(57)【要約】【課題】河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を迅速かつ的確に特定することを可能にする。【解決手段】化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、河川の観測区間（リーチ）における流下情報及び化学物質濃度と、排出源からの化学物質の平常時排出量とを、外部記憶装置１６からデータ記憶エリア１３ａに読み込む。そして、リーチごとに、上記流下情報を用いて水質濃度と排出源からの化学物質の異常時排出量との関係を表す近似式である水質濃度計算式を生成する。そして、リーチごとに生成された水質濃度計算式をもとに、上記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように上記排出源ごとの異常時排出量を算出するようにしたものである。【選択図】      図２
2006285846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排出源から化学物質が排出される河川を複数の観測区間に区分けし、この区分けされた各観測区間における流下情報を取得する手段と、
平常時に前記複数の排出源から前記河川にそれぞれ排出される前記化学物質の平常時排出量を取得する手段と、
異常時に前記観測区間ごとに測定された化学物質の異常時濃度を取得する手段と、
前記排出源ごとの異常時における前記化学物質の排出量をそれぞれ予測計算する異常時排出量予測計算手段と、
前記排出源ごとに算出された前記化学物質の異常時排出量を出力する手段と
を具備し、
前記異常時排出量予測計算手段は、
前記観測区間ごとに前記流下情報を用いて前記化学物質濃度と前記異常時排出量との関係を表した近似式を生成する手段と、
前記観測区間ごとに生成された近似式をもとに数学的最適化手法を用いて、前記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように前記排出源ごとの異常時排出量を算出する第１の異常時排出量算出手段と
を備えることを特徴とする化学物質排出量計算装置。
【請求項２】
前記異常時排出量予測計算手段は、
前記観測区間の数が前記排出源の数以上の場合は、前記観測区間ごとに生成された近似式からなる連立方程式を生成する手段と、
前記生成された連立方程式により前記排出源ごとの異常時排出量を算出する第２の異常時排出量算出手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の化学物質排出量計算装置。
【請求項３】
前記平常時排出量を取得する手段は、
前記排出源ごとに予め定められた前記化学物質の平均排出量を取得する手段
を備え、
前記取得された平均排出量を前記平常時排出量として用いることを特徴とする請求項１記載の化学物質排出量計算装置。
【請求項４】
前記平常時排出量を取得する手段は、
前記排出源ごとに測定された前記化学物質排出量の実測値に統計処理を施して得られた平均排出量を取得する手段
を備え、
前記取得された平均排出量を前記平常時排出量として用いることを特徴とする請求項１記載の化学物質排出量計算装置。
【請求項５】
前記第１の異常時排出量算出手段は、
前記数学的最適化手法としてラグランジェ未定係数法の演算アルゴリズムを用いて前記排出源ごとの異常時排出量を求めることを特徴とする請求項１記載の化学物質排出量計算装置。
【請求項６】
前記観測区間ごとに測定された前記化学物質の実測濃度を取得する手段と、
平常時における前記観測区間ごとの前記化学物質の平常時濃度を取得する手段と、
前記実測濃度が前記平常時濃度を超える異常時を検出する異常時検出手段と
をさらに備え、
前記異常時検出手段により異常時と検出された場合に、前記実測濃度を前記異常時濃度として用いることを特徴とする請求項１記載の化学物質排出量計算装置。
【請求項７】
複数の排出源から化学物質が排出される河川を複数の観測区間に区分けし、この区分けされた各観測区間における流下情報を取得する過程と、
平常時に前記複数の排出源から前記河川にそれぞれ排出される前記化学物質の平常時排出量を取得する過程と、
異常時に前記観測区間ごとに測定された化学物質の異常時濃度を取得する過程と、
前記排出源ごとの異常時における前記化学物質の排出量をそれぞれ予測計算する異常時排出量予測計算過程と、
前記排出源ごとに算出された前記化学物質の異常時排出量を出力する過程と
を具備し、
前記異常時排出量予測計算過程は、
前記観測区間ごとに前記流下情報を用いて前記化学物質濃度と前記異常時排出量との関係を表した近似式を生成する過程と、
前記観測区間ごとに生成された近似式をもとに、前記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように前記排出源ごとの異常時排出量を算出する過程と
を備えることを特徴とする化学物質排出量計算方法。
【請求項８】
河川の化学物質濃度から排出源における当該化学物質の排出量を予測計算する化学物質排出量予測計算装置に用いられるコンピュータで使用されるプログラムあって、
複数の排出源から化学物質が排出される河川を複数の観測区間に区分けし、この区分けされた各観測区間における流下情報を取得する処理と、
平常時に前記複数の排出源から前記河川にそれぞれ排出される前記化学物質の平常時排出量を取得する処理と、
異常時に前記観測区間ごとに測定された化学物質の異常時濃度を取得する処理と、
前記排出源ごとの異常時における前記化学物質の排出量をそれぞれ予測計算する異常時排出量予測計算処理と、
前記排出源ごとに算出された前記化学物質の異常時排出量を出力する処理と
を前記コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記異常時排出量予測計算処理は、
前記観測区間ごとに前記流下情報を用いて前記化学物質濃度と前記異常時排出量との関係を表した近似式を生成する処理と、
前記観測区間ごとに生成された近似式をもとに、前記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように前記排出源ごとの異常時排出量を算出する処理と
を備えることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、河川水質シミュレーション、河川中の化学物質濃度計算、環境リスクアセスメント、及び市民の健康管理の分野において用いられる化学物質排出量予測計算装置及び化学物質排出量予測計算方法とそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川観測局において、法律で定められた基準値より高濃度（異常高濃度）の化学物質が検出された場合、工場等の排出源からの排出量を予測計算することができなかった。このため、現状では、原因となる排出源を特定するために、すべての排出源から放出される化学物質の排出量をそれぞれ調査するか、過去の経験をもとに原因となる排出源を特定する方法を用いてきた。これらの方法では、手間や労力を要するため、河川の汚染原因の除去等を速やかに行うことが困難であった。
【０００３】
一方、排出源からの排出量と観測点における化学物質の濃度値との関係は、次式のような近似式で表される（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００４】
【数１】
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ここで、ｉはｎｒより上流にある河川区間（以下、リーチと称する。）を表す指標であり、走査する変数である。Ｌｉはリーチｉへの流入する化学物質排出負荷量、ｔｉ，ｎｒはリーチｉ〜ｎｒ間の流下時間である。また、Ｋ１は脱酸素係数、Ｋ２は再曝気係数、Ｋ３は沈殿または吸着によるＢＯＤ除去速度係数を表し、Ｑｉは横流入量、Ｑ１ｉは取水量、Ｑ０ｉは湧水量を表す。全リーチの数をＮｒとすると、上記近似式はＮｒ個存在する。さらに、この近似式を用いて、排出源ごとの化学物質の排出量を算出するための連立方程式が生成されることが知られている。
【０００５】
【非特許文献１】国松孝男・村岡浩爾編著、「河川汚濁のモデル解析」、技報堂出版、１９８９年、Ｐ１４６−１４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記従来のように人手により排出源を特定する方法では、排出源の特定に多大な時間を要するため、河川観測局において高濃度の化学物質を検出した場合に、検出場所の近くの排出源により排出された化学物質が原因であるか、遠く離れた上流の排出源により排出された化学物質が原因であるかの特定はできなかった。このため、排出源を特定できない場合が生じており、河川への化学物質の排出濃度削減の迅速な指導・命令の実現に支障をきたしてきた。
【０００７】
また、上述した近似式により生成される連立方程式による解法では、次のような問題が発生する。すなわち、異常高濃度が検出された河川リーチの数が、化学物質の排出源の数より少ない場合には、求める変数よりも連立方程式の数が少なくなるため、解である排出源ごとの化学物質排出量を求めることができない。
【０００８】
この発明は、上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を迅速かつ的確に特定することを可能とする化学物質排出量計算装置及び化学物質排出量計算方法とそのプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するためにこの発明に係わる化学物質排出量計算装置及び化学物質排出量計算方法とそのプログラムは、複数の排出源から化学物質が排出される河川を複数の観測区間に区分けし、この区分けされた各観測区間における流下情報を取得する手段と、平常時に上記複数の排出源から上記河川にそれぞれ排出される上記化学物質の平常時排出量を取得する手段と、異常時に上記観測区間ごとに測定された化学物質の異常時濃度を取得する手段とを備える。さらに、上記排出源ごとの異常時における上記化学物質の排出量をそれぞれ予測計算する異常時排出量予測計算手段と、上記排出源ごとに算出された上記化学物質の異常時排出量を出力する手段とを備える。
【００１０】
そして、上記異常時排出量予測計算手段は、上記観測区間ごとに上記流下情報を用いて上記化学物質濃度と上記異常時排出量との関係を表した近似式を生成し、この観測区間ごとに生成された近似式をもとに数学的最適化手法を用いて、上記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように上記排出源ごとの異常時排出量を算出する第１の異常時排出量算出手段を有するものである。  
したがって、この発明によれば、各排出源からの化学物質の排出量がそれぞれ得られるため、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を迅速かつ的確に特定することができる。
【００１１】
また、この発明は次のような各種構成を備えることも特徴とする。  
第１の構成は、上記異常時排出量予測計算手段は、上記観測区間の数が上記排出源の数以上の場合は、上記観測区間ごとに生成された近似式からなる連立方程式を生成する手段と、上記生成された連立方程式により上記排出源ごとの異常時排出量を算出する第２の異常時排出量算出手段とを備えることを特徴とする。  
これにより、上記観測区間の数が上記排出源の数以上の場合は、上記排出源ごとの異常時排出量を簡単に求めることができため、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を排出源をさらに迅速に特定することができる。
【００１２】
第２の構成は、上記平常時排出量を取得する手段は、上記排出源ごとに予め定められた上記化学物質の平均排出量を取得する手段を備え、取得された平均排出量を上記平常時排出量として用いるように構成する。  
このように構成すると、例えば、法律・規制等により届出された化学物質の排出源の平均排出量を用いて、上記排出源ごとの異常時排出量を簡単に求めることができる。
【００１３】
第３の構成は、上記平常時排出量を取得する手段は、上記排出源ごとに測定された上記化学物質排出量の実測値に統計処理を施して得られた平均排出量を取得する手段を備え、取得された平均排出量を上記平常時排出量として用いるようにする。  
これにより、各排出源から排出される化学物質排出量の実測値に基づいて、異常時排出量が算出されるため、さらに正確に排出源を特定することができる。
【００１４】
第４の構成は、上記第１の異常時排出量算出手段は、上記数学的最適化手法としてラグランジェ未定係数法の演算アルゴリズムを用いて上記排出源ごとの異常時排出量を求める。  
例えば、最急降下法の演算アルゴリズムを用いた場合と比較すると、本構成では繰り返し計算が行われないため、計算時間を短縮することができる。これにより、さらに迅速に河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を特定することができる。
【００１５】
第５の構成は、上記観測区間ごとに測定された上記化学物質の実測濃度を取得する手段と、平常時における上記観測区間ごとの上記化学物質の平常時濃度を取得する手段と、上記実測濃度が上記平常時濃度を超える異常時を検出する異常時検出手段と
をさらに備え、上記異常時検出手段により異常時と検出された場合に、上記実測濃度を上記異常時濃度として用いることを特徴とする。  
このように構成すると、河川中の化学物質の異常高濃度がただちに検出されるため、さらに迅速に河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を特定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
要するにこの発明によれば、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を迅速かつ的確に特定することを可能とする化学物質排出量計算装置及び化学物質排出量計算方法とそのプログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、この発明に係わる化学物質排出量計算装置の一実施形態を示す概念図である。  
化学物質排出量予測計算装置１は、河川においてある期間に測定された河川中の化学物質濃度が定められた基準値以上の異常高濃度を示した場合に、化学物質の排出量の予測計算を行う。化学物質排出量計算装置１には、入力データとして、河川の横流入量、取水量、湧出量、異常時濃度、リーチ位置、リーチ間の流下時間、排出源の平常時排出量とが入力される。化学物質排出量計算装置１は、上記入力データを元に算出された排出源の異常時排出量を出力する。すなわち、排出源の(平常時排出量−異常時排出量)の２乗の和が最小となる解を求めることにより、河川中の化学物質の異常高濃度を引き起こす原因となる排出源を特定するものである。
【００１８】
ここで、異常時排出量、平常時排出量とは、「水質汚濁に係わる環境基準」（http://www.env.go.jp/kijun/mizu.htmlに記載。）に定められる数値を境に、河川の測定値が基準を満たしていないときを異常時、満たしているときを平常時とする。上記入力データの化学物質の平常時排出量データとして、法律・規制により届出された化学物質の排出源の平均排出量データを用いることができる。また、前記入カデータの化学物質の平常時排出量データとして、排出源の化学物質量の実測値に統計処理を施して得られた平均排出量データを用いることも可能である。
【００１９】
河川中の化学物質濃度が異常高濃度を示さない期間(平常時)に、排出源から放出される化学物質排出量に統計処理を施した平常時排出量を入カとして用いることを特徴とする。これとともに従来用いてきた、水中の化学物質測定濃度、河川リーチ間の化学物質の流下時間と河川の横流入量、取水量、湧出量を入力とし、排出源から放出される化学物質の異常時排出量を予測計算して出カとする。
【００２０】
図２を用いて、この化学物質排出量計算装置１の動作の概要について説明する。図２は、化学物質排出量計算装置１のメインルーチンを表すフローチャートである。  
化学物質排出量計算装置１は、例えば、タイマー等により一定時間ごとに、或いはオペレータにより任意に指定された時刻に起動される。
【００２１】
化学物質排出量計算装置１は、ステップＭ１０において、リーチの指標となる変数ｎｒＭに１を代入する。次に、ステップＭ２０において、リーチｎｒＭが全リーチ数ＮｒＭ以下であるか否かを判定する。リーチｎｒＭが全リーチ数ＮｒＭ以下と判定された場合は、化学物質排出量計算装置１は、処理をステップＭ３０に移行して、リーチｎｒＭでの測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が基準となる濃度閾値Ｃｔより大きいか否かを判定する。
【００２２】
このステップＭ３０の判定により、測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が濃度閾値Ｃｔより大きいと判定される場合は、化学物質排出量計算装置１は、ステップＭ４０に移行して、排出源から放出される化学物質の異常時排出量の予測計算処理を行う。なお、化学物質の異常時排出量の予測計算処理についての詳細は後述する。一方、測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が基準値Ｃｔより小さいと判定される場合は、河川中の化学物質濃度が正常値であるため、ステップＭ５０へ移行する。
【００２３】
そして、化学物質排出量計算装置１は、ステップＭ５０では、リーチｎｒＭを１だけ増加したのち、ステップＭ２０に処理を移行する。化学物質排出量計算装置１は、ステップＭ２０の判定において、リーチｎｒＭが全リーチ数ＮｒＭ以下の場合は、次のリーチｎｒＭに対する処理を行い、リーチｎｒＭが全リーチ数ＮｒＭ以下でない場合は、全てのリーチについて調査が終了したので、メインルーチンを終了する。
【００２４】
この実施形態では、数学的最適化手法を用いて、全ての排出源における平常時排出量との差が最も小さい異常時排出量を求める、化学物質の平常時排出量としては、排出源についてのＰＲＴＲ（Pollutant Release and Transfer Register：化学物質排出移動量届出制度）データ、地方公共団体に届出されている年間や月間の平均排出量、各排出源（例えば、工場等）独自に測定した排出量をもとに統計的走査（平均計算）を施して求める。
【００２５】
次に、異常時排出量を求めるための数学的解法について説明する。  
河川中の化学物質濃度の測定値より、排出源より放出される化学物質の排出量を求める問題は非線形問題に帰着する。まず、一般的な非線形問題とは、以下のように定義される。  
一般的な非線形問題（nonlinear programming）：
ｆ：Ｒｎ→Ｒ１，ｇｉ：Ｒｎ→Ｒ１，ｉ＝１，…，ｍ；ｈｊ；Ｒｎ→Ｒ１，ｊ＝１，…，ｌが与えられたとき、制約条件ｇｉ（ｘ）≦０，ｉ＝１，…，ｍ；ｈｊ（ｘ）＝０，ｊ＝１，…，ｌの下でｆ（ｘ）を最小化する問題。これを本文中では以下のように略記する。  
【００２６】
【数２】
2006285846.tif 000004
上記においてｆを目的関数、ｇｉ（ｘ）≦０，ｉ＝１，…，ｍ；ｈｊ（ｘ）＝０，ｊ＝１，…，ｌを制約関数と呼ぶ。特にｍ＝０，ｌ＞０の場合に、問題１は以下のように表される。  
【００２７】
【数３】
2006285846.tif 000005
問題１´に対しては、古くからラグランジェの未定係数法（method of indeterminate coefficient）により解が得られることが知られている。いま、適当な１個の変数、例えばｘ１，…，ｘｌを選んだとき、方程式ｈｊ（ｘ）＝０，ｊ＝１，…，ｌが  
ｘｔ＝Φｔ（ｘｌ＋１，…，ｘｎ），ｔ＝１，…，ｌ  
のように解けるものを仮定すると、ｆ（ｘ１，…，ｘｎ）をｘｌ＋１，…，ｘｎのみの関数として表現できるから（問題１´）はｘｌ＋１，…，ｘｎの制約なし最適化問題に変換することが可能である。この考え方を精密化したものが、ラグランジェの未定係数法であり、小規模な問題に対しては、（問題１´）を解く方法として昔からよく用いられてきた。
【００２８】
河川中の化学物質濃度を入力とし、全ての排出源における平常時排出量との差が最も小さい異常時排出量を計算する問題は（問題１´）に帰着することができる。はじめにラグランジェ法を用いた問題の解法について説明し、次にこれを用いた化学物質排出量計算装置１について説明する。
【００２９】
まず、ラグランジェ法を用いた解法について説明する。河川中の化学物質濃度と排出源からの化学物質排出量との関係を表した近似式は、以下のように表すことができる。この式が制約関数となる。  
【００３０】
【数４】
2006285846.tif 000006
ここで、図３を参照して、上記（式１）について説明する。図３は、流量の収支式、及び流下負荷量と水質の算定式をそれぞれ示したものである。ｉはｎｒより上流にあるリーチを表す指標であり、走査する変数である。Ｌｉはリーチｉへの流入する化学物質排出負荷量、ｔｉ，ｎはリーチｉ〜ｎ間の流下時間である。また、Ｋ１は脱酸素係数、Ｋ２は再曝気係数、Ｋ３は沈殿または吸着によるＢＯＤ除去速度係数を表し、Ｑｉは横流入量、Ｑ１ｉは取水量、Ｑ０ｉは湧水量を表す。全リーチの数をＮｒとすると制約関数（式１）はＮｒ個存在する。
【００３１】
次に目的関数について説明する。平常時排出量に最も近い値の排出量Ｌ（ｎｒ）を求めようとしているので目的関数は次式で表すことができる。  
【００３２】
【数５】
2006285846.tif 000007
式２は、Ｌ（ｎｒ）に対する自乗関数であるため、最小値をもつことは保証される。ここでＬｕｓｕａｌ（ｎｒ）は平常時排出量を表す。
河川中の化学物質濃度の観測地を入力とし、すべての排出源における平常時排出量との差が最も小さい異常時排出量を計算する問題は（式２）の目的関数を（式１）の制約条件下で満足する解Ｌ（ｎｒ）を得ることである。問題を解決するためにラグランジェの未定係数法を用いる。
【００３３】
次に、ラグランジェの未定係数法について説明する。まず、ラグランジェ関数について説明する。ラグランジェ関数を以下のように定義する。  
【００３４】
【数６】
2006285846.tif 000008
ここで、２λｎｏｂｓは、ラグランジェの未定乗数である。目的関数（式２）は先に述べたとおり最小値をもつことは保証されるので、ラグランジェ関数（式３）のＬ（ｎｒ）、２λｎｏｂｓについての１階の偏微分関数を求め、これらの導関数がゼロに等しくなるようにλｎｏｂｓを設定すれば、そのときのＬ（ｎｒ）は（式２）を最小にする。
【００３５】
（式３）のＬ（ｎｒ）について一階の偏微分関数かゼロに等しいと置いた式は、以下である。  
【００３６】
【数７】
2006285846.tif 000009
（式４）を解くと、異常時排出量は以下のように表すことができる。
【００３７】
【数８】
2006285846.tif 000010
（式３）のλｎｒについての一階の偏微分関数がゼロに等しいと置いた式は以下である。
【００３８】
【数９】
2006285846.tif 000011
（式６）を解くと下記式を得ることができる。
【００３９】
【数１０】
2006285846.tif 000012
（式７）のＬ（ｎｒ）に（式４）を代入すると、下記式が得られる。
【００４０】
【数１１】
2006285846.tif 000013
（式９）をすべてのリーチにおける式に変換すると連立方程式（式１０）になる。
【数１２】
2006285846.tif 000014
【００４１】
（式１０）は変数λｎｏｂｓがＮｏｂｓ個、連立方程式の個数がＮｏｂｓ個であるから、変数λｎｏｂｓの値を決定することかできる。（式１０）により決定したλｎｏｂｓを（式５）に代入すれば異常時排出量Ｌ（ｎｒ）を得ることができる。つまり、下記式によりＬ（ｎｒｘ）を決定する。
【数１３】
2006285846.tif 000015
【００４２】
次に、化学物質排出量計算装置１の構成について説明する。図４は、化学物質排出量計算装置１の機能構成を示すブロック図である。  
化学物質排出量計算装置１は、マイクロプロセッサなどの中央処理ユニット１１（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を備える。このＣＰＵ１１には、バス１２を介してデータメモリ１３及びプログラムメモリ１４が接続され、さらに外部記憶装置インタフェース（外部記憶装置Ｉ／Ｆ）１５が接続されている。外部記憶装置Ｉ／Ｆ１５は、ＣＰＵ１１制御の下、外部記憶装置１６との間でデータの読み出し・書き込み処理を行う。外部記憶装置１６は、データの入出力が可能な記憶装置であればよく、例えば、外付けのハードディスクが用いられる。
【００４３】
データメモリ１３は、ＲＡＭやハードディスク等で構成され、データ記憶エリア１３ａと、パラメータ記憶エリア１３ｂと制約式記憶エリア１３ｃとを備える。データ記憶エリア１３ａは、外部記憶装置１６から外部記憶装置Ｉ／Ｆ１５により取り込まれた河川データを記憶する。パラメータ記憶エリア１３ｂは、後述のパラメータ調整プログラム１４ｄにより定められたパラメータを記憶する。また、制約式記憶エリア１３ｃは、後述の制約式生成プログラム１４ｅにより生成された制約式を記憶する。
【００４４】
プログラムメモリ１４は、この発明を実現するための制御プログラムとして、河川流量計算プログラム１４ａと、流下負荷量計算プログラム１４ｂと、河川水質計算プログラム１４ｃと、パラメータ調整プログラム１４ｄと、制約式生成プログラム１４ｅと、異常時排出量計算プログラム１４ｆとを格納する。各プログラムの処理手順および処理内容については後述する。
【００４５】
このように構成した化学物質排出量計算装置１の動作について説明する。図５は、化学物質排出量計算装置１における化学物質排出量の予測計算処理全体の手順を表すフローチャートである。  
はじめに、化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、ステップＳ１０において、外部記憶装置１６から河川水中濃度計算データを読み込み、データ記憶エリア１３ａに格納する。ここで、格納されるデータは、河川リーチの横流入量、取水量、湧き出し量、異常時濃度、リーチ位置、リーチ間の流下時間、排出源の平常時排出量である。次に、ＣＰＵ１１は、ステップＳ２０において、河川流量計算プログラム１４ａを実行して、河川リーチｉからｎまでの河川流量の計算を行い、計算された河川流量をデータ記憶エリア１３ａに記憶する。計算方法は図３に示したとおりである。
【００４６】
また、化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、ステップＳ３０において、流下負荷量計算プログラム１４ｂを実行して、河川リーチｉからｎまでの化学物質の流下負荷量を図３のように計算し、計算された流下負荷量をデータ記憶エリア１３ａに記憶する。そして、ステップＳ４０において、ＣＰＵ１１は、河川水質計算プログラム１４ｃにより、上記計算された河川流量と流下負荷量とをデータ記憶エリア１３ａから読み出し、河川リーチｉからｎまでの河川の水質濃度を図３に示したように計算する。以上、ステップＳ１０〜Ｓ４０は、図４のステップＳＡ８０、ＳＡ９０、ＳＡ１００に相当する。
【００４７】
次に、化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、パラメータ調整プログラム１４ｄを実行し、ステップＳ５０及びＳ６０において、水質濃度計算式のパラメータの調整を行う。このパラメータ調整は、上記ステップＳ２０〜Ｓ４０により算出された値を上述した水質濃度計算式に当てはめて求められる河川水質濃度の計算値と実測値とを比較して行う。実測値のプログラムヘの取り込み処理は図４のステップＳＡ１０〜ＳＡ５０に相当する。実測値と計算値の比較処理は図４のステップＳＡ１１０、ＳＡ１３０に相当する。
すなわち、ＣＰＵ１１は、ステップＳ５０において、河川水質濃度の計算値と実測値との誤差が許容範囲内であるか否かを判定する。この判定により、河川水質濃度の計算値と実測値との誤差が許容範囲外であると判定された場合には、ＣＰＵ１１は、ステップＳ６０に移行してパラメータＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｑｉ，Ｑ０ｉ，Ｑｌｉを調整したのちに再度、ステップＳ２０〜Ｓ４０までの計算を行う。一方、上記ステップＳ５０の判定において、河川水質濃度の計算値と実測値との誤差が許容範囲内であると判定された場合には、上記パラメータをデータメモリ１３のパラメータ記憶エリア１３ｂにそれぞれ格納する。
【００４８】
そして、ステップＳ７０において、ＣＰＵ１１は、制約式生成プログラム１４ｅを実行して、上記調整されたパラメータをパラメータ記憶エリア１３ｂから読み出し、異常高濃度時の制約式を生成し、生成した制約式を制約式記憶エリア１３ｃに記憶する。上記処理はステップＳＡ１７０〜ＳＡ１９０に相当する。そして、ＣＰＵ１１は、ステップＳ８０において、異常時排出量計算プログラム１４ｆを実行し、異常時排出量データを計算する。異常時排出量計算プログラム１４ｆでは、制約式記憶エリア１３ｃから読み出した制約式をもとに異常時排出量を計算する。この計算結果をデータ記憶エリア１３ａに格納する。かくして、化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、ステップＳ９０により、データ記憶エリア１３ａから排出源の異常時排出量を読み出し、外部記憶装置Ｉ／Ｆ１５により外部記憶装置１６に格納する。
【００４９】
図６及び図７は、異常時排出量算出処理の手順とその内容を示すフローチャートである。すなわち、前記図３に示したメインルーチン中のステップＭ４０における化学物質の異常時排出量の予測計算処理である。まず、ステップＳＡ１０において、変数Ｎｒに全リーチ数を代入する。次に、ステップＳＡ２０において、変数ｎｒに１を代入する。そして、ステップＳＡ３０において、ｎｒが全リーチ数Ｎｒ以下であるか否かを判定する。この判定において、ｎｒがＮｒ以下であれば処理をステップＳＡ４０へ移す。一方、ステップＳＡ３０の判定において、ｎｒがＮｒ以下でない場合は、全てのリーチの処理が完了したので、ステップＳＡ６０に処理を移す。
【００５０】
ステップＳＡ４０においては、通常時における観測点ｎｒでの水質濃度の実測値を変数Ｃｕｓｕａｌ（ｎｒ）に代入する。その後、ステップＳＡ５０に移行して、ｎｒを１だけ増加したのち、ステップＳＡ３０に移行する。このようにして、全ての観測点ｎｒについてステップＳＡ４０の代入処理を繰り返し行う。
【００５１】
次に、ステップＳＡ６０において、水質濃度計算式パラメータＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｑ０、Ｑｉ、Ｑ０ｉ、Ｑ１ｉの初期値を設定する。次に、ステップＳＡ７０において、変数ｅｒｒｏｒに０．０を代入し、ステップＳＡ８０により、変数ｎｒに１を代入する。そして、ステップＳＡ９０において、ｎｒが全リーチ数Ｎｒ以下であるか否かを判定する。ｎｒがＮｒ以下であれば処理をステップＳＡ１３０に移行する。ｎｒがＮｒ以下でない場合は、全てのリーチの処理が完了したのでステップＳＡ１３０に処理を移す。
【００５２】
ステップＳＡ１００において、変数Ｃｒｃａｌｃ（ｎｒ）に以下を代入する。リーチｎｒの化学物質濃度を計算する。
【００５３】
【数１４】
2006285846.tif 000016
続いて、ステップＳＡ１１０に処理を移す。ステップＳＡ１１０において計算による濃度と通常時測定濃度の誤差を下記式により計算し、計算結果を変数ｅｒｒｏｒに格納する。
【００５４】
【数１５】
2006285846.tif 000017
処理をステップＳＡ１２０に移す。ステップＳＡ１２０において、ｎｒを１だけ増加する。そして、ステップＳＡ１３０において、ｅｒｒｏｒが許容値未満か否かを判定する。ｅｒｒｏｒが許容値未満と判定された場合は、ステップＳＡ１６０に移行する。一方、ｅｒｒｏｒが許容値以上であると判定された場合は、ステップＳＡ１３５に移行して、水質濃度計算式パラメータＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｑ０、Ｑｉ、Ｑ０ｉ、Ｑ１ｉの調整を行う。このパラメータの調整は、ステップＳＡ１１０で計算されるｅｒｒｏｒの値を小さくするために行われ、調整の手法は問わない。
【００５５】
続いて、ステップＳＡ１４０おいて、このパスを予め設定された規定回数以上通過したか否かを判定する。規定回数に満たない場合には、ステップＳＡ６０に処理を移して、水質濃度計算式パラメータの調整を続ける。ステップＳＡ１４０の判定において、規定回数より多く通過した場合には、水質濃度計算式パラメータの調整ができないと判断し、ステップＳＡ１５０に移行して処理を中止する。
【００５６】
ステップＳＡ１６０では、異常を検出したリーチ数をＮｏｂｓに格納する。そして、ステップＳＡ１７０において、全ての異常検出リーチについて制約式を生成したか否かを判定する。制約式を生成していない異常検出リーチが存在する場合には、ステップＳＡ１８０へ移る。一方、全ての異常検出リーチについて制約式を生成した場合には、ステップＳＡ２００に移行する。ステップＳＡ１８０においては、制約式未生成リーチのインデックスをｎｏｂｓに格納する。そして、ステップＳＡ１９０において、観測（検証）濃度Ｃ（ｎｏｂｓ）と、異常時のリーチｉへの化学物質排出濃度Ｌｉとの関係を表す制約式が、Ｎｏｂｓ個生成される。そして、ステップＳＡ１７０に戻り、全ての異常検出リーチについて制約式を生成するまで上記制約式の生成を行う。
【００５７】
全ての異常検出リーチについて制約式が生成されると、ステップＳＡ２００に移行して、リーチ数ＮｏｂｓがＮｒより小さいか否かを判定する。この判定において、リーチ数ＮｏｂｓがＮｒより小さいと判定された場合は、ステップＳＡ２１０に移行し、ステップＳＡ２１０では、制約なし最適化問題への帰着し、ラグランジェ未定乗数法を用いて変数Ｌｉを求める。
【００５８】
一方、上記ステップＳＡ２００の判定において、リーチ数ＮｏｂｓがＮｒより小さくない、つまりＮｏｂｓ＝Ｎｒと判定された場合は、ステップＳＡ２３０に移行する。そして、ステップＳＡ２３０において、Ｎｏｂｓ個の連立方程式によりＮｒ個の変数Ｌｉを求める。そして、ステップＳＡ２２０において、Ｌｉ（ｉ＝１，…，Ｎｒ）を決定し、ステップＳＡ３００により処理を終了する。
【００５９】
図８及び図９は、制約なし最適化問題への帰着手順を示すフローチャートである。この処理は、前記図７に示したステップＳＡ２１０により呼び出されるものである。先ず、ステップＳＢ１０において、平常時排出量Ｌｕｓｕａｌ（ｎｒ）に最も近い値の排出量Ｌ（ｎｒ）を求めるための目的関数は以下のように表すことができる。
【００６０】
【数１６】
2006285846.tif 000018
そして、ステップＳＢ２０に移行して、河川中の化学物質濃度の観測地を入カとし、すべての排出源における平常時排出量との差が最も小さい、異常時排出量を計算する問題は、ステップＳＢ１０の目的関数をステップＳＡ１００に示される制約条件下で満足する解Ｌ（ｎｒ）を得ることである。問題を解決するためにラグランジェの未定係数法を用いる。ラグランジェ関数は以下のように定義される。ここで、２λｎｏｂｓは、ラグランジェの未定乗数である。
【００６１】
【数１７】
2006285846.tif 000019
そして、ステップＳＢ３０へ移行して、Ｌ（ｎｒ）について一階の偏微分関数がゼロに等しいと置いた式を以下に示す。
【００６２】
【数１８】
2006285846.tif 000020
ステップＳＢ４０において、ステップＳＢ３０を解くと、異常時排出量は次式のように表すことができる。
【００６３】
【数１９】
2006285846.tif 000021
ステップＳＢ５０に移行して、λｎｒについての一階の偏微分関数かゼロに等しいと置いた式を以下に示す。
【００６４】
【数２０】
2006285846.tif 000022
そして、ステップＳＢ６０へ移行する。下記式を得ることができる。
【００６５】
【数２１】
2006285846.tif 000023
ステップＳＢ７０へ移行する。下記式が得られる。
【００６６】
【数２２】
2006285846.tif 000024
ステップＳＢ８０において、ステップＳＢ７０を全てのリーチにおける式に変換すると、次のようにＮｏｂｓ個の連立方程式になる。
【００６７】
【数２３】
2006285846.tif 000025
ステップＳＢ８０は、変数λｏｂｓがＮｏｂｓ個、連立方程式の個数がＮｏｂｓ個であるから、変数λｎｏｂｓの値を決定することができる。そして、ステップＳＢ９０に移行して、上記ステップＳＢ８０により決定したλｎｏｂｓの値を（式５）に代入すれば、異常時排出量Ｌ（ｎｒ）を得ることができる。そして、ステップＳＢ１００に移行して、下記式によりＬ（ｎｒｘ）を決定する。このＬ（ｎｒｘ）により、排出源ごとの化学物質排出量を求めることができる。
【００６８】
【数２４】
2006285846.tif 000026
ここで、図１０に従来の化学物質排出量予測計算装置の概略図を示す。従来技術では、河川中の化学物質の測定濃度、河川リーチの横流入量、取水量、湧出量、異常があった場合のリーチ位置と異常時濃度、リーチ間の流下時間のみを入カとした。これらの入力値を用いて、河川中に化学物質を放出する排出源からの化学物質からの排出量と河川中の化学物質濃度の関係を近似式により表し連立方程式を作成すると、異常高濃度を検出したリーチの数が、排出源の数より少なくなる場合があるので、変数よりも連立方程式の数が少ないという問題を生じていた。
【００６９】
また、図１１は、従来の化学物質排出量計算処理の手順を示すメインフローチャートである。先ず、ステップＭ１において観測点の指標となる変数ｎｒＭに１を代入する。次に。ステップＭ２において、変数ｎｒＭが河川リーチ数Ｎｒ以下であるか否かを判定する。この判定により、変数ｎｒＭがリーチ数Ｎｒ以下であれば、ステップＭ３に移行し、河川リーチｎｒＭでの測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が基準値Ｃｔより大きいか否かを判定する。このステップＭ３の判定により、河川リーチｎｒＭでの測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が基準値Ｃｔより大きいと判定されると、アラーム音を出力する。
【００７０】
そして、上記ステップＭ４において、アラーム音が出力されると、調査員は、河川リーチｎｒＭへ化学物質を排出する排出源をそれぞれ調査し、排出源を特定し、ステップＭ６に移行する。一方、ステップＭ３の判定において、河川リーチｎｒＭでの測定濃度Ｃｒ（ｎｒＭ）が基準値Ｃｔを超えない場合は、異常がないため、ステップＭ６に移行する。ステップＭ６では、河川リーチｎｒＭを１増加させたのち、ステップＭ２に移行し、次の河川リーチに対する処理を行う。そして、ステップＭ２において、変数ｎｒＭが河川リーチ数Ｎｒに達すると、全ての観測局の調査が完了し、処理を終了する。このように、従来では排出源の特定に大量の時間を要していた。
【００７１】
これに対し、この発明に係わる化学物質排出量計算装置１のＣＰＵ１１は、河川の観測区間（リーチ）における流下情報及び化学物質濃度と、排出源からの化学物質の平常時排出量とを、外部記憶装置１６からデータ記憶エリア１３ａに読み込む。そして、リーチごとに、上記流下情報を用いて水質濃度と排出源からの化学物質の異常時排出量との関係を表す近似式である水質濃度計算式を生成する。そして、リーチごとに生成された水質濃度計算式をもとに、ラグランジェ未定係数法を用いて上記排出源ごとの（平常時排出量−異常時排出量）を２乗した総和が最小となるように上記排出源ごとの異常時排出量を算出するようにしたものである。
【００７２】
したがって、上記実施形態によれば、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を迅速かつ的確に特定することを可能となる。これにより、例えば、河川観測局において高濃度の化学物質を検出した場合に、検出場所の近くの排出源により排出された化学物質が原因であるか、遠く離れた上流の排出源により排出された化学物質が原因であるかを、算出された排出源ごとの化学物質の異常時排出量に基づいて容易に特定することができる。このため、事業所や工場などに対して、河川への化学物質の排出濃度削減の迅速な指導・命令の実現することが可能となる。
【００７３】
また、上記実施形態では、図７のフローチャートに示したように、異常時のリーチの数が排出源の数以上の場合には、異常時のリーチごとに作成された連立方程式により排出源ごとの化学物質の異常時排出量を求めるようにしている。これにより、上記観測区間の数が上記排出源の数以上の場合は、上記排出源ごとの異常時排出量を簡単に求めることができため、河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を排出源をさらに迅速に特定することができる。
【００７４】
さらに、数学的最適化手法として、ラグランジェ未定係数法の演算アルゴリズムを用いて上記排出源ごとの異常時排出量を求めている。この発明に用いられる数学的最適化手法は、ラグランジェ未定係数法に限定されるものではないが、例えば、最急降下法の演算アルゴリズムを用いた場合と比較すると、本構成では繰り返し計算が行われないため、計算時間を短縮することができる。これにより、さらに迅速に河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を特定することができる。
【００７５】
この発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、排出源ごとの化学物質の平常時排出量として予め定められた上記化学物質の平均排出量を用いるようにしてもよい。このように構成すると、例えば、法律・規制等により届出された化学物質の排出源の平均排出量を用いて、上記排出源ごとの異常時排出量を簡単に求めることができる。
【００７６】
また、排出源ごとの化学物質の平常時排出量として、上記排出源ごとに測定された上記化学物質排出量の実測値に統計処理を施して得られた平均排出量を用いるように構成してもよい。これにより、各排出源から排出される化学物質排出量の実測値に基づいて、異常時排出量が算出されるため、さらに正確に排出源を特定することができる。
【００７７】
さらに、リーチごとに測定された上記化学物質の実測濃度と、このリーチごとの上記化学物質の平常時濃度とを取得するようにし、上記実測濃度が上記平常時濃度を超える異常時を検出するように構成してもよい。この場合、異常時が検出された場合は、上記実測濃度を上記異常時濃度として用いて、ただちに排出源ごとの化学物質排出量が算出される。このように構成すると、さらに迅速に河川中の化学物質の異常高濃度の原因となる排出源を特定することができる。
【００７８】
その他にも、化学物質排出量計算装置１の機能構成及びデータメモリ１３に記憶される項目及びプログラムメモリ１４に格納される各プログラムの処理手順とその処理内容についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲でその構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態で開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明に係わる化学物質排出量計算装置の一実施形態を示す概略図。
【図２】図１に示す化学物質排出量計算装置の動作手順を示すメインフローチャート。
【図３】河川流量、流入負荷量、及び水質の計算式を示す図。
【図４】図１に示す化学物質排出量計算装置の機能構成を示すブロック図。
【図５】図４に示す化学物質排出量計算装置の異常時排出量計算の処理手順とその処理内容を示すフローチャート。
【図６】図４に示す化学物質排出量計算装置における異常時排出量の計算処理の詳細を示すフローチャート。
【図７】図４に示す化学物質排出量計算装置における異常時排出量の計算処理の詳細を示すフローチャート。
【図８】図７に示す化学物質排出量計算装置における制約なし最適化問題への帰着手順の詳細を示すフローチャート。
【図９】図７に示す化学物質排出量計算装置における制約なし最適化問題への帰着手順の詳細を示すフローチャート。
【図１０】従来の化学物質排出量計算装置を示す概略図。
【図１１】従来の化学物質排出量計算処理の手順を示すメインフローチャート。
【符号の説明】
【００８０】
１…化学物質排出量計算装置、１１…ＣＰＵ、１２…バス、１３…データメモリ、１３ａ…データ記憶エリア、１３ｂ…パラメータ記憶エリア、１３ｃ…制約式記憶エリア、１４…プログラムメモリ、１４ａ…河川流量計算プログラム、１４ｂ…流下負荷量計算プログラム、１４ｃ…河川水質計算プログラム、１４ｄ…パラメータ調整プログラム、１４ｅ…制約式生成プログラム、１４ｆ…異常時排出量計算プログラム、１５…外部記憶装置インタフェース、１６…外部記憶装置。
【図１】
2006285846.tif 000027
【図２】
2006285846.tif 000028
【図３】
2006285846.tif 000029
【図４】
2006285846.tif 000030
【図５】
2006285846.tif 000031
【図６】
2006285846.tif 000032
【図７】
2006285846.tif 000033
【図８】
2006285846.tif 000034
【図９】
2006285846.tif 000035
【図１０】
2006285846.tif 000036
【図１１】
2006285846.tif 000037