特開 2023-35457 水路内の流量の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035457

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】水路内の流量の評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/00 20220101AFI20230306BHJP

【ＦＩ】

G01F1/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142323

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(72)【発明者】

【氏名】西金 佑一郎

(72)【発明者】

【氏名】浦越 拓野

(72)【発明者】

【氏名】川越 健

(72)【発明者】

【氏名】嶋本 敬介

【テーマコード（参考）】

2F030

【Ｆターム（参考）】

2F030CA04

2F030CC05

2F030CC09

2F030CE04

(57)【要約】

【課題】安価かつ容易に水路内の流量を評価することができる水路内の流量の評価方法を提供する。
【解決手段】水路１の溜枡Ａに設置した水位計１２および気圧計１４により溜枡Ａの水位を測定する。降雨応答時の溜枡Ａの水位変化率を算出する。水位変化率のピークにより、水路内の流量を評価する。水路１の第１の溜枡Ａの水位変化率のピークが、第１の溜枡Ａより水路１の上流側にある第２の溜枡Ａの水位変化率のピークより小さい場合に、水路の第２の溜枡Ａと第１の溜枡Ａとの間に漏水の可能性があると判断する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水路の溜枡に設置した水位計および気圧計により前記溜枡の水位を測定し、
降雨応答時の前記溜枡の水位変化率を算出し、
前記水位変化率のピークにより、前記水路内の流量を評価する、
水路内の流量の評価方法。

【請求項2】

前記水路の第１の前記溜枡の前記水位変化率のピークが、前記第１の溜枡より前記水路の上流側にある第２の前記溜枡の前記水位変化率のピークより小さい場合に、前記水路の前記第２の溜枡と前記第１の溜枡との間に漏水の可能性があると判断する、
請求項１に記載の水路内の流量の評価方法。

【請求項3】

特定時点の前後の複数時点における前記溜枡の前記水位の平均値を使用して、前記特定時点の前記水位変化率を算出する、
請求項１または２に記載の水路内の流量の評価方法。

【請求項4】

前記水位計および前記気圧計は、前記溜枡のグレーチングから吊り下げて設置する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の水路内の流量の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水路内の流量の評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水路の維持管理において通水性を把握する際、流量は重要な指標のひとつとして利用される。例えば、水路の複数箇所における流量を測定し、その測定値を比較することで、漏水が疑われる等の異常箇所を絞り込むことができる。しかし、水路内の流量を継続的に測定する流量計（面速式流量計やフリューム式流量計など）を複数箇所に設置すると高額となる。そこで特許文献１では、比較的安価な水位計によって、下水管路内の複数箇所の水位を継続的に測定する。この水位データと、流量計又は流速計によって測定した平均流速とを用いることで、流量データを作成する方法を考案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－ １３３８７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、一度のみとはいえ高額な流量計又は流速計によって複数箇所の平均流速を測定する必要がある。また、水位計を管路内に設置する必要があるが、管路が小口径の場合など、設置が困難な場合も考えられる。
本発明が解決しようとする課題は、安価かつ容易に水路内の流量を評価することができる水路内の流量の評価方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の水路内の流量の評価方法は、水路の溜枡に設置した水位計および気圧計により溜枡の水位を測定する。降雨応答時の溜枡の水位変化率を算出する。水位変化率のピークにより、水路内の流量を評価する。

【0006】

安価な水位計および気圧計を使用し、高価な流量計を使用しないので、安価に水路内の流量を評価することができる。広い溜枡に水位計を設置するので、水位計の設置が容易である。水位変化率を評価指標とするので、水位計の設置高さの厳密性が要求されない。降雨応答時の水位変化率のピークを評価指標とすることにより、人為的な判断を必要としないので、水路内の流量を容易に評価することができる。

【0007】

水路の第１の溜枡の水位変化率のピークが、第１の溜枡より水路の上流側にある第２の溜枡の水位変化率のピークより小さい場合に、水路の第２の溜枡と第１の溜枡との間に漏水の可能性があると判断する。
安価かつ容易な水路内の流量評価に基づいて、漏水の可能性がある場所を絞り込むことができる。

【0008】

特定時点の前後の複数時点における溜枡の水位の平均値を使用して、特定時点の水位変化率を算出する。
これにより、溜枡の水位の測定誤差の影響を小さくして、正確に水位変化率を求めることができる。

【0009】

水位計および気圧計は、溜枡のグレーチングから吊り下げて設置する。
これにより、水位計および気圧計の設置が容易である。

【発明の効果】

【0010】

安価な水位計および気圧計を使用するので、安価に水路内の流量を評価することができる。水位変化率のピークを評価指標とすることにより、水路内の流量を容易に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】水路の断面図。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線における溜枡の断面図。

【図3】降雨応答１および２の溜枡水位のグラフ。

【図4】水位変化率の算出方法の説明図。

【図5】降雨応答１の水位変化率のグラフ。

【図6】正規化後の累積溜枡水位と正規化後の水位変化率のピークとの相関を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の一実施形態の水路内の流量の評価方法を、図面を参照して説明する。
図１は、水路の断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における溜枡の断面図である。実施形態の水路１は、分岐や合流がなく、延長が比較的長く、複数の溜枡Ａが設置された水路を対象とする。実施形態の水路１は、勾配および粗度係数（水路内側の粗さ）が一定で、流速が一定と判断しうる水路を対象とする。

【0013】

水路１は、排水管５と、溜枡Ａと、を有する。排水管５は地中に埋設される。
溜枡（ためます、排水枡）Ａは、排水に含まれる固形物を一時的に溜める枡（容器）である。水路１に略一定の間隔で、略同じ形状の複数の溜枡Ａが設置される。溜枡Ａは、地表から地中にかけて鉛直方向に伸びる。溜枡Ａは、排水管５よりも地中の深くまで伸びる。図２に示すように、溜枡Ａの幅は、排水管５の幅より大きい。溜枡Ａの地表部分には、グレーチング１０が配置される。グレーチング１０は、金属製の格子状の蓋である。

【0014】

溜枡Ａに設置した水位計１２および気圧計１４により、溜枡Ａの水位を測定する。水位計１２および気圧計１４は、グレーチング１０からワイヤ等で吊り下げて設置される。
水位計１２は、水路１の評価対象範囲に存在する複数の溜枡Ａの全てに設置される。水位計１２は、排水内に水没する高さに設置される。水位計１２は、絶対圧式であり、水圧と気圧との合計値を計測する。
気圧計１４は、水路１の評価対象範囲に存在する複数の溜枡Ａのうち、少なくとも一つに設置される。水位計１２で計測した圧力値と、気圧計１４で計測した圧力値との差分から、溜枡Ａの水位（水位計から水面までの高さ）を求める。溜枡Ａの水位は、所定時間（例えば１時間）毎に測定される。

【0015】

図３は、降雨応答１および２の溜枡水位のグラフである。図３のグラフの横軸は日時である。溜枡Ａ１からＡ６は、水路１の上流から下流にかけてこの順番で配置されている。水位計１２の設置高さにばらつきがあるため、溜枡Ａ１からＡ６の水位にもばらつきがある。降雨に応答して、溜枡Ａ１～Ａ６の水位が上昇する。降雨量のデータおよび溜枡水位のデータに基づいて、溜枡水位に降雨応答が認められる時間帯（降雨応答時）を特定する。降雨応答の時間帯は、降雨後に溜枡水位が急増し始めてから、概ね元の水位に戻るまでの時間である。図３の例では、９月１８日の１３時から９月１９日の１８時までが、降雨応答１の時間帯である。

【0016】

降雨応答時の溜枡Ａの水位変化率を算出する。水位変化率は、溜枡水位の単位時間当たりの変化量である。時刻ｔにおける溜枡水位をｈ（ｔ）としたとき、特定時点ｔ_０の水位変化率Ｒ（ｔ_０）は、数式１により算出される。数式１では、特定時点ｔ_０の前後の複数時点における溜枡水位ｈ（ｔ）の平均値を使用して、水位変化率Ｒ（ｔ_０）を算出する。

【0017】

【数1】

ただし、ｎは自然数である。

【0018】

図４は、水位変化率の算出方法の説明図である。例えば、数式１においてｎ＝６とし、時刻ｔ_０の前後それぞれの７時点における溜枡水位ｈ（ｔ）の平均値を使用して、水位変化率Ｒ（ｔ_０）を算出する。時刻ｔ_０からｔ_０＋６の７時点における溜枡水位ｈ（ｔ）の平均値がｈ１である。時刻ｔ_０－６からｔ_０の７時点における溜枡水位ｈ（ｔ）の平均値がｈ２である。ｈ１とｈ２との差分を６で除算すれば、時刻ｔ_０における単位時間当たりの水位変化率Ｒ（ｔ_０）が求められる。数式１は、Ｒ（ｔ_０）＝（ｈ１－ｈ２）／６に相当する。降雨応答時の溜枡水位の測定時点の全てにおいて水位変化率Ｒ（ｔ_０）を算出する。

【0019】

図５は、降雨応答１の水位変化率のグラフである。図５には、溜枡Ａ４からＡ６の水位変化率のみが示されている。水位変化率は、降雨応答１の開始時間である９月１８日１３時の直前から増加し、その後に減少する。水位変化率は、降雨応答の時間帯にピークを有する。

【0020】

水位変化率のピークにより、水路内の流量を評価する。溜枡Ａ４の水位変化率のピークａ４より、溜枡Ａ５の水位変化率のピークａ５の方が大きい。溜枡Ａ４からＡ５の区間では、流量が増加していると推定される。溜枡Ａ５の水位変化率のピークａ５より、溜枡Ａ６の水位変化率のピークａ６の方が小さい。溜枡Ａ５からＡ６の区間では、流量が減少していると推定される。これにより、水路１の溜枡Ａ５からＡ６の区間に漏水の可能性があると判断される。

【0021】

水位変化率のピークの大小により流量の大小を評価することの妥当性について検証する。
流量は「流速×流れの断面積」によって求められる。断面積は、水位計から求めた溜枡水位と溜枡の幅により計算できる。一方、流速は測定していないので不明である。そのため、ここでは溜枡を通過する水の流速が常に一定であると仮定し、降雨後の流量変化について考察する。

【0022】

降雨によって増加した溜枡の流量をΔｑ、時刻ｔにおける溜枡水位をｈ（ｔ）、降雨応答の開始時間をａ、降雨応答の終了時間をｂ、溜枡の幅をＢ、流速をｖ（一定と仮定）としたとき、数式２が成立する。

【0023】

【数2】

【0024】

数式２の右辺第２項の分数部分は、降雨応答前の溜枡水位を示す。溜枡水位の測定誤差を小さくするため、ここでは３点平均を取っている。時刻ｔから経過時間Δｔの間に溜枡を通過した流体体積のうち、降雨に伴って降雨応答前より多かった流体体積ΔＱは、数式３で表される。

【0025】

【数3】

【0026】

時刻ａ＋１からｂの降雨応答時間中に溜枡を通過した流量の総体積のうち、降雨に伴って降雨応答前より多かった総体積は、以下の数式４、５で計算できる。ただし、Δｔを測定間隔（例えば１時間）とする。

【0027】

【数4】

【0028】

【数5】

【0029】

数式５において、溜枡の幅Ｂは溜枡によらず一定であり、Δｔは測定間隔（例えば１時間）で一定である。また、流速ｖの値も常に一定と仮定している。そのため、数式５の総体積の大小を比較するには、数式５のカッコ内の総和を求めればよい。その総和を「累積溜枡水位」と称する。累積溜枡水位は数式６で表される。

【0030】

【数6】

【0031】

累積溜枡水位は、降雨により上昇した溜枡水位の時間積分値に相当する。累積溜枡水位は、降雨後の溜枡水位と降雨前の溜枡水位との差分の積分値であり、水位計１２の設置高さのばらつきによる影響を受けない。累積溜枡水位は、水路１の流量の評価指標の一つである。

【0032】

降雨応答１について、溜枡Ａ１からＡ６それぞれの累積溜枡水位を算出し、最大の累積溜枡水位を１として正規化した。他の降雨応答２から７についても同様の計算を実施した。結果を表１に示す。

【0033】

【表1】

【0034】

一方、降雨応答１について、溜枡Ａ１からＡ６それぞれの水位変化率のピークを算出し、最大の水位変化率のピークを１として正規化した。他の降雨応答２から７についても同様の計算を実施した。結果を表２に示す。

【0035】

【表2】

【0036】

図６は、正規化後の累積溜枡水位と正規化後の水位変化率のピークとの相関を示すグラフである。両者の相関係数は０．５２であり、両者に相関があると考えられる。したがって、水位変化率のピークの大小により流量の大小を評価することに妥当性がある。

【0037】

上述したように、累積溜枡水位は、水路の流量の評価指標の一つである。ただし、降雨応答の開始時間ａおよび終了時間ｂの決定に人為的要素が入るため、自動化が難しい。これに対して、水位変化率のピークは、降雨応答の開始時間ａおよび終了時間ｂの決定による影響を受けない。したがって、水位変化率のピークを水路の流量の評価指標とすることに優位性がある。

【0038】

以上に詳述したように、実施形態の水路内の流量の評価方法は、水路１の溜枡Ａに設置した水位計１２および気圧計１４により溜枡Ａの水位を測定する。降雨応答時の溜枡Ａの水位変化率を算出する。水位変化率のピークにより、水路内の流量を評価する。

【0039】

安価な水位計１２および気圧計１４を使用し、高価な流量計を使用しないので、安価に水路内の流量を評価することができる。広い溜枡Ａに水位計１２を設置するので、水位計１２の設置が容易である。水位変化率を評価指標とするので、水位計１２の設置高さの厳密性が要求されない。降雨応答時の水位変化率のピークを評価指標とすることにより、人為的な判断を必要としないので、水路内の流量を容易に評価することができる。

【0040】

水路１の第１の溜枡Ａ（例えば溜枡Ａ６）の水位変化率のピークが、第１の溜枡Ａより水路１の上流側にある第２の溜枡Ａ（例えば溜枡Ａ５）の水位変化率のピークより小さい場合に、水路の第２の溜枡と第１の溜枡との間に漏水の可能性があると判断する。
安価かつ容易な水路内の流量評価に基づいて、漏水の可能性がある場所を絞り込むことができる。

【0041】

特定時点の前後の複数時点における溜枡Ａの水位の平均値を使用して、特定時点の水位変化率を算出する。
これにより、溜枡Ａの水位の測定誤差の影響を小さくして、正確に水位変化率を求めることができる。

【0042】

水位計１２および気圧計１４は、溜枡Ａのグレーチング１０から吊り下げて設置する。
これにより、水位計１２および気圧計１４の設置が容易である。

【0043】

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。

【符号の説明】

【0044】

Ａ，Ａ１～Ａ６…溜枡、１…水路、１０…グレーチング、１２…水位計、１４…気圧計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】