り除いた断面平均流速に断面積を乗じて開水路の流量を算定する。
【００１８】
上記手順で示した本発明による風の影響の除去手段を、４種の非接触型流速計に適用して計測した実験結果を図１３に示す。
図から、電波流速計、超音波流速計及びオプティカルフロー流速計において、風の影響を補正した計測値が風の影響を補正しない計測値に比較して測定誤差が大幅に向上していることが確認できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
（１）河川を始めとする開水路における流量を非接触式流速計を用いて観測するシステムにおいて、風の影響を正確に補正するという新規な手段より風の影響を取り除いた精度の良い流量観測装置を提供することができる。
（２）風の影響を補正する手段としては、風向、風速を計測する装置及びこの計測値に基づいて非接触式流速計の流速値を補正する演算手段だけで良く、特別な装置を必要としないため、安価にできる。
（３）非接触式流速計を用いた流量観測装置の唯一の弱点である風の影響を除去できることから、特に台風襲来時のように強風が吹き、洪水で接触式流速計が被害を受けるような場合でも、安全・確実に流量観測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 非接触型流速計におけるドップラー効果を利用した計測手法の原理を説明する図である。
【図２】 非接触型流速計における画像処理方式を示す概略図である。
【図３】 流れに対し逆風の場合の流れに対する風の影響を示した正面図である。
【図４】 図３の平面図である。
【図５】 固定座標系から見た風波の速度を説明した図である。
【図６】 観測所近傍の任意の高度での風速値から水面上１０ｍの風速値を求める手法を説明する図である。
【図７】 実験水路の平面図である。
【図８】 吹送流速が水面上１０ｍ換算風速の何％に当たるかを検討した結果を示す図である。
【図９】 各流速計の無風時の計測値を基準とした時の風速増加による増分率を示した図である。
【図１０】 無風時の電波流速計の計測値に風速値の１．６％分を加算した吹送流速と各ケースでの計測値の比較を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態における流量観測装置の概略を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態における流量観測装置のフローを示した図である。
【図１３】 本発明の実施の形態による風の影響の除去手段を、４種の非接触型流速計に適用して計測した実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 非接触型流速計
２ 風向・風速計
３ 水位計
４ 流速計変換器
５ 水位計変換器
６ 演算処理装置

Claims (2)

1. 非接触型流速計により開水路の流水の表面流速を計測して開水路の流量を観測する方法において、観測所近傍で計測された風速値を観測水面上の一定の高さにおける流水の流れ方向の風速値に換算し、該換算された風速値に定率補正係数を乗じて風により発生する吹送流の値を求め、該吹送流の値に観測所近傍で測定された風向値を乗じて得られた値を前記水面上で計測された流速値に加算することにより補正された流速値を得ることを特徴とする非接触型流速計を用いた開水路流量観測方法。
2. 非接触型流速計により開水路の流水の表面流速を計測して開水路の流量を観測する装置において、非接触型流速計の計測値を風により発生する吹送流の値に基づいて補正する補正手段を設け、該補正手段が、観測所近傍で計測された風速値を観測水面上の一定の高さにおける流水の流れ方向の風速値に換算し、該換算された風速値に定率補正係数を乗じて風により発生する吹送流の値を求め、該吹送流の値に観測所近傍で測定された風向値を乗じて得られた値を前記水面上で計測された流速値に加算することにより補正された流速値を得る手段であることを特徴とする非接触型流速計を用いた開水路流量観測装置。

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