JP5240845B2 - 置砂選定支援方法及び置砂選定支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダムの上流側から下流側へ置砂をする際に、上流側で土砂を採取する位置及び量を選定するのを支援する方法及び装置に関する。

水力発電所のダムや堰堤（えんてい）では、上流から流れて来た土砂を堰き止めているため、ダム等の下流への土砂供給量が低下し、海岸線の減少やアーマー化（河床の構成材料が大きな石や礫だけになる状態）等の問題が発生している。

このような問題の対策として、ダム等で堰き止めた土砂を下流側へ移設して、洪水が起きたときに下流へ土砂を還元する置砂（図８参照）が行われることがある。置砂には、自然な状態で土砂を下流へ供給できる、離れた土捨場までの運搬費（コスト）を削減できる等の利点がある。なお、非特許文献１は、置砂（文献上は、置き砂）について記載されている。
"酒匂川と相模川で土砂管理計画策定へ 県（７/７）"、[online]、2006/７/７、建通新聞社神奈川、［平成２０年８月１日検索］、インターネット<URL: http://www.kentsu.co.jp/kanagawa/news/p01797.html>

置砂を行う際に、従来、ダムの上流側に堆積した土砂を浚渫（掘削）し、下流側に置いている。その際、堆積土砂をすべて下流側に置ければよいが、置き場所や景観上の問題等により堆積土砂全体より少ない量しか置けない場合がある。この場合、上流側で浚渫する箇所によっては、採取する土砂の粒径分布（土砂の大小の構成）が自然に流下する状態と異なる可能性がある。すなわち、ダムの下流側に置く土砂の粒径が大きすぎたり、小さすぎたりすると、自然に近い状態で下流へ土砂を供給することができなくなり、下流域周辺の環境（生態系や景観）に負荷を掛けるおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、置砂において、自然な土砂供給を下流へ行えるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、置砂選定支援方法であって、コンピュータが、水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶するステップと、前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶するステップと、前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、出力するステップと、外部から前記上流側の位置の指定を受け付けるステップと、前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、指定された位置における土砂の粒度組成を特定し、出力するステップとを実行することを特徴とする。

この方法によれば、オペレータは、土砂の自然な粒度組成を知ることができ、さらに、指定した位置における土砂の粒度組成を知ることができる。これによれば、自然な粒度組成の土砂を準備するために、ダムの上流側の任意の位置における土砂を混合する際に、土砂を採取する位置及び量について検討し、調整することができる。これにより、ダムの下流側に自然な土砂供給が可能な置砂を行うことができる。

また、本発明は、置砂選定支援方法であって、コンピュータが、水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶するステップと、前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶するステップと、前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、所定の複数の位置から所定の割合により土砂を採取し、混合した場合の、当該混合土砂の粒度組成を計算する第１計算ステップと、前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、自然粒度組成と、前記混合土砂の粒度組成との間の類似度を計算する第２計算ステップと、前記第１計算ステップ及び前記第２計算ステップを繰り返して、前記類似度が最もよくなる、土砂を採取する複数の位置及び割合を特定するステップとを実行することを特徴とする。

この方法によれば、混合土砂の粒度組成が自然粒度組成に近くなるように、ダムの上流側で土砂を採取する複数の位置及び割合を特定するので、ダムの下流側に自然な土砂供給が可能な置砂を行うことができる。

なお、本発明は、置砂選定支援装置を含む。その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、置砂において、自然な土砂供給を下流へ行えるようにすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明の実施の形態に係る置砂選定支援装置は、水力発電所のダムの上流側に堆積した土砂の粒径分布を計算し、その粒径分布から堆積土砂全体の粒度組成を求め、その自然な粒度組成となるように、上流側から採取する土砂の位置及び量を選定するのを支援するものである。採取すべき土砂の位置及び量の選定に際しては、置砂選定支援装置から出力されるデータに基づいてオペレータが判断してもよいし、置砂選定支援装置自体が自動計算するようにしてもよい。以上によれば、採取すべき位置及び量に従って、自然な粒度組成の土砂をダムの上流側から採取し、下流側に置くことによって、置砂後の出水に伴って自然な土砂供給を下流へ行うことができる。

≪装置の構成と概要≫
図１は、置砂選定支援装置１のハードウェア構成を示す図である。置砂選定支援装置１は、通信部１１、表示部１２、入力部１３、処理部１４及び記憶部１５を備える。通信部１１は、ネットワークを介して他の装置とＩＰ通信を行う部分であり、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等によって実現される。表示部１２は、処理部１４からの指示によりデータ（例えば、堆積土砂の粒径分布等）を表示する部分であり、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等によって実現される。入力部１３は、オペレータがデータ（例えば、上流域雨量等）を入力する部分であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。処理部１４は、各部間のデータの受け渡しを行うととともに、置砂選定支援装置１全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。記憶部１５は、処理部１４からデータを記憶したり、記憶したデータを読み出したりするものであり、例えば、フラッシュメモリやハードディスク装置等の不揮発性記憶装置によって実現される。なお、置砂選定支援装置１は、スタンドアロンの装置（ＰＣ（Personal Computer）等）であってもよいし、複数の端末とネットワークを介して通信可能となっている装置（サーバ等）であってもよい。

≪データの構成≫
図２は、置砂選定支援装置１の記憶部１５に格納されるデータの構成を示す図である。記憶部１５には、計算式データ１５Ａ、粒度組成分布データ１５Ｂ及び自然粒度組成データ１５Ｃが格納される。計算式データ１５Ａは、ダムの上流側に堆積する土砂の粒度組成を計算するための式のデータである。粒度組成分布データ１５Ｂは、ダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成のデータである。自然粒度組成データ１５Ｃは、ダムの上流側の土砂全体の粒度組成のデータである。

≪装置の処理≫
図３は、置砂選定支援装置１の処理を示すフローチャートである。本処理は、数値解析により、置砂としてダムの上流側から採取すべき土砂の位置及び量を決定するものである。

まず、置砂選定支援装置１は、出水時にダムの上流側に堆積した土砂の粒度分布を計算する（Ｓ３０１）。ここで、出水は、洪水と同じ意味であり、大雨による流量の増大により河川の土砂が流れてしまう程度の水量（通常の約１０〜１００倍）の流水を示す。出水は、１年に１回に限られることはなく、中規模程度の出水が数回に亘って発生することを想定してもよい。この計算処理では、記憶部１５の計算式データ１５Ａに記憶された、既存の上流域河道モデルの計算式を用いる。その詳細は、例えば、“水工学論文集、第５２巻、２００８年２月「上流域河道内からの土砂流出を考慮した流込み水力発電所土砂流入現象の再現」”に掲載されている。

この計算処理の結果として、堆積土砂の粒度分布として、ダムの上流側の各位置（流れ方向、深さ方向）における粒度組成（土砂の粒径の構成）が出力され、記憶部１５に記憶される。例えば、図４は、ダムの上流域のうち、上流部分の土砂の構成例を示す図である。図４の円グラフによれば、上流部分の土砂の３１％は１ｍｍの粒径を持ち、その２７％は４ｍｍの粒径を持つ。また、図５は、ダムの上流域のうち、下流部分の土砂の構成例を示す図である。図５の円グラフによれば、下流部分の土砂の７６％は１ｍｍの粒径を持ち、その１３％は４ｍｍの粒径を持つ。ここでは、特に、流れ方向の位置における粒度組成の例を示したが、このような粒度組成のデータがダムの上流域の各位置について出力され、記憶部１５の粒度組成分布データ１５Ｂに記憶される。

次に、置砂選定支援装置１は、Ｓ３０１で計算した堆積土砂の粒度分布から、堆積土砂全体の粒度組成を求め、それを自然に流下する粒度構成とする（Ｓ３０２）。具体的には、ダムの上流側の各位置における粒度組成のデータから、各粒径に関して各位置における割合を合計し、その合計値の全体に対する割合を計算し、平均的な粒度組成、すなわち、自然な粒度組成として記憶部１５の自然粒度組成データ１５Ｃに記憶する。図６は、ダムの上流域の堆積土砂全体の構成例を示す図である。図６の円グラフによれば、土砂全体の４４％は１ｍｍの粒径を持ち、その１７％は４ｍｍの粒径を持つ。

そして、置砂選定支援装置１は、Ｓ３０２で求めた自然な粒度組成となるように、ダムの上流側から採取すべき土砂の位置及び量を決定する（Ｓ３０３）。図７は、土砂の位置及び量を調整する様子を示す図である。土砂の構成によれば、ダムの上流域のうち、上流部分では、粒径の大きい土砂が多すぎるし、下流部分では、粒径の小さい土砂が多すぎる。そこで、上流部分と下流部分の土砂を５５：４５の比率で混合した場合、図７の左下の円グラフに示すような土砂の構成になる。この土砂の構成は、上流部分の土砂よりも、下流部分の土砂よりも、図６の自然な土砂構成に近いと考えられる。ここで、採取すべき土砂の位置及び量の決定に際しては、置砂選定支援装置１がオペレータにデータを提供し、オペレータが判断する方法もあるし、置砂選定支援装置１が自動計算する方法もある。

オペレータが判断する方法では、例えば、置砂選定支援装置１が、堆積土砂の形状を表示部１２に表示し、その堆積土砂の上に位置付くカーソル（入力部１３）に応じて、その指定された位置における土砂の構成を、粒度組成分布データ１５Ｂから特定し、さらに表示するものとする。また、置砂選定支援装置１は、土砂を採取する位置と、各位置における土砂の量の割合とを設定する欄を表示部１２に表示し、オペレータによる設定を受けて、混合した土砂の構成をさらに表示するものとする。オペレータは、置砂選定支援装置１を利用して、各位置における土砂の構成を確認しながら、土砂の位置及び割合を設定し、混合した土砂の構成を参照する。そして、混合した土砂の構成と、自然な土砂の構成とを比較しながら、試行錯誤により、自然な土砂の構成に近付くように、土砂の位置及び割合を調整する。なお、必ずしも表示部１２及び入力部１３を用いることに限定されることはなく、例えば、通信部１１を介してオペレータの所持する携帯端末等と各データをやりとりしてもよい。

自動計算する方法では、例えば、置砂選定支援装置１が、オペレータの入力操作により入力部１３から土砂の採取位置を取得し、その複数の採取位置における土砂の量の割合を少しずつ（例えば、５％、１０％等）変えながら、混合した土砂の構成を計算し、自然な土砂の構成と比較し、類似度を算出する。そして、最良の類似度になる、採取位置における土砂の量の割合を特定する。類似度の計算方法としては、例えば、混合した土砂の構成と、自然な土砂の構成とについて、同じ粒径の土砂の割合同士の差をとり、その差を二乗し、その二乗値をすべての粒径に関して合計したものを類似度とする。この場合、類似度が小さいほど、混合した土砂の構成と、自然な土砂の構成とが似ていることになる。なお、オペレータによる入力ではなく、置砂選定支援装置１が、任意の複数の採取位置を特定するようにしてもよい。また、図７の例に関連して、オペレータの入力により、例えば５００ｍ^３という置砂量の全体値を取得することにより、置砂選定支援装置１は、上流部分から２７５ｍ^３（＝５００×５５／１００）の土砂をとり、下流部分から２２５ｍ^３（＝５００×４５／１００）の土砂をとることが通知可能となる。

以上本発明の実施の形態について説明したが、図１に示す置砂選定支援装置１内の各部を機能させるために、処理部１４で実行されるプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録し、その記録したプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行させることにより、本発明の実施の形態に係る置砂選定支援装置が実現されるものとする。なお、プログラムをインターネット等のネットワーク経由でコンピュータに提供してもよいし、プログラムが書き込まれた半導体チップ等をコンピュータに組み込んでもよい。

以上説明した本発明の実施の形態によると、Ｓ３０３のオペレータが判断する方法によれば、オペレータは、土砂の自然な粒度組成を知ることができ、さらに、指定した位置における土砂の粒度組成を知ることができる。これによれば、自然な粒度組成の土砂を準備するために、ダムの上流側の任意の位置における土砂を混合する際に、土砂を採取する位置及び量について検討し、調整することができる。これにより、ダムの下流側に自然な土砂供給が可能な置砂を行うことができる。また、Ｓ３０３の自動計算する方法によれば、混合土砂の粒度組成が自然粒度組成に近くなるように、ダムの上流側で土砂を採取する複数の位置及び割合を特定するので、ダムの下流側に自然な土砂供給が可能な置砂を行うことができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

置砂選定支援装置１のハードウェア構成を示す図である。 置砂選定支援装置１の記憶部１５に格納されるデータの構成を示す図である。 置砂選定支援装置１の処理を示すフローチャートである。 ダムの上流域のうち、上流部分の土砂の構成例を示す図である。 ダムの上流域のうち、下流部分の土砂の構成例を示す図である。 ダムの上流域の堆積土砂全体の構成例を示す図である。 土砂の位置及び量を調整する様子を示す図である。 置砂の様子を示す図である。

符号の説明

１ 置砂選定支援装置（コンピュータ）
１４ 処理部
１５ 記憶部
１５Ａ 計算式データ
１５Ｂ 粒度組成分布データ
１５Ｃ 自然粒度組成データ

Claims (4)

1. コンピュータは、
   水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶するステップと、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶するステップと、
   前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、出力するステップと、
   外部から前記上流側の位置の指定を受け付けるステップと、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、指定された位置における土砂の粒度組成を特定し、出力するステップと、
   を実行することを特徴とする置砂選定支援方法。
2. コンピュータは、
   水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶するステップと、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶するステップと、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、所定の複数の位置から所定の割合により土砂を採取し、混合した場合の、当該混合土砂の粒度組成を計算する第１計算ステップと、
   前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、自然粒度組成と、前記混合土砂の粒度組成との間の類似度を計算する第２計算ステップと、
   前記第１計算ステップ及び前記第２計算ステップを繰り返して、前記類似度が最もよくなる、土砂を採取する複数の位置及び割合を特定するステップと、
   を実行することを特徴とする置砂選定支援方法。
3. 水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶する手段と、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶する手段と、
   前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、出力する手段と、
   外部から前記上流側の位置の指定を受け付ける手段と、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、指定された位置における土砂の粒度組成を特定し、出力する手段と、
   を備えることを特徴とする置砂選定支援装置。
4. 水力発電所のダムの上流側の各位置における土砂の粒度組成を計算し、粒度組成分布データとして記憶部に記憶する手段と、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、前記上流側の土砂全体の粒度組成を計算し、自然粒度組成データとして前記記憶部に記憶する手段と、
   前記記憶部から前記粒度組成分布データを読み出し、前記各位置における土砂の粒度組成から、所定の複数の位置から所定の割合により土砂を採取し、混合した場合の、当該混合土砂の粒度組成を計算する第１計算手段と、
   前記記憶部から前記自然粒度組成データを読み出し、自然粒度組成と、前記混合土砂の粒度組成との間の類似度を計算する第２計算手段と、
   前記第１計算手段及び前記第２計算手段を繰り返して使用することで、前記類似度が最もよくなる、土砂を採取する複数の位置及び割合を特定する手段と、
   を備えることを特徴とする置砂選定支援装置。