2017 Fiscal Year Research-status Report
Systematization of scientific principle and formulae for designing hydraulic structures constructed with natural materials
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17K06588
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| Research Institution | Hosei University |
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Principal Investigator |
道奥 康治 法政大学, デザイン工学部, 教授 (40127303)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 多自然川づくり / 河川構造物 / 自然浄化機能 / 多孔体 / 植生水理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
技術経験のみならず科学原理に基づく多自然川づくりを推進するために石礫，丸太・木材，自然植生などの自然材料を用いた河川構造物に関する研究成果を整理・分析して環境水理設計に資する公式体系を構築するための調査・研究を実施した．2017年度においては，(1) 水防林・植生護岸，(2) 石積堰，(3) 砂礫交互砂州，(4) 湛水域の水質浄化を対象としての水理解析と公式化を進めた．(1)に関しては，笛吹川万力林を対象とする洪水解析によって水防林の流勢抑止，流砂制御機能と洪水疎通能力の低減を明らかにし，水防林の治水機能における長所・短所を考究した．また，植生を有する交互砂州地形の開水路における「水位－流量－粗度係数」関係を一次元モデル，二次元二層流モデル，三次元モデルによって求め，植生粗度の相当粗度係数の合理的算出方法を見出した．(2)に関しては，加古川－美嚢川合流点地先に設置されたブロック積み水制周辺の地形・植生の追跡調査を実施するとともに，研究代表者によって水理模型実験データが整備された石積堰諸元を対象とする二次元水理解析を実施した．これによって平時・洪水時を含む様々な流量におけるH-Q（水位・流量）曲線を求めた．石積堰は環境機能に優れている反面，流水耐荷力が低く，中世～近代にかけては流勢を和らげるために斜めに設置されることが多かった．本研究では法線との設置角度が90゜ばかりではなく鈍角に設置した斜め石積堰の解析も実施し，設置角度とH-Q曲線との関係を得ることができ，石積堰の斜め設置による流体力低減効果を確認した．(3)の砂礫砂州に関しては礫間浄化に関する既往の知見を応用して，砂礫交互砂州の水理解析に基づきBOD除去など自然浄化機能の定量評価を実施した．(4) 湛水域の水質浄化方策として高級脂肪酸を炭素源とする生物担体を利用した窒素除去技術を検討した．
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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
水防林・植生護岸の水理解析によって植生河道の疎通能力に関する評価方法は明示・確立されたが，洪水減勢・流砂制御効果を定量的・明快に表わすパラメータを提案するまでに至らず，公式を提案する上での課題である．石積堰については直角・斜め堰の二次元解析が達成され，H-Q曲線を提示することができた．直角堰については水理実験データが得られているため解析手法の妥当性が検証されたが，斜め堰の水理実験を実施しておらず，実験に代わる検証材料として三次元数値解析を実施することが望ましい．しかしながら，現時点では石積堰の流水抵抗特性を考慮した三次元解析手法が確立されておらず，直角堰の解析手法を斜め堰に拡張適用することによって外挿的に解析の妥当性を検証しているに留まる．石礫交互砂州による水質浄化機能の検討については緒についた段階にあり，水質浄化機能の定量化と公式化に向けては水理学的滞留時間をより的確に求めることが課題である．高級脂肪酸の脱窒促進効果を確認することはできたが，石積構造の周辺では乱流による再曝気が促進され好気的環境が維持されるため，嫌気的環境が求められる脱窒反応を担う生物膜近傍の酸素条件を脂肪酸によってどのように制御するかが課題である．
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| Strategy for Future Research Activity |
水防林による護岸効果・流砂制御という治水機能と植生抵抗による流水疎通能の低下という反作用のトレードオフ問題を明らかにし，水防林による治水制御の最適方法を考究する．石積堰の通過流量特性（H-Q曲線）の公式化を果たすためには，数値解析だけではなく厳密水理解析に基づくH-Q特性を利用することが必要である．別途，検討を開始した一次元二層流モデルによって低水から高水に至るまでのH-Q曲線の理論解を求めその有用性を二次元モデルとの比較から検証する予定である．また，2017年度においては水理実験との比較検証のために模型水路規模の水理解析を中心に行ったが，現実に石積堰が設置される可能性の高い河川中流部や小規模河川を想定した実河川規模での一次元・二次元水理解析を実施し，広範な水理条件下でH-Q曲線を求めて堰材料に関するパラメータも説明変数に含めた石積堰通過特性の公式像を描く．交互砂州の自浄効果を向上するために河床材料に微生物膜を成長させた場合の有機物・栄養塩除去効果を明らかにする．その際には生物担体を用いた湛水域の浄化実験から得られた知見を応用する．また，石礫・ブロックなどに脂肪酸をコーディングして生物担体に加工した場合の石積構造物の水質浄化機能についても検討を始める．
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