2016 Fiscal Year Research-status Report
水面形の経時変化に基づく流量・粗度係数・河床高の時空間変化の推定法の開発
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16K06515
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
重枝 未玲 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70380730)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 水面形 / 経時変化 / 流量 / 粗度係数 / 時空間変化 / 推定法 / 流束差分離法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，安全・安心が持続可能な河道管理が求められている．本研究は，洪水流と河床変動を一体として取り扱い，観測した水面形の経時変化に基づき，実河道での流量，粗度係数，河床高の時空間変化を推定する手法の開発を目的としている．当該年度では，以下の(1)と(2)を実施した．
(1)水面形の経時変化に基づく流量・粗度係数の時空間推定法の開発
推定法のベースとなる基礎方程式には，任意の河道横断面，河道形状を取り扱うことが可能な1次元浅水流方程式を用い，(A)流れ方向の水面幅の変化による圧力項と静水圧項について水深積分を必要としない取り扱い，(B)エネルギー損失を用いた河道内の堰，橋脚や橋桁の取り扱いを検討した．同方程式の離散化には流束差分離法を用い，質量，運動量に加えエネルギー保存の関係を満たすような離散化法を用いた．流れの状態として常流を対象とし，同方程式に基づき推定法IとIIを構築した．推定法Iは，上・下流端の水位と粗度係数を与条件として，連続の式と運動方程式から水位と流量ハイドログラフを求める方法，推定法IIは，水面形の経時変化と解析対象区間の一区間の粗度係数を与条件として，質量保存式から粗度係数を，運動方程式から流量を求める方法である．いずれの推定法も後述する横断面形状および平面形状が流下方向に変化する水路での実験に基づき，水位あるいは流量ハイドログラフや粗度の経時変化の再現精度について検証した．
(2)固定床実験結果に基づく推定法の検証
固定床水路での定常・非定常流に対して，①平面形状を漸縮・漸拡させた実験，②複断面水路で水深方向に底面粗度を変化させた実験，③堰などの河川を横断する構造物を水路内に設置した実験を行い，水位，流量の時系列データを収集した．これに加え，遠賀川水系を対象に，実洪水時の痕跡水位や流量等のデータを収集した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
同年度では，観測点の水位ハイドログラフとデータ同化を行う推定法Iと水面形の経時変化から流量と粗度係数を直接推定する推定法IIを構築する予定であった．推定法Iについては，境界条件の取り扱いについて，特性曲線法や流束差分離法のフレームワークに基づく方法など，複数の方法を検討したため，データ同化の技術の導入には至らなかった．推定法IIについては，複数任意の断面形状の河道に適用可能な水面形の経時変化に基づく流量と粗度係数の時空間推定法を新たに構築した．推定法IとIIを直線，漸縮・漸拡水路での不等流および不定流の実験結果に，形状損失がある場合も含めて適用し，その予測精度について検討した結果，いずれの推定法も，直線だけでなく水路幅が縦断方向に変化する不等流・不定流の実験結果に対して流量及び粗度係数を十分な精度で推定できること，形状損失が生じる場合についても粗度係数にその影響を含めることで流量及び粗度係数を十分な精度で推定できること，洪水痕跡からピーク水位時の流量や粗度係数を推定可能であることが確認され，流量ハイドログラフや粗度係数の推定を行うツールとして基本的な性能を有していることがわかった．
推定法の検証に必要な実験データの収集については，複断面水路を対象に水深方向に横断面形状と粗度係数が変化する実験については時間を要したものの，概ね計画通り実施されており，実河川のデータの収集・整理については，計画より早く実施されている．
以上から，推定法Iのデータ同化技術の導入については当初の計画に比べやや遅れているものの，推定法IIや実験データや現地データの収集については概ね計画通りあるいは計画よりも早く実施されている．このように，本研究の進捗状況はおおむね順調である．
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| Strategy for Future Research Activity |
開発した推定法に，単一粒径河床変動解析モデルを組み込み，水位・流量・粗度係数・河床高を推定する推定法IとIIを構築する予定である．推定法Iについては，パーティクルフィルターを用いた推定法の構築を引き続き行う．状態空間ベクトルを，水位，流量，河床高，粗度係数，観測ベクトルを水位とし，複数の観測点の水位ハイドログラフとデータ同化を行い，水位・流量・粗度係数・河床高の確率密度関数を求める推定法を構築する．推定法IIについては，次の推定法II-1と2を検討する．推定法II-1は，前年度の推定法IIから水位，流量，粗度係数の諸量を求め，流れ方向の掃流力を算定し，流砂の連続の式から平均河床高の時空間変化を推定する方法，推定法II-2は，前年度の推定法IIに粗度係数を既知として，流量，平均河床高の時空間変化を推定する方法である．同推定法を，後述の実験結果で得られた水位・流量ハイドログラフや河床高の経時変化に基づき，各推定法の再現精度について検討する．
単一粒径移動床水路での定常・非定常流に対して，固定床と同様に，①横断面・平面形状，②堰や橋脚などの河川を横断する構造物を水路内に設置した移動床水路での定常・非定常流実験を行う．いずれの実験についても，水位，流量，河床高，下流端での流砂量の時系列データを収集する．河床高の測定については，１次元的な現象の場合には水路側方からデジタルカメラで同期撮影した画像を解析することで，１次元的な現象でない場合にはレーザー変位計で，流砂量の測定については，水路下流端で回収した砂の重量を測定することで行う．
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| Causes of Carryover |
複断面水路において，水深方向に横断面形状と底面粗度係数が変化する実験を行ったが，実験に予想以上の時間を要したため，実験結果に基づく推定法の検証を発表することができなかった．同結果の発表を次年度行うことととしたため，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
未使用額については，水深方向に横断面形状と底面粗度係数が変化する複雑な縦横断面形状を有する流れに対する検証結果の発表旅費に充てる予定である．
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