(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の最上流部の山腹斜面から海岸の漂砂域までの土砂移動が起こる領域全体である流砂系において、この領域全体を、山腹斜面、渓流・ダムおよび河道の３区域に分け、前記渓流・ダムの区域に透過型砂防ダムが設けられ、この透過型砂防ダムを境にして上流側に堆積層厚測定装置と水位測定装置を設けると共に、透過型砂防ダムを境にして下流側に洪水流量と透過部を通過する土砂量を計測する流速・流量測定装置を設け、また、河道の区域に河床低下測定装置を設け、さらに、前記各測定装置で測定されたデータを時間的変化で連続的に得るべく管理する管理装置を設けてなる流砂系における土砂移動モニタリングシステムであって、
前記堆積層厚測定装置が、河床に埋設された超音波送受信器と、音波の発射をコントロールする制御器と、反射波形をリアルタイムに記録するアナログ記録器と、計測データをデジタル記録するデータ収録装置とで構成され、前記河床低下測定装置が、、河道における河床に埋設する小型電波発信機を内蔵したセンサー部と、このセンサー部から発信された電波をアンテナを介して受信する受信機と、この受信機で受信された受信状況を記録する受信記録器とで構成されていると共に前記センサー部が、河床から下方へ向けて複数のセンサーが目標とする計測範囲に相当する高さに積み重ねた状態でかつ着脱可能に埋設されていることを特徴とする砂移動モニタリングシステム。
【請求項２】
前記流速・流量測定装置および河床低下測定装置の近傍に水位測定装置を設けてなることを特徴とする請求項１記載の流砂系における土砂移動モニタリングシステム。
【請求項３】
前記水位測定装置が超音波水位計であることを特徴とする請求項１、または２記載の流砂系における土砂移動モニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流砂系における土砂移動モニタリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流砂系とは、河川の最上流部の山腹斜面から海岸の漂砂域までの土砂移動が起こる領域全体を総称するものである。そして、流砂系において、この領域全体が山腹斜面、渓流・ダムおよび河道の３区域に分けられ、前記渓流・ダムの区域には砂防ダムが設けられている。
【０００３】
河川の最上流部の山腹斜面に雨が降って洪水になったときには、残留土砂が土石流として流れ落ち、この残留土砂が前記渓流・ダムの区域に設けられている砂防ダムの上流側に堆積するが、この堆積層厚は、出水が終わった後、人界戦術で測量が行われている。
【０００４】
また、前記渓流・ダムを通過する洪水流量、土砂量は、例えば特開弊１１ー６６４６１号公報で知られているような土砂流警報方法により把握することが知られている。さらに、河道の区域における河床が低下したかどうかは、河床に例えば色の塗ったレンガを複数段積み立てておいて、このレンガが上部より流された枚数を作業者が後日把握することで河床の低下量を把握していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の堆積層厚、河床の低下量は、後日把握しているため、洪水が発生したときの時系列的な把握をすることができなかった。そのため、今後の対策を講じる資料としては充分なものでなかった。
【０００６】
したがって、流砂系では、山腹・渓流における土砂災害の発生、ダム等の築造に伴う下流河川への土砂供給の低減、砂利採取等によって生じた河床低下、海岸浸食等の安全・利用上の問題に加えて生態系への影響、海浜の喪失等の環境上の問題も顕在化している。
【０００７】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、流砂系における土砂移動状況の時間的変化を計測し、それらの移動・堆積によって生じる災害規模の予知や予測、砂防施設に対する評価技術の確立等へのデータを管理できるようにした流砂系における土砂移動モニタリングシステム提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明の流砂系における土砂移動モニタリングシステムは、河川の最上流部の山腹斜面から海岸の漂砂域までの土砂移動が起こる領域全体である流砂系において、この領域全体を、山腹斜面、渓流・ダムおよび河道の３区域に分け、前記渓流・ダムの区域に透過型砂防ダムが設けられ、この透過型砂防ダムを境にして上流側に堆積層厚測定装置と水位測定装置を設けると共に、透過型砂防ダムを境にして下流側に洪水流量と透過部を通過する土砂量を計測する流速・流量測定装置を設け、また、河道の区域に河床低下測定装置を設け、さらに、前記各測定装置で測定されたデータを時間的変化で連続的に得るべく管理する管理装置を設けてなる流砂系における土砂移動モニタリングシステムであって、前記堆積層厚測定装置が、河床に埋設された超音波送受信器と、音波の発射をコントロールする制御器と、反射波形をリアルタイムに記録するアナログ記録器と、計測データをデジタル記録するデータ収録装置とで構成され、前記河床低下測定装置が、、河道における河床に埋設する小型電波発信機を内蔵したセンサー部と、このセンサー部から発信された電波をアンテナを介して受信する受信機と、この受信機で受信された受信状況を記録する受信記録器とで構成されていると共に前記センサー部が、河床から下方へ向けて複数のセンサーが目標とする計測範囲に相当する高さに積み重ねた状態でかつ着脱可能に埋設されていることを特徴とするものである。
【０００９】
したがって、渓流・ダムの区域に設けられた透過型砂防ダムを境にして上流側に設けられた堆積層厚測定装置と水位測定装置によって例えば洪水のときにおける堆積層厚と水位が計測されると共に、透過型砂防ダムを境にして下流側に設けられた洪水流量と透過部を通過する土砂量を計測する流速・流量測定装置によって例えば洪水のときにおける洪水流量と土砂量が計測される。また、河道の区域に設けられた河床低下定装置によって例えば洪水のときにおける河床低下が計測される。さらに、例えば地上に設けられた管理装置に、前記各測定装置で測定されたデータが送られて管理される。また、前記各測定装置で測定されるデータは、時間的変化で連続的に得られる。さらに、前記堆積層厚測定装置および河床低下測定装置の各センサが河床に埋設されていることにより、より正確な堆積層厚と河床低下が計測される。
【００１０】
請求項２によるこの発明の流砂系における土砂移動モニタリングシステムは、請求項１記載の流砂系における土砂移動モニタリングシステムにおいて、前記流速・流量測定装置および河床低下測定装置の近傍に水位測定装置を設けてなることを特徴とするものである。
【００１１】
したがって、前記流速・流量測定装置および河床低下測定装置の近傍に設けられた水位測定装置によって水位が計測される。
【００１２】
請求項３によるこの発明の流砂系における土砂移動モニタリングシステムは、請求項１、または２記載の流砂系における土砂移動モニタリングシステムにおいて、前記水位測定装置が超音波水位計であることを特徴とするものである。
【００１３】
したがって、前記水位測定装置が超音波水位計であることにより、より正確な水位が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１を参照するに、流砂系は、河川の最上流部の山腹斜面Ａから海岸Ｂの漂砂域までの土砂移動が起こる領域全体を総称するものである。この流砂系における領域全体は、山腹斜面Ａ、渓流・ダムＣおよび河道Ｄの３区域に分けられる。前記渓流・ダムＣの区域には透過型砂防ダム１が設けられている。この透過型砂防ダム１を境にして透過型砂防ダム１の上流側近傍には堆積層厚測定装置３と水位測定装置としての例えば超音波水位計５が設けられていると共に、透過型砂防ダム１を境にして透過型砂防ダム１の下流側近傍には洪水流量と透過部を通過する土砂量を計測する流速・流量測定装置７が設けられている。また、河道Ｄの区域には河床低下測定装置９が設けられている。前記流速・流量測定装置７および河床低下測定装置９の近傍には水位測定装置としての例えば超音波水位計１１、１３が設けられている。さらに、前記各測定装置で測定されたデータを管理する管理装置１５が設けて、これらの各装置から土砂移動モニタリングシステム１７が構成されている。
【００１６】
前記堆積層厚測定装置３は、図２および図３に示されているように、河床に埋設された超音波送受信器１９と、音波の発射をコントロールする制御器２１と、反射波形をリアルタイムに記録するアナログ記録器２３と、計測データをデジタル記録するデータ収録装置（パーソナルコンピュータ）２５とで構成されている。しかも、前記超音波送受信器１９は河床における泥の表面から砂、礫を経て下方に変動想定深度＋不感帯２ｍの位置に埋設されている。この距離を初期値Ｈ０として予め測定し設定しておく。
【００１７】
前記超音波送受信器１９は、周波数が約６．５ＫＨｚ、指向角が６５度、最大入力電圧が５００Ｖｐ．ｐ、外径寸法は１０４Ｗ＊１０４Ｄ＊１７８Ｈ±２ｍｍであり、また、前記制御器２１は、周波数が約６．５ＫＨｚ、測定距離が１０ｍ、送信出力が５００Ｖｐ．ｐ、送信間隔が１秒、５秒、１０秒の切替式、外径寸法は４３０Ｗ＊１４９Ｄ＊３５０Ｈ±５ｍｍ、電源がＡＣ１００Ｖである。前記データ収録装置（パーソナルコンピュータ）２５には前記初期値Ｄ０を記憶せしめておく初期値・メモリ２７、第１、第２演算装置２９、３１が接続されている。
【００１８】
上記構成により、前記超音波送受信器１９から超音波が上方へ送信された後、反射されて戻ってきた反射波が制御器２１を経て受信してアナログ記録器２３に例えば図４に示されているようなグラフとして記録される堆積層は土砂と水、水面は水と空気と媒質の境界となるので反射が起こる。当然のことながら超音波送受信器１９の近傍で反射した音波は早く戻り遠いものは遅くなる。これをデータ処理すると図４に示したグラフの左寄りに強く現れ、遠いものはそれより右寄りに弱く現れる。
【００１９】
図４において、グラフの横軸は、音波の発射が戻ってくるまでの時間が示される。この時間に音速１５００ｍ／ｓｅｃを乗じることで距離として表現される。
縦軸は、音波の強度を表している。音波は、媒質の異なるところで反射するという性質があり、グラフに表現すると、波形の固まりの一番左の波形（↓で示した位置）が「変化点」となり、後に続く波形は、遅れて戻った反射波（残響）として取り扱っている。而して、一番左に現れる波形の固まりは、音波打出し時の残響、次に現れるのが河床（堆積層と水の境界）、一番右に現れる波形の固まりが、水面と読みとれる。
【００２０】
したがって、図４に示されたグラフの横軸における左から２番目の山の最初の立ち上がりまでの時間Ｔ１を算出し、この算出された時間Ｔ１が前記第１演算装置２９に取り込まれる。この第１演算装置２９にはすでに音速１５００ｍ／ｓｅｃが取り込まれているから、第１演算装置２９で距離Ｄ（ｍ）＝音速Ｃ（ｍ／ｓｅｃ）・伝搬時間Ｔ（ｓｅｃ）／２の式より、Ｄ１＝１５００・Ｔ１／２で実際の距離Ｄ１が算出される。この算出された距離Ｄ１が前記第２演算装置３１に取り込まれる。この第２演算装置３１にはすでに初期値Ｄ０が取り込まれているから、第２演算装置３１では、Ｈ１＝Ｄ１ーＤ０で堆積層厚Ｈ１が算出されることになる。
【００２１】
この第２演算装置３１で算出された堆積層厚Ｈ１が予め決められた各時間毎例えば６０分毎にその都度算出され、その結果が例えば図５に示されているように表される。このように、堆積層厚を時間的変化で連続的に得ることができる。
【００２２】
前記水位測定装置としての超音波水位計５、１１、１３は、図６に示されているように、例えば河岸から立設されたポール３３から河床上方に張り出したアーム棒３５に取り付けた超音波送受波器３７と音速の補正用の気温計３９、送受信信号の並べ替えを行う中継ボックス４１および受信信号から水位を演算する変換器４３で構成されている。しかも、前記超音波送受波器３７は、測定場所の基準高さ（測定０点）から上方に予め決められた高さに設置されている。この距離を初期値Ｓ０として測定し設定しておく。
【００２３】
変換器４３から中継ボックス４１を経て超音波送受波器３７へ送られた信号は下方に向かって発射され水面で反射して超音波送受波器３７、中継ボックス４１を経て変換器４３に入力される。また音速を補正するための前記気温計３９の信号も中継ボックス４１を経て変換器４３に入力される。
【００２４】
変換器４３では、超音波の発射から反射して戻ってきた時間と気温計３９の温度情報を元に距離を演算し、その結果を予め変換器４３に記憶せしめて於いた初期値Ｓ０の値より引き算をし基準高さ（測定０点）からの高さすなわち水位が演算されることになる。
【００２５】
この変換器４３で算出された水位が予め決められた各時間毎例えば６０分毎にその都度算出され、その結果が例えば図７に示されているように表される。このように、水位を時間的変化で連続的に得ることができる。
【００２６】
流速・流量測定装置７としては、例えば特開平１１−６６４６１号公報に示されているものが使用される。例えば渓流・ダムＣにおける透過型砂防ダム１の図８において左側の上方近傍には遠隔監視カメラ４７が設置されており、この遠隔監視カメラ４７には動画像レコーダ４９が接続されていて、しかも、この動画像レコーダ４９にはワークステーション５１が接続されている。
【００２７】
上記構成により、遠隔監視カメラ４７で渓流・ダムＣにおける透過型砂防ダム１の図８において左側の流域を撮影する。この撮影された映像を、前記遠隔監視カメラ４７と映像信号ケーブルで接続した動画像レコーダ４９に記録する。その動画像レコーダ４９はリアルタイムで連続動画像データ（３０フレーム／秒）を非圧縮で蓄積する。前記動画像レコーダ４９はワークステーション５１に接続されているので、その動画像レコーダ４９は、１０〜２５フレーム／秒の表示周期でライプビデオをウインドウに表示できるようにデータを高速転送する。ワークステーション５１では、動画像処理パケッケージおよび水流解析パケッケージプログラムを使って土石流、すなわち、水流と岩石、瓦礫、砂、土などが混在した固液混相流の速度および表面組成情報抽出演算と警報出力判断を行う。このようにして、固定された遠隔監視カメラ４７で捉えた土石流の濃淡移動をベクトル解析する。連続動画像で局所領域の瞬時速度レベルを算出し、流域内の統計処理を行うことで土石流の平均速度の流速と流量と、水位計１１により水位が例えば図９に示されているように求められることとなる。
【００２８】
前記河床低下測定装置９は、例えば図１０に示されているように、河道Ｄにおける河床に埋設する小型電波発信機を内蔵したセンサー部５３と、このセンサー部５３から発信された電波をアンテナ５５を介して受信する受信機５７と、この受信機５７で受信された受信状況を記録する受信記録器５９とで構成されている。
【００２９】
前記センサー５３部は、図１１に示されているように、河床から下方へ向けて複数のセンサー６１が目標とする計測範囲（予測洗掘深）に相当する高さに積み重ねた状態で埋設されている。複数のセンサー６１の高さは、例えば河床から下限位置までの長さＬとなっていて、この長さＬは、例えば２〜４ｍ程度で、複数のセンサー６１は、例えば１０個１組となっているので、１個のセンサー６１の高さはＬ／１０に設定される。
【００３０】
前記センサー６１には、図１２に示されているように、グループ番号と個々の番号を示すＩＤ番号が製作時に設定される。このＩＤ番号は、１６進数で表されるグループ、センサー６１共０は使用しない。故に、センサー６１の情報は、１−１、１−２・・・１−Ｆ、２−１〜２−Ｆ、・・・Ｆ−１〜Ｆとなり、センサー６１からの電波の到達範囲であれば１台の受信機５７で最大１５＊１５＝１７５個のセンサー６１の情報を受信することができる。
【００３１】
前記各センサー６１は、図１３に示されているように、断面が円形状のベース６３を備えており、このベース６３上の軸心部における上下には発信器６５が設けられている。この発信機６５の下部内にはリードスイッチ６７が備えられている。また、前記発信機６５を囲繞して外筒６９が前記ベース６３上に設けられている。しかも、前記外筒６９と発信機６５との間は円周方向に例えば等間隔で４分割されていて、この４分割部には例えば発泡スチロールのごとき発泡材７１が挿入されている。４分割にしたことと発泡材７１を挿入した理由は、センサー６１が浮上する際に岩などにぶつかり外筒６９の一部が破損し水が進入しても浮力を維持することにある。前記外筒６９上の軸心部には、取付部材７３を介してワイヤ７５の一端が取り付いていると共にワイヤ７５の他端にはマグネット７７が設けられている。さらに、前記ベース６３の軸心部における下方には中空形状の紙管のごときスペーサ７９が取り付けられており、このスペーサ７９の高さにより、各センサー６１の高さが調整されるようになっている。しかも、このスペーサ７９の内部には前記マグネット７７を納めるケース８１が設けられている。このケース８１にマグネット７７が納められて、前記ベース６３に吸着されている。前記リードスイッチ６７には通電されておらず、この状態でリードスイッチ６７はＯＦＦ（オフ）となっている。
【００３２】
上記構成により、各センサー６１は、例えば１０個積み重ねられていて、洪水などが生じて河床がえぐりとられると、一番上方のセンサー６１がその下にあるセンサー６１に対して、図１３に示されているように、外される。すなわち、２番目のセンサー６１にあるマグネット７７が１番目のセンサー６１から外されることにより、１番目のセンサー６１は水に浮いた状態になると共に１番目のセンサー６１のリードスイッチ６７がＯＦＦ（オフ）の状態から、ＯＮ（オン）の状態となって、１番目のセンサー６１から発信された電波がアンテナ５５を介して受信機５７で受信された後、受信記録器５９に受信記録される。すなわち、受信時刻とセンサー６１のＩＤ番号が印字記録される。また、センサー６１からの発信がない場合でも１時間に１回の定時印字が行われる。前記受信記録器５９に受信記録されたデータとしては図１４に示されようになる。なお、図１４には例えば超音波水位計１３で計測された水位も一緒に示されている。
【００３３】
このように時間の変化に応じて河床低下を時々刻々と自動的に計測せしめることができる。
【００３４】
したがって、堆積層厚測定装置３、流速・流量測定装置７、河床低下測定装置９および超音波水位計５、１１、１３で計測された各データが管理装置１５に送られることにより、前記各測定装置で測定された各データを管理することができる。而して、流砂系における土砂移動状況を時系列に把握することができる。すなわち、流砂系における土砂移動状況の時間的変化を計測し、それらの移動・堆積によって生じる災害規模の予知や予測、砂防施設に対する評価技術の確立へのデータを提供することができる。
【００３５】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、渓流・ダムの区域に設けられた透過型砂防ダムを境にして上流側に設けられた堆積層厚測定装置と水位測定装置によって例えば洪水のときにおける堆積層厚と水位を計測することができると共に、透過型砂防ダムを境にして下流側に設けられた洪水流量と透過部を通過する土砂量を計測する流速・流量測定装置によって例えば洪水のときにおける洪水流量と土砂量を計測することができる。また、河道の区域に設けられた河床低下定装置によって例えば洪水のときにおける河床低下を計測することができる。さらに、例えば地上に設けられた管理装置に、前記各測定装置で測定されたデータが送られて各データを管理することができる。
【００３７】
前記各測定装置で測定されるデータを、時間的変化で連続的に得ることができる。而して、流砂系における土砂移動状況の時間的変化を計測し、それらの移動・堆積によって生じる災害規模の予知や予測、砂防施設に対する評価技術の確立等へのデータを管理できる。
而して、流砂系における土砂移動状況を把握することができる。
【００３８】
請求項２の発明によれば、前記流速・流量測定装置および河床低下測定装置の近傍に設けられた水位測定装置によって水位を計測することができる。
【００３９】
而して、前記流砂系における土砂移動状況に、流速・流量測定装置および河床低下測定装置の近傍に設けられた水位測定装置によって計測された水位を加味して把握することができる。
【００４０】
請求項３の発明によれば、前記水位測定装置が超音波水位計であることにより、より正確な水位を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  流砂系における土砂移動モニタリングシステムの全体を示す図である。
【図２】  堆積層厚測定装置を示す図である。
【図３】  堆積層厚測定装置の超音波送受信器を河床に埋設した状態の説明図である。
【図４】    堆積層厚測定装置のデータ集録装置で集録された一例のグラフを示す図である。
【図５】  堆積層厚測定装置のデータ集録装置で収録された一例のグラフを示す図である。
【図６】  各超音波水位計を示す図である。
【図７】  各超音波水位計のアナロギ記録器で計測した一例のグラフを示す図である。
【図８】  流量・土砂量測定装置を示す図である。
【図９】  流量・土砂量測定装置のワークステーションで計測した一例のグラフを示す図である。
【図１０】  河床低下測定装置を示す図である。
【図１１】    センサー部の各センサーを河床に積み重ねて埋設した状態の説明図である。
【図１２】  各センサーで測定する測定ブロックを示す図である。
【図１３】  センサーの構造を示す図である。
【図１４】  河床低下測定装置の受信記録器で受信記録された一例のグラフと水位計のデータ集録装置で収録された一例のグラフとを示す図である。
【符号の説明】
１  透過型砂防ダム
３  堆積層厚測定装置
５  超音波水位計（超音波測定装置）
７  流量・土砂量測定装置
９  河床低下測定装置
１１、１３  超音波水位計（水位測定装置）
１５  管理装置
１７  土砂移動モニタリングシステム
１９、３３  超音波送受信器
２１、３５  制御器
２３、３７  アナログ記録器
２５、３９  データ集録装置
２７、４１  初期値・メモリ
２９、４３  第１演算装置
３１、４５  第２演算装置
４７  遠隔監視カメラ
４９  動画像レコーダ
５１  ワークステーション
５３  センサー部
５５  アンテナ
５７  受信機
６１  センサー
６３  ベース
６５  発信機
６７  リードスイッチ
６９  外筒  ７１  発泡材
７３  取付部材
７５  ワイヤ
７７  マグネット
７９  スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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