(57)【要約】【課題】水力発電所の充水作業において、取水開始から水が水槽に到達するまでの時間を正確に予測する。【解決手段】水力発電所の施設は、河川Ｒから水を取り込む取水口Ｅと、取水口Ｅから数ｋｍ下流にあり、水を貯める水槽Ｐと、取水口Ｅ及び水槽Ｐの間に設けられた導水路Ｗとを備える。河川Ｒの水は、取水口Ｅに取り込まれ、導水路Ｗを通って、数時間かけて水槽Ｐに到達する。取水口Ｅには、ゲートＧが設けられ、ゲートＧが最下点から上方に移動することにより、河川Ｒと、導水路Ｗとの間に通路が形成され、その通路を通じて河川Ｒから導水路Ｗへ水が流れ込む。そして、河川Ｒの水位ｈ及びゲートＧの開度ａにより、導水路Ｗを流れる水の流量Ｑが求められ、流量Ｑから流速ｕが求められ、さらに、水が取水口Ｅから水槽Ｐに到達する時間である水到達時間Ｔが求められる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川から水を取り込む取水口と、水を貯める水槽と、水を前記取水口から前記水槽まで導く導水路とを備えた水力発電所の施設において、水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間を予測するのに、前記水到達時間の複数の値のそれぞれについて、前記取水口に設けられたゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示すデータを記憶する記憶部を備えたコンピュータを用いる方法であって、
前記コンピュータは、
前記ゲートの開度及び前記河川の水位を取得するステップと、
前記記憶部に記憶されたデータを参照して、取得した前記ゲートの開度及び前記河川の水位から前記水到達時間を特定するステップと、
特定した前記水到達時間を出力するステップと、
を実行することを特徴とする水到達時間予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の水到達時間予測方法であって、
前記コンピュータは、前記データを作成するのに、
前記取水口における流量の複数の値のそれぞれについて、前記ゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示す第１のデータを取得し、記憶するステップと、
前記流量と、前記水到達時間との関係を示す第２のデータを取得し、記憶するステップと、
前記第１のデータ及び前記第２のデータから前記データを作成し、記憶するステップと、
をさらに実行することを特徴とする水到達時間予測方法。
【請求項３】
河川から水を取り込む取水口と、水を貯める水槽と、水を前記取水口から前記水槽まで導く導水路とを備えた水力発電所の施設において、水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間を予測するのに、前記取水口における流量と、前記水到達時間との関係を示すデータを記憶する記憶部を備えたコンピュータを用いる方法であって、
前記コンピュータは、
前記流量を取得するステップと、
前記記憶部に記憶されたデータを参照して、取得した前記流量から前記水到達時間を特定するステップと、
特定した前記水到達時間を出力するステップと、
を実行することを特徴とする水到達時間予測方法。
【請求項４】
河川から水を取り込む取水口と、水を貯める水槽と、水を前記取水口から前記水槽まで導く導水路とを備えた水力発電所の施設において、水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間を予測する装置であって、
記憶部及び処理部を備え、
前記記憶部は、
水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間の複数の値のそれぞれについて、前記取水口に設けられたゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示すデータを記憶し、
前記処理部は、
前記ゲートの開度及び前記河川の水位を取得する手段と、
前記記憶部に記憶されたデータを参照して、取得した前記ゲートの開度及び前記河川の水位から前記水到達時間を特定する手段と、
特定した前記水到達時間を出力する手段と、
を備える
ことを特徴とする水到達時間予測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水到達時間予測装置であって、
前記処理部は、前記データを作成するのに、
前記取水口における流量の複数の値のそれぞれについて、前記ゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示す第１のデータを取得し、記憶する手段と、
前記流量と、前記水到達時間との関係を示す第２のデータを取得し、記憶する手段と、
前記第１のデータ及び前記第２のデータから前記データを作成し、記憶する手段と、
をさらに備えることを特徴とする水到達時間予測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電所の施設において、河川の水が取水口から導水路を通って水槽までに到達するのにかかる時間を予測する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所では、年に１、２回水路内の水を抜いて点検を行う。そして、点検後には、発電を再開するために、水路内に水を充水する。詳細には、河川の水を取水口から取り入れ、導水路を通じて取水口の数ｋｍ下流にある水槽に充水する。このとき、水槽内の掃除や電気担当者への連絡等のために、水が水槽に到達する時刻を知りたいことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９４７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、取水開始後に水が水槽に到達する時刻は経験的に予測しているので、担当者の実務経験値により大きなばらつきが見られる。実際には、河川の水位によって流量が異なるので、水位が通常よりも高い場合や低い場合に、取水開始から水が水槽に到達するまでにどの程度時間がかかるかを正確に予測することは困難である。このため、充水作業の担当者が水槽や発電所へ何時に行けばよいかが分からないことがある。
【０００５】
なお、特許文献１には、配水場の水位が大きいほど、配水場から配水路を通じて配水区域へ流れる水の流量が大きくなるように、配水場の水位に応じて、分割時間帯毎における配水調整弁の開度を増減調整する、配水設備における配水流量制御方法が開示されているが、配水にかかる時間を予測するものではない。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、水力発電所の充水作業において、取水開始から水が水槽に到達するまでの時間を正確に予測することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、河川から水を取り込む取水口と、水を貯める水槽と、水を前記取水口から前記水槽まで導く導水路とを備えた水力発電所の施設において、水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間を予測するのに、前記水到達時間の複数の値のそれぞれについて、前記取水口に設けられたゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示すデータを記憶する記憶部を備えたコンピュータを用いる方法（水到達時間予測方法）であって、前記コンピュータが、前記ゲートの開度及び前記河川の水位を取得するステップと、前記記憶部に記憶されたデータを参照して、取得した前記ゲートの開度及び前記河川の水位から前記水到達時間を特定するステップと、特定した前記水到達時間を出力するステップと、を実行することを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、実際のゲートの開度及び河川の水位を取得し、取得した各値から水到達時間を予測するので、水力発電所の充水作業において、ゲートを開けて取水を開始した時から水が水槽に到達する時までの時間を正確に予測することができる。これによれば、水到達時間が分かり、充水作業の計画が立てられるので、効率よく作業ができるようになる。
【０００９】
また、本発明の上記水到達時間予測方法において、前記コンピュータが、前記データを作成するのに、前記取水口における流量の複数の値のそれぞれについて、前記ゲートの開度と、前記河川の水位との関係を示す第１のデータを取得し、記憶するステップと、前記流量と、前記水到達時間との関係を示す第２のデータを取得し、記憶するステップと、前記第１のデータ及び前記第２のデータから前記データを作成し、記憶するステップと、をさらに実行することとしてもよい。
【００１０】
また、本発明は、河川から水を取り込む取水口と、水を貯める水槽と、水を前記取水口から前記水槽まで導く導水路とを備えた水力発電所の施設において、水が前記取水口から前記水槽までに到達するのにかかる水到達時間を予測するのに、前記取水口における流量と、前記水到達時間との関係を示すデータを記憶する記憶部を備えたコンピュータを用いる方法（水到達時間予測方法）であって、前記コンピュータが、前記流量を取得するステップと、前記記憶部に記憶されたデータを参照して、取得した前記流量から前記水到達時間を特定するステップと、特定した前記水到達時間を出力するステップと、を実行することを特徴とする。
【００１１】
この方法によれば、実際の取水口における流量を取得し、取得した値から水到達時間を予測するので、水力発電所の充水作業において、ゲートを開けて取水を開始した時から水が水槽に到達する時までの時間を正確に予測することができる。これによれば、水到達時間が分かり、充水作業の計画が立てられるので、効率よく作業ができるようになる。
【００１２】
なお、本発明は、水到達時間予測装置を含む。その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水力発電所の充水作業において、取水開始から水が水槽に到達するまでの時間を正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水到達時間予測装置１のハードウェア構成を示す図である。
【図２】水力発電所の施設の構成を示す図である。
【図３】横軸に開度ａをとり、縦軸に水位ｈをとり、一定の流量Ｑを示す曲線をグラフにしたものを示す図である。
【図４】流量Ｑが１．０［ｍ３／ｓ］の場合の水面形を示す図であり、（ａ）は取水から２分後の水面形を示し、（ｂ）は取水から１５分後の水面形を示し、（ｃ）は取水から３０分後の水面形を示し、（ｄ）は取水から６０分後の水面形を示し、（ｅ）は取水から７５分後の水面形を示す。
【図５】流量Ｑと、水到達時間Ｔとの関係を示すグラフである。
【図６】横軸に開度ａ［ｍ］をとり、縦軸に水位ｈ［ｍ］をとり、一定の水到達時間Ｔ［分］を示す曲線をグラフにしたものを示す図である。
【図７】水到達時間予測装置１の処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施の形態に係る水到達時間予測装置は、予め、水力発電所の施設における水路条件をもとにさまざまな条件で数値解析を実施し、河川の水位と、ゲートの開度と、取水口から水槽までの水の到達時間との関係を示すデータを作成し、そのデータを用いて、水位及び開度から水到達時間を特定するものである。なお、取水口における流量と、水到達時間との関係を示すデータを用いて、流量から水到達時間を求めるようにしてもよい。
【００１６】
＜＜構成と概要＞＞
≪装置の構成と概要≫
図１は、水到達時間予測装置１のハードウェア構成を示す図である。水到達時間予測装置１は、通信部１１、表示部１２、入力部１３、処理部１４及び記憶部１５を備え、各部がバス１６を介して接続されている。通信部１１は、ネットワークを介して他の装置とＩＰ（Internet Protocol）通信等を行う部分であり、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等によって実現される。表示部１２は、処理部１４からの指示によりデータを表示する部分であり、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等によって実現される。入力部１３は、オペレータがデータ（例えば、ゲートの開度、河川の水位及び水到達時間の関係を示すデータ）を入力する部分であり、例えば、キーボードやマウス等によって実現される。処理部１４は、所定のメモリを介して各部間のデータの受け渡しを行うととともに、水到達時間予測装置１全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。記憶部１５は、処理部１４からデータを記憶したり、記憶したデータを読み出したりするものであり、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置によって実現される。なお、水到達時間予測装置１は、スタンドアロンの装置（ＰＣ（Personal Computer）等）であってもよいし、複数の端末とネットワークを介して通信可能となっている装置（サーバ等）であってもよい。
【００１７】
≪施設の構成≫
図２は、水力発電所の施設の構成を示す図である。本施設は、河川Ｒから水を取り込む取水口Ｅと、取水口Ｅから数ｋｍ下流にあり、水を貯める水槽Ｐと、取水口Ｅ及び水槽Ｐの間に設けられた導水路Ｗとを備える。河川Ｒの水は、取水口Ｅに取り込まれ、導水路Ｗを通って、数時間かけて水槽Ｐに到達する。取水口Ｅには、ゲートＧが設けられ、ゲートＧが最下点から上方に移動することにより、河川Ｒと、導水路Ｗとの間に通路が形成され、その通路を通じて河川Ｒから導水路Ｗへ水が流れ込む。そして、河川Ｒの水位ｈ及びゲートＧの開度ａにより、導水路Ｗを流れる水の流量Ｑが求められ、流量Ｑから流速ｕが求められ、さらに、水が取水口Ｅから水槽Ｐに到達する時間である水到達時間Ｔが求められる。
【００１８】
＜＜原理の説明＞＞
≪河川Ｒの水位ｈ及びゲートＧの開度ａから流量Ｑを求める方法≫
流量Ｑは、水位ｈ及び開度ａから式１により求めることができる。
【数１】
2011140813.tif 000003
【００１９】
ここで、重力加速度ｇは、９．８［ｍ／ｓ２］である。収縮係数Ｃｃは、０．６０６とした。ゲート幅Ｂは、ゲートＧごとに固有の横幅であり、今回は１．６３６［ｍ］とした。
【００２０】
図３は、式１に基づいて、横軸に開度ａをとり、縦軸に水位ｈをとり、一定の流量Ｑを示す曲線をグラフにしたものを示す図である。すなわち、取水口における流量Ｑの複数の値のそれぞれについて、ゲートＧの開度ａと、河川Ｒの水位ｈとの関係を示す図である。例えば、水位ｈ＝２．２５［ｍ］、開度ａ＝０．４［ｍ］のときは、流量Ｑが２．５［ｍ３／ｓ］になる。
【００２１】
≪流量Ｑから流速ｕを求める方法≫
まず、流量の時間的変化を示すデータから時刻ｔ−Δｔにおける流量Ｑｎ−１を取得する。なお、ｎは、時刻ｔに対応する添え字であり、ｎ−１は、時刻ｔ−Δｔに対応する添え字である。
【００２２】
次に、質量保存則の連続式により、時刻ｔ、各位置ｘにおける流水の断面積Ａｎ、水深ｈを求める。以下に示す式２が質量保存則の連続式であるが、数値計算を行うために、その式を断面積Ａに関して離散化したもの（離散式）が式３である。そして、式４に示すように、式３で求められた断面積Ａｎを水路幅Ｂ（地形条件）で除すると、水深ｈを求めることができる。
【数２】
2011140813.tif 000004
【数３】
2011140813.tif 000005
【数４】
2011140813.tif 000006
【００２３】
続いて、運動量保存則の運動方程式により、時刻ｔ、各位置ｘにおける流水の流量Ｑ、流速ｕを求める。以下に示す式５が、運動量保存則の運動方程式である。ここで、ｇは重力加速度を示す。ｚｓは、水位（鉛直方向の高さ）を示す。τｂｘは、単位面積あたりの、流れの方向の抵抗力（掃流力）を示す。ρは、水の密度を示す。Ｒは、径深（＝断面積／潤辺）を示すが、水深ｈとしてもよい。そして、式６に示すように、流量Ｑを水深ｈ及び水路幅Ｂで除することによって、流速ｕが求められる。
【数５】
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【数６】
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【００２４】
≪流量Ｑから水到達時間Ｔを求める方法≫
上記流量Ｑ及び水路条件（水路幅、勾配、粗度等）から水路全体の水深及び流速ｕを求める方法に基づく数値解析ツール（プログラム）により、流量Ｑから水到達時間Ｔが求められる。なお、上記の数値解析ツールの公知文献として、「社団法人土木学会水理委員会編  水理公式集  例題プログラム集［平成１３年度版］  第２編  河川編  Ｐ．１６  例題２−２不定流計算、Ｐ．１９  例題２−９常流・射流混在流れ」を参照のこと。
【００２５】
図４は、流量Ｑが１．０［ｍ３／ｓ］の場合の水面形（導水路Ｗにおける流水の縦断面）を示す図である。ゲートＧを上げることにより取水口Ｅが形成され、河川Ｒ（図示せず）の水が取水口Ｅから導水路Ｗに流れ込み、水面形が水槽Ｐへ向かって移動していく。図４（ａ）は取水から２分後の水面形、（ｂ）は取水から１５分後の水面形、（ｃ）は取水から３０分後の水面形、（ｄ）は取水から６０分後の水面形、（ｅ）は取水から７５分後の水面形をそれぞれ示す。数値解析ツールによると、流量Ｑが１．０［ｍ３／ｓ］の場合には、取水口Ｅから水槽Ｐまで約７５分で水が到達することが分かる。このときの水路条件は、延長５０００［ｍ］、水路幅１．６３８［ｍ］、勾配１／１０００、粗度０．０１５である。
【００２６】
図５は、以上から求められる取水口Ｅにおける流量Ｑと、水到達時間Ｔとの関係を示すグラフである。このグラフは、流量Ｑを０．１から２．５まで０．１刻みの条件で数値解析を実施し、各流量条件における水到達時間Ｔを求め、流量Ｑと、水到達時間Ｔとの関係をプロットし、プロットした点を結んだものである。これによると、例えば、流量Ｑが１．５［ｍ３／ｓ］の場合には、取水口Ｅから水槽Ｐまで約６５分で水が到達すると予測できる。
【００２７】
≪河川Ｒの水位ｈ及びゲートＧの開度ａから水到達時間Ｔを求める方法≫
以上によれば、河川の水位ｈ及びゲートの開度ａから流量Ｑが求められ、さらに流量Ｑから水到達時間Ｔが求められるので、河川の水位ｈ及びゲートの開度ａから水到達時間Ｔを求めることができる。
【００２８】
図６は、横軸に開度ａ［ｍ］をとり、縦軸に水位ｈ［ｍ］をとり、一定の水到達時間Ｔ［分］を示す曲線をグラフにしたものを示す図である。すなわち、水到達時間Ｔの複数の値のそれぞれについて、ゲートＧの開度ａと、河川Ｒの水位ｈとの関係を示す図である。この図は、図３における一定の流量Ｑを示す各曲線を、図５に基づいて変換して、一定の水到達時間Ｔを示す各曲線としたものである。このグラフによれば、例えば、開度ａが０．４５［ｍ］、水位ｈが２．５５［ｍ］のときは、水到達時間Ｔが５０［分］と予測することができる。
【００２９】
＜＜データの構成＞＞
水到達時間予測装置１の記憶部１５には、図３に例示する開度ａ及び水位ｈから流量Ｑを求めるグラフＧ１（第１のデータ）、図５に例示する流量Ｑから水到達時間Ｔを求めるグラフＧ２（第２のデータ）、図６に例示する開度ａ及び水位ｈから水到達時間Ｔを求めるグラフＧ３（データ）が記憶される。
【００３０】
＜＜装置の処理＞＞
図７は、水到達時間予測装置１の処理を示すフローチャートである。予測の準備段階として、まず、水到達時間予測装置１は、通信部１１又は入力部１３を通じて、ゲートＧの開度ａ及び河川Ｒの水位ｈから流量Ｑを求めるグラフＧ１を取得し、記憶部１５に記憶する（Ｓ７０１）。次に、通信部１１又は入力部１３を通じて、流量Ｑから水到達時間Ｔを求めるグラフＧ２を取得し、記憶部１５に記憶する（Ｓ７０２）。そして、記憶部１５に記憶したグラフＧ１及びＧ２を用いて、ゲートＧの開度ａ及び河川Ｒの水位ｈから水到達時間Ｔを求めるグラフＧ３を作成し、記憶部１５に記憶する（Ｓ７０３）。
【００３１】
水到達時間Ｔを予測する際に、まず、水到達時間予測装置１は、通信部１１又は入力部１３を通じて、実際のゲートＧの開度ａ及び河川Ｒの水位ｈを取得する（Ｓ７０４）。次に、Ｓ７０３で記憶部１５に記憶したグラフＧ３を参照して、取得した開度ａ及び水位ｈから水到達時間Ｔを特定する（Ｓ７０５）。そして、特定した水到達時間Ｔを出力する（Ｓ７０６）。水到達時間Ｔの出力としては、通信部１１からネットワークを通じて特定の端末やサーバに送信してもよいし、表示部１２に表示してもよいし、印刷物として出力してもよい。
【００３２】
なお、水到達時間予測装置１は、流量Ｑから水到達時間Ｔを求めるグラフＧ２だけを記憶部１５に記憶し、実際の流量Ｑを取得し、グラフＧ２を参照して、取得した流量Ｑから水到達時間Ｔを特定し、出力するようにしてもよい。
【００３３】
また、水到達時間予測装置１の使用方法としては、当日充水するときに、河川Ｒの水位ｈ及びゲートＧの開度ａを入力すると、予測した水到達時間Ｔが分かるので、その時間を現場に連絡することが考えられる。一方、別の使用方法として、例えば、作業者が取水開始してから１時間後に水槽Ｐに行きたいときに、河川Ｒの水位ｈ及び水到達時間Ｔとしての１時間（＝６０分）を水到達時間予測装置１に対して入力すると、ゲートＧの開度ａが出力されるようにしてもよい。このとき、水到達時間予測装置１は、記憶部１５のグラフＧ３における６０分の曲線を用いて、水位ｈに対応する開度ａを特定し、出力する。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、図１に示す水到達時間予測装置１内の各部を機能させるために、処理部１４で実行されるプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録し、その記録したプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行させることにより、本発明の実施の形態に係る水到達時間予測方法を行う水到達時間予測装置１が実現されるものとする。この場合、プログラムをインターネット等のネットワーク経由でコンピュータに提供してもよいし、プログラムが書き込まれた半導体チップ等をコンピュータに組み込んでもよい。
【００３５】
以上説明した本発明の実施の形態によれば、水到達時間予測装置１は、記憶部１５に記憶したグラフＧ３、又は、Ｇ２を使用することにより、通信部１１や入力部１３を通じて取得したゲートＧの開度ａ及び河川Ｒの水位ｈ、又は、取水口Ｅにおける流量Ｑから水到達時間Ｔを求め、通信部１１や表示部１２に出力する。従って、河川Ｒからの取水時刻を決めれば、水が水槽Ｐへ到達する時刻が分かる。これによれば、充水に際しては、水が水槽Ｐに到達するまでに実施すべき作業（例えば、最初の泥水の廃棄や掃除、発電準備の連絡等）がいろいろあり、その作業に関する計画を立てることができるので、充水に関する作業を効率化することができる。
【００３６】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１      水到達時間予測装置
１４    処理部
１５    記憶部
Ｇ１    グラフ（第１のデータ）
Ｇ２    グラフ（第２のデータ）
Ｇ３    グラフ（データ）
Ｇ      ゲート
Ｅ      取水口
Ｐ      水槽
Ｑ      流量
Ｒ      河川
Ｔ      水到達時間
Ｗ      導水路
ａ      開度
ｈ      水位
【図１】
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【図７】
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【図２】
2011140813.tif 000011
【図３】
2011140813.tif 000012
【図４】
2011140813.tif 000013
【図５】
2011140813.tif 000014
【図６】
2011140813.tif 000015