(57)【要約】【課題】  河川洪水時等に流砂の移動による河床高の変化を簡易な計測装置によって連続的に測定する。【解決手段】  河床４内から水面以上の所定位置まで立設されたベースプレート面に長手方向に所定の間隔をあけて多数の電極１３が配列された電極センサ１１と、電極センサ１１の計測対象電極間の任意の２点間の回路接続を設定可能なマトリックス回路を有する電極チャンネル切替手段２０と、マトリックス回路の電極間の比抵抗値を測定するとともに、比抵抗値と電極位置情報とを記憶する計測制御部３０とを備え、計測制御部３０を介して収集された電極位置情報と比抵抗値とから、対象河川の河床高を測定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
河床内から水面以上の所定位置まで立設されたベースプレート面に長手方向に所定の間隔をあけて多数の電極が配列された電極センサと、該電極センサの計測対象電極間の任意の２点間の回路接続を設定可能な電極チャンネル切替手段と、前記回路の電極間の比抵抗値を測定するとともに、該比抵抗値と電極位置情報とを記憶する計測制御部とを備え、前記計測制御部を介して収集された前記電極位置情報と比抵抗値とから、対象河川の河床高を測定することを特徴とする河床高測定装置。
【請求項２】
前記電極チャンネル切替器は、前記計測制御部のリレー制御により所定の回路切替設定がなされることを特徴とする請求項１記載の河床高測定装置。
【請求項３】
前記計測制御部は、内部記憶部あるいは外部記憶部インターフェースを介して前記電極位置情報と比抵抗値とが記憶されることを特徴とする請求項１記載の河床高測定装置。
【請求項４】
河床内から水面以上の所定位置まで長手方向に所定の間隔をあけて多数の電極が配列された電極センサのうちの、計測対象電極間の任意の２点間の回路接続を設定し、該前記回路の電極間の比抵抗値を測定し、その収集された前記電極位置情報と比抵抗値とから、対象河川の河床高を測定することを特徴とする河床高測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は河床高測定装置および河床高測定方法に係り、河川洪水時に流砂の移動による河床高変化を連続的に測定することができるようにした河床高測定装置と同装置を利用した河床高測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の河床高の測定には、一般的な発光部と受光部との間を測定する光学式や超音波の河底での反射を利用する超音波方式の他、河川内に下端に水深測定用ワイヤを吊下し、下端に安定翼を有する流線型状のレッドを取り付け、このレッドを水底に着地させることで、水深を測定する装置（特許文献１）や、複数個の浮力を有し、発信機を備えたセンサを、河床深さ方向に、磁力等により個々のセンサを数珠つなぎ状に連結して河床内に埋設しておき、洪水等で河床面がえぐられた際に、その上端に位置する１個のセンサが河床面から分離し、河川中に流れ出して分離信号が発信された際に、河岸に設けられた受信設備において、発信信号を捉え、該当センサの河床面からの分離による情報により河床の低下状態を把握する装置等も提案されている（特許文献２）。
【０００３】
一方、最近光ファイバを用いたファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧ）のひずみを多点計測することで、対象となる河床の洗掘状態を遠隔地で連続して測定できるようにした河床洗掘・流速計測システム等も提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−１５３６５３公報。
【特許文献２】特開２００２−３６５０４６公報。
【特許文献３】特開２００４−１６３２１９公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波式や光学方式は濁水や浮流砂の影響、岩石による空隙等が河床高の測定値に誤差を生じやすい。また、特許文献２に示したセンサでは、多数の送信機能を備えたセンサを河床に埋設し、さらにそれらセンサは洪水時には流失してしまうため、高価なシステム装置となり、洪水が治まった後でのセンサの再埋設等の修復費用が嵩むという問題がある。さらに特許文献３に示したセンサは、高精度センサであるが、感圧部であるダイアフラムとそのひずみを伝達するブルドン管等の圧力／変位変換部及びその変位を検知するＦＢＧ（ファイバブラッググレーディング）と、各ＦＢＧ間を連絡し、計測（反射）信号を伝達する光ファイバと、各波長処理を行う演算部とを備える必要があり、多点計測を実現するためには、部品構成が複雑になるという問題がある。
【０００５】
また、計測精度上の問題として、超音波方式は、浮流砂や乱流の影響により超音波が反射・吸収されるため測定値にふらつきが発生しやすい。特許文献１の場合にもレッドが十分に重量がある場合にも、洪水時の激流中において鉛直性を保持して吊下させることは困難である。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、安価な部品構成からなり、洪水時等の河床変化が著しい場合にも、多点位置での計測が容易に行え、精度良く河床変動を計測可能な河床高測定装置および河床高測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は河床内から水面以上の所定位置まで立設されたベースプレート面に所定の間隔をあけて長手方向に多数の電極が配列された電極センサと、該電極センサの計測対象電極間の任意の２点間の回路接続を設定可能な電極チャンネル切替手段と、前記回路の電極間の比抵抗値を測定するとともに、該比抵抗値と電極位置情報とを記憶する計測制御部とを備え、前記計測制御部を介して収集された前記電極位置情報と比抵抗値とから、対象河川の河床高を測定することを特徴とする。
【０００７】
前記電極チャンネル切替器は、前記計測制御部のリレー制御により所定の回路切替設定を行うことが好ましい。
【０００８】
前記計測制御部は、内部記憶部あるいは外部記憶部インターフェースを介して前記電極位置情報と比抵抗値とを記憶することが好ましい。
【０００９】
また、同装置を用いた測定方法として、河床内から水面以上の所定位置まで長手方向に所定の間隔をあけて多数の電極が配列された電極センサのうちの、計測対象電極間の任意の２点間の回路接続を設定し、該前記回路の電極間の比抵抗値を測定し、その収集された前記電極位置情報と比抵抗値とから、対象河川の河床高を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上に述べたように、本発明によれば、シンプルで堅牢な構造のセンサ部を有し、その測定電極数を多数、任意に設定することができ、それにより容易に河床の状態を把握することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の河床高測定装置および河床高測定方法の実施するための最良の形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の河床高測定装置１０の電極センサを河床内構造物１に取り付けた状態及び河川の状態を模式的に合わせて示したセンサ取付状態説明図である。同図に示したように、本実施例の電極センサ１１は、細長板状のベースプレート１２の表面に所定間隔で、１対の２極電極板１３を、ベースプレート１２の長手方向に所定間隔で配列して固定した構成からなる。本実施例では、ベースプレート１２は長手方向（河川深さ方向）の測定範囲が２０００mm確保できる程度の長さを有した合成樹脂板で、プレート１２表面には４１対の電極板１３が長手方向に５０mmの間隔で取り付けられ、河川深さ方向の測定精度は５０mmに設定されている。そして河川３内に構築されたコンクリート構造物等、河川流の影響により変形、変位が生じない固定部に鉛直となるように固定される。したがって、通常の河川流によって、あるいは洪水時の急流によって河床に堆積する岩石、土砂等が矢印で示したように流動し、河床４に堆積したり、洗掘されるおそれがある個所では、その河床の変化状態も確実に計測できるように電極センサ１１の下部の所定長分を河床４内に埋設させて設置することが重要である。
【００１３】
本実施例では、電極板１３としてステンレス製チップがプレート１２に所定ピッチ（本実施例では５０mm）固着され、各チップには信号線ケーブル１４が接続され、電極数分の信号線ケーブル１４が電極センサ１１上端から束状にまとめて導出されている。電極板１３の取付ピッチを狭くした場合は、その範囲において高分解能で河床高を検出できる。一方、大きな岩石等による大きな空隙がある場合には、少し離れた電極間隔に設定し、広範囲なエリアで検出することで空隙による誤差を少なくすることが可能である。
【００１４】
図２は、電極センサ１１と、電極センサ１１に接続された電極チャンネル切替器２０、計測制御部３０、外部記憶部インターフェース（Ｉ／Ｆ）３１およびオプションとしてのデータ送信部３２と、これらの装置に所定の電流供給するためのバッテリー３３とから構成されたシステム構成ブロック図を示している。電極センサ１１から導出された多数の信号線ケーブル１４は、電極チャンネル切替器２０の各端子に分配されて接続されている。この電極チャンネル切替器２０には、公知の電磁リレーあるいは半導体リレーによるマトリックス回路が組み込まれており、複数の電極板１３間での通電設定状態が自由に組み合わせできるようになっている。その電極板１３間の通電設定の組み合わせパターンは、計測制御部３０本体のＲＯＭに書き込まれた基本パターンを用いたり、外部の設定ソフトウエアを操作して、想定される河川（河床）３，４の変化状況に応じた特殊なパターンを適宜設定することもできる。また、電極の組み合わせパターンとともに測定間隔の任意に設定することができる。
【００１５】
なお、電極センサ１１の水中に位置する個所には少なくとも１個の温度計測センサ１５が取り付けられている。この温度計測センサ１５によって計測対象電極間の比抵抗測定時の水温を測定し、その計測温度に応じた比抵抗の温度補正を行うことが好ましい。
【００１６】
本発明の計測制御部３０は、電極間を通電させたときの比抵抗を測定する図示しない比抵抗測定部、計測チャンネル制御部および外部記憶部Ｉ／Ｆ３１とから構成されている。比抵抗測定部は対象となる電極に通電した際に得られる電極間の比抵抗値によって、その電極が河川中のどの位置（相）に位置するかを認知することができる。すなわち、図１のように河川中の河床４、河川３、水上部５のように異なる媒質内に生じる電場における比抵抗値はそれぞれ異なるレンジを示すことが知られている。これを利用すれば、河川内構造物の鉛直方向に沿って所定の間隔をあけて配設された電極の位置が、河川３内か、河床４の土砂内か、水上部５かが、水、土砂（砂層、礫層）のように、異なる媒質内において異なる電気伝導率（比抵抗値）が得られるため、各値をもとに、媒質しての地質状態や、相の配列状態を容易に判別することができる。このとき、各電極部の比抵抗値は電極の近傍に生じる電場で計測されるため、洪水時のように河川水が濁水状態にあり、また浮流砂等が大量に流下するような状況においてもその影響を最小限に抑えることができる。
【００１７】
ここで、電極センサ１１による比抵抗値測定の基本原理について、図３各図を参照して説明する。たとえば電極センサ１１が河川３の水中にある場合、水中の電解質によって電極に通電された際に生じる電場は大きくなるため、このときの比抵抗値は小さく検出電流は大きくなる（同図（ａ））。河床４内では電極板１３に接する土砂、水分等が複合的に媒質を構成しているが、水中に近い状態にあるが、土砂等の不導体が多く混在していることにより比抵抗が大きくなるため、計測電流も中程度になる（同図（ｂ））。また、水面上の空気中の比抵抗値は小さく、通電流も小さく計測される（同図（ｃ））。このように、電極センサ１１が河川の河床４から水上部５まで位置させておき、選択された各電極間の比抵抗値を網羅的に計測することにより、その計測時の河床高、水深を計測することができる。
【００１８】
一方、図４に示したように、河床４内で電極センサ１１が大きな礫６が堆積した中に立設されたような場合、電極板１３間に土砂がない空洞７が接するような部位もある。このときの計測値によれば、この部位は水中と同じ状態と認知されるが、さらにその上下の電極間にわたる比抵抗値を網羅的に計測することにより、上述の値は河床４中の礫６による局所的な空洞であることが判別できる。
【実施例２】
【００１９】
次に、上述した２電極の組み合わせを行うマトリックス回路を利用して、他の２電極をを追加して４電極式計測も行うことができる。この４電極式計測によれば、計測対象の２電極に加え、他の２電極を電極センサ１１中の離れた電極（遠電極）を対応させることで計測対象である２電極間での計測精度を向上させることができる。この４電極式計測の実施例のシステム構成を図５に示す。同図に示したように、４電極式では、電流電極と検出電極を分離して計測し、検出電極をアース３５して電流を流さないことで、電極の接触抵抗をキャンセルするようになっている。たとえば、本システムでは、２電極式で計測される水中における抵抗値に加えて遠電極の接触抵抗が加算されて測定される。このようにして接触抵抗は、交流の測定電流を用いて周波数を上げることで低く抑えられ、通常の測定では問題ない精度で水等の媒質の抵抗値が測定できるが、水のように媒質の抵抗値が接触抵抗に比べて低い場合や、高精度での測定値が要求される場合には、４電極式による計測を行うことが好ましい。
【００２０】
以下、本発明の河床高測定装置１０の河床内構造物１に設置した例について、図６，図７を参照して説明する。
【００２１】
図６は、橋脚４０の一部が河床４内に埋設する橋脚において、河川流量の変化に応じた河床高の変化を測定するために河床高測定装置１０を設置した例を示した概略斜視図である。同図に示したように、河床高を測定したい柱コンクリートの側壁面４１に沿って電極センサ１１を貼付し、電極センサ１１から導出された計測制御部３０は、橋座コンクリート（梁）４２上に架設される橋桁４３の近傍の所定位置に据え付けることが好ましい。複数本の橋脚について、河床高計測を行う場合には、橋桁スパンに沿って信号線ケーブルを保持させて河岸のデータ収集部（図示せず）まで配線することが好ましい。
【００２２】
図７は、電極センサ１１を取付可能な河川内構造物等が構築されていない河川等の所定位置に電極センサ１１を設置する実施例を示した説明図である。同図に示したように、この場合には、Ｈ形鋼による仮設杭４５を使用し、仮設杭を河床４に打設後、電極センサ１１を取り付けることが好ましい。電極センサ１１の後付けが難しい場合には、予め仮設杭４５の側面に電極センサ１１を取り付けておき、河床４の打ち込み部の電極センサ１１には所定の防護カバー（図示せず）を取り付けておき、設置後この防護カバーを撤去して電極センサ１１を河床土砂に接するようにさせる。計測制御部３０は杭頭に設置される防水製の収納箱内に設置するが、陸上部まで信号線ケーブルの配線が困難な場合は、携帯電話等によるデータ送信を行うことが好ましい。
【００２３】
収集された計測データは計測制御部３０内にセットされた記録媒体に保存し、所定のタイミングでデータ回収する方法と、計測と同時にデータ伝送装置により監視所等のデータ受信、処理部を備えた個所にデータを伝送し、連続的な監視を行うことが好ましい。連続的な監視体制をとることにより、台風等による被害発生が予想される場合に、監視所等の施設のモニターにリアルタイムで、河川状況表示して、各種の注意報、警報を発令するために必要な情報を逐次収集することができる。
【００２４】
以上の説明では、比較的変動の大きい河川の河床高の測定を例として発明、実施例の説明を行ったが、本発明は、たとえば土砂が流入する可能性がある湖沼、貯水池等において、その水底部の状況変化を計測するための手段としても有効に使用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の河床高測定装置の取り付けた状態を示したセンサ取付状態説明図。
【図２】本発明の河床高測定装置の実施例１のシステム構成ブロック図。
【図３】電極センサによる計測態様の例を示した部分説明図。
【図４】電極センサによる計測状態を示した部分説明図。
【図５】本発明の河床高測定装置の実施例２のシステム構成ブロック図。
【図６】河床高測定装置を橋脚に取り付けた実施例を示した斜視図。
【図７】河床高測定装置をＨ形鋼の仮設杭に取り付けた実施例を示した斜視図。
【符号の説明】
【００２６】
１  河床内構造物
３  河川
４  河床
５  水上部
６  礫
１０  河床高測定装置
１１  電極センサ
１３  電極板
１４  信号線ケーブル
１５  温度計測センサ
２０  電極チャンネル切替器
３０  計測制御部
【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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