技術資料 近年における流量観測技術の高度化について ~ 関連論文のレビュー ~ * 稲垣達弘 ** 島田友典 *** 横山洋 **** 石谷隆始 1. はじめに 2. 流量観測の高度化に向けた取り組み 河川の流量観測情報は 治水計画の策定 利水量の算定 良好な河川環境の保全等 河川の適正な管理を行う上で極めて重要である しかし 河川における水の流れは観測地点の地理的条件や周辺環境により様々であり 例えば下流域の感潮区間では潮汐の影響を受け 河川水位が周期的に変動する現象が起こるほか 渇水による河川水位の低下や津波による海水面の上昇により海水が河川を遡上する逆流現象も観測される さらに 洪水の増水期と減水期では水面勾配の違いや河床変動等に起因して水位と流量の関係が一義的とならずにループを描くことも知られており これらの流況下では正確な流量の把握が極めて困難である 従来の流量観測には 1 感潮域の河川流量を正確に観測できない 2 大雨や強風の伴う荒天時や夜間の浮子観測には危険が伴う 3 人力観測であり急激な洪水の立ち上がりやピークの観測に間に合わない 4 中小洪水の観測データが少ないといった課題が指摘されている このようななか 水文観測業務規程 1) が全面改定され 新たに水文観測における技術開発が位置づけられた これを契機として 従来の流量観測手法における課題に対応する様々な新技術を用いた観測手法が開発され 普及に向けた実地検証が進められている 学術面の取り組みでは 新技術に関する研究成果を集約した論文集 河川流量観測の新時代 2) が 2010 年 9 月に水文 水資源学会研究グループ河川流量観測高精度化研究会から発表されている 本報告は近年 流量観測技術の高度化を目指して技術開発が進められている新たな観測手法に関する知見を既往文献から整理するとともに 十勝川に築造された実物大水理実験施設 十勝川千代田実験水路 3) で実施している新技術を用いた流量観測 4) について紹介するものである (1) 水文観測業務規程の改定水文観測業務については 1966 年に制定された水文観測業務規程及び同細則により実施されてきたが 2002 年 4 月に全面的な改定が行われ 現状の水文観測業務の実施状況を踏まえた水文観測業務の実施主体の明確化 普通観測及び委託観測制度の廃止 水文観測成果の公開の義務 水文観測成果の品質確保のための検定制度の導入 監査制度の充実等が追加された 規程第 21 条には 河川局長及び地方整備局長は 水文観測技術の開発及び観測精度の向上に努めなければならない と明記され これに基づいて各地方の指定観測所を中心として 今後の省力化やコスト縮減を図っていくための新技術を積極的に開発 検証していくこととなった (2) 従来の流量観測手法における課題河川局河川環境課長通知 (2002 年 4 月 22 日 ) 5) では 従来の流量観測手法 ( 洪水時は浮子 低水時は可搬型流速計を主に利用 ) の課題を次のように示している 1 観測回数の増加は多額の費用を要し また高水観測が必要と判断してから観測実施まで時間を要すことから 洪水立ち上がり部の観測を捉え難い 2 植生等の影響を受けて 高水敷上における浮子流速の観測精度が低下する 3 橋脚後流や乱流構造等の流れの乱れによる影響が生じる 41 級水系の上流域及び支川等の中小河川では 流量観測地点が大河川に比べて少なく 今後の洪水予警報等の精度向上のためには観測地点を増加させる必要がある このなかで 1 及び2に対しては 非接触型流速計による流速観測法を 4については既存の河川横断工作物等を利用した簡易な流量観測方法について実際の現場レベルにおける実証試験が望まれ 3については 今後現場レベルにおいて幅広い条件下における実証デ 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 21
図 -1 新技術を用いた観測手法の体系図 ータを蓄積しながら 業務規程 マニュアル等の改訂を図ることとされた (3) 新技術による観測の実証試験課題への対応として 各地方整備局等において 下記の技術開発を行うことになった 1 非接触型流速計 ( 電波 超音波流速計 PIV 方式 オプティカルフロー方式流速計等 ) の実証試験 2 既存の河川横断工作物を利用した簡易な流量観測の実証試験 3 高水および低水流量観測における技術基準再検討のための精密観測次章から 新技術による観測手法の研究事例について概説していくが ここで非接触型観測法 ( 観測機器のセンサー類が流水に全く接しない観測手法 ) の技術開発と共に接触型観測法 ( 観測機器のセンサー類が流水に接する観測手法 ) の技術が目覚ましく発展していることに着目する必要がある 接触型観測法は ADCP に代表される新しいセンサー技術の開発により 従前技術では捉えられなかった詳細な水理構造の把握を可能としている そのため非接触型観測法の精度検証やキャリブレーションに使用されることも多く両者の関わりは深い そこで本報告では第 3 章で接触型観測法の新技術について 第 4 章では非接触型観測法の新技術についてそれぞれ紹介することとする ( 図 -1) 3. 新技術の事例 ~ 接触型観測法 ~ 接触型観測法は 機器のセンサー部を水面に浮かべ もしくは水中に浸した状態で計測する方法である 原理には超音波技術を応用したものが多く見られ 超音波の反射波や伝播速度を利用して流向 流速を観測する 3-1.ADCP 移動観測についての検討例 (1) 機械の概要 計測の原理 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler: 超音波多層流向流速計 ) とは4つの送受信面から超音波を発射し 設定した水深毎の流向 流速を計測する機器で 一度に多層のデータを得られることが特徴である 原理は発射した超音波ビームが水中の散乱体 ( プランクトンやちり等の浮遊懸濁物 ) に反射し 戻ってくる超音波に周波数の変化 ( ドップラーシフト ) が生じることを利用して流向 流速を計測する ADCP は当初 海洋部門で主に普及したが 小型化と計測技術の飛躍的向上に伴い 河川流況計測における活用方法の検討が精力的に行われている 6) (2) 観測の方法 ADCP で河川流量を計測する方法は 無人の小型船艇により ADCP を水面上に浮かべ 任意の横断測線上を通過させながら連続的に流向 流速を計測する方法が一般的に採用されている 船艇の移動手段については RC( ラジコン ) ボートを用いて遠隔操縦する方法 ( 図 -2) や 船艇をロープ等で橋の上から曳航す 22 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月
る橋上操作艇 ( 図 -3) を用いる方法がある 小型船艇には ADCP( 主に1200kHz タイプ ) のほかに GPS 音響測深器 データ転送装置を搭載し 観測データを遠隔で同期取得することでリアルタイムモニタリングが可能となる RC ボートを用いる方法は木下 7) が1998 年頃から空中ペラ式 RC ボートにより阿賀野川や利根川で流量観測を行っているほか 橘田ら 8) が2008 年に市販の ADCP 専用 RC ボートを用いて四万十川の洪水流観測を行っている 橋上操作艇を用いる方法は 二瓶ら 9) が ADCP 流量観測法の標準化を目的として江戸川で実施しており ADCP の姿勢安定化のため 船艇にはコンパクトな専用船 (Riverboat Teledyne RDI 社製 ) を用いている 専用船は橋上から1 人でも引くことができ 一方の岸から対岸まで計測しながら橋上を0.17m/s(10 m/min) の速度で移動し 対岸から復路も計測することで1 往復 2 個の流速データを得る 図 -2 RC ボート ADCP (3) 流量の算出方法 ADCP は流向 流速と一緒に河床高を計測することができる 従って移動観測では ADCP により得られた断面流速分布 ( 図 -4) に流水断面積 ( 測深器を搭載している場合は測深器による断面 ) を乗じて流量を算出する ADCP には機器の特性から不感帯と呼ばれる計測不能領域があり 表層部と河床付近の流速を欠測するので 適切な方法で流速値を補完する必要がある これらの処理はメーカーが提供する標準ソフトで行うことができるが より正確な流量を算出するため研究者により独自の解析手法や計算ツール 10) が開発されている 図 -3 橋上操作艇による移動観測 ( 文献 -9 より ) (4) 観測の結果から得られた知見 RC ボートを用いた観測は木下 7) が出水時の阿賀野川 (1,175m 3 /s) や利根川 (1,500m 3 /s) で横断観測に成功している この時の阿賀野川の流速は3m /s である RC ボートによる移動観測の精度については 島田ら 11) が平水時の石狩川において河床設置型 ADCP 観測値との比較を行っており 走行速度が低速 (1.3 ~ 1.8m/s) の条件では10% 程度の相対誤差であることを報告している 橋上操作艇では二瓶ら 9) が2005 年から2007 年にかけて江戸川 ( 水面幅 70m 水深約 3m) の平水時の流量を観測し 回転式流速計による観測結果と比較している 流量観測の結果から ADCP による観測値の大部 図 -4 ADCP による断面流速分布分が誤差 10% の範囲内に収まり 誤差の平均値は- 3.6% となっている ただし 流量が小さい場合には精度が低くなる傾向が見られており その原因として低水流量時には水深が浅く ADCP の計測可能エリアが小さいことと 測深誤差が増加することを挙げている なお 二瓶らは橋の歩道上から0.17m/s の一定速度で船艇を移動させて往復観測しているが 船の移動速度は0.5m/s まで速めても精度はさほど低下しないことや 往路と復路の観測流量にはほとんど差がなく 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 23
移動観測方向により計測精度は変化しないことも示している 四万十川における洪水流の観測 8) から ADCP 移動観測では 洪水時の船艇の揺動が計測精度を低下させることがわかり 岡田ら 12) は高精度 MEMS 傾斜センサーを使用して船艇の揺動が計測値に及ぼす影響を調べ その結果から 船艇の揺動による傾斜角が15 度を超えない船体設計が重要であることを報告している このことについて萬矢ら 13) は 洪水流計測に適した船艇構造を調べるため 形状の異なるトリマラン形状 3 台とモノハル形状 1 台の計 4 台の橋上操作艇の安定性能を 流速 4m/s 程度の高速流の条件を持つ実河川で比較している その結果 揺動に対する安定性はトリマラン型 ( 図 -5) が優れており 中でも重心がボートの中央に位置し サイドハルがやや小さめのタイプは傾斜角が概ね10 度以下に抑えられ データ欠測がほとんど起こらなかったのに対し モノハル型では傾斜角が20 度を超えて変動し 欠測も多く生じたことを報告している 図 -5 トリマラン型橋上操作艇 (5) 今後の課題と展望 ADCP による移動観測の精度は十分に高いものであるが 1 小流量の場合や小規模スケールの河川では計測不能領域が広くなり計測精度が低下する 9) 2 出水時は流木 ゴミの浮遊により観測が困難な可能性が高い 13) 3 現場状況に応じて最適な機器設定をしなければならず 観測者の技量によってデータ取得精度に違いが生じる 10) 等の課題がある このうち2について 萬矢らによる船艇構造の研究 13) により適用範囲が広がることが期待される 3については最近は観測設定が不要なフルオートタイプの ADCP 10) が開発されており 誰が操作しても一定の品質が確保されるようになりつつある 3-2.ADCP 定点観測についての検討例 (1) 機械の概要 計測の原理北海道開発局石狩川開発建設部 ( 現札幌開発建設部 ) では石狩川石狩大橋観測所地点において ADCP600 KHz タイプを低水路流心の河床部に設置し 2005 年からリアルタイム流量観測を継続している 14),15) 当該箇所は石狩川 (KP26.6km) の感潮区域に位置しており潮汐の影響による周期的な水位変動を示すほか 渇水時には塩水が弱混合状態で遡上する特徴もみられる そのため 従来のH-Q 式による流量算定では流量の観測が不可能であったが ADCP により正 図 -6 石狩大橋における ADCP 定点観測 ( 文献 -15 より ) と負の両方の流向と流速分布が観測可能となり 従来 把握が困難であった干潮区間の複雑な流況把握を可能 としている (2) 観測の方法 ADCP はデータ送信用モデムと共に石狩大橋直上 流の流心部河床に打ち込んだ基礎杭上に設置され 上 向き方向にビームを発射し 鉛直方向各層における流 向 流速を計測している ( 図 -6) 受信用モデムは橋脚側面に設置されており ADCP のデータは水中音響モデムにより無線で受信され 光 ケーブルによって橋梁から観測局舎内の ADCP サー バまで伝送される サーバ内では圧力センサと大気圧 補正計から得られる水位データから流量を算出すると 同時に帳票作成とグラフィック処理が行われ Web サ ーバを介して石狩川開発建設部防災ネットワークに配 信されている (3) 流量の算出方法 定点観測では ADCP と自記水位計から得られる 測線上の単位幅流量 (q) と定期流量観測の観測流量 24 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月
(Q) との相関から作成した関係式 (q-q 式 ) を用いて 河川流量を算出している なお q-q 式は H-Q 式と 同様 年 1 回の更新が行われている (4) 観測の結果から得られた知見 2005 年から2006 年の平水時 (1,000m 3 /s 以下 ) における実測流量との比較 14) ではH-Q 式の流量は潮汐の影響により誤差が32% と大きくばらつくのに対し AD CP の流量は誤差が11% に収まっている また2009 年に観測された平水時 (100 ~ 1,500m 3 /s 程度 ) および出水時 (3,000m 3 /s 強 ) の比較 15) でも ADCP の誤差は概ね 5% 以内に収まっており ADCP 定点観測は低水から洪水まで高い精度を持つことが確認されている 図 -7 鶴見川の H-ADCP 観測システム ( 文献 -17 より ) (5) 今後の課題と展望定点観測は潮汐の影響を受ける感潮河川において 無人による連続的な流量観測を可能としている しかし ADCP の超音波は川の濁りにより減衰するため 高濁度時に安定した観測値が得られなくなる可能性が残されており今後の課題となっている 3-3.H-ADCP についての検討例 (1) 機械の概要 計測の原理 H-ADCP(Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler) は 従来型の ADCP をベースに開発されたもので 河岸のどちらか一方に横向きに設置した1 台の ADCP から2 方向に超音波を発射し水平方向の流速分布を観測するものである (2) 観測の方法 H-ADCP の観測は 河岸に昇降 回転装置を備え上下移動と回転駆動により連続的に多層の流向 流速を計測し 直接的に断面流速分布を測る方法や 固定設置した H-ADCP で1 層の流向 流速を計測し数値解析により断面流速分布を推測する方法がある 前者の方法による観測システムは2001 年に祖山ダム下流 ( 低水路幅 35m 水深 3m) 16) に 2003 年に鶴見川 ( 低水路幅約 100m 水深約 4m) 17) に設置されるなど各地で実用化されている 鶴見川のシステムでは 堤防高を機械原点として 水面下から0.5m 間隔で水平方向に観測を行いながら下降し 河床からやや上部にある可動部最下点で停止した後 0~7 の角度を1 間隔で回転して計 8 本の放射測線上の流速を計測する 計測は 約 7 分間で断面内の流速分布を計測し 10 分毎の水位 流速分布 図 -8 DIEX 法 ( 文献 -18より) 流量を出力している ( 図 -7) 後者の方法は二瓶ら 18) が開発した力学的内外挿技術 (DIEX 法 ) があり 2006 年から江戸川 ( 低水路幅約 70 m 水深約 3m) で長期モニタリングが継続されている DIEX 法は 河川流解析では適用例が極めて少ないデータ同化手法を導入し データ同化に際しては流速値を直接同化するのではなく 付加項を介して同化作業を実施することで横断面内の流速分布を推定している ( 図 -8) (3) 流量の算出方法 H-ADCP から得られる断面流速分布に流水断面積を乗じて流量が算出される 別途 自記水位計の水位データと横断測量による河床形状を与える必要がある また H-ADCP では水面下 1.0mが不感帯となるため 流量換算する場合には計測された第 1 層の流速値により補完する必要がある 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 25
(4) 観測の結果から得られた知見祖山ダム下流では 大東ら 16) が H-ADCP の流速 流量を電磁流速計およびダム放流量と比較し 流速 流量の相関係数はそれぞれ0.99 0.95となった結果から H-ADCP は十分な精度を有していることを報告している 鶴見川では岡田ら 17) が2003 年から2004 年までに AD CP 曳航観測と浮子観測結果の比較を行っている 平水時における流量観測結果について 2004 年 8~ 9 月の小潮と大潮時の観測流量との比較を行った結果 流量の正負が変化する時間帯に若干値が異なるほかは 曳航式 ADCP と H-ADCP は同等の精度を有していることを確認している 一方 洪水時における流量観測結果については 最大流量 (Q=653m 3 /s) 前後の観測結果より 断面平均流速が1m/s 程度 ( 流量で300-400m 3 /s 程度 ) までの出水は測定可能であるが それ以上の流量に対しては 浮遊砂の影響を受けて対岸近傍の流速が計測できなかったことが示されている DIEX 法については二瓶ら 18) が2005 年 9~ 12 月の連続観測結果 (40m ~ 400m 3 /s) を用いて精度検証を行っている 結果は H-ADCP の観測値は曳航型 ADCP およびプライス流速計と類似し全て誤差 ±10% 以内であり DIEX 法の相対誤差の RMS(Root Mean Square) は3.9% であり 標準的な低水流量観測法 (4.6 %) と同程度であることを示している また 2005 年の小出水時には 同一水位に対して増水期の流量が減水期の流量より大きいループ現象をとらえており 本手法の有用性を示している しかしながら2007 年 9 月の出水時の高濁度 (1392FTU) の条件下では H-ADCP の超音波の反射強度が急激に減少し 測定距離 20m 以降の流速分布を計測できていない 19) このことについて二瓶らは 水中での超音波の伝播 減衰特性に対する環境条件 ( 濁度 粒径分布 ) や計測機器条件 ( 周波数 測定層厚 ) の影響を調べ H-ADCP の有効測定範囲を解析している 周波数 600kHz 型の有効計測範囲は 濁度 100FTU では最大 140m であるのに対し 濁度 1000FTU では約 25m 程度まで低下することを明らかにしている (5) 今後の課題と展望 H-ADCP は計測する横断距離に応じて超音波の反射強度が減衰し その傾向は高濁度時に顕著となることから 適用可能な川幅に限界があり大河川への適用が難しい この課題への対策として より低周波型の H-ADCP の導入が挙げられており 2008 年から荒川で周波数 300kHz 型の観測が始まっている 19) また 従来の ADCP よりも高出力かつ低周波数で濁度耐性の高いとされるフェーズドアレイ ADCP(150kHz) を用いた観測が審ら 20) により2009 年に吉野川で実施されている 現段階では目標とする高濁度の出水が起きていないため検証データは得られておらず 今後の報告が待たれるところである 3-4. 超音波流速計についての検討例 (1) 機械の概要 計測の原理超音波流速計は 超音波の伝播時間が水の流れ方向により増減する特性を利用し その時間差から平均流速を計測するものである 河岸の両側に設置したトランスデューサーと呼ばれる送受信器から超音波を発射し 対向する送受信器間における測線上の伝播時間を計測し横断平均流速を算定する 流速測線は 横断面の形状等に応じて1 本または複数本設置される (2) 観測の方法中川ら 21) が開発した ATENAS(Advanced TEchnology of Numerical simulation of velocity distribution and hydroacoustics) 流量測定システムは利根川佐原地点 ( 低水路幅 400m) に設置され 感潮域内の広幅河川の流量を連続観測している ATENAS は超音波減衰の主要因である水による吸収や浮遊物質による拡散による影響を軽減するため 従来の100 ~ 200kHz 超音波に代えて大出力の28kHz 中音波を導入している また 計測値に含まれる異常値は 超音波波形内の極大 極小点を追跡して伝播時間を求める独自の信号処理アルゴリズムにより除去している (3) 流量の算出方法 ATENAS により計測した流速値は SIMK 校正法と呼ばれる数値シミュレーションで求めた更正係数を乗じて断面平均流速へと換算される 得られた断面平均流速に流下断面積を乗じて流量を算出する SIMK 校正法は他観測手法流量とのキャリブレーションが不要であり 未経験の出水に対しても予め更正係数を決定することができる特徴がある (4) 観測の結果から得られた知見 ATENAS の観測精度については 2004 年 9 月から 2005 年 1 月にかけて低水時や洪水時の流況下で ADCP 26 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月
および浮子を用いた実地検証 21) が行われている 観測地点は利根川下流域の感潮域内に位置し 低水路と高水敷からなる複断面の河川形状を有する 低水路幅は約 400mであり超音波の測線長は381mとなっている 流量観測の結果から ATENAS はゼロ付近の流量から最大 4,000m 3 /s 超までの連続観測に成功し ADC P との比較は2,000m 3 /s を超える流量を除けば逆流 順流を問わず非常に良く一致していることが報告されている なお 2,000m 3 /s 超える流量では掃流砂の影響を受けた ADCP のボトムトラッキングが正常に機能せず流量を過小評価しており また ピーク付近で実施された浮子観測は河道内の顕著な深掘れ部の影響を受けやや高めの流量を観測している これらの比較観測の結果から ATENAS の流量測定精度は ±3.2% であることが示されている (5) 今後の課題と展望 ATENAS 観測システムは 感潮域の広幅河川に導入され洪水時においても実用的な計測能力と精度を有することが確認されているが 観測システムが大がかりになるほか高精度な時計や高度な信号処理技術が要求される点について課題が残されている 3-5. 河川音響トモグラフィーの検討例 (1) 機械の概要 計測の原理河川音響トモグラフィーの計測原理は基本的に超音波流速計と同様である ただし 河川音響トモグラフィーの超音波は測線上を直行するのではなく 河川横断面を覆うように伝わる性質を持つ点に特徴がある 超音波の送信には周波数 30kHz のブロードバンド型トランスデューサー ( 直径 5cm) が使用され 超音波は半球状に発射される 流速計本体の寸法は30 20 20cm と小型で 電源 (12V バッテリー ) を含めた重量は10kg と軽量である (2) 観測の方法川西ら 22) は 音響トモグラフィー技術を用いた次世代超音波流速計 (FAT) を開発し 幅広感潮河川である太田川放水路の分派流量を2008 年から連続観測している ( 図 -9) 2 台 1 組で構成される FAT は GPS 衛星の原子時計を利用して 双方の送受信器 ( トランスデューサー ) から同時に超音波を発信し 送信後速やかに送受信器は受信回路へ切り替わり双方向の電波を受信する 送信波は10 次のM 系列で位相変調されており 受信 図 -9 河川音響トモグラフィー観測システム ( 文献 -22 より ) 時の高い SN 比が確保されるため 雑音の大きい洪水 時でも十分測定ができる この位相変調技術と GPS 衛星の正確な時間情報の利用により高精度な受信時間 の計測を可能としている 測定データは SD カードに記録されるほか インタ ーネット回線を利用した無線伝送が可能である (3) 流量の算出方法 トランスデューサーから半球状に発射した音波は 河床と水面で反射しながら横断面を覆うように伝播す ることから 横断面内の流速分布にかかわらず 固定 された 1 対のトランスデューサーだけで断面平均流速 が計測される よって FAT システムで得られた断 面平均流速と流水断面積から流量を算出することがで きる また 断面平均音速から 断面平均塩分が求め られる この断面平均塩分と測定流速を組み合わせる ことにより 流量のみならず淡水流量の推定が可能で あることが示されている (4) 観測の結果から得られた知見 FAT による洪水流量観測の妥当性を検証するため 3 台の ADCP を横断方向に並べて係留して測定した 流量および浮子観測流量との比較が行われている 23) 結果では ピーク付近の一部時間帯における欠測を 除いて FAT は低水から洪水までの自動連続観測に成 功し FAT の計測結果は ADCP の計測値や浮子観測 値と良く一致している ピーク付近の欠測は河床上約 10cm の高さに置いた トランスデューサーが大量の掃流砂の中にあり M 系 列情報が破壊されたことが原因とされ 濁度の影響に ついては 流量を欠測していない日の濁度が欠測時の 濁度よりも高い場合もあり 欠測の原因と関係ないこ とが示されている 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 27
(5) 今後の課題と展望河川音響トモグラフィーは 河床材料が粗い場合に河床面で超音波が乱反射して伝播損失が大きくなる可能性を川西らは自ら指摘しており 2010 年に砂礫河床である江の川で現地試験 24) を行い 流量観測に影響が出ないことを確認している 4. 新技術の事例 ~ 非接触型観測法 ~ 高水流量観測は 大雨や強風の伴う荒天時や夜間に行われ 増水した河川に赴いて浮子の投入等の作業をしなくてはならず こうした人為的な観測作業には少なからず危険が伴う 洪水流に接することなく無人で自動的に流量観測を行う方法として 非接触型の流量観測技術がある 4-1. 電波式流速計についての検討例 (1) 機械の概要 計測の原理電波式流速計は 橋上等から河川水面に電波を発射し その反射波を受信してドップラー周波数により表面流速を計測するものである 機器には橋桁等に設置する固定型と 三脚に取り付けて持ち運びが可能なポータブル型がある ( 図 -10) (2) 観測の方法電波式流速計による定点観測システムを設置する場合には 通常流速計を数台しか設置しないので あらかじめ細かな測点間隔による表面流速データを収集し 横断方向の流速分布を数個の区間平均流速へ換算する 電波式流速計は表面流速のみを測定するため これを鉛直方向の平均流速へ変換しなければならない ここで用いる更正係数は大手方ら 25) のように対数則や安芸の式を用いて求めることが可能だが 山口 26) は観測地点のH-Q 式を用いて更正係数の精度を高めている また 萬矢ら 27) は ADCP の観測結果から更正係数を求め 電波式流速計の異常値や欠測を実測の水面勾配を用いて補正する手法を提案している 図 -10 電波式流速計 (4) 観測の結果から得られた知見大手方らは 2000 年の魚野川と2001 年の利根川で観測した電波式流速計による流量と浮子流量を比較し いずれも誤差が ±5% の範囲内に収まることを報告している なお 更正係数の比較については安芸の式の相関が良かったことを挙げている 萬矢らが行った ADCP 観測との流量比較では 電波式流速計は-15% 過小評価しているが ここでは洪水中に河床高が変化したことによる影響が大きく 最新の河床高を与えた場合 誤差は-5% まで小さくなっている 山口ら 26) は 自記水位計と電波式流速計が観測した多地点の H - Vs のハイドログラフが描くループを観察し 河床変動との関係を調べている このなかで 逆ループの発生が 洪水中の顕著な河床低下と関係が深いことに着目し H - Vs と河床変動の法則性の解明を試みている (5) 今後の課題と展望電波流速計の場合 十分な散乱波強度を得るためには河川表面に凹凸が存在していなくてはならなく 流速が小さく水面に波がないような場合には電波の反射がないためデータがとれない 一般的に表面流速が 50cm/s 以下では観測不能 26) になる また 表面波を測定する原理から風の影響を受けやすい このうち 風の影響については現地における風向 風速の観測結果により補正が可能である 29,30) (3) 流量の算出方法電波式流速計は表面流速を計測するものなので 表面流速に更正係数と流下断面積を乗じることで流量を算出できる 流下断面積は事前の測量結果と自記水位計の観測水位から与える必要がある 4-2. 画像解析技術 (1) 機械の概要 計測の原理画像解析技術はビデオカメラにより撮影された画像から物体の動きを分析し 移動量を算出する技術である 河川における画像解析は主に水面を撮影した動画から流向 流速を得ることを目的としており その原 28 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月
理から画像濃淡のパターンマッチングに基づく PIV (Particle Image Velocimetry) 31) と 主流方向に想定した検査線上の時空間画像を用いる STIV(Space- Time Image Velocimetry) 32) に分けられる PIV は 河川の水面波紋パターンが短時間内ではそのパターンを保ったまま移流する現象に着目し 撮影画像からモノクロ濃淡画像データを作成し水面波紋の局所的な移流速度により表面流速を得る STIV はビデオ画像から連続した画像を取得し 主流方向に沿うように画像上に設置した検査線上の輝度値を時間軸方向に積み重ねた時空間画像に生じる縞パターンの傾きから流速を算出する 画像解析の結果は 撮影範囲における表面流の流向と流速を 矢印の向きと長さで表し平面分布させた展開図として出力される ( 図 -11) (2) 観測の方法画像の撮影位置は河岸近辺や橋上などで良く 流向に対して偏角がある画像も利用できる 撮影には汎用ビデオカメラ等が用いられ パーソナルコンピュータで解析が行われる カメラから河川表面までの距離が短い場合は画像がかなりの歪を伴ったものとなるため 前処理としてビデオ画像を無歪画像へ変換処理する必要がある この変換作業を効率的に行うためには ビデオ画像内に標定点を設け カメラ位置と標定点の位置関係を現地測量により求めておく必要がある (3) 流量の算出方法画像解析は電波式流速計と同様に表面流速を計測するので 表面流速に更正係数と流下断面積を乗じることで流量を算出できる (4) 観測の結果から得られた知見画像解析による河川流量の推定は 綾ら 33) が1998 年と1993 年の淀川洪水流を対象に行っており 対数則を用いた PIV の推定流量はH-Q 流量に比べ -16.5% -11.3% と小さめの値を算定している また 2005 年の吉野川洪水流の解析では浮子 PIV STIV による流量を比較しており 画像解析による流量推定値は浮子流量とほぼ同等の値が得られている 34) 画像解像度による解析結果の違いを調べるため ハイビジョン映像と通常のビデオカメラ映像を用いて PIV と STIV の解析結果を比較した藤田ら 34) の報告では PIV は低解像度の場合に流速を過小評価するのに対し STIV は解像度に影響されず安定した結果が得 図 -11 PIV 画像解析られたことが示されている (5) 今後の課題と展望画像解析は表面流速を計測するため 河岸付近から発生する衝撃波が著しい場合や風波が卓越している場合等には適用が難しいとされ ビデオカメラから離れた地点における精度 ( 特に横断方向の成分 ) に関してはかなり低下することが報告されている 31) 解析精度の向上については記録方式を高画質のものに切り替えることにより改善の余地があること 34) も示されている STIV 解析ではカメラレンズに雨滴が付着している場合や夜間の光量不足によるコマ落ちの影響をフィルタ処理 (band pass filter) により除去することが可能となっている 35) 画像解析では 単に河川の流速 流量を観測するだけではなく その機能を活用して応用的な利用がなされている 椿ら 36) は中小河川における洪水観測のピークの欠測や測線数 観測回数の制約といった課題の解決手段として 既存 CCTV カメラの画像を解析し 高水流量時のH-Q 精度を向上させる補完手法について報告している 実験は2008 年に愛知県の二級河川において流量観測所近傍の CCTV カメラを利用して行われている 解析手法については 夜間撮影により画像が低画質なため PIV ではなく目視で位置座標をピックアップするマーカー追跡が採用されているが 洪水の立ち上がりから終わりまで流量算出を行い 通常の高水流観では得られない詳細な流量変化をH-Qに反映している また 画像解析にテレビ局のニュース映像を利用した事例がある 2008 年 7 月に神戸市の都賀川で起きた水難事故の原 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 29
因究明にあたり 定時観測された水位データと定点監 視カメラによる静止画像だけでは流況の再現が困難で あったことから 國田ら37 はピーク水位が継続中の時 間帯に撮影されたテレビ局のニュース映像をもとに STIV による流量算出を行い 平面二次元解析を用い て時々刻々の流況を再現することに成功している 図 図 12 12 都賀川における洪水流況の再現 文献 37より これらの事例は 洪水時における映像管理の重要性 を示すものである 近年は河川管理の高度化により全 国の河川で CCTV カメラの整備が進んでおり その 映像を動画として記録しておけば後日でも画像解析に より流量推定が可能となることから動画情報の適正管 ජઍ ᣂ 理が望まれる 最近では画像データを圧縮技術により ታ㛎 効率的に蓄積する動画収集システム38 も開発されてい ℂ る චൎᎹᧄᎹ ಽ ᵹ ５ 十勝川千代田実験水路における流量観測 図 13 十勝川千代田実験水路 図 14 観測手法別の流量比較 これまで 多数の報告がなされている流量観測技術 の高度化に関する知見をレビューしてきたが それぞ れの観測手法における精度等を同じ水理量下で検証し た事例は少ない 新技術による観測手法の導入にあたっては 河川の 規模 観測地点の地形 流況 水深 河岸状況 橋梁等 横断工作物の有無など多方向から検討を行い適性を判 断する必要があり 各種観測手法の精度や適用可能な 水理条件等について同一観測サイトで同時計測した結 果を比較検討して明らかにすることが望まれている 十勝川千代田実験水路 図 13 は 十勝川に築造さ れた国内最大規模の実物大水理実験施設であり 実際 の洪水に近い水理量を人為的に精度よく再現できる 北海道開発局と 独 寒地土木研究所は 2007年から十 勝川千代田実験水路を用いた実験４ 39 40 を行ってお り 水理特性を詳細に把握するため 各種新技術を用 水深が浅く 0.26 0.53ｍ 流量のほとんどを補間して いた同時流量観測を実施している いる 流量が小さい場合や GPS が単独測位の場合 図 14は浮子による高水流量観測を基準とし 回転 式流速計による低水流量観測および２種類の ADCP 高水観測との差が大きいが それ以外については差が 概ね 15 以内であった による流量観測を比較したものである 図中の RC ボ ここで 特に流量が大きい時に ADCP は高水観測 ートは RC ボート ADCP 観測を 杭ワイヤー式は水 に対して小さい流量を観測しているが 観測時の河床 路両岸に打設した杭にワイヤーを渡し小型船艇を曳航 には砂堆が発生しており その影響により水深方向の して実施した ADCP 観測を表す 流速分布が安芸の理論41 と一致せず 標準の更正係数 高水観測と低水観測の観測値にはほとんど差は見ら れない ADCP 観測は GPS の不具合により RTK- が流速を過大に算出していることが明らかになってい る42 GPS 測位ができなかった時間帯があり この場合は 単独測位の結果である また流量規模が小さい場合は 30 寒地土木研究所月報 691 2010年12月
6. おわりに本報告では 流量観測技術の高度化に関する多数の知見をレビューし内容の整理を試みた また 十勝川千代田実験水路における ADCP と従来手法の同時観測結果について紹介した 千代田実験水路では ADCP 以外に電波式流速計 超音波式流速計 PIV 画像解析による同時計測データが得られている 43) 今後はこれらの計測値の比較に基づく各種技術の観測特性に関する検討を行う予定である 参考文献 1) 国土交通事務次官通達 : 水文観測業務規程の改訂について, 国土交通省河川局水文観測業務規程関係集平成 17 年 10 月改訂版,pp1-12,2005. 2) 水文 水資源学会研究グループ 河川流量観測高精度化研究会 編 : 河川流量観測の新時代, http://www.pu-toyama.ac.jp/ee/tebakari/new Qobs/journal.htm 3) 千代田新水路の概要及び千代田実験水路, 国土交通省北海道開発局帯広開発建設部,http://www. ob.hkd.mlit.go.jp/hp/riveroffice/chiyoda/index. html 4) 島田友典 渡邊康玄 横山洋 石川伸 吉栁岳志 武田淳史 大島省吾 : 十勝川千代田実験水路の基礎的な土砂挙動特性, 応用力学論文集,Vol.11, pp699-707,2008. 5) 国土交通省河川局河川環境課長通知 : 今後の水文観測業務の実施方針について, 国土交通省河川局水文観測業務規程関係集平成 17 年 10 月改訂版, pp115-126,2005. 6) 橘田隆史 岡田将治 荒井励 下田力 熊田康邦 : ADCP を用いた河川流況計測法における課題と国内外における応用観測事例, 河川技術論文集, 第 12 巻,pp133-138,2006. 7) 木下良作 :ADCP( 超音波流速計 ) によりうかがわれる洪水時の流れ構造, 土木学会第 51 回水工学講演会,2007. 8) 橘田隆史 岡田将治 新井励 下田力 出口恭 : ラジコンボートを用いた ADCP 移動観測の計測精度評価法に関する一考察, 土木学会河川技術論文集第 14 巻,pp295-300,2008. 9) 二瓶泰雄 色川有 井出恭平 高村智之 : 超音波ドップラー流速分布計を用いた河川流量計測法に 関する検討, 土木学会論文集 B, 第 64 巻,pp99-114,2008. 10) 橘田隆史 下田力 疋田真 Hening Huang: ADCP による河川洪水観測の先進技術と観測に際しての基礎的な技法について, 河川流量観測の新時代,pp19-24,2010. 11) 島田友典 渡邊康玄 :ADCP を搭載したラジコンボートによる流水中の流速測定精度, 土木学会全国大会第 62 回年次学術講演会,2007. 12) 岡田将治 萬矢敦啓 橘田隆史 :ADCP 搭載ボートの観測時の揺動が流速分布および水深計測値に及ぼす影響, 水工学論文集, 第 54 巻,pp1087-1092,2010. 13) 萬矢敦啓 岡田将治 橘田隆史 菅野裕也 深見和彦 : 高速流における ADCP 観測のための橋上操作艇に関する提案, 河川技術論文集, 第 16 巻, pp59-64,2010. 14) 野村佐和美 山崎猛 佐々木誠 : 官庁区域における流量観測 ~ 石狩大橋地点での ADCP リアルタイム観測 ~, 平成 19 年度北海道開発局技術研究発表会,2008. 15) 天野直哉 大田見定 舘ヶ沢恵 : 感潮区域における流量観測手法について~ 石狩大橋地点でのリアルタイム流量観測 ~, 平成 21 年度北海道開発技術研究発表会,2010. 16) 大東秀光 上坂薫 南修平 劉炳義 橘田隆史 : H-ADCP を用いた河川流量観測システムの開発と現地試験観測結果について (3), 土木学会第 56 回年次学術講演会,2001. 17) 岡田将治 森彰彦 海野修司 昆敏之 山田正 : 鶴見川感潮域における H-ADCP を用いた流量観測, 河川技術論文集, 第 11 巻,pp243-248,2005. 18) 二瓶泰雄 水木啓 :H-ADCP 観測と河川流計算を融合した新しい河川流量モニタリングシステムの構築, 土木学会論文集 B,Vol.63 No.4,pp295-310, 2007. 19) 二瓶泰雄 岩本演崇 谷古宇洋介 :H-ADCP の有効計測範囲の検討, 水工学論文集, 第 54 巻, pp1099-1104,2010. 20) 審浩年 和田伸也 三皷晃 出口恭 : フェーズドアレイ ADCP を水平方向に用いた現地試験観測, 土木学会第 65 回年次学術講演会,pp39-40,2010. 21) 中川一 小野正人 小田将広 西島真也 : 横断平均流速の測定と流速分布の数値シミュレーションを組み合わせた流量測定技術の開発と大河川での 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 31
面波紋の移流速度計測, 河川技術論文集, 第 9 巻, pp55-60,2003. 33) 綾史郎 露口肇 柿木理史 室田有紀 藤田一郎 : 淀川下流部における PIV を用いた洪水時の流速観測, 水工学論文集, 第 44 巻,455-460,2000. 34) 藤田一郎 椿涼太 岡部健士 冨尾恒一 藤井啓 : 河川表面のハイビジョンビデオ映像を用いた吉野川洪水流の流量 流速計測, 河川技術論文集, 第 12 巻,127-132,2006. 35) 原浩気 藤田一郎 : 時空間画像を用いた河川表面流解析における二次元高速フーリエ変換の適用, 水工学論文集, 第 54 巻,pp1105-1110,2010. 36) 椿涼太 藤田一郎 眞間修一 竹村仁志 金原健一 : 既設ビデオカメラを用いた画像解析法による中小河川の流量観測のためのカメラ設定方法および解析方法に関する研究, 河川技術論文集, 第 15 巻,pp501-506,2009. 37) 國田洋平 藤田一郎 安藤敬済 : 局地的集中豪雨による都賀川水難事故時の流量 流況の推定, 河川技術論文集, 第 15 巻,pp61-66,2009. 38) 藤田一郎 宇野秀一 本田将人 : 河川モニタリングにおける効率的な動画情報収集システムの検討, 土木学会第 65 回年次学術講演会,pp33-34, 2010. 39) 島田友典 渡邊康玄 横山洋 辻珠希 : 千代田実験水路における横断堤越水破堤実験, 土木学会水工学論文集, 第 53 巻,pp871-876,2009. 40) 島田友典 平井康幸 辻珠希 : 千代田実験水路における越水破堤実験, 土木学会水工学論文集, 第 54 巻,pp811-816,2010. 41) 安芸皎一 : 浮子特に竿浮子に依る観測流速の更正係数に就て, 土木学会誌, 第 18 巻, 第 1 号,pp.105-129,1932. 42) 市原哲也 島田友典 辻珠希 : 千代田実験水路の水理特性及び更正係数に関する一考察, 平成 21 年度北海道開発技術研究発表会,2010. 43) 大串正紀 東海秀義 川井淳一 : 千代田実験水路での各種観測を踏まえた実河川への適用の可能性について, 平成 21 年度北海道開発技術研究発表会, 2010. 実地検証, 水工学論文集, 第 50 巻,pp709-714, 2006. 22) 川西澄 渡辺聡 金子新 阿部徹 : 次世代超音波流速計による感潮河川流量の長期連続モニタリング, 河川技術論文集, 第 15 巻,pp489-494,2009. 23) 川西澄 Mahdi RAZAZ 渡辺聡 金子新 阿部徹 : 河川音響トモグラフィーによる太田川放水路の洪水流量と断面平均塩分の連続測定, 水工学論文集, 第 54 巻,pp1081-1086,2010. 24) 川西澄 金子新 江田憲彰 児子真也 : 河川音響トモグラフィーシステムによる河川流量の自動計測, 河川流量観測の新時代,pp66-72,2010. 25) 大手方如 深見和彦 吉谷純一 東高徳 田村正秀 和田信昭 淀川巳之助 中島洋一 小松朗 小林範之 佐藤健次 : 非接触型流速計測法の開発, 土木技術資料 45-2,pp36-45,2003. 26) 山口高志 新里邦生 : 電波流速計による洪水流観測, 土木学会論文集,No.497/ Ⅱ -28,pp41-50, 1994. 27) 萬矢敦啓 大平一典 菅野裕也 深見和彦 : 非接触型電波式流速計を用いた洪水流量自動観測手法の一考察, 河川技術論文集, 第 16 巻,pp53-58, 2010. 28) 山口高志 中島洋一 :H ~ Vs( 地点表面流速 ) 関係の変化から水理現象を読みとる, 河川流量観測の新時代,pp73-80,2010. 29) 深見和彦 東高徳 吉谷純一 田村正秀 : 河川流量調査を目的とした非接触型流速計に対する風の影響 1. 既往の知見に基づく風の影響モデルの構築, 土木学会第 57 回年次学術講演会,pp313-314, 2002. 30) 東高徳 深見和彦 吉谷純一 田村正秀 淀川巳之助 中島洋一 小松朗 小林範之 永山正典 : 河川流量調査を目的とした非接触型流速計に対する風の影響 2. 室内水路実験, 土木学会第 57 回年次学術講演会,pp315-316,2002. 31) 藤田一郎 河村三郎 : ビデオ画像解析による河川表面流計測の試み, 水工学論文集, 第 38 巻, pp733-738,1994. 32) 藤田一郎 椿涼太 : 時空間画像を利用した河川表 32 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月
* 稲垣達弘 Tatsuhiro INAGAKI ** 島田友典 Tomonori SHIMADA *** 横山洋 Hiroshi YOKOYAMA **** 石谷隆始 Takashi ISHIYA 寒地土木研究所寒地技術推進室道東支所研究員 寒地土木研究所寒地水圏研究グループ寒地河川チーム研究員 寒地土木研究所寒地水圏研究グループ水環境保全チーム主任研究員 寒地土木研究所寒地技術推進室道央支所主任研究員 寒地土木研究所月報 691 2010 年 12 月 33