JP4520878B2 - 河川流量観測システム - Google Patents

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。

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）。
特開２００４−１１７１１９号公報 特開２００３−１４８６８号公報 特開２００２−３５６８３４号公報 特開平９−１９６７２７号公報 特開平１０−１９７２９９号公報

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。

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。

本発明は、下記の構成を有する。
河川の横断面から見て水平方向と深さ方向に２次元配置され、支持体に固定され、水面より上に出ているものと河床に埋もれているものを含む多数の流速検出素子と、前記多数の流速検出素子から、連続的にあるいは所定の時間間隔で測定した河川の流速を示す流速情報を取得する測定データ取得手段と、前記測定データ取得手段の取得した測定データと各流速検出素子を識別するための識別情報を含めた測定データを管理側のコンピュータに送信する測定データ送信手段と、前記管理側のコンピュータにおいて、前記測定データを受信する測定データ受信手段と、前記各流速検出素子の検出した流速情報のばらつきを補正するために、前記測定データの値を補正する流速情報補正手段と、前記各流速検出素子に対して、河川の横断面を分割した領域を割り付け、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の積を求めて、その領域を流れる川の水の流量を算出する部分流量算出手段と、前記部分流量算出手段が算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、前記河川の横断面における流量を算出する集計手段と、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、水面と河床に相当する位置情報を取得する境界情報取得手段と、前記境界情報取得手段の取得した位置情報を河川の断面図上に表示し、河川の水面と河床位置を表示する状態情報生成手段とを備え、前記測定データ受信手段は、前記河川の上流と下流で同様の測定を行って、災害情報に必要な増水予測のための測定データを収集することを特徴とする河川流量観測システム。
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。

〈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。

〈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。

〈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。

〈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。

〈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。

〈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。

〈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。

〈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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。 （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。 河川の流量計算方法の説明図である。 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。 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。 システムの動作フローチャートである。 システムの動作フローチャートである。 システムの具体的な動作説明図である。 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。 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。 橋脚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。

符号の説明

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

Claims (2)

1. 河川の横断面から見て水平方向と深さ方向に２次元配置され、支持体に固定され、水面より上に出ているものと河床に埋もれているものを含む多数の流速検出素子と、
   前記多数の流速検出素子から、連続的にあるいは所定の時間間隔で測定した河川の流速を示す流速情報を取得する測定データ取得手段と、
   前記測定データ取得手段の取得した測定データと各流速検出素子を識別するための識別情報を含めた測定データを管理側のコンピュータに送信する測定データ送信手段と、
   前記管理側のコンピュータにおいて、
   前記測定データを受信する測定データ受信手段と、
   前記各流速検出素子の検出した流速情報のばらつきを補正するために、前記測定データの値を補正する流速情報補正手段と、
   前記各流速検出素子に対して、河川の横断面を分割した領域を割り付け、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の積を求めて、その領域を流れる川の水の流量を算出する部分流量算出手段と、
   前記部分流量算出手段が算出した部分流量を全ての領域について累積加算して、前記河川の横断面における流量を算出する集計手段と、
   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、水面と河床に相当する位置情報を取得する境界情報取得手段と、
   前記境界情報取得手段の取得した位置情報を河川の断面図上に表示し、河川の水面と河床位置を表示する状態情報生成手段とを備え、
   前記測定データ受信手段は、前記河川の上流と下流で同様の測定を行って、災害情報に必要な増水予測のための測定データを収集することを特徴とする河川流量観測システム。
2. 請求項１に記載の河川流量観測システムにおいて、
   前記河川の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。

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