(57)【要約】   【課題】    洪水時においてもリアルタイムで正確に流速を把握する。  【解決手段】本発明に係る流速測定システム１は、河川底に立設された橋梁１２の橋脚２に取り付けられた水圧測定手段である土圧計３及び静水圧測定手段である間隙水圧計４と、送信手段である無線機５と、橋梁１２近傍に建てられた河川管理事務所６内に設置されたパソコン本体７に内蔵された演算処理装置８及び記憶装置９と、出力手段である液晶モニタ１０とで概ね構成してある。演算処理装置８は、水圧と静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算することができるようになっている。さらに、演算処理装置８は、静水圧から河川の水位を計算し、かかる水位に対応する流水断面積を記憶装置９から読み出すとともに読み出された流水断面積と流速とを用いて流量を計算することができるように構成してある。  【選択図】  図１
2005055376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川底に立設された橋脚の上流側周面に取り付けられ該取付け位置における水圧を測定するための水圧測定手段と、前記橋脚の周面であって前記水圧測定手段と同一深さとなるように取り付けられ該取付け位置における静水圧を測定するための静水圧測定手段と、前記水圧及び前記静水圧の測定データを送信するための送信手段と、前記水圧と前記静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算するための演算処理装置とを備えることを特徴とする流速測定システム。
【請求項２】
前記演算処理装置を、前記静水圧から前記河川の水位を計算するように構成した請求項１記載の流速測定システム。
【請求項３】
前記河川の任意の水位における流水断面形状又は流水断面積を記憶した記憶装置を備えるとともに、前記演算処理装置を、前記計算された水位に対応する前記流水断面形状又は流水断面積を前記記憶装置から読み出すとともに読み出された前記流水断面形状又は流水断面積と前記流速とを用いて流量を計算するように構成した請求項２記載の流速測定システム。
【請求項４】
前記水圧測定手段を土圧計とするとともに、前記静水圧測定手段を間隙水圧計とした請求項１乃至請求項３のいずれか一記載の流速測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川の流速や流量を測定する場合に用いる流速測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
河川を管理する上で、利水や治水の面から河川の流量を的確に把握することが重要であるが、流量は気象等によって変動するため、正確に流量を把握するには、リアルタイムで河川の流速や水位を測定することが必要となる。
【０００３】
従来、河川の流速を測定する際は、平常時においては、水の流れによる羽根の回転速度から流速を求める回転式流速計や、ファラデーの電磁誘導の法則を利用して水が磁界を流れるときに生じる起電力から流速を求める電磁流速計などを用いて行っていた。
【０００４】
しかしながら、これらの測定方法では、流速計を直接水中に挿入して測定を行うため、河川の流れが激しくなるとともに流木やゴミ等の障害物が多数流下する洪水時においては、流速計を水中に挿入しての計測が困難であった。
【０００５】
そのため、洪水時は、観測員が、橋梁等から河川に浮子を落として該浮子が所定の距離を流れる時間を計測することにより流速を算出するという、浮子観測による方法で流速を測定していた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２１４２４６号公報
【特許文献２】特開２００１−３４３２６６号公報
【特許文献３】特開平７−５１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、浮子による流速観測は、専門の観測員が必要となるとともに、リアルタイムでの連続的な測定をすることができず、特に、洪水時における初期段階は観測員が測定場所に到着するのに時間を要するためデータ収集が困難であるという問題を生じていた。
【０００８】
また、観測員による測定のため、人的誤差が生じるとともに、偏流等によって浮子がまっすぐ流れずに誤差が大きくなる場合があるという問題も生じていた。
【０００９】
一方、近年では、ドップラー効果を利用して流速を計測する電波流速計及び超音波流速計や、画像処理を用いて流速を計測するＰＩＶ式やオプティカルフロー式の流速計など、計測器を直接水中に挿入せずに測定を行う非接触型の流速計も使用されるようになってきたが、非接触型の流速計で得られるのは表面流速のみであるため、平均流速を正確に求めることが難しく、また、表面流速は風の影響を受けやすいため、かかる影響を除去するための補正も必要となるという問題を生じていた。
【００１０】
さらに、画像処理を用いた流速計は、夜間の計測には照明が必要となるとともに、霧や夜間の強雨時等には測定不能となる場合があるという問題を生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、洪水時においてもリアルタイムで正確に流速を把握することが可能な流速測定システムを提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る流速測定システムは請求項１に記載したように、河川底に立設された橋脚の上流側周面に取り付けられ該取付け位置における水圧を測定するための水圧測定手段と、前記橋脚の周面であって前記水圧測定手段と同一深さとなるように取り付けられ該取付け位置における静水圧を測定するための静水圧測定手段と、前記水圧及び前記静水圧の測定データを送信するための送信手段と、前記水圧と前記静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算するための演算処理装置とを備えるものである。
【００１３】
また、本発明に係る流速測定システムは、前記演算処理装置を、前記静水圧から前記河川の水位を計算するように構成したものである。
【００１４】
また、本発明に係る流速測定システムは、前記河川の任意の水位における流水断面形状又は流水断面積を記憶した記憶装置を備えるとともに、前記演算処理装置を、前記計算された水位に対応する前記流水断面形状又は流水断面積を前記記憶装置から読み出すとともに読み出された前記流水断面形状又は流水断面積と前記流速とを用いて流量を計算するように構成したものである。
【００１５】
また、本発明に係る流速測定システムは、前記水圧測定手段を土圧計とするとともに、前記静水圧測定手段を間隙水圧計としたものである。
【００１６】
本発明に係る流速測定システムにおいては、まず、河川底に立設された橋脚の上流側周面に取り付けられた水圧測定手段で取付け位置における水圧を測定するとともに、橋脚の周面であって水圧測定手段と同一深さとなるように取り付けられた静水圧測定手段で取付け位置における静水圧を測定する。
【００１７】
次に、水圧及び静水圧の測定データを送信手段で演算処理装置に送信する。
【００１８】
次に、演算処理装置で水圧と静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算する。
【００１９】
このようにすると、水圧及び静水圧の自動測定が可能となり、河川の流速を洪水時においてもリアルタイムで正確に把握することができる。
【００２０】
水圧測定手段及び静水圧測定手段をいくつ設けるかは任意であり、例えば、異なる深さで鉛直方向に複数設置するようにしてもかまわないし、橋脚が複数ある場合には、各橋脚にそれぞれ設置するようにしてもかまわない。なお、河川は場所によって流速が異なる場合が多いため、設置する数が多いほど正確な流速を把握することが可能となる。
【００２１】
また、水圧測定手段及び静水圧測定手段の周囲には、水圧測定手段及び静水圧測定手段を流下物等の障害物から防護するための防護工を設けておくのが望ましい。
【００２２】
送信手段は、水圧測定手段及び静水圧測定手段で測定したデータを演算処理装置へ送信することができるのであれば、どのようなものを用いるかは任意であり、有線か無線かも問わない。
【００２３】
演算処理装置は、水圧と静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算することができるのであれば、どのように構成するかは任意である。
【００２４】
なお、流速を計算するにあたっては、水圧測定手段及び静水圧測定手段を異なる深さで鉛直方向に複数設置した場合においては、それぞれの深さにおける流速から平均流速を計算するのが望ましい。
【００２５】
また、演算処置装置を流速のみを計算するように構成してもかまわないが、ここで、演算処理装置を、静水圧から河川の水位を計算するように構成した場合においては、気象の変化等によって変動する河川の水位をリアルタイムで正確に把握することが可能となる。
【００２６】
さらに、河川の任意の水位における流水断面形状又は流水断面積を記憶した記憶装置を備えるとともに、演算処理装置を、計算された水位に対応する流水断面形状又は流水断面積を記憶装置から読み出すとともに読み出された流水断面形状又は流水断面積と流速とを用いて流量を計算するように構成した場合においては、河川の流量についてもリアルタイムで正確に把握することが可能となる。
【００２７】
流量を計算するにあたっては、例えば、計算された水位と該水位に対応する流水断面形状とから流水断面積を計算し、或いは、流水断面積が記憶されている場合には計算された水位に対応する流水断面積を直接読み出す一方、平均流速を計算し、該平均流速と流水断面積との積から流量を計算することが考えられる。
【００２８】
記憶装置は、河川の任意の水位における流水断面形状又は流水断面積が記憶されているのであれば、どのように構成するかは任意である。
【００２９】
水圧測定手段は、水圧を測定することができるのであればどのように構成するかは任意であり、また、静水圧測定手段も、静水圧を測定することができるのであればどのように構成するかは任意であるが、ここで、水圧測定手段を土圧計とするとともに、静水圧測定手段を間隙水圧計とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る流速測定システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
図１は、本実施形態に係る流速測定システムを示した概略図である。同図に示すように、本実施形態に係る流速測定システム１は、河川底に立設された橋梁１２の橋脚２に取り付けられた水圧測定手段である土圧計３及び静水圧測定手段である間隙水圧計４と、送信手段である無線機５と、橋梁１２近傍に建てられた河川管理事務所６内に設置されたパソコン本体７に内蔵された演算処理装置８及び記憶装置９と、出力手段である液晶モニタ１０とで概ね構成してある。
【００３２】
土圧計３は、橋脚２の上流側周面に異なる深さで複数取り付けてあるとともに、間隙水圧計４は、各土圧計３と同一深さとなるように橋脚２の上流側周面に各土圧計３と隣接するように複数取り付けてある。
【００３３】
土圧計３は、受圧面に作用する水圧、すなわち静水圧と流水圧とを合わせた水圧を測定することができるように構成してあるが、汎用品から適宜選択して用いればよい。また、土圧計３を取り付けるにあたっては、静水圧及び流水圧を測定することができるように土圧計３の受圧面が河川の流れに対して直交するように配置するとともに、受圧面が上流側を向くように取り付けておく。
【００３４】
間隙水圧計４は、静水圧を測定することができるよう構成してあるが、汎用品から適宜選択して用いればよい。なお、間隙水圧計４を取り付けるにあたっては、流水圧の影響を受けることがないよう、必要に応じて受圧面が非上流側を向くように取り付ける。
【００３５】
また、土圧計３及び間隙水圧計４を囲むように、コの字状に折り曲げた複数の鉄筋で構成した防護工を取り付けてあり、土圧計３及び間隙水圧計４を流下物等の障害物から防護することができるようになっている。
【００３６】
無線機５は、橋梁１２の中央近傍に設置してあり、土圧計３で測定された水圧の測定データ及び間隙水圧計４で測定された静水圧の測定データを演算処理装置８が内蔵されたパソコン本体７へ送信することができるようになっている。なお、各土圧計３及び間隙水圧計４は、それぞれ無線機５にケーブル１１を介して接続してある。
【００３７】
記憶装置９は、土圧計３及び間隙水圧計４が取り付けられた位置を含む鉛直面における流水断面積を、任意の水位における流水断面積として、換言すれば該鉛直面における水位をパラメータとした流水断面積として記憶してある。
【００３８】
すなわち、記憶装置９は、図２(a)に示すように、かかる鉛直面を、隣り合う橋脚２，２の径間中心（図中の実線で示した鉛直線）で３つの流域２１，２２，２３に区分することにより、上述した流水断面積を各流域ごとの流水断面積Ａ1，Ａ2，Ａ3として記憶させてある。なお、水位をパラメータとした河川の流水断面積に関しては、事前に測定を行っておくとともに、例えば洪水などによって河川底の形状が変化した場合は、適宜測定をやり直すことで記憶装置９に記憶されたデータを常に現状と一致させておくのが望ましい。
【００３９】
また、記憶装置９は、無線機５から送信された測定データや演算処理装置８での計算結果も記憶することができるようになっている。
【００４０】
演算処理装置８は、水圧と静水圧との差から流水圧を計算するとともに該流水圧から流速を計算することができるようになっている。さらに、演算処理装置８は、静水圧から河川の水位を計算し、かかる水位に対応する流水断面積を記憶装置９から読み出すとともに読み出された流水断面積と流速とを用いて流量を計算することができるように構成してある。
【００４１】
液晶モニタ１０は、演算処理装置８で計算された流速、水位及び流量をリアルタイムで表示することができるようになっている。
【００４２】
本実施形態に係る流速測定システム１においては、まず、河川底に立設された橋脚２の上流側周面に取り付けられた土圧計３で水圧を測定するとともに、橋脚２の周面であって土圧計３と同一深さとなるように取り付けられた間隙水圧計４で静水圧を測定する。
【００４３】
次に、水圧及び静水圧の測定データを無線機５でパソコン本体７に内蔵された演算処理装置８に送信する。
【００４４】
次に、無線機５から送信された水圧及び静水圧の測定データと記憶装置９に記憶された河川の流水断面積のデータから、流水圧、流速、水位及び流量を演算処理装置８で計算する。
【００４５】
具体的には、図２(b)に示すように、水中では、水深に比例して作用する静水圧（図中の破線部分）と、流速に比例して作用する流水圧（図中の斜線部分）とを合わせた水圧が作用しているため、まず、土圧計３で計測された水圧から間隙水圧計４で計測された静水圧を引いて流水圧を計算し、次いで、かかる流水圧から流速を計算する。
【００４６】
さらに、土圧計３及び間隙水圧計４は各橋脚２の鉛直方向に沿って異なる深さで複数設置してあるため、同図(a)に示すように、各橋脚２ごとに取り付けた土圧計３及び間隙水圧計４の測定データから得られた各流速の値を平均し、これらの値をそれぞれ各流域２１，２２，２３における平均流速ｖ1，ｖ2，ｖ3とする。
【００４７】
一方、静水圧からその測定時における河川の水位を計算し、かかる水位における各流域２１，２２，２３の流水断面積Ａ1，Ａ2，Ａ3を記憶装置９から読み出す。
【００４８】
次に、平均流速ｖiと流水断面積Ａiとの積から、以下のように河川の流量Ｑを計算する。
Ｑ＝Σｖi・Ａi
【００４９】
次に、液晶モニタ１０で、計算された流速、水位及び流量を表示する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態に係る流速測定システム１によれば、土圧計３及び間隙水圧計４を橋脚２に取り付けて水圧及び静水圧を測定するとともに、測定データを送信して演算処理装置８で流速を計算するようにしたので、水圧及び静水圧の自動測定が可能となり、河川の流速を洪水時においてもリアルタイムで正確に把握することができる。ちなみに、洪水に関する情報をインターネットを用いてリアルタイムで共有あるいは公開することも可能となることは言うまでもない。
【００５１】
また、本実施形態に係る流速測定システム１によれば、静水圧から河川の水位を計算するように演算処理装置８を構成したので、気象の変化等によって変動する河川の水位をリアルタイムで正確に把握することが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態に係る流速測定システム１によれば、河川の任意の水位における流水断面積を記憶した記憶装置９を備えるとともに、測定された水位に対応する流水断面積を記憶装置９から読み出すとともに読み出された流水断面積と流速とを用いて流量を計算するように演算処理装置８を構成したので、河川の流量についてもリアルタイムで正確に把握することが可能となる。
【００５３】
本実施形態では、演算処理装置８を流速に加えて水位及び流量も計算するように構成したが、演算処置装置は必ずしもこのように構成する必要はなく、上述した水位及び流量の計算を省略して流速のみを計算するように構成してもかまわないし、流量の計算を省略して流速及び水位を計算するように構成してもかまわない。
【００５４】
また、本実施形態では、記憶装置９に任意の水位における流水断面積を記憶するように構成したが、これに代えて、記憶装置に任意の水位における流水断面形状を記憶するように構成してもかまわない。かかる場合においては、演算処理装置を用いて流量を計算する際は、まず、計算された水位に対応する流水断面形状を記憶装置から読み出して該流水断面形状と水位とから流水断面積を計算し、次いで、該流水断面積と流速から流量を計算することとなる。
【００５５】
また、本実施形態では、土圧計３及び間隙水圧計４をそれぞれ複数取り付けるように構成したが、例えば水位が低い場合などは、一つだけでもかまわない。
【００５６】
また、本実施形態では、水圧測定手段を土圧計３とするとともに、静水圧測定手段を間隙水圧計４としたが、水圧測定手段は水圧を測定できるのならばどのようなものであるかは任意であり、例えば水圧計を用いるようにしてもかまわないし、静水圧測定手段も静水圧を測定できるのならばどのようなものでもかまわない。
【００５７】
また、本実施形態では、無線機５を用いて演算処理装置８に測定データを送信するように構成したが、必ずしも無線機５を用いる必要はなく、例えば、無線機５を省略して演算処理装置までケーブルでつなぐようにしてもかまわないし、水圧測定手段及び静水圧測定手段に送信手段を内蔵しておき、ケーブルを用いずに直接送信するようにしてもかまわない。
【００５８】
また、本実施形態では、出力手段として液晶モニタ１０を使用するように構成した、これに変えて、例えばディスプレイやプリンタを出力手段としてもかまわない。
【００５９】
また、本実施形態では、各橋脚２ごとに取り付けた土圧計３及び間隙水圧計４の測定データから得られた各流速の値を平均し、これらの値をそれぞれ各流域２１，２２，２３における平均流速ｖ1，ｖ2，ｖ3としたが、土圧計３及び間隙水圧計４の測定データから得られた各流速は、橋脚２の背後に生じる渦流等の影響のため、実際の河川の流速とは誤差が生じる場合がある。かかる場合には、解析や実験を行うことによって測定データから得られた各流速を適宜補正するようにすればよい。
【００６０】
同様に、各橋脚２ごとに取り付けた土圧計３及び間隙水圧計４の数が少ない場合には、それらの測定データから得られた流速ひいては河川の流量は、実際の流量と誤差が生じることが考えられる。
【００６１】
かかる場合には、測定箇所あるいは測定点の数と実際の流速あるいは流量との相関関係を解析や実験によって予め求めて補正曲線とし、該補正曲線に測定箇所や測定点の数をあてはめることによって、流速あるいは流量を適宜補正するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態に係る流速測定システムを示した概略図。
【図２】本実施形態に係る流速測定システムの作用を示した断面図。
【符号の説明】
【００６３】
１                            流速測定システム
２                            橋脚
３                            土圧計（水圧測定手段）
４                            間隙水圧計（静水圧測定手段）
５                            無線機（送信手段）
８                            演算処理装置
９                            記憶装置
【図１】
2005055376.tif 000003
【図２】
2005055376.tif 000004