JPH0572199A

JPH0572199A - 水圏の監視及び浄化システム

Info

Publication number: JPH0572199A
Application number: JP3232961A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yahagi; 捷夫矢萩; Kenji Baba; 研二馬場; Shoji Watanabe; 昭二渡辺; Ichirou Enbutsu; 伊智郎圓佛; Naoki Hara; 直樹原; Mikio Yoda; 幹雄依田; Koichi Tsuzuki; 浩一都築; Shigeyuki Shimauchi; 繁行嶋内; Junichi Nishibashi; 淳一西橋; Masahiko Kashiwagi; 雅彦柏木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】水圏浄化に当たり、水圏内の水質汚濁分布を適
確に把握するため、水質監視手段，知識処理，シミュレ
ーション手段，補正手段などにより水質予測法を講じ、
これに基づいて浄化を行う。【構成】閉鎖性水圏の監視手段２０、対流シミュレーシ
ョン手段３０、同シミュレーションの補正手段４０、知
識処理５０及び浄化手段６０のシステムによって水圏を
浄化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、河川，湖沼，池，ダ
ム，海域等の水圏の監視を適正に行うと共に、これに基
づいて水圏浄化を効率的に行う浄化システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近のわが国の水質汚濁の状況は、悪化
の一途をたどっており、特に、湖沼や内湾等の閉鎖性水
圏の環境基準達成率が低い状況にある。これは、閉鎖性
水圏は、流入汚濁物質が蓄積しやすいため、流入した窒
素やリン等により、藻類その他の水生生物が増殖し、水
圏の水質が累進的に悪化するという、いわゆる、富栄養
化の進行があるためである。

【０００３】閉鎖性水圏の水質の監視には、水圏内に設
置した水質及び気象計測器による監視手段、さらに、水
圏内の対流シミュレーション手段が用いられている。一
方、浄化方法では、植物プランクトン（あおこ）の異常
発生では採取や底泥を浚渫する方法また、小規模水圏を
対象にして曝気、撹拌装置を設置し空気を水中に供給す
る方法（特開平3−12300号公報）、水の入替え法や、濠
の水を濾過しながら、水を循環させる試みをしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】小規模水圏浄化におい
て、水質を計測監視しながら、空気の曝気及び撹拌の実
施及び水の入替えが水質改善に有効であることが分かっ
ている。これに対して、大規模水圏では複数箇所での水
質計測監視及びサンプリングによる卓上顕微鏡による水
生生物の観察を行うなど、水質監視に重点がおかれてい
る。この方式では、水圏内のどの箇所をどの程度浄化し
たら、水圏全体がどのように浄化されるかが把握できな
い状態にある。

【０００５】本発明は、水圏浄化に当たり、水圏域内の
微生物の増殖状態及び、水質値などの水平方向、水深方
向による水質分布の把握と同時に、シミュレーションに
より水の対流，拡散，生物的，化学的反応状態をシミュ
レートし、水質分布を的確に把握しこの結果に基づいて
浄化を行う。さらには、微生物増殖状態及び、水質値な
どを用いた知識処理により水圏水質分布を知るものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、水圏監
視及び浄化をシステム構成に基づいて行い、対象水圏の
浄化を効果的かつ効率的に行うことにある。この目的を
達成するために、水圏監視手段、シミュレーション手
段、前記シミュレーションの補正手段及び水圏内水質を
予測する知識処理浄化手段等に基づいた浄化手段の構成
によって実施する。次に、各手段について説明する。水
圏監視手段は、微生物観察，水質，気象計測、及び上空
からの水圏状態監視である。ミュレーション手段は、前
記水圏監視手段による値と、対象水圏地形，面積などの
地理的条件並びに水圏に流入する河川の流量，水質を入
力値とする対流，拡散，反応モデルから計算される。シ
ミュレーション補正手段は、前記水圏監視手段値及び前
記シミュレーション水質予測値によって行うものであ
る。知識処理は、前記監視手段及び対象水圏地形，面積
などの地理的条件並びに水圏に流入する河川の流量，水
質などから解析する。また、浄化手段は、前記監視手
段、シミュレーション手段及び知識処理に基づいて、浄
化水圏位置を選定し、撹拌操作、空気吹き込みによる曝
気操作、紫外線照射などを行う。

【０００７】

【作用】本発明の監視システムでは、水圏監視手段の水
中の微生物観察では、本発明者らが開発した水中カメラ
と画像処理装置を組み込んだ装置（特願平1−217359 号
明細書）を設置し、水中カメラを水深方向及び水平方向
に移動しながら計測することにより水圏内の微生物濃度
の分布が分かる。また、水質値（例えば、水温，濁度，
ＰＨ，アルカリ度，ＤＯ，電気伝導率)、気象値(例え
ば、大気温，風向，風力，日射量，雨量）を複数箇所で
計測することにより水圏内水質汚濁状況を知ることがで
きる。さらに、シミュレーション手段として、水質値及
び対象水圏の地形、大きさ並びに水圏に流入する河川等
の流量、水質を入力値としてモデルを使って解析して水
圏内の水質変動や浄化状態などを導くことができ、水圏
内の水質汚濁分布の経時変化が分かる。さらに、補正手
段として、水圏監視手段、水質値及びシミュレーション
による水質予測値などから、さらに翌日の水質予測のシ
ミュレーションをより精度の高いものとすることができ
る。知識処理では、水圏監視手段及び対象水圏の地形、
大きさ並びに水圏に流入する河川等の流量，水質を解析
することにより水質予測ができる。上記水圏監視手段，
シミュレーション手段，補正手段及び知識処理を経るこ
とにより、水圏内の対流分布、例えば水流の滞留地点な
どを把握できるため、浄化手段を効果的かつ効率的に行
うことができる。

【０００８】

【実施例】本発明は、河川，湖沼，池，ダム，海域等水
圏の監視及び浄化するシステムである。ここでは、一実
施例として湖沼等の閉鎖性水圏の場合を以下の図面を用
いて説明する。

【０００９】図１は、水圏監視・浄化システム構成の説
明図である。水圏１０は閉鎖性水圏で、流入河川１１及
び流出河川１２がある。水圏監視手段２０は、微生物撮
像系，水質計測，流速及び気象計測から成立っている。
シミュレーション手段３０の解析は、監視手段２０での
各計測値及び対象水圏の地理的条件の地形，大きさ，流
入河川１１の流量、水質などを入力値として水圏内水質
モデルによって行う。補正手段４０は、シミュレーショ
ンモデルをより精度の高いものとするため、監視手段２
０による水質値とシミュレーションによる水質値を比較
する。知識処理５０による水質予測は、監視手段２０及
び対象水圏の地理情報によって解析を行う。浄化手段６
０は、監視手段２０，シミュレーション手段３０及び知
識処理５０による結果をもとに、制御モデル、制御装置
を介して浄化装置のより曝気操作，撹拌操作などを行
う。また、監視手段２０、シミュレーション手段３０、
知識処理５０及び浄化手段６０の結果を表示手段７０に
よって表示し監視できる。次に作用について説明する。
図２は水圏の監視手段２０を表す。微生物濃度の計測は
水中顕微鏡２１ａ（水中の微生物を、凹型に工夫された
サンプル室に封じ込める方法で採取し、水中で通常の顕
微鏡と同様に微生物映像が得られる自動計測機構付きの
もの。）を使用するもので、これによって、水圏内微生
物、例えば、藻類やプランクトンなどを画像として計測
することができる。水中顕微鏡21ａからの映像を画像処
理装置２１ｂに送り、微生物画像を解析することによ
り、同微生物の増殖状況を知ることができる。また、水
中顕微鏡２３ａは移動可能なものであり、水平方向及び
水深方向の計測ができる。これらの値を、監視センタ８
０に伝送することにより、水圏内の微生物分布を迅速、
かつ、正確に把握でき、例えば、図３に示したよに微生
物濃度の水深方向の状態及び図４に示した水深位置を一
定にした時の経時変化から、水深方向及び時間経過での
微生物の増殖、あるいは、減少傾向がわかる。この結果
から浄化すべき位置を設定できるものである。水質及び
気象計測位置は２２ａ〜２２ｅの複数箇所であり、各位
置でのオンライン計測での値を、監視センタ８０に伝送
する。これによって、水圏内各位置での水質汚濁分布を
把握できる。また、水圏周囲及び河川上流地の気象情報
を気象協会等８１より受けて、監視センタ８０に伝送す
ることにより、水圏内の水質変化のデータの一つとして
使用できる。なお、水質及び気象計測を、固定方式に限
定するものではなく、状況に応じて、任意な箇所に移動
できるようにする。図５は、水圏の水質変動を予測する
シミュレーション手段３０の構成図を示した。データフ
ァイルに当日の水質値、気象値及び水圏に流入する河川
等の流入量、水質並びに水圏固有の地形、大きさなどの
地理情報を入力し、これらを基にシミュレーション計算
を行い、翌日の水圏内対流及び／または拡散及び／また
は反応などの水質変動を解析する。即ち、翌日の水質変
動を予知することにより、その対策を早期に行うことが
できる。この値を、さらに精度の高いものとするために
補正手段を講じることが、本発明の特徴の一つである。
すなわち、シミュレーションによる水質値と当日の水質
との検証が必要となってくる。補正手段４０の入力値
は、図２に示した水圏の監視手段２０の微生物濃度や水
質値などによって行うもので、前日のシミュレーション
値と、当日の値との比較の一例を図６に示したような許
容範囲を設けて、この範囲から外れた場合には補正を行
い実際の水質状況に近づける。このシミュレーション計
算では水質及び気象値の変化から水圏内の水質汚濁の進
行状況または、後述の浄化手段を施すことにより、どの
ように水質改善されるかなどの経過や、微生物浄化モデ
ルの経時変化を知ることができるものである。

【００１０】図５に示した水質シミュレーション手段の
一例について説明する。計算モデルは、水域などの流動
を表す運動方程式と連続方程式の偏微分方程式によって
得られる二次元単層モデルである（数値解法の詳細は省
略）。この計算のよって、水圏内水質分布を知ることが
できる。この水質分布の一例を図７に示した。この例で
は、流動の滞留領域１３及び１４が生じた場合を仮定し
た図である。なお、この場合は水圏の地形や、その時の
気象条件によって経時変化する。

【００１１】水圏の監視手段の一つとして、知識処理５
０によっても水質を予測することができる。これは、監
視手段２０及び対象水圏の形状や面積などの地理情報か
ら解析する。図８に知識処理の構成を示した。知識処理
５０は知識ベース５１と推論機構５２から構成されてお
り、知識ベース５１には対象水圏固有の地形、大きさな
どの地理条件資料や水質専門家の知識が入力されてい
る。また、推論機構５２は問合せ項目の入力信号に対し
て、知識ベースにある知識と前記入力の問合せとの間で
比較、選択を繰り返し応答する。本発明での一例を記述
すれば、水質及び気象値を推論機構に入力し、ここで、
事前にルール化された水質及び気象に対する微生物濃度
（例えばプランクトン）の関係が推論されて、その結果
が出力される。

【００１２】

【表１】

【００１３】次に、具体的に例をとって説明する。表１
はＩＦ〜ＴＨＥＮルールによる水質予測の一例として、
水質及び気象計測値に対する微生物（プランクトン）濃
度変化を示した。例えば、水温がファジイ変数（ａ）で
は微生物濃度変化が少なく、ファジイ変数（ｂ）では多
くなる傾向、ファジイ変数（ｃ）では多いなどである。
また、水温，窒素，リン及びＤＯ濃度の値を加味した場
合も当然推論される。また、風力による影響は対象水圏
の地理的特性であり、風力５ｍ／ｓ以上になると、特定
領域で滞留部が生じてくる。この場合、このような滞留
部では水質が悪化しプランクトンの異常発生につなが
る。以上のように予測し、予測値を前述のシミュレーシ
ョンの水質モデルの補正に使用することも可能である。
また、この知識処理による水質予測を単独に使用して、
次に記述する水圏を浄化することも可能である。

【００１４】次に、浄化手段６０の一例を図９で説明す
る。浄化手段６０は制御モデル６１、制御装置６２及び
浄化装置６３からなる。制御モデル６１は、例えば微生
物濃度の上限値を設定し、その値が制御装置６２で監視
手段２０、シミュレーション手段４０及び知識処理５０
の値と比較され、それに基づいて信号が浄化装置６３に
送られこれによって、対象水圏を浄化する。図９（ａ）
は中・小規模水圏を対象にした場合であり、この場合、
浄化すべき箇所を監視手段、知識処理及びシミュレーシ
ョンの結果に基づいて、適正に選択し、実施する。浄化
手段６３は、空気または酸素吹き込みによる曝気操作、
撹拌操作及び紫外線照射であり、さらには藻類の発生で
は、これらの採取や場合によっては採取・浄化に適する
位置に集める。これらの操作は固定式または移動式で行
う。さらに浄化された水を水圏内の任意箇所に配管等を
介して流出し、水圏内の流動改善の一対策にできる。ま
た、浄化手段６０は任意位置に移動可能なものである。

【００１５】図９（ｂ）は、大規模水圏浄化を対象にし
た場合であり、監視手段、対流シミュレーション及び知
識処理結果に基づいて、水圏内の浄化すべき箇所を適正
に選択し、（ａ）と同様に曝気操作や撹拌操作を実施す
る。なお、浄化手段は、水圏に流入する河川水を、水圏
に入る前に直接浄化することもできる。監視手段２０，
シミュレーション手段３０，知識処理５０及び浄化手段
６０の結果は表示手段７０に表示され、水圏内水質変動
状態を定期的に更新することにより迅速な対応ができ
る。

【００１６】水圏監視手段の他の例として、次のような
こともできる。すなわち、この例は、上空からの監視で
ありこの方法を図１０に示した。これはリモートセンシ
ング技術として使用されているもので、気象衛星２３ａ
により対象水圏の映像を中継基地２３ｂを介して監視セ
ンタ８０に伝送して、解析（例えば、対象物質が電磁波
に対してどの範囲の波長を吸収・反射するかの固有の波
長特性を利用して解析）することにより、水圏内の流動
状態を知ることができる。また、鉄塔２３ｃ上にＩＴＶ
カメラ２３ｄを設置し、同カメラによる映像信号を監視
センタ８０に伝送し解析（インジケータで流れ観測）す
ることにより水圏内の流動状態を知ることができる。こ
の監視結果を基に、シミュレーション手段３０、補正手
段４０及び浄化手段６０を行うことができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、水圏の監視手段、シミ
ュレーション手段、同シミュレーションの補正手段、知
識処理及び浄化手段を具備する水圏浄化システムによっ
て、水質監視及び水圏浄化を効果的、効率的に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水圏浄化システムのブロック図。

【図２】水圏の水質監視手段を示す説明図。

【図３】水中微生物計測の説明図。

【図４】水中微生物計測の説明図。

【図５】水圏のシミュレーション手段のブロック図。

【図６】微生物濃度比較を示す説明図。

【図７】対流分布の一例を示す説明図。

【図８】知識処理の構成を示す説明図。

【図９】浄化手段の一例を示す説明図。

【図１０】水圏監視の他の応用例を示す説明図。

【符号の説明】

１０…水圏、１１，１２…河川、３０…シミュレーショ
ン手段、４０…補正手段、５０…知識処理装置、６０…
浄化手段、７０…表示手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者圓佛伊智郎茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者原直樹茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者依田幹雄茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者都築浩一茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者嶋内繁行東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者西橋淳一東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者柏木雅彦東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】湖沼及びダム及び人工池及び海域水圏の監
視システムにおいて、水圏水平方向及び水深方向の微生
物及び／または水質汚染度を計測する監視手段と、前記
監視手段の計測値及び対象水圏に流入する水量，水質，
地形，面積の地理情報によって前記水圏内の水質を予測
するための対流及び／または拡散及び／または反応シミ
ュレーション手段とを有し、前記監視手段の当日の計測
値及び前記地理情報を使用して、翌日の水質をシミュレ
ートすることを特徴とする水圏監視システム。
【請求項２】請求項１において、水質のシミュレーショ
ン値と、当日の水質値とを比較し、この差が許容範囲か
ら外れた場合には、シミュレーション入力値を補正し、
さらに翌日の水質をシミュレートするときに、前記補正
値を考慮して実施する補正手段を設けた水圏監視システ
ム。
【請求項３】請求項１における監視手段及び対象水圏の
地形、面積などの地理情報を用いた知識処理により、水
圏内水質を予測する水圏監視システム。
【請求項４】請求項１，２または３において、水圏内水
平方向及び水深方向の浄化位置を判定し、前記浄化位置
を浄化手段によって浄化する水圏浄化システム。
【請求項５】請求項１，２，３または４における監視及
び浄化結果を表示する表示手段を設けた水圏監視システ
ム。