(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川の縦断方向２地点に配置した水圧式水位計が検出する水深信号（水位）から、河川管理上必要とされる連続性の保たれた水位差を検知するための電位差に変換する電位差変換部と、前記電位差（水位差）から水面勾配・流向・流量の自動計算を行うデータ処理装置と、得られた電位差信号を回路分岐して、排水機場・樋管のゲート開閉操作上必要となる、流向・水位差の微小な変化を視覚的に表現する表示装置とからなり、データ処理装置は、電位差変換部から入力された電位差信号を検知しゲート開閉検知器が接続された検知入力部と、電位差信号から水面勾配・流向・流量を算出し水文情報に変換するデータ変換部と、各データを数値情報に変換し時間制御を行うデータ制御部とから構成され、水位差は連続アナログ値として観測されるようにしたことを特徴とする水面勾配観測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、河川計画・河川管理（主に水防活動）に使用され、河川の水面勾配を連続して自動的に観測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、河川流量を連続・自動的に計測する方法として、水位のみを測定量とするＨ−Ｑ曲線方式・測水施設方式の他、流速を対象変量とするドップラー方式・水面勾配方式・画像解析方式がある。
現状は、機械的に測定が簡易で、特別な構造物を要しないＨ−Ｑ曲線方式が主流となっているが、この方式は、水位と流量との間に一意性がある場合にのみ適用可能であり、背水影響を受ける地点では適用出来ないため、氾濫や汚染等の問題を抱える河川では有効な観測値を収集できないという問題があった。
流速測定方法の上記３手法のうち、水面勾配方式は原理的な有効性が認められ、一部の手法は特許が取得されて実河川での実績もある（特許第１４４８７４７号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、測定方法が河川の縦断方向２地点に導水パイプを敷設し、一箇所に水を集める「水面差再現型」であったため、パイプ接合箇所の水密・気密保持が物理的に困難で、繁雑な保守作業を要するという欠点があった。
【０００４】
上記「水面差再現型」測定装置を、実河川に設置して運用した経過では、観測データが安定するまでに、最低１ヶ月、安定後１〜２週間毎の定期保守を継続して得られる正常動作保持期間が平均２〜３ヶ月で、実用上採用し難いものであった。
また、排水機揚・桶門・桶管の水門操作は、本川・支川の水位差（特にその方向である流向）を基準に、本川から支川への逆流を起こさないように操作される必要があるが、現状は操作員の目視による判断によっているのが一般的であり、特に夜間は可視範囲が限られ、人為的操作ミスによる氾濫事故が毎年報告されている。
【０００５】
従来の「流向計」は、流水方向を直接検知するセンサー方式と、ボールの動きから方向を判断するボール方式に大別されるが、従来方式の水面勾配計と同じく導水パイプによる「水面差再現型」であり、通水性保持に同様の困難さがある。また、検知された流向は、数値データとして編集・表示してもゲート操作の情報としては判別しずらいという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、水面の状態には変化を加えず、構造が簡単で安定動作を長期間保つことができると共に、操作員が水位差・流向を容易に判別することができる水面勾配観測システムを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明の水面勾配観測システムは、河川の縦断方向２地点に配置した水圧式水位計が検出する水深信号（水位）から、河川管理上必要とされる連続性の保たれた水位差を検知するための電位差に変換する電位差変換部と、前記電位差（水位差）から水面勾配・流向・流量の自動計算を行うデータ処理装置と、得られた電位差信号を回路分岐して、排水機場・樋管のゲート開閉操作上必要となる、流向・水位差の微小な変化を視覚的に表現する表示装置とからなり、データ処理装置は、電位差変換部から入力された電位差信号を検知しゲート開閉検知器が接続された検知入力部と、電位差信号から水面勾配・流向・流量を算出し水文情報に変換するデータ変換部と、各データを数値情報に変換し時間制御を行うデータ制御部とから構成され、水位差は連続アナログ値として観測されるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す実施例に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
本発明では、水圧式水位計の水位と信号電圧関係に高い直線性があることを利用して、水位差を電位差として利用する「電位差変換型」の観測方式を開発した。本方式での検知対象は、河川の自然状態での水深に対応した水圧であり、センサーとして、河川・井戸一般に普及している水圧式水位計を採用しているため、河川流水を人工的に制御する必要がなく、従来方式の水面勾配計で要した保守作業の繁雑さから解放される。
【０００９】
【実施例】
図１は本発明に係る水面勾配測定の原理を示す説明図、図２は本発明システムの概要を示すブロック構成図であり、１Ａ及び１Ｂは河川の縦断方向２地点、すなわち、上流側と下流側に各々設置される水圧式水位計、２は水圧式水位計が検出した水深の信号（水位差の電圧信号）を水面標高差に整合した電位差に変換する電位差変換部である。
【００１０】
データ処理装置３は、電位差変換部２から入力された電位差信号を検知する検知入力部４と、得られた電位差信号から水面勾配・流向・流量を自動的に演算して算出し水文情報に変換するデータ変換部５と、各データを数値情報に変換し、記憶すると共に、通信回線の制御・音声変換制御・日付け・時間制御等を行うデータ制御部６とから構成されており、得られた水文情報を電話回線７を通じて受信所８のパソコン９に通信できるようにされている。１０はデータ出力用のプリンターである。
【００１１】
また、データ処理装置３の検知入力部４には雨量計１２及びゲート開閉検知器１３が接続されている。ここで、流向は、本川・支川合流の２地点での水位差を検知して求めるが、水位差は連続アナログ値として観測されるので、合流関係の変化が経過的に把握でき、ゲート操作のタイミングが図り易い。しかしながら、検知された流向は、数値データとして編集・表示してもゲート操作の情報としては判別しずらい。そこで、水位差・流向を視覚的に通知する屋外作業員向けの表示方法として、電位差変換部２から信号分岐したライトバー型電光表示板１１を設けた。
【００１２】
水面勾配Ｉは、区間距離Ｌの２断面間で水位差△Ｈを測定し、Ｉ＝△Ｈ／Ｌとして求める。水位差を電位差として処理するためには、測量による水面標高差を電位差変換結果として較正する機能を有する変換手段を要するが、２系統の水圧式水位計の電圧信号を入力し、新たな水位差信号として出力する電位差変換部を開発して、水位差信号の零点と最大検知水位差に対応したスパン調整機能をもたせることで解決した。
【００１３】
図１に示すように、Ｅ１・Ｅ２は２台の水位計の水面から機械零点までの各々の水深に対応した信号電圧、Ｓは機械零点の誤差及び水位計零点標高差を調整するための電位シフト値である。ここで、次式（１）
△Ｈ＝Ｅ１−（Ｅ２−Ｓ）……（１）
から水位差測定値△Ｈが得られ、△Ｈから水面勾配・流向（水面勾配の正負）が計算される。流量は、水位と水面勾配を独立変数とする水理式からの計算結果であり、以上の変換・計算を処理し、観測データとして編集・記憶すると共に、外部受信機器との通信を介してデータを提供するデータ処理装置５によって、一連の動作が制御される（図２参照）。
【００１４】
水面勾配Ｉ及び下流側水位Ｈ２を基準とした断面特性を用いて、次式（２）及び（３）による等流計算によって流量が求まる。
ｖ＝１／ｎ＊Ｉ１／２＊Ｒ２／３  ……（２）
Ｑ＝Ａ＊ｖ    …………………（３）
水面勾配方式の妥当性を検証するために、直線・同一断面の３面ガラス張で勾配が可動な実験水路に水位計２台を敷設し、流下流量と水面勾配による計算流量との比較を行い、図３のとおり良好な対応関係が求められた。尚、流量は三角堰を設けた水槽からの溢流によって発生させ、水理式により流下流量を把握しながらランダムな時間変化をつけた。
【００１５】
水面勾配方式の実河川への応用を検証するために、清武川水系熊野川の直線・整正河道を選定し雨量・水位・水面勾配観測所を新設し、水面勾配を連続・自動計測すると共に、平成１０年１０月１２日及び１０月１７日の両日に渡り、浮子流過速度測定による通常の洪水流量観測を実施し、水位・水面勾配計測値からの流量計算値との比較を行った。浮子は水位の変動に応じて吃水長３０ｃｍ・５０ｃｍの２種類を使い分けた。観測点数は、１（川幅は約５ｍ）で較正係数は標準値の０．８８とした。
上記式（２）における粗度係数ｎは未知であり、ｎが確定されれば水位・水面勾配の関数値として流速が計算される。式（２）を変形すると、
ｎ＝Ｉ１／２＊Ｒ２／３／ｖ……（４）
となり、計測記録ＩとＨから求められる径深Ｒ及びｖが与えられれば、粗度係数ｎが計算される。ここで、ｖに洪水流量観測時の流速を当てはめるとｎが得られる。実測流量Ｑと計測記録からの粗度係数ｎの関係を図４に示したが、各流量実測値に対してほぼ理論値に近い数値である０．０２６を平均的に示しながら安定した分布となっており、熊野川での水面勾配方式の妥当性を認めるに足る結果となった。ｎの計算結果の平均値をもって熊野川の粗度係数とし、式（２）から改めて計算した流量Ｑと洪水流量観測結果Ｑ０を比較して図５に示すグラフを作成したが、図４のグラフから判るように、先の式（４）で粗度係数の分布が一様であったことを反映して、一致性が高い。
【００１６】
水面勾配式による流量観測は、流量が水位（および水位から導かれる断面特性）と水面勾配を独立変数とする関数関係にあることに着眼した手法である。図６は、従来観測成果として報告されることのほとんどなかった水面勾配と、流量との対応を散布図にしたグラフだが、減水期に比べて増水期の勾配が急になる傾向が認められ、水面勾配の流水に対する影響が現れていて本手法の有効性を裏付けている。
【００１７】
熊野川に新設した観測所は、オンライン化のための電源・電話引き込み工事を除いては工期が一日で済み、設置後すぐに安定した装置状態が保持された。定常の保守作業は、洪水流量観測のための河道上除草のみで、観測装置本体は、現在まで保守を要することなく稼動中である。
水面勾配方式は、現段階では従来報告されている水面勾配計に比して、設置性・保守性の問題点をある程度解決する方法となり得る。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水面勾配観測システムは以下の優れた効果を有する。
（１）観測・調査費用が確保され難いため、河川計画に必要な観測流量データが絶対的に不足している一方、洪水被害額の構成比でみると、その割合が年々増加している中小河川に対して、導入可能な観測手段の提供が可能となる。
（２）上記（１）の結果、河川計画が理論値のみによって策定されることによる過大工事や流過能力不足を招来しない適正計画の立案が可能となる。
（３）現状の水防活動での河川情報としては、「警戒水位」等、水位を唯一の基準としているが、上流からの急激な流入量増大や、下流側湛水による急激な水位上昇は、水面勾配に現れ、短期的な河川氾濫の危険予測指標となる他、流域の長期的な変化を把握する基礎情報となる。
（４）本方式では、導水管の敷設がないため、測定２地点間の設置関係が自由であり、排水機揚・桶門・桶管等の堤体を跨いだ形態での本川・支川の水位差測定が可能となる。特に支川側への逆流を起こさせないゲート操作のために必要な流向検知が可能となり、操作員の負担を軽減し、誤操作を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水面勾配測定の原理を示す説明図である。
【図２】本発明システムの概要を示すブロック構成図である。
【図３】実験水路における実測流量と水面勾配方式による計算流量との比較を示すグラフである。
【図４】実河川（熊野川）における実測流量と粗度係数の関係を示すグラフである。
【図５】実河川（熊野川）における洪水観測流量と水面勾配方式による計算流量との比較を示すグラフである。
【図６】実河川（熊野川）における水面勾配と流量の関係を示すグラフである。
【図７】ライトバー型電光表示板の一実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１Ａ  水圧式水位計
１Ｂ  水圧式水位計
２    電位差変換部
３    データ処理装置
４    検知入力部
５    データ変換部
６    データ制御部
７    電話回線
８    受信所
９    パソコン
１０  プリンタ
１１  ライトバー型電光表示板
１２  雨量計
１３  ゲート開閉検知器
【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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