Download - 土木研究所

日本における
洪水河川流量観測方法
土木研究所(PWRI)
水工研究グループ
水理水文チーム
目次
1.
日本における河川流量観測の概要
2.
日本における標準的な洪水流量観測手法
3.
その他の日本の洪水流量観測手法
1. 非接触型流速計
2. 水圧式水深流速計
3. ADCPを用いた測定法
日本河川の特徴

１. 流域面積が小さい

２．河床が急勾配である

３．年間降水量が多い
年間降水量[mm/year]
日本
他国
日本では短時間で水位が
上下する洪水がほとんど
日本における河川流量観測の
枠組み
国土交通省河川部
土木研究所
監督
技術的支援と
マニュアルの作成
地方整備局
洪水流量測定
データのチェックと責務
河川流量観測
地方事務所
測定依頼
地元測量会社
測定データの提供
低水流量測定
日本における洪水流量観測の特徴
問題点
流下物が多い
流速が速い
接触型流速計による観測はほぼ不可能
日本では、浮子を使った測定が定着してきた
日本の洪水流量測定の歴史的背景
当初は、建設省が自身で観測地に生息している竹を浮
子として利用し、観測を行っていた。
・観測所の増加(国土交通省のものが約1400個所)
・作業員の減少
地元の工事事務所だけでは流量
の観測ができない
例:利根川流域の流量とWL観測所
近年、事務所の経費削減のため、デー
タの質が落ちる可能性が指摘されて
いる。
浮子を用いた測定方法

特性
水位流量曲線作成のための標準的方法
2. 浮子は橋の上等から投下する。
1.
浮子を用いた測定の運用上の問題点.1

WL上昇時期、ピークタイムを観測するのが難しい。
専門観測者が減少している(入札制度の変更により、1つの受
託業者と長期にわたり契約を保つことができなくなった)。
上昇時期のデータ
が観測されていない
の例
浮子を用いた測定における技術的問題点.1

現在、各浮子の平均(最高と最低)更正係数は以
下のとおり:
1)
2)
3)
4)
5)
水面浮子: 0.5 m 浮子:
1 m 浮子:
2 m 浮子:
4 m 浮子:
0.85
0.88
0.91
0.94
0.94
( valid for h ≦ 0.7m )
( valid for h = 0.7 ∼ 1.3m )
( valid for h = 1.3 ∼ 2.6m )
( valid for h = 2.6 ∼ 5.2m )
( valid for h ≧ 5.2m )
この基準は約40年前に決められたものであり、研究が進むにつれ、
以下に述べるような問題点が指摘されるようになっている。そのた
め、これらの係数は再検討される必要がある。
これらの係数を今年から来年にかけ
て調査する
浮子を用いた測定における技術的問題点.2
(橋脚後流についての仮説)
実際の流量値:Q
浮子投下点
橋脚
Q
Non-back flow field Q1=A1・V1
Q=Q1+Q2
逆流域
Q2=A2・V2 =A V +A V
1 1
2 2
Non-back flow field Q1=A1・V1
Q1：non-back flow 域の流量 , A1：non-back flow域の河川区域, V1：non-back flow域の平均流速, Q2：逆流域の流量,
A2：逆流域の河川区域, V2：逆流域の平均流速
流水基準に基づいた観測流量値：Q’
Non-back flow field Q1=A1・(V1+Vα)
浮子投下点
Q
橋脚
Back flow field Q2=A2・(V1+Vα) Q’= Q1+Q2
=(V1+Vα)(A1+A2)
Non-back flow field Q1=A1・(V1+Vα)
Q1： Discharge of non-back flow field,A1： river area of non-back flow field,V1： average velocity of non-back flow field,
Vα：acceleration by aboideau rising effect,Q2： Discharge of back flow field,A2：river area of back flow field
☆ 流水基準の観測流量値と実際の観測値の比較
Q’=Q+(V1-Vα)A2+Vα(A1+A2)
流水基準に基づいた観測流量値は二重下線部分
流水基準に基づいた観測流量値は二重下線部分
この部分が過大になっている
による河川流量を過大評価している
による河川流量を過大評価している
利根川下流工事事務所： 1999年利根川下流域河床と流量の観測研究報告より
橋脚後流についての仮説
1.00E+00
8.00E-01
垂直平均流速
velocity (m/s) [m/s]
6.00E-01
4.00E-01
2.00E-01
0.00E+00
0
-2.00E-01
１０回目
9
8
7
6
50
100
150
200
250
300
350
400
5
4
-4.00E-01
-6.00E-01
-8.00E-01
3
2
1
10 区間移動平均 (１０回目)
10 区間移動平均 (9)
10 区間移動平均 (8)
10 区間移動平均 (7)
10 区間移動平均 (6)
10 区間移動平均 (5)
10 区間移動平均 (4)
10 区間移動平均 (3)
橋脚付近で流速が落ちているのがわかる
橋脚付近で流速が落ちているのがわかる
10 区間移動平均 (2)
10 区間移動平均 (1)
-1.00E+00
distance(m)
横方向距離[m]
ADCPによる垂直平均流速観測データ
(石狩大橋観測所、2003年3月10日)
450
500
浮子を用いた測定における技術的問題点.3
(並列旋回流についての仮説)
『「並列旋回流」は、橋
の基底部において発
生する。浮子は一線
に集まりやすくなる。
速度は平均よりも約
+10％上がる。』
木下良作 (1998) 、下流におけ
る洪水流量観測についての議
論、水文・水資源学会誌、第11
巻、第5号、pp.460-471 より
平行旋回流についての仮説
深さから幅The figure which changed
the depth to width into 1 to 1
:uv 構成等高線図
:±w 構成等高線図
上流
上流と下流より、周期的な構造が一様に見られる。
並列旋回流が発生していると推測できる。
ADCPによる観測(Mashimo流量観測所、2000年12月19日)
下流
浮子を用いた測定における技術的問題
点.4(その他の問題)
•高水敷に草木が繁茂している場合、浮子が適切に流下
しない。
浮子を中水位または河川敷において使用
するのは難しい。
こういった場所では
浮子は使用不可能
その他の洪水河川流量観測方法
浮子観測の欠点を補うために、技術開発し、使用可能な
状態にする必要がある。
日本における、その他の洪水河川流量観測
方法の開発
１. 非接触型速度測定
(浮子を用いた測定の補足)
２. 水圧式洪水流速計
(研究のみに使用)
３. ADCP
(高水のために研究中)
非接触型速度測定
特性
1. 河川水面の速度を測定(各横断面区間を合計す
ることにより、横断面の総流量を推定する。垂
直平均流速は変換係数を用いて算出される)。
2. 4系統の非接触型流速計が開発された(土木研
究所と6つの民間会社が4年にわたって開発）。
流速計は河川上の橋か土手に設置され、自動
で、しかも離れた事務所からも観測することがで
きる。
非接触型流速計の種類1
ドップラータイプ
1. 電波型流速計
2. 超音波型流速計

非接触型流速計の種類2
画像処理タイプ
1. PIV 流速計
2. オプティカルフロー流速計

非接触型速度測定における問題点１
１．変換係数を魚野川と利根川で観測されたデータ
により決定したが、他の河川で変換係数が変わ
る可能性もある。
さらに多くのデータを入手し、それを用いて係数
を実証しなければならない。
非接触型水面流速計による
流量 [m3/s]
各流速計の流量値（m3/sec)
6,500
6,000
魚野川と利根川のデータから得
た変換係数を用いた非接触型水
面流速計による流量は、浮子観
測の流量の約5％以内に安定し
ている。
浮子流量（＋５％）
5,500
5,000
浮子流量（−５％）
4,500
浮子流量
電波流速計
超音波流速計
ＰＩＶ方式流速計
オプティカルフロー方式流速計
4,000
3,500
3,000
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
浮子流量（m3/sec）
5,500
浮子観測による流量[m3/s]
6,000
6,500
非接触型速度測定における問題点2
２．風の影響の補正
The relative error of discharge measured
value[%]
流量推定値の相対誤差[%]
風の影響を除くアルゴリズムを作成し、室内実験におい
てその効果を検査した。しかし、風波の影響を除く方法が
開発されていない。
The removal experiment result of the influence of a wind
（We make calm measured value the true value）
60
50
40
30
20
10
0
Radio 計
速
wave
流
電
波
Ultra 計
速
Sonic
流
超
音
波
PIV 計
V流
PI
Optical
計
flow流速
速
テ
プ
オ
ィカ
ル
ー
ロ
フ
With no influence
compensation of a
wind
With風の影響補正なし
influence
風の影響補正後
compensation of a
wind
非接触型速度測定における問題点3
３．費用が高額になる
河川名
Satunai
阿武隈
利根
庄内
由良
Kase
非接触型水面流
設置費用[¥]
設置費用[$]
速計の種類
Satunaibashi 超音波型
63,000,000
525,000
Yagita
PIV
31,000,000
258,000
Yattajima
超音波型
89,000,000
741,000
Sidami
光学式
47,000,000
391,000
Fukuchiyama 電磁波型
56,000,000
466,000
Dairokubashi PIV
45,000,000
375,000
観測所
非接触型流速計の概要
今年度は新たに6つの地点においてデータを収集
する予定
河川名
Satunai
阿武隈
利根
庄内
由良
Kase
非接触型水面流
観測所
速計の種類
Satunaibashi 超音波型
Yagita
PIV
Yattajima 超音波型
Sidami
光学式
Fukuchiyama 電磁派方
Dairokubashi PIV
水圧式水深流速計

特性
主に2次元構造のデータ取得に使用
2. 橋から吊り下げる
3. 垂直方向の流速を測定する
1.
水圧式水深流速計における問題点
1.
費用が高額
(約 ¥100,000,000≒$850,000)
2.
河川に流れてくる物体や流速が速い
(4m/s以上)場合に、流速計が流される可
能性がある。
ADCPを用いた測定
(ラジコンボートを使用)

特性
1.
河川における流速の3次元構造データ取得のために使
用
垂直水速の特徴を精密に測定できる
流速がそれほど速くない場合に使用できる(3∼4m/s
以下)
2.
3.
ADCP(ラジコンボート使用)を用い
た測定における問題点
1.
ラジコンボートの操縦が難しい (実質上1つの会社しか運転技術を有していな
い)
2.
流速が速い場合は使用が難しい。
結論
浮子観測が日本では標準的である
。
浮子観測の欠点を補足するために、現在、
非接触型速度測定や、水圧式洪水流速計、
ADCPを用いた測定が開発されている。
関心のある点
水位流量曲線のマネジメント
非接触型速度測定使用のその他の可能
性
ADCP使用のその他の可能性

Download Report