水路と背後地の流れを一体的に計算できる一次元不定流モデル
要約
水路から背後地への溢水と背後地から水路への流出の過程を、物理式によって計算する一次元不定流モデルである。背後地の流れを半陰的に離散化した局所慣性方程式で計算する工夫により、背後地における水理現象の妥当な表現と高速な計算を両立している。
- キーワード : 洪水ハイドログラフ、局所慣性方程式、背後地からの流出、溢水
- 担当 : 農村工学研究部門・水利工学研究領域・水利制御グループ
- 代表連絡先 :
- 分類 : 研究成果情報
背景・ねらい
近年は豪雨が頻発し、低平な農業地域では浸水被害のリスクが高まっている。浸水被害を軽減するには、地域の排水を担う農業水利施設が的確に操作されることが重要である。的確に操作を判断するには、水位のリアルタイムの観測に加え、洪水時の状況を表現可能な数値計算モデルによる水位の将来予測が有用である。ただし、降雨流出により浸水が生じると、水路から背後地へ水が溢れ、また水路へ戻るような水の移動が生じ、開水路の流れに影響を及ぼす。そのため、このような水の挙動を物理的に妥当な形で表現しうる数値計算モデルが求められる。
そこで本研究では、物理式を用いて背後地における流れの挙動を表現し、かつ背後地における流れの計算負荷を抑えた一次元不定流モデルを開発する。さらに、背後地における流れを物理式で表現することが開水路の水位・流量へ与える影響を数値実験によって評価する。
成果の内容・特徴
- 開発した本モデル(以下「本モデル」という。)では、従来手法では質量保存のみ考慮される背後地における流れの挙動について、運動量保存則を含めた物理式で表現した。これにより、増水期には開水路から背後地へ水が流出し、減水期には背後地から開水路へ水が流入する挙動を考慮できる(図1)。
- 本モデルでは、半陰的に離散化した局所慣性方程式を用いて背後地の流れを計算する。これにより計算時の時間刻みに関する制約を緩和し、計算の安定性と計算時間の削減を両立している。
- 溢水が生じると、本モデルは洪水波が流下に伴い平坦化する挙動を示す(図2)。また、湛水部の物理的な挙動を考慮しない従来手法と比べ、本モデルでは溢水が継続する期間が長くなる。これは、本モデルは運動量保存則に基づき背後地の流れを表現したため、背後地の水深変化の伝播速度が小さくなるからである。
- 溢水と降雨が同時に生じる場合、本モデルは降雨強度が強いほど溢水の継続期間が長くなる挙動を示す(図3)。これは、開水路から溢れた水が背後地の流れを堰上げ、斜面からの降雨流出を抑制するためである。
成果の活用面・留意点
- 本モデルでは、溢水や降雨流出など、背後地における流れの挙動を踏まえた開水路の洪水ハイドログラフを計算できる。この特性により、水害時における水位予測や農業水利施設の操作支援への利用等が期待される。
- 背後地のパラメーター(長さ、勾配、粗度係数など)は開水路の流れへ影響を及ぼす。そのため、本モデルを現地へ適用する際は、既往の文献値を参照しつつ、現地における観測結果と本モデルの計算結果を比較し、これらのパラメーターを慎重に設定する必要がある。
具体的データ
その他
- 予算区分 : SIP
- 研究期間 : 2023～2024年度
- 研究担当者 : 福重雄大、皆川裕樹、吉永育生
- 発表論文等 : 福重ら(2025)農業農村工学会論文集、93:I_173-I_181