2022 Fiscal Year Research-status Report
平面二次元分散波方程式を用いた洪水流・河床変動解析モデルの開発
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20K22427
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
五十嵐 善哉 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (80881698)
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2024-03-31
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| Keywords | 平面二次元分散波方程式 / 河床変動解析 / 河道内植生 / 高水敷への浸透 / 二層流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平面二次元分散波方程式を用いた洪水流・河床変動解析モデルの開発を進めている．
荒川は高水敷幅が広く，横堤群が存在し洪水をゆっくりと流す特徴がある．また，特に中流域は低水路が深く，洪水時に動水勾配が大きくなるため，高水敷(透水層)への浸透を考慮する必要がある．そこで，河床変動解析の前段階として，平面二次元の洪水流・氾濫解析モデルに準二次元の浸透解析を組み込んだ．それにより，洪水の水位上昇期の解析精度が向上することが明らかになった．その成果は土木学会論文集(水工学)に投稿し，すでに公開されている．
続いて，令和２年度から開発を進めていた平面二次元分散波方程式を用いた河床変動解析モデルの精度を検証するため，室内実験スケールの解析を実施した．本研究の河床変動解析では，掃流砂，浮遊砂を考慮した非平衡流砂量式を用いている．これまで当研究室が開発済みの平面二次元の洪水流・氾濫解析では，流れは水深積分型の連続式と運動方程式をといているが，樹木の抗力については準三次元的に扱っている．樹木の鉛直構造として高さごとに異なる直径や抗力係数を与えている（幹部は円錐形，樹冠部は円柱または円錐形にモデル化している）．これにより，洪水時の水位に応じて，樹木からの抗力を各高さで計算し，それを流れの運動方程式の項に組み込んでいる．本研究の河床変動解析ではこの考えを応用し，底面付近の流速を補正する二層流モデルを開発した．樹冠（水面付近）では抗力が大きいため流速が低下し，幹（底面付近）では抗力が小さいため流速が増加する．その結果，各高さにおける抗力は同程度になると仮定し，底面付近の流速を計算し，河床変動解析に用いた．その結果，パッチ状の樹林帯を設置した水理模型実験で観察された樹林帯前面部の洗掘が計算されることが明らかとなった．令和５年度では，定量的な検証のため，追加の水理模型実験を実施予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和３年度までの（コロナ禍による）研究の遅れの影響を引きずったことに加えて，令和４年度の中頃まで，コロナ禍の影響で研究を進める学生との連携が取りづらく，水理模型実験や河床変動解析の改良等が計画よりも遅れた．そのため，本研究の進捗もやや遅れる結果となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までで室内実験室スケールの河床変動解析モデル（二層流モデル）を開発済みである．今年度は，樹木周りの河床変動に関する水理模型実験を実施し，開発済みの解析モデルの定量的な検証を進める．さらに，平面二次元の解析手法で馬蹄渦の影響を組み込む方法を検討し，どのスケールの洗掘であれば解析可能かを明らかにする．
洪水時に見られる浮遊物の捕捉にはI型トラップ，U型トラップがある．I型トラップは，流木が樹林帯の前面にトラップされ，流木ダムの方になる捕捉形態である．この場合，I型トラップの前面では大きな洗掘域が生じる．この洗掘域が堤防の近くであった場合，堤防が決壊する恐れがあるため，この現象の解析精度は重要である．U型トラップは，樹木１本１本に草本などが捕捉されるものである．この場合，洗掘への影響は比較的小さいと考えられるものの河道の水位を大幅に増加させる．このような捕捉形態に応じた洗掘域を水理模型実験により明らかにするとともに，本研究の河床変動解析での再現性についても検討する．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で研究の進捗がやや遅れており，分散波方程式を利用した河床変動計算モデルの開発について，さらなる高精度化と精度検証を行うとともに，他の解析手法との比較により解析可能な現象を明らかにするため，延長させていただいた．
令和５年度では，本解析手法の精度検証のための水理模型実験の消耗品費と，研究補助を行う学生への人件費に利用する計画である．その他，令和５年５月末に投稿予定の土木学会論文集（水工学）への投稿費用，学会参加のための旅費や，解析結果や実験データの保存のための外付けHDDの購入を計画している．
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