(57)【要約】【課題】井戸の穴径及び井戸内の温度分布に依存せず地下水の水面に非接触の状態で地下水位の測定を高速、高精度に行なう地下水位測定方法及びその装置を提供する。【解決手段】井戸１７内の空気に振動を与えて井戸１７の上端１１ａと井戸１７内の地下水の水面２０との間に定在波を発生させる第１工程と、発生した定在波を井戸１７の上部側に取付けた音響センサ１３により検出する第２工程と、音響センサ１３で検出された受波信号の周波数分析により地下水の水面２０と井戸１７の上端１１ａとの距離Ｌを求める第３工程と、井戸１７が掘削された場所の地表１６と井戸１７の上端１１ａとの間の位置関係及び距離Ｌに基づいて、地表１６から井戸１７内の地下水の水面２０までの深さを求める第４工程とを有する。【選択図】　　　　図１
2004061473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定方法であって、
前記井戸内の空気に振動を与えて該井戸の予め設定された位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、
発生した前記定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、
前記音響センサで検出された受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める第３工程と、
前記井戸が掘削された場所の地表と該井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有することを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記井戸の上端であることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記井戸の上端から下方に下げた位置又は前記井戸に同一の径の管を継ぎ足して前記井戸の上端から更に延長した位置であることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項４】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定方法であって、
前記井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、該共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の予め設定された位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、
発生した前記定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、
前記音響センサで検出された受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有することを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項５】
請求項４記載の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記共鳴管の上端であることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項６】
請求項４記載の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記共鳴管の上端から下方に下げた位置又は前記共鳴管に同一径の管を継ぎ足して前記共鳴管の上端から更に延長した位置であることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項７】
井戸内の空気に振動を与えて該井戸の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、該第１の定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、
前記井戸内の空気に振動を与えて該井戸の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、該第２の定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、
検出された前記第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める第３工程と、
前記井戸が掘削された場所の地表と該井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有することを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項８】
井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、該共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、該第１の定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、
前記共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、該第２の定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、
検出された前記第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有することを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の地下水位測定方法において、前記第３工程で、理論的に予測される定在波の周波数を、前記受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより前記距離を求めることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の地下水位測定方法において、前記第３工程で、所定の個数の定在波を状態変数として選び、前記所定の個数の定在波の和を、前記受波信号に最大尤度で一致させることにより前記距離を求めることを特徴とする地下水位測定方法。
【請求項１１】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により前記井戸の上端と該井戸内の地下水の水面との間に、該上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、
遠隔操作により前記定在波を音響センサで検出し該定在波の受波信号を送信させる送信手段と、
前記送信手段から送信された前記定在波の受波信号を受信し、該受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有することを特徴とする地下水位測定装置。
【請求項１２】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により前記井戸の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、前記井戸の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、
遠隔操作により前記第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し該第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、
前記送信手段から送信された前記第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、該各受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有することを特徴とする地下水位測定装置。
【請求項１３】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により、前記井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、
遠隔操作により前記定在波を音響センサで検出し該定在波の受波信号を送信させる送信手段と、
前記送信手段から送信された前記定在波の受波信号を受信し、該受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有することを特徴とする地下水位測定装置。
【請求項１４】
井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により、前記井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、前記共鳴管の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により前記第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し該第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、
前記送信手段から送信された前記第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、該各受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、
前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有することを特徴とする地下水位測定装置。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の地下水位測定装置において、前記距離測定手段は、理論的に予測される定在波の周波数を、前記受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより前記距離を求めることを特徴とする地下水位測定装置。
【請求項１６】
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の地下水位測定装置において、前記距離測定手段は、所定の個数の定在波を状態変数として選び、前記所定の個数の定在波の和を、前記受波信号に最大尤度で一致させることにより前記距離を求めることを特徴とする地下水位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、井戸内に湧き出した地下水の水位測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下水調査において、地下水位測定は最も基本的かつ重要な測定事項となっている。従来、調査現場での地下水位の測定方法としては、手動の触針式水位計を用いて行なうことが一般的であった。触針式水位計は、目盛り付きの２導線式の電気コードの先端側に重りをつけ、先端側の２導線を露出開放させて、上端側の２導線間にテスターを接続した構造を有している。この電気コードを先端側より井戸内に降下させて先端側で露出開放した２導線を地下水の水面に接触させると、２導線間が地下水を介して短絡状態となってテスターに電流が流れる。従って、上端側に設けたテスターで２導線間に電流が流れたことを検知することにより、露出開放された２導線の両先端が地下水の水面に到達したことを確認でき、そのときの電気コードの井戸中への挿入長さから地下水位を、例えば、±１ｃｍ程度の精度で測定できる。
このように、触針式水位計は初心者でも容易に扱えて地下水位の測定を行なうことができ、しかも、電気コードに巻尺が取付けられている構造の触針式水位計では、電流が流れた時点で直ちに地下水位が求められるという利便性がある。しかし、手動による計測であるため、長期にわたる連続記録ができないという問題がある。また、繰り返し使用により電気コードの絶縁が部分的に破損し誤動作を起こしたり、井戸の断面積が小さい場合では井戸の側壁に付着している水滴で先端側の露出開放した２導線が短絡して誤動作を起こすといった問題が生じている。更に、測定後、電気コードを巻き上げる際に先端側が井戸の側壁に引っかかり先端側が切断される場合もある。
【０００３】
また、最近は、地下水位の長期連続測定等の必要から、自動測定を行なう場合が多くなっている。地下水位の自動測定に関しては種々の方法を用いた測定機が販売されているが、フロートの上下をメカニカルにチャート紙に記録するフロート式水位計、圧力センサを用いた水圧式水位計が一般的となっている。
フロート式水位計は、地下水の水面に浮かべたフロートが水面の変動と共に昇降する様子を記録するもので、プーリーに懸けたワイヤーの両端にそれぞれフロートと錘をつないで平衡を保たせ、フロートの昇降に連動させてプーリーを回転させて、その動きを時計機構（電池又はぜんまい式）により移動するペンを用いてドラムに巻き付けた記録紙上に記録する構造となっている。このときの測定精度は±２ｃｍ以内が一般的であるが、プーリーの回転角度を大きくすることにより±３ｍｍ程度とすることができる。また、機械式の測定機であるため、商用電源を必要とせず、長期間の地下水位の連続記録が可能になる。更に、アナログ式の測定であるため、測定された記録を直接視認できる利点がある。
水圧式水位計は、圧力センサを井戸内の地下水の水面下に設置し、センサ内に取付けたダイヤフラムが地下水圧で変形する変形量を歪み検出器で測定し、変形量を圧力に換算することで水位を測定するものである。ここで、歪み検出器としては、例えば抵抗線歪みゲージ、半導体歪みゲージを使用することができる。測定精度は、歪み検出器のフルスケールの０．３〜０．５％であり、±３ｃｍ程度となる。測定値は電気信号として得られるため、容易にデジタル化することができ、長期間の連続測定記録のデータ整理が容易になるという利点がある。また、井戸の穴径が３０ｍｍ程度でも測定が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フロート式水位計では、井戸の穴径が小さい場合や地下水面までの距離が長い場合には、フロートや錘が井戸の側壁に接触して地下水位の変動に十分に追従しないことがあり、観測値の信頼性に問題が生じる。また、適用に際しては井戸の穴径が最小でも４０ｍｍは必要であるため、適用できる井戸の大きさに制約が生じるという問題がある。また、水圧式水位計は一般に高価であり、地下水位の測定コストが高くなるという問題がある。また、電気式のため、野外の測定では動物等による電気コードの切断事故等のためデータの欠損に注意する必要があり、更に、電気的なノイズの影響を受け易いという問題がある。
このように、従来から使用されている地下水の水位測定装置は、井戸内に湧き出した地下水の水面と測定装置の検出部を接触させることにより地下水の水位計測を行なう接触型の水位測定装置であり、実際の井戸では測定装置の検出部を地下水の水面まで降下させることが不可能な場合が多い。更に、飲用として使用している井戸に湧き出した地下水の水位測定が対象となる場合では、井戸内に泥等が付着した測定装置を挿入することによる抵抗感が強く、測定許可がでないこともある。従って、地下水の水面に接触させずに井戸の穴径が小さい場合でも、効率よく安価に、かつ高精度に地下水位の測定ができ、更に、自動測定も可能となる地下水の水位測定装置の開発が望まれていた。なお、河川等では、発信させた超音波が水面で反射して戻ってくるまでの往復伝播時間を求めて、水面との距離を測定する非接触方式の測定方法が提案されているが、超音波は空気中での伝播に際し減衰が極めて大きいため、井戸内の水位測定としては適用されていない。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、井戸の穴径及び井戸内の温度分布に依存せず地下水の水面に非接触の状態で地下水位の測定を高速、高精度に行なうことが可能な地下水位測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る地下水位測定方法は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定方法であって、前記井戸内の空気に振動を与えて該井戸の予め設定された位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、発生した前記定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、前記音響センサで検出された受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める第３工程と、前記井戸が掘削された場所の地表と該井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有する。ここで、第１の発明の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記井戸の上端、あるいは、前記井戸の上端から下方に下げた位置又は前記井戸に同一の径の管を継ぎ足して前記井戸の上端から更に延長した位置とすることができる。
【０００６】
内周側に管状の補強部材が設けられた井戸の上端側の側面を打撃したり、スピーカにより井戸内に音を導入すると、井戸内に存在する空気が振動する。その結果、井戸の予め設定された位置と井戸内の地下水の水面との間に多くの定在波を発生させることができる。そして、このとき発生する定在波は、井戸内に存在する空気中の音波の伝播速度と水面の位置（井戸の予め設定された位置から水面までの距離）により一義的に決まる基本周波数のモード（基本モードという）の定在波と、該基本周波数の（該予め設定された位置が定在波の節部か腹部のいずれかに応じて倍数が定まる）整数倍の周波数を有する多数の高次モードの定在波である。なお、井戸の予め設定された位置としては、井戸の上端、上端から下方に下げた位置、井戸に同一の径の管を継ぎ足した井戸の上端からの延長位置とすることができる。
例えば、予め設定された位置が腹部になる定在波を発生させてその周波数を求めると、定在波の開口端補正値を考慮することにより、この周波数を用いて井戸の上端から水面までの距離（垂直距離）を決定することができる。なお、この補正値は井戸の内径を用いて予め計算することができる。従って、井戸が掘削された場所の地表から井戸の予め設定された位置までの長さを予め求めておくと、井戸の予め設定された位置より水面までの距離から、地表より井戸の予め設定された位置までの長さを差し引くことにより、地表から井戸内の地下水の水面までの深さ（地下水位）を求めることができる。なお、管状の補強部材としては、塩ビパイプ、鋼管、コンクリート管を使用することができる。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る地下水位測定方法は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定方法であって、前記井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、該共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の予め設定された位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、発生した前記定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、前記音響センサで検出された受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有する。
ここで、第２の発明の地下水位測定方法において、前記予め設定された位置は、前記共鳴管の上端、あるいは、前記共鳴管の上端から下方に下げた位置又は前記共鳴管に同一の径の管を継ぎ足して前記共鳴管の上端から更に延長した位置とすることができる。
【０００８】
井戸内に存在する空気を振動させて井戸内に定在波を発生させる場合、井戸の内径が大きくなると（例えば、井戸の上端から井戸内の水面までの距離の７％以上の内径）、数少ない低次モードの定在波しか生じない。よって、モードの選択に対し自由度が無くなり、提案方式では必ずしも良好な計測精度が得られない。このため、井戸の内径が大きい場合は、この井戸内に共鳴管（例えば、内径が井戸の上端から井戸内の水面までの距離の２．５％以下の長さ）を実質的に垂直に挿入し、挿入した共鳴管内の空気に振動を与えて定在波を発生させ、この定在波を音響センサで検出する。このとき発生する定在波は、共鳴管内に存在する空気中の音波の伝播速度と水面の位置（共鳴管の予め設定された位置から水面までの距離）により一義的に決まる基本周波数のモード（基本モード）の定在波と、該基本周波数の（該予め設定された位置が定在波の節部か腹部のいずれかに応じて倍数が定まる）整数倍の周波数を有する多数の高次モードの定在波とである。なお、共鳴管の予め設定された位置としては、共鳴管の上端、共鳴管の上端から下方に下げた位置、共鳴管に同一の径の管を継ぎ足した共鳴管の上端からの延長位置とすることができる。
例えば、予め設定された位置が腹部になる定在波を発生させてその周波数を求めると、定在波の開口端補正値を考慮することにより、この周波数を用いて共鳴管の予め設定された位置から水面までの距離を決定することができる。ここで、共鳴管を井戸内に実質的に垂直に挿入した場合、共鳴管内の地下水位と井戸内の地下水位とは、実質的に一致する。従って、井戸が掘削された場所の地表から共鳴管の予め設定された位置までの長さを予め求めておくと、共鳴管の予め設定された位置より水面までの距離から、地表より共鳴管の予め設定された位置までの長さを差し引くことにより、地表から井戸内の地下水の水面までの深さ（地下水位）を求めることができる。ここで、共鳴管としては、塩ビパイプ、鋼管、コンクリート管を使用することができる。
【０００９】
井戸（共鳴管）の予め設定された位置が定在波の腹部となる条件下で井戸（共鳴管）内の空気を振動させると、井戸（共鳴管）の予め設定された位置、例えば上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間には図９に示すような定在波が生じる。このとき、第ｊモード定在波の角周波数ωｊ　と周波数ｆｊ　との間には、ωｊ　＝２πｆｊ　の関係が成り立つので、井戸（共鳴管）内の空気中での音波の伝播速度をＶ、井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離をＬとすると、第ｊモード定在波の周波数ｆｊ　、井戸（共鳴管）内の空気中での音波の伝播速度Ｖ、及び井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離Ｌとの間には、（１）式の関係が成立する。ここで、δは開口端補正値であり、井戸（共鳴管）の内径が判れば事前に計算により得られるものである。
なお、井戸（共鳴管）内の空気中での音波の伝播速度Ｖを求めるために、井戸（共鳴管）内に温度センサ（例えば、熱電対、抵抗測温体）を挿入して井戸（共鳴管）内の温度を予め求めておく必要がある。また、上記計測に際しては、計測精度を向上させるために、上記の方法で井戸（共鳴管）の予め設定された位置と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離を何回か計測し、これらの計測値を平均（例えば、３〜５個の計測値の平均）することが好ましい。
【００１０】
【数１】
2004061473.tif 000003
【００１１】
前記目的に沿う第３の発明に係る地下水位測定方法は、井戸内の空気に振動を与えて該井戸の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、該第１の定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、前記井戸内の空気に振動を与えて該井戸の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、該第２の定在波を前記井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、検出された前記第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める第３工程と、前記井戸が掘削された場所の地表と該井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有する。
また、前記目的に沿う第４の発明に係る地下水位測定方法は、井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、該共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、該第１の定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、前記共鳴管内の空気に振動を与えて該共鳴管の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、該第２の定在波を前記共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、検出された前記第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有する。
【００１２】
例えば、井戸（共鳴管）の上端にそのまま蓋をした場合と、井戸（共鳴管）の上端からβの距離だけ下方のところに蓋をした場合を実現し、各々の場合に対してそれぞれ発生する定在波を音響センサで検出し、それぞれの基本モードの周波数Ｖ／［２Ｌ］及びＶ／［２（Ｌ−β）］の値を求める。そして、これらを解くことにより、井戸（共鳴管）内に温度分布が存在する場合でも、温度センサで温度分布を測定せずに、井戸（共鳴管）内の水面と井戸（共鳴管）の上端までの距離Ｌと井戸（共鳴管）内の平均音速Ｖの値が決まる。
また、井戸（共鳴管）にほぼ同一の径の管を継ぎ足し、井戸（共鳴管）の上端からβ１　、β２　（β１　≠β２　）の距離の所で蓋をするようにすれば、上と同様にして、各々の状態で音響データに対してＶ／［２（Ｌ＋β１　）］、Ｖ／［２（Ｌ＋β２　）］なる基本モード周波数が求まり、これにより、井戸（共鳴管）内の温度分布を温度センサで測定しなくても、ＶとＬが同時計測できることになる（β１　、β２　は既知のため）。このとき、継ぎ足す管は井戸（共鳴管）の構造によっては、直管ではなく湾曲管でもよい。
【００１３】
第１〜第４の発明の地下水位測定方法において、前記第３工程で、理論的に予測される定在波の周波数を、前記受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより前記距離を求めることができる。
定在波の周波数は、受波信号の周波数分析により得られる周波数スペクトルにおけるピークを与える周波数に相当する。例えば、井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間に上端が腹部になる定在波を発生させ、この定在波を井戸（共鳴管）の上端側に取付けた音響センサにより検出し、このとき得られた受波信号の周波数分析を行なうと、（１）式で定義される各定在波の周波数ｆｊ　を直接求めることができる。なお、周波数ｆｊ　を求める場合、データ点数が少ない場合でも周波数分解能の劣化が生じにくい最大エントロピー法を採用することが望ましい。いま、最大エントロピー法による周波数スペクトルのピークを与える周波数をＭｊ　（ｊ＝１、２、・・・、Ｎ）とすれば、井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離は、（２）式を最小とするＬの値となる。
【００１４】
【数２】
2004061473.tif 000004
【００１５】
また、第１〜第４の発明に係る地下水位測定方法において、前記第３工程で、所定の個数の定在波を状態変数として選び、前記所定の個数の定在波の和を、前記受波信号に最大尤度で一致させることにより前記距離を求めることができる。
例えば、井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間に上端が腹部になる定在波を発生させた場合、定在波のうち、高周波成分、すなわち、高次モードの定在波程減衰が激しいので、短い時間区間を考えると音響センサで検出される井戸（共鳴管）内の空気の振動（つまり、音圧変動）ｚ（ｔ）は、一般に基本モード（第１モード）から第３モードまでの定在波の１次結合である（３）式で近似できる。
【００１６】
【数３】
2004061473.tif 000005
【００１７】
ここで、ωｊ　は井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離Ｌに対応する定在波の第ｊモードの角周波数であり、ωｊ　＝（２ｊ−１）２πＶ／［４（Ｌ＋δ）］（ｊ＝１、２、３）により与えられる。なお、ｔは時間、ａｊ　、ｂｊ　は第ｊモード定在波における各成分の寄与の大きさを表している。また、（４）式で表される各モードの定在波による井戸（共鳴管）内の空気の振動（音圧変動）を表すｘｊ　（ｔ）は（５）式の微分方程式を満足する。
【００１８】
【数４】
2004061473.tif 000006
【００１９】
【数５】
2004061473.tif 000007
【００２０】
ここで、ｘ（ｔ）＝（ｘ１　（ｔ），ｄｘ１　（ｔ）／ｄｔ，ｘ２　（ｔ），ｄｘ２　（ｔ）／ｄｔ，ｘ３　（ｔ），ｄｘ３　（ｔ）／ｄｔ）Ｔ　なる状態ベクトルを導入すると、定在波の第３モードまでの振動にかかわる状態方程式は（６）式のようになる。
【００２１】
【数６】
2004061473.tif 000008
【００２２】
ここで、ｗ（ｔ）＝（０，ｗ１　（ｔ），０，ｗ２　（ｔ），０，ｗ３　（ｔ））Ｔ　は遷移雑音であり、ｗｊ　（ｔ）（ｊ＝１、２、３）はそれぞれ平均値０、分散σ２　の互いに独立な白色ガウス雑音とする。このような遷移雑音を考慮することにより、短い時間区間内での振動のわずかな減衰を補償することができる。一方、音響センサに発生する雑音及び第４モード以上の全ての高次モードの定在波をまとめて雑音と見なすと、音響センサにより与えられる観測方程式は（７）式のようになる。
【００２３】
【数７】
2004061473.tif 000009
【００２４】
ここで、Ｈ＝（１，０，１，０，１，０）であり、ｙｋ　、ｖｋ　はそれぞれサンプリング時刻ｋΔＴ（ｋ＝０，１，・・・、ΔＴはサンプリング周期）における観測値及び観測雑音を示す。このとき、観測のサンプリング時刻にあわせて（６）式を離散化すれば、（８）式のようになる。
【００２５】
【数８】
2004061473.tif 000010
【００２６】
ここで、ｘｋ　、ｗｋ　は、それぞれサンプリング時刻ｋΔＴにおける状態ベクトル及び遷移雑音ベクトルを表し、それぞれ（９）式のようになる。なお、Ｆは（１０）式で定義される遷移行列である。ただし、Ｉ６　は６×６単位行列である。
【００２７】
【数９】
2004061473.tif 000011
【００２８】
【数１０】
2004061473.tif 000012
【００２９】
このとき、ｗｋ　は平均値０の白色ガウス雑音であり、ｗｋ　の共分散行列Ｗは（１１）式で与えられる。ここで、Σは遷移雑音ｗ（ｔ）の共分散行列Σ＝Ｅ［ｗ（ｔ）ｗ（ｔ）Ｔ　］を表し、Σ＝ｄｉａｇ｛０，σ２　，０，σ２　，０，σ２　｝となる。なお、ｄｉａｇ｛０，σ２　，０，σ２　，０，σ２　｝は引数を要素とする対角行列を表す。
【００３０】
【数１１】
2004061473.tif 000013
【００３１】
第４モード以上の定在波と音響センサに発生する雑音を加えたものを観測雑音としているが、多数のモードの定在波を１次結合したものは統計的に白色ガウス雑音に近い性質を持つ。このため、定在波の第３モードまでの音圧変動に関わる状態ベクトルｘｋ　の推定は、（１２）式に示すカルマンフィルタにより行なうことができる。なお、Ｒは観測雑音ｖｋ　の分散を示す。しかし、井戸の上端と井戸内の地下水の水面との間の距離Ｌ及び観測雑音ｖｋ　の分散Ｒは未知であるため、カルマンフィルタを直接適用することはできない。このため、これら２つのパラメータをθ＝（Ｌ，Ｒ）Ｔ　としてまとめ、θに種々の候補を与えることによりカルマンフィルタを適用する。
【００３２】
【数１２】
2004061473.tif 000014
【００３３】
ここで、θの最適値の推定に際しては、定在波の第３モードまでの音圧変動に関わる状態ベクトルｘｋ　を用いた観測予測値が真の観測値（受波信号）に一致するようにθの値を決定すると、そのときのθ＝（Ｌ，Ｒ）Ｔ　の値が最適なパラメータとなる。従って、井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水の水面との間の距離Ｌは、（１３）式に示す尤度関数の最大値を求めることに帰着する。ここで、ｐ（ｙｋ　／θ，Ｙｋ−１　）は観測情報Ｙｋ−１　＝｛ｙｊ　；０≦ｊ≦ｋ−１｝及びθの下での観測値ｙｋ　の条件付き確率密度関数である。ここでは、第１〜第３モードまでの３つの低次モードを用いたが、もちろん４つ以上のモードを用いることもできる。また、任意に選択した異なる３つ以上のモードを用いることもできる。その際、ダイバージェンス最大の観点から、振幅が大きく、かつモード周波数ができるだけ異なって、かつ周波数が大きいモードを選択して用いると、計測の精度が向上する。このときの最適モードを求めるには、例えばセンサ出力にＦＦＴ（高速フーリエ変換）等を用いて求まる周波数スペクトルを利用すればよい。特に、計測精度を向上させるには、何回か井戸（共鳴管）の上端と井戸（共鳴管）内の地下水面との間の距離の計測を行ない、こうして得られた計測値の平均値（例えば、３〜５個の計測値の平均値）を使用することが好ましい。
【００３４】
【数１３】
2004061473.tif 000015
【００３５】
なお、所定の個数の定在波の和を受波信号に最大尤度で一致させることにより地下水の水位を求める最尤法では、最大エントロピー法と比較してより緻密な理論的取り扱いが可能になるため、井戸（共鳴管）内の地下水の水位測定において測定値の変動が少ない高精度な計測を行なうことができる。そのため、信頼性の高い高精度な地下水位の計測を行なう場合は、最尤法を用いることが好ましい。
【００３６】
前記目的に沿う第５の発明に係る地下水位測定装置は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により前記井戸の上端と該井戸内の地下水の水面との間に、該上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により前記定在波を音響センサで検出し該定在波の受波信号を送信させる送信手段と、前記送信手段から送信された前記定在波の受波信号を受信し、該受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有する。
遠隔操作で井戸内に定在波を発生させることができる定在波発生手段と、遠隔操作で音響センサで検出した定在波の受波信号を送信させることができる送信手段と、受波信号を受信し受波信号の周波数分析から地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係に基づいて地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段を設けることにより、検査員が直接井戸に行って測定を行なわなくても井戸の地下水位を測定することができる。
【００３７】
前記目的に沿う第６の発明に係る地下水位測定装置は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により前記井戸の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、前記井戸の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該井戸内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により前記第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し該第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、前記送信手段から送信された前記第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、該各受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有する。
遠隔操作で井戸内に第１及び第２の定在波を発生させることができる定在波発生手段と、遠隔操作で音響センサで検出した第１及び第２の定在波の受波信号を送信させることができる送信手段と、各受波信号を受信し各受波信号の周波数分析から地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係に基づいて地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段を設けることにより、検査員が直接井戸に行って測定を行なわなくても井戸の地下水位を測定することができる。
【００３８】
前記目的に沿う第７の発明に係る地下水位測定装置は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により、前記井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により前記定在波を音響センサで検出し該定在波の受波信号を送信させる送信手段と、前記送信手段から送信された前記定在波の受波信号を受信し、該受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有する。
遠隔操作で共鳴管内に定在波を発生させることができる定在波発生手段と、遠隔操作で音響センサで検出した定在波の受波信号を送信させることができる送信手段と、受波信号を受信し受波信号の周波数分析から地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係に基づいて地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段を設けることにより、検査員が直接井戸に行って測定を行なわなくても井戸の地下水位を測定することができる。
【００３９】
前記目的に沿う第８の発明に係る地下水位測定装置は、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により、前記井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端からなる又は該上端から一定の高低差を有する第１の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、前記共鳴管の前記第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と該共鳴管内の地下水の水面との間に、該第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により前記第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し該第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、前記送信手段から送信された前記第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、該各受波信号の周波数分析を行なって前記地下水の水面と前記共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、前記井戸が掘削された場所の地表と前記共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、前記地表から前記井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有する。遠隔操作で共鳴管内に第１及び第２の定在波を発生させることができる定在波発生手段と、遠隔操作で音響センサで検出した第１及び第２の定在波の受波信号を送信させることができる送信手段と、各受波信号を受信し各受波信号の周波数分析から地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係に基づいて地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段を設けることにより、検査員が直接井戸に行って測定を行なわなくても井戸の地下水位を測定することができる。
【００４０】
第５〜第８の発明に係る地下水位測定装置において、前記距離測定手段は、理論的に予測される定在波の周波数を、前記受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより前記距離を求めることができる。定在波の周波数は、受波信号の周波数分析により得られる周波数スペクトルにおけるピークを与える周波数に相当するので、受波信号の周波数分析を行なうと、各定在波の周波数ｆｊ　を直接求めることができる。
また、第５〜第８の発明に係る地下水位測定装置において、前記距離測定手段は、所定の個数の定在波を状態変数として選び、前記所定の個数の定在波の和を、前記受波信号に最大尤度で一致させることにより前記距離を求めることができる。定在波において、所定の個数の定在波の和を受波信号に最大尤度で一致させることにより、井戸（共鳴管）内の地下水の水位測定において測定値の変動が少ない高精度な計測を行なうことができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。ここに、図１は本発明の第１及び第２の実施の形態に係る地下水位測定方法に適用した測定装置のブロック図、図２は同地下水位測定方法に適用した測定装置で検出された受波信号波形の説明図、図３は同地下水位測定方法に適用した測定装置で検出された受波信号波形の最大エントロピー法による周波数分析により得られた周波数スペクトルの説明図、図４は本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法に適用した測定装置のブロック図、図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図、図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第５の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図、図７（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第６の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図、図８は本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置のブロック図である。
【００４２】
図１に示すように、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る地下水位測定方法に適用した測定装置１０は、周囲に管状の補強部材の一例である塩ビパイプ１１が設けられた井戸１７の上部側に打撃力を与える打撃力発生機１２と、井戸１７の上部側が打撃されたことにより井戸１７内に存在する空気の振動を検出し電気信号に変換する音響センサの一例であるマイクロフォン１３と、マイクロフォン１３から出力された電気信号を増幅する増幅器１４と、増幅器１４によって増幅された信号をＡＤ変換して信号処理をするコンピュータ１５とを有している。なお、符号１６は井戸１７が掘削された場所の地表を示す。以下、これらについて詳細に説明する。
【００４３】
打撃力発生機１２は、先端に槌を取付けたエアシリンダ１８と圧縮空気制御部１９を備えたエアハンマを使用している。なお、井戸１７の上部側の側面を手動ハンマで軽く打撃することにより打撃力を与える方法でもよい。更に、スピーカにより井戸１７内に音を導入して井戸１７内の空気を直接振動させてもよい。特に、連続測定を行なう場合は、スピーカにより井戸１７内の空気を振動させる方法が好ましい。
マイクロフォン１３は、例えば、井戸１７の上端１１ａの中央部に配置する。なお、音響センサとしては、マイクロフォン１３以外に圧電素子を使用することができる。増幅器１４はマイクロフォン１３が出力した微小電気信号を処理しやすい所定の大きさの電気信号まで増幅するものである。
【００４４】
コンピュータ１５は、例えばパーソナルコンピュータからなって、入力された信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換された信号を処理する第１の演算手段、第２の演算手段、表示手段とを有している。また、圧縮空気制御部１９からコンピュータ１５には、エアシリンダを駆動させる信号が出力された時刻を知らせる時間信号が入力される。
第１の演算手段は、マイクロフォン１３で検出した受波信号に対して汎用の周波数分析法を用いて地下水の水面２０と井戸１７の上端１１ａとの距離を求め、井戸１７が設けられた場所の地表１６と井戸１７の上端１１ａとの間の位置関係を考慮して地表１６から井戸１７内の地下水の水面２０までの深さを求めるためのものである。
第２の演算手段は、所定の個数の定在波を状態変数とした最尤法により地下水の水面２０と井戸１７の上端１１ａとの距離を求め、井戸１７が設けられた場所の地表１６と井戸１７の上端１１ａとの間の位置関係を考慮して地表１６から井戸１７内の地下水の水面２０までの深さを求めるものである。
表示手段は、入力信号等の検出データや、周波数スペクトル、尤度関数の等高線、更に地表１６から井戸１７内の地下水の水面２０までの深さ等の演算結果を表示するものである。なお、第１及び第２の演算手段は、実際にはどちらか一方を使用すればよい。両手段を併用すれば、信頼度をより一層高めた測定を行なうことができる。
【００４５】
次に、測定装置１０を用いた本発明の第１の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。なお、本発明の第１の実施の形態に係る地下水位測定方法は、井戸の垂直方向の温度が一定となっている井戸の地下水位を現場計測により測定する場合に適用できる。
地下水位の観測場所に、管状の補強部材として内径が１０ｃｍ、長さが５００ｃｍの塩ビパイプ１１を備えた井戸１７を掘削した。このとき、井戸１７が掘削された場所の地表１６から井戸１７の上端１１ａまでの高さＬ０　を３０ｃｍとした。井戸１７の上端１１ａが定在波の腹部となるよう、上端１１ａを開端にして、井戸１７の上部側の側面をエアシリンダ１８により打撃して井戸１７内の空気を振動させ、井戸１７の上端１１ａと水面２０の間に定在波を発生させる（第１工程）。このとき発生した定在波は、上端１１ａの中央部に設けたマイクロフォン１３で検出されて電気信号に変換され増幅器１４に入力される（第２工程）。増幅器１４で信号処理しやすい大きさに増幅された電気信号は、コンピュータ１５に入力される。コンピュータ１５に入力された電気信号、すなわち測定装置１０で検出された受波信号波形（時間と振幅の関係）を表示手段を用いて表示した結果を図２に示す。
【００４６】
図２に示す受波信号に対して、第１の演算手段に内蔵されている周波数分析処理を適用し、最大エントロピー法により周波数スペクトルを求めた。得られた周波数スペクトル（周波数と振幅の関係）を表示手段を用いて表示した結果を図３に示す。これらのピーク周波数を用い、井戸１７内の空気中の音波の伝播速度３４０．０４ｍ／ｓ（１４℃のときの音速）及び井戸１７の上端１１ａの開口端補正値δ＝３．０７ｃｍを用いて（２）式を最小にする距離Ｌを求めると４４８．６ｃｍとなる（第３工程）。従って、地表１６から水面２０までの深さは、上記の４４８．６ｃｍから、地表１６から井戸１７の上端１１ａまでの高さＬ０　＝３０ｃｍを差し引くと求まり、４１８．６ｃｍとなる（第４工程）。よって、実際の地表１６から水面２０までの距離４１８．８ｃｍとの計測誤差はわずか−０．２ｃｍとなり、非常に高精度の測定を行なうことができた。
【００４７】
続いて、第１の実施の形態に係る地下水位測定方法を適用したのと同一の井戸１７に対して、測定装置１０を用いた本発明の第２の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。なお、第２の実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、コンピュータ１５に入力された電気信号、すなわち測定装置１０で検出された受波信号波形に適用する第１及び第２の演算手段の演算内容が異なるだけなので、第２の演算手段の演算内容及びそれに伴う表示手段の表示内容についてのみ説明する。
【００４８】
第２の演算手段では、井戸１７内の空気の振動（音圧変動）を、３つのモードの定在波の１次結合で近似し、それ以外のモードの定在波をすべて観測雑音と見なして処理を行なった。このときの、尤度関数を最大にするＬの値は４４８．５ｃｍとなる。なお、このとき用いた定在波モードとしては、ＦＦＴを使用したときの周波数分析結果からダイバージェンスを最大にする第６、第１０、第１２の３モードを選択して使用した。よって、地表１６から水面２０までの距離は、この値から３０ｃｍを差し引いた４１８．５ｃｍとなる。この値は、実際の地表１６から水面２０までの距離４１８．８ｃｍに極めて近い値である（計測誤差は−０．３ｃｍ）。
【００４９】
前記測定装置１０と実質的に同一の測定装置１０ａを用いた本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。なお、本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法は、井戸の垂直方向の温度が一定となっている井戸の地下水位を現場計測により測定する場合に適用できる。
本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法は、図４に示すように、例えば、管状の補強部材の一例である内径が８０ｃｍ、長さが１０００ｃｍの塩ビパイプ２１が設けられた井戸２２内に、例えば、共鳴管の一例である内径が５ｃｍ、長さが１０００ｃｍの塩ビパイプ２３を実質的に垂直に挿入し、この塩ビパイプ２３の上部側の側面をエアシリンダ１８により打撃して塩ビパイプ２３内の空気を振動させ、塩ビパイプ２３の上端２４と塩ビパイプ２３内の地下水の水面２６の間に定在波を発生させる第１工程と、定在波を塩ビパイプ２３の上部側に取付けた音響センサの一例であるマイクロフォン１３により検出する第２工程を有している。更に、本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法は、得られた受波信号の周波数分析により地下水の水面２６と塩ビパイプ２３の上端２４との距離を求める第３工程と、井戸２２が掘削された場所の地表２５と塩ビパイプ２３の上端２４との間の位置関係及び前記距離に基づいて地表２５から井戸２２内の地下水の水面２６までの深さを求める第４工程を有している。なお、第３の実施の形態の特徴は、塩ビパイプ２３内に発生した定在波を計測の対象とすることであり、各工程での処理は本発明の第１及び第２の実施の形態に係る地下水位測定方法における第１〜第４工程と実質的に同一である。このため、第３の実施の形態の詳細説明は省略する。なお、符号２２ａは、井戸２２の上端を示す。
【００５０】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、測定装置１０を用いた本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法は、垂直方向に温度分布が存在する井戸１７ａの地下水位を現場計測により測定する場合に適用できる。なお、１１ｂは管状の補強部材として使用している塩ビパイプである。
第４の実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、井戸１７ａ内に周波数の異なる定在波を２回発生させてその測定を行なうことが特徴となっている。そのため、井戸１７ａ内に測定装置１０によって周波数の異なる定在波を２回発生させて測定を行なうことについてのみ説明する。すなわち、本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法では、図５（Ａ）に示すように、井戸１７ａの上端１７ｂ（第１の位置）に蓋２７ｂをして上端１７ｂが定在波の節部になるようにエアシリンダ１８により打撃して第１の定在波を発生させ、この第１の定在波を蓋２７ｂに取付けたマイクロフォン１３で検出する。また、図５（Ｂ）に示すように、井戸１７ａの上端１７ｂからβの距離だけ下方の位置（第２の位置）に蓋２７ｂをして第２の位置が定在波の節部になるようにエアシリンダ１８により打撃して第２の定在波を発生させ、この第２の定在波を蓋２７ｂに取付けたマイクロフォン１３で検出する。
【００５１】
そして、第１の演算手段を用いる場合では、第１の定在波（音響データ）に対して、最大エントロピー法等による周波数分析を適用し、基本モードの周波数の値を求める。更に、第２の定在波（音響データ）に対して、同様に基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２Ｌ］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ−β）］で表され、更にβが既知であることを用いると、井戸１７ａ内の地下水の水面２０と井戸１７ａの上端１７ｂまでの距離Ｌ及び井戸１７ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。また、第２の演算手段を用いる場合では、最尤法を適用して、第１の定在波に対して基本モードの周波数の値を求め、第２の定在波に対して基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２Ｌ］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ−β）］で表され、更にβが既知であることを用いると、井戸１７ａ内の水面２０と井戸１７ａの上端１７ｂまでの距離Ｌと井戸１７ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。
なお、第４の実施の形態では、各工程での処理は本発明の第１、第２の実施の形態に係る地下水位測定方法における第１〜第４工程と実質的に同一である。このため、第４の実施の形態に係る地下水位測定方法の詳細説明は省略する。
【００５２】
第４の実施の形態に係る地下水位測定方法を適用したのと同一の井戸１７ａに対して、測定装置１０を用いた本発明の第５の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。ここで、第５の実施の形態は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第４の実施の形態と比較して、井戸１７ａの上端１７ｂに井戸１７ａと同一内径を有する管の一例である継ぎ足し管２８を接続し、継ぎ足し管２８内の異なる第１及び第２の位置で蓋２７ｂをして、それぞれ第１、第２の定在波を発生させ測定を行なうことが特徴となっている。そのため、継ぎ足し管２８内の異なる第１及び第２の位置に蓋２７ｂをしてそれぞれ定在波を発生させて測定を行なうことについてのみ説明する。
すなわち、本発明の第５の実施の形態に係る地下水位測定方法では、図６（Ａ）に示すように、井戸１７ａの上端１７ｂに継ぎ足し管２８を接続し上端１７ｂから上方に距離β１　上がった第１の位置で蓋２７ｂをして第１の位置が節部となる第１の定在波を発生させ、この第１の定在波を蓋２７ｂに取付けたマイクロフォン１３で検出する。また、図６（Ｂ）に示すように、上端１７ｂから上方に距離β２　（β１　≠β２　）上がった第２の位置で蓋２７ｂをして第２の位置が節部となる第２の定在波を発生させ、この第２の定在波を蓋２７ｂに取付けたマイクロフォン１３で検出する。
【００５３】
従って、第１の演算手段を用いる場合では、第１の定在波（音響データ）に対して、最大エントロピー法等による周波数分析を適用し、基本モードの周波数の値を求める。更に、第２の定在波（音響データ）に対して、同様に基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β１　）］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β２　）］で表され、更にβ１　、β２　が既知であることを用いると、井戸１７ａ内の水面２０と井戸１７ａの上端１７ｂまでの距離Ｌ及び井戸１７ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。
また、第２の演算手段を用いる場合では、最尤法を適用して、第１の定在波に対して基本モードの周波数の値を求め、第２の定在波に対して基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β１　）］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β２　）］で表され、更にβ１　、β２　が既知であることを用いると、井戸１７ａ内の水面２０と井戸１７ａの上端１７ｂまでの距離Ｌ及び井戸１７ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。
なお、第５の実施の形態の各工程での処理は本発明の第１、第２の実施の形態に係る地下水位測定方法における第１〜第４工程と実質的に同一である。このため、第５の実施の形態の詳細説明は省略する。
【００５４】
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、測定装置１０ａを用いた本発明の第６の実施の形態に係る地下水位測定方法について説明する。本発明の第６の実施の形態に係る地下水位測定方法は、垂直方向に温度分布が存在する井戸２２ｂの地下水位を現場計測により測定する場合に適用できる。なお、２１ａは管状の補強部材として使用している塩ビパイプである。
第６の実施の形態は、井戸２２ｂ内に共鳴管として挿入した塩ビパイプ２３ａの上端２４ａに塩ビパイプ２３ａと同一内径を有する管の一例である継ぎ足し管２８ａを接続し、継ぎ足し管２８ａ内の異なる第１及び第２の位置で蓋２７ａをして、それぞれ定在波を発生させ測定を行なうことが特徴となっている。そのため、継ぎ足し管２８ａ内の異なる第１及び第２の位置に蓋２７ａをしてそれぞれ定在波を発生させて測定を行なうことについてのみ説明する。
すなわち、本発明の第６の実施の形態に係る地下水位測定方法では、図７（Ａ）に示すように、塩ビパイプ２３ａの上端２４ａに継ぎ足し管２８ａを接続し上端２４ａから上方に距離β１　上がった第１の位置で蓋２７ａをして第１の位置が節部となる第１の定在波を発生させ、この第１の定在波を蓋２７ａに取付けたマイクロフォン１３で検出する。また、図７（Ｂ）に示すように、上端２４ａから上方に距離β２　（β１　≠β２　）上がった第２の位置で蓋２７ａをして第２の位置が節部となる第２の定在波を発生させ、この第２の定在波を蓋２７ａに取付けたマイクロフォン１３で検出する。
【００５５】
従って、第１の演算手段を用いる場合では、第１の定在波（音響データ）に対して、最大エントロピー法等による周波数分析を適用し、基本モードの周波数の値を求める。更に、第２の定在波（音響データ）に対して、同様に基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β１　）］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β２　）］で表され、更にβ１　、β２　が既知であることを用いると、塩ビパイプ２３ａ内の地下水の水面２６ａと塩ビパイプ２３ａの上端２４ａまでの距離Ｌ及び塩ビパイプ２３ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。
また、第２の演算手段を用いる場合では、最尤法を適用して、第１の定在波に対して基本モードの周波数の値を求め、第２の定在波に対して基本モードの周波数の値を求める。そして、第１の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β１　）］で表され、第２の定在波の基本モード周波数がＶ／［２（Ｌ＋β２　）］で表され、更にβ１　、β２　が既知であることを用いると、塩ビパイプ２３ａ内の水面２６ａと塩ビパイプ２３ａの上端２４ａまでの距離Ｌ及び塩ビパイプ２３ａ内の平均音速Ｖの値が決定される。
なお、第６の実施の形態の各工程での処理は本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法における第１〜第４工程と実質的に同一である。このため、第６の実施の形態の詳細説明は省略する。
【００５６】
次に、本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９について説明する。なお、本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９は、垂直方向に温度分布が存在する井戸の地下水位を遠隔計測により測定する場合に使用できる。図８に示すように、本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９は、遠隔操作により井戸内にそれぞれ周波数の異なる第１及び第２の定在波を発生させる定在波発生手段３０と、遠隔操作により第１及び第２の定在波を音響センサ（例えばマイクロフォン）３１で検出しそれらの受波信号を送信させる送信手段３２と、送信手段３２から送信された各受波信号を受信して地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段３３と、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段３４とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。なお、第１の実施の形態に係る地下水位測定方法で使用した測定装置１０と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
定在波発生手段３０は、井戸の上部側に打撃力を与える打撃力発生機１２と、井戸内に吊り下げられた蓋を井戸の内壁に沿って上下に移動させる蓋移動手段３５を備えている。また、定在波発生手段３０は、遠隔地から井戸の地下水位測定の開始指示を出す遠隔操作機器の一例である携帯電話３６、これと対で使用し遠隔操作の指示を受信する遠隔受付機器の一例である携帯電話３７を有している。更に、定在波発生手段３０は、携帯電話３７が受信した地下水位測定の開始指示で打撃力発生機１２、蓋移動手段３５の動作を制御するコンピュータ３８と、コンピュータ３８に携帯電話３７が受信した地下水位測定の開始指示を伝えるモデム３９を有している。また、コンピュータ３８には、予め、井戸の上部側に打撃力を与えるための打撃力発生機１２の運転用プログラム、井戸内に吊り下げられた蓋を井戸の内壁に沿って移動させて設定された位置で停止させる蓋移動手段３５の運転用プログラムが格納されている。
【００５８】
このような構成とすることにより、携帯電話３６で井戸の地下水位測定の開始指示を出すと、携帯電話３７が受信した開始指示命令がモデム３９を介してコンピュータ３８に入力される。そして、コンピュータ３８は井戸の蓋を、例えば井戸の上端の位置（第１の位置）で停止させて打撃力発生機１２で井戸の上部側に打撃力を与えることができる。次に、コンピュータ３８は井戸の蓋を、例えば井戸の上端から下方に所定長さ下げた位置（第２の位置）で停止させて打撃力発生機１２で井戸の上部側に打撃力を与えることができる。その結果、蓋を第１の位置に固定することで、井戸の地下水の水面と蓋との間に第１の定在波を発生させることができ、蓋を第２の位置に固定することで、井戸の地下水の水面と蓋との間に第２の定在波を発生させることができる。なお、第１の位置は、井戸の上端から一定の高低差を有する位置としてもよい。
【００５９】
送信手段３２は、井戸の内壁に沿って移動する蓋に設けられた音響センサ３１と、音響センサ３１で検出した定在波の受波信号を増幅する増幅器１４と、増幅された受波信号を送信する送信機４０を備えている。また、コンピュータ３８には、例えば井戸の第１の位置で蓋を停止させ打撃力発生機１２で井戸の上部側に打撃力を与えて発生させた第１の定在波を音響センサ３１で検出し、次いで、井戸の上端から下方に所定長さ下げた第２の位置で蓋を停止させて打撃力発生機１２で井戸の上部側に打撃力を与えて発生させた第２の定在波を音響センサ３１で検出する測定用プログラムが格納されている。更に、コンピュータ３８には、検出された各定在波の受波信号を増幅器１４で増幅し記録するためのプログラム、記録された各受波信号を送信機４０で送信する送信用プログラムが格納されている。
このような構成とすることにより、蓋を第１、第２の位置に固定して、井戸の地下水の水面と蓋との間に発生させた第１、第２の定在波を検出して、その各受波信号を送信することができる。
【００６０】
距離測定手段３３は、送信手段３２から送信された受波信号を受信して増幅する受信機４１を有している。また、距離測定手段３３は、各定在波に相当する受信信号の周波数分析を行なってそれぞれの定在波の基本モードの周波数を求める周波数分析部４２と、得られた各定在波の基本モードの周波数、及び井戸の上端から蓋までの長さに基づいて地下水の水面と井戸の上端との距離を算出する距離測定算出部４３を有している。また、地下水位算出手段３４では、距離測定算出部４３で得られた地下水の水面と井戸の上端との距離と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求めている。更に、地下水位算出手段３４には、得られた地表から井戸内の地下水の水面までの深さを出力する表示器（例えば、ディスプレー）４４、及び印刷機４５が接続されている。
【００６１】
距離測定手段３３は、定在波の基本モードの周波数を求めるプログラム、基本モードの周波数から地下水の水面と井戸の上端との距離を算出するプログラムをコンピュータに搭載することにより構成することができる。
地下水位算出手段３４は、地下水の水面と井戸の上端との距離及び井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係から地表と井戸内の地下水の水面までの深さを求めるプログラムをコンピュータに搭載することにより構成することができる。ここで、第１、第２の各定在波の基本モードの周波数は、例えば、理論的に予測される第１、第２の各定在波の周波数を、第１、第２の各定在波の受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより求めることができる。あるいは、第１、第２の各定在波において、所定の個数の定在波の和を各受波信号に最大尤度で一致させることにより各定在波の基本モードの周波数を求めることができる。
なお、本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９の使用方法は、第４の実施の形態に係る地下水位測定方法における第１〜第４工程と実質的に同一である。このため、第７の実施の形態の詳細説明は省略する。
【００６２】
本発明の第８の実施の形態に係る地下水位測定装置は、井戸の垂直方向の温度が一定となっている井戸の地下水位を遠隔計測により測定する場合に使用できる地下水位測定装置であり、遠隔操作により井戸の上端と井戸内の地下水の水面との間に、上端が節部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により定在波を音響センサで検出し定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された定在波の受波信号を受信し、受波信号の周波数分析を行なって定在波の基本モードの周波数を求め地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係及び距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有している。そして、上端が節部になる定在波を発生するには、井戸内に吊り下げられた蓋を井戸の上端位置で停止させるように蓋移動手段の運転用プログラムを作成することにより可能となる。また、基本モードの周波数を決定するには、井戸の垂直方向の温度が一定であるため、井戸の上部の温度を１箇所温度センサで測定して音速を算出し定在波の基本モードの周波数を求めるように距離測定手段のプログラムを作成することにより可能となる。従って、第８の実施の形態に係る地下水位測定装置は、第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９の蓋移動手段３５及び距離測定手段３３の動作機能を変更するだけでよいので、地下水位測定装置２９と同一の構成とすることができる。このため、第８の実施の形態に係る地下水位測定装置及びその使用方法の詳細な説明は省略する。
【００６３】
本発明の第９の実施の形態に係る地下水位測定装置は、井戸の垂直方向の温度が一定となっている井戸に共鳴管を実質的に垂直に挿入して地下水位を遠隔計測により測定する場合に使用できる地下水位測定装置であり、井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端と共鳴管内の地下水の水面との間に、上端が節部になる定在波を遠隔操作により発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により定在波を音響センサで検出し定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された定在波の受波信号を受信し、受波信号の周波数分析を行なって定在波の基本モードの周波数を求め地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有している。そして、共鳴管の上端が節部になる定在波を発生するには、共鳴管内に吊り下げられた蓋を共鳴管の上端位置で停止させるように蓋移動手段の運転用プログラムを作成することにより可能となる。また、基本モードの周波数を決定するには、井戸の垂直方向の温度が一定であるため、共鳴管の上部の温度を１箇所温度センサで測定して音速を算出し定在波の基本モードの周波数を求めるように距離測定手段のプログラムを作成することにより可能となる。従って、第９の実施の形態に係る地下水位測定装置は、第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９の蓋移動手段３５及び距離測定手段３３の動作機能を変更するだけでよいので、地下水位測定装置２９と同一の構成とすることができる。このため、第９の実施の形態に係る地下水位測定装置及びその使用方法の詳細な説明は省略する。
【００６４】
本発明の第１０の実施の形態に係る地下水位測定装置は、井戸の垂直方向に温度分布が存在する井戸に共鳴管を実質的に垂直に挿入して地下水位を遠隔計測により測定する場合に使用できる地下水位測定装置であり、井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端から一定の高低差を有する第１の位置（共鳴管の上端を第１の位置としてもよい）と共鳴管内の地下水の水面との間に、第１の位置が節部になる第１の定在波と、共鳴管の第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、第２の位置が節部になる第２の定在波をそれぞれ遠隔操作により発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、各受波信号の周波数分析を行なって各定在波の基本モードの周波数を求め地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有している。そして、第１及び第２の定在波を発生させるには、共鳴管内に吊り下げられた蓋を共鳴管内の異なる２つの位置で停止させるように蓋移動手段の運転用プログラムを作成することにより可能となる。また、各定在波の基本モードの周波数を決定するには、第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９の距離測定手段３３用のプログラムを使用することができる。従って、第１０の実施の形態に係る地下水位測定装置は、第７の実施の形態に係る地下水位測定装置２９と同一の構成とすることができる。このため、第１０の実施の形態に係る地下水位測定装置及びその使用方法の詳細な説明は省略する。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の地下水位測定方法及び装置を構成する場合にも本発明の権利範囲に含まれる。例えば、第１〜第６の実施の形態では、音響センサを井戸（共鳴管）の上端の中央部に設けたが、計測精度を一層高めるため、（例えばダイバージェンス等の）識別分解能を最大にする最適位置に設けることもできる。
また、音響センサで得られた受波信号の周波数分析に最大エントロピー法を採用したが、高速フーリエ変換法を使用してもよい。
本発明の地下水位測定方法は、井戸内の水位だけでなく、井戸内に物が詰まったときに、地下水の水面を物の表面に置き換えて考えることにより、この物の詰まり位置の測定（閉塞部の検出）にも適用することができる。更に、本発明の地下水位測定方法は、井戸が涸れた場合、地下水の水面を井戸の底に置き換えることにより、この井戸の深さ測定にも適用することができる。
【００６６】
第１〜第３の実施の形態の地下水位測定方法及び第８、第９の実施の形態の地下水位測定装置に対しては、井戸（共鳴管）内の温度が、井戸（共鳴管）の軸方向（つまり垂直方向）にほぼ一定であるとしたときの地下水位測定方法及び装置であるが、第４〜第６の実施の形態の地下水位測定方法及び第７、第１０の実施の形態の地下水位測定装置に対しては、井戸（共鳴管）の軸方向に温度分布があっても、井戸（共鳴管）の中の平均音速を算出することにより、地下水位が正確に計測される。
このように、本発明の第４〜第６の実施の形態に係る地下水位測定方法及び第７、第１０の実施の形態の地下水位測定装置においては、定在波を発生させる際に、井戸（共鳴管）の上部側の長さを変えて第１及び第２の定在波を発生させ、それらの基本モード周波数の値をそれぞれ求めることにより、井戸（共鳴管）内の水面から井戸（共鳴管）の上端までの距離と井戸（共鳴管）内の平均音速の値を決定することができる。このため、井戸（共鳴管）内に温度分布が存在する場合、温度センサを挿入して井戸（共鳴管）内の温度分布を予め求めておくという労力から開放され、かつ温度センサを用いずに井戸内の水位を容易に測定することができるという利点がある。
【００６７】
また、第４の実施の形態では、井戸に蓋を設けていずれも閉端として定在波を発生させたが、一方の定在波は井戸の上端からβの距離だけ下方のところで蓋をして発生させ、他方の定在波は井戸の上端を開端（つまり、上端を定在波の腹部）にして発生させてもよい。第５の実施の形態では、継ぎ足し管内の異なる第１、第２の位置でそれぞれ蓋をして、第１、第２の定在波を発生させたが、一方の定在波は継ぎ足し管内で蓋をして発生させ、他方の定在波は蓋をせずに継ぎ足し管の上端で腹部となる定在波を発生させてもよい。第６の実施の形態では、継ぎ足し管内の異なる第１、第２の位置でそれぞれ蓋をして、第１、第２の定在波を発生させたが、一方の定在波は共鳴管内で蓋をして発生させ、他方の定在波は蓋をせずに共鳴管の上端で腹部となる定在波を発生させてもよい。
第７〜第１０の実施の形態では井戸（共鳴管）の上部側で節部になる定在波を発生させたが、第８、第９の実施の形態では井戸（共鳴管）の上部側で腹部になる定在波を発生させてもよい。また、第７、第１０の実施の形態では井戸（共鳴管）の上部側で一方の定在波は節部となり、他方の定在波は腹部になるようにしてもよい。
【００６８】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２、３、９、１０記載の地下水位測定方法においては、井戸内の空気に振動を与えて井戸の予め設定された位置と井戸内の地下水の水面との間に、予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、発生した定在波を井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、音響センサで検出された受波信号の周波数分析により地下水の水面と井戸の上端との距離を求める第３工程と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有するので、地下水の水面に非接触の状態で効率よく安価に、かつ高精度に地下水位の測定を行なうことが可能となる。更に、電源を確保することにより、自動測定も可能となる。
【００６９】
特に、請求項２記載の地下水位測定方法においては、予め設定された位置は、井戸の上端であるので、既存の井戸をそのまま使用して地下水位の測定を行なうことが可能となる。
請求項３記載の地下水位測定方法においては、予め設定された位置は、井戸の上端から下方に下げた位置又は井戸に同一の径の管を継ぎ足して井戸の上端から更に延長した位置であるので、井戸の構造から上端で定在波の検出が困難な場合でも地下水位の測定を行なうことが可能となる。
【００７０】
請求項４及びこれに従属する請求項５、６、９、１０記載の地下水位測定方法においては、井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、共鳴管内の空気に振動を与えて共鳴管の予め設定された位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、予め設定された位置が節部又は腹部になる定在波を発生させる第１工程と、発生した定在波を共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、音響センサで検出された受波信号の周波数分析により地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有するので、地下水を調査する井戸の穴径に依存せず地下水の水面に非接触の状態で効率よく安価に、かつ高精度に地下水位の測定を行なうことが可能となる。更に、電源を確保することにより、自動測定も可能となる。
【００７１】
特に、請求項５記載の地下水位測定方法においては、予め設定された位置は、共鳴管の上端であるので、また、請求項６記載の地下水位測定方法においては、予め設定された位置は、共鳴管の上端から下方に下げた位置又は共鳴管に同一径の管を継ぎ足して共鳴管の上端から更に延長した位置であるので、井戸の内径が大きく数少ない低次モードの定在波しか発生させることができない井戸に対しても、定在波のモードの選択の自由度を確保して精度の高い測定を行なうことが可能となる。
【００７２】
請求項７及びこれに従属する請求項９、１０記載の地下水位測定方法においては、井戸内の空気に振動を与えて井戸の上端からなる又は上端から一定の高低差を有する第１の位置と井戸内の地下水の水面との間に、第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、第１の定在波を井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、井戸内の空気に振動を与えて井戸の第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と井戸内の地下水の水面との間に、第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、第２の定在波を井戸の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、音響センサで検出された第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により地下水の水面と井戸の上端との距離を求める第３工程と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有するので、井戸の垂直方向に温度分布が存在していても温度分布を測定せずに井戸内の水面と井戸の上端までの距離及び井戸内の平均音速の値を決定することができる。
【００７３】
請求項８及びこれに従属する請求項９、１０記載の地下水位測定方法においては、井戸内に共鳴管を実質的に垂直に挿入し、共鳴管内の空気に振動を与えて共鳴管の上端からなる又は上端から一定の高低差を有する第１の位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波を発生させ、第１の定在波を共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第１工程と、共鳴管内の空気に振動を与えて共鳴管の第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波を発生させ、第２の定在波を共鳴管の上部側に取付けた音響センサにより検出する第２工程と、音響センサで検出された第１及び第２の定在波のそれぞれの受波信号の周波数分析により地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める第３工程と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める第４工程とを有するので、共鳴管内の垂直方向に温度分布が存在していても温度分布を測定せずに井戸内の水面と共鳴管の上端までの距離及び井戸内の平均音速の値を決定することができる。
【００７４】
特に、請求項９記載の地下水位測定方法においては、第３工程で、理論的に予測される定在波の周波数を、受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより距離を求めるので、また、請求項１０記載の地下水位測定方法においては、第３工程で、所定の個数の定在波を状態変数として選び、所定の個数の定在波の和を、受波信号に最大尤度で一致させることにより距離を求めるので、短時間に、非接触かつ高精度に地下水位測定を行なうことが可能となる。
【００７５】
請求項１１及びこれに従属する請求項１５、１６記載の地下水位測定装置においては、遠隔操作により井戸の上端と井戸内の地下水の水面との間に、上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により定在波を音響センサで検出し定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された定在波の受波信号を受信し、受波信号の周波数分析を行なって地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有するので、遠隔地に存在する複数の井戸内の地下水位を無人で長期間にわたって連続して高精度な測定を行なうことが可能となる。
【００７６】
請求項１２及びこれに従属する請求項１５、１６記載の地下水位測定装置においては、遠隔操作により井戸の上端からなる又は上端から一定の高低差を有する第１の位置と井戸内の地下水の水面との間に、第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、井戸の第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と井戸内の地下水の水面との間に、第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、各受波信号の周波数分析を行なって地下水の水面と井戸の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と井戸の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有するので、井戸内に垂直方向の温度分布が存在する遠隔地の複数の井戸において、温度センサで温度分布を測定せずに井戸内の地下水位を無人で長期間にわたって連続して高精度な測定を行なうことが可能となる。
【００７７】
請求項１３及びこれに従属する請求項１５、１６記載の地下水位測定装置においては、遠隔操作により、井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端と共鳴管内の地下水の水面との間に、上端が節部又は腹部になる定在波を発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により定在波を音響センサで検出し定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された定在波の受波信号を受信し、受波信号の周波数分析を行なって地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有するので、井戸の内径が大きく数少ない低次モードの定在波しか発生させることができない遠隔地の複数の井戸に対して、井戸内の地下水位を無人で長期間にわたって連続して高精度な測定を行なうことが可能となる。
【００７８】
請求項１４及びこれに従属する請求項１５、１６記載の地下水位測定装置においては、井戸内の地下水の水位を測定する地下水位測定装置であって、遠隔操作により、井戸内に実質的に垂直に挿入した共鳴管の上端からなる又は上端から一定の高低差を有する第１の位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、第１の位置が節部又は腹部になる第１の定在波と、共鳴管の第１の位置と所定高さ異なる第２の位置と共鳴管内の地下水の水面との間に、第２の位置が節部又は腹部になる第２の定在波をそれぞれ発生させる定在波発生手段と、遠隔操作により第１及び第２の定在波を音響センサでそれぞれ検出し第１及び第２の定在波の受波信号を送信させる送信手段と、送信手段から送信された第１及び第２の定在波の受波信号を受信し、各受波信号の周波数分析を行なって地下水の水面と共鳴管の上端との距離を求める距離測定手段と、井戸が掘削された場所の地表と共鳴管の上端との間の位置関係及び前記距離に基づいて、地表から井戸内の地下水の水面までの深さを求める地下水位算出手段とを有するので、井戸の内径が大きく、かつ井戸内に垂直方向の温度分布が存在する遠隔地の複数の井戸に対して、温度分布を測定せずに井戸内の地下水位を無人で長期間にわたって連続して高精度な測定を行なうことが可能となる。
【００７９】
請求項１５記載の地下水位測定装置においては、距離測定手段は、理論的に予測される定在波の周波数を、受波信号に対し汎用の周波数分析法により求めたピーク周波数に一致させることにより距離を求めるので、また、請求項１６記載の地下水位測定装置においては、距離測定手段は、所定の個数の定在波を状態変数として選び、所定の個数の定在波の和を、受波信号に最大尤度で一致させるので、短時間に、非接触かつ高精度に地下水位測定を行なうことが可能となる。
【００８０】
また、請求項７、８記載の地下水位測定方法及び請求項１２、１４記載の地下水位測定装置においては、第１及び第２の定在波を発生させて、井戸（共鳴管）内の平均音速の値を決定することができるので、垂直方向に温度が一定の井戸（共鳴管）に適用した場合、温度センサで井戸（共鳴管）の温度を測定せずに井戸内の水位を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施の形態に係る地下水位測定方法に適用した測定装置のブロック図である。
【図２】同地下水位測定方法に適用した測定装置で検出された受波信号波形の説明図である。
【図３】同地下水位測定方法に適用した測定装置で検出された受波信号波形の最大エントロピー法による周波数分析により得られた周波数スペクトルの説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る地下水位測定方法に適用した測定装置のブロック図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第４の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第５の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第６の実施の形態に係る地下水位測定方法を示す説明図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態に係る地下水位測定装置のブロック図である。
【図９】井戸（共鳴管）の上端に蓋をしないときの、地下水の水面と井戸（共鳴管）の上端との間に発生する定在波の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：測定装置、１１：塩ビパイプ、１１ａ：上端、１１ｂ：塩ビパイプ、１２：打撃力発生機、１３：マイクロフォン、１４：増幅器、１５：コンピュータ、１６：地表、１７、１７ａ：井戸、１７ｂ：上端、１８：エアシリンダ、１９：圧縮空気制御部、２０：水面、２１、２１ａ：塩ビパイプ、２２：井戸、２２ａ：上端、２２ｂ：井戸、２３、２３ａ：塩ビパイプ、２４、２４ａ：上端、２５：地表、２６、２６ａ：水面、２７ａ、２７ｂ：蓋、２８、２８ａ：継ぎ足し管、２９：地下水位測定装置、３０：定在波発生手段、３１：音響センサ、３２：送信手段、３３：距離測定手段、３４：地下水位算出手段、３５：蓋移動手段、３６、３７：携帯電話、３８：コンピュータ、３９：モデム、４０：送信機、４１：受信機、４２：周波数分析部、４３：距離測定算出部、４４：表示器、４５：印刷機
【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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