ADCP による流量観測に関する研究 ~An observational study on measuring river discharge by using ADCP~

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平成

26

年度修士論文

ADCP

による流量観測に関する研究

~An observational study on measuring river discharge by using ADCP~

三重大学大学院生物資源学研究科共生環境学専攻

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第

1

章研究背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3 第

2

章観測対象・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4

第

3

章流量観測に関する過去の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

3-1，都市二級河川における洪水流量観測と河川計画上の課題

3-2，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

第

4

章研究手法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6

第

5

章結果・考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7

5-1，観測結果一日目(11/8) 5-2，観測結果二日目(11/22) 5-3，観測結果三日目(12/11)

第

6

章まとめ・課題・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・16

6-1，まとめ 6-2，課題

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17 参考文献・参考資料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18 修士論文審査会質問と回答・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・19

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第

1

章研究背景

近年，自然の猛威により被る災害は，増加傾向にある．特に，2000年に入ってゲリラ豪雨という言葉が使われるように，現代の文明をもってしても未だ予測しきれない自然現象が日本をはじめ世界各地で起こっている．その中でも日本は，有数の河川数を誇る国であり，前線や台風に加え，前述のゲリラ豪雨など雨による河川対策の重要度は非常に高い．2014 年 8 月には三重県で初めての特別警報が発令され，津市の雲出川や安濃川をはじめ，多くの河川で氾濫の危険性が高まり，多くの町で避難指示が出されたことは記憶に新しい．

多くの危険を孕む河川ではあるが，人の生活に必要不可欠でもある．田や畑などの農作物のための農業用水または日頃の生活のための生活用水の水源は，主に河川から供給されている．昔からの河川の利用は，文明が発達した今でも変わることがない．さらに，河川の治水・利水を進める中で，あまり認知されていなかった環境についても近年では問われるようになった．これらを踏まえて，各自治体は河川計画を練る．この際に求められるのが，精密な河川の流速・流量データとなる．しかし，一級河川のような大規模な河川では多くの資料が随時入手できるよう環境は整っているが，二級，準用，普通河川のような中小規模の河川では，未だに水位流量関係が不明な所も多く報告されている¹⁾．河川の幅・深さなど様々な河川特性は存在するが，容易な観測手法が求められる．

日本で用いられる観測手法は，主に浮子観測・回転（プライス・広井）式流速計・電磁流速計が用いられてきた．これらの観測方法の詳細は後述するとして，共通点はどれも流速観測に当てはまる．これは，河川の断面積を把握し断面積×流速＝流量の式を算出する．これと併せて水位を測り照らし合わせることで，水位・流量曲線（H-Q曲線）を作成し，水位を測るだけで流量を得られる．しかし，河川の断面積は浸食や災害によって変化するので定期的な観測により随時更新される必要がある．そこで，

Acoustic Doppler current profiler（以下ADCP）が注目されている．このADCPは，音波を用いることで，

瞬時に流速と断面積を測ることで流量を容易に算出することができる．主に海洋で用いられていたが，

河川用にカスタマイズされ，米国ではU.S. Geological Survey （USGS）を中心としたADCPによる流量観測が数多く行われており，その観測技術の標準化や精度検証が進められている²⁾．

本研究でも，この新しい観測器具を用いて精度の向上や従来とは異なる方法を用いて，新たな流速観測を編み出し，従来の観測と比較していきたい．

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第

2

章観測対象

観測対象は，三重県松阪市を流れる一級河川の櫛田川の河口付近である． 2014年11月8日，22日 12月11日の三日間観測を行った．観測した所は，固定堰となっており，Fig.2-1の赤丸の部分を拠点としており，Fig.2-2が拠点から取った櫛田川である．

Fig.2-1 観測地

Fig.2-2 観測地

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第

3

章流量観測に関する過去の研究

3-1) 都市二級河川における洪水流量観測と河川計画上の課題

全国的に都市域には二級河川またはそれに準ずる小河川が，流れている．近年では，このような河川においての水害による被害が，増加している．しかし，このような河川では洪水時の流量データが不足しており，河川整備を企画することが困難である．本研究においても急速に都市化が進む千葉県船橋市の海老川流域を対象に洪水時の浮子観測を行い，実施状況や測定結果に及ぼす影響を考慮した水流量関係を算出し，さらに既存の水文観測データとこの観測データを比較し，小規模河川における河川計画・

管理上の課題などについて考察する．その結果，洪水時の表面浮子と吃水浮子の流速測定には違いがあまり見られなかった．海老川の断面は，低水路と高水敷を分けて水位流量曲線を作る必要がある．水文観測データでは平水時のみの流量観測から作られた流量曲線であり，このデータから洪水時の流量を算出し，本研究における流量曲線と比較すると最大で約3倍程度変わってくる．ここに，小規模河川の計画・管理上抱える課題が浮き彫りになった．

3-2) 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

日本では，河川流量観測において河川砂防技術基準に基づいて低水時にはプライス流速計もしくは電磁流速計による観測，洪水時には浮子による観測がされる．しかし，流量観測法も社会のニーズに伴い省コスト化，高効率化，高精度化が求められている．それにより，新しい計測技術としてADCPによる観測が期待されている．この計測器具は，従来の観測とは異なり，流速のみならず水深を同時に計測し，

河川を横断させることで，流量を瞬時に得られる．実際に海洋などでは昔からADCPを用いて流量を観測している実績がある．本研究でもADCPが，日本の河川に適用できる観測法の確立，標準化を検討するために試みる．本研究からADCPの計測精度は，概ね良好であることが示されたが，適用範囲がある程度判明した．ADCP は，相対的に大きなスケールの川幅を持つ河川流量観測に適している．ただし，

川幅が大きくあったとしても流量が少ない場合は流量計測精度が低下する．また大規模洪水時には大量のゴミや流木が浮遊するため観測自体が困難な場合もある．このことから，低水時から中規模洪水時の流量規模かつ中・大スケールの川幅を有する河川における流量観測に適している．

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第

4

章観測手法

ADCP(Teledyne RDI)を用いて，櫛田川を横断し観測する．この研究では，ラジコン(Fig.4-1)の引率

(Fig.4-2)によってADCPを横断させる．ただし，1度の往復で2回のデータを収集できるので，往路は

ラジコンを用いて，復路はロープで引っ張ることにした．1度の往復で別々のデータを採取し，比較を行う．このラジコンによる観測は，実際の流量観測にも行われている³⁾．ただし，ラジコンと言っても私のように引率するのではなく，船外機を付けての観測またはラジコン本体に付けての観測を行っている．

また，固定堰の上を歩くことが可能だったため，その上を歩いてADCP観測と電磁流速計による表面流速の観測も行った．

なお，この観測で用いるラジコンは自作である．

Fig.4-1 ラジコン Fig.4-2 引率

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第

5

章結果・考察

これから示すNo.1～No.12は全て観測した順番であり，観測番号にした．

5-1，観測結果一日目(11/8)

初めての観測，かつ色々と機器トラブルにも遭い観測状況はあまり芳しくはなかった．特に1往復することにより，2回分のデータを収集できるのだが，復路の際にADCPとの無線がつながらなくなってしまうトラブルもあり，この日は１回分( No.1 )の観測のみを示す．

Fig.5-1 流速のコンター図 ( No.1 )

表層流速：8.33 ｍ³/s ，測定流量：3.71 m³/s ，ボトム流量：3.34 m³/s ，総流量：15.38 m³/sを観測した．この観測は，往路観測のためモーターの影響が含まれていることや，これまでのデータや国の管理する水文水質データベースでも観測されていない箇所だったので，比較できるものがなく精確に測定できたか判断できなかった．しかし，水深に関しては，最大3mまで観測できるようにADCPを設定したが，この観測により最大で2m強あればよいことがわかった．水深のみ参考の値として今後．使用することにする．

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5-2，観測結果二日目(11/22)

前回の失敗を反省し，2回目の観測では河川を3往復することができ，計6回分( No.2 ~ No.7 )のデータを観測することができた．まずは結果を先に示す．

表層流速：0.14 ｍ³/s ，測定流量：-9.11 m³/s ，ボトム流量：-2.40 m³/s ，総流量：-11.37 m³/s

表層流速：15.85 ｍ³/s ，測定流量：0.69 m³/s ，ボトム流量：0.82 m³/s ，総流量：17.35 m³/s

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表層流速：10.09 ｍ³/s ，測定流量：-7.46 m³/s ，ボトム流量：-1.50 m³/s ，総流量：1.13 m³/s

(10)

表層流速：-4.09 ｍ³/s ，測定流量：-6.24 m³/s ，ボトム流量：-2.15 m³/s ，総流量：-12.48 m³/s

No.2，No.4，No.6は，ラジコンによる引率をしているため，モーターの影響が受けている．逆に， No.3，

No.5，No.7は，ロープによる引率をしているので，モーターの影響を受けていない．No.5とNo.6は，

ラジコンの調子が悪くなり，河の半ばまでしか行けなかったため，他の観測よりも横断の図が小さくなっている．また，No.7はADCPをロープで引っ張っている最中に堰とぶつかり，無線の接続が一時中断されたため，データの欠損部分が多くみられる．そのため，考察にはNo.2 ~ No.5までのデータを用いる．

まず全てのコンター図は，似たような図になっており，精確に観測されていることを示唆している．

さらに，モーターの影響を受けている( No.2，No.4 )と影響を受けていない( No.3，No.5 )図を比べると，

水深0.80 m付近で若干ではあるが，No.2，No.4は，No.3，No.5よりも負の流速を取っているように思

える．そこで，水深を一定として，0.32 m，0.42 m，0.82 mで横断した流速の変化をプロットした．

Fig.5-8 流速変化( No.2 ) Fig.5-9 流速変化( No.4 )

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Fig.5-10 流速変化( No.3 ) Fig.5-11流速変化( No.5 )

図からも，No.2，No.4の水深0.82 m流速は負に偏っているように見て取れる．実際に水深0.82 mの平均流速をそれぞれ求めると，-0.16 m/s ( No.2 )，-0.19 m/s ( No.4 ) となっており，No.3，No.5は-0.11 m/s

( No.2 )，-0.12 m/s ( No.4 )と明らかに負に偏っている．そして，水深0.32 m，0.42 mは流速の偏りが0.82

m ほど見られない．このことから，水深0.80 m 付近のみモーターの影響を色濃く受けてはいるが，その他の層に関しては微々たる影響のみであると示唆される．

しかし，測定流量を除く他の流量は，モーターの影響を受けているものと受けていないものと区別しても区別しなくても大きく異なっている．特に表層流量の差が著しく大きい．これは，ADCPが音波観測による不感帯観測が主な要因であると考えられる．ADCPは，不感帯部分の流速補間として一般的な河川に対して用いる定数による補間あるいはパワー(指数関数の近似)による補間を行い表層流量などの不感帯部分の観測を補間する．このことから，表層流量のみならず，ボトム流量でもこの観測では不適切だったのではないかと思われる．

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5-3，観測結果三日目(12/11)

三日目の観測は，固定堰上を歩いて観測を行った．しかし，当初の予定では対岸まで歩いていくはずであったが，途中で流れがとても速く，溝のようになっている部分があり，その部分を通過するのは危険だと判断し，河川の中央付近までの観測となった．固定堰の上を2往復して計4回分のデータを二日目の結果と同じく先に結果を示す．

表層流速：6.27 ｍ³/s ，測定流量：-1.67 m³/s ，ボトム流量：-0.28 m³/s ，総流量： 4.32 m³/s

(13)

表層流速：7.09 ｍ³/s ，測定流量：-1.23 m³/s ，ボトム流量：0.26 m³/s ，総流量：6.12 m³/s

(14)

表層流速：1.10 ｍ³/s ，測定流量：-4.52 m³/s ，ボトム流量：-1.72 m³/s ，総流量：-5.14 m³/s

No.8からNo.11までは，固定堰の上を歩いた時であり，No.12，No.13はそれぞれモーターによる引率

とロープで引っ張った時の結果である．ただし，今回はモーターに関しては対岸近くまで引率をすることはなく，固定堰を歩いた時と同じくらいの場所までを観測した．これは，固定堰との比較を試みるために行った．固定堰上とモーターによる引率は問題なく測れた．ロープで ADCP を回収する際の観測

No.13は図からは何とか観測できているように見えるが，実際には固定堰にADCPが何度もぶつかり，

No.12 とも比べても横断方向のデータ数が明らかに他の観測に比べて少ないので，考察から省くことに

する．

まずNo.8からNo.11，特に対称的となる往復どうし(No.8とNo.9 , No.10とNo.11)のコンター図は，

とても似ており，観測が良好であったことが伺える．しかし，二日目の観測よりも近い値を取るようになっているが，総流量は異なる結果となった．測定流量はほぼ近い値を取っているところを見ると，全ての観測は測定のみ正しく行えているが，表層，ボトム流量は，ADCPによる補間での数値であったため大きな誤差が生じたと言える．No.12 も二日目のモーターでの測定流量と比べると近い値をとっていることがわかる．少し数値が低く感じるかもしれないが，これは移動距離が三日目の観測が短かったためである．そして，三日目のみ電磁流速計で表面流速のみ何点か観測したが，固定堰によって流れが阻まれている箇所では流速がほぼ0に近い値を取っていた．全ての観測の表面流量は，信頼できる数値ではないことがわかった．コンター図からは大まかな内容でしか把握できないので，二日目と同じく細かく速度の数値をプロットし比較する．

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Fig.5-20流速変化( No.10 ) Fig.5-21流速変化( No.11 )

Fig.5-22流速変化( No.12 )

Fig.5-18からFig.5-21 までのグラフを比較すると，少しピークが大きくでているところもあるが，ほ

ぼ同じ流速を観測していることがわかる．このことからも観測は，良好に行われたと言える．これらの流量値の違いは，ADCPが観測時に描く軌跡の違いが大きかったと思われる．特に今回のような水深が浅いところと深いところの差が大きい場合，同じ軌跡を辿らなければ特に流量値は大きな誤差が生じると考えられる．

これより，改めて二日目のラジコンとロープの測定流量を比べると，観測時の違いはラジコンによるモーターノイズのみであり，このノイズを適切に処理することができれば，有効な流量値が得られることが示唆された．しかし，表層，ボトム流量の誤差は許容できる範囲を超えての補間だったので，ADCP を用いての総流量を得る際には，その河川がもつ固有の特性に気を付ける必要がある．

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第

6

章まとめ・課題

6-1，まとめ

ラジコンを用いたADCPを河川に適用し，観測を行った．観測は，三日間行うことができ，概ね良好に行われた．その結果から，まず本研究でも河川でのADCP観測の有用性を示した．そして，ラジコンを用いての観測も従来通りの観測と同じく良好な観測が行えていた結果となった．ただし，モーターによる影響はやはり大きいので，それを取り除く必要がある．本研究では，取り除くことまではできなかったが，河川でのラジコンを用いたADCP観測も有用であると示唆した．

6-2，課題

河川でのADCP観測の欠点が，今回の観測で2点浮き彫りになった．

まずは，観測対象の固定堰が近くにある場合の観測である．今回の観測では全てが負の流速値を得られた．これは河川が逆流をしていることを意味する．総流量をすぐに求めることができるADCPではあるが，未測定域の補間方法は河川が逆流していることを想定していないものなので，その度に適切な補間を設定する必要がある．

そして，横断距離などが短くなったり，長くなったりすると，大きな面積差に繋がりやすい．その結果，流量に大きな誤差が生じる．そのため，ラジコンで河川を横断する場合にはできるだけ同じ軌跡を描くように観測する必要がある．

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謝辞

研究を進めるに当たり，私の場合，大掛かりな観測が3度もありました．その観測の度に，葛葉先生には，観測の諸々にかかる費用，時間を割いて頂きました．そして，水域環境学研究室のB4の学生は，指示を素直に聞いて観測作業を手伝って頂きました．そして，清澤秀樹准教授や伊藤良栄助教には，水域ゼミ等を通じて有益なアドバイスを頂きました．手伝って頂いた皆様に心より感謝申し上げます．

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参考文献・参考資料

1) 都市二級河川における洪水流量観測と河川計画上の課題,河川流量観測の新時代, Vol.1,81- 87,(2010), 宮本守・宮本強平・岩井茂雄．

2) 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, Vol.64,No.2,99-114,(2008), 二瓶泰雄・色川有・井出恭平・高村智之．

3) （株）水文環境HP：http://www.suimonkankyo.co.jp/（参照2015-2-26）．

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修士論文審査会質問と回答

Q1：観測の日に風は吹いていなかったのか？

A1：気象庁のデータベースに松阪市における風速は観測していないので，具体的な数値を挙げることはできないが，観測状況はどの日程も良好だったのでほぼ無風であり，風による流速の影響は小さかったと考えられる．

Q2：途中のプロファイルはきちんと取れているのか？何層分測れているのか？

A2：途中のプロファイルも欠損部分がたまに見られるが，ほぼきちんと取れている．今回の観測は，初日のみ1層あたり15cm間隔の20層分測定している．他の観測では，初日の観測結果より，1層あたり 5cm間隔の39層分測定している．

Q3：三種類の方法で河川を測られているが，どの測り方が一番正しかったのか？精確な観測器で別に観測しているのか？

A3：どれが一番正しい測定だったかと言われると，どれも正しい測定であったと言える．しかし，二日目までの測定まで測定領域(実際に測定している)も含めて正しい判断が出来なかった．固定堰を測った時にどの測定領域も近い値を取ることができたので，どの観測(明らかに欠損部分が多いものは除く)も ADCP観測は行われていたと言える．そして，他の流量観測器具は用いていないので，このADCPによるプロファイル値を真値としている．