(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の漸変不等流開水路に設置した上流水深を測定する上流水位計および下流水深を測定する下流水位計と、
前記上流水位計および前記下流水位計で測定した前記上流水深および前記下流水深を水面形演算部に伝送する水深伝送部および伝送路と、
前記開水路の流れが漸変不等流であって常流の場合は、前記下流水位計位置を始点に前記下流水位計で測定した前記下流水深を初期値として、上流方向に逐次前記上流水位計位置を終点として演算した水面形、または前記開水路の流れが漸変不等流であって射流の場合は、前記上流水位計位置を始点に前記上流水位計で測定した前記上流水深を初期値として、下流方向に逐次前記下流水位計位置を終点として演算した水面形、を一定流量値のもとで演算する水面形演算部と、
前記水面形演算部に前記一定流量値を入力する流量設定部と、
前記水面形演算部に水路条件を入力する水路パラメータ設定部と、
前記常流の場合および前記射流の場合ともに、前記水面形演算部で求めた終点の水深と終点に設置した水位計の水深測定値との偏差により、前記一定流量値を逐次、増減して、水面形を繰り返し演算し、前記終点の水面形水深値と前記終点の水深を測定する水位計水深値が一致する前記一定流量値を開水路流量計測値として探索する流量探索部と、
前記流量探索部で求めた前記開水路流量計測値を表示する流量表示部と、
を具備する開水路流量計測装置。  
【請求項２】
水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定で限界支配断面を有する漸変不等流開水路の前記限界支配断面より上流に設置した上流水深を測定する上流水位計、または前記限界支配断面より下流に設置した下流水深を測定する下流水位計と、
前記支配断面の限界水深を一定流量値のもとで演算する限界水深演算部と、
前記開水路の流れが漸変不等流であって常流の場合は、前記限界水深演算部で演算により求めた前記限界水深を初期値として上流方向に逐次、前記上流水位計位置を終点とした
水面形、または前記開水路の流れが漸変不等流であって射流の場合は、前記限界水深演算部で演算により求めた前記限界水深を初期値として下流方向に逐次前記下流水位計位置を終点とした水面形、を前記一定流量値のもとで演算する水面形演算部と、
前記水面形演算部および前記限界水深演算部に前記一定流量値を入力する流量設定部と、
前記水面形演算部および前記限界水深演算部に水路条件を入力する水路パラメータ設定部と、
前記常流の場合および前記射流の場合ともに、前記水面形演算部で求めた終点の水深と終点に設置した水位計の水深測定値との偏差により、前記一定流量値を逐次、増減して、水面形を繰り返し演算し、前記終点の水面形水深値と前記終点の水深を測定する水位計水深値が一致する前記一定流量値を開水路流量計測値として探索する流量探索部と、
前記流量探索部で求めた前記開水路流量計測値を表示する流量表示部と、
を具備する開水路流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漸変不等流の水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の開水路流量を測定する開水路流量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の開水路に限定して時間的に変化しない漸変不等流水路の上流水路と下流水路の両方の水位計測値、または限界支配断面を有する場合は限界支配断面水位演算値と上流水路か下流水路いずれか片方の水位計測値、をもとに演算により水路流量を計測する開水路流量計測装置である。
本発明の方式は水路の上流水位、下流水位を結ぶ水面形を求め、この間の水の体積に対応した流量を求める方式に分類される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９３０８０公報「特許文献１」特開２００４−２９３０８０公報は不定流状態にある河川の下流水位を上流水位から予測することを目的としたものである。特開２００４−２９３０８０公報では、本発明による流量演算と同様な流量演算方法が示されたていない。
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】水理学  大津岩夫他著  理工図書株式会社  P131〜P133    2007年水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定である不等流状態にある水路の水面形をベルヌーイの定理もとに演算するための基本方程式が示されている。
【非特許文献２】開水路の水理学解説  鹿島出版会  岡本芳美著 P176〜P185  1991年水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定である不等流状態にある水路の水面形を直接逐次法により演算する方法が示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
開水路流量計測装置として、従来では、流速測定に超音波ドップラー効果を利用した超音波式流量計、水路に堰を設け堰水位から流量を演算する堰式流量計、開水路の途中に絞り部を設け絞り部と上流部の水位変化から流量を演算するフリューム式流量計、マニングなどの平均流速公式において水位(H)と流量(Q)の関係式を用いた平均流速公式法流量計(H-Q演算式流量計)などがある。
超音波式流量計は水路内に超音波の送受信器を設置する必要があり、校正が複雑のために高価で保守性が課題である。
堰式流量計およびフリューム式流量計は土木構造物を水路に設置する必要があり、このため高価となり、また水路の水頭損失が課題である。
平均流速公式法流量計は等流状態以外の水路に適用できないことが課題である。
本発明の開水路流量計測装置は人工水路に多い水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の水路において、漸変不等流状態にある水路に適用できる開水路流量計測装置である。開水路の不等流には流れの方向に対して、流速と水深が緩やかに変化する漸変流(gradually varied flow)と局所的に流れが急変する急変流(rapidly varied flow)がある。水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定水路の漸変不等流とは、急変流の跳水(hydraulic jump)区間を除いた漸変流状態の不等流である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
「請求項１」の発明は、上記の「発明が解決しようとする課題」を解決するためになされたものである。図1は「請求項１」の発明の全体構成図である。水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の漸変不等流開水路に設置した上流水深を測定する上流水位計1および下流水深を測定する下流水位計2を設置する。上流水位計1と下流水位計2間の距離は決められた距離Lxとする。
前記上流水位計1および前記下流水位計2で測定した前記上流水深および前記下流水深を水面形演算部3に伝送する水深伝送部8および伝送路9を有するものとする。
前記開水路の流れが漸変不等流であって常流の場合は、前記下流水位計2位置を始点に前記下流水位計2で測定した前記下流水深を初期値として、上流方向に逐次前記上流水位計1位置を終点として水面形を演算する。前記開水路の流れが漸変不等流であって射流の場合は、前記上流水位計1位置を始点に前記上流水位計1で測定した前記上流水深を初期値として、下流方向に逐次前記下流水位計2位置を終点として水面形を演算する。水面形の演算に必要な水路断面寸法、粗度係数、水路勾配、上、下流水位計間距離等は設定値として水路パラメータ設定部6で設定し、水面形演算部3へ入力して、前記上流水深、前記下流水深を用いて水面形の演算を水面形演算部3により行う。
水面形の演算は流量設定部7で設定した水面形演算部3へ入力した一定流量により行う。従って、終点の水位計位置の演算による水面形の水深は終点の水位計の水深値と一般に一致しない。終点の水位計位置の水面形の水深と終点の水位計の水深値が一致するように流量設定部7により設定流量を調整し、一致した流量値を本発明の流量計測装置の流量計測値とする。一致点の探索は流量探索部4により行う。
水面形の演算方法の代表例として直接逐次法と数値積分法がある。また、一致点を探索する流量探索の方法の代表例として逐次法、２分法、局所法がある。
装置構成として、前記上流水位計1、前記下流水位計2の設置位置と水面計演算部3、流量探索部4、流量表示部5、水路パラメータ設定部6、流量設定部7などで構成する流量演算装置10の設置位置は一般に異なるため、この間を水深伝送部8と伝送路9により接続する。変形例として第一に前記上流水位計1または前記下流水位計2の位置に流量演算装置10を設置する設置形態も本発明に含むものとする。第二に水面計演算部3、流量探索部4、流量表示部5、水路パラメータ設定部6、流量設定部7などは個別のユニットまたは機器として構成せず流量演算装置10として一体的に構成して流量演算装置10で個別のユニットまたは機器と同じ機能を実現する場合の装置構成方法も本発明に含むものとする。第三に図17に示すように、複数の用水路において流量計測する区間が存在して、複数区間の上流水位計W1、下流水位計W2の水深を水深伝送部8および伝送路9により、1箇所の管理所等に流量演算装置10を設けて、流量を演算する装置についても本発明に含まれるものとする。
【０００７】
「請求項2」の発明の全体構成図を図2および図3に示す。「請求項1」では上流水位計1と下流水位計2の2台の水位計を必要としたが、1台のみとしたものである。水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の漸変不等流開水路において、図2は常流の場合で、限界支配断面12が下流側にあり、「請求項1」における下流水位計2の水深の代替として下流側の限界水深を利用する。
限界支配断面12より上流には「請求項1」と同様に上流水深を測定する上流水位計1を設置する。下流側の限界支配断面12位置を始点に下流側限界水深を初期値として、上流方向に逐次前記上流水位計1位置を終点として水面形を演算する。
図3は射流の場合で、限界支配断面12が上流側にあり、「請求項1」における上流水位計1の水深の代替として上流側の限界水深を利用する。
限界支配断面12より下流には「請求項1」と同様に下流水深を測定する下流水位計2を設置する。上流側の限界支配断面12位置を始点に上流側限界水深を初期値として、下流方向に逐次前記下流水位計2位置を終点として水面形を演算する。
前記下流側限界水深または前記上流側限界水深は水路パラメータ設定部6により与えられた水路断面寸法をもとに、流量一定と仮定して限界水深演算部11により演算する。
水面形演算部3は水路断面寸法、粗度係数、水路勾配、限界支配断面と上流または下流水位計間距離は設定値として水路パラメータ設定部6により与えられ、前記下流側限界水深または前記上流側限界水深を初期値として水面形の演算を行う。
水面形の演算は水路の流量を前記限界水深演算部11により演算した流量と同じ値の流量一定と仮定して行う。従って、終点の水位計位置の演算による水面形の水深は終点の水位計の水深値と一般に一致しない。終点の水位計位置の水面形の水深と終点の水位計の水深値が一致するように流量設定部7により流量を調整し、一致した流量値を本発明の流量計測装置の流量計測値とする。一致点の探索は流量探索部4により行う。
水面形の演算方法の代表例として直接逐次法と数値積分法等がある。また、一致点を探索する流量探索の方法の代表例として逐次法、２分法、局所法等がある。
【０００８】
一様な断面と勾配を有する漸変不等流水路における水面形を演算するための基本方程式を
を求める。
水路の流れ方向にベルヌーイの定理を適用して直接逐次法と数値積分法による基本方程式を求める。
図4に直接逐次法説明図、図5に数値積分法説明図を示す。基本方程式を求めるに当たり、
下記の仮定を行う。
水路の圧力は静水圧分布とする。
水路の形状・寸法および粗度係数は流下方向に対して変化しない。
水路勾配角度θは一定である。
水路微小区間のエネルギー損失hLは摩擦による損失によるものとする。
図4直接逐次法説明図、図5数値積分法説明図において、直接逐次法と数値積分法とも以下の記号は共通とする。
計算区間を短く区切って設ける短い区間(断面1と断面2との水平距離)  Δx
流量Q
水平基準面と水路底とのなす角度  θ
水平基準面の高度を基準とした水路底の高度  z
水路の勾配  Ib
勾配Ibは＋値とし、流下方向はマイナス勾配のため−Ibとする。
エネルギー補正係数  α
断面2の水路底を水平基準面とした時の断面1の水路底高さ  Δx・Ib
断面1と断面2間で起きるエネルギー総損失(摩擦損失) hL
重力の加速度  g
粗度係数  n
【０００９】
図4直接逐次法説明図を参照して、直接逐次法の水面形基礎方程式を示す。
断面1の水深  h1、径深  R1 
断面2の水深  h2、径深  R2
断面1の流速  V1、流積  A1
断面2の流速  V2、流積  A2
とする。
【数１】
0006047738.tif 000002
【数２】
0006047738.tif 000003
ベルヌーイの定理から断面1と断面2の総エネルギーが等しいことから
数式3が成立する。
【数３】
0006047738.tif 000004
ただし、hLは断面1と断面2間の総エネルギー損失(摩擦損失)で、Iaを区間1と区間2の平均摩擦勾配としたとき、数式4の値となる。
【数４】
0006047738.tif 000005
数式4を数式3に代入して、数式5が得られる。            
【数５】
0006047738.tif 000006
数式5は水面形計算の基礎方程式である。
摩擦勾配の値は断面1と断面2では値に違いがある。そこでΔxの区間の平均摩擦勾配Iaを断面1と断面2の区間の摩擦勾配(エネルギー勾配)とする。
摩擦勾配(エネルギー勾配)の平均Iaは数式6となる。
【数６】
0006047738.tif 000007
直接逐次法で摩擦勾配を計算するために、マニング公式を用いる。
nを粗度係数、R1、R2 を断面1、断面2の径深として  
マニング公式でV1は数式7、V2は数式8となる。
【数７】
0006047738.tif 000008
【数８】
0006047738.tif 000009
数式7より数式9が、数式8より数式10が得られる。
【数９】
0006047738.tif 000010
【数１０】
0006047738.tif 000011
数式9、数式10を数式6に代入することにより、摩擦勾配(エネルギー勾配)の平均Iaは数式11となる。
【数１１】
0006047738.tif 000012
直接逐次法で水面形を計算する場合、基礎方程式 数式5は数式11を用いて数式12のように書き換える。
【数１２】
0006047738.tif 000013
ここで、(h2−h1) は計算区間の水位差であり、第1区間では、水位の初期値h1に対して適当な水位差となるようにh2を決定する。水位h1、h2に対して、水路断面形状より、径深R1、R2および流積A1、A2が求められる。
また、V1、V2は流量Qを流積A1、A2で割り算することにより求められる。
以上の値を数式12に代入して第1区間のΔxを求める。
第2区間は第1区間で求めた水位により水位差を決めて、同様に数12式により第2区間のΔxを求める。
以下、同様に、第3区間からn区間まで水位差を決めて、Δxを求める。
【００１０】
図5 数値積分法説明図を参照して、数値積分法の基礎方程式を求める。断面1の水深をhとしたとき、断面2の水深は数式13となる。    
【数１３】
0006047738.tif 000014
断面1の流速を  Vとしたとき、断面1の速度エネルギーは数式14となる。    
【数１４】
0006047738.tif 000015
断面2の速度エネルギーは数式15となる。    
【数１５】
0006047738.tif 000016
微小区間の断面1と断面2間の流体にベルヌーイの定理を適用すれば数式16が得られる。    
【数１６】
0006047738.tif 000017
数式16を整理すれば、数式17が得られる。    
【数１７】
0006047738.tif 000018
hLは数式18で示される。    
【数１８】
0006047738.tif 000019
ただし  f は摩擦抵抗係数、Rは径深である。数式18を数式17に代入することで数式19が得られる。    
【数１９】
0006047738.tif 000020
上式をΔxで割り、微分形式で表現すれば、数式20が得られる。    
【数２０】
0006047738.tif 000021
流積をAとして、Q/A＝Vの関係を用いれば数式20の左辺第3項は数式21となる。    
【数２１】
0006047738.tif 000022
数式21をhの関数である流積Aを用いて変形すれば数式22が得られる。    
【数２２】
0006047738.tif 000023
また、数式22のdA/dhは水路断面の水面幅であり、水面幅をTとし、数式22の関係を用いて、数式20を整理すれば、数式23が得られる。    
【数２３】
0006047738.tif 000024
摩擦抵抗係数fと粗度係数nとの関係式は数式24である。    
【数２４】
0006047738.tif 000025
数式24を用いて数23式を書換えれば、数式25式が得られる。    
【数２５】
0006047738.tif 000026
【数２６】
0006047738.tif 000027
摩擦抵抗係数fとシェジー係数Cとの関係式 数式26を用いて数式23を書換えれば    
【数２７】
0006047738.tif 000028
数式23は摩擦抵抗係数f、数式25は粗度係数n、数式27はシェジー係数Cを用いて、数値積分により水面形を求める基礎方程式である。一般に数式25の粗度係数nを用いて水面形を求めることが多い。なお、これらの基礎方程式において径深R、流積A、水面幅Tはいずれも水深hの関数である。また、水面形は流量Qを一定値として、各流量Qについて水面形を求める。なお、数式25の微分方程式は数値積分法を用いて、水路距離xを区間に分割して解き、水面形を求める。数値積分法は精度が良いシンプソン法、ルンゲ・クッタ法などを用いる。
【００１１】
水面形を求める場合に限界水深の計算が必要である。
開水路において、水深と速度水頭の和は比エネルギーEと呼ばれている。
比エネルギーEの物理的な意味は単位時間に単位重量あたりの水が水路断面を通過する水路底から測った水の持つエネルギーである。
比エネルギーEを水深h、流速Vの関数として示した式を数式28、水深h、流量Q、流積Aの関数として示した式を数式29に示す。
【００１２】
水面形を求める場合に数式31に示した限界水深の計算のほかに、等流水深の計算が必要である。
等流水深を求める基礎方程式は等流水路にマニングの公式を適用し、水路流量Qの流積Aと径深Rに対応した水深h0を等流水深として求める。
【数３４】
0006047738.tif 000029
数式34は水面勾配を水路勾配 Ibと等しいとした場合の流量を求めるマニング公式であり、数式34を変形した式を数式35に示す。
【数３５】
0006047738.tif 000030
数式35を満足する流積Aと径深Rに対応した水深が等流水深h0である。
等流水深は流量Qを一定として、流量に対して等流水深が求められる。
R、Aは共に、水位hの関数であり、一般に限界水深の場合と同様に数式演算では求められないため、ニュートン・ラプソン法等の数値解法により等流水深h0を求める。
【００１３】
水面形を図示する場合に数式31に示した限界水深の計算、数式35に示した等流水深の計算のほかに限界勾配の計算が必要である。
水路の勾配が限界勾配より小さい場合は、等流水深は限界水深より大きくなり、常流となる。
水路の勾配が限界勾配より大きい場合は、等流水深は限界水深より小さくなり、射流となる。一定流量に対して等流水深h0と限界水深hcが等しくなる水深が存在する。この水深の勾配を限界勾配という。
等流状態にある水路で成り立つマニング公式である数式34および限界水深を求める数式31のdA/dhは水路断面の水面幅Tとして、数式34と数式31からQを消去すれば、数式36となる。この場合のIbが限界勾配Icとなる。  
【数３６】
0006047738.tif 000031
【００１４】
水面形は流量Qを一定の値として求めることになる。
水面形演算部で求めた終点の水深と終点に設置した水位計の水深測定値の一致点を探索する流量探索法として、
（１）逐次法
（２）2分法
（３）局所法
などがある。逐次法は水面形演算において測定範囲の流量を例えば最小値から最大値まで順次変えて終点の水位を求め、終点に設置した水位計の水深と水面形演算の終点の水深との偏差が最も小さい水深に対応した流量を流量測定値とする方法である。
2分法は測定範囲の流量の1/2の流量で水面形を求め、終点の水位計の水深と比較して
偏差に応じて、最初の流量のさらに1/2を増減して水面形を求め、終点の水位計の水深との比較を繰り返して水面形演算の終点の水深との偏差が最も小さい水深に対応した流量を流量測定値とする方法である。
局所法は例えば測定範囲の流量で最も発生頻度が大きい流量を設定流量として、この流量に対する終点の水深を計算し、終点の水位計の水深と比較して偏差に応じて、設定流量を増減して水面形を求める。増減した設定流量に対応した終点の水面形の演算水深と終点水位計の水深との比較を繰り返して水面形演算の終点の水深との偏差が最も小さい水深に対応した流量を流量計測値とする方法である。
図6および図7は水面形と流量探索の方法を簡単な例で説明したものである。
いずれの場合も常流であり、下流の始点の水位を初期値として上流水位計に向かって水深を演算する。
図6は「請求項1」に対応した常流、堰上背水に対応した探索法である。
簡単な例として2分法で測定範囲8m3/sで、1m3/sの精度まで探索する場合を説明する。水面形曲線1のQ1は測定範囲8m3/sの1/2流量4m3/sに設定する。4m3/sではW1上流水位計の水深は水面形曲線1より下にある。従って、4m3/sの1/2の2m3/s に流量Q3を設定して水面形曲線3を作成する。水面形曲線3はW1水位計の水深より下にある。従って、Q3の2m3/sの1/2だけ流量を増やして3m3/sに流量Q2を設定して水面形曲線2を作成する。この結果、水面形曲線2の上流水位計W1の水深と一致しており、3m3/s(Q2) を流量測定値とする。
図7は「請求項2」に対応した常流、低下背水に対応した探索法である。「請求項1」の2分法での探索方法との違いは、「請求項1」においてはW2下流水位計の水深を初期値としている代わりに、「請求項2」においては限界支配断面の限界水深hcとして水面形を作成するだけの違いである。
【発明の効果】
【００１５】
従来の開水路流量計測方式は水中に設置した高価な超音波流速計、土木構造物としての堰またはフリュームを必要とし高価である。
本発明の開水路流量計測装置は、多くの人工水路に見られる水路断面が一様で、流下方向に対して水路勾配が一定の漸変不等流水路の上流水深および下流水深を水位測定または限界水深演算により求める。
この2箇所の水深を結ぶ水面形から水路の流量を演算により求める。流量計測装置として水路の上流、下流に水深を測定する水位計または限界水深演算部、流量演算装置および水位計と流量演算装置を接続する水深伝送部と伝送路で構成でき、経済的な流量計測が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】は「請求項1」の発明の全体構成図である。
【図２】は「請求項2」の発明の全体構成図である(常流の場合)。
【図３】は「請求項2」の発明の全体構成図である(射流の場合)。
【図４】は直接逐次法により水面形を求めるための説明図である。
【図５】は数値積分法により水面形を求めるための説明図である。
【図６】は「請求項1」に対応した常流、堰上げ背水に対応した流量探索法の説明図である。
【図７】は「請求項2」に対応した常流、低下背水に対応した流量探索法の説明図である。
【図８】は代表的水路断面の水深、水面幅、潤辺、流積、径深の計算結果である。
【図９】は一様断面、不等流水路の水面形状の分類である。
【図１０】は例示の水面形計算のための水路諸元である。
【図１１】はシンプソン法を用いた数値積分法によるM1タイプ水面形計算結果である。
【図１２】は直接逐次法とシンプソン法によるM1タイプ水面形計算結果の比較である。
【図１３】はシンプソン法を用いた数値積分法によるM2タイプ水面形計算結果である。
【図１４】はシンプソン法を用いた数値積分法によるM3タイプ水面形計算結果である。
【図１５】はM1タイプ水面形の2分法による流量探索例である。
【図１６】は潮位による上流水路の水位上昇予測方法の説明図である。
【図１７】は農業用水取入水門から各分水幹線へ流量配分制御システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
水面形を求めるためには水路断面について、水深hに対する流積A、径深R、水面幅T等
を求める必要がある。
代表的な水路の形として、長方形断面、台形断面、円形断面について流積A、径深R、水面幅T等の計算結果を図8示す。台形断面において、b＝0とすれば三角形断面水路となり、
m=0 とすれば長方形断面となる。
長方形断面、台形断面、円形断面以外の左右非対称断面水路、複断面水路等についても水深hに対する流積A、径深R、水面幅T等を求めて水面形を計算する。
【００１８】
水深、流速が流下方向に変化する流れが不等流である。本発明では不等流の中でも水深や流速が緩やかに変化する定常流、いわゆる漸変流の水面形を計算する。前提として水路断面は一様で水路勾配は流下方向に対して一定の水路とする。水路断面が一様の定義には粗度係数も一様であることを含む。
水面形を求めるために水面形の曲線タイプを等流水深h0、限界水深hc、水深h、水路勾配Ib、限界勾配Icによって分類して、曲線タイプを特定し、水面形計算区間、計算方向を決定する。
図9は水面形の分類を示している。
（１）水面形の計算方向は図9に示す矢印の方向とする。常流の場合は、下流から上流に向かって計算する。射流の場合は上流から下流に向かって計算する。
（２）「請求項1」においては、常流の場合は下流水位計W2位置を始点とし下流水位計W2の水深を初期値として、上流水位計W1位置を終点として計算する。射流の場合は上流水位計W1位置を始点とし上流水位計W1の水深を初期値として、下流水位計W2位置を終点として計算する。
（３）「請求項2」においては、常流の場合は限界支配断面を始点とし、限界水深hcを初期値として、上流水位計W1位置を終点として計算する。射流の場合は限界支配断面を始点とし、限界水深hcを初期値として、下流水位計W2位置を終点として計算する。
なお、限界水深hcは計算により求める。
（４） 水位計の位置は各水面形の一様断面、一定勾配の漸変不等流区間に設置するものとする。水位計の位置は跳水区間等の水位が変動する急変不等流区間にかからないように設置する。
【００１９】
一様断面漸変不等流水路の例として図10に示す台形断面水路について水面形を計算する。
水面形の計算は流量Qを仮定する必要があるためにQ=10.000m3/sとして計算する。
限界水深は数式31によりhc=0.630m
等流水深は数式35によりh0=0.963m
限界勾配は数式36によりIc=0.0072
図10によりIb=0.0016である。
水路勾配はIb<Icにより緩勾配となる。
図9に示す不等流一様断面水路の水面形状の分類により、
等流水深と限界水深関係はhc<h0により曲線タイプはM1、M2、M3のいずれかである。
(1)M1タイプ
h>h0>hc
水面形は緩勾配
流れ状態は常流
水面形は基準点より上流に向かって計算する。
下流水位計Wの計測値を基準点水位 hs=1.500mとして計算する。
実際発生例は下流にゲート、調整池、河口の潮位上昇などがあり堰上げが発生する場合である。
計算は直接逐次法、シンプソン法による数値積分法について計算をおこない。両者の水面形について比較する。
(2)M2タイプ
h0>h>hc
水面形は緩勾配
流れ状態は常流
水面形は基準点より上流に向かって計算する。
下流基準点水位hc=0.630mとして計算する。
実際発生例は水路下流に落差工、段落などがあり水位低下があり、低下背水が発生する場合である。
計算は限界支配断面がありhc=0.630mを初期値としてシンプソン法による数値積分法について計算をおこなう。
(3)M3タイプ
h0>hc>h
水面形は緩勾配
流れ状態は射流
曲線タイプはM3曲線
上流水位計W1の計測値を基準点水位 hs=0.150mとして計算する。
実際発生例は上流にゲートなどがありゲートの下端放流により水位低下が発生する場合である。
計算はシンプソン法による数値積分法について計算をおこなう。
水面形は上流水位計W1より下流に向かって計算する。
【００２０】
図10に示した水路諸元、基準点水位 hs=1.500m、 M1タイプの直接逐次法による水面形の計算例を示す。
計算手順および結果を「表1」に示す。
【表１】
0006047738.tif 000032
【００２１】
図10に示した水路諸元、基準点水位 hs=1.500m、 M1タイプのシンプソン法を用いた数値積分法による水面形の計算例を示す。
水面形の計算の計算結果を図11に示す。
【００２２】
図10に示した水路諸元、基準点水位 hs=1.500m、 M1タイプの水面形の計算例について、直接逐次法の計算とシンプソン法を用いた数値積分法の比較を図12に示した。
図12に示すように直接逐次法の計算とシンプソン法を用いた数値積分法の水面形はグラフ上で一致している。
【００２３】
図10に示した水路諸元、下流に限界支配断面を有し、限界水深hc=0.630mが基準点水位 hs=0.630mとなる場合の計算例である。M2タイプのシンプソン法を用いた数値積分法による水面形の計算例を図13に示す。水面形は基準点より上流に向かって計算する。
【００２４】
図10に示した水路諸元、上流に基準点水位 hs=0.150mを有する場合の計算である。M3タイプのシンプソン法を用いた数値積分法による水面形の計算例を図14に示す。水面形は基準点より下流に向かって計算する。
【００２５】
流量探索法の例としてM1曲線、堰上げ背水の2分法による探索例を示す。
（１）流量探索条件
水面形は図15による。
１） 水路の最大流量  8m3/sの範囲で、0.5 m3/sの精度で探索する。
２） 下流水位計の位置(水面高 初期値1.500m)を起点として、上流Lx=700mにある上流水位計の位置を終点とする。上流水位計位置の測定水面高 1.830mに対応した流量Qを計算する。  
（２）探索例
１） 測定流量範囲の最大流量8m3/sの1/2流量4m3/sの水面形を求める。
２） 4m3/sに対応した上流水位計位置の水面形より求めた水位は1.735mである。
３） 4m3/sの水面形測定水面高は上流水位計位置の測定水面高 1.830mより小さいため4m3/s の2分の1の2m3/sの流量を加えた6m3/sの水面形を求める。
４） 6m3/sの水面形より求めた上流水位計位置の水面高は1.870mである。
この水位は上流水位計位置の測定水面高 1.830mより大きいために、2m3/s の2分の1 の1m3/sの流量を減じた5m3/sの水面形を求める。
５） 5m3/sの水面形より求めた上流水位計位置の水面高は1.805mである。
この水位は上流水位計位置の測定水面高 1.830mより小さいために、1m3/s の2分の1 の0.5m3/sの流量を加えた5.5m3/sの水面形を求める。
６） 5.5m3/sの水面形より求めた上流水位計位置の水面高は1.837mである。
この水位は上流水位計位置の測定水面高 1.830mと流量測定精度0.5m3/s以内で一致している。
７） このため、5.5 m3/sを測定流量と判定する。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の開水路流量計測装置は一様断面と一定勾配を有する漸変不等流水路の流量測定に適用できる。このような水路は農業用の用水路、都市河川等の人工水路の多くを占めている。用途として、頭首工、ダム、調整池などの取水量、流入量の把握など単独で用いられる。
その他の例として、防災目的として潮位による上流水路の水位上昇予測、用水配分を適正に行うために、多くの分水ゲートを有する農業用水ネットワークの各分水路の流量管理などに利用できる。
【００２７】
図16は潮位による上流水路の水位上昇予測方法の説明図である。水路の流量把握として第1区間の600mの上流にW1上流水位計、下流に潮位測定用のW2下流水位計を設置する。
W1上流水位計の水面高は2.86m、W2下流水位計の水面高は2.40m（潮位）の場合、水路流量は開水路流量計測装置により250m3/sと計算された。第2区間の500mの水面形は第1区間の上流水面高は2.86mと流量250m3/sにより求められる。第2区間の500mの上流水面高は3.16mとなる。以下同様に測定流量250m3/sを用いて第4区間の上流液面高は5.81mとなる。
影響範囲を示す図16のグラフから第4区間の上流では水面高と等流水面高は重なっている。このため、第4区間の上流部では潮位による堰上げ背水の影響は殆どないと判定できる。
【００２８】
図17は農業用水取入水門から各幹線の用水を設定流量になるように分水ゲート操作により制御する用水配分流量制御システムの模式図である。
各幹線は一様な断面と一定勾配を有する漸変不等流区間を有するものとし、各区間に用水配分の設定流量を割り当てる。各区間の流量は区間の上流水位計W1、下流水位計W2により測定する。
各区間の流量を設定流量になるように、上流側の区間から上流、下流の分水ゲート開度を順次操作する。なお、ゲート操作後の水位による流量の測定は時間的に測定流量の変動がないような応答時間を取って測定するものとする。
【要約】
【課題】開水路流量計測装置として、超音波式流量計は水路内に超音波の送受信器を設置する必要があり、高価で保守性が課題である。堰式流量計およびフリューム式流量計は土木構造物を水路に設置する必要があり、高価となり、水路の水頭損失が課題である。平均流速公式法流量計は等流状態以外の水路に適用できないことが課題である。
【解決手段】水路断面が一様で流下方向に対して水路勾配が一定の漸変不等流開水路において上流水深および下流水深を水位測定または限界水深演算により求める。前記上流水深および下流水深を結ぶ水面形を形成する流量を逐次可変して探索する。探索の結果、前記上流水深および下流水深を結ぶ水面形に合致した流量を流量計測値とする。水位測定と演算により流量計測が可能となり安価な流量計測装置が構成可能となった。
【選択図】図１【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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