(57)【要約】【課題】三次元的な濁りの分布や濁り粒子の輸送量を短時間に計測し、工事で出る濁りを詳細に管理することができる水中の濁り監視方法および濁り監視装置を提供すること。【解決手段】観測船３の舷７にＡＤＣＰ５を、観測船３上にＧＰＳ２０とコンピュータ１９を設置する。観測船３で海上を移動しつつ、ＧＰＳ２０で観測船３の水平方向の位置情報を取得する。同時に、ＡＤＣＰ５から水底１７に向けて超音波ビーム１１を発射し、水中９の鉛直方向の各層に浮遊する微粒子１５で反射された反射波１４のドップラーシフトから求めた水深毎の流速２１と、水深毎の反射波１４の反射強度とを取得する。次に、コンピュータ１９を用いて、観測船３の位置情報と反射波１４の反射強度から、三次元的な濁りの分布を推定する。さらに、流速２１と、推定された濁りの分布から、微粒子１５の輸送量を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ドップラー流速計を移動させつつ、前記超音波ドップラー流速計から発射されて水中の微粒子で反射された超音波の反射強度および前記超音波ドップラー流速計の位置情報を取得し、
前記反射強度と前記位置情報から、前記微粒子の三次元的な分布を推定することを特徴とする水中の濁り監視方法。
【請求項２】
前記超音波ドップラー流速計で計測された流速を用いて前記微粒子の輸送量を算出することを特徴とする請求項１記載の水中の濁り監視方法。
【請求項３】
超音波ドップラー流速計と、
前記超音波ドップラー流速計を移動させる移動手段と、
前記超音波ドップラー流速計の位置情報を取得する手段と、
前記超音波ドップラー流速計から発射されて水中の微粒子で反射された超音波の反射強度と前記位置情報から、前記微粒子の三次元的な分布を推定する手段と、
を具備することを特徴とする水中の濁り監視装置。
【請求項４】
前記超音波ドップラー流速計で計測された流速を用いて前記微粒子の輸送量を算出する手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の水中の濁り監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中の濁り監視方法および濁り監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海工事などで発生する濁りが工事海域外に流出すると、周辺環境に様々な問題が発生し、工事の工程に影響を及ぼす場合がある。そのため、工事で発生する濁りを計測する必要がある。従来、濁りの計測には、主に、（１）濁度計を用いる方法（例えば、特許文献１参照）や、（２）採水したサンプルの濁度を測定する方法（例えば、特許文献２参照）が使用されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５４０６９号公報
【特許文献２】特開平６−０２７０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、（１）、（２）の方法とも、鉛直方向や水平方向の濁度分布を計測するのではなく、水中の１点の濁度を計測するため、工事海域において三次元的に分布する濁りを測定することが不可能である。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、三次元的な濁りの分布や濁り粒子の輸送量を短時間に計測し、工事で出る濁りを詳細に管理することができる水中の濁り監視方法および濁り監視装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するための第１の発明は、超音波ドップラー流速計を移動させつつ、前記超音波ドップラー流速計から発射されて水中の微粒子で反射された超音波の反射強度および前記超音波ドップラー流速計の位置情報を取得し、前記反射強度と前記位置情報から、前記微粒子の三次元的な分布を推定することを特徴とする水中の濁り監視方法である。
【０００７】
超音波ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）は、水上で移動可能な観測船等に設置される。超音波ドップラー流速計は、水中に複数の超音波ビームを発信し、鉛直方向の各層の微粒子で反射させて水深毎の流速を計測すると同時に、反射した超音波の反射強度を水深毎に取得する。微粒子とは、例えば、浮遊土砂等である。超音波ドップラー流速計の超音波の周波数は、水深により変化させる。
【０００８】
さらに、観測船には、位置情報を取得するために、例えばＧＰＳ（汎地球測位システム）等の設備が設置される。ＧＰＳ等で観測した水平方向の位置情報と超音波ドップラー流速計で観測した鉛直方向の各層の微粒子による反射波の反射強度は、コンピュータ等に送られ、微粒子の三次元的な分布が推定される。また、超音波ドップラー流速計で測定した流速と、推定された微粒子の三次元的な分布等から、水中の微粒子の輸送量が算出される。
【０００９】
第１の発明では、超音波ドップラー流速計を移動しつつ、超音波ドップラー流速計から発射されて水中の微粒子で反射された超音波の反射強度を取得する。また、超音波ドップラー流速計の位置情報も取得する。そして、取得した反射強度と位置情報から、水中の微粒子の三次元的な分布を推定する。さらに、超音波ドップラー流速計で計測された流速を用いて微粒子の輸送量を算出することができる。
【００１０】
第２の発明は、超音波ドップラー流速計と、前記超音波ドップラー流速計を移動させる移動手段と、前記超音波ドップラー流速計の位置情報を取得する手段と、前記超音波ドップラー流速計から発射されて水中の微粒子で反射された超音波の反射強度と前記位置情報から、前記微粒子の三次元的な分布を推定する手段とを具備することを特徴とする水中の濁り監視装置である。
【００１１】
移動手段には、例えば観測船を使用し、観測船の舷側等に超音波ドップラー流速計を設置する。また、超音波ドップラー流速計の水平方向の位置情報を取得する手段として、観測船にＧＰＳ等を設置する。さらに、水中の各層に浮遊する微粒子で反射された超音波の反射強度と超音波ドップラー流速計の位置情報から微粒子の三次元的な分布を推定し、超音波ドップラー流速計で計測された流速と推定された微粒子の分布から微粒子の輸送量を算出する手段として、コンピュータ等を用いる。
【００１２】
第２の発明では、観測船等を移動させつつ、超音波ドップラー流速計の位置情報をＧＰＳ等で取得する。超音波ドップラー流速計は、複数の超音波ビームを発信し、水中の微粒子で反射させて流速を計測すると同時に、水中の微粒子で反射した反射波の反射強度を取得する。そして、超音波ドップラー流速計の位置情報と超音波の反射強度から、コンピュータ等を用いて、微粒子の三次元的な分布を推定する。さらに、超音波ドップラー流速計で計測された流速を用いて微粒子の輸送量を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、三次元的な濁りの分布や濁り粒子の輸送量を短時間に計測し、工事で出る濁りを詳細に管理することができる水中の濁り監視方法および濁り監視装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、濁り監視装置１の概要図である。濁り監視装置１は、観測船３、ＡＤＣＰ（超音波ドップラー流速計）５、コンピュータ１９、ＧＰＳ２０等で構成される。ＡＤＣＰ５は、例えば、観測船３の舷７側等に設置される。コンピュータ１９、ＧＰＳ２０は、例えば、観測船３上に設置される。
【００１５】
観測船３は、ＡＤＣＰ５を任意の位置に移動させる。図１に示すように、ＡＤＣＰ５からは、複数本の超音波ビーム１１が水底７に向けて発射される。矢印Ａに示す方向に発射された超音波ビーム１１は、測定セル１３の位置に浮遊する微粒子１５で矢印Ｂの方向に反射される。ＡＤＣＰ５は、この反射波１４のドップラーシフトで、測定セル１３を含む水平面でのＡＤＣＰ５の直下の流速２１を測定する。
【００１６】
流速２１を測定すると同時に、ＡＤＣＰ５は、超音波ビーム１１の矢印Ｂ方向の反射波１４の反射強度を取得する。図１では、鉛直方向の１つの層の測定セル１３のみを図示したが、ＡＤＣＰ５から発射された超音波ビーム１１は鉛直方向の各層の測定セル１３中に浮遊する微粒子１５で反射され、ＡＤＣＰ５は鉛直方向の各層毎の流速２１と、反射波１４の反射強度を同時に取得する。ＡＤＣＰ５を用いて測定された水深毎の流速２１および反射波１４の反射強度は、コンピュータ１９に入力される。
【００１７】
観測船３に設置されたＧＰＳ２０は、ＡＤＣＰ５の位置情報を取得する。濁り監視装置１では、濁り全体の分布を網羅できるように、濁り発生源を中心に経過時間ごとに観測船３の航行範囲を広げながら、ＡＤＣＰ５による流速２１と反射波１４の反射強度の観測と、ＧＰＳ２０によるＡＤＣＰ５の位置の観測とが行われる。ＧＰＳ２０を用いて取得されたＡＤＣＰ５の位置情報は、コンピュータ１９に入力され、表示画面に表示される。
【００１８】
図２は、ＧＰＳ２０で観測された観測船３の軌跡２５、すなわちＡＤＣＰ５の位置情報を示す図である。図２では、例えば、横軸が東西方向の位置を、縦軸が南北方向の位置を示す。観測船３の軌跡２５に示す曲線から枝分かれした複数の直線３１は、枝分かれ位置においてＡＤＣＰ５で測定された、水中９の所定の層での流速２１と流向を示す。
【００１９】
図２に示す例では、投入地点２７から水中に投入された土砂等の濁り２９ａが、時間の経過とともに南西方向の流れで濁り２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅに示す位置に運ばれる。観測船３の軌跡２５は、海上の観測船３が待機位置２３から矢印Ｃに示す方向に移動を開始し、その後、濁り２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ上を往復しながら通過したことを示す。
【００２０】
図３は、観測船３の軌跡２５に示す位置および時刻での超音波反射強度を示す図である。横軸は時刻を、縦軸は水深を示す。横軸に示す時刻は、図２に示す観測船３の軌跡２５、すなわちＡＤＣＰ５での反射強度の測定位置に対応し、観測船３の走行中には距離に換算可能である。例えば、図３の待機中３３に示す時間帯には、観測船３は図２に示す待機位置２３で待機中である。また、図３の走行中３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅに示す時間帯には、観測船３は図２に示す濁り２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅのある海上を横切って走行中である。
【００２１】
凡例３６は、超音波反射強度と図３中の表示パターンの対応関係を示す。ＡＤＣＰ５で取得された超音波反射強度と、ＧＰＳ２０で取得された位置情報を入力されたコンピュータ１９は、観測船３の軌跡２５に示す位置および時刻での水中９の反射波１４の反射強度を、凡例３６に示すような表示パターンを用いて、表示画面に表示させる。
【００２２】
図４は、採水分析で求めたＳ．Ｓ．（浮遊粒子）濃度とＡＤＣＰ信号反射強度との関係を示す図である。縦軸は採水分析で求めたＳ．Ｓ．（浮遊粒子）濃度を、横軸はＡＤＣＰ５で観測されたＡＤＣＰ信号反射強度を示す。点３７は、表層、中層、低層の各位置で採取したサンプルのＳ．Ｓ．濃度と、同じ位置での超音波反射強度とを示す。
【００２３】
直線３９は、点３７に示すデータの相関直線である。表層、中層、低層のいずれにおいても、水中９で採取したサンプルのＳ．Ｓ．濃度と、同じ位置での超音波ビーム１１の反射波１４の反射強度との間には、同様の相関関係が見られる。微粒子１５からの超音波反射強度は、粒子径及び粒子間の距離（密度）が影響すると考えられ、直線３９の関係から、コンピュータ１９等を用いて、ＡＤＣＰ５で観測した超音波反射強度（図３）をＳ．Ｓ．濃度に換算した推定値が求められる。
【００２４】
図５は、空港島４１とその北西に設置されたシルトフェンス４３付近の流速と流向の分布例を示す図、図６は、図５に示す表示範囲４５の濁り分布の予測例を示す図である。図５に示す複数の線の長さは流速を、向きは流向を示す。
【００２５】
図５に示すような流速および流向のデータと、ある時点での濁りの分布から、コンピュータ１９等を用いて、土砂等の微粒子１５の輸送量が算出され、任意の時間や水深の濁り範囲の予測が行われる。予測結果は、図６に示すように、各濃度のＳ．Ｓ．濃度に対応する複数の表示パターンを用いて表示画面に表示される。
【００２６】
図５に示す流速および流向のデータには、例えば、濁り監視装置１のＡＤＣＰ５で観測された流速・流向や、潮汐、風、河川流入等を考慮して算出した流速・流向が用いられる。濁りの分布のデータには、濁り監視装置１で観測された微粒子１５の濃度分布や、土運船から土砂が投下される時刻、位置等の情報が用いられる。
【００２７】
次に、濁り監視装置１の動作について説明する。濁り監視装置１を用いて三次元的に濁りを監視するには、観測船３は、図２に示すように、濁り全体の分布を網羅できるよう、濁り発生源を中心に経過時間ごとに航行範囲を広げながら航行する。図２に示す例では、観測船３が待機位置２３で待機している間に、土運船等を用いて濁り発生源となる投入地点２７から土砂等の微粒子１５を投入した。観測船３は、周囲の水面まで濁りが現れるまで待機を続けた後、矢印Ｃに示す方向に移動を開始し、水中９に発生した濁り２９ａの上方の海上を通過した。
【００２８】
次に、観測船３は矢印Ｄに示す方向に方向転換し、濁り２９ａが南西方向の流れで濁り２９ｂに示す位置に運ばれるのに合わせて、濁り２９ｂの上方の海上を通過した。さらに、観測船３は、矢印Ｅ、矢印Ｆ、矢印Ｇに示す方向に方向転換を繰り返し、南西に運ばれた濁り２９ｃ、２９ｄ、２９ｅの上方の海上を通過した。
【００２９】
図１に示すように、投入位置２７での土砂投入直後から、観測船３が海上を移動を続ける間、観測船３の舷７に設置したＡＤＣＰ５から水底７に向けて複数の超音波ビーム１１を発射する。矢印Ａに示す方向に発射された超音波ビーム１１は、鉛直方向の各層の測定セル１３内に浮遊する微粒子１５により、矢印Ｂの方向に反射される。
【００３０】
ＡＤＣＰ５は、矢印Ｂの方向に反射された反射波１４のドップラーシフトで、鉛直方向の各層について、測定セル１３を含む水平面でのＡＤＣＰ５の直下の流速２１を測定する。同時に、ＡＤＣＰ５は各層に浮遊する微粒子１５による反射波１４の反射強度を取得する。そして、水深毎の流速２１および反射波１４の反射強度の情報をコンピュータ１９に送る。
【００３１】
濁り監視装置１は、ＡＤＣＰ５で水深毎の流速２１と反射波１４の反射強度を測定すると同時に、観測船３上に設置されたＧＰＳ２０で観測船３の移動の軌跡、すなわちＡＤＣＰ５の位置情報を取得して、位置情報のデータをコンピュータ１９に送る。
【００３２】
コンピュータ１９は、入力された位置情報に基づいて、図２に示すように、観測船３の軌跡２５を表示画面に表示する。図２に示すように、表示画面に、ＡＤＣＰ５から入力された流速２１等のデータを直線３１を用いて同時に表示してもよい。観測船３の軌跡２５は、ＡＤＣＰ５の水平方向の測定位置を示す。観測船３の軌跡２５から枝分かれした直線３１の長さは、枝分かれ位置での水中９の流速２１を示し、直線３１の向きは、枝分かれ位置での流向を示す。
【００３３】
図２に示すようなＡＤＣＰ５の位置情報、および、超音波ビーム１１の反射波１４の反射強度を取得した後、コンピュータ１９は、反射波１４の反射強度とその測定位置との関係を整理し、図３に示すようなグラフを表示画面に表示する。
【００３４】
図３に示す例では、待機中３３の後半以降の時間帯に、超音波反射強度の高い部分３４が観測された。これは、投入地点２７で土砂が投入された後、投入地点２７から待機位置２３に向かって水底１７を這うように動いてきた濁りを捉えている。また、高い超音波反射強度が観測された走行中３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅの時間帯には、観測船３は図２に示す濁り２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅの上を走行していた。
【００３５】
図３から、超音波反射強度の高い部分が濁りの存在する位置に対応すると考えられる。また、最初に発生した強い濁り２９ａは、時間が経過して、濁り２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅの位置に移動するにつれて薄まっていくことがわかる。さらに、水深の浅い水表面から見える濁りの範囲より、水深の深い部分の方がより広い範囲に濁りが広がっていることがわかる。
【００３６】
コンピュータ１９は、図４に示すような、Ｓ．Ｓ．濃度とＡＤＣＰ信号反射強度との相関から、反射波１４の反射強度をＳ．Ｓ．濃度に換算する。ＡＤＣＰ５は、観測船３で水平方向に移動しながら鉛直方向の各層における反射強度を取得しているため、三次元的な濃度分布が推定される。
【００３７】
さらに、コンピュータ１９は、ＡＤＣＰ５で測定した流速２１等、または、潮汐、風、河川流入等の条件を考慮して算出した流速と流向の分布を用いて、必要に応じて、図５に示すような画面を表示画面に表示する。また、流速および流向と、ＡＤＣＰ５で観測したある時点での濁りの分布や、土砂を投入する位置等の濁りについての情報から、土砂等の微粒子１５の輸送量を算出し、任意の時間や水深の濁り範囲の予測を行い、図６に示すような表示パターンを用いて表示画面に表示する。
【００３８】
濁りの分布を予測する対象範囲および対象時刻は、任意に設定できる。必要に応じて、濁り分布の経時変化の予測結果を、図６に示すような表示パターンを用いて連続して表示してもよい。
【００３９】
このように、本実施の形態では、ＡＤＣＰ５を取り付けた観測船３を水平方向に移動させつつ、濁度の基となる微粒子１５からの超音波反射強度を連続観測する。ＡＤＣＰ５が、水平方向に移動しつつ、鉛直方向の各層の超音波反射強度を同時に測定するため、三次元的な濁りの濃度分布を短時間に計測することができる。また、ＡＤＣＰ５で計測した流速２１を用いて微粒子１５の輸送量を算出して濃度分布を予測し、工事で出る濁りを高度に管理することができる。
【００４０】
なお、図１では、観測船３の舷７にＡＤＣＰ５を設置したが、ＡＤＣＰ５の設置位置はこれに限らず、船底に設置したり、海面を曳航してもよい。また、コンピュータ１９の設置位置は観測船３上に限らず、ＧＰＳ２０やＡＤＣＰ５からのデータを受信できる他の場所に設置してもよい。
【００４１】
ＡＤＣＰ５で取得される反射波１４の反射強度は、薄い濁りに敏感に反応する傾向があり、定量的な濁度の把握には、濁度計を併用することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】濁り監視装置１の概要図
【図２】ＧＰＳ２０で観測された観測船３の軌跡２５、すなわちＡＤＣＰ５の位置情報を示す図
【図３】観測船３の軌跡２５に示す位置および時刻での超音波反射強度を示す図
【図４】採水分析で求めたＳ．Ｓ．（浮遊粒子）濃度とＡＤＣＰ信号反射強度との関係を示す図
【図５】空港島４１とその北西に設置されたシルトフェンス４３付近の流速と流向の分布例を示す図
【図６】図５に示す表示範囲４５の濁り分布の予測例を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１………濁り監視装置
３………船
５………ＡＤＣＰ
１１………超音波ビーム
１５………微粒子
１９………コンピュータ
２０………ＧＰＳ
２１………流速
２３………観測船３の軌跡
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ………濁り
【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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