JP4539842B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川に固定的にあるいは一時的に設けられて、河川の流量を測るために使用される流量測定装置に関する。

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、河川の水流中に容易に取り付けられ、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ることができる流量測定装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、流水の圧力や流木等の異物との衝突に十分耐え得る堅牢な流量測定装置を提供することを目的とする。
また、故障等が発生しても、容易に個々の流速検出素子を修理交換できる流量測定装置を提供することを目的とする。

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〉
河川の水流中に立設された支持体と、上記支持体上に所定間隔を空けて複数台配設され、それぞれ、上記河川の上流側に前端を向け下流側に後端を向けた導管と、当該導管に内蔵された流速計とを備え、この流速計により、上記導管の前端から流入し後端から流出する水の流速を検出して流速情報を取得する流速検出素子と、上記導管に対して、その前端を覆うように連結された砲弾型のネットキャップと、上記支持体上の複数の流速検出素子が取得した流速情報を収集する情報収集装置と、収集した流速情報を、上記各流速検出素子を識別する識別情報とともに外部に送信する送信装置とを備えたことを特徴とする流量測定装置。

支持体は、河川の水流中で複数の流速検出素子を固定支持する。流速検出素子は、河川の上流に向かうように配置される導管と導管に内蔵される流速計とを備え、導管の中を流れる水の流速を測定して流速情報を取得するものである。ネットキャップは、網によって水を通過させる一方、砲弾型をなしているので、流木等の異物による、流速検出素子に対する衝撃力を緩和し、導管内の流速計を保護する。支持体上の複数の流速検出素子が取得した流速情報は、情報収集装置により収集されて、外部に送信される。支持体ごとの流速情報が管理センター等に集められて、河川の流量監視が行われる。個々の流速検出素子から独自に流速情報が収集されるから、その検出位置を識別するために、流速検出素子の識別情報を含める。

〈構成２〉
河川の水流中に立設された支持体と、上記支持体上に所定間隔を空けて複数台配設され、それぞれ、上記河川の上流側から下流側に水を流す流路に置かれた流速計を備え、この流速計により、上記流路を通る水の流速を検出して流速情報を取得する流速検出素子と、上記一台もしくは複数台の流速検出素子を、上記支持体と協働して包囲し、流水を通過させて流水以外の異物をブロックする、少なくとも上流側と下流側が網状をなす保護カバーと、上記支持体上の複数の流速検出素子が取得した流速情報を収集する情報収集装置と、収集した流速情報を、上記各流速検出素子を識別する識別情報とともに外部に送信する送信装置とを備えたことを特徴とする流量測定装置。

この例では、流速検出素子全体を保護する網状体を用いる。この網状体からなる保護カバーは、流速検出素子を流木等の異物から機械的に保護し、導管内に異物が入り込まないようにする効果がある。保護カバーは支持体と流速検出素子を一括して包囲してもよいし、支持体が一側を包囲して残りの部分を流速検出素子が包囲してもよい。互いに補完しあい協働して流速検出素子を包囲すればよい。

〈構成３〉
構成１または２に記載の流量測定装置において、上記支持体は、河川の橋脚の一部または、河川の橋脚と一体化されているものであることを特徴とする流量測定装置。

河川の橋脚に流速検出素子を固定する手段が一体に設けられていると、取り付け工事は容易であり、機械的に強固である。

〈構成４〉
構成１または２に記載の流量測定装置において、支持体は河川の橋脚に着脱自在に固定されることを特徴とする流量測定装置。

支持体は、例えば、平板状、ラダー状あるいは櫓状をなし、河川の橋脚側面にロープ等の紐状物により着脱自在に固定されるとよい。ボルト等で締め付け固定されてもよい。これにより、例えば、台風や集中豪雨の警報発生時に、応急的に着脱ができる。

〈構成５〉
構成２に記載の流量測定装置において、上記保護カバーは、水流に平行な面で切断した縦断面が略流線形をなすものであることを特徴とする流量測定装置。

流速検出素子の流水中の抵抗を小さくするとともに、保護カバーに対する異物の衝突による衝撃を緩和した。さらに、異物が保護カバーに付着するのも防止することができる。

〈構成６〉
構成２に記載の流量測定装置において、上記保護カバーは、橋脚側面から滑らかに連続して立ち上がる面により上記流速検出素子を包囲することを特徴とする流量測定装置。

流木等の異物が橋脚と保護カバーに衝突しても、保護カバーが橋脚側面から滑らかに連続して立ち上がる面を有しているので、橋脚と保護カバーの間に異物が挟まるのを防ぐことができる。

〈構成７〉
構成１または２に記載の流量測定装置において、各流速検出素子は、支持体に対して着脱可能に固定されていることを特徴とする流量測定装置。

いずれの流速検出素子も支持体に対して容易に着脱できれば、故障等の場合に該当する部分だけを交換することができるので、メンテナンスが容易になるという効果がある。

〈構成８〉
構成１または２に記載の流量測定装置において、支持体と支持体上に配設された複数の流速検出素子とを含むユニットを、河川の幅方向に複数立設したとき、上記複数のユニットに配設された流速検出素子から収集した流速情報を、上記各流速検出素子を識別する識別情報とともに外部に送信する送信装置を備えたことを特徴とする流量測定装置。

複数のユニットを川の中に立設したとき、全ての流速検出素子の取得した流速情報を収集して、一括して管理センター等に送信する。これにより、河川の断面図からみたとき、２次元方向に多点で河川の流速を測定し、そのデータを収集することができる。

〈構成９〉
河川の水流中に立設された支持体と、この支持体上に所定間隔を空けて複数台配設された流速計を備え、これらの流速計により、支持体近傍の各部の水の流速を検出して流速情報を取得する流速検出素子と、上記支持体上の各流速検出素子が取得した流速情報を収集する情報収集装置と、収集した流速情報を、上記各流速検出素子を識別する識別情報とともに外部に送信する送信装置とを備えたことを特徴とする流量測定装置。

本発明の流量測定装置は、河川の水流中に立設される。独立して設けられてもよいし、橋脚を利用してその側面に取付けられてもよい。恒久的な設備でもよいし、一定期間その河川の流量を計測した後、全面撤去されるような一時的なものでもよい。装置は複数の流速検出素子を備えており、その一部又は全部を必要に応じて交換したり補修しながら使用することができる。以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、実施例１の流量測定装置に使用される流速検出素子を示す説明図である。
流速検出素子１４は、導管１６と、その導管１６の中に設けられた流速計１８を備えている。導管１６の前端、すなわち、設置されたとき上流側となる先端部にネットキャップ２０が連結されている。ネットキャップ２０は、砲弾型をなし、かつ流水を導入できる網目あるいは格子状に形成されている。流速計１８は、導管１６の前端から流入され、後端から流出される水の流速を測定するものであれば、任意のものでよい。図１には流路中のカルマン渦の発生に伴い変化する誘導起電力を検知して計測する方式の流速計を示している。

導管に内蔵される流速計としては、このほかに、羽根車の回転を計測する方式、カルマン渦列を圧電素子を使って計測する方式、流路中の渦の発生に伴い変化する誘導起電力を検知して計測する方式等の周知方式を含む任意の流速計が使用される。流速検出素子が計測して得られた流速値と河川の断面積との積により、河川の流量が算出できる。この流速計１８は次のように構成されている。すなわち、導管１６内に、矢印２２で示す流水方向に対して横断するように配置された円柱状の渦発生体２４と、その後方に２つの電極２６とを配設している。これらの電極２６は、リード線２８を介して、導管１６の外側に配置された測定回路部３０に接続されている。導管１６の外側に、一対のマグネット３２を対向配置して、導管１６内に破線で示す矢印３４の方向の磁界を生じさせる。

このように構成された流速計１８においては、導管１６内に流入した水の流れの中に、渦発生体２４によってカルマン渦列３５が発生する。このカルマン渦列３５により電極２６が磁界中で振動すると誘起起電力が発生する。カルマン渦列３５の発生周期は流速に依存する。従ってリード線２８を通じて取り出した信号の交流成分を解析して、流速を計測できる。この装置は既知のものであり、それ以上の説明は省略するが、流速を数値化してディジタルデータとし流速情報とする。流速情報は流速検出素子の識別情報とともに、メモリ等へ記憶しておく。その情報を所定のタイミングで読み出せばよい。これらの処理は、測定回路部３０で実行する。

図２は、河川の橋梁３６を支持する橋脚３７と、１つの橋脚３７の側面にそって流速検出素子１４等を上下方向に並べて配設した支持体３８とを示す説明図である。図３は図２の一側面を示す説明図である。図４は支持体３８及びこの支持体３８に配設された流速検出素子を示す正面図である。図５は図４の流速検出素子１４の取付状況を拡大して示す平面図である。

これらの図において、上述した複数の流速検出素子１４は、柱あるいは板状の支持体３８上に一定の間隔で並ぶように配設されている。支持体３８は、橋脚３７の側面に固定されている。例えば、橋脚３７の高さが８乃至１２ｍの場合には１０乃至２０個の流速検出素子１４が橋脚３７の下方から定間隔で配置される。なお、各流速検出素子１４の導管１６（図１）は、その前端が河川の上流に向かうように配置されている。

橋脚３７の上部には、ユニットボックス４０が配設されている。ユニットボックス４０は、送信装置５２、データ読み取り装置５３、記憶装置５４、電源５５等を収容する。ユニットボックス４０は各流速検出素子１４と電線４１で接続されている。データ読み取り装置５３は、支持体３８に支持された全ての流速検出素子１４の測定回路部３０にアクセスして、流速情報と識別情報とを読み出す機能を持つ。記憶装置５４は、データ読み取り装置５３が読み出した情報を一時的に記憶するためのものである。

送信装置５２は、記憶装置５４に記憶された流速情報等を、データ解析を行う管理センタのコンピュータ等に無線送信するものである。もちろん、有線伝送でもかまわないが、風水害等の過酷な条件下では、例えば、ＰＨＳや携帯電話網等の無線通信網を利用するのが好ましい。電源５５は、電力会社から定常的に供給される商用電源ではなく、流量測定装置を設置する場所で応急的に得られる、太陽光発電、水力発電、風力発電のいずれかあるいは複合してなる電源が望ましい。個々の流速検出素子１４は、水中に配置されるから無線送信は難しい。従って、機械的に十分に保護された電線４１を用いて、取得した情報がユニットボックス４０に集められる。ユニットボックス４０を水面の上方に配置すれば、無線により収集した情報の送信が可能である。

支持体３８は、平板状、ラダー状あるいは櫓状をなし、橋脚３７の側面の任意の位置に配されて河床に突き立てられ、橋脚３７と共に胴締めするロープ４２により着脱自在に固定される。支持体３８の上下方向に、複数の流速検出素子１４をそれぞれ支持するための支承板４４が複数枚配置されている。各支承板４４は、Ｌ字状の板体で、一面が支持体３８に取付ボルト４６で固定され、他面に流速検出素子１４の導管１６をＵ字状締め金具４８により押さえ込んで固定している。従って、流速検出素子１４は、個々に自由に着脱できるので、故障時の交換が容易である。

図６は、実施例２の流速検出素子を示す説明図で、（ａ）〜（ｃ）は各変形例を示している。
実施例２の流速検出素子は、図１に示したネットキャップ２０の代わりに、保護カバー５０を用いたものである。この実施例の保護カバー５０は、全体構造のほとんどが金属線、プラスチック繊維、天然繊維等からなる網体であり、流速検出素子１４を流木等の異物から機械的に保護したり、導管１６内に異物が入り込まないようにする。導管１６の内部構造は、実施例１のものと同様でよい。

図６（ａ）に示す保護カバー５０は、保護カバー５０の縦断面が鋭角三角形状とされたもので、支持体３８に固定された流速検出素子１４を包覆している。１個ずつ包囲してもよいし、複数の流速検出素子を一括して包囲してもよい。保護カバー５０は、全体が金属線、プラスチック繊維、天然繊維等からなる網体でもよいが、少なくとも上流側と下流側だけが網状とされた、一部網状構造でもよい。また、保護カバー５０の上流側には、さらにキャッチャーミットのような格子を設けて、大きな異物の保護カバーへの衝突を防ぐとよい。

図６（ｂ）に示す保護カバー５０は、同縦断面が円弧状とされたものである。（ａ）の例も（ｂ）の例もっ実質的に保護カバーの外側面を流線型にしている。図６（ｃ）に示す保護カバー５０は、支持体３８と協働して、断面三日月状の柱を構成している。また、この柱は、橋脚の外側面に対して橋脚側面から滑らかに連続して立ち上がる面により流速検出素子を保護している。

いずれの場合にも、保護カバー５０は、その内側に、所定の緩衝用空間を空けるようにして、支持体３８に固定された流速検出素子１４を包覆している。従って、流速検出素子１４に流木や土砂が衝突する衝撃を排除することができる。なお、保護カバー５０により若干流速が弱められたときは、測定データを補正すればよく、堅牢で安定な測定ができる。さらに、このユニットを橋脚に固定したときに、この図に示したものはいずれの場合も橋脚と流速検出素子との間に流木等が挟まる隙間が生じないので、流体抵抗が小さいという効果がある。特に、保護カバーが橋脚の外側面に対して橋脚側面から滑らかに連続して立ち上がる面を構成していれば、橋脚と一体化して水に対する抵抗を最小限にできる。

図７は、上記のユニットの変形例と配置を示す説明図である。
上記のユニットは、全体を橋脚に固定してもよいし、例えば、橋の中間から吊り下げてもよい。また、川の中程の適当な場所に柱状に立設してもよい。形状としては、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、保護カバー６２、６３，６４の内部に任意の数の流速検出素子６１を収容するとよい。また、その頂部には、上記のようなユニットボックス４０を組み込んでおけばよい。ユニットボックス４０は川の水面より上方に配置することが好ましいから、ユニットの上端は水面上方にあることが好ましい。ユニットは川底に下端を固定し、上端を橋の一部に固定するような構造が最も好ましい。しかし、川の流れの中に打ち込んだり、吊り下げたりしてもよい。

また、上記の例では、図７の（ｄ）において、矢印のように川の水が流れているとき、橋脚６０の側面に相当する破線の位置６６にユニットを固定した。しかしながら、例えば、図７の（ｅ）に示すように、橋脚の上流側の側面位置６７にユニットを配置してもよい。このときは、橋脚による渦等の影響無しに流速の測定ができる。一方、橋脚の下流側の側面位置６８にユニットを配置してもよい。このときは、大きな流木等の衝突が橋脚６０により妨げられ、安全確実に測定が継続できる。これらのユニットを川の幅方向に所定間隔で配置することにより、川の断面図からみたときに、２次元的に川の各部の流速を測定して、正確な流量計算をすることが可能になる。

次に、複数の流速検出素子を備えた本発明の流量測定装置による流量の測定方法につき説明する。
流速検出素子の出力は、例えば、流速と一定の関係を有する電圧信号として得られる。この電圧信号をアナログデジタル変換して流速情報を得る。また、測定時刻情報と、各流速検出素子を識別する識別情報とを含めた測定データを生成する。全ての流速検出素子についてこの測定データを上記のユニットボックス４０に収集する。

ユニットボックス４０は、各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まとめて、例えば、携帯電話網等を利用して管理用のホストコンピュータに送信する。ホストコンピュータでは、河川の断面からみて、２次元方向に多点で流速測定をした結果が得られるから、さらにデータ解析をすることによって、河川の流量計算ができる。

なお、流速検出素子は、例えば、遅い流速範囲には忠実に反応するが速い流速になると測定誤差が許容範囲を超えてしまうものがある。また、その反対の特性の流速検出素子もある。しかし、河川の流速は平常時と災害発生時で著しく異なり、測定すべき流速の範囲（ダイナミックレンジ）が非常に広い。そこで、特性の異なる流速検出素子を組み合わせて使うようにするとよい。また、ユニットボックスと流速検出素子とを接続するための信号ケーブルは、流速検出素子を固定して支えるための支持棒に埋め込んでモールドするような構造にして、海底ケーブルのように強靱にすることが好ましい。

実施例１の流量測定装置に使用される流速検出素子を示す説明図である。 河川の橋脚に流速検出素子等を設ける支持体を示す説明図である。 図２の一側面を示す説明図である。 支持体に配設された流速検出素子を示す正面図である。 図４の流速検出素子の取付状況を拡大して示す平面図である。 実施例２の流速検出素子を示す説明図である。 ユニットの変形例と配置を示す説明図である。

符号の説明

１４ 流速検出素子
１６ 導管
１８ 流速計
２０ ネットキャップ
２２ 矢印
２４ 渦発生体
２６ 電極
２８ リード線
３０ 測定回路部
３２ マグネット
３４ 矢印
３５ カルマン渦列
３６ 橋梁
３７ 橋脚
３８ 支持体
４０ ユニットボックス
４２ ロープ
４４ 支承板
４６ 取付ボルト
４８ Ｕ字状締め金具
５０ 保護カバー

Claims (4)

1. 河川の水流中に立設される支持体と、
   前記支持体上に所定間隔を空けて複数台配設された流速計を備え、かつこれらの流速計により、前記支持体近傍の各部の水の流速を検出して流速情報を取得する複数の流速検出素子と、
   流水を通過させて流水以外の異物をブロックする、少なくとも上流側と下流側が網状をなす保護カバーと、
   前記支持体上の各流速検出素子が取得した流速情報を収集する情報収集装置と、
   収集した前記流速情報を、前記各流速検出素子を識別する識別情報とともに外部に送信する送信装置とを備え、
   前記保護カバーの内部に、前記支持体および前記複数の流速検出素子を一括収容してユニットとするとともに、
   前記複数の流速検出素子として、流水の遅い流速範囲に反応する特性の流速検出素子と、流水の速い流速範囲に反応する特性の流速検出素子とを組み合わせたものとすることを特徴とする流量測定装置。
2. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記保護カバーの、河川の水面上方に位置される頂部に、前記送信装置、前記支持体に支持された全ての前記流速検出素子の測定回路部にアクセスして前記流速情報と前記識別情報とを読み出す機能を有するデータ読み取り装置、前記データ読み取り装置が読み出した情報を一時的に記憶する記憶装置、電源をそれぞれ収容したユニットボックスを組み込んだことを特徴とする流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の流量測定装置において、
   前記保護カバーは、水流に平行な面で切断した縦断面が略流線形をなすものであることを特徴とする流量測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の流量測定装置において、
   前記各流速検出素子は、前記支持体に対して着脱可能に固定されていることを特徴とする流量測定装置。

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