(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土砂を運搬する河川（１）に設けられた砂防ダム（２）を介して取り込んだ河川水中の流出土砂を観測する流出土砂観測システム（１００）であって、
前記砂防ダム（２）の袖部（２Ｓ）に少なくとも一以上設置され、水と土砂とを含む前記河川水を取水する取水孔（３）と、
前記取水孔（３）に接続された導水管（４）と、
前記導水管（４）の下流側に設けられ、前記導水管（４）から放出された前記河川水の進行方向への衝撃力を減勢する衝撃緩衝装置（２０）と、
前記衝撃緩衝装置（２０）の下流側に設けられ、前記衝撃緩衝装置（２０）により進行方向への衝撃力を減勢された前記河川水から前記水と前記土砂とを分離する回転自在な回転式フルイ（５１）を有する土砂分離装置（５）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記土砂を蓄積し、蓄積した土砂重量を測定する土砂重量測定装置（６）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の濁度を測定する濁度測定装置（７）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の水量を測定する水量測定装置（８）と、
前記土砂重量測定装置（６）、前記濁度測定装置（７）、及び前記水量測定装置（８）の各測定結果をデータ処理して、前記河川水の水量に応じた土砂運搬量を算出して連続的に記録するデータ処理装置（９）と、
を備えたことを特徴とする流出土砂観測システム（１００）。
【請求項２】
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転可能に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の流出土砂観測システム（１００）。
【請求項３】
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられていると共に、前記水車の回転軸（５７）に発電機が連結されており、停電時に前記発電機によって自家発電した電力を前記データ処理装置（９）に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の流出土砂観測システム（１００）。
【請求項４】
装置内部に取り込まれる水と土砂を含む流出土砂を測定する流出土砂測定装置（１０）であって、
前記装置内部の入口部に設けられ、前記入口部から取り込まれる前記流出土砂の進行方向への衝撃力を減勢する衝撃緩衝装置（２０）と、
前記衝撃緩衝装置（２０）の下流側に設けられ、前記衝撃緩衝装置（２０）により進行方向への衝撃力を減勢された前記流出土砂から前記水と前記土砂とを分離する回転自在な回転式フルイ（５１）を有する土砂分離装置（５）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記土砂を蓄積し、蓄積した土砂重量を測定する土砂重量測定装置（６）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の濁度を測定する濁度測定装置（７）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の水量を測定する水量測定装置（８）と、
を備えたことを特徴とする流出土砂測定装置（１０）。
【請求項５】
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転可能に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の流出土砂測定装置（１０）。
【請求項６】
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）により前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられていると共に、前記水車の回転軸（５７）に発電機が連結されており、前記発電機によって自家発電した電力が得られるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の流出土砂測定装置（１０）。
【請求項７】
装置内部に取り込まれる河川水又は流出土砂から水と土砂とを分離する土砂分離装置（５）であって、
前記装置内部に回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転自在に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水又は前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする土砂分離装置（５）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流出土砂観測システム、流出土砂測定装置、及び土砂分離装置に関し、特に、河川から流出する土砂の量・質・流出パターンをモニタリングするための流出土砂観測システム、流出土砂測定装置、及び土砂分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
河川の土砂量の測定に関しては従来から種々の方法が試みられている。それらの方法は、（ａ）土砂採取器、（ｂ）土砂測定装置によるものに大別される。
【０００３】
土砂採取器による方法は、バケツや箱などの採取器を用いて主に人力で土砂を採取するものであり、簡便・確実に観測できる利点があるが、洪水時に水深別の計測や、河床の凹凸がある場所や流れが激しい場所では安定採取が難しく、また、観測実施には多くの労力と危険が伴い、洪水特性にあわせた連続的な観測は困難な場合が多い。
【０００４】
これに対し、土砂測定装置による方法は、河道に固定式の取水孔を設けて河川水と土砂を導水し、何らかの測定装置によって土砂重量の時間的な変化を連続測定しようとする試みである。既存技術は、採取土砂の時間的な重量変化は連続計測できるものの、採取土砂をもたらす導水流量を計測できないため土砂濃度は観測できず、そのため、河川の全断面を通過する土砂量に換算する際に推算が多くなる。また、現状では水深別の計測はできず、さらに、有人観測の要素が多く無人連続観測には至っていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
流域に降った雨水は地表や渓流の土砂を浸食しながら河川に流出し、河川では河道内のある場所では浸食し、ある場所では堆積し、それらの現象を非定常に繰り返しながら河川を流下して海洋に流出する。このような水と土砂の流出や堆積の永続的な繰り返しによって河川や海岸の自然地形が形成され、地形や流水の自然環境にあわせて動植物は生存環境を形成し、それらの要素が相互に影響を及ぼしあって形成された環境の上に人類を含む多様な生物の生存基盤や社会基盤が保持されている。
【０００６】
現在の社会環境や社会基盤を健全に発展させるために治水・利水などの事業が行われるが、事業の進展の半面で、ダム堆砂、河床の低下や堆積による構造物への弊害、海岸浸食、土砂災害や洪水災害などの土砂移動に関する問題が顕在化する傾向にある。流域における雨水と土砂の移動は、環境の形成と人間の活動に深く関わった自然現象であるため、河川や海岸の環境を保全しつつ治水・利水に効果的な河川管理を行うには、流砂系における土砂の管理が必要と認識されている。
【０００７】
しかるに、日本の河川においては、どれだけの土砂が流域で生産され、それがどのように河川を移動するかに関してのデータは殆どない。すなわち、流域における土砂移動の実態はほとんど把握されておらず、その解明のために土砂移動のモニタリング技術が必要とされている。
【０００８】
土砂モニタリングには、洪水時・平常時に河川を流下する土砂の量、土砂の質、流下パターンを流域全体で迅速に精度良く把握して土砂の流出特性を知る技術が必要である。土砂の流出特性を知るには、河川の流量・流出土砂量の計測や測量などの直接的なモニタリング手法に、ヘリコプター、ＧＰＳ、ＧＩＳなどを組み合わせた広域的・間接的なモニタリングシステムの開発が必要とされている。
【０００９】
ところが、従来の流砂観測は人力による採取観測か、もしくは土砂測定装置を用いても有人観測の要素の多いシステムであり、土砂量の把握が必要な洪水時などには危険が伴うので観測できず、これを解決するものではなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、河川を流下する土砂重量と土砂濃度を、河川の水深別に自動的に連続的にモニタリングすることができる流出土砂観測システム、流出土砂測定装置、及び土砂分離装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、請求項１記載の発明は、土砂を運搬する河川（１）に設けられた砂防ダム（２）を介して取り込んだ河川水中の流出土砂を観測する流出土砂観測システム（１００）であって、
前記砂防ダム（２）の袖部（２Ｓ）に少なくとも一以上設置され、水と土砂とを含む前記河川水を取水する取水孔（３）と、
前記取水孔（３）に接続された導水管（４）と、
前記導水管（４）の下流側に設けられ、前記導水管（４）から放出された前記河川水の進行方向への衝撃力を減勢する衝撃緩衝装置（２０）と、
前記衝撃緩衝装置（２０）の下流側に設けられ、前記衝撃緩衝装置（２０）により進行方向への衝撃力を減勢された前記河川水から前記水と前記土砂とを分離する回転自在な回転式フルイ（５１）を有する土砂分離装置（５）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記土砂を蓄積し、蓄積した土砂重量を測定する土砂重量測定装置（６）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の濁度を測定する濁度測定装置（７）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の水量を測定する水量測定装置（８）と、
前記土砂重量測定装置（６）、前記濁度測定装置（７）、及び前記水量測定装置（８）の各測定結果をデータ処理して、前記河川水の水量に応じた土砂運搬量を算出して連続的に記録するデータ処理装置（９）と、
を備えたことを特徴とする流出土砂観測システム（１００）である。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の流出土砂観測システム（１００）において、
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転可能に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする流出土砂観測システム（１００）である。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の流出土砂観測システム（１００）において、
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられていると共に、前記水車の回転軸（５７）に発電機が連結されており、停電時に前記発電機によって自家発電した電力を前記データ処理装置（９）に供給するように構成されていることを特徴とする流出土砂観測システム（１００）である。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、装置内部に取り込まれる水と土砂を含む流出土砂を測定する流出土砂測定装置（１０）であって、
前記装置内部の入口部に設けられ、前記入口部から取り込まれる前記流出土砂の進行方向への衝撃力を減勢する衝撃緩衝装置（２０）と、
前記衝撃緩衝装置（２０）の下流側に設けられ、前記衝撃緩衝装置（２０）により進行方向への衝撃力を減勢された前記流出土砂から前記水と前記土砂とを分離する回転自在な回転式フルイ（５１）を有する土砂分離装置（５）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記土砂を蓄積し、蓄積した土砂重量を測定する土砂重量測定装置（６）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の濁度を測定する濁度測定装置（７）と、
前記土砂分離装置（５）で分離された前記水の水量を測定する水量測定装置（８）と、
を備えたことを特徴とする流出土砂測定装置（１０）である。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の流出土砂測定装置（１０）において、
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転可能に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする流出土砂測定装置（１０）である。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の流出土砂測定装置（１０）において、
前記土砂分離装置（５）は、前記回転式フルイ（５１）により前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられていると共に、前記水車の回転軸（５７）に発電機が連結されており、前記発電機によって自家発電した電力が得られるように構成されていることを特徴とする流出土砂測定装置（１０）である。
【００１７】
更に、請求項７記載の発明は、装置内部に取り込まれる河川水又は流出土砂から水と土砂とを分離する土砂分離装置（５）であって、
前記装置内部に回転式フルイ（５１）がモータ（５６）を介して回転自在に設置され、且つ、前記回転式フルイ（５１）により前記河川水又は前記流出土砂から分離された前記水の帰水路（５４）に水車（５５）が設けられており、停電時に前記水車（５５）の駆動力により前記回転式フルイ（５１）が回転駆動できるように構成されていることを特徴とする土砂分離装置（５）である。
【００１８】
そして、上述した本発明によれば、通常時、洪水時にかかわらず、河川が運ぶ土砂量を土砂濃度と共に自動的に計測できる。また、河川を流れる水を用いて水車により発電することが可能であるので、停電時でも回転式フルイ（トロンメル）を回転駆動させることができると共に、水車を介して発電機によって自家発電した電力を利用してデータ処理装置によりデータの取得を継続させることができ、土砂量と水量の連続計測と記録が可能である。よって、日本の河川における土砂運搬量を計測することにより、流出土砂と海岸浸食・河床変動や河川環境などとの関わり、ダム堆砂や河川災害などを予測する基礎データの取得が可能となり、治水・利水と環境保護の両方が重要視される今後の河川管理への貢献度が大である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態の流出土砂観測システム１００の全体構成を示す全体構成図である。
【００２１】
この実施の形態の流出土砂観測システム１００では、図１(a) に示すように、河川１に設けられた砂防ダム２の主堤の一方の岸、例えば、右岸の袖部２Ｓに取水孔３を設けている。この取水孔３は、水深別に３ケ所に設けられた取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから構成した。図１(b) に示すように、取水孔３Ａは河底から１ｍの位置に設け、開口部の形状は円形とした。取水孔３Ｂは河底から０．５ｍの位置に設け、開口部の形状は円形とした。また、取水孔３Ｃは河底と同位置（０ｍ）に設け、開口部の形状は楕円形とした。取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃにはそれぞれ導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃを接続している。
【００２２】
取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから採取された河川水（土砂を含む水）はそれぞれ導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって砂防ダム２の下流側の左岸に設置した流出土砂測定装置１０まで導かれるようにした。この流出土砂測定装置１０は、３本の導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって導かれた河川水から土砂と水とを分離する３台の土砂分離装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、この土砂分離装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃによって河川水から分離された土砂の重量を測定する土砂重量測定装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃ、土砂分離装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃによって土砂が除かれた水の濁度を測定する濁度測定装置７、濁度を測定した水の水量の総量を測定する水量測定装置８、及び、土砂重量測定装置６と濁度測定装置７と水量測定装置８によって測定されたデータを処理して河川の土砂流量を測定するデータ処理装置９とから構成した。
【００２３】
ここで、図１(a) に示した実施の形態の流出土砂観測システム１００を構成する各部材について個々にその構成を詳細に説明する。
【００２４】
（１）取水孔３
河川水を取り込む取水孔３は、河川の流向を考慮して河道断面を通過する土砂濃度の平均的な位置に水深方向に複数箇所設置することが望ましい。しかしながら、川幅が５０ｍ程度の川では、任意の位置に設置することは困難であるため、取水孔３の設置位置は砂防ダム右岸袖部付近とし、取水孔３の高さを変えて上段、中段、および下段の３箇所に設置した。図１(b) で説明したように、上段、中段、および下段の取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置は、河川底からの高さがそれぞれ１．０ｍ、０．５ｍ、および０ｍとして水深別の流出土砂を採取できる構造とした。
【００２５】
そして、上段と中段の取水孔３Ａ，３Ｂは砂防ダム２の袖部２Ｓに円形に開口させ、砂防ダム２の水通し部には導水管４Ａ，４Ｂを水平に設置し、下段の取水孔３Ｃに接続する導水管４Ｃは河床に下向きに設置し、河床を転動、滑動する土砂（砂礫）を落とし込む構造とした。なお、取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃに続く砂防ダム２の内部の導水部分をコンクリートで形成し、導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃは砂防ダム２の外側に接続するようにしても良い。また、３つの取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、流木と大礫の侵入を防止するためのフィルタとして、１０ｃｍ×１０ｃｍの網目のフィルタ（図示せず）を取り付けた。よって、この実施の形態において計測対象とする土砂に含まれる礫の最大径は１０ｃｍ未満である。
【００２６】
（２）導水管４
図１(a) で説明したように、各取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから流出土砂測定装置１０までの間には、各取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから採取した河川水をそれぞれ独立に導く導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃを設置した。各導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃは河道内の土砂や流砂を流出土砂測定装置１０に導くため、管内で土砂が停止、堆積せず、加速がつかず、短時間、短距離で導水することが望ましい。このため、上段と中段の取水孔３Ａ，３Ｂに接続する導水管４Ａ，４Ｂは管径を２０ｃｍとし、下段の取水孔３Ｃに接続する導水管４Ｃの管径は２５ｃｍとした。各導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃの設置経路は、取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃと流出土砂測定装置１０までの高低差が少なく、砂防ダム２の主堤と流出土砂測定装置１０との間に副堰堤が２箇所に存在する場合のことも考慮して、河道内にＬ字型擁壁を建設し、擁壁の内側に導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃを設置した。そして、導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃ内で砂礫がスムーズに流れるように、縦断勾配が５°〜１０°を確保できる管路線型として取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから流出土砂測定装置１０まで流出土砂を導く構造とした。
【００２７】
更に、図２(a) に示すように、導水管４（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ）の途中には、導水管４の折損を防止するために柔軟なフレキシブルジョイント４Ｆを要部に設けると共に、導水管４内に砂礫や流木が詰まった場合の修復を考慮して、導水管４の要所ごとに点検部４０を設け、導水管４を要所で開管できる構造とした。
【００２８】
図２(b) は点検部４０の一実施の形態の構成を示すものである。この実施の形態の点検部４０は、筒部４２の両端に設けたフランジ４１で導水管４に接続するようにし、筒部４２の側面に点検口４４を開口させると共に、この点検口４４を矩形枠４３で筒部４２の側方に引き出した。そして、矩形枠４３の自由端部にはフランジ４５を形成し、常時はこのフランジ４５に点検蓋４６を密着させて点検口４４を封止するようにした。点検蓋４６のフランジ４５への取付手段としてはボルトとナットを使用すれば良いが、ここでは図示していない。
【００２９】
なお、点検口４４には矩形枠４３を設けず、湾曲した点検蓋を直接筒部４２に取り付けて点検口４４を封止するようにするようにしても良い。この点検部４０により、導水管４ないに土砂や流木の詰まりが発生してもそれを除去することができる。
【００３０】
（３）流出土砂測定装置１０
各取水孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃから導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃを通じて導かれた河川水は、流出土砂測定装置１０において土砂と水に分離する。流出土砂測定装置１０は、図３に示すように、導水管４Ａ，４Ｂ，４Ｃ（以後符号は４で代表させる）に接続する土砂分離装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃ（以後符号は５で代表させる）と、後述の図６で示すように土砂分離装置５に内蔵した土砂重量測定装置６Ａ，６Ｂ，６Ｃ（以後符号は６で代表させる）と、濁度測定装置７と、水量測定装置８と、及びデータ処理装置（図示せず）とから構成した。これらの装置は流出土砂測定装置１０のベース１０Ｂの上に設置し、ベース１０Ｂの上には土砂分離装置５で分離された水を濁度測定装置７に導く帰還水路１１、水量測定装置８で水量を測定した水を土砂分離装置５の方に折り返すＵターン部１２、Ｕターン部１２から水を土砂分離装置５の下部に導く排水路１３、及び、土砂分離装置５で分離された土砂を、排水路１３からの水の力で河川１に戻す傾斜放水路１４を設置する。１５は傾斜放水路１４の開口を示している。
【００３１】
ここでは、この流出土砂測定装置１０の詳細な構成を、河川水の移動経路に従って順に説明する。まず、流出土砂測定装置１０の河川水の入口部に設けた土砂分離装置５の構成を図４を用いて説明する。
【００３２】
(a)インパクトボックス２０
土砂分離装置５の河川水の入口部に設けたものであり、導水管４から流出する河川水に含まれる土砂の、土砂分離装置５に対する衝撃力を減勢する衝撃緩衝装置である。導水管４から放出された土砂を含む河川水は、土砂分離装置５に入る前にこのインパクトボックス２０に設けられた衝撃吸収板２１に当たり、土砂分離装置５に入る。この結果、河川水に含まれる土砂は衝撃吸収板２１に当たった衝撃で進行方向への衝撃力が緩和され、ガイド部２２に導かれてインパクトボックス２０の下部に流下して土砂分離装置５に入る。また、インパクトボックス２０はトロンメル５１に取り付けたので、インパクトボックス２０に加わる衝撃力を利用してトロンメル５１に衝撃を連続して与え、トロンメル５１の内部に付着する微細土砂を振り落とすことができる。
【００３３】
(b) トロンメル（モータで回転する円筒形回転式フルイ）５１
土砂分離装置５の入口部に設けたものであり、河川水に含まれる土砂と水とを分離するものである。トロンメル５１は０．５ｍｍの目のフルイ網を円筒形に形成したものであり、モータ５６によって回転する回転軸５２に取り付けたものである。モータ５６や回転軸５２は土砂分離装置５のフレーム５０に取り付けてある。また、回転軸５２は土砂混じりの河川水が進む方向に水平方向から地面に向かって下向きに傾斜させてある。従って、トロンメル５１に進入した河川水は、直径が０．５ｍｍ以上の土砂をトロンメル５１の中に残したまま、水（０．５ｍｍ未満の直径の流砂を含む濁水）がトロンメル５１から下に落下し、トロンメル５１の上には直径が０．５ｍｍ以上の土砂が残る。トロンメル５１の内部に残った土砂は、トロンメル５１の回転軸５２が前方に向かって下に傾斜しており、トロンメル５１がモータ５６によって回転しているので、トロンメル５１の先端部に押し出されて落下する。
【００３４】
上記したトロンメル５１は、通常は商用電力によるモータ５６で駆動し、停電時は水車５５によって自力駆動するように構成されている。この処置は、土砂の観測中に停電などでモータタ５６が止まると、回転式フルイ内に土砂が流入し続けるが排出されないためにフルイが破損する危険性が高いが、この対策として、停電時においても、水車の駆動力によって回転させることで土砂を排出し、フルイの破損を防いで観測が継続できる仕組みとしたものである。
【００３５】
また、前記水車５５の回転を発電機に連絡(or連結)することにより、自家発電した電力をパソコンなどのデータ処理装置９に供給し、停電時でも観測機器の制御と記録が可能となるシステムである。
【００３６】
(c) 水車５５と発電機
トロンメル５１の下方には、トロンメル５１によって分離された水を受ける樋５３を設け、樋５３で集めた水は帰水路（帰水管）５４によって帰還水路１１に戻す。帰水路５４の途中には水車５５を設け、帰水路５４を流れる水で回転させる。水車５５の回転軸５７は延長してその先にＶベルト５８をかけ渡してトロンメル（回転式フルイ）５１の回転軸５２に連絡してトロンメル５１を駆動し、商用電源の停電時でもトロンメル５１を駆動させ土砂の分離を継続することができる。なお、水車の回転を発電機（図示しない）に連結することにより、自家発電した電力をパソコンなどのデータ処理装置に供給し、停電時でも観測制御と記録が継続できる仕組みとした。
【００３７】
(d) 反転式回転バケット６１とロードセル６３
トロンメル５１から円筒軸方向の下方に押し出された土砂は、トロンメル５１の下方に設けた反転式回転バケット（以下、回転バケットと記す）６１に溜まる。この回転バケット６１はフレーム６０に回転軸６２で取り付けてあり、フレーム６０と回転バケット６１の両方の重量は、フレーム６０の上部に取り付けたロードセル６３によって計測する。回転バケット６１はその中に溜まった土砂の量が一定重量に達すると反転し、中に溜まっている土砂を排出すると同時にその時刻を記録する。ロードセル６３による重量の時間変化と回転バケット６１の反転時刻はデータ処理装置９に送られるようにし、他の観測データと共にデータ処理装置９に記録する。
【００３８】
回転バケット６１が反転する土砂の蓄積重量は、例えば、最下段の取水孔３Ｃに対応する回転バケット６１の反転重量を５０ｋｇ、最上段と中断の取水孔３Ａ、３Ｂに対応する回転バケット６１の反転重量を３０ｋｇに設定した。回転バケット６１が反転して排出される土砂は、フレーム６０の下部に土砂流下ガイド６４を設けて後述するパーシャルフリュームによる流量計測後の帰還水の排水路１３内に落下させ、帰還水と共に河川に戻す。
【００３９】
(e) 土砂採取装置１６
なお、回転バケット６１に蓄えられた土砂の粒度を分析すれば、河川掃流砂の粒度分布を把握することができる。そこで、この実施の形態では、粒度分析用の土砂サンプルを簡便に採取できるように、回転バケット６１から土砂が排出される地点に土砂採取装置として手動台車１６を配置した。従って、有人測定を行う際は、この手動台車１６を使用して回転バケット６１から排出された土砂を採取すれば、土砂の重量、容積観測に並行して粒度分析を行うことができる。無人測定の場合は土砂の重量と容積測定のみである。］
【００４０】
次に、図４に示したように構成された土砂分離装置５から排出された水の濁度と水量を測定する河川水の濁度測定装置７と水量測定装置８の構成を図３に戻って説明する。
【００４１】
(f) 濁度測定装置７
濁度測定装置７は流出土砂測定装置１０のベース１０Ｂ上に、土砂分離装置５に隣接させて設ける。濁度測定装置７は帰還水路１１に接続する貯水部７０、貯水部７０の中に設けた濁度計７１及び整流板７２とから構成する。土砂分離装置５で分離された水は帰還水路１１を通って濁度測定装置７の貯水部７０に入る。貯水部７０に設けた複数個の整流板７２は、帰還水路１１から貯水部７０に流入した水が乱れずにスムーズに流れる作用をする。貯水部７０の底部に設けた濁度計７１は、貯水部７０に溜まった穏やかな水の濁度を測定する。
【００４２】
濁度計７１は、計測対象とする濁水が高濁度のケースを想定して、測定濃度は０〜３０，０００ｐｐｍの高濃度濁度センサを用いる。高濃度濁度センサには、水温、電気伝導度センサを併設し、濁度データと同時に濁水の水温と電気伝導度とを記録する。濁度計データは濁水の浮遊砂濃度を直接計測するものではないので、浮遊砂濃度は予め測定して得られている「計測濁度−浮遊砂量」の特性データから計算によって求めることができる。
【００４３】
(g) 水量測定装置８
流出土砂測定装置１０では、河川水から分離した土砂の重量は前述の土砂重量測定装置６で計測できるが、土砂濃度（含有土砂量グラム／リットル）に換算するには、河川断面の水位、流量とは別に、計測した土砂重量をもたらす導水管４内の流量を計測する必要がある。導水管４内の流量（流速）測定は、導水管４の内部にピトー管などの計器を設置できれば簡便に測定できるが、導水管４内は土砂まじりの河川水が高速で流送されるので、センサが破壊される可能性が高い。管外から管内流量を超音波などで計測することも考えられるが、この場合は管内が満水状態であることが条件であり、空気が混ざっていたり、土砂が含まれると超音波が阻害されて計測できない。
【００４４】
そこで、本発明では、３本の導水管４によって導かれ、土砂分離装置５で分離されて帰還水路１１を流れる水の合計流量を計測する。この実施の形態では、水量測定装置８は濁度測定装置７に隣接させて設け、濁度測定装置７の貯水部７０から流出した水をパーシャルフリューム８０と水位計８１を用いて計測するようにした。パーシャルフリューム８０は、例えば、最小測定流量が０．０３１ｔ／ｓ、最大測定流量が０．４５６ｔ／ｓのものを使用することができる。
【００４５】
なお、この計測に加えて、中断、下段の導水管４Ｂ，４Ｃに超音波式の管内液体流量計を設置して計測精度を向上させるようにしても良い。
【００４６】
(h) 排水路１３と傾斜放水路１４
水量測定装置８で流量を測定した水は、ベース部１Ｂに設けたＵターン部１２によってその流れの方向を反転させ、排水路１３を通じて土砂重量測定装置６の全ての回転バケット６１の直下まで導く。そして、３台の土砂分離装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃの直下には、この排水路１３に接続する傾斜放水路１４を設ける。傾斜放水路１４は、図５に示すように、土砂分離装置５の下の地面に傾斜して設けたものであり、放水口１５が河川１に面している。
【００４７】
よって、土砂分離装置５で分離された土砂は、回転バケット６１で重量を計測された後に回転バケット６１の下部に落下し、排水路１３内に堆積するので、排水路１３を流れてきた水により押し流し、傾斜放水路１４を通じて放水口１５から河川１に戻すようにする。
【００４８】
(i) データ処理装置９
複数の土砂重量測定装置６、濁度測定装置７、および水量測定装置８の測定結果はデータ処理装置９に送り、ここでデータ処理して、この河川の水量に応じた土砂運搬量を算出して連続的に記録する。即ち、この実施の形態では、土砂重量測定装置６の回転バケット６１に溜まる土砂の時間的変化と回転バケット６１の反転した時刻、濁度測定装置７によって計測された水の濁度、及び、水量測定装置８で計測された水量を記録する。この場合、回転バケット６１の土砂の重量は常時ロードセル６３で測定され、ロードセル６３のデータはデータ処理装置９によって監視し、一定時間間隔で記録を内蔵する。また、回転バケット６１に接続した不図示のカウンタは、回転バケット６１が回転する毎に信号をデータ処理装置９に送り、その時刻をファイル番号とする全記録をファイルしておく。
【００４９】
データ処理装置９の制御プログラムは濁度計データ、河川水位、流速等も常時監視しており、濁度計の浮遊砂濃度が設定値になると自動採取装置を作動あるいは中断するように命令するように構成する。
【００５０】
このデータ処理装置９は、計測用コンピュータ、無停電装置等から構成し、入力データは１６チャネル、信号出力は４チャネルのように設定し、このコンピュータ１台で３台の土砂重量測定装置６、濁度測定装置７、水温、管内流量、河川水位、流速データを取り込んで制御することが可能なように構成する。
【００５１】
図６は以上説明した本発明の流出土砂観測システムの測定項目・測定方法の流れをまとめて示すブロック図である。この図において破線で囲まれたブロックは、本発明の流出土砂観測システム以外の作業を示すものである。なお、この図では、河川水に含まれる土砂を全て流砂と記載してあるが、同じ意味である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る流出土砂観測システム、流出土砂測定装置、及び土砂分離装置によれば、通常時、洪水時にかかわらず、河川が運ぶ土砂量を自動的に計測することができる。また、水車によりトロンメルを自力回転させることが可能であるので、停電時でも稼働でき、パソコン等のデータ処理装置への電力供給も行えるので、連続計測と記録が可能である。よって、日本の河川における土砂運搬量を計測することにより、流出土砂と海岸浸食・河床変動や河川環境などとの関わり、ダム堆砂や河川災害などを予測する基礎データの取得が可能となり、治水・利水と環境保護の両方が重要視される今後の河川管理への貢献度が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】(a) は本発明の流出土砂観測システムの一実施の形態の全体構成を示す構成図、(b) は取水孔の形状と河床からの位置を示す説明図である。
【図２】(a) は本発明の流出土砂観測システムに用いられる導水管の配置図、(b) は導水管の所定箇所に設ける点検蓋の構成を示す組立斜視図である。
【図３】本発明の流出土砂観測システムに用いられる流出土砂測定装置の主要部分の構成を示す平面視説明図である。
【図４】本発明の流出土砂観測システムに用いられる流出土砂測定装置の正面視説明図である。
【図５】図４のＸ−Ｘ線における断面説明図である。
【図６】本発明の流出土砂観測システムの測定項目・測定方法の流れを示すブロック図である。
【符号の説明】
１…河川、  ２…砂防ダム、  ３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…取水孔、
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…導水管、  ５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…土砂分離装置、
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…土砂重量測定装置、  ７…濁度測定装置、  ８…水量測定装置、
９…データ処理装置、  １０…流出土砂測定装置、  １１…帰還水路、  １３…排水路、
１４…傾斜放水路、  １６…手動台車、  ２０…衝撃緩衝装置（インパクトボックス）、
４０…点検部、  ４４…点検口、  ４６…点検蓋、
５１…回転式フルイ（トロンメル）、  ５４…帰水路、  ５５…水車、
６１…回転バケット、  ６３…ロードセル、  ７０…貯水部、  ７１…濁度計、
８０…パーシャルフリューム、  ８１…水位計、１００…流出土砂観測システム。
【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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