革新的な水中音響技術を用いた河川流量観測法の高度化

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26289165
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 川西 澄 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40144878)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 水工学 / 洪水 / 減災 / 水資源 / 水循環

研究実績の概要

河川音響トモグラフィー法においては、十分な信号対雑音比（SN比）を確保し、正確な音波の伝搬時間を計測する必要がある。そのため、トランスデューサーの発振周波数に、水晶発振子より正確な、u-blox社の高精度タイミングGPSモジュール(LEA-6T)が出力する正確な10 MHzの信号を利用するように河川音響トモグラフィーシステム（FATS）を改良した。また、SN比の向上を目指して、設定パラメーターファイルの内容に応じてM系列の次数と周期の数を変えられるようFATSの制御プログラムを作成するとともに、受信信号を増幅するプリアンプに、ノイズ低減用フィルターを設けた。
音波の伝搬特性に対する周波数の影響を明らかにするため、10～30 kHzの範囲の周波数に対応できるようにFATSのフィルターを拡張して、太田川と江の川において、河川を横断する音波の伝播特性を調べた。現在までに得られている結果は以下の通りである。
水深が音波の波長の約10倍より小さくなると、河川の横断面を伝播する音波の減衰が急激に大きくなり、SN比が悪化することが明らかになった。河床材料の異なる広島市の太田川（砂）と三次市の江の川（礫）の結果を比較した結果、砂河床と礫河床の河川で音波の伝播損失に大きな差は見られなかった。浮遊土砂による音波の減衰係数は、FATSで使用している周波数範囲では粘性吸収の成分だけで表され、音波の周波数と粒径および水温により決まる。江の川のダムフラッシュ放流時に行った、30 kHzの音波を用いた観測結果によれば、音響理論から予測されるように、FATSのSN比と浮遊土砂濃度の間に反比例の関係が認められた。ただし、観測結果から求められた粘性吸収係数は、音響理論から求められる値の約10倍の大きさを示した。太田川での結果も同様であった。一方、10 kHzと30 kHzに対する粘性吸収係数の比は、音響理論で得られるものとほぼ一致していた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度計画していた、トランスデューサー発振周波数の高精度化や複数の周波数の音波への対応などの河川音響トモグラフィーシステム（FATS）の改良・拡張は、予定通り行うことができた。河川横断面内における音波の伝搬損失については、水深と河床材料および、浮遊土砂の影響が明らかになりつつある。
河川流量はおおむね連続して計測できているが、出水によるトランスデューサーケーブルの損傷やトランスデューサーへの浮遊物の付着のため、欠測が生じている。現在、これらの問題に対処する対策を進めている。

今後の研究の推進方策

出水時のデータを確実に計測するため、トランスデューサーおよびトランスデューサーケーブルの確実な固定・保護工事を行うとともに、トランスデューサーへの浮遊物付着防止金具の設置を行い、データの収集を行う。
現在は、一本だけの送受信ラインを用いているので流向を測定することができない。今後は送受信ラインを増やし、クロス音線法による流速と流向の計測や多数の音線による流速場の計測を行い、流量計測精度の向上を目指す。

次年度使用額が生じた理由

河川音響トモグラフィーシステムの改良に予定より時間を要したため、現地実験の期間が短くなったことで、現地実験のために計上していた経費の一部が未使用となった。また、門研究と関係が深い研究を民間企業と共同で行うことになったため、学生アルバイトへの謝金予定額が未使用となった。

次年度使用額の使用計画

消耗品費（700,926円）：水中ケーブル、防水コネクタ、金属・プラスチック材料、コルゲートチューブの購入費。謝金（371,000円）：システムのチェック、観測補助や採水試料の分析を行う研究協力者への支払い。旅費（500,000円）：調査・資料収集や国内外における研究成果発表のため。その他（1,300,000）：現場設置工事費として400,000円、河床形状の測量委託費として200,000円、ADCPを用いた流観作業委託費として400,000円、学会投稿料として300,000円を予定している。

研究成果

• [雑誌論文] Acoustic investigations of unsteady salinity intrusion in a diversion channel (2014)
  • 著者名/発表者名: Kawanisi, K. and Razaz, M.
  • 雑誌名: Proc. UA 2014 巻: 1 ページ: 101-108
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Acoustic investigations of unsteady salinity intrusion in a diversion channel (2014)
  • 著者名/発表者名: Kiyosi Kawanisi
  • 学会等名: Foundation for Research & Technology-Hellas
  • 発表場所: Rhodes, Greece
  • 年月日: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • 招待講演