2011/3/22 March 7 th 2011, 河川流量観測⾼精度化研究会(中央⼤学) ADCPで観測した洪⽔流量の精度評価法の提案と四万⼗川観測結果への適⽤事例⾼知⼯業⾼等専⾨学校岡⽥将治 2009.8.10 四万⼗川具同地点(台⾵9号) ADCPを⽤いた洪⽔流観測技術の構築に関する Motivation：これまで計測が困難とされてきた洪⽔時における⼟砂⽔理現象を把握したい．そのために・・・・ADCPで何が計測できるのか． (流況だけでなく，河床移動速度や浮遊⼟砂も含めて) ・どの研究者，実務者でも同じように計測が可能となる技術体系の⼀般化 (計測機器，計測技術，データ処理，計測精度評価など) 1 2011/3/22 Motivation のきっかけ：⽊下良作： ADCP(超⾳波流速計)による流量と流れの構造について，第4回河川環境管理財団研究発表会講演録，2006. ⼟⽊研究所⻑⼤検定⽔路においてウォーターピングの検定し，新潟東港 (流出⼊量のない条件)において，ウォーターピングとボトムピングから得られる計測値を⽐較し，流速差がmm/sのオーダーであることを⽰し，ADCPの計測精度が⾼いことを⽰した．「静⽌⽔における精度検定の結果が洪⽔のように激しい流動⽔に適⽤して真値が得られているのかという他者からの批判に対して，検定は静⽌⽔，実際の使⽤は流動⽔であり，それを疑うことは当時のわが国の検定全てを疑うことになり，絶対流量値を正しく把握できるのは流量がゼロの場合のみであると考え，批判に顧慮せず現地観測を⾏った．」 1. ADCP搭載ボートを⽤いた洪⽔流量観測技術の検討に関するこれまでの成果岡⽥将治： ADCPを搭載した橋上操作艇による洪⽔流観測技術の進展，河川流量観測の新時代(2010年9⽉) ADCPを⽤いた洪⽔流観測(移動観測)の適⽤条件⼤ H10年佐原8000ｍ3/ｓ RCボート完⾛浮⼦浮⼦観測出⽔規模 ADCP 橋上操作ボート⼩観測が阻害される条件 1) 流速の過⼤瞬間最⼤表⾯流速 5m/s以下 2) ⽔⾯波 Fr=0.65 以下 3) ゴミや⽴⽊ 4) 中州などの⽴⽊による阻害 5) ⾵⾬ 6) 夜間の視認不能など指定⽔位⼤上流勾配⼩下流出典：⽊下良作，中尾忠彦：「ADCPによる河川流量の測定と河道⽔理機構の観測」⼟⽊学会誌 2007年10⽉号 p.68-71 2 2011/3/22 本⽇の発表内容： ADCP搭載ボートを⽤いた洪⽔流量観測技術に関するこれまでの成果のまとめ題⽬ 2008年 ADCP搭載無⼈ボートを⽤いた四万⼗川具同地点における洪⽔流観測 → 2000m3/s 級の洪⽔観測を実施ラジコンボートを⽤いたADCP移動観測の計測精度評価に関する⼀考察 → ボートの揺動が影響を及ぼす? 2010年 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 → ボートの揺動が計測値に影響するか？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 → データ⽋損を少なくするボートの仕様とは？ 2011年 ADCPを⽤いた洪⽔流観測の計測精度評価に関する総合的検討 → 2009年四万⼗川洪⽔流観測結果 ADCP搭載無⼈ボートを⽤いた四万⼗川具同地点における洪⽔流観測 3 2011/3/22 River Boatを⽤いた四万⼗川洪⽔計測状況流量約2000m3/s，表⾯流速約3m/s 航跡が蛇⾏する場合の計測データ補正橋梁順流橋梁順流順流川幅約300m 実際の航跡右岸観測距離をそのままプロットすると，実際の川幅より長くなる左岸逆流逆流航跡補正：無川幅約300m 航跡補正：無し横断測線に航跡を投影補正することで実際の川幅と等しくなる横断測線上に補正し，５ｍ間隔で平均処理航跡補正：有り航跡補正：有り航跡が蛇⾏する場合でもデータ補正を⾏うことにより， H-ADCPおよび浮⼦観測データと⽐較が可能になる 4 2011/3/22 ADCPで計測した各時刻の流速分布，流量 2007/8/3 10:00 Q=1915ｍ3/ｓ 2007/8/3 13:00 Q=1900ｍ3/ｓ 2007/8/3 11:00 Q=2037ｍ3/ｓ 2007/8/3 14:00 Q=1926ｍ3/ｓ４断⾯の平均流量に対する誤差は最⼤4.8％ → USGSの流量観測ガイドライン(5%以内)をクリアしている． ADCP洪⽔流量観測における計測精度評価⼿法の検討 ADCP移動観測における計測精度の考え⽅・ADCPの計測設定条件によって，出⼒される流速値の精度は異なる．・移動する速度によって空間的な計測精度が変化する横断⾯内の流量観測精度を評価するためには，線→⾯に拡張し，単位移動距離あたりの偏差流速で評価を⾏う．固定観測移動観測 2009年四万⼗川洪⽔流量観測におけるADCPの計測設定条件 Workhorse ADCP 1200kHz 計測モード単位移動距離あたりの流速計測誤差ある点の流速計測誤差 Mode 12 計測層厚 0.30m 計測層数 1-3往復⽬：70層 4-8往復⽬：65層アンサンブルタイム 70層：3.31sec 65層：3.14sec ウォーターピング数 5ピング(サブ3ピング) ボトムトラック機能有り(5ピング) 固定観測における偏差流速 3.28cm/s 5 2011/3/22 ADCP洪⽔流量観測における計測精度評価⼿法の検討 ADCPの設定層厚， ping数と偏差流速の関係層厚10cm 1200kHz 8 7 層厚15cm 層厚20cm 6 5 4 層厚25cm 層厚30cm 3 2 1 0 層厚40cm 層厚50cm 流速計測誤差(std: cm/s) 流速計測誤差(std: cm/s) 10 9 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 600kHz 0 5 10 15 20 25 30 ping数 ping数標準モード(WM1)の場合．ハイスピードサンプリングモード (Mode12)では，同じ条件でもデータ取得時間が短くなる． ADCP移動観測における精度指標偏差流量⽐、流速⽐各グリッドの計測精度：偏差流速⽐ ③ ＝②／① 断⾯流量の計測精度：偏差流量⽐＝②の断⾯積分値／①計測流量 ① 通常の流速コンター ② 単位移動距離あたりの流速計測誤差の標準偏差コンター (断⾯積分すると偏差流量： 3.83m3/s) ③ 各グリッドの偏差流速⽐＝偏差流速／流速 6 2011/3/22 ADCP移動観測における精度指標偏差流量⽐、流速⽐流量：偏差流量：偏差流量比： 1915m3/s 3.83m3/s 0.20％ 2037m3/s 4.46m3/s 0.22％ 1926m3/s 3.59m3/s 0.19％ March 3 rd-5 th 2010, ⽔⼯学講演会 (北海道⼤学) 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⾼知⾼専岡⽥将治⼟⽊研究所萬⽮敦啓ハイドロシステム開発橘⽥隆史 7 2011/3/22 ADCP搭載ボート観測時の揺動が計測値に及ぼす影響平⽔時：250m3/s 洪⽔時：1900m3/s 10 20 Pitching Rolling 10 0 5 0 -5 -10 Pitching 15 Rolling Degree Degree 5 -5 0 20 40 60 80 100 m -10 0 50 100 150 200 250 300 m ADCP搭載ボート観測時の揺動が計測値に及ぼす影響平⽔時：250m3/s 洪⽔時：1900m3/s 10 20 Pitching Degree Degree Rolling 0 -5 -10 Pitching 15 Rolling ○ ADCPの出⼒値は傾斜⾓補正されていない． 10 ○ 傾斜センサーが旧式の液⾯検知式． 5 0 ⇒ この影響がどの程度であるか？ 5 -5 0 20 40 60 80 100 m -10 0 50 100 150 200 250 300 m 8 2011/3/22 ADCP搭載ボートを⽤いた洪⽔観測の精度は？ ADCP観測の精度検証事例（国内）対象とした流れ・評価⽅法結果⽊下 (2003) ⼟⽊研究所⻑⼤検定⽔路においてウォーターピングの検定し，新潟東港 (流出⼊量のない条件)において，ウォーターピングとボトムピングから得られる計測値を⽐較流速差が毎秒ミリメートルのオーダーであることを⽰し， ADCPの計測精度が⾼いことを⽰した．⼆瓶ら (2006) 江⼾川の⼩規模出⽔時(350〜570m3/s)，相対誤差が1.6〜7.8%であっ移動観測と定点観測で得られた流量を⽐較たことから，ADCP移動観測精度が⾼いことを⽰した．島⽥ら (2007) ⽯狩川の平⽔時にADCP移動観測と設置型 ADCPの計測データを⽐較．ピング数とボートの⾛⾏速度の違いによる影響を評価ピング数が⼤きい⽅が計測精度が⾼いことを観測結果から⽰した．流量観測対象となるのは中規模以上の出⽔ 9 2011/3/22 ADCP搭載ボートを⽤いた⼤型⽔槽実験・現地観測⼤型⽔槽実験 ADCPを搭載した浮体に⾼精度傾斜センサーを設置して種々の周期で揺動させる実験を⾏い，ADCPの傾斜⾓および⽔深に関する計測特性を調べる現地観測(利根川) ⽔槽実験と同様な計測システムと RTK-GPSをボートに搭載して流況計測を⾏い，ボートの揺動が流速計測値に及ぼす影響を明らかにする⼤型⽔槽を⽤いたADCP搭載ボートの揺動実験 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 傾斜センサーNAV440 (クロスボー社製) ADCPの計測設定と揺動実験条件 Workhorse ADCP 600kHz 計測モード WM1 計測層厚 0.50m 計測層数 30 アンサンブルタイム 0.28sec ウォーターピング数 1 ボトムトラック機能 ON 固定観測における流速誤差の標準偏差 13.62cm/s 揺動周期 1, 1.5, 2, 4 sec 揺動振幅 15〜20度を⽬標 MEMS外部傾斜センサーフロート ADCP 500cm 10 2011/3/22 ADCP内蔵・MEMS傾斜センサーで計測された各揺動周期における傾斜⾓の時系列 ADCPロール ADCPピッチ振幅比：12.89／14.71 = 0.88 MEMSロール振幅比：11.36／15.83 = 0.72 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 傾斜⾓(deg.) 傾斜⾓(deg.) 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 MEMSピッチ 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 (a) 揺動周期 4sec 28 30 振幅比：12.77／16.39 = 0.78 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 (c) 揺動周期 1.5sec 28 30 28 30 (sec) 振幅比：6.30／13.56 = 0.47 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 傾斜⾓(deg.) 傾斜⾓(deg.) 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 0 (sec) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (b) 揺動周期 2sec 26 28 30 (sec) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 (d) 揺動周期 1sec (sec) ADCPの4のビームで計測される⽔深の考察 MEMS外部傾斜センサー Roll-0deg. Roll-5deg. 基準化した B1 500cm ⽔深 1.00 B2 B3 平均ビーム⻑さ ADCP フロート Roll-10deg. Roll-15deg. Roll-20deg. B4 Pitch Angle (deg.) ピッチ⾓・ロール⾓がともに 0度のとき、⽔深は 1.000 5度 1.009 10度 1.035 15度 1.082 20度 1.153 となる． 11 2011/3/22 傾斜⾓補正の有無による⽔深算出値の⽐較 575 550 550 525 525 500 500 475 475 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 (a) 揺動周期4sec 28 450 30 0 (sec) 575 575 550 550 525 500 475 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 (sec) (c) 揺動周期1.5sec ⽔深(cm) ⽔深(cm) MEMS傾斜⾓補正 ADCP傾斜⾓補正⽔深(cm) ⽔深(cm) 傾斜⾓補正なし 575 525 500 475 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (b) 揺動周期2sec 26 28 30 (sec) 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (d) 揺動周期1sec 26 28 30 (sec) 利根川における現地観測前橋市平成⼤橋下流平⽔時の流況 ADCPの計測設定条件 Workhorse ADCP 1200kHz 計測モード WM1 計測層厚 0.20m 計測層数 15 アンサンブルタイム 0.25sec ウォーターピング数 1 ボトムトラック機能 ON 固定観測における偏差流速 26.28cm/s (各グリッドでは7.34cm/s) 計測コーディネーションビームコーディネーション 12 2011/3/22 利根川における現地観測の状況 ADCPのボトムトラッキング機能と RTK-GPSによる航跡の⽐較 ADCP ボトムトラック RTK-GPS → ADCP ボトムトラック RTK-GPS ⾼速流の計測には、 ADCPにRTK-GPSの併⽤が必須 13 2011/3/22 ピッチ・ロール⾓の変動と⽔⾯下50cmにおける主流速分布ピッチ角(deg.) 25 ADCP pitch 20 MEMS pitch 15 10 5 0 -5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 120 140 160 120 140 160 ロール角(deg.) 15 10 Data roll Number MEMS ADCP roll 5 0 -5 -10 -15 0 20 40 60 80 100 500 Data Number 流速(cm/s) 400 300 200 100 0 ADCP velocity -100 MEMS velocity -200 0 20 40 60 80 100 Data Number (sampling time: 1sec) 傾斜⾓補正による流速分布の違い河岸からの距離(m) Q=48.00m3/s 傾斜⾓補正なし Q=49.85m3/s ADCP sensor Q=49.91m3/s MEMS sensor 14 2011/3/22 傾斜⾓補正を⾏っても流速値が⼤きく変化しない理由ピッチ(流下⽅向に対して縦揺れ)⽅向にのみ傾斜する場合 ※ TRDI社： Beam-coordinate transformation method を使⽤  = 20deg (RDI社 ADCPの場合) t = ADCPの傾斜角 V1 ，V2は実測値(beam方向成分) V1=V1X+V1Z V2=V2X+V2Z ADCP V1 V1Z t Z V1X V1X= Xsin( ‐ t )，V1Z= Zcos( ‐ t ) V2X= Xsin(  + t )，V2Z= Zcos( + t ) より， Beam1  Beam2 Z V2Z X (1)と(2)に代入すれば， X V2 (1) (2) Xsin( ‐ t )= V1‐Zcos( ‐t ) (1)’ Zcos( + t )= V2 ‐Zcos( + t ) (2)’ V2X この連立方程式を解いてX，Zを求める．＋傾斜⾓補正による流速値への影響 (%) ― ピッチ角 (deg) び 0 0 100.00 ロール角(deg) 5 10 15 100.00 100.00 100.00 20 100.00 5 99.63 99.63 99.64 99.65 99.67 10 98.48 98.50 98.53 98.59 98.66 15 96.60 96.63 96.70 96.82 96.98 20 93.97 94.02 94.14 94.35 94.63 ⾓本研究のまとめ ADCP内部傾斜センサーの計測特性揺動振幅±15度程度)において，ボートの揺動周期が短くなると，傾斜⾓を過⼩評価(周期1秒では約1/2)する． ADCPの⽔深計測値に及ぼす影響ボートの傾斜⾓(ADCPの計測値)15度を閾値とすれば，単純にADCPの4 つのビーム⻑を平均値して⽔深とする場合でも，揺動周期が2秒以上であれば計測精度としては5%を確保することができる．さらに，ADCPで計測した傾斜⾓データを⽤いた補正により，計測精度をさらに向上させることができる． ADCPの流速計測値に及ぼす影響 MEMS傾斜センサーを⽤いて揺動補正を⾏っても，流速値，断⾯流量値に有意な差が⾒られなかった．この結果は，洪⽔流を想定した流れの計測においても，ボートの揺動が⽔深および流速値に及ぼす影響は⼩さいことを⽰唆するものであり，ADCPが⾼速で，かつ⽔⾯変動が⼤きい流況に対しても既往の研究で明らかにされている計測精度で計測可能であることを⽰した． 15 2011/3/22 ADCPで観測した洪⽔流量の精度評価法の提案と四万⼗川観測結果への適⽤事例⾼知⼯業⾼等専⾨学校岡⽥将治 2009.8.10 四万⼗川具同地点(台⾵9号) 研究成果①：横断河床形状とH-Q式の経年変化 B 1982/7/24 > 1990/9/19 7 1997/6/28 R 2003/5/14 B 2005/9/6 J 1982/8/27 A 1990/10/8 C 1997/9/16 X 2003/5/31 J 2006/8/18 H 1982/9/25 M 1992/8/18 I 1998/7/25 Z 2004/8/2 H 2007/7/14 F 1987/7/17 N 1993/7/27 D 1999/7/27 = 2004/8/30 F 2007/8/3 3 1987/10/17 O 1993/8/10 2 1999/8/8 3 2004/10/20 3 2009/8/10 1 1990/8/22 12 S57.7.3 H5.8.21 H14.4.26 H2.8.31 H9.10.7 H18.5.30 H21.8.24 15 標高(T.P.m) 10 5 具同地点⽔位標⽔位H(m) 10 8 6 4 0 2 -5 -10 0 -15 0 100 200 300 400 左岸距離標からの距離(m) 第1⾒通し断⾯の河床形状 500 HA A 0 B B B CC3 C3B J C C3HM B HHH3 M M DD DM H H =D M C =H=3 =M D 3 J B D H = H D CM 3H HD C M H = B 3H 3= 3HH 3DH B 3JM JH M C3D H H B 3B IIX = M D M X O O =IX D 11B X 1M C O IB J 1M Z XH >H O Z 1I= Z O 1 Z XZ H1 M X 1C O C I3ZBDH RB Z HR M H1>IM X O D > H Z = JJJ RR 1H >JO R N 3X JNB A H 1 RM B X N JIZ D D H DC H1M A >C N X D M JJZ RHR 313C3J3X A D > H M X Z HB B3H X DB A3X Z 3C F HA H >XM Z 7 F FF FD F H 2 H 3C 72ZFFF H 2X D > C22FZFF B 7FFF I CF 7 7I 2000 4000 6000 8000 10000 BB BB B B J 12000 14000 浮⼦で観測された流量Q(m3/s) 具同地点における昭和57年以降の浮⼦流観によるH-Q関係 16 2011/3/22 2009年8⽉9⽇〜12⽇における具同地点上下流の⽔位ハイドログラフと観測期間 2009年台⾵9号 10 9 8 水位（T.P. m) 7 6 5 4 3 2 1 B 上流水位計 J 具同水位計 JB JB JB JH HJ B HH H B H H 第1.5見通し断面水位計 FFFF B F JH JB H F FB J H F 下流水位計 B JB F H F H F JB F JB H H JB JB F JB JB H H HB JB J H JB H H B J F H F JB JB JB F JB F F H H HH H JB F F JB JB F F H H FF B F F F JH B JB H HB F F HB B B F H J F HH B B B F J JH H B B B F J BH J F BB F F F JH JH BB BH J F JH F F F JH JH H B B B BH BB B J F F J JH F B F F JH JH J JF F F H JH JH J B B B B B BH HJ J FF J J B B B BB B F F F H JHHH JF JH JHH BH F F F F JHH J JH J J FFF JF HH BH FFFF J B F J HF H JB F B J HF H F F JB H 0 6:00 8/9 12:00 18:00 0:00 8/10 6:00 12:00 18:00 0:00 8/11 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 8/12 2009年四万⼗川具同地点における出⽔状況 17 2011/3/22 橋上からのADCP曳航観測の状況 50m 橋上からのADCP曳航観測の状況 ADCPの計測設定条件 Workhorse ADCP 1200kHz 計測モード Mode 12 計測層厚 0.30m 計測層数 1-3往復⽬：70層 4-8往復⽬：65層アンサンブルタイム 70層：3.31sec 65層：3.14sec ウォーターピング数 5ピング(サブ3ピング) ボトムトラック機能有り(5ピング) 固定観測における偏差流速 3.28cm/s 18 2011/3/22 ADCPで計測した各時刻の流速分布，流量 (2009年台⾵9号) 2009/8/10 12:28 H=7.24m，Q=5094.7m3/s 2009/8/10 12:45 H=7.20m，Q=4851.7m3/s 2009/8/10 13:11 H=7.13m，Q=4647.1m3/s 2009/8/10 14:06 H=6.88m，Q=4452.9m3/s ADCPで計測した各時刻の流速分布，流量 (2009年台⾵9号) 2009/8/10 15:48 H=6.32m，Q=3991.5m3/s 2009/8/10 17:50 H=5.44m，Q=3120.3m3/s 2009/8/10 16:00 H=6.24m，Q=3530.9m3/s 2009/8/10 18:00 H=5.37m，Q=2845.5m3/s 19 2011/3/22 ADCP洪⽔流量観測における計測精度評価⼿法の検討 ADCPで計測した流量の精度評価指標：偏差流量⽐ ① 横断流速分布流量Q=5095m3/s 2009年台⾵9号による四万⼗川出⽔状況 ② 移動距離(5m)あたりの偏差流速コンター断⾯積分した偏差流量： 79.3m3/s) 偏差流量⽐＝ 79.3/5095 = 1.6% 断⾯流量の計測精度：偏差流量⽐＝②の断⾯積分値／①計測流量各グリッドの計測精度： ③偏差流速⽐＝ ② ／ ① ③ 各グリッドの偏差流速⽐＝偏差流速／流速参考資料 20 2011/3/22 研究成果：具同地点上下流区間の詳細河床形状計測 TS測量の状況深浅測量の状況⽔中カメラによる河川構造物の状況調査河床⾼ (T.P.m) 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 TSおよび測深機で計測したポイント詳細な河床形状研究成果：数値解析による具同地点の流況特性解析結果観測結果 Q=5094.7m3/s 21 2011/3/22 研究成果：数値解析による具同地点の流況特性解析結果観測結果 Q=3991.5m3/s 研究成果：数値解析による具同地点の流況特性解析結果観測結果 Q=2845.5m3/s 22