大規模水制群内の流動特性

長野工業高等専門学校紀要 ･第28号 (1994) 41

大規模水制群内の流動特性

松 岡 保 正

(平成6年9月30日 受理)'

Flow Behaviours of Rivers at the area containing large super dikes Yasmasa MATSUOKA

Thisstudyreportstheresultusofvelocitymeasurementsamongsuperdikesin RiverChikuma.

Twolargevorticescontributeto凸owingin,settlingandheaping･ofsuspended particles.Theuppsidevortexoftheimpermeablesuperdikehasacharacteristiclifè

cycle.Ithasanegativecorrelationwithfluctuationofawaterlevel.

.Intimeofflood,streamwisevorticesreleasedfrom lowersideoftheimperm eable superdikeriseandmlShhumusmudonariverbed.

1. ま え が さ

河岸の侵食防止対策 としては通常,柳等の植栽や並杭等の比較的簡単なものか ら大型 の不 透過水制の建設,大量の水制 ブロックの敷設, コンク リー ト護岸化 といった ものまで,現地

の状況や予算に応 じた対策が とられ る.

長野市松代町清野地区の千曲川右岸には,他に類を見 ないほど大規模な水制群が存在す る.

河道中央 までせ りだ している大 きなものか ら,常時でも水没 している小 さなものまで含め, 5箇所の不透過水制の間に杭出 し水制が設 けられ,水 はね及 び堆積作用に寄与 している.

この うち最大の不透過水制は, もともと支川の合流部 を護 るための杭出 し水制であ り,下 流側 は深い淵 となっていた. ところが現在 はそ こに3m以上 もの厚 さに腐泥が堆積 し,常 時 メタンガスを発生 させていて,川 としては特異な環境 を創出 している.

本研究では, こうした水制群 によって生成 され る様々な渦の特性 を現地観測によ り明 らか にす る.出水時については, ビデオによる水面観察 と模型実験を行 い,大型水制群 の水性植 物 ひいては水性生物の棲息環境‑の係わ りかたを明 らかにす る.

2.河道 と水制群の概要 2. 1 江戸時代における瀬替え¹⁾²⁾³⁾

寛保2年 (1742年)8月1日のいわゆ る ｢寛保戊の大満水｣は,松代城の本丸 まで もが床 上浸水す るほどの規模であった. 羊のため,城下はもとより城内 も1m以上泥土が堆積 し,

また石垣がはらんだ り崩れた りしたため大がか りな復旧工事を余儀 な くされた.

時代が戦主体から経済主体 になってきていた事 もあ り,瀬替 え案の中には篠 ノ井塩崎地 区 か ら御厨を通 り青木島へ抜ける思い切 った ものも有 った. しか し,天領や費用その他 の問題

42 _{松 岡 保 正} で最終的には,時の執政庶八郎五郎に よ

り延享年間 に旧河道 か ら約700m西に移 動 した,ほぼ現在の河道位置へ瀬替 えが 行われた.

新河道は,当時の旧河道左岸側の後背 湿地 とい う立地条件から,両岸が厚 く堆 積 した花 ドpと呼ばれるシル ト質の沈泥 で構成 されてお り,ま七 西方か らは川中 島の扇状地が押 し出しているため,特 に 右岸側 に侵食の大 きな負担がかかる事 と なった.

2.2 水制群 と観測地点の概要 図2に河道の等深線図 と主要な水制群 を示す∴淘 道中の ･印は杭出 し水制を表 す.水制群 の位置 は図1の Ⅹ地点で, 曲率最大地点にあたる.その核心部に位 置す るのが最大の亀腹水制 (通称弁慶水 刺)である.便宜上, これ らの不透過水 制を上流側 か ら,A,B,C,D,Eと す る.

D水制上流側 と下流側 には常 に大規模 図1 旧河道と現河道

水平渦が存在す る.下流側の大規模水平渦に取 り込 まれたエ ビそやカワシオグサ等の水草 紘

大規模水制群内の流肋特性 43 沈床 し,それ らの腐泥化 した ものが厚 く堆積 している.そのため,水温の高い時期 には水面 に メタソガスの発生 が観察 され る.

C水制 は通常水中に没 してお り,その上 を上流側へ向か う綾やかな流れが吹送流気味 に存 在す る. エ ビモが繁殖 してお り,周期的な流れの様 T･を良 くL5Z映 している.

B水制 の上下流の水平渦はD水制上下流程程顕著 には観測 されない.先端部 か ら刺離 し放 出 され るカルマン渦については5水制中最 も明舵 な形で観測 され る.

D水制先端部 の深掘れ位置 か らE水制 に向か うl日印地点 ややイ(/T咋 りに,杭 出 し水制 の小 集団が有 る.墓 の割 には,主流の一部が分 かれて水 17刑に流人^T.るのに大 きく寄 与している.

平成4年11月に河道中央部 (図2では左岸糾い ‑仰)を州 し,/cIJ'I糊Jに新たに水路 を掘削 した.A水制左岸,D水制左岸下流等で本川 とつないだため,そ11七で抑 時には流れていな かったD水制岸下流にも流れ るよ うになった.J長州帆には】)水制対rltF流の河朕がかな り変 化す るもの と予想 され る.

3.現 地 観 測

現地観測 は,その日的に応 じて計裸やノブ法を変 えて行 った.河道全体の時間平均的全体像 を捉 える為の もの,主流中の大規模乱れや レイノルズ応力等を捉 える為の もの,大規模水平 渦の特性 を明 らかにす る為の ものに大別 され る.

3. 1 水制群内の流れの全体像の観測

計器 は,乱れの解析が目的ではないため,取扱 いが最 も容易な東邦電探 の発電式 プ ロペ ラ 流速計を使用 した.紙面の都合上生 データの掲載 は省 くが,数値計算 における各種パ ラメー

タの修正や メ ッシ ュのサイズ,時間刻み等の参考 に用 いた4).

流れの横断方向については,それぞれA水制,B水制,D水制の先端 か ら対岸 に ロープを 張 りゴムボー ト上 か ら, 3mおきに水面下50cmの位置の流速 を測定 した.D水制 の対岸 に は岸沿 いに中規模 の水平渦が存在 してお り,そのため岸 か ら中央寄 り10m程度 まで は上流 へ向かって流れている.

D水制上下流の大規模水平渦 に ついては渦の中心を甘 いて ローフ を張 り,水面下50cmにおける p‑

プ方向 と直交方向の流速 を測定 し た.水平渦 の直径 は上流側約40m, 下 流 側 約60mと推 定 され る.下 流側の この渦の存在 によ り,右岸 か ら流入 した支 川 の流 れ は大 略 45中程度上流側 に振 られている.

3. 2 カルマ ン渦の観測 主流中の乱れ とD水制先端部 に おけるカルマソ渦の解析 のため, 複数の2成分電磁流速計 を鋼管 に

固定 し,横断方向に張 った ワイヤ 写真 1 吊 り下げ用骨組み

･日 _{松 岡 保} lL

‑p‑7'に吊 り下げて観測 した･ これ E を写貞 1に示す.延長 ケーブルの制約 もあ り,先端 か ら25mまで1m毎 に 水面下1mにおけ る流れ方向 と横 断 方向の流速変動 を測定 した.観測時間 長 は, 1点20分 とした.流速計 の方向 の修正 は,A⊃変換後 に解析用 プ ログ

ラム内で行 った.

3. 3 大規模水平渦の観測

大規模水平渦 につ いては,鋼管製 の 骨組みに2成分電時流速計 を固定 して 観測を行 った. これを写真2に示す.

初回の観測で非常 に周期性の強 い長周 期 の流速変動 の存在が明 らかになった ため, 2同 日以降はセ イシュを呼出し て,容丑式の波高計 もjurlえて観測 した.

観測は図2中のa, b,Cの3地)I.‑1で

行 った.流速 は渦の接線ノ)一向 と鉛U'Lノ)I ^{写真 2 川.i}il川骨組 み

向について測定 した.C地,(浩の観測では流速d ト設 肌 場 から水制先端によった 地点 で , エ ビそ の流向 と水位変化の観測 も行 った.

4.解析結果 と考察 4. 1 水制先端部 の渦

水制先端部 か ら放 出 されているのは,いわゆ るカ/I,マ ソ渦 と同種 の ものであ り,､ド均流速 と特徴的 スケールに応 じた一定の周期で放 出され る. ここでは,D水制先端部で得 られた結 果を報告す る.

図3に,先端 か ら6mにおけ る流れ方向流速変動u′,横断方向流速変動 V′, ‑u′V′を示 す.

し

V

こ うした大 きな‑u′V′に宕 目し,それ に寄与 してい るのが カルマ ソ渦であ る と仮定 して 渦の直径 と移動速度を求めた.図4に直径を,図5に移動速度 を示す.当然 なが ら常 にそ う した渦の中心が流速計 を通過す る訳 では無 い.速度変動記録に簡単 な渦の移動 のモデル 5)杏 適用 して抽出 した.

これ らの結果か ら,水制先端部 か らは直径15cm程度 の強い水平渦が放出 され,平均流速 の 5割程度の移動速度で流下 して行 くといえる.水制先端部 では一種 の縮流が起 こってお り, 大 きな レイノルズ応力の発生 に寄与 していると考 えられ る.

4. 2 大規模水平渦

a地点において得 られた接線方向流速変動を図6に示す.観測位置における水深は65cm,

大規模水制群内の流動特性

(33S＼B).n(aOSP).A

図3 D水制先端速度変動

LO 20 30 40 軸組 (cm) 図4 渦の直径

45

46

流速計の河床か らの高 さは 23cm,45cm,63cmである.

uの添 え字は河床か らの順 番に対応 している.河床が 腐泥のため滑 らかであ り, 流速 も小 さいため,一般的 に襟床河川の河床近傍 と水 面近傍で観測 され るよ うな 顕著 な差はみ られない.

u2のエネルギースペク ト ル密度を図7に示す.最初 に8秒あた りにピークが現 れ,減少 した後50秒 あた り から再 び増加 している. こ れは,洞内の鉛直最大乱子 の周期が数秒程度であると 考 えられる事か らす ると, 更に大 スケールの乱れが存 在す ることを示唆 している.

(VSJtU)I}t(彰的ヽd)亡l(33Sヽ8)FA

I‑a

図6 接線方向流速変動 この結果を参考 に,原変

動に32秒のアナ ログフィルターをかけた後3.2秒間隔でサンプ リングした ものを図8に示す.

図6と比べると,長周期の水平渦は底から水面 まで一体化 して流動 している事 が良 くわかる.

長周期 の変動 は約1000秒程度であるが,更 に幅広い周波 数帯域での寄与 をみ るため,u.のエネルギースペ ク トル を図9に示す.100秒,200秒,1300秒あた りにエネルギ ースペク トルのピークが存在す る.

これ らの結果から,大規模水平渦の強 さは常に一定で はな く,特徴的な周期で消長を繰 り返 している事,長周 期 の水平渦は水面か ら底 まで一体化 して流動 している事 が明 らかになった.

C地点の観測では,波高計による水位変化の観測 も加 えた.それは,最初からセイシュに着 目していた訳では な く,出水時に現地で ビデオ撮影をしていた時,周期的 にD水制を越流 していた事実によるものである.

C地点での観測位置の水深 は108cm,流速計 の河床 か らの高 さは50cm,70cmである･.a地点同様 に原変動に32 秒 の フィルターをかけ, 3.2秒間隔でサ ンプ リソグし た ものを図10に示す.水位変動の周期性が明瞭に現れて お り,水位 と流速 とは負の相関を持 っている.多少の位

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n(I/see)

図7 エネルギースペク トル

大規模水制群内の流動特性

■●(岩JD)tP ◆●(暑

■U)

47

6008eC

図8 a地点の長周期流速変動

相のずれは有るものの,水位が上昇す るとき,流速は減少す る.エ ビモの流向 と水位観測 の 結果では,水位が上昇す るときは主流が右岸寄 りに渦の方へ食 い込んできているもの と推察 される.渦がそのスケールを小 さくし,弱 まっているときには,主流のD水制への当た りは 強 くな り,水制上流側の水位が上昇す る.水制に深 く当た ると,流れから水制前面沿いに水 平渦外周‑流れ込む量が増大 し,水平渦へのエネルギー供給が増 えて渦が勢力を回復す るた め,主流は再び中央‑押 し戻 される.その繰 り返 しを行 っていると考 えられる.

水位変動のエネルギースペク トルを分析す ると,120秒あた りに最 も大 きなど‑クが存在 している.平均水深を仮 に2mとして,T=2L/厨 にT‑120秒を代入す ると約265m

となる.H‑1mとしてもし‑188mであ り,B水制 とC水制の距離の倍近い値 となる.b

地点での観測は,C地点で観測 された周期性の極めて強い水位変動がセイシュに起因す るも

48

0oi.一▲t一 00̲■■l(3aSJP)(u)h

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I /

101110‑110 tl0‑1101

n(I/see)

図9 ェネルギースペク トル

のであ るとす るな らば,D水制 下流 に も存在す るはず であ る と の観点 か ら行 った.対 象 とす る 渦 はa地点での観測 の もの と同 一 であ る.位置 としては, セ イ シ ュが存在す る場合 に水位変動

(tEr3'一

が最 も顕著 に観測 され るはず の 地点 を選定 した.観測位置 の水 1

深 は108cm,流速 計 の河床 か ら の高 さは50cm,70cmで ある.長 10

周期変動 をみ るため,前述 の2 例 同様 に32秒 の フィル ターを通

した後,3.2秒 間 隔 で サ ン プ リ '

ソグした ものを,図11に示す. ‑川

C地点程顕著 ではないが,水位 図11 b地点水位 ･速度変動 変 動 につ い て は70秒 あた り と

100秒 あた りにエネルギースペ ク トル密度 の ピークがみ られた.流速変動 のエネルギ ースペ ク トル密度 につ いては40秒,400秒,800秒 あた りに ピークがみ られた.,L‑150m,H‑1.6

mとしてセ イシ ュの周期Tを求 め る と約76秒 とな り,第1モ ‑ ドで あ る可能性 は高 い.相 関 につ いては,C地点 の場合 ほ ど明瞭 には現 れていない.

4.3 その他の渦

流量変動 は実河川 には付 きものであ るが,流量 が増 える事 によ り出現 し重要 な役割 を果 た

大規模水制群 内の流動特性 49 す渦が存在す る.出水時は危険なため,通常の方法による流速計を用いた長時間観測 は不可 能に近 い. ここでは,出水時に現地で行 った ビデオ撮影を中心 とした水琴観察の結果 と模型 実験を もとに, 2種類の渦について考察す る.

流量が増 えると流速の増大にともない,D水制上流の大規模水平渦 と主流の間の上流側 に 中規模の水平渦が発生す る.速度勾配の歪のたま り易い領域でそ うした渦が生成 され る事 は 当然の結果である.河床近傍で生成 される渦が,急速 に速度の大 きい領域へ移動す るのに比 べ, ここで生成 された強い水平渦は流速の大 きな流心方向へは進 まず,大規模水平渦に取 り 込まれている.浮遊物を巻 き込みなが ら,中規模渦自身 も大規模渦に巻 き込 まれ,寿命 を全

うしている.中規模渦の寿命時間が大規模渦の周回に要す る時間 よりも長い と,弱体化 しな が ら2周以上回る. こうした中規模渦は大規模渦の中心に来 る事 はなく,外縁を移動す るた め,中規模渦に運 ばれている浮遊物 は外縁に溜 まる.

更に流量が増 えて,B水制上を射流状態で完全越流するよ うになると,その後方か ら非常 に強い剥離渦が生成 され る. この渦は横断方向の軸を持ち,基本的には河床近傍で生成 され る坤 と同様の性格のものである.水制下流側には十分 な水深が用意 されているため,周囲を 巻 き込みなが ら十分に発達 し,ゆっくりと流下す る.発達 した鉛直渦は水面では強 いボイル として観察 され る. この渦が河床 に溜 まった腐泥を巻 き上げ',混合 させ,下流に流送す る.

D水制をはさんで上下流に存在す る水平渦が,常時は同 じよ うに腐泥等の堆積 に寄与 しつ つ も,上流側 は上記のよ うな鉛直渦によるフラッシュにさらされる機会が多い.それが,上 流側 と下流側の腐泥堆積厚の大 きな差 となって現れているもの と考 えられる.

この ことは, ワン ド上流側の不透過水制の幾何学的特性を工夫す る事 によ り,人手 を介 さ ず定期的に河床 に堆積 した腐泥をフラッシュできる事を示唆 している.

5.あ と が き

実河川における大型水制群内の流れを測定 し,大規模渦の諸特性 を明 らかに した.大型不 透過水制間を ワソ ドとして顕著なセイシュが存在す るかを検討 したが,細 田6)等や玉井7)等 のよ うな結果には直結 しなかった.水制上流部の渦の消長 と水位変動は,主流の揺動 に支配 されてお り,それ とセイシュとの関係については今後の研究課題 として残 った.

大型不透過水制下流側 における浮遊物の トラップと腐泥の堆積 については,河川環境 を ど う捉 えるかで対策 も異なる.水質が明治 ･大正期並 で有れば死水域 は無い方が よい.現在 の ように富栄養化が進行 していると,流入 させる汚染物質を減少 させ るだけではな く,既 に存 在 している物質を除去す る事 も並行 して行 ってい く必要がある.そ うした意味では,治水 に ゆとりの有 る河道では,水質改善の空間を用意 し,そこで生産 された植物を河道か ら刈 り取 るよ うな形で河水の負担を軽減することも検討の価値がある. これは,親水空間の創出にも つながっている.本研究 の対象 とした ワソ ドは大 きな ヒン トを与 えている.

本研究 は,｢水制工の もつ河川水理及 び生物環境 の創出効果 に関す る研究｣ として河川整 備基金の助成 を受けて行 った共同研究の うち,水制群内の渦についてまとめた ものである.

研究を進めるにあた り有用な援助 とご討議を頂いた,建設省北陸地方建設局建千曲川工事事 務所熊谷清前所長をはじめ所のスタッ/フの方々,応用生態学研究所桜井善雄先生,信州大学 工学部富所五郎教援 に心 より感謝申し上 げます.

50 松 岡 保 正

参 考 文 献

1) 更級埴科地方誌刊行会 :更級埴科地方誌,第三巻近世編上 ･下.

2) 建設省北陸地建信濃川工事事務所 :信濃川の氾濫一江戸時代‑.

3)L埴科郡誌.

4)桜井善雄他 :水制工の持つ河川水理及び生物環境の創出効果に関す る研究報告書,1994. 5),松岡保正 :砂襟河床上の乱れ特性 (第一報),長野高専紀要,第19号,PP.97‑104,1988. 6)細田 尚他 :開水路急拡部の流れにおける渦の発生 ･発達に関す る二,三甲検討,水工学論文

集,第37巻,PP463‑468,1993.

7)玉井信行他 :ExperimentalInvestigationofFlow inEmbayment,水工学論文集,第37巻

PP503‑510,1993.