音 響 トモ グ ラ フ ィ ー法 に よ る河 口域 に お け る淡 水 流 量 の 測 定
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(2) 1467. 音 響 トモ グ ラフ ィー法 によ る河 口域 に おけ る淡 水流 量 の測定. 表‑1. 図‑1. 流速 計 の回路 ブロ ック図. 図‑2. (1975)に. よ れ ば,水. 流速計 の主 な仕 様. 測 定概 要. 図‑3. 観 測地 点. て お り,受 信 波 の高 いSN比. 中 音 速cは. 相 変 調 技 術 とGPSの. が 確 保 さ れ て い る.こ. の位. 正 確 な 時 間 情 報 の利 用 に よ って,. 高 精 度 な受 信 時 間 が 測 定 可 能 とな っ て い る.. (6) と表 さ れ る.こ. こで,Tは. 水 温(℃),Sは. 塩 分,Dは. 水. 位 相 変 調 波 を 発 信 す る た め に は ブ ロー ドバ ン ド型 トラ ンス デ ュ ー サ ー が 必 要 で あ り,AVMで. は ア メ リカITC. 深(m)で あ る.式(6)を 使 う と,距 離 誤 差 が塩 分 に与 え る. 社 製 の 小 型 トラ ンス デ ュ ー サ ー(ITC3422)が. 影響 は. て い る.超 音 波 の 中 心 周 波 数 は30kHzで,音. 使用 され 波 は トラ ン. ス デ ュー サ ー前 面 か ら半 球 状 に発 射 され る.復 調 され た. (7) で 見 積 も られ る.こ で あ る.式(7)か. こで,δL/Lは. 音 線距離 の相対誤 差. ら,水 中 音 速 が 大 き い た め,音. 線距 離. の相 対 誤 差 が 小 さ くて も大 き な塩 分 誤 差 が 発 生 す る こ と が わ か る.た. 受 信 波 は60kHzでAD変. ー ドに相 関. 波 形 が 記 録 さ れ る. 4.. 測定方法. 図‑2に 測 定 の 概 要 を,図‑3に 図‑3に 示 す よ う に,太. 次 世 代 超 音 波 流速 計 の概 要. 図‑1に 超 音 波 流 速 計(以 下AVMと ク 図 を,主. 信 時 に使 用 し たM系. と え ば,音 線 距 離 の 相 対 誤 差 が わ ず か0.1. %で も,水 温25℃ の も とで 塩 分 の 誤 差 は約1.4と な る. 3.. 換 後,送. 列 との 相 互 相 関 関 数 が 計 算 さ れ,MicroSDカ. 呼 ぶ)の 回 路 ブ ロ ッ. 原 子 時 計 を利 用 して,同. (ト ラ ンス デ ュ ー サ ー)か. 市 内派 川 側 に大 芝 水 門 が 設 置 さ れ て い る.測 定 断面 の 位. で構成 され る. 置 は祇 園 水 門 か ら246m下. 時に送受波 器. は 全 開,祇. ら双 方 向 へ超 音 波 を発 射 す る.. 超 音 波 パ ル ス の送 出 が 完 了 後 速 や か に,ト. ラ ンス デ ュ ー. サ ー は送 信 回 路 か ら受 信 回 路 に切 り替 え られ る.一 般 に, 従 来 の よ うに単 純 に規 則 波 を送 って も,水 中雑 音 の中 か. 流 で あ る.平 常 時 は大 芝 水 門. 園 水 門 は3門 の 内,右. 岸 側 の1門 の み が 開 度. 0.3mに 設 定 さ れ て お り,他 の2門 は 閉 じ られ て い る.太 田 川 の 分 派 点 は 感 潮 域 に あ るた め,既 存 の技 術 で は正 確 な 分 派 流 量 を 把 握 す る こ とは 困 難 で あ る. AVMに. よ る 測 定 値 の妥 当 性 を検 証 す る た め,ADCP. ら送 信 波 の受 信 時 刻 を 正 確 に 判 定 す る こ とは 困 難 で あ る.. に よ る流 速 分 布 の 横 断 観 測 とCTDに. そ こで,AVMの. 布 の測 定 を あ わ せ て行 った.ト. 送 信 波 は10次 のM系. 流で放. 水 路 と市 内 派 川 に分 派 して お り,放 水 路 側 に祇 園 水 門,. な 仕 様 を 表‑1に 示 す.2台1組. AVMは,GPSの. 観 測 地 点 の 位 置 を示 す.. 田 川 は 河 口 か ら約9km上. 列 で位 相 変 調 さ れ. よ る塩 分 と水 温 分. ラ ンス デ ュ ー サ ー は低 水.
(3) 1468. 海. 路 護 岸 の 河 床 上 約30cmの 間 隔 は1分 と した.測. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 高 さ に設 置 し,音 波 の 送 受 信. 定 期 間 は2007年9月9日. (a). 10:00‑10:27. (b). 11:21‑11:36. の17時30分. か ら10日 の12時30分 で,大 潮 期 の 初 め で あ る.測 定 地 点 で は,大. 潮 期 の 水 位 変 化 幅 は3m弱. あ り,平 水 時 の 干 潮. 時 に は 護 岸 付 近 は干 出 す る.レ ー ザ ー距 離 計 で 測 定 した トラ ン ス デ ュ ー サ ー間 の 直 線 距 離 は189mで. あ っ た.水. 温 と塩 分 の 鉛 直 分 布 は,流 速 測 定 断面 の 直 上 流 に架 か っ て い る祇 園 大 橋 か らCTDを. 降 ろ して 測 定 した.測 定 箇. 所 は,低 水 路 左 岸 か ら26.5m,58.4m,100.7mの3箇. 所で. あ る. 図‑2中 に 破 線 で 示 す 測 線 上 で浮 体 に 取 り付 け たADCP を,ロ. ー プ で横 断 方 向 に移 動 させ て 横 断 面 内 流 速 を測 定. した.移 動 間 隔 は約10m,1点. した.測 点 間 の移 動 に20秒 を要 した の で,測 は90秒 で1横 断 計 測 に 約20分 か か った.従 に水 位,流. 定時間間隔 って,測 定 中. 速 と もあ る程 度 変 化 して い る こ と に 注 意 す る. 必 要 が あ る.ADCPの 感 知 距 離5cm,層 5. AVMの. セ ンサ ー ヘ ッ ドの深 さ は7cm,不. 厚 は10cmと. 図‑4. し た.. た め で あ る.下. げ潮 期 に もか か わ らず,深. さ1m付. 近よ. り下 層 に は 弱 い なが ら上 流 に 向 か う流 れ が 存 在 して お り, 河 川 水 は主 に1m以. 浅 の 上 層 を 通 って 流 下 して い る.こ. の よ う に,塩 水 楔 が 進 入 して い るた め に,流 速 分 布 は一 様 流 体 の 流 速 分 布 と は大 き く異 な って い る. 図 中 の破 線 は,AVMの. デ ー タ処 理. 直 線 をADCPの 両 岸 でMicroSDカ. 流速 の横 断面 内分布. あ た りの 測 定 時 間 は70sと. ー ドに 記 録 さ れ た相 関 波 形 を 解 析. トラ ンス デ ュ ー サ ー を結 ん だ. 測 定 断 面 に 投 影 し た も の で あ る.音. が この 直 線 の み で あ れ ば,AVMに. 線. よ る測 定 流 速 は 断 面. す る こ と に よ り,音 波 の平 均 伝 播 時 間 と伝 播 時 間 差 が 求. 平 均 流 速 と は大 き く異 な っ た もの とな るが,実. め られ,式(2)と(3)を. 断 面 全 体 を 覆 う よ うな音 線 が 存 在 す るた め,一 対 の トラ. 得 られ る.AVMで. 使 っ て 音 速 と流 速 の 断 面 平 均 値 が 求 め られ る流 速 は音 線 に 沿 った 流 速. の平 均 値 で あ る.従. っ て,1対. の送 受 波 器 だ け で 断 面 平. 均 流 速 を 測 定 す る た め に は,音 線 が横 断 面 を覆 うよ う に な って い な けれ ば な らな い.後 述 す るよ う に,河. 口域 で. ンス デ ュー サ ー の み を 有 す るAVMで. 際 に は横. も断面 平 均 流 速 の. 測 定 が 可 能 とな る. (2) 音 線 シ ミ ュ レー シ ョ ン 音 速 場 が 一 様 で な い場 合,音. 線 はスネルの法則 によ り. は音 波 は屈 折 し,水 面 と河 床 で 反 射 しな が ら伝 わ るた め,. 屈 折 し,以 下 の 常 微 分 方 程 式 を 解 いて 音 波 経 路 が 求 ま る. 横 断 面 を覆 うよ う な音 線 が 存 在 す る.. (Dushaw・Colosi,1998).. 音 線 に 沿 った 平 均 流 速umは,COSθ. で 除 して 断 面 平 均. 流 速VAVMに 変 換 され る.θ は 図‑2に 示 す 主 流 方 向 と音 線. (8a). との 爽 角 で あ る. 断 面 平 均 流 速 と 同 時 に,式(6)を とAVMで. (8b). 用 い る と,平 均 水 温. 測 定 さ れ た 断 面 平 均 音 速 か ら,断 面 平 均 塩 分. (8c). が 推 定 で き る. 河 床 形 状 の 測 量 結 果 と水 位hか ら求 ま る,音 線 に沿 っ た断 面 積A(h)と,音. 線 に 沿 っ た 平 均 流 速umか. ら,次 式. で 流 量QAVMが 求 め られ る.. は 音 線 の 水 平 か らの 角 度(入. は そ れ ぞ れ,水. 平 と鉛 直 方 向 の 座 標,tは. 音 波 の伝 播 時. 全 反 射,水. 底 で も入 射 捕 角 が10度 以 下 で あ れ ば,ほ ぼ 全. 反 射 す る. 図‑5に 式(8)を 積 分 して 求 め た 音 線 を 音 速 場 と と も に. 結 果 と考 察. 示 す.9月10日9:00の (1) 流 速 の 横 断 面 分 布 図‑4にADCPで. 射 捕 角),rとz. 間 で あ る.水 面 で は入 射 角 に か か わ らず 音 波 は ほ とん ど. (8) 6.. こ こで,ψ. 音 線 を み る と,ほ ぼ 横 断 面 を覆 う. よ う に音 が伝 播 して い る こ とが 確 認 で き る.一 方,干. 測定 した下 げ潮時 の流速 の横断面 分. 布 を示 す.流 速 は下 流 方 向 を正 と して い る.ADCPの. に近 い10日12:00の. 潮. 結果 を見 る と,左 岸 側 の トラ ンス デ ュー. 反. サ ー が 音 速 の鉛 直 勾 配 の非 常 に 大 き な表 層 に 位 置 して い. 射 強度 か ら求 めた 河床 形 状 が,測 定 時 刻 によ りや や異 な っ. る た め,左 岸 側 で は底 層 を通 過 す る音 線 は存 在 して い な. て い る の は,ADCPが. い.. 完 全 に 同 じ測 線 上 を 通 って い な い.
(4) 1469. 音 響 トモグ ラフ ィー法 によ る河 口域 にお ける淡水流 量 の測定. 10th12:00. 10th9:00. (a)10th9:00. (b)10th12:00. 図‑6 図‑5. 各音 線 の伝 播 時間 と伝播 距離. 音 速分布 と音 線解 析 の結果 (a). 各 音 線 の 伝 播 時 間 と伝 播 距 離 を図‑6に 示 す.伝 播 時 間, 伝 播 距 離 と も9:00よ. り12:00の. 伝 播 時 間 の 増 加 は,図‑5(b)に い12:00は. 方 が 大 き くな って い る. 示 した よ う に,干. 潮 に近 (b). 塩 分 の減 少 に と も な い音 速 が 小 さ くな って い. る こ と に加 え,音 速 勾 配 の大 き な 表 層 内 を伝 播 す る と き, 水 面 で 多 数 の反 射 を 繰 り返 し,伝 播 距 離 も長 くな って い る こ とが 原 因 で あ る.伝 播 距 離 と トラ ンス デ ュー サ ー間 の 直 線 距 離 の 差 を 距 離 誤 差 δLと 考 え る と,相 対 誤 差 δ L/Lは9:00と12:00で. そ れ ぞ れ,0.5%と1%程. 度 とな. 図‑7. 断面平 均流 速(a)と断面 平均 塩分(b)の経 時変化. る.前 述 した よ う に,こ の程 度 の 相 対 誤 差 は流 速 に 関 し て は問 題 に な らな いが,塩 分 を 推 定 す る 際 に は無 視 で き な い大 き さ で あ る の で,音 線 シ ミ レー シ ョ ンを 行 って伝 播 距 離 の増 加 量 を見 積 も って お く必 要 が あ る. (3) 平 均 流 速 と平 均 塩 分 の 測 定 結 果 図‑7(a)にAVMに. よ って 測 定 した 断面 平 均 流 速VAVM=. um/cosθ の 経 時 変 化 を 祇 園 水 位 観 測 所 の 水 位WLと. とも. に示 す.残 念 な が ら,干 潮 付 近 で は トラ ンス デ ュー サ ー が 干 出 した た め 欠 測 とな っ て い る.10次 で 送 信 波 を 位 相 変 調 した 結 果,十. のM系. 列 信号. 分 高 い受 信 信 号 のSN. 図‑8. AVMの. 測 定 結 果 とADCP,CTDの. 測定 結果 の比 較. 比 が 得 られ た.平 均 流 速 は水 位 変 化 と異 な り,正 弦 曲 線 か らか な り歪 ん だ 経 時 変 化 を示 して い る.さ 時 で も平 均 流 速 は0と な らず,上 ADCPに. ら に,満 潮. 流 方 向 に 流 れ て い る.. よ っ て 測 定 され た11:30に お け る流 速 の 横 断 面. 分 布 図‑4(b)を み る と,ト 平 均 流 速 は負 で あ るが,同. ラ ンスデ ューサ ー設置 高 さの 時 刻 で のAVMの. 測定流速 は. 正 と な って お り,上 層 の下 流 方 向 流 速 を 反 映 した もの と. AVMで. 測 定 さ れ た平 均 音 速 か ら推 定 した平 均 塩 分 の. か っ た の で,水. 温 はCTDで. られ る.た だ し,水 位 が低 い と き は塩 分 が 負 と な って, 平 均 塩 分 の 推 定 値 は 明 らか に過 小 評 価 とな っ て しま って い る.塩 分 が 過 小 評 価 とな っ た主 原 因 は,前 述 した よ う に(図‑6),音. 波 の 伝 播 距 離 の 増 加 で あ る.式(7)か. 分 の 誤 差 を 見 積 も る と,δS〓‑14と 図‑8に,AVMの. な って い る こ とが わ か る.. 経 時 変 化 を 図‑7(b)に 示 す.た. 応 して お り,塩 水 楔 の挙 動 を う ま く捕 らえ て い る と考 え. だ し,水 温 の 変 化 は小 さ 測 定 した平 均 値 で あ る27℃. に 固 定 して い る. 平 均 塩 分 の 増 減 は 図‑7(a)の 平 均 流 速 の 変 化 と良 く対. 速 とCTDに. 測 定 値 を,ADCPに. ら塩. な る. よる断面平 均流. よ る 断 面 平 均 塩 分 と比 較 し た結 果 を示 す.. た だ し,2008年2月12日. に行 っ た追 加 観 測 の 結 果 を 加 え. て あ る.両 者 の 測 定 結 果 は よ く一 致 して お り,AVMに よ る測 定 値 の妥 当 性 が 確 か め られ る.AVMの がCTDに. 平 均塩分. よ る 平 均 塩 分 よ りか な り小 さ い デ ー タが あ る.
(5) 1470. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (a). (b). 図‑9. が,こ. 流 量(a)と 淡 水 流 量(b)の 経 時 変 化. れ は上 述 した よ うに,音 波 の伝 播 距 離 が 伸 び た た. (2)平 均 音 速 か ら求 め られ る平 均 塩 分 と測 定 流 速 を組 み. め で,距 離 補 正 を行 え ば一 致 の 程 度 は よ くな る.. 合 わ せ る こ とに よ って,流. (4) 流 量 と淡 水 流 量 の 測 定 結 果. が 推 定 可 能 で あ る.. 図‑9(a)にQAVMの 経 時変 化 を 示 す.ト. ラ ンス デ ュ ー サ ー. (3)10次. が 干 出 した た め 欠 測 と な って い る期 間 を線 形 内 挿 した上 で 求 め た 潮 汐 平 均 の 流 量 は,‑8.4m3/sと. QAVMに(S0‑SAVM)/S0を. のM系. SN比. な り,上 流 方. 向 へ 流 れ て い る結 果 と な った.. こ こで,S0は. 量 の み な らず,淡 水 流 量. 列 信 号 で 位 相 変 調 した結 果,十. 分高い. が 得 られ た こ とか ら,高 雑 音 ・高 濁 度 とな る. 出水 時 で も流 量 の 測 定 は可 能 で あ る と考 え られ る. 今 後 は,出 水 期 を含 む 長 期 連 続 測 定 を 行 い,開 発 した. 乗 じて 淡 水 流 量QfAVMを 求 め た.. 広 島 湾 の 平 均 塩 分 で32.5と した.本 論 文 で. AVMの. 性 能 確 認 を 行 う と と もに,分. 派流量 の長期変 動. を 明 らか に して 行 く予 定 で あ る.. は,横 断 面 内 に お け る流 速 と塩 分 の 断 面 平 均 値 か らの 偏 差 の共 分 散 は無 視 して い る こ と に 注 意 す る必 要 が あ る.. 謝 辞:本 研 究 の 一 部 は 国土 交 通 省 建 設 技 術 研 究 開 発 助 成. ま た 上 述 し た よ うに,水. 制 度(研 究 代 表 者:川 西. た期 間 はS=0と. 位 が 低 くS<0と. な って しま っ. 置 い て い る.欠 測 期 間 を 線 形 内 挿 し た. 上 で 求 め た潮 汐 平 均 の淡 水 流 量 は,5.84m3/sで 測 期 間 の太 田 川 流 量 は約60m3/sで 量 の 分 派 率 は 約10%だ. あ る.観. あ った の で,太. 田川 流. 受 けて 実 施 した もの で あ る.こ. 川環境 管. 澄)の 補 助 を. こ に記 して,深 甚 な る謝. った こ と に な る.こ の 分 派 率 は 太. な 結 果 で あ る と判 断 さ れ る. 結論. トモ グ ラ フ ィー 技 術 を用 い て 開 発 した超 音 波 流 速 計 を 用 い て,河. よ び(財)河. 意 を 表 す.. 田 川 放 水 路 の平 常 時 分 派 率 の 設 定 値 に等 し く,概 ね妥 当. 7.. 澄)お. 理 財 団 河 川 整 備 基 金(研 究 代 表 者:川 西. 口域 に お け る淡 水 流 量 の 連 続 測 定 を 試 み た.. 得 られ た 主 な結 果 は 以 下 の通 りで あ る. (1)開 発 した次 世 代 超 音 波 流 速 計 に よ り,河 口域 の 流 速 と音 速 の 断 面 平 均 値 が 連 続 測 定 可 能 で あ る.. 参 金子. 考. 文. 献. 新 ・江 田憲彰 ・鄭紅 ・高野忠 ・山岡治彦(2003): 沿岸 音響 トモグラ フィー, 海 の研 究, 第12巻, 1号, pp.1‑19. 川西 澄 ・大庭 尚史 ・金子 新 ・水野雅光(2008): 感潮河川 に おけ る音 波の横 断伝 播特性 と次世 代超音 波流速計 による横 断平均 流速 の測定, 水工学論文集, 52巻, pp.371‑375. Dushaw, B. D. and J. A. Colosi (1998): Ray Tracing for Ocean Acoustic Tomography, Technical Memorandum, Applied Physics Laboratory, University of Washington, TM 3-98, 31pp. Medwin, H. (1975): Speed of sound in water: A simple equation for realistic parameters, J. Acoust. Soc. Am., Vol.58, p.1318 ..
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