圧 電 飛 砂計 を用 い た飛 砂 フ ラ ックス の現地 観 測
Field Observations
of Aeolian
Sand Transport
Rate Using a Piezoelectric
Ceramic
Sensor
有 働
恵 子1
Keiko UDO
This study conducted field observations in terms of the number of blown sand impacts and wind velocity in the period
of 12-16 Jan 2005 at an open ocean beach in Japan, in order to investigate effects of meteorological change on the
aeolian sand transport. A regression curve of relationship between wind velocity and impact counts during a no rainfall
phase in the field coincided with wind-tunnel experimental results of Ni et al. (2002) and Hotta et al. (2006), indicating
that the piezoelectric sensor measuring the impact counts is a useful tool to observe the sand flux in the field. The counts
(sand flux) for wind direction in cross-shore direction decreased by one order of magnitude due to a change in the wind
direction from longshore to cross-shore and then by more than one order due to an increase in the moisture content.
1. 緒 言 飛 砂 は砂 漠 化 や 海 岸 に隣 接 す る農 地 に お け る塩 害 お よ び 道 路 へ の 堆 砂 の 原 因 に な る な ど,様 々 な分 野 で 深 刻 な 問 題 と な っ て い る.飛 砂 に 関 す る問 題 を扱 う際 に は飛 砂 量 の 算 定 が 必 要 とな る.こ れ ま で 風 洞 実 験 結 果 を も と に 導 出 され た多 くの 飛 砂 量 公 式(例 え ば,Bagnold,1941; 河 村,1951; Owen, 1964)が 提 案 さ れ て お り,飛 砂 の 現 地 観 測 も行 わ れ て き た(例 え ば,Greeley,1996). 1990年 代半 ば 頃 ま で は トラ ップ(例 え ば,堀 川 ら,1983; Rasmussen・Mikkelsen,1998)を 用 い た飛 砂 量 計 測 が 行 わ れ て お り,時 々 刻 々 と変 化 す る飛 砂 量 の 変 化 を捉 え る こ とが 困 難 で あ っ たが,近 年 で は様 々 な飛 砂 計 測 機 器 が 開 発 さ れ,風 速 変 化 に伴 う飛 砂 状 況 の変 化 につ い て よ り 詳 細 な デ ー タの 取 得 が可 能 に な って い る. 飛 砂 の 高 頻 度 計 測 機 器 は大 き く2種 類 に 分 け られ る. 一 方 は飛 砂 量(Butterfield,1991;Jackson,1996;Bauer・ Namikas,1998)を,他 方 はあ る高 さ に お け る飛 砂 フ ラ ッ ク ス(Stockton・Gillette,1990;保 坂 ら,2004)を 計 測 す る も の で あ る.前 者 は転 倒 ま す 型 雨 量 計 と同 様 の形 状 を して お り,ト ラ ップ さ れ た 飛 砂 の重 さ を 高 頻 度 で計 測 し, 飛 砂 量 の変 化 を 把 握 す る こ とが 可 能 で あ る.飛 砂 を 貯 め る容 器 が一 定 量 に達 す る と 自動 的 に転 倒 し,継 続 的 に 計 測 す る こ とが 可 能 で あ る.後 者 は圧 電 振 動 子 に砂 が 衝 突 した と きに 生 じる電 気 信 号 を 利 用 して あ る高 さ に お け る 飛 砂 数 を カ ウ ン トす る.飛 砂 量 計 を 用 い た計 測 は 計 測 期 間 に制 約 が あ る の に対 し,圧 電 飛 砂 計 の 場 合 に は 半 永 久 的 な計 測 が 可 能 で あ る. 飛 砂 量 計 や 圧 電 飛 砂 計 を 用 い た様 々 な現 地 観 測 は な さ 図-1 観測 地 の位置 れ て い る も の の(例 え ば,Baas,2004;Gillies・Berkofsky, 2004),海 岸 に お け る観 測 例 や 荒 天 時 を含 む 観 測 例 は少 な い.有 働(2007)は 茨 城 県 波 崎 海 岸 で 現 地 観 測 を 行 い, 飛 砂 の 限 界 摩 擦 速 度 特 性 につ い て 解 析 を行 った.本 研 究 で は,大 型 低 気 圧 が 通 過 した2005年1月12∼16日 の 瞬 間 風 速 お よ び飛 砂 粒 子 数 デ ー タ を 用 いて 飛 砂 フ ラ ッ ク ス特 性 を 解 析 し,こ れ と降 雨 等 の気 象 デ ー タ とを 比 較 す る こ とに よ り,気 象 条 件 の 変 化 に 伴 う海 岸 の飛 砂 特 性 を調 べ た. 2. 現 地 観 測 の 概 要 鹿 島 灘 に面 す る茨 城 県 波 崎 海 岸 に お い て,瞬 間 風 向風 速 お よ び飛 砂 粒 子 数 の 計 測 を行 っ た(有 働,2007;図-1). 波 崎 海 岸 は 前 浜 勾 配 が1/50程 度 の遠 浅 の 海 岸 で,計 測 点 は平 均 汀 線 よ り90m陸 側 の 後 浜 で あ る.計 測 期 間 は 晴天 時 の2005年1月12日10:38∼13日17:28お よ び 大 型 の 低 気 圧 が 通 過 した 荒 天 時 の14日17:23∼16日9:19で あ る.瞬 間 風 向 風 速 お よ び飛 砂 粒 子 数 を 計 測 す る超 音 波 式 風 向 風 速 計 お よ び圧 電 飛 砂 計 の設 置 状 況 を図-2に 示 す.計 測 期 間 中 の計 測 点 に お け る地 表 面 の 砂 の 中 央 粒 径D50は0.17 mm程 度 で あ っ た. 1正 会 員 博(工)東北大学助教 災害制御研究 セ ンター
552 海 岸 工 学 論 文 集 第55巻(2008) 図-2 計測 機器 の設 置状況 (白枠 内:圧 電 飛砂 計,白 矢 印:圧 電 振動 子) 瞬 間 風 向風 速 は,超 音 波 式 風 向風 速 計(Delta OHM社, HD2003)を 用 い て,サ ンプ リ ング周 期1Hzで 砂 面 か ら の 高 さzw=0.9mに お い て 計 測 した.風 向 はN方 向 を0度 と し て 時 計 回 り に正 と した.150∼330度 の と き陸 風 とな る. 飛 砂 粒 子 数 は,圧 電 飛 砂 計 を用 い て サ ンプ リ ン グ周 期 1Hzで 計 測 した.こ の 飛 砂 計 は,風 向 方 向 に 設 置 した 直 径5mmの 円 形 の圧 電 振 動 子(セ ンサ ー)に,砂 粒 子 が 衝 突 す る 際 に発 生 す る電 気 信 号 を利 用 した もの で あ る(保 坂 ら,2004).12日10:38∼13日17:28の 期 間 はNW方 向 (325度)に,14日17:23∼16日9:19の 期 間 はENE方 向(75 度)に 圧 電 振 動 子 が 卓 越 風 向 を 向 くよ うに セ ンサ ー を設 置 した.測 定 開 始 時 点(12日10:38お よ び14日17:23)に お け る セ ンサ ー の高 さ はZs=0.04mで あ る. 降 水 量 お よ び全 天 日射 量 デ ー タ と して は,銚 子 地 方 気 象 台 の1時 間 毎 の デ ー タを 用 い た. 3. 圧 電 飛 砂 計 を 用 い た 飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク スの 推 定 法 圧 電 飛 砂 計 の 性 能 に つ い て は,久 保 田 ら(2006,2007) に詳 し い.図-3に 粒 径0.25mmの 砂 を 用 い た実 験 に よ り 得 られ た圧 電 飛 砂 計 と トラ ッ プ に よ る飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク ス の 計 測 値 を比 較 す る.圧 電 飛 砂 計 で 計 測 され る飛 砂 粒 子 数nを 飛 砂 フ ラ ッ ク スqSensorに換 算 す る際 に は,
(1)
を 用 い た.こ こ で,d:砂 の 中 央 粒 径,ρs:砂 の 密 度(= 2.65×103kg/m3),dPS:飛 砂 計 セ ン サ ー 部 の 直 径 (=0.012m),t0:計 測 時 間(=1s)で あ る.図 よ り,圧 電 飛 砂 計 に よ る 計 測 値qSensorは ト ラ ッ プ に よ る 計 測 値qTrapよ り小 さ く な る も の の,こ れ ら の 間 に は 次 式 で 表 さ れ る 比 例 関 係(相 関 係 数(r=0.95)が 認 め ら れ た.(2)
よ っ て,zs=0.04mに お け る 現 地 の 飛 砂 フ ラ ッ ク スqnは,(3)
よ り算 定 す る こ と と した. 現 地 観 測 で 得 られ た 飛 砂 粒 子 数nはNiら(2002)お よ びHottaら(2006)の 風 洞 実 験 結 果(qNi(0 .04)お よ びqHotto (0.04))と 比 較 す る.風 速 が 変 動 す る場 合 に は 対 数 則 が 成 立 しな い た め,摩 擦 速 度u*で は な く0.9m地 点 に お け る 風 速uを そ の ま ま用 い,実 験 値 は対 数 則 を用 い て0.9m地 点 に お け る 風 速 に 換 算 し た.限 界 風 速utはBagnold (1941)の 限 界 摩 擦速 度 式 お よ び対 数 則(4)
(5)
を 用 い て 算 定 し た.こ こ で,κ:カ ル マ ン係 数(=0 .4), u:風 速,z:風 速 計 の 砂 面 か ら の 高 さ(=0.9m),z0:粗 度 高 さ,A:定 数(=0.1),ρ:空 気 の 密 度(=1.226kg/ m3),g:重 力 加 速 度(=9.81m/s2)で あ る.飛 砂 が 生 じ て い る 場 合 のz0(z0s)はCharmock(1955)お よ びOwen(1964) を 参 考 に(6)
で 与 え た.こ こでc0:定 数(=0.16;Raupach,1991)で あ る.d=0.17mmの 場 合 に は,ut=5.82m/sと 算 定 さ れ る. 4. 風 速 と 飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク ス と の 関 係 瞬 間風 向 風 速,飛 砂 粒 子 数,降 水 量,な らび に全 天 日 射 量 の 時 系 列 デ ー タを 図-4(a)∼(d)に 示 す.参 考 の た め, 測 定 期 間 外(1月12日1:00∼12:00,13日17:00∼14日18:00, 16日9:00∼12:00)の 風 向 風 速 デ ー タ と して,銚 子 地 方 気 象 台 の1時 間 毎 の デ ー タ を合 わ せ て 示 す.0.5mm未 満 の 降 雨 に つ い て は0.25mmで 表 示 した.全 天 日射 量 の 積 算 時 間 は1時 間 で あ る.測 定 終 了 後 の飛 砂 計 セ ンサ ー の高 さ は 晴 天 時 お よ び 荒 天 時 の い ず れ の 測 定 期 間 にお い て も Zs=0.045m程 度 で,砂 面 は5mm程 度 侵 食 さ れ て い た.詳 し く は有 働(2007)を 参 照 さ れ た い.観 測 デ ー タ は,風 向 が 沿 岸 方 向 で 吹 送 距 離 が 長 く,降 雨 が な い状 況 で 飛 砂 が 観 測 され たObs-1とObs-3,風 向 が 岸 沖 方 向 で,0 .5mm 以 上 の 降 雨 が な い状 況 で飛 砂 が 観 測 さ れ たObs-4,な ら図-3 圧 電飛 砂計 と トラ ップ によ る飛 砂量 の比 較
(a)久 保 田 ら(2007)参 照.(b)久 保 田 ら(2007)の デ ー タ を 使 用 して 描 画
図-4 (a)(b)瞬 間 風 向 風 速u,θ,(c)飛 砂 粒 子 数n,な ら び に(d)降 水 量Prお よ び 全 天 日射 量SRの 時 系 列 ((a)(b)内の 白 線:5分 間 平 均 風 速 お よ び平 均 風 向,(a)(b)内 の 測 定 期 間 外 の 実 線:銚 子 地 方 気 象 台 に お け る1時 間 毎 の 風 向 風 速,S:飛 砂 計 セ ン サ ー の 設 置 方 向,有 働(2007)参 照)
図-5 Obs-1お よ びObs-3に お け る5分 間 の 平 均 風 速umeanと飛 砂 粒 子 数nmeanと の 関 係 び に風 向 が 岸 沖 方 向 で0.5mm以 上 の 降 雨 が あ る状 況 で飛 砂 が 観 測 さ れ たObs-5に 分 け られ,各 期 間 の 飛 砂 フ ラ ッ クス 特 性 に つ い て 解 析 を行 った. 観 測 期 間 中 の 低 気 圧 の 通 過 に伴 い,1月14日12時 頃 に 大 き な 気 象 変 化 が 生 じた.こ れ に よ り,Obs-1お よ び Obs-3の 期 間 に お い て は平 均 風 向 がW∼NNW方 向 で あ る の に対 し,Obs-4お よ びObs-5に お い て は平 均 風 向 がN∼ E方 向 とな り,沿 岸 方 向 か ら岸 沖 方 向 の 風 へ と変 化 した. Obs-1∼Obs-4に お い て は,最 大 瞬 間 風 速 が13m/s程 度 で あ った の に 対 し,0.5mm以 上 の 降 雨 が あ っ たObs-5に お い て は,最 大 瞬 間 風 速19m/sを 観 測 した.飛 砂 粒 子 数 は, 平 均 風 向 がW∼NNW方 向 で 風 速 が 大 き く,降 水 が な い と き に大 き くな って い た.
554 海 岸 工 学 論 文 集 第55巻(2008)
図-6 Obs-1お よ びObs-3に お け る 平 均 風 速umeanとz=0.04mに お け る 飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク スqの 関 係(qn:観 測 結 果,qNi: Niら(2002)の 実 験 結 果,qHotta:Hottaら(2006)の 実 験 結 果) 降 雨 が な く,砂 面 が 乾 い た 状 態 に あ っ た と 考 え ら れ る Obs-1∼Obs-3に お け る,単 位 時 間 を5分 と し た 場 合 の 平 均 風 速umeanと 飛 砂 粒 子 数nmeanと の 関 係 を 図-5に 示 す.有 働(2007)に よ れ ば,瞬 間 風 速 お よ び 飛 砂 粒 子 数nの 時 系 列 変 化 に は1∼ 数 秒 程 度 の タ イ ム ラ グ が あ っ た こ と を 考 慮 し,単 位 時 間 を5分 と し た.nmeanは 以 下 のumeanの2次 式 (決 定 係 数R2=0.76)あ る い は3次 式(R2=0.78)で 近 似 さ れ た.
(8)
(9)
こ れ ら の 関 係 を 式(1)お よ び(5)を 用 い て 変 形 す る こ と に よ り 得 ら れ るumeanとqn(0.04),qNi(0.04),な ら び にqHotta (0.04)と の 関 係 を 図-6に 示 す.現 地 観 測 結 果 よ り 得 ら れ たqn(0.04)の 近 似 曲 線 式 は 風 洞 実 験 結 果 と 風 速 範 囲 は 異 な る も の の 概 ね 一 致 し た.河 村(1951)は 飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク ス の 鉛 直 分 布 式(10)
(11)
を 提 案 して い る.こ こ で,G。:単 位 時 間 に 砂 面 の単 位 面 積 に 落 下 す る砂 量,up:飛 砂 粒 子 の 平 均 水 平 速 度,h0: 飛 砂 粒 子 の平 均 サ ル テ ー シ ョ ン高 さ(跳 躍 高 さ),K0:0 次 の 第2種 変 形 ベ ッ セ ル 関 数 で あ る.Niら(2002)の 実 験 結 果 に よ れ ば サ ル テ ー シ ョ ン層 の 最 大 高 さ と風 速 と の間 に は相 関 が 認 め られ な い こ と か ら,h0と 風 速 と の 間 に も 相 関 は得 ら れ な い と考 え られ る.よ って 式(10)中 でuに 依 存 す る 変 数 はG0∼uお よ びup∼uで あ る こ とか ら,q∼u2, す な わ ち,飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク ス の 鉛 直 分 布 式qはuの2次図-7 Obs-1お よ びObs-3,Obs-4,な ら び にObs-5に お け る 平 均 風 速umeanと 飛 砂 質 量 フ ラ ッ ク スqnの 関 係 式 で 表 さ れ る と 考 え ら れ る.umeanとqn(0.04)の2次 の 近 似 曲 線 式 は
(12)
で 表 さ れ る.Obs-1∼Obs-3,Obs-4,な ら び にObs-5に お け るumeanとqn(0.04)と の 関 係 を 図-7に 比 較 す る.Obs-4お よ びObs-5に つ い て も,Obs-1∼Obs-3と 同 じ 要 領 でqn (0.04)式 を 求 め る と,(13)
(14)
が得 られ,決 定 係 数 は そ れ ぞ れR2=0.55,0.46で あ っ た. Obs-5に お い て は,降 雨 量 が 大 き く変 化 して い る た め, Obs-1お よ びObs-3,Obs-4と 比 べ て 相 関 が 低 くな って い る もの の,対 数 グ ラ フで 表 示 す る とObs-5の 期 間 中 は 気 象 条 件 が大 き く変 化 して い る に もか か わ らず,明 確 な 相 関 関 係 が認 め られ る.デ ー タの ば らつ きの 原 因 と して は, 風 向 の変 化 に よ る砂 の セ ンサ ーへ の衝 突 角 度 の 変 化,風 向 に よ る フ ェ ッ チ長 の 減 少(Dongら,2004),な らび に 降 雨 に よ る砂 面 含 水 比 の 増 加(Cornelis・Gabriels,2003) 等 が 挙 げ られ る.ま た,降 雨 自体 の 飛 砂 粒 子 数 へ の 影 響 は な い も の の,降 雨 開 始 時 に は湿 っ た飛 砂 が セ ンサ ー 周 辺 に 固 着 す る こ とに よ る セ ンサ ー 感 度 が 低 下 し,強 雨 に よ りセ ンサ ー周 辺 の 砂 が 洗 い流 され る ま で は 感 度 の 低 い(カ ウ ン ト数 が 少 な く な る)状 態 が続 く.Obs-5に お い て 図 中 の点 線 枠 内 の値 が 得 られ た 際 に は セ ンサ ー へ の 衝 突 角 度 が90度 に近 く な って お り,Obs-5のqn(0.04)式(式 (14))は 過 小 評 価 で あ る と考 え られ る.し か しな が ら, これ ら の こ と を 考 慮 して も,Obs-4(風 向:岸 沖 方 向, 降雨 な し)に お け るqn(0.04)は,Obs-1お よ びObs-3(風 向: 沿 岸 方 向,降 雨 な し)よ り最 大 で1オ ー ダ ー程 度 減 少 し,後)はObs-4よ り少 な く と も1オ ー ダ ー 程 度 は減 少 した と 推 定 さ れ る. 今 回 の長 時 間 観 測 を行 う に あ た り,飛 砂 計 の存 在 に よ り飛 砂 計 付 近 の風 場 が 変 化 して 侵 食 お よ び 堆 積 が 生 じ る の を 避 け る た め,セ ン サ ー設 置 高 さ をzs=0.04mと した. 飛 砂 の 発 生 量 が 極 め て 少 な い 場 合 に もzs=0.04mに お い て 飛 砂 を 検 知 す る こ と が 可 能 で,地 形 変 化 も0.005mの 侵 食 と小 さか っ た が,設 置 高 さ に よ って は飛 砂 が 生 じて い て も検 知 で き な い 場 合 や 地 形 変 化 の 影 響 を大 き く受 け る場 合 が あ る た め 注 意 を 要 す る.ま た,捕 砂 器 に つ いて は捕 砂 器 の 種 類 や 捕 砂 高 さ に よ って 捕 砂 効 率 が大 き く異 な る と い わ れ て お り,Rasmussen・Mikkelsen (1998)は, 砂 面 か らの 高 さが0.015m以 上 の 場 合 に は捕 砂 効 率 が80 %以 上 と な る も の の,0.015m以 下 の 場 合 に は50∼70% とな る こ と を示 して い る.捕 砂 効 率 につ い て も今 後 検 討 す る必 要 が あ る. 5. 結 論 現 地 海 岸 に お いて,圧 電 飛 砂 計 を用 い て 瞬 間 風 速 お よ び 飛 砂 粒 子 数 を 計 測 し,こ れ と気 象 デ ー タ との 関 係 か ら 気 象 条 件 の変 化 に伴 う海 岸 の 飛 砂 フ ラ ッ クス 特 性 を調 べ た.砂 面 か ら の高 さZs=0.04m地 点 に お け る現 地 観 測 結 果 よ り得 られ たqn(0.04)の 近 似 曲 線 式 は 風 洞 実 験 結 果 と 概 ね 一 致 して お り,圧 電 飛 砂 計 に よ り現 地 の 飛 砂 フ ラ ッ ク ス の計 測 が 可 能 で あ る こ とが 示 唆 さ れ た. 5分 間 平 均 飛 砂 フ ラ ッ ク ス は平 均 風 速umeanの2次式 で 近 似 さ れ,河 村 式(1951)と 同 様 の 曲 線 と な っ た.風 向 が 岸 沖 方 向 で 降 雨 が な い場 合 に お け るqn(0.04)は,風 向 が 沿 岸 方 向 で 降 雨 が な い場 合 よ り最 大 で1オ ー ダ ー程 度 減 少 し,さ らに 風 向 が 岸 沖 方 向 で0.05mm以 上 の 降 雨 が あ る場 合 に は風 向 が岸 沖 方 向 で 降 雨 が な い場 合 よ り少 な く と も1オ ー ダ ー程 度 は減 少 した と推 定 され た. 謝 辞:現 地 観 測 に お いて は,独 立 行 政 法 人 港 湾 空 港 技 術 研 究 所 海 洋 ・水 工 部 漂 砂 研 究 室(現 沿 岸 環 境 研 究 領 域 沿 岸 土 砂 管 理 研 究 チ ー ム)に ご協 力 頂 き,ま た,栗 山 善 昭 室 長 に は 有 益 な ご助 言 を 頂 い た.日 本 大 学 堀 田 新 太 郎 教 授 お よ び久 保 田進 教 授 に は実 験 デ ー タ を提 供 し て い た だ い た.本 研 究 は,科 学 研 究 費 補 助 金(若 手 研 究 (B)16760417,代 表 者:有 働 恵 子)の 援 助 を 受 けて 行 わ れ た.記 して 謝 意 を表 す る. 参 考 文 献 有働恵 子 (2007): 飛砂 の限界摩擦速 度 に関す る現 地観測, 海岸 工 学論文集, 第54巻, pp-536-540. 112. 久 保 田 進 ・保 坂 幸 一 ・小 栗 保 二 (2006): 圧 電 振 動 子 を用 い た飛 砂 量 計 の 開 発-飛 砂 粒 子 衝 突 時 の セ ンサ ー 出 力 に 関 す る 実 験-, 日本 大 学 理 工 学 研 究 所 所 報, 第114号, pp.93-103. 久 保 田 進 ・保 坂 幸 一 ・田 村 貴 史 (2007): 圧 電 振 動 子 を用 い た飛 砂 量 計 の 開 発 (2)-高 速 度 カ メ ラ に よ る飛 砂 衝 突 状 況 の 可 視 化-,日 本 大 学 理 工 学 研 究 所 所 報, 第115号, pp.141-149. 保 坂 幸 一 ・鵜 飼 正 志 ・久 保 田進 ・小 栗 保 二 (2004):圧 電 振 動 子 に よ る飛 砂 粒 子 数 の 計 測, 海 洋 開 発 論 文 集, 第20巻, pp-1091-1096. 堀 川 清 司 ・堀 田 新 太 郎 ・久 保 田 進 ・香 取 完 和 (1983): トレ ン チ トラ ップ に よ る飛 砂 量 の 現 地 観 測, 海 岸 工 学 論 文 集, 第30 巻, pp.303-307.
