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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-04
(45)【発行日】2024-04-12
(54)【発明の名称】転倒堰制御システムと転倒堰制御方法とそのプログラム
(51)【国際特許分類】
E02B 7/20 20060101AFI20240405BHJP
【ＦＩ】
E02B7/20 105
E02B7/20 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2023146294
(22)【出願日】2023-09-08
【審査請求日】2023-10-10
【権利譲渡・実施許諾】特許権者において、実施許諾の用意がある。
(73)【特許権者】
【識別番号】591229141
【氏名又は名称】第一復建株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100111132
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 浩
(72)【発明者】
【氏名】羽田野 袈裟義
(72)【発明者】
【氏名】荒尾 慎司
(72)【発明者】
【氏名】永野 博之
【審査官】五十幡 直子
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５９－６８４１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｂ ７／２０－７／５４
Ｅ０２Ｂ ８／０２－８／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御する転倒堰制御システムであって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算部と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を計算する堰高演算部と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定部と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算部と、前記目標値に基づいて前記堰傾度を制御する制御信号を生成する堰傾度制御部と、この堰傾度制御部で生成された前記制御信号によって前記堰傾度を変更可能な堰傾動部と、を有することを特徴とする転倒堰制御システム。
【請求項2】
潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算部を有し、前記越流状態判定部は完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とする請求項１記載の転倒堰制御システム。
【請求項3】
水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御する転倒堰制御方法であって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算工程と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を仮計算する仮堰高演算工程と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定工程と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高を決定する堰高決定工程と、この堰高決定工程で決定された完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算工程と、前記目標値に基づいて前記堰傾度の制御信号を生成する制御信号生成工程と、前記制御信号によって前記堰傾度を変更する堰傾動工程と、を有することを特徴とする転倒堰制御方法。
【請求項4】
潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算工程を備え、前記越流状態判定工程における完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とする請求項３記載の転倒堰制御方法。
【請求項5】
コンピュータによって、水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御するために実行されるプログラムであって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算工程と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を仮計算する仮堰高演算工程と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定工程と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高を決定する堰高決定工程と、この堰高決定工程で決定された完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算工程と、前記目標値に基づいて前記堰傾度の制御信号を生成する制御信号生成工程と、前記制御信号によって前記堰傾度を変更する堰傾動工程と、を実行させることを特徴とする転倒堰制御プログラム。
【請求項6】
潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算工程を備え、前記越流状態判定工程における完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とする請求項５記載の転倒堰制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、河川等の水路から転倒堰を用いて堰上流水位と越流量を調整しながら必要な取水量を得るために転倒堰の堰傾度を制御する転倒堰制御システムと転倒堰制御方法とそのプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、河川等の水路から取水する用水の取水量を調整する際には、ゲート堰がよく用いられ、その開度を制御する手法が採られてきた。
例えば、特許文献１には、ゲートの上げ下げ操作によってその下端から流出するゲート下端流出量を制御する流量制御装置が開示されている。この流量制御装置では、ゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深の予測設定値と、目標流量とを用いて計算されるゲート操作開度を目標値として、ゲート開度の制御を行うことでゲートの初期動作で目標流量に速やかに近づけることが可能である。
また、特許文献２では、堰の下端から流出させるのではなく、上端から流出させる越流可動堰において、越流可動堰と一体化させた投げ込み式水位計を用いることで、越流可動堰の開度とは無関係に水頭を計測可能な流量計に関する発明が開示されている。
例えば、特許文献１には、ゲートの上げ下げ操作によってその下端から流出するゲート下端流出量を制御する流量制御装置が開示されている。この流量制御装置では、ゲート一次側水深の計測値と、ゲート二次側水深の予測設定値と、目標流量とを用いて計算されるゲート操作開度を目標値として、ゲート開度の制御を行うことでゲートの初期動作で目標流量に速やかに近づけることが可能である。
また、特許文献２では、堰の下端から流出させるのではなく、上端から流出させる越流可動堰において、越流可動堰と一体化させた投げ込み式水位計を用いることで、越流可動堰の開度とは無関係に水頭を計測可能な流量計に関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－２２５０４９号公報
【文献】特開２００２－３４０６３６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に開示される発明では、ゲート堰として下端側から流出するゲートを採用し、そのゲートを昇降することでゲート上流の水位やゲート下端流出量を制御する。しかしながら、ゲートは小さな通過流量の調整に不向き、浮遊物を捕捉する、堰に比べて重量が大きいため昇降の操作に大きな動力を要することが知られている（参照文献１：藤山宗、中矢哲郎：底流と越流が複合したチェックゲートの水理特性に関する実験的研究、土木学会論文集Ｂ１（水工学）、Vol.75, No.2, pp.I_457-I_462）。したがって、ゲート上流からの流れが、ゲート下端の隙間から流出するように絞られるので、流出速度が大きくエネルギー損失が無視できない。また、ゲートの下端と流路の床面は水の流出によって浸食を受けるためメンテナンスや補修が高い頻度で必要となり、ゲート二次側水深の予測設定値等の精度の低下が懸念されると同時にゲート自体の耐久性も低い可能性があるという課題があった。
また、特許文献２には堰として越流可動堰を採用していることから、流出水は堰の上側を越えて流れるので、堰を越える際の流路はゲートの場合に比較して大きく、したがって流速も遅くなる。しかしながら、特許文献２に開示される発明は、越流可動堰と一体化された投げ込み式水位計を用いた流量計に関する発明であり、越流可動堰の上流側の水位を計測可能であるものの、越流可動堰の堰高を制御することができないという課題があった。
また、特許文献２には堰として越流可動堰を採用していることから、流出水は堰の上側を越えて流れるので、堰を越える際の流路はゲートの場合に比較して大きく、したがって流速も遅くなる。しかしながら、特許文献２に開示される発明は、越流可動堰と一体化された投げ込み式水位計を用いた流量計に関する発明であり、越流可動堰の上流側の水位を計測可能であるものの、越流可動堰の堰高を制御することができないという課題があった。
【0005】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、河川等の水路から取水する用水の取水量を調整する際に、浮遊物の捕捉を抑えると共に、昇降操作の動力を抑え、堰の前後で安定した流れを得ることが可能であり、堰によるエネルギー損失も少なく、堰の耐久性を高めることが可能な転倒堰を採用し、この転倒堰の堰傾度を調整することで水路から必要な取水量を確保することが可能な転倒堰制御システムと転倒堰制御方法とそのプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、第１の発明である転倒堰制御システムは、水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御する転倒堰制御システムであって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算部と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を計算する堰高演算部と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定部と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算部と、前記目標値に基づいて前記堰傾度を制御する制御信号を生成する堰傾度制御部と、この堰傾度制御部で生成された前記制御信号によって前記堰傾度を変更可能な堰傾動部と、を有することを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御システムでは、堰高演算部が、水路の流量から取水量を差し引いた転倒堰の越流が完全越流の場合と潜り越流の場合の両方で転倒堰の堰高を計算し、越流状態が完全越流であるか潜り越流であるかの区別の判定を越流状態判定部が行い、堰傾度演算部がその判定結果に応じて堰高から転倒堰の堰傾度の目標値を計算し、堰傾度制御部がその目標値に基づいて堰傾度を制御する制御信号を生成し、堰傾動部がその制御信号に基づいて堰傾度を変更するように作用する。
このように構成される転倒堰制御システムでは、堰高演算部が、水路の流量から取水量を差し引いた転倒堰の越流が完全越流の場合と潜り越流の場合の両方で転倒堰の堰高を計算し、越流状態が完全越流であるか潜り越流であるかの区別の判定を越流状態判定部が行い、堰傾度演算部がその判定結果に応じて堰高から転倒堰の堰傾度の目標値を計算し、堰傾度制御部がその目標値に基づいて堰傾度を制御する制御信号を生成し、堰傾動部がその制御信号に基づいて堰傾度を変更するように作用する。
【0007】
第２の発明である転倒堰制御システムは、第１の発明において、潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算部を有し、前記越流状態判定部は完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御システムでは、堰高限界値演算部が完全越流と潜り越流の区別の境界となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定部による完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
このように構成される転倒堰制御システムでは、堰高限界値演算部が完全越流と潜り越流の区別の境界となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定部による完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
【0008】
第３の発明である転倒堰制御方法は、水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御する転倒堰制御方法であって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算工程と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を仮計算する仮堰高演算工程と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定工程と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高を決定する堰高決定工程と、この堰高決定工程で決定された完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算工程と、前記目標値に基づいて前記堰傾度の制御信号を生成する制御信号生成工程と、前記制御信号によって前記堰傾度を変更する堰傾動工程と、を有することを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御方法は、物の発明である第１の発明に対応する方法発明であることから、第１の発明における構成要素に対応するそれぞれの工程が同様の作用を有する。
このように構成される転倒堰制御方法は、物の発明である第１の発明に対応する方法発明であることから、第１の発明における構成要素に対応するそれぞれの工程が同様の作用を有する。
【0009】
第４の発明である転倒堰制御方法は、第３の発明において、潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算工程を備え、前記越流状態判定工程における完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御方法は、堰高限界値演算工程で潜り越流となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定工程における完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
このように構成される転倒堰制御方法は、堰高限界値演算工程で潜り越流となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定工程における完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
【0010】
第５の発明である転倒堰制御プログラムは、
コンピュータによって、水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御するために実行されるプログラムであって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算工程と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を仮計算する仮堰高演算工程と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定工程と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高を決定する堰高決定工程と、この堰高決定工程で決定された完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算工程と、前記目標値に基づいて前記堰傾度の制御信号を生成する制御信号生成工程と、前記制御信号によって前記堰傾度を変更する堰傾動工程と、を実行させることを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御プログラムは、方法発明である第３の発明に対応するプログラム発明であることから、このプログラム発明をコンピュータを用いて実行する際に、第３の発明を構成するそれぞれの工程と同様の作用を有する。
コンピュータによって、水路から取水するための転倒堰の堰傾度を制御するために実行されるプログラムであって、前記転倒堰の越流量から限界水深を計算する限界水深演算工程と、完全越流の場合と潜り越流の場合の堰高を仮計算する仮堰高演算工程と、完全越流と潜り越流の区別の判定を行う越流状態判定工程と、前記判定の結果に応じた完全越流又は潜り越流の前記堰高を決定する堰高決定工程と、この堰高決定工程で決定された完全越流又は潜り越流の前記堰高から前記堰傾度の目標値を計算する堰傾度演算工程と、前記目標値に基づいて前記堰傾度の制御信号を生成する制御信号生成工程と、前記制御信号によって前記堰傾度を変更する堰傾動工程と、を実行させることを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御プログラムは、方法発明である第３の発明に対応するプログラム発明であることから、このプログラム発明をコンピュータを用いて実行する際に、第３の発明を構成するそれぞれの工程と同様の作用を有する。
【0011】
第６の発明である転倒堰制御プログラムは、第５の発明において、潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算工程を備え、前記越流状態判定工程における完全越流と潜り越流の区別の前記判定に前記堰高限界値を用いることを特徴とするものである。
このように構成される転倒堰制御プログラムは、コンピュータを用いて実行する際に、堰高限界値演算工程が潜り越流となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定工程における完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
このように構成される転倒堰制御プログラムは、コンピュータを用いて実行する際に、堰高限界値演算工程が潜り越流となる堰高限界値を計算することで、越流状態判定工程における完全越流か潜り越流かの区別の判定を支援するように作用する。
【発明の効果】
【0012】
第１の発明に係る転倒堰制御システムにおいては、堰として転倒堰を採用しているので、転倒堰の上端側から下流側へ安定した水流を形成させることが可能であり、転倒堰の上流側の流れに乱れ等の悪影響を及ぼすこともない。
また、ゲート堰と異なりゲート下端と流路の床面との隙間からの流出水でなく越流量に応じて堰の上面から流出するため、狭い流路に伴うエネルギー損失や増速された流出水によるゲートや流路床面への侵食が少ない。
さらに、水路の流量及び水路からの取水量に応じて、完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかの判別を考慮しながら転倒堰の堰傾度を制御することができるので、より精度の高い制御を行うことが可能である。
また、ゲート堰と異なりゲート下端と流路の床面との隙間からの流出水でなく越流量に応じて堰の上面から流出するため、狭い流路に伴うエネルギー損失や増速された流出水によるゲートや流路床面への侵食が少ない。
さらに、水路の流量及び水路からの取水量に応じて、完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかの判別を考慮しながら転倒堰の堰傾度を制御することができるので、より精度の高い制御を行うことが可能である。
【0013】
第２の発明に係る転倒堰制御システムにおいては、潜り越流の生起限界となる堰高限界値を計算する堰高限界値演算部を有するため、完全越流と潜り越流の区別を容易に判定することが可能である。
【0014】
第３の発明と第５の発明は、第１の発明をそれぞれ方法発明とプログラム発明として捉えたものであるので、その効果は第１の発明の効果と同様である。
【0015】
第４の発明と第６の発明は、第２の発明をそれぞれ方法発明とプログラム発明として捉えたものであるので、その効果は第２の発明の効果と同様である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】河川等の水路と転倒堰と取水路の配置関係を示す概念図である。
【図2】水路において完全越流が生じた態様を示す概念図である。
【図3】水路において潜り越流が生じた態様を示す概念図である。
【図4】本発明の第１の実施の形態に係る転倒堰制御システムのブロック図である。
【図5】本発明の第１の実施の形態に係る転倒堰制御システムによって実行される転倒堰の堰傾度の制御に関するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る転倒堰制御システムについて図１－図５を参照しながら説明する。
図１は、河川等の水路と転倒堰と取水路の配置関係を示す概念図であり、図２及び図３は、それぞれ水路において完全越流が生じた態様及び潜り越流が生じた態様を示す概念図である。
図１は、河川等の水路と転倒堰と取水路の配置関係を示す概念図であり、図２及び図３は、それぞれ水路において完全越流が生じた態様及び潜り越流が生じた態様を示す概念図である。
【0018】
図１において、本願発明が適用される水路２０は、その途中に転倒堰２２が設けられ、そのすぐ上流側に設けられた取水路２１から取水している。水路２０としては河川や人工的に建設されたものが対象となる。また、取水の目的は農作物等の圃場への灌漑用水や水力発電用水の確保が該当する。
なお、図１下方に示される通り、水路２０における水路流量をＱ０、取水量をＱｅとして、転倒堰２２の越流量をＱとすると、ＱはＱ０とＱｅの差分となる。
したがって、取水路２１に必要な取水量Ｑｅを確保する際には、水路流量Ｑ０が減少すれば越流量Ｑを減らすために転倒堰２２を垂直（鉛直）に近づけるようにしなければならず、水路流量Ｑ０が増加すれば越流量を増やすために転倒堰２２を垂直から傾ける必要がある。さらに、越流量が少ない場合には、図２を参照しながら説明する完全越流となるが、越流量が多くなると図３を参照しながら説明する潜り越流へ遷移するので、越流の態様に応じて越流量Ｑを評価して転倒堰２２の堰傾度を制御する必要がある。
本願発明は、取水路２１に必要な取水量Ｑｅを確保するために、水路流量Ｑ０の増減に対応して転倒堰２２の越流量Ｑを制御すべく転倒堰２２の堰傾度を制御するものである。
なお、図１下方に示される通り、水路２０における水路流量をＱ０、取水量をＱｅとして、転倒堰２２の越流量をＱとすると、ＱはＱ０とＱｅの差分となる。
したがって、取水路２１に必要な取水量Ｑｅを確保する際には、水路流量Ｑ０が減少すれば越流量Ｑを減らすために転倒堰２２を垂直（鉛直）に近づけるようにしなければならず、水路流量Ｑ０が増加すれば越流量を増やすために転倒堰２２を垂直から傾ける必要がある。さらに、越流量が少ない場合には、図２を参照しながら説明する完全越流となるが、越流量が多くなると図３を参照しながら説明する潜り越流へ遷移するので、越流の態様に応じて越流量Ｑを評価して転倒堰２２の堰傾度を制御する必要がある。
本願発明は、取水路２１に必要な取水量Ｑｅを確保するために、水路流量Ｑ０の増減に対応して転倒堰２２の越流量Ｑを制御すべく転倒堰２２の堰傾度を制御するものである。
【0019】
次に、図２を参照しながら転倒堰２２における完全越流について説明する。
まず、完全越流とは、堰（転倒堰２２）の下流の水位が堰頂２３よりも低い越流を意味し、特定の堰に対して単位幅当たりの越流量Ｒ（Ｑ／Ｂ：以下、水路２０の水路幅（＝堰幅）をＢとする。）は符号ｈ（堰頂２３基準の堰上流水位、以下、越流水深という。）で示される越流水深により一義的に決定されるものである。
図２において、図中転倒堰２２の左側が堰上流であり、右側が堰下流である。
また、符号Ｈ１は堰上流水深、符号ｈは前述のとおり越流水深であり、ｈｄは堰高である。さらに、符号Ｌは転倒堰２２の長さ（堰長）であるので、ｈｄはＬsinθで表現でき、Ｈ１はｈとｈｄの和として表現できる。
まず、完全越流とは、堰（転倒堰２２）の下流の水位が堰頂２３よりも低い越流を意味し、特定の堰に対して単位幅当たりの越流量Ｒ（Ｑ／Ｂ：以下、水路２０の水路幅（＝堰幅）をＢとする。）は符号ｈ（堰頂２３基準の堰上流水位、以下、越流水深という。）で示される越流水深により一義的に決定されるものである。
図２において、図中転倒堰２２の左側が堰上流であり、右側が堰下流である。
また、符号Ｈ１は堰上流水深、符号ｈは前述のとおり越流水深であり、ｈｄは堰高である。さらに、符号Ｌは転倒堰２２の長さ（堰長）であるので、ｈｄはＬsinθで表現でき、Ｈ１はｈとｈｄの和として表現できる。
【0020】
次に、図３を参照しながら転倒堰２２における潜り越流について説明する。
まず、潜り越流とは、堰（転倒堰２２）の下流の水位が堰頂２３より高い越流を意味し、特定の堰に対して単位幅当たりの越流量Ｒ（Ｑ／Ｂ）が堰頂２３基準の堰上流水位ｈ１と堰下流水位ｈ２により決定されるものである。
図３において、水路２０の堰上流と堰下流については図２と同様であり、図２を用いて説明した構成については同一の符号を付してその説明を省略する。符号ｈ１は潜り越流時の堰頂２３基準の堰上流水位（以下、単に堰上流水位という。）であり、ｈ２は堰頂２３基準の堰下流水位（以下、単に堰下流水位という。）である。また、符号Ｈ２は堰下流水深であり、ｈ２とｈｄの和としても表現できる。
本実施の形態に係る転倒堰制御システム１では、以上説明したような完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかを判別しながら、堰高ｈｄを計算することで、ｈｄ＝Ｌ・ｓｉｎθという関係式から転倒堰２２の堰傾度（ｓｉｎθ）を計算し、その堰傾度となるように転倒堰２２を制御する。以下、転倒堰制御システム１について、図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。
まず、潜り越流とは、堰（転倒堰２２）の下流の水位が堰頂２３より高い越流を意味し、特定の堰に対して単位幅当たりの越流量Ｒ（Ｑ／Ｂ）が堰頂２３基準の堰上流水位ｈ１と堰下流水位ｈ２により決定されるものである。
図３において、水路２０の堰上流と堰下流については図２と同様であり、図２を用いて説明した構成については同一の符号を付してその説明を省略する。符号ｈ１は潜り越流時の堰頂２３基準の堰上流水位（以下、単に堰上流水位という。）であり、ｈ２は堰頂２３基準の堰下流水位（以下、単に堰下流水位という。）である。また、符号Ｈ２は堰下流水深であり、ｈ２とｈｄの和としても表現できる。
本実施の形態に係る転倒堰制御システム１では、以上説明したような完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかを判別しながら、堰高ｈｄを計算することで、ｈｄ＝Ｌ・ｓｉｎθという関係式から転倒堰２２の堰傾度（ｓｉｎθ）を計算し、その堰傾度となるように転倒堰２２を制御する。以下、転倒堰制御システム１について、図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。
【0021】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る転倒堰制御システムのブロック図であり、図５はその転倒堰制御システムによって実行される転倒堰の堰傾度の制御に関するフロー図である。この図５は、本願発明の転倒堰制御方法及び転倒堰制御プログラムに対してはその実行工程を表すものでもあり、この図を参照しながら転倒堰制御システム１における計算やデータ処理の流れを説明することは転倒堰制御方法及びコンピュータを用いた転倒堰制御プログラムの実施の形態について説明することと同義である。
なお、図５において、「Ｓ」で示す工程に関する記載に付された符号は、図４に示される転倒堰制御システム１の構成要素の符号を示しており、その符号の構成要素によって、それぞれの工程が実行されることを意味している。
なお、図５において、「Ｓ」で示す工程に関する記載に付された符号は、図４に示される転倒堰制御システム１の構成要素の符号を示しており、その符号の構成要素によって、それぞれの工程が実行されることを意味している。
【0022】
図４において、転倒堰制御システム１は、入力部６、出力部７、演算部２、データベース３並びに堰傾度制御部４及び堰傾動部５から構成されている。この転倒堰制御システム１は、コンピュータサーバ内でそれぞれの機能を発揮し得る演算回路や記憶装置を備えたシステムを想定することができる。また、入力部６、出力部７、演算部２、堰傾度制御部４及び堰傾動部５をはじめこれら以外にも本実施の形態の説明においては「部」という語が多用されているが、これらは「装置」や「ユニット」あるいは「回路」等のハードウェアが対応すると考えることが可能である。
入力部６としては、データ受信部として他の装置や情報通信ネットワークからの受信端子やキーボード等の装置が相当し、後述するように演算部２による計算に必要なデータを予めデータベース３に格納する際に用いられる。
出力部７としては、ディスプレイ装置や情報通信ネットワークへの送信端子やデータ送信部として他の装置へデータを転送するトランスミッタのようなものが相当し、演算部２において計算された計算結果を出力したり、データベース３に格納されたデータを出力する際に用いられる。
演算部２は、図４を用いて説明するが、水路２０における流れの状態を解析し、完全越流か潜り越流であるかを判定しながら、水路流量Ｑ０から取水路２１で必要となる取水量Ｑｅを確保するために転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算し、その目標値に関する信号を堰傾度制御部４へ送信するものである。
入力部６としては、データ受信部として他の装置や情報通信ネットワークからの受信端子やキーボード等の装置が相当し、後述するように演算部２による計算に必要なデータを予めデータベース３に格納する際に用いられる。
出力部７としては、ディスプレイ装置や情報通信ネットワークへの送信端子やデータ送信部として他の装置へデータを転送するトランスミッタのようなものが相当し、演算部２において計算された計算結果を出力したり、データベース３に格納されたデータを出力する際に用いられる。
演算部２は、図４を用いて説明するが、水路２０における流れの状態を解析し、完全越流か潜り越流であるかを判定しながら、水路流量Ｑ０から取水路２１で必要となる取水量Ｑｅを確保するために転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算し、その目標値に関する信号を堰傾度制御部４へ送信するものである。
【0023】
また、堰傾度制御部４は、演算部２から受信した転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの目標値を用いて制御信号を生成し、その制御信号を堰傾動部５に送信して、これを制御する。
堰傾動部５は堰傾度制御部４から受信した制御信号に応じて転倒堰２２を傾動させるものである。
データベース３は、演算部２による転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの計算に必要な水路勾配ｉや水路幅Ｂ等の物理量、物理定数１５あるいは計算式（経験式）に用いられる諸定数１６をはじめ、演算部２による堰高限界値ｈｄＡや堰高ｈｄ等の計算結果を格納する。
これらのデータのうち、演算部２において計算する際に必要なものについては予め入力部６を経由してデータベース３に格納され、演算部２において計算された結果については、計算に関与した演算部２の限界水深演算部１０等がそれぞれその計算結果をデータベース３に読み出し可能に格納する。
堰傾動部５は堰傾度制御部４から受信した制御信号に応じて転倒堰２２を傾動させるものである。
データベース３は、演算部２による転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの計算に必要な水路勾配ｉや水路幅Ｂ等の物理量、物理定数１５あるいは計算式（経験式）に用いられる諸定数１６をはじめ、演算部２による堰高限界値ｈｄＡや堰高ｈｄ等の計算結果を格納する。
これらのデータのうち、演算部２において計算する際に必要なものについては予め入力部６を経由してデータベース３に格納され、演算部２において計算された結果については、計算に関与した演算部２の限界水深演算部１０等がそれぞれその計算結果をデータベース３に読み出し可能に格納する。
【0024】
以下、図４に図５を加えて具体的に本実施の形態に係る転倒堰制御システム１によってどのように転倒堰２２の堰傾度が計算されて制御されるかについて説明する。
本実施の形態に係る転倒堰制御システム１を作動させるに際し、水路２０における水路流量Ｑ０及び取水量Ｑｅは予め与えられるので、越流量Ｑが求まるが、前述の完全越流となるか潜り越流となるかは、越流量Ｑや転倒堰２２の下流側の水路２０の流れによって決まる。また、完全越流の場合の転倒堰２２の堰頂２３基準の堰上流水位（越流水深）ｈ、潜り越流の場合の堰頂２３基準の堰上流水位ｈ１や堰下流水位ｈ２は、越流の態様によって定まる物理量である。そして、堰高ｈｄは越流量Ｑおよびこれらの水位と相互依存の関係にある物理量である。
そこで、本実施の形態に係る転倒堰制御システム１では、潜り越流の生起条件、越流量Ｑと完全越流における越流水深、潜り越流における堰頂２３基準の堰上流および堰下流の水位との関係から目標となる堰高ｈｄを計算して、そこから堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算し、そして、その堰傾度となるように堰傾度制御部４から堰傾動部５に制御信号を送信している。
以下、その内容について詳細に説明する。
本実施の形態に係る転倒堰制御システム１を作動させるに際し、水路２０における水路流量Ｑ０及び取水量Ｑｅは予め与えられるので、越流量Ｑが求まるが、前述の完全越流となるか潜り越流となるかは、越流量Ｑや転倒堰２２の下流側の水路２０の流れによって決まる。また、完全越流の場合の転倒堰２２の堰頂２３基準の堰上流水位（越流水深）ｈ、潜り越流の場合の堰頂２３基準の堰上流水位ｈ１や堰下流水位ｈ２は、越流の態様によって定まる物理量である。そして、堰高ｈｄは越流量Ｑおよびこれらの水位と相互依存の関係にある物理量である。
そこで、本実施の形態に係る転倒堰制御システム１では、潜り越流の生起条件、越流量Ｑと完全越流における越流水深、潜り越流における堰頂２３基準の堰上流および堰下流の水位との関係から目標となる堰高ｈｄを計算して、そこから堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算し、そして、その堰傾度となるように堰傾度制御部４から堰傾動部５に制御信号を送信している。
以下、その内容について詳細に説明する。
【0025】
まず、潜り越流の生起条件は、図３を参照すると、堰頂２３を基準とした堰下流水位ｈ２を用いて次式で与えられる。
ｈ２＝０ （１）
また、図３を参照すると、堰高ｈｄと堰下流水深Ｈ２から、次の関係も成り立つ。
ｈ２＝Ｈ２－ｈｄ （２）
したがって、潜り越流の生起条件である式（１）は次式のように表される。
ｈｄ＝Ｈ２ （３）
越流量Ｑが与えられると、限界水深ｈｃが以下のとおり決定される。Ｒは転倒堰２２における単位幅当たりの越流量であり、ｇは重力加速度である。
したがって、限界水深ｈｃは長さの次元を有するが、越流量Ｑを表す物理量となる。
ｈｃ＝（Ｒ２／ｇ）１／３ ここで Ｒ＝Ｑ／Ｂ （３ａ）
ｈ２＝０ （１）
また、図３を参照すると、堰高ｈｄと堰下流水深Ｈ２から、次の関係も成り立つ。
ｈ２＝Ｈ２－ｈｄ （２）
したがって、潜り越流の生起条件である式（１）は次式のように表される。
ｈｄ＝Ｈ２ （３）
越流量Ｑが与えられると、限界水深ｈｃが以下のとおり決定される。Ｒは転倒堰２２における単位幅当たりの越流量であり、ｇは重力加速度である。
したがって、限界水深ｈｃは長さの次元を有するが、越流量Ｑを表す物理量となる。
ｈｃ＝（Ｒ２／ｇ）１／３ ここで Ｒ＝Ｑ／Ｂ （３ａ）
【0026】
そこで、本実施の形態に係る転倒堰制御システム１では、ステップＳ１として演算部２の限界水深演算部１０で限界水深ｈｃを計算する。ここで、越流量Ｑは水路流量Ｑ０と取水量Ｑｅの差分で表されるので、これらを予め入力部６を介してデータベース３に読み出し可能に格納しておくことで、これらを読み出して限界水深演算部１０で計算することができる。また、水路幅Ｂは必要な物理量として、重力加速度ｇも必要な物理定数１５として予め入力部６を介してデータベース３に格納される。
計算された限界水深ｈｃは限界水深演算部１０によって読み出し可能にデータベース３に格納される。なお、他の演算部２の構成要素によって計算されたデータもそれぞれの構成要素によって読み出し可能にデータベース３に格納される。
計算された限界水深ｈｃは限界水深演算部１０によって読み出し可能にデータベース３に格納される。なお、他の演算部２の構成要素によって計算されたデータもそれぞれの構成要素によって読み出し可能にデータベース３に格納される。
【0027】
次に、堰下流水深Ｈ２は、転倒堰２２の下流側がマニングの粗度係数ｎ、水路勾配ｉ、水路幅Ｂの広長方形断面水路の等流であると仮定すると、以下のとおり決定される。
【0028】
【数1】
【0029】
この式（４）から越流量Ｑに対応する堰下流水深Ｈ２が得られるので、これと式（３）から堰高ｈｄの限界値ｈｄＡが得られる。
そこで、転倒堰制御システム１では、ステップＳ２として演算部２の堰高限界値演算部１１で堰高限界値ｈｄＡを計算する。このとき、マニングの粗度係数ｎ、水路勾配ｉ及び水路幅Ｂは予め入力部６を介してデータベース３に格納されている。また、堰高限界値演算部１１でも同様に越流量Ｑを計算することが可能である。
また、発明者は、完全越流では、過去の実験結果（参照文献２：U.S. Bureau of Reclamation: Studies of overfall dams, Boulder Canyon Project, Final Reports, Bull. No.3, 1948）から求められる経験式において、越流水深ｈと堰高ｈｄの比（ｈ／ｈｄ）で３という境界値が存在し、この値を境に完全越流の態様が異なり、堰高ｈｄを求めることができる計算式が異なることを研究から発見した。そこで、この境界値を用いて、完全越流の態様を場合分けすることとした。具体的には以下のような式で表現できる。
そこで、転倒堰制御システム１では、ステップＳ２として演算部２の堰高限界値演算部１１で堰高限界値ｈｄＡを計算する。このとき、マニングの粗度係数ｎ、水路勾配ｉ及び水路幅Ｂは予め入力部６を介してデータベース３に格納されている。また、堰高限界値演算部１１でも同様に越流量Ｑを計算することが可能である。
また、発明者は、完全越流では、過去の実験結果（参照文献２：U.S. Bureau of Reclamation: Studies of overfall dams, Boulder Canyon Project, Final Reports, Bull. No.3, 1948）から求められる経験式において、越流水深ｈと堰高ｈｄの比（ｈ／ｈｄ）で３という境界値が存在し、この値を境に完全越流の態様が異なり、堰高ｈｄを求めることができる計算式が異なることを研究から発見した。そこで、この境界値を用いて、完全越流の態様を場合分けすることとした。具体的には以下のような式で表現できる。
【0030】
【数2】
【0031】
したがって、式（３）と式（５）が両立可能な条件としては、以下の式（６） であることがわかる。
【0032】
【数3】
【0033】
そこで、ｈ／ｈｄ＞３とｈ／ｈｄ≦３の２つの場合に分けて完全越流であるか潜り越流であるかを検討しながら堰高ｈｄを計算することを考える。
（ａ）ｈ／ｈｄ＞３（Ｈ１＞４Ｈ２）の場合
この場合は明らかに完全越流となり、鉛直堰と傾斜堰の実験結果（参照文献２）に沿うように評価式（経験式）を求めると以下の式（７）が得られる。
（ａ）ｈ／ｈｄ＞３（Ｈ１＞４Ｈ２）の場合
この場合は明らかに完全越流となり、鉛直堰と傾斜堰の実験結果（参照文献２）に沿うように評価式（経験式）を求めると以下の式（７）が得られる。
【0034】
【数4】
【0035】
ここで、α＝0.00034，β＝-0.0091，γ＝0.0736，δ＝0.6723，ε＝0.0069であり、これらの定数は諸定数１６として予め入力部６を介してデータベース３に読み出し可能に格納されている。
この式（７）からｈｄの式に変形すると、以下の式（８）となる。式（８）においては、Ｈ１＝ｈｄ＋ｈ（図２参照）であることからｈは消去されている。
これらの式（７），（８）も発明者の研究で得られた。
この式（７）からｈｄの式に変形すると、以下の式（８）となる。式（８）においては、Ｈ１＝ｈｄ＋ｈ（図２参照）であることからｈは消去されている。
これらの式（７），（８）も発明者の研究で得られた。
【0036】
【数5】
【0037】
堰高ｈｄに関する４次式である式（８）において、堰上流水深Ｈ１は予め与えられて入力部６を介してデータベース３に格納されている。
そこで、転倒堰制御システム１の演算部２の堰高演算部１２は、ステップＳ３として、これらＨ１及び定数α～εをデータベース３から読み出して、式（８）を解いて堰高ｈｄを仮計算するが、前述のとおりｈ／ｈｄ＞３の場合は完全越流となるので、ステップＳ４でも完全越流として判定され、そのままステップＳ５ａでは、式（８）から仮計算されて得られた堰高ｈｄがそのまま完全越流の堰高ｈｄとして、越流状態判定部１３によって決定される。
なお、本願発明における「仮計算」の「仮」は完全越流であるか潜り越流であるか等の条件を仮定して堰高ｈｄを計算することを意味しており、越流状態判定部１３によって越流状態が判定された後に、越流状態判定部１３によって最終的な堰高ｈｄの値が決定されることになる。
（ｂ）ｈ／ｈｄ≦３（Ｈ１≦４Ｈ２）の場合
この場合は、まず完全越流（図２参照）と仮定して堰高ｈｄを求める。ｈ／ｈｄ≦３の場合の実験結果に基づく評価式（経験式）は式（７）と異なり、次の式（９）となる。なお、完全越流については堰高ｈｄが同一の場合、転倒堰２２が傾斜した状態と鉛直状態とで流量係数がほぼ同じ値を示すことがわかっているので、式（９）は転倒堰２２が傾斜する場合にも同様に成立することになる。
なお、この式（９）は参照文献３（羽田野袈裟義、多田羅謙治、永野博之、黄安多：刃形堰の流量と越流水深の関係の定式化の試み、土木学会論文集Ｂ１（水工学）、Vol.73, No2, pp34-42, 2017）に与えられている。
そこで、転倒堰制御システム１の演算部２の堰高演算部１２は、ステップＳ３として、これらＨ１及び定数α～εをデータベース３から読み出して、式（８）を解いて堰高ｈｄを仮計算するが、前述のとおりｈ／ｈｄ＞３の場合は完全越流となるので、ステップＳ４でも完全越流として判定され、そのままステップＳ５ａでは、式（８）から仮計算されて得られた堰高ｈｄがそのまま完全越流の堰高ｈｄとして、越流状態判定部１３によって決定される。
なお、本願発明における「仮計算」の「仮」は完全越流であるか潜り越流であるか等の条件を仮定して堰高ｈｄを計算することを意味しており、越流状態判定部１３によって越流状態が判定された後に、越流状態判定部１３によって最終的な堰高ｈｄの値が決定されることになる。
（ｂ）ｈ／ｈｄ≦３（Ｈ１≦４Ｈ２）の場合
この場合は、まず完全越流（図２参照）と仮定して堰高ｈｄを求める。ｈ／ｈｄ≦３の場合の実験結果に基づく評価式（経験式）は式（７）と異なり、次の式（９）となる。なお、完全越流については堰高ｈｄが同一の場合、転倒堰２２が傾斜した状態と鉛直状態とで流量係数がほぼ同じ値を示すことがわかっているので、式（９）は転倒堰２２が傾斜する場合にも同様に成立することになる。
なお、この式（９）は参照文献３（羽田野袈裟義、多田羅謙治、永野博之、黄安多：刃形堰の流量と越流水深の関係の定式化の試み、土木学会論文集Ｂ１（水工学）、Vol.73, No2, pp34-42, 2017）に与えられている。
【0038】
【数6】
【0039】
Ｈ１＝ｈｄ＋ｈであることから越流水深ｈを消去すると、以下の式（１０）となり、その式（１０）を堰高ｈｄについて解くと、式（１１）となる。但し、式（１１）における根号の前の符号は＋（プラス）である。
【0040】
【数7】
【0041】
【数8】
【0042】
なお、堰高ｈｄに関する式（１０）において、堰上流水深Ｈ１は水路流量Ｑ０が与えられれば定まる物理量であるので、予めデータベース３に格納されており、また、限界水深ｈｃは前述のとおり越流量Ｑに対して限界水深演算部１０によって計算されてデータベース３に格納されており、ｐ及びｑも諸定数１６として予め入力部６を介して読み出し可能にデータベース３に格納されている。
そこで、堰高演算部１２はステップＳ３として、限界水深ｈｃや諸定数１６をデータベース３から読み出して、式（１１）から堰高ｈｄを仮計算する。
そこで、堰高演算部１２はステップＳ３として、限界水深ｈｃや諸定数１６をデータベース３から読み出して、式（１１）から堰高ｈｄを仮計算する。
【0043】
次に、ステップＳ４として、転倒堰制御システム１では、演算部２の越流状態判定部１３が、仮計算された堰高ｈｄとステップＳ２で計算した堰高限界値ｈｄＡを比較して、完全越流であるか潜り越流であるかの区別を判定する。式（１１）の堰高ｈｄが堰高限界値ｈｄＡよりも大きい場合は、完全越流と判定され、転倒堰制御システム１では、ステップＳ５ａとして、式（１１）で求めた仮計算の堰高ｈｄが越流状態判定部１３によって、そのまま堰高ｈｄとして決定される。
【0044】
一方、仮計算された堰高ｈｄが堰高限界値ｈｄＡ以下であれば潜り越流（図３参照）と判定され、転倒堰制御システム１ではステップＳ４からステップＳ５ｂへ進む。ステップＳ５ｂでは、まず、堰高演算部１２が下記の条件式（１２ａ）～（１２ｃ）を用いて、式（１３）を解く。但し、式（１３）は完全越流の関係式（９）と潜り越流の関係式（１２）を組み合せて求められており、式（１３）においてＫ１～Ｋ５は式（１３ａ）～（１３ｅ）で示されるとおりである。
式（７）と同様に式（９）は鉛直堰でも傾斜堰でも成立する。また、式（１２）～（１２ｃ）は鉛直堰の実験結果の評価式（経験式）である（参照文献４：羽田野袈裟義、多田羅謙治：運動量の定理の示唆に基づく刃形堰の水理検討、土木学会論文集Ｂ１（水工学）、Vol.70, No.1, pp.11-21, 2014）。したがって、式（１３）は転倒堰２２が傾斜した状態でも一定レベルの精度で成立するとみなしてよい。
なお、式（１３ａ）～（１３ｅ）に含まれるｐ及びｑは式（９）に示されるｐ及びｑとそれぞれ同一である。
また、式（１２ａ）～（１２ｃ）においては、それぞれ堰下流水位ｈ２と限界水深ｈｃの比の値に応じて、それぞれ定数Ａ～Ｃの数値が場合分けして与えられる。これらの定数Ａ～Ｃも諸定数１６として予め入力部６を介してデータベース３に読み出し可能に格納されているので、堰高演算部１２はこれらを読み出して計算することが可能である。
さらに、堰上流水深Ｈ１は前述のとおり予め与えられてデータベース３に格納されているが、堰下流水位ｈ２と堰下流水深Ｈ２はｈ２＝Ｈ２－ｈｄ（図３参照）という関係があるものの、ｈｄが与えられていないので繰り返し計算となる。すなわち、式（１２ａ）～（１２ｃ）のいずれかの範囲に入るｈ２を仮定して堰高ｈｄを計算し、計算結果が仮定したｈ２の値の範囲内であれば目的の堰高ｈｄが得られたことになる。
したがって、堰高演算部１２は式（１２ａ）～（１２ｃ）のいずれかの範囲に入るｈ２を生成し、これを用いて堰高ｈｄを計算し、その計算結果から再度ｈ２を計算して、当初仮定して生成されたｈ２と比較して、生成されたｈ２が含まれている範囲に再度計算されたｈ２が入る場合には、生成されたｈ２を用いて計算された堰高ｈｄが得るべき堰高ｈｄであったとするものである。
式（７）と同様に式（９）は鉛直堰でも傾斜堰でも成立する。また、式（１２）～（１２ｃ）は鉛直堰の実験結果の評価式（経験式）である（参照文献４：羽田野袈裟義、多田羅謙治：運動量の定理の示唆に基づく刃形堰の水理検討、土木学会論文集Ｂ１（水工学）、Vol.70, No.1, pp.11-21, 2014）。したがって、式（１３）は転倒堰２２が傾斜した状態でも一定レベルの精度で成立するとみなしてよい。
なお、式（１３ａ）～（１３ｅ）に含まれるｐ及びｑは式（９）に示されるｐ及びｑとそれぞれ同一である。
また、式（１２ａ）～（１２ｃ）においては、それぞれ堰下流水位ｈ２と限界水深ｈｃの比の値に応じて、それぞれ定数Ａ～Ｃの数値が場合分けして与えられる。これらの定数Ａ～Ｃも諸定数１６として予め入力部６を介してデータベース３に読み出し可能に格納されているので、堰高演算部１２はこれらを読み出して計算することが可能である。
さらに、堰上流水深Ｈ１は前述のとおり予め与えられてデータベース３に格納されているが、堰下流水位ｈ２と堰下流水深Ｈ２はｈ２＝Ｈ２－ｈｄ（図３参照）という関係があるものの、ｈｄが与えられていないので繰り返し計算となる。すなわち、式（１２ａ）～（１２ｃ）のいずれかの範囲に入るｈ２を仮定して堰高ｈｄを計算し、計算結果が仮定したｈ２の値の範囲内であれば目的の堰高ｈｄが得られたことになる。
したがって、堰高演算部１２は式（１２ａ）～（１２ｃ）のいずれかの範囲に入るｈ２を生成し、これを用いて堰高ｈｄを計算し、その計算結果から再度ｈ２を計算して、当初仮定して生成されたｈ２と比較して、生成されたｈ２が含まれている範囲に再度計算されたｈ２が入る場合には、生成されたｈ２を用いて計算された堰高ｈｄが得るべき堰高ｈｄであったとするものである。
【0045】
なお、ウィスコンシン大学のＣｏｘ氏の系統的な実験データ（参照文献５：Cox, G.N.： The submerged weir as a measuring device, Bull. of the University of Wisconsin, 1928）で検証したところ，式（１２ａ）～（１２ｃ）の３つのｈ２／ｈｃの区間の境界に近いｈ２／ｈｃに対応する堰下流水位ｈ２を仮定した場合，計算結果の堰高ｈｄから求まる堰下流水位ｈ２が隣接するｈ２／ｈｃの区間に属する状況が生まれるが，この新たなｈ２／ｈｃの区間に新たに堰下流水位ｈ２を仮定して堰高ｈｄを計算した結果，堰高ｈｄの計算値は当初仮定の堰下流水位ｈ２による計算値とほぼ同程度であったことから、繰り返し計算による結果は信頼性の高いものと考えられる。
堰高演算部１２によって計算された堰高ｈｄは、潜り越流における堰高ｈｄであるので、ステップＳ５ｂでは次に越流状態判定部１３によって、求められた堰高ｈｄが潜り越流における堰高として決定される。
堰高演算部１２によって計算された堰高ｈｄは、潜り越流における堰高ｈｄであるので、ステップＳ５ｂでは次に越流状態判定部１３によって、求められた堰高ｈｄが潜り越流における堰高として決定される。
【0046】
【数9】
【0047】
【数10】
【0048】
【数11】
【0049】
ここまでのステップＳ５ａ及びステップＳ５ｂで、堰高ｈｄが完全越流時あるいは潜り越流時のものとして決定されたのち、転倒堰制御システム１では、演算部２の堰傾度演算部１４がステップＳ６として、転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算する。
具体的には、以下の式（１４）で与えられる。
ｓｉｎθ＝ｈｄ／Ｌ （１４）
ここで堰長Ｌは予め入力部６を介してデータベース３に格納されているので、堰傾度演算部１４はこれを読み出して、ステップＳ５ａ，Ｓ５ｂで決定された堰高ｈｄを用いて堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算することができる。
計算された堰傾度ｓｉｎθはデータベース３に格納され、また、堰傾度演算部１４から堰傾度制御部４へ送信される。
具体的には、以下の式（１４）で与えられる。
ｓｉｎθ＝ｈｄ／Ｌ （１４）
ここで堰長Ｌは予め入力部６を介してデータベース３に格納されているので、堰傾度演算部１４はこれを読み出して、ステップＳ５ａ，Ｓ５ｂで決定された堰高ｈｄを用いて堰傾度ｓｉｎθの目標値を計算することができる。
計算された堰傾度ｓｉｎθはデータベース３に格納され、また、堰傾度演算部１４から堰傾度制御部４へ送信される。
【0050】
次に、転倒堰制御システム１は、ステップＳ７として、堰傾度制御部４が堰傾度演算部１４から受信した堰傾度ｓｉｎθの目標値を基にして堰傾動部５を制御するための制御信号を生成し、これを堰傾動部５に送信する。
そして、ステップＳ８として、堰傾動部５は堰傾度制御部４からの制御信号を受信して、目標値となった堰傾度に合致するように転倒堰２２を傾動させて、堰傾度を変更する。
このように転倒堰２２を傾動させるように制御することで、転倒堰２２の上流側の水路流量Ｑ０や取水量Ｑｅが変化しても、データベース３における水路流量Ｑ０や取水量Ｑｅを更新し、再度ステップＳ１～Ｓ７を実行することによれば堰傾度の目標値を更新することが可能であり、転倒堰２２の堰傾度も更新されるよに制御可能である。
そして、ステップＳ８として、堰傾動部５は堰傾度制御部４からの制御信号を受信して、目標値となった堰傾度に合致するように転倒堰２２を傾動させて、堰傾度を変更する。
このように転倒堰２２を傾動させるように制御することで、転倒堰２２の上流側の水路流量Ｑ０や取水量Ｑｅが変化しても、データベース３における水路流量Ｑ０や取水量Ｑｅを更新し、再度ステップＳ１～Ｓ７を実行することによれば堰傾度の目標値を更新することが可能であり、転倒堰２２の堰傾度も更新されるよに制御可能である。
【0051】
以上説明したとおり、本実施の形態に係る転倒堰制御システム１によれば、水路２０から必要な取水量Ｑｅを得るために堰の上流及び下流の流れをより安定させることが可能な転倒堰２２を採用し、堰高限界値ｈｄＡを境界値として完全越流と潜り越流との区別を判定し、過去に実績のある完全越流と潜り越流における実験値を基にして得た評価式（経験式）を堰高ｈｄの方程式として解くことで、堰高ｈｄを得ている。
そして、この堰高ｈｄから転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθを計算して、それを目標値として演算部２の堰傾度演算部１４から得た堰傾度制御部４が堰傾動部５に制御信号として送信し、転倒堰２２の傾きを制御することで、水路２０から取水路２１に必要な取水量が安定して供給されるようにすることが可能である。
また、ゲート堰と異なりゲート下端と流路の床面との隙間からの流出水がなく越流量Ｑに応じて転倒堰２２の上面から流出するため、ゲート堰で生じる流れの縮流による有意のエネルギー損失や流出水のノズル効果によるゲートや流路床面への侵食が少ない。
さらに、水路の流量及び水路からの取水量に応じて、完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかの判定を越流状態判定部１３によって実行しながら転倒堰の堰傾度を制御することができるので、より精度の高い制御を行うことが可能である。
そして、この堰高ｈｄから転倒堰２２の堰傾度ｓｉｎθを計算して、それを目標値として演算部２の堰傾度演算部１４から得た堰傾度制御部４が堰傾動部５に制御信号として送信し、転倒堰２２の傾きを制御することで、水路２０から取水路２１に必要な取水量が安定して供給されるようにすることが可能である。
また、ゲート堰と異なりゲート下端と流路の床面との隙間からの流出水がなく越流量Ｑに応じて転倒堰２２の上面から流出するため、ゲート堰で生じる流れの縮流による有意のエネルギー損失や流出水のノズル効果によるゲートや流路床面への侵食が少ない。
さらに、水路の流量及び水路からの取水量に応じて、完全越流と潜り越流のいずれの態様の流れとなるかの判定を越流状態判定部１３によって実行しながら転倒堰の堰傾度を制御することができるので、より精度の高い制御を行うことが可能である。
【0052】
なお、以上の説明では、転倒堰制御システム１における作用・効果について図４及び図５を参照しながら説明したが、図５を参照して説明された工程は転倒堰制御方法の実施の形態の説明としても成り立つものであり、また、これらの工程をコンピュータを用いて実行する転倒堰制御プログラムの実施の形態としても成り立つものである。これらの転倒堰制御方法と転倒堰制御プログラムにおける作用・効果についても転倒堰制御システム１と同様である。
また、本実施の形態においては、完全越流又は潜り越流において堰高ｈｄを求める評価式として、式（８）、（１１）、（１３）を採用したが、これらの式に限定するものではなく、完全越流又は潜り越流における堰高ｈｄを評価可能な式であればいずれの式を用いてもよい。但し、越流量Ｑに応じて完全越流と潜り越流の場合分けが可能であることが必要であり、越流状態を判別可能でその判定結果に応じて堰高ｈｄを評価し、堰傾度を演算可能である必要がある。
また、本実施の形態においては、完全越流又は潜り越流において堰高ｈｄを求める評価式として、式（８）、（１１）、（１３）を採用したが、これらの式に限定するものではなく、完全越流又は潜り越流における堰高ｈｄを評価可能な式であればいずれの式を用いてもよい。但し、越流量Ｑに応じて完全越流と潜り越流の場合分けが可能であることが必要であり、越流状態を判別可能でその判定結果に応じて堰高ｈｄを評価し、堰傾度を演算可能である必要がある。
【産業上の利用可能性】
【0053】
本発明は河川等の水路から取水する用水の取水量を調整するために設けられた転倒堰の堰傾度の制御に広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【0054】
１…転倒堰制御システム ２…演算部 ３…データベース ４…堰傾度制御部 ５…堰傾動部 ６…入力部 ７…出力部 １０…限界水深演算部 １１…堰高限界値演算部 １２…堰高演算部 １３…越流状態判定部 １４…堰傾度演算部 １５…物理定数 １６…諸定数 ２０…水路 ２１…取水路 ２２…転倒堰 ２３…堰頂 Ｒ…単位幅当たりの越流量 ｉ…水路勾配 Ｂ…水路幅 ｎ…マニングの粗度係数 ｈ…越流水深 ｈｃ…限界水深 Ｈ１…堰上流水深 ｈ１…堰上流水位 Ｈ２…堰下流水深 ｈ２…堰下流水位 Ｌ…堰長 ｈｄ…堰高 θ…堰傾き角度
【要約】
【課題】河川等の水路から取水する用水の取水量を調整する際に、堰の前後で安定した流れを得ることが可能であり、堰によるエネルギー損失も少なく、堰の耐久性も高めることが可能な転倒堰を採用し、この転倒堰の堰傾度を調整することで水路から必要な取水量を確保することが可能な転倒堰制御システムを提供する。
【解決手段】転倒堰制御システムは、転倒堰の越流量Ｑから限界水深ｈｃを計算する限界水深演算部１０と、完全越流と潜り越流の堰高ｈｄを計算する堰高演算部１２と、越流状態の判定を行う越流状態判定部１３と、判定の結果に応じて堰高ｈｄから転倒堰の堰傾度ｓｉｎθを計算する堰傾度演算部１４と、堰傾度に基づいて転倒堰の堰傾度を制御する堰傾度制御部４と、この堰傾度制御部４からの制御信号によって転倒堰の堰傾度を変更可能な堰傾動部５を有する。
【選択図】図４
【解決手段】転倒堰制御システムは、転倒堰の越流量Ｑから限界水深ｈｃを計算する限界水深演算部１０と、完全越流と潜り越流の堰高ｈｄを計算する堰高演算部１２と、越流状態の判定を行う越流状態判定部１３と、判定の結果に応じて堰高ｈｄから転倒堰の堰傾度ｓｉｎθを計算する堰傾度演算部１４と、堰傾度に基づいて転倒堰の堰傾度を制御する堰傾度制御部４と、この堰傾度制御部４からの制御信号によって転倒堰の堰傾度を変更可能な堰傾動部５を有する。
【選択図】図４
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】