４． 流量観測の今後に向けて

４．１　さらなる技術開発とその支援

 流速計や水位計については、低価格化や高精度化のほか、新たな計測手法や活用方策等を目指した開発が現在でも産学の各機関において行われている。国土交通省でも、「革新的河川技術プロジェクト」の１つとして流量観測の無人化・自動化に向けた機器の開発を支援している。
 土研においても、電波式流速水位計を用いた流量の自動観測に向けた研究を継続している。近年は、流速水位計の小型化を行いドローンに搭載した電波式流速水位計による計測実験等を実施した（写真－５）。また、流速水位計の電波照射方向を遠隔または自動で制御可能となるよう、雲台に搭載した電波式流速水位計による計測実験を国内数か所で実施している。
 本稿では主に流速の計測技術について紹介したが、流量を精度よく把握するためには、洪水中に変動する河床の高さを把握することが必要になる。河床高の計測、推定についても土研では今後取り組みを進めていく予定である。

 こうした取り組みを産官学で共有し、連携して推進するために、土木学会水工学委員会に河川観測高度化研究小委員会（委員長：名古屋大学　椿涼太准教授）が設置されている。土木研究所としては、こうした場も活用し情報共有を通じて各機関の研究開発への支援を行っている。

４．２　新技術の普及に向けた取り組み

 電波式流速計等の新しい観測技術は、直轄河川を中心に各種調査に利用されつつあるものの、現場レベルではまだそのノウハウが十分でないのが実情である。土研には地整等からの問い合わせが多く寄せられており、積極的に技術指導を行っているところである。
 一方、こうした利用はまだ直轄河川の一部であり、多くの現場（特に都道府県）では新しい技術に関する知識が十分ではない。土研では、開発した技術の広報、普及のため、「土研新技術ショーケース」を各地方ブロック毎にほぼ2年に1度の頻度で主催する等、積極的な活動を行っている。電波式水位計についてもこの場で講演やパネル展示を行い、その有用性等について積極的にPRしているところである。
 また、こうした観測技術を普及させていくためには、河川の状況に応じた適切な観測方法を提示していくことが重要と考えている。土研では、今後国土交通本省や地方整備局等とも連携して様々な河川において複数の手法で観測を行い、河川の状況等に応じた各種流量観測技術の適用性の検証を行っていく予定である。

５．おわりに

 近年の水文観測技術の高度化を受け、平成29年3月に国土交通省の水文観測業務規程が改正された。改正された主な点は、雨量観測の手法としてレーダー雨量計が正式に位置づけられ、データを蓄積することとされたこと、流量観測の一手法として非接触型流速計が位置付けられたことである。また、令和3年5月に閣議決定された第5次社会資本整備重点計画では、基準水位・流量観測所における自動流量観測導入率を令和7年度までに100％とすることが目標として掲げられている。こうした政府の方針を支援するため、土木研究所では、今後も非接触型流速計の普及の取り組みや流量観測の高度化に向けたさらなる研究開発を続けていく。

【著者紹介】
山本　晶（やまもと　あきら）
国立研究開発法人　土木研究所　水工研究グループ　水文チーム
上席研究員

■略歴
東北大学工学部土木工学科卒業
1993年　建設省入省
2003年　国土交通省東北地方整備局河川部河川計画課長
2007年　国土技術政策総合研究所危機管理技術研究センター水害研究室主任研究員
2010年　東北地方整備局河川部水災害予報企画官
2011年　国土交通大学校建設部建設企画科長
2013年　国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室主任研究員
2016年　香川県土木部次長
2018年より現職

3.3　弊社の流速（流量）、流向センサ

河川の流速、流向の計測は以下の目的で使用される。

• ①

  水位計、河川断面係数により流量を算出することで、下流域での洪水予測が可能となる。

• ②

  下流域への土砂の流出量や汚染物質の流出量の把握が可能となる。

• ③

  大型河川に流入する、支川の樋門、樋管部の流速、流向を把握することで支川の排水能力の把握や逆流の検知を行い、適切なゲートコントロールにより内水氾濫の低減が可能となる。

など、水位計だけでは把握できない事象に対し有用なデータを取得することが可能となる。
弊社の流速、流向計は、河川横断方向に対し斜めに対向して設置された超音波送受波器の伝搬速度の差を計測しているので、河川の横断平均流速の計測が可能であり、上記目的に対しより正確なデータの取得ができる。

計測の原理は

・河川を斜めに横断する形で超音波パルスを送信／受信する
・超音波パルスの伝搬時間は河川の流速により変化するため、この伝搬時間を正確に計測する
・計測された伝搬時間を用い、下式で流速を算出する
 Ｖ＝（R1＋R2）2 ×（t1－t2）／（2×D×t1×t2）
  V：横断平均流速（m／sec）
  R1：Ａ→Ｂの距離(m)
  R2：Ｂ→Ｃの距離(m)
  D：Ａ→Ｃの距離(m)
  t1：Ａ→Ｂ→Ｃ　の経路の伝搬時間（sec）
  t2：Ｃ→Ｂ→Ａ　の経路の伝搬時間（sec）

上式において、計測範囲の水中の音速が一様とできる場合は、音速を含む必要がなく、水温や懸濁物の影響で水の比重が変動した場合でも音速の変動が流速算出には影響を与えないため安定した計測が可能となる。
大型河川の場合は、偏流成分の除外のため、図－7に示すようにＶ字型の配置とするが、小型河川（川幅100m以下）の場合は一軸伝搬（Ａ→ＢとＢ→Ａ）でも計測は可能である。

1. (1)　超音波式流速（流量）計
   河川幅100m以上の大型河川で流速を計測するために使用される。
   1軸の計測間隔は200mが最大であるが、複数のポイントでの計測も可能であるため、送受波器を増やし側線を増やすことにより200m以上の河川幅にも対応が可能である。

   

   

2. (2)　小型河川流速計
   河川幅100m以下の中小河川で流速を計測するために使用される。

   

   

3. (3)　小型河川流向計
   河川幅30m以下の小河川で流向を計測するために使用される。

   

   

3.4　弊社の情報伝達、収集装置：ゼロエナジーゲートウェイ

モニタリングシステムでは、各センサーで計測したデータをインターネット経由でクラウドやサーバーに送信するゲートウェイが必要となる。
従来のゲートウェイは商用電源を必要とし、現場に設置する際の電源の配線工事に多大な費用と期間を要していた。
本製品は、920MHz帯マルチホップ無線「SmartHop®」とLTEによる無線通信機能を備えたIoTゲートウェイで、太陽発電駆動に対応することにより、外部からの給電が不要なため、通信線配線、電源配線が不要な装置である。

【著者紹介】
森　孝之（もり　たかゆき）
静岡沖電気株式会社　技術部

■略歴
1977年　沼津工業高等専門学校　工業化学科（現　物質工学科）卒業
同年　　 興国ゴム工業株式会社（現　興国インテック株式会社）
1989年　沖電気工業株式会社
2000年　静岡沖電気株式会社（現職）
2018年～　NPO法人　光ファイバセンシング振興協会　監事

３．河川横断測量へのグリーンレーザドローン活用

 レーザドローンによる河道や河川堤防の再現性を確認するために，クワ畑等の木本 とツル・ヨシ群集等の草本の植生で覆われている高水敷や草本で覆われた河川堤防において，トータルステーションで取得された横断測量成果と比較した．ドローンによるレーザ計測は，落葉樹 の萌芽期である4月と植生が繁茂した9月の2 時期に，約100点/m²の計測密度で実施した．この比較では，植生被覆域の地上到達度と地形再現性を評価した⁵⁾．
 地上到達度では，横断測量の断面線から水平位置0.5m，標高0.05m以内に到達した点群と地上到達点と見なし，その点数と照射点数の割合を植生種ごとに確認した．その結果を表2の地上到達度に示す．4月の地上到達度は，河川堤防の人工草地で83%と最も高く，多くの計測点が地盤を捉えている．一方，葉の大きいカナムグラ群落が21%と低く，それ以外の草本が30～50%，木本が約30％の地上到達度を示した．9月の地上到達度は全ての植生で4月より低い．有人機の航空レーザ測量よりビーム径が小さく，100点/m²程度の高密度な計測ができるレーザドローンでも，葉が大きい植生被覆域や夏季の地上到達度が低くなることがわかる．
 地形再現性では，横断測量成果の標高較差を確認した．その結果を表2の地形再現性，点群による断面表示図を図3に示す．4月の結果に着目する．カナムグラ群落以外の植生は平均二乗誤差で約0.1mを示し，凹凸のある植生被覆域でも0.1m程度の位置精度で河道形状を再現できることが確認できた．また，9月の平均較差は0.15m以上の値を示した．以上の結果から，最適な時期におけるドローンレーザ計測の実施が重要なことや植生の種類によって横断図による地形再現精度が異なることがわかった．
 図4は，冬季に計測した点群による陸部と水部が存在する測線の横断表示である．グリーンレーザドローンによる水部計測では，水質，水面，河床の状態により測深能力が異なる計測特性が確認されている．この地区では最大2.8m程度の測深を確認でき，横断表示により陸部と水部が連続的につながった断面が再現できることを確認できた．
 以上の結果より，植生が繁茂していない時期にグリーンレーザドローンによるデータ取得を行うことで，陸上部と水部の横断形状を再現でき，河川横断測量成果として利用できることを確認した．

４．堰・護床ブロック点検へのグリーンレーザドローンの適用

 堰周辺や護岸工周辺においてTDOT GREENによる点検を実施した事例を紹介する．図5は河川の堰周辺を取得した三次元点群の鳥観図であり，レーザ計測時に取得された反射強度をグレースケールで色分けしたものである．100点/m²以上の高精細な三次元点群は，堰本体，門柱，ゲート，護床工のブロックひとつひとつの形状が確認でき，さらに一部の護床工が崩れている状況を把握できる．
 次に，別の河川でTDOT GREENで取得した点群を用いて，護床ブロックを点検した⁶⁾．この護床ブロックは，水深50cmから2mに位置しており，常に水中にある．点検では，崩れや損傷のある箇所をわかりやすく可視化するために計画河床高とTDOT GREENで取得された三次元点群の差分解析を行った．図6は，ドローンで取得した写真地図と差分解析結果の段彩表示図を示す．写真地図から，この護床ブロックの一部が流出していることが確認できる．TDOT GREENは，数点～数百点/m²程度の密度で水底を計測することができため，ブロック損傷箇所の把握が可能となる．また，段彩表示図から，下流側ブロックの約2/3が沈下しており，その中央部は水底地形と伴にさらに沈下していること，上流側ブロックの約1/３が，ブロックの損傷と流出していること等，ブロック形状の把握と伴に面的な沈下量が定量的に把握できることが確認できる．

５．まとめ

 本稿は，グリーンレーザドローンの概要と，グリーンレーザドローンを横断測量といった河道形状の状況把握に利用した事例と，堰や護床工の点検にグリーンレーザドローンを用いた事例を紹介した．この結果で得られた知見を以下に示す．

• グリーンレーザドローン（TDOTGREEN）は，100点/m²以上の高密度な3次元点群を取得でき，フットプリント5㎝程度（対地高度50m）により，高精細な形状を再現できる．

• 河川横断測量へのグリーンレーザドローン適用では，三次元点群により，陸部と水部が連続的につながった断面表示ができること，ただし，最適な時期の計測の実施が重要であり，植生の種類によって横断図による地形再現精度が異なる留意点が必要である．

• グリーンレーザドローンを用いた堰や護床工の点検では，堰本体，門柱，ゲート，護床工のブロックひとつひとつの形状，さらに一部の護床工が崩れている状況を把握できること，河床計画高と点群の差分解析により，ブロック損傷箇所をわかりやすく可視化でき，ブロックの損傷状況と面的な沈下量が定量的に把握できる．

 以上の結果から、グリーンレーザドローンは，河道、河川堤防の形状、護床工の状況を面的かつ定量的に把握できることがわかった．また、ドローンを用いた三次元計測は、狭域の計測や複数回の計測（モニタリング）に適しており、河川管理の高度化・効率化に寄与できる可能性が確認できた．一方，グリーンレーザドローンの課題は，水部の計測で，水質，水面，河床の状態により測深能力が異なることが挙げられる．今後は，計測実績を増やして測深予測，適用可能な範囲を明確にできるようにすることで，高度で効率的な河川管理の実現に寄与していきたいと考えている．

【著者紹介】
間野 耕司（まの　こうじ）
株式会社パスコ

■略歴
 1999年3月岐阜大学大学院工学研究科土木工学専攻修了．1999年4月株式会社パスコに入社後，航空レーザ測量，MMSおよびUAVなどの三次元計測業務に従事し，現在に至る．その間，2018年岡山大学大学院環境生命科学研究科環境科学専攻を修了．博士（工学）．

4．河川堤防の侵食をリアルタイムで検知「侵食センサ」

河川の増水により堤防が決壊すると甚大な被害が発生するため、日常の点検により堤防の軽微な変状を把握し、必要に応じて補修を行う維持管理が行われている。
堤防の侵食に対するモニタリングは徒歩による目視点検を主体としているが、降雨や増水による水の濁り、夜間等の条件が重なると目視による変状の発見は困難な場合がある。そこで、従来の目視点検に加え堤防決壊の前兆となる軽微な変状をリアルタイムで検知するモニタリングシステムが開発されている⁶⁾。

侵食センサの模式図を図5に示す。侵食センサには3軸のMEMS加速度センサを使用し、侵食により生じるセンサ自身の姿勢変化（傾き・回転）を計測する。侵食を検知すると磁気通信技術により受信装置へ信号を発信し、河川管理者へ通知する。磁気通信技術の採用により、土中や濁流化した水中からでも通信でき、侵食をリアルタイムで検知することが可能となった。
庄内川における実証試験では、大雨による侵食を3台の侵食センサで検知した（図6）。

5．低周波磁界により水中・地中の砂礫まで追跡「砂礫トレーサー」

河川の土砂移動の実態を把握することは、河川の流域全体における土砂管理計画に役立つ。土砂移動の計測では色付けした礫をトレーサーすることが多いが、河床の土砂に埋まり追跡できない場合があった。そこで、地中・水中でも通信可能な低周波磁界を用いた砂礫モニタリングシステムが開発されている。

システムの概要を図7に示す。現地で採取した礫に発信機を埋め込み、出水後の移動距離を可搬型探知機で検知する。礫ごとに異なる周波数の発信機を内蔵することで、礫の識別を行う。安部川砂防における実証試験⁷⁾では、水中や土砂に埋まったトレーサーも追跡でき（図8）、2回の増水において短い距離では300m、長い距離では5,300mの土砂移動が確認された。

6．土石流の発生を直ちに知らせる「ワイヤセンサ」

土石流は、山腹や川底に堆積した土砂が水と一体となり下流へ押し流される現象であり、長雨や集中豪雨に起因して発生する。全国の土石流危険渓流は18万箇所以上にのぼる⁸⁾。土石流は時速20～40kmで流下するため、短時間で下流の集落などに到達し人的・物的被害を引き起こす危険性が知られている。土石流が発生した場合、直ちにサイレン等で下流域周辺の住民に知らせ、避難を促す必要がある。

ワイヤセンサの模式図を図9に示す。河川上流部で河道を横断するようにワイヤを張り、対岸の立木や岩盤、砂防えん堤等にワイヤセンサを設置する。土石流によりワイヤが切れると、土石流警報器が検知し回転灯・サイレンにより通知する。
2014年8月に広島市で発生した土石流災害では、災害後の緊急対策工事の安全管理および対策工事完成までの住民への警報連絡手段として、8渓流に合計28台のワイヤセンサを施工した（図10）。

7．おわりに

近年、降雨が激甚化しているため、より広範域での河川モニタリングシステムの構築が必要と考える。今後も計測機器メーカとして、防災へ寄与できるよう尽力する。

【著者紹介】
飯田　あゆ美（いいだ　あゆみ）
坂田電機株式会社

■略歴
2013年 坂田電機株式会社へ入社。
計測機器の設置、データ解析業務に従事。
2021年 現在に至る。