| 研究課題/領域番号 |
17K06588
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| 研究機関 | 法政大学 |
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研究代表者 |
道奥 康治 法政大学, デザイン工学部, 教授 (40127303)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 多自然川づくり / 石積構造 / 自然浄化機能 / 多孔体 / 植生水理 / 河川構造物 |
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| 研究実績の概要 |
石礫，木材，自然植生など自然材料を用いた河川構造物を普及・展開することにより，多自然川づくりを実質化し近代技術として体系化することを目的とする．伝統工法では豊富な技能・経験を備えた特定の技術者に頼りがちである．しかし，技術者人材が経年的に減少していることと，加えて河川事業に占める維持管理の比重が年々高まっていることから，科学原理に基づく多自然川づくりを実現するための学理構築とそれに基づく構造物水理の公式化を確立することが喫緊の課題である．本研究では，自然材料を用いた河川構造物が所定の流砂・水位・流量の制御機能を発揮するための環境水理設計に資する公式体系の提案を目指し調査・研究を実施した．2018年度においては以下の項目を検討した．(1) 水防林・植生護岸：水防林の流勢抑止・流砂制御機能，疎通能力阻害効果，樹木成長段階と水防林機能との関係．(2) 水制による合流点の流砂・地形制御：ブロック積み水制の配置・設置形態が局所流・河川地形に及ぼす影響．(3) 石積堰の貯留特性・流水耐荷力：低水～高水条件下でのH-Q特性，流水耐荷力，直角堰と比較した場合の斜め堰の貯留機能低下量・流体力緩和量の評価．(4) 砂礫交互砂州の環境機能評価：各種砂州形態の形成要因，砂州伏没流の滞留時間に着目した砂州の自浄効果．(5) 湛水域における水質浄化促進技術：生物担体投入による堰湛水部での脱窒促進：投入量，湛水部更新時間と浄化率の関係ならびに水質モデルの構築．(6) 分取水工周辺の局所流況と底質移動：三次元乱流モデルと三次元完全流体理論の比較による後者の適用条件の明示と取水口近傍の底質移動特性．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
前述の(2), (5)の研究成果は国際会議で，(1), (2), (4)に関しては国内学会などの学術講演でそれぞれ論文・口頭発表した．各テーマの進捗状況とその理由，解決すべき課題は以下の通りである．(1) 笛吹川万力林をフィールドとする洪水流解析は予定通り実施したが，護岸・洪水減勢と疎通能低下という治水のトレードオフ関係を定量化できる共通のパラメータ（おそらく便益）を見出すまでには至らず，水防林・植生護岸の最適設計基準を明示できない段階にある．洪水減勢・流砂制御効果を定量的に表わすパラメータを提案することなどが公式を提案する上での課題である．(2) 「加古川－美嚢川」合流点をフィールドとするケーススタディは完了したが，最適な合流点処理の設計基準に必要な水制配置・諸元を提示するためには，合流点・水制条件を系統的に組み合わせた水理実験を実施し，［合流点－水制－水理量］各諸元間の普遍的な関係を見出さなければならない．(3) 二次元二層流の数値解析は個別条件の流れの再現には適しているが，完全・部分越流～伏没流に至る各レジームを類型化するためには，運動・連続方程式の解析表記を原則とする一次元二層流解析が必要となる．現時点では解析的特異点条件と流れのレジーム交替との関連性が明示できていない．(4) 砂州内の伏没流追跡アルゴリズムが完成し汚濁除去率の評価は可能となったが，追跡粒子の空間配置・広範な砂州諸元や実砂州地形への展開が残されている．(5) 湛水域における栄養塩除去技術については一定の成果を得たが，水理公式の構築と並行して提案技術の実用化に向けた道筋をつける必要がある．(6) 分取水工周辺の局所流況と底質移動に関する三次元完全流体解析は完了したが，三次元乱流モデルについては計算負荷の大きさと数値計算の安定性が障害となり，必ずしも広範な条件に対して両者の比較が完了しているわけではない．
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 水防林の護岸効果・流砂制御とそれにともなう疎通能低下は相反する治水上のトレードオフ関係にあるため，前者の経済便益と後者がもたらす水位上昇対策の費用を同じ枠組みの中で定量化し，水防林の最適配置法を提案する．(2) 合流部問題については他機関に水理模型実験のデータ提供を依頼し，［合流点－水制－水理量］各諸元間の普遍的な関係を見出す．また，第二種二次流が分合流に及ぼす影響を調べるために二次元に加えて三次元解析を実施する．(3) 伏没から完全越流に至る石積堰通過流の全レジームを類型化するため，一次元解析に基づいて低水から高水に至るまでのH-Q曲線解を理論的に求める．これにより，石積堰の治水（越流時の流水耐荷力），利水（貯留水深・通過流量），環境（伏没流の汚濁除去量）の各機能を総合的に評価する．(4) 交互砂州の自浄効果に関しては砂州地形の上下流方向周期性を利用して，周期境界条件を用いた二次元二層流解析を実施し，様々な砂州地形と水理条件に対して，瀬・淵の水理構造，砂州内伏没流の更新時間・汚濁除去率を評価する．除去率評価に関しては生物担体を利用した湛水域浄化実験の知見を利用する．これまでのSine-generated curve交互地形に加えて，移動床解析によっても単列・複列砂州地形を生成し水流層と伏流層からなる二次元二層流解析を実施する．これにより，水理条件→砂州地形→自浄機能の交互砂州系としての一体性を確保した自浄機能評価が可能となる．(5) 湛水域の栄養塩除去実験については検討するための実験施設が当機関に設置されていないため，実験は保留して文献収集につとめる．(6) 完全流体理論解の適用限界となる取水流量比を求めるために，取水口局所流の三次元乱流解析の数値解析上の問題を解決し，より広範な解析を進める．また，取水口周辺の局所流による洗堀を軽減するための石礫材料を配した取水口敷の設計へと研究を進める．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2019年度予算を概算で前倒しして使用したが，年度末の執行過程において当初予定額から見込み違いが発生し若干額を次年度使用することとなった．次年度において確実に使用する予定である．
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