本川・わんど連結部形状がわんど内の水交換に及ぼす影響

1.はじめに名古屋工業大学

学生会員

名古屋工業大学

学生会員○北村福太郎鄭名古屋工業大学

載勲

正会員

冨永晃宏

名古屋工業大学

篠田藍子

近年，生態系の保全の重要性が認識さ
開口水路長 1cm

れ，多自然型川づくりが注目されている．その中でわ

開口水路長 3cm

んどは，主流部に比べ流れが穏やかであることなどか

flow

flow

ら，多様な生態系環境を創造することが可能である．
わんどの維持すべき条件として水質悪化防止に注目す

開口向きると，生態系維持のためには適度な水交換が必要とな

90°

3cm

6cm
1cm

6cm

3cm 4cm
9cm

3cm 4cm
9cm

15cm

15cm

fw4

fw1

る．また，わんど内流速の違いにより生息する生物に

3cm

開口向き連結部を有する場合，その長さ，および向きによって6cm 3cm
9cm

45°

水の交換，流速にどのような違いが出てくるか検討し

9cm
3cm

7cm
1cm5cmも変化が生まれると考えられるため，本川とわんどに

6cm

6cm 3cm

6cm

9cm

4cm

4cm
15cm

15cm

fw5

fw2

3cm

9cm

た．
2.実験条件

6cm

6cm

7cm

開口
向き

実験水路は長さ 4m，幅 48cm，勾配

6cm 3cm

3cm

6cm

9cm

4cm
15cm

15cm

fw3

を遮蔽物により遮蔽し，上流から 2.2m の位置をわんど

6cm

6cm 3cm

4cm

9cm

135°

1/500 の塩化ビニル製長方形断面水路を用い，水路右岸

5cm
1cm

fw6

図-1 わんど形状域とした．わんどにおけるアスペクト比は 1.67，流量は 4.19l/s とし，水深はわんど域で 4cm となるように水9977状（奥行き：9cm，幅：15cm，高さ：4cm），本川幅（30cm）

5533は一定とする．本川・わんど連結部形状は図-1 に示す

1路下流部の堰上げにより調整した．なお，わんど内形

6 ケース(開口向き 45°，90°，135°開口幅 1cm，3cm)とした．実験方法は電磁流速計による流速測定，画像撮影，PIV 解析（Dipp Flow），濁度経時変化計測を行った．濁度計測は静止画像から RGB 値を取得し，白黒画像へ信号を変換させることですべての色の濃淡を表現

1-1-11359111315-1-199775533

11-1-1-1-11357911fw213159

滞留時間，水交換の遅れる個所等を求め考察した．

7553.実験結果および考察

33クトルを図-2 に示す．まず開口水路長 1cm のケースについてみると，fw1 はわんど内上流側に流速の大きい時

11-1-1-1-11357fw351391113157fw4579110 1 2135713150 0.5 1911fw57

PIV によって行われたが，ここでは PIV による流速ベ30 1 29

流速測定は電磁流速計および10 1 2fw1できるようにしたプログラムによる画像処理を行った．
これらにより，わんど内流速，流れ方向，水交換時間，713150 0.2 0.4

9fw61113150 0.1 0.2

図-2 流速ベクトル

計回りの渦を形成し，下流側には反時計回りの渦を形成する．以上開口水路長が 1cm の場合は開口向きと同成している．fw2 はわんど全域に 1 つの時計回り渦を形

じ方向ベクトルを持つ流れが渦の機動力となり，渦を成する．fw3 はわんど全域に 1 つの反時計回り渦を形形成していることがわかる．次に開口水路長 3cm のケ
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キーワード： わんど PIV 水交換 渦構造

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ースである fw4，fw5，fw6 に関しては，開口部付近に渦中心部流速の大きい時計回り渦の形成が確認できた．
（図-2 中に示す）この渦の形成因としては，わんど域に本流の流れが流入することに付随して本流へ出ていく流れが渦形成範囲外存在することとなり，相反する 2 つの流れが存在する
図-3 濁度変化画像 (fw4ことによりこの微小渦が形成されると考えられる．この結果開口水路長が 3cm の場合においては開口水路内

180[･･･････[ fw1[････････ ･････[[[･･････････ ･･････････ ･･･[･･ fw2140 [･[････････ ････[[[･･････････ ････････[[[･･･････････ ･････････[
fw3
120 [･[･･･････････････[[･････････････････[･････[･･････ ･･･････
･
fw4
････
100 [
[･･････[･･･････ ･･･････････[･･･[･･････[･･ ････････････[･････
fw5[･･･ ･････････
80 [････[[･･････････ ････････････[[･･･････ ･･･････[･････････ ･････････fw6･･･[
60 [･･ ･････････････････[[･･･ ････････････････[[･･････････ ･･････････[･･･････････[･････････[･････････ ･････････
40 [････････････[･････････････[[･･ ･･･････････････････････････････････[[･････････････････････････････
･[
[
[･･[
[･････････････････････････････ ･･ ･･[･[･･･････････････････････････････････････
20･･ ･････････････････････････････････････････････････････････ ････ ･ ･････････････････[
160 [･･･････ ･････[[に形成された渦を介してわんど内へ流れが発生するため，fw4 ではわんど域全体に反時計回りの渦が，fw5 では上流側に時計回り渦，下流側に反時計回り渦が形成され，fw6 では非常にゆっくりな反時計回りの渦を形成fw1する結果となった．

fw2

0

fw3

ついて，渦の中心および渦の形成範囲から外れる部分

500

1000

fw4

1500

2000

2500

3000

3500 t(s)

fw6

fw5

図-4 濁度経時変化の水交換は遅れることがすべてのパターンにおいて確

fｗ６

1000

認された．ここで例として fw4 形状の 360s 後の画像を図-3 に示す．

100

わんど内水交換について，平均濃度経時変化を示したグラフが図-4 である．開口水路長が長いほど交換が[･[･[･･････････････････････････････････････････････････[･･[[････････････････････････････････････････････････････[[[････････････････････････････[･･･ ････････････････････[[････････････････････････････････ ･･･････････[[･･････････････････････[････ ･････････････････[[････････････････････[･････････････････････････[[[･･････････････････････[･･･[[･･････････････[[･[[[[･･････
････
････
････

fw3
fw4
fw5

10

遅く，またわんど開口向きが本流流れ向きより 135 度

fw1

傾いているケースがもっとも水交換が遅くなり，開口fw2
10

きが本流流れ向きより 45 度傾いている場合の水交換は[ fw1･･･ fw4

fw2

500

図-5

向きが本流流れ向きより 90 度傾いている場合と開口向

fw3･ fw5･ fw6

1000

1500t(s)片対数グラフによる濁度経時変化
V（わんど内平均流速）近い値をとる結果となった．

VE（水交換速度）

0.70.6

ここで水交換速度 VE を以下のように定義する．

0.5

濁度経時変化の片対数グラフが図-5 であり，これがほ0.40.3ぼ直線分布することから指数近似を適用する．

0.2
0.1(1)0

ここでτは片対数グラフの傾きを示すもので，これか

fw1

fw2

fw3

fw4

fw5

fw6

図-6 わんど内平均速度と水交換速度比較

ら次のように VE を定義する．
VE=(DLh)/τ×1/bh･ ･･･････････････････････････････････････････ ･････ ･ ･･････････････････ ････ ･･････････････････ ･･ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ ･･･ ･ ･･･ ･･････････････････････････0

水交換過程のビデオ画像より，わんど内の水交換に

ln (c)=-t/τ

360s)

(2)

(DLh；わんど内体積 bh；開口面積)4.まとめ
以上より，本川・わんど連結部形状によりわんど内でこの定義よりわんど内平均流速と水交換速度を比較しの流れ，流速，交換速度の関係を知ることができた．

た結果を図-6 のグラフで示す．これより，わんど内流今後さらに幅広く，多くの形状について実験を重ねる

速が大きい方が交換速度も大きい傾向があるといえる．

ことで，河川生物における棲み分けの観点から，わんただし，fw1 と fw2 に見られるように fw2 がわんど内平どの効果的な設置が行えるようになると考えられる．

均流速が大きいのに対し，水交換速度は fw1 が大きくまた，わんど内への流入速度とわんど内流速の関係よなる結果となっている．これはわんど内渦形状の違い

り，土砂の堆積しやすさ，堆積形状等についても検討によるものと考えられ，渦の形態によっては滞留時間していきたい．

が短くなる，つまり効率よく水交換が行われることを参考文献示していると考えられる．

(財)河川環境管理財団 大阪研究所 「わんどの機能と保全・創造」