JP7070791B2

JP7070791B2 - ダム堆積物推定システム、及びダム堆積物推定方法

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Publication number: JP7070791B2
Application number: JP2021506884A
Authority: JP
Inventors: 伸一宮本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: WO2020188739A1; JPWO2020188739A1

Description

本発明はダム堆積物推定システム、及びダム堆積物推定方法に関し、特にミュオグラフィーを用いたダム堆積物推定システム、及びダム堆積物推定方法に関する。

大雨が降ることで山腹から河川に土砂が流れ込み、この土砂がダム湖に堆積する場合がある。ダムの管理上、このようにダム湖に流入した土砂（堆積物）を把握することが重要である。

特許文献１には、ダム湖等の水底面に堆積される土砂の厚さや、浸食されて減少した土砂の厚さを天候に左右されることなく常時計測することができる水底土砂厚計測装置に関する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、水底面から所定の深さの位置に埋設された細粒分圧力計と土質材料圧力計とを用いて、水底面に堆積した土砂の厚さを求めている。

特開２００８－２０２７９号公報

特許文献１には、ダム湖等の水底面に堆積される土砂の厚さを測定する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、水底面から所定の深さの位置に細粒分圧力計と土質材料圧力計とを埋設して水底面に堆積した土砂の厚さを求めているので、水底面の狭い範囲の堆積物の量しか測定することができない。このため、特許文献１に開示されている技術では、ダム湖の堆積物を広範囲に測定することができないという問題がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、ダム湖の堆積物を広範囲に推定することが可能なダム堆積物推定システム、及びダム堆積物推定方法を提供することである。

本発明の一態様にかかるダム堆積物推定システムは、ダムで水を堰き止めることで形成されたダム湖の水位情報を取得する水位情報取得部と、前記ダムに設けられ、前記ダム湖を通過したミューオンを検出可能な検出器と、前記ダムの構造情報と、前記水位情報取得部で取得した水位情報と、前記検出器で検出された前記ミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、前記ダム湖に堆積している堆積物を推定する解析部と、を備える。

本発明の一態様にかかるダム堆積物推定方法は、ダムで水を堰き止めることで形成されたダム湖の水位情報を取得し、前記ダムに設けられた検出器を用いて、前記ダム湖を通過したミューオンを検出し、前記ダムの構造情報と、前記取得した水位情報と、前記検出されたミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、前記ダム湖に堆積している堆積物を推定する。

本発明により、ダム湖の堆積物を広範囲に推定することが可能なダム堆積物推定システム、及びダム堆積物推定方法を提供することができる。

実施の形態にかかるダム堆積物推定システムの構成例を説明するためのブロック図である。実施の形態にかかるダム堆積物推定システムを説明するための断面図である。実施の形態にかかるダム堆積物推定システムを説明するための断面図である。実施の形態にかかるダム堆積物推定システムを説明するための断面図である。水位情報取得部の構成例を説明するための断面図である。実施の形態にかかるダム堆積物推定システムの配置例を説明するための上面図である。実施の形態にかかるダム堆積物推定方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムでは、ミュオグラフィー技術を用いている。ミュオグラフィーは、天空から降り注ぐ宇宙線ミューオンを線源としており、ミューオンの高い透過性を利用することで、観察対象物の内部を非破壊で観察・可視化することができる技術である。

ミュオグラフィーでは、観察対象物を通過したミューオンの数を、検出器を用いて測定する必要がある。検出器に入射するミューオンの経路は、検出器の天頂方向を基準軸とした場合の天頂角θと地平面における方位角φとを用いて表すことができる。観察対象物を通過したミューオンは、その飛行経路に存在する物質の密度に応じてエネルギー損失量が変化する。エネルギー損失が大きくなると、観察対象物の原子核との散乱が大きくなり、検出器から外れた飛行経路を辿ることになる。これはミューオン数の減少として観測される。

したがってミュオグラフィーでは、観察対象物を通過したミューオンの数を観測することで、観察対象物の内部を非破壊で調べることができる。具体的には、ミューオンのフラックス（すなわち、単位時間、単位面積、単位立体角当たりの方向別飛来数）を観測することで、観察対象物の内部を調べることができる。以下、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムについて詳細に説明する。

図１は、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムの構成例を説明するためのブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システム１は、水位情報取得部１１、検出器１２、及び解析部１３を備える。図２は、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムを説明するための断面図であり、ダム堆積物推定システム１が配置されるダムの断面図を示している。図２に示すように、ダム２１は水を堰き止めており、これによりダム湖２２が形成されている。ダム２１の内部には管理用の通路２５が形成されている。

図１に示す水位情報取得部１１は、ダム湖２２の水位情報を取得する。例えば、水位情報取得部１１は、ダム２１を管理している管理システムからダム湖２２の水位情報を取得してもよい。また、図５に示すように、水位情報取得部１１は、ダム湖２２の水位を示す目盛４１を撮影しているカメラ４２で取得された画像に対して画像処理を施すことで、ダム湖２２の水位情報を取得してもよい。水位情報取得部１１で取得されたダム湖２２の水位情報は、解析部１３に供給される。

検出器１２は、ダム湖２２を通過したミューオンを検出可能に構成されている。例えば、検出器１２は、ダム２１の内部に形成された管理用の通路２５に設けられている。検出器１２で検出されたミューオンに関する情報は解析部１３に供給される。なお、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システム１では、水位情報取得部１１、検出器１２、及び解析部１３を各々離間して配置（つまり別々の場所に配置）してもよい。

検出器１２には、例えば、原子核乾板、シンチレータ、ガスタイプの検出器などを用いることができる。原子核乾板は、フィルム形状の検出器である。一例を挙げると、原子核乾板は、プラスチックのベースの上にＡｇＢｒの結晶とゼラチンで構成されるジェルを塗布した構造を持つ。このＡｇの結晶部分にミューオン（荷電粒子）の軌跡が残るように構成されている。また、原子核乾板を焦点深度を変えつつスキャニングし、各焦点深さで点として観測されるミューオンの痕跡を線として復元することで、ミューオンの入射方向を特定することができる。

シンチレータは、ミューオン（荷電粒子）がプラスチックなどの半透明な物質中を通過する際に発するシンチレーション光を利用する検出器である。シンチレーション光は、光電子増倍管を用いて増幅されて信号として取り出される。

ガスタイプの検出器は、気体中をミューオンが飛行するときに、気体を構成する分子が持つ電子がミューオンとのクーロン力相互作用によって分子から叩き出され、分子がイオン化する現象を利用して、ミューオンを検出する検出器である。叩き出された電子を強い外部電場で加速することで、増幅した電気信号を作り出すことができる。ガスタイプの検出器として、例えば、多線比例式検出器（ＭＷＰＣ：Multi-Wire Proportional Chamber）を用いることができる。また、ガスタイプの検出器は、検出器内部を通過したミューオンの空間的な位置情報を取得することができる。ミューオンの空間的な位置情報をリアルタイムで取得できる点を考慮すると、ガスタイプの検出器を用いることが好ましい。なお、本実施の形態において使用する検出器１２は上述の検出器に限定されることはなく、これら以外の検出器を用いてもよい。

図１に示す解析部１３は、ダム２１の構造情報と、水位情報取得部１１で取得した水位情報と、検出器１２で検出されたミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、ダム湖２２に堆積している堆積物２４（図３参照）を推定する。具体的には、解析部１３は、ダム湖２２に堆積している堆積物２４の量や位置を推定する。ここで、ダム２１の構造情報とは、ダム２１の形状とダム２１を構成している材料の密度に関する情報である。

このように本実施の形態では、ダム２１の構造情報と、水位情報と、検出されたミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて（解析して）、ダム湖２２に堆積している堆積物を推定している。ミューオンは天空のあらゆる方向から飛来するので、ミューオンを用いることで、ダム湖２２に堆積している堆積物２４を広範囲に推定することができる。

例えば解析部１３は、ダム湖２２に堆積物が堆積していないと仮定した場合に検出器１２で検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値と、検出器１２で検出されたミューオンのフラックスの実測値との違いに基づいて、堆積物２４を推定してもよい。

具体的に説明すると、解析部１３は、まず、検出器１２において検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値を求める。つまり、図２に示すように、地面（底面）２３の上に堆積物がない状態でダム湖２２が形成されていると仮定した際に、検出器１２で検出されると想定される各天頂角θおよび各方位角φにおけるミューオンのフラックスの期待値を求める。

このとき解析部１３は、ダム２１の構造情報と水位情報取得部１１で取得した水位情報とを用いてミューオンのフラックスの期待値を算出することができる。すなわち、観測されるミューオンの数は、ミューオンが通過する経路の密度と長さに依存する。具体的には、ミューオンが通過する経路の密度が高い場合は、ミューオンが経路上で散乱される確率が高くなるため、観測されるミューオンの数が少なくなる。この場合は、ミューオンが通過する経路（密度の高い経路）が長いほど、ミューオンが経路上で散乱される確率が高くなるため、観測されるミューオンの数が少なくなる。逆に、ミューオンが通過する経路の密度が低い場合は、ミューオンが経路上で散乱される確率が低くなるため、観測されるミューオンの数が多くなる。

解析部１３は、ダム２１の構造情報を用いることで、特定の天頂角θおよび特定の方位角φから飛来したミューオンがダム２１を通過する際の、ダム２１内部における経路の長さと経路の密度（ダム２１の密度）を求めることができる。例えば、ダム２１の構造情報には、ダム２１を構成している鉄筋コンクリートの情報も含まれており、ダム２１の密度は、ダム２１を構成している鉄筋の割合とコンクリートの割合を用いて算出することができる。

また、解析部１３は、水位情報取得部１１で取得した水位情報を用いることで、特定の天頂角θおよび特定の方位角φから飛来したミューオンがダム湖２２の水中を通過する際の、水中における経路の長さを求めることができる。なお、水中の経路の密度については、水の密度を用いることができる。

解析部１３は、上述のようにして求めたミューオンが通過する経路の密度と長さを用いることで、検出器１２で検出されると想定される各天頂角θおよび各方位角φにおけるミューオンのフラックスの期待値を求めることができる。

そして解析部１３は、検出器１２で実際に検出されたミューオンのフラックスの実測値と、上述のようにして求めたミューオンのフラックスの期待値との違いに基づいて、堆積物２４（図３参照）を推定する。具体的には、解析部１３は、特定の経路（特定の天頂角θおよび特定の方位角φ）において実際に検出されたミューオンのフラックスの実測値が、特定の経路でのミューオンのフラックスの期待値よりも少ない場合、その経路上に堆積物２４が存在すると推定する。

図３に示すように、ミューオンの経路３４には堆積物２４が存在しないので、ミューオンの経路３４のフラックスの実測値は、図２に示したミューオンの経路３１のフラックス（想定されるフラックスの期待値）と同程度となる。

一方、図３に示すミューオンの経路３５には堆積物２４が存在するので、ミューオンの経路３５のフラックスの実測値は、図２に示したミューオンの経路３２のフラックス（想定されるフラックスの期待値）よりも少なくなる。つまり、図３に示すミューオンの経路３５では、水よりも密度の高い堆積物２４の内部をミューオンが通過するため、図２に示したミューオンの経路３２のフラックス（想定されるフラックスの期待値）よりもフラックスが少なくなる。

同様に、図３に示すミューオンの経路３６には堆積物２４が存在するので、ミューオンの経路３６のフラックスの実測値は、図２に示したミューオンの経路３３のフラックス（想定されるフラックスの期待値）よりも少なくなる。つまり、図３に示すミューオンの経路３６では、水よりも密度の高い堆積物２４の内部をミューオンが通過するため、図２に示したミューオンの経路３３のフラックス（想定されるフラックスの期待値）よりもフラックスが少なくなる。なお、図３のミューオンの経路３５とミューオンの経路３６とを比較すると、経路３６の方が経路３５よりも堆積物２４の内部を通過する距離が長い。したがって、ミューオンの経路３６のフラックスの実測値は、ミューオンの経路３５のフラックスの実測値よりも少なくなる。

解析部１３は、このように各天頂角θおよび各方位角φにおけるミューオンのフラックスの実測値と期待値との差分を求めることで、ダム湖２２に堆積している堆積物２４の量や位置を推定することができる。例えば、解析部１３は、各天頂角θおよび各方位角φにおけるミューオンのフラックスの実測値と期待値との差分をマッピングしてもよい。このようにマッピングすることで、ダム湖２２に堆積している堆積物２４の状態を視覚的に認識しやすくすることができる。

次に、ダム湖２２の水位が変動した場合について説明する。ダム湖２２の水位はダムの放流量や天候などにより変動する。このため解析部１３は、ダム湖２２に堆積物が堆積していないと仮定した場合に検出器１２で検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値を、水位情報取得部１１で取得した水位の変動に応じて、更新する必要がある。

例えば、図４に示すように、ダム湖２２の水位が図３と比べて低くなった場合、ミューオンがダム湖２２の水中を通過する経路３７～３９は、図３に示した経路３４～３６よりも短くなるので、これに応じて検出器１２で検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値も変化する。したがって、解析部１３は、水位情報取得部１１で取得した水位の変動に応じて、ミューオンのフラックスの期待値を更新する必要がある。この場合は、ミューオンがダム湖２２の水中を通過する経路が短くなり、また空気よりも水のほうが密度が低いので、フラックスの期待値が増加するように更新する。

図６は、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムの配置例を説明するための上面図である。図６に示すように、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムでは、ダム２１に複数の検出器１２_１～１２_３を配置してもよい。例えば、複数の検出器１２_１～１２_３は、ダム湖２２に沿ったダム２１の水平方向に配置することができる。例えば、複数の検出器１２_１～１２_３は、ダム２１の内部に形成された管理用の通路２５（図３参照）に設けることができる。

図６に示すように、複数の検出器１２_１～１２_３をダム２１に配置することで、ダム２１全体に渡って堆積物している堆積物を推定することができる。具体的には、検出器１２_１はダム２１の中央部付近における堆積物を、検出器１２_２はダム２１の紙面左側付近における堆積物を、検出器１２_３はダム２１の紙面右側付近における堆積物を、それぞれ推定することができる。なお、図６では、各々の検出器１２_１～１２_３の検出範囲を符号５０_１～５０_３で示している。

更に、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムでは、ダム湖２２の底に検出器１２_４を沈めてもよい。この場合は、検出器１２_４を耐水容器に入れて、ダム湖２２の底に沈めてもよい。例えば、山腹付近のダム湖２２の底に検出器１２_４を沈めることで、山腹からダム湖に流入した土砂を測定することができる。

例えば、各々の検出器１２_１～１２_４の測定結果は、解析部１３（図１）に供給される。解析部１３は、これらの検出器１２_１～１２_４の測定結果を用いて、ダム湖２２に堆積している堆積物を一括して推定することができる。

また、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムでは、ダム２１の垂直方向に複数の検出器１２を設けてもよい。複数の検出器１２をダム２１の垂直方向に設けることで、ダム２１の垂直方向における堆積物の量を精度よく求めることができる。

また、本実施の形態にかかるダム堆積物推定システムでは、複数の検出器１２の検出範囲が重なるように検出器を配置し、複数の検出器の検出結果を用いて堆積物を推定してもよい。このように、複数の検出器１２の検出範囲が重なるようにすることで、測定に要する時間を短縮することができる。また、検出精度を向上させることができる。

図７は、本実施の形態にかかるダム堆積物推定方法を説明するためのフローチャートである。本実施の形態にかかるダム堆積物推定方法は、上述のダム堆積物推定システム１を用いることで実施することができる。

本実施の形態にかかるダム堆積物推定方法では、まず、ダム２１で水を堰き止めることで形成されたダム湖２２の水位情報を取得する（ステップＳ１）。また、ダム２１に設けられた検出器１２を用いて、ダム湖２２を通過したミューオンを検出する（ステップＳ２）。そして、ダム２１の構造情報と、ステップＳ１で取得した水位情報と、ステップＳ２で検出されたミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、ダム湖２２に堆積している堆積物２４を推定する（ステップＳ３）。なお、ダム湖２２に堆積している堆積物２４を推定する方法については、上述の解析部１３の動作において説明したので重複した説明は省略する。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ダム堆積物推定システム
１１水位情報取得部
１２検出器
１３解析部
２１ダム
２２ダム湖
２３地面（底面）
２４堆積物
２５通路
４１目盛
４２カメラ

Claims

ダムで水を堰き止めることで形成されたダム湖の水位情報を取得する水位情報取得部と、
前記ダムに設けられ、前記ダム湖を通過したミューオンを検出可能な検出器と、
前記ダムの構造情報と、前記水位情報取得部で取得した水位情報と、前記検出器で検出された前記ミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、前記ダム湖に堆積している堆積物を推定する解析部と、を備える、
ダム堆積物推定システム。
前記ダムの構造情報は、前記ダムの形状と当該ダムを構成している材料の密度に関する情報である、請求項１に記載のダム堆積物推定システム。
前記解析部は、前記ダム湖に堆積物が堆積していないと仮定した場合に前記検出器で検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値と、前記検出器で検出されたミューオンのフラックスの実測値と、の違いに基づいて、前記堆積物を推定する、請求項１または２に記載のダム堆積物推定システム。
前記解析部は、特定の経路において実際に検出されたミューオンのフラックスの実測値が、前記特定の経路におけるミューオンのフラックスの期待値よりも少ない場合、前記特定の経路上に堆積物が存在すると推定する、請求項３に記載のダム堆積物推定システム。
前記解析部は、前記ダム湖に堆積物が堆積していないと仮定した場合に前記検出器で検出されると想定されるミューオンのフラックスの期待値を、前記水位情報取得部で取得した水位の変動に応じて更新する、請求項３または４に記載のダム堆積物推定システム。
前記水位情報取得部は、前記ダム湖の水位を示す目盛を撮影しているカメラで取得された画像に対して画像処理を施すことで、前記ダム湖の水位情報を取得する、請求項１～５のいずれか一項に記載のダム堆積物推定システム。
前記検出器は、前記ダムの内部に形成されている通路に設けられている、請求項１～６のいずれか一項に記載のダム堆積物推定システム。
前記検出器は、前記ダム湖に沿った前記ダムの水平方向に複数配置されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のダム堆積物推定システム。
ダムで水を堰き止めることで形成されたダム湖の水位情報を取得し、
前記ダムに設けられた検出器を用いて、前記ダム湖を通過したミューオンを検出し、
前記ダムの構造情報と、前記取得した水位情報と、前記検出されたミューオンのフラックスに関する情報と、を用いて、前記ダム湖に堆積している堆積物を推定する、
ダム堆積物推定方法。