河口砂州の発達と変形に関する研究
著者 北浦 勝
著者別表示 Kitaura Masaru
雑誌名 昭和63(1988)年度 科学研究費補助金 一般研究(B) 研究成果報告書
巻 1987‑1988
ページ 64p.
発行年 1989‑03‑01
URL http://doi.org/10.24517/00034921
Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by‑nc‑nd/3.0/deed.ja
TYPICALDEFORMATIONPROCESSOFSANDBARATRIVERMOUTH
InFig.l,exampleso「changeo「ImnsversegcomctryofrivermouthaccOrdinglolhencld meaSuremenIsattheMogamirivcr(Suga,1985).A(111crivermouthof(heMogami,alargesand barisibrmcdat(helcIIsidc,andlhcwidlllo「lllcrivcrmou(his50〜100minwinteranditbccoI11cs 100〜200maflernoods.And,Fig.lilldica(csthallhescclionalarcaoflllerivermouthis proporiional(o(hewidlh.ThisdepcndsoII(heitlct(11a(Ihewaterdepthat(herivermouthis alwayskept4〜5m.AIIhougll(hemeasuI℃ddaiaduringnoodshavcnotbeenob(ained,wemigll(
cstima(ethat(heincreaseo「(heseclioI1alareaoi (herivermou(hduringnoodsdependsalmos(
Io(allyonsideerosionparticularlyillrivcIswillllargedcp(hsuchas(11eMogami,theCounokawa andothers・Fig.2showsIhallhcchangco「crossscc(iono「Iherivermouthisnotgcomelrically similarbutlha(sidecrosiondomina(cslomakcacrossscclionralhernat.Onlheconlrary,inlllc casewillljctlysuchasinlhcOoyodorivcr,llleiIIcreaseo「(hescclionalarcaorlhcrivcrmou(11 duringnooddependsonscouringo「riverbcd・AccordillgIo(llealbrcmenlionedltIcIs,all analyticalmodclisdcrivcdlodcscribe(hedelbrmalionprocesso「sandbarbasedonanassumplioil
o「sidecrosion
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↓ 1 C
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‑‑‑Janualyl965と一一一
1 0 0 5 0 O m
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68 O3COlOOOl50020000
SectionalArea(m2) Fig.1Varia(ioI1o「gcomc(Iyo「rivermoulho「111cMogamiRivcr
B/2(I11)B=wid(llol.rivermoulll
〕 0 1 1 0 1 6 0 8 C
0266
︵﹇崖︶二︽二一コ○戸匡﹄のン垣一画二一○①ロ﹄⑪忌乏一
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Fig.2Relalionbclwccnwidlhandwa(erdcplllatrivermou(11.
−5−
0 主5 8
MODELLINGOFDEFORMATIONPROCESSOFSANDBARATRIVERMOUTH
Prcsenllyproposcdmodclisschema(icallyillus(ra(edinFig.3,and!hebalanceofsedimcnl ainounlisexprcssedbythelbllowingcqua(ioI1,whichisagovcmingequationofdclbrmalioll
proccsso「sandbaratarivermou(h.
(I‑p。):(BIIL)、II‑M)B
inwhichpo=porosilyo「sand;B=wid(IIo「lllcrivcrmoulh;
BR=wid(11o「Iheupstrcampar(o「(11crivcr;11=nowdcplll; L=widlllo「sandbar;fl=scdimcnlamoun((subsiantial volume)Iransportcdawayrrom(llerivcr‑mouthareaby rivcrnowaccclcralcdduc(ocoI1(racliollpcrunilwid(hper unit(ime;Ih=scdimen(amoun(supplicdloillerivcr‑moull]
areabyrivernowpcruni(widlllperunil(imc;f3=scdimellt amounIsupplicdIo(herivcr‑I11ou(harcabywaves.A similaroncdimcnsionaimodcllingo「scdimcn(budgc(was alrcadylbmlulalcdandlllcsubscqucn(I1umcricalsiInulalion wasa((cmp(cdbyAola&Shu(oI1(1980);Ogawa,Fujila&
Shuloll(1984);andTanaka&Suga(1985).
Sedimenldiscllargcbyunidircc(ioI1alnowis cxpressedasalllnclioilornowvcIoci(ylbrcoI]s(ant
malcrialsasIbllows:
(1)
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17RONTVIEW
「 一
qB=kBUm Fig.3Delinitionskclch
(2)
inwhichqB=sedimcn((ransportralcbynow;U=cross‑sccIiollallyaveragednowvelocily;alld kB=dimensionalcoI1sIanllbrpropcrlicso「scdimenl(diamclcr,spccincweiglltandsoon).SiIIcc lllclmnsportmlcmiglltbcproporlionallo(llcuni(sircampowcr(ToU;To=bedsilcarstress)and(llc bcdshears(rcssisalmos(propor(ionalIo(11csquarcofUIbrunidircclionallurbulcntnow,thc cxponentmo「UinEq.(2)isal・ound3,and(llcnEq.(2)isconsisien(Io(hcgcneraltranspor(
lbrmulaelbrrivcrsedimcI,lalioII(qBIIノ3/2;III=TO2/I(O‑p)gd}=Shicldsparamelcrlbrriverregion; o=densityo「sand;p=dcnsi(yo「waler;g=gravilyaccclcralion;alldd=sanddiamcter).WhcI1 Eq.(2)isapplicd(ocs(ima(e「lalldf2,(11cyarcexpresscdasibllows:
【,‑kB(f)"‑cBm;[2‑ku(F:F)"‑p: (3)
−6−
DcvclopmcntofSandBarCollapscofSandBar
B/U 1.0.
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0 1 2 3 4 5 8 ★ t O 1 2 3 4 5β★t Fig.4Sand‑bardcvclopmenlandcollapsc.
APPLICATIONOFTHEPRESENTMODEL
Inlhclbllowing,severalpmclicallyill(cI℃sIingpoillIsrclaicdiolllcapplicalionoflllcpl・cscI1( modclareiI1vcs(igalcd:
Theunknownparamclcrsin(11eprcscI1Imodclarcq*alldP*.Thereccntlbrmulalbl・
sedimcn(IranSportbyunidircc(ionalnowcancasilyprovideanevaluationofα*,andevcnlllc evalualionol.P*isalsolessdimcullirlhecomplcxilyandrigorousmechanismarcdespiscd.
Aclually,accuraleevaluationso「Ihcmshouldbclilrlllcrillvcsligalcd.111sIeadofdircclevalualiolls o「Iheseparamelers,thelbllowingpracticaimelhodmightbellereproposed.Asindicaledby Eq.(8),acombinaliono「α*andP*providcsBe,andi「weknowlllcequilibriumgeomelryo「(11c rivermoulhagainsIIhecondiliollsorrivernowalldseawaves,111ebchaviourorsalldbaralrivcr moulllcanbedescribcdorpredic(cdwilllou(dircclevalualionorbolllq*andP*.
Whenlhesedimen(Imnsportmlebyrivernowandlllatdueiowaveaclionarereprcsclllcd byqBandqD,respec(ively,thelbllowingmailipulalionisdcduccd.
Bル(器)=号鵲苦凹 (10)
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l/m (ll)inwhichyDR=qD/qB=ralioo「scdimcnllransporlbywavcsIoIhatbyrivcrnow・SinCeYDR delcrmincsBe/BRandqB(1+YDR)dclcmlincsIheproccssmleo「bardclbrmalion,YDRisregardcd asthemos(impoI‑lan(pammeler・AI(11ougllllleindividualnoodsduringwhichbardelbrmalionis appreciable,annualchangeo「river‑mou(hillorphologycomparalivclydependsoI1thc
‑8‑
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−11−
ることから,内祁流速場がかなり複雑になっているものと考えられる.砕波点と砕波帯でも同様に,
一般的な傾向はみられない.なお,水面変動の時系列を見ると,砕波帯外において既に乱れがみら れ,反射波の成分が亜なっているようである.
鉛直水粒子速度の測定値は,やはり乱れが大きいが,底面付近では強い上向き成分がみられる.
この上向き成分は,砕彼点と砕波帯の底面で非常に大きな値となっている.
これらのことから,Case‑4の砕け寄せ彼は,砕波によって波動性が大きく減少し,また反射波 の影習も大きいことから,数値フィルター法の適用範囲外といえる.
4 . 2 水 粒 子 速 度 の 敗 大 値 の 分 布 (1)水平方向の水粒子速度
図−8は,水平方向の水粒子速度の肢大値の分布を示す.図中Idは,計算値と測定値の岸沖方向
顛6060C一112−一一
−一一 嵐6060C一112 X
日.P
↓ 6 … 、
2 … 胴
顔6060C一112−一一
+1000−10○cm/8
Q ‐ ̲ 且 、
8.P 8.P
C m
− 5
国60606C一1122−一一一 − 1 0
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− 2 6
図−8水平方向の水粒子速度の簸大値の分布
‑23‑
W a v e absorber
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W a v e absolrber WEIve
一 → ‑1
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一F −−−6
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■B日日91−Ⅲ川
IXII′典眺腱iY(IIMM(ノk{│;Ikのjリ合)
いて鮎ll'lし,さらにlli砂器を川いた澱砂蹴のill'l定を ijったが,深砂州l'l定は図lに示‑j‑A、Bおよびcの 3地点とした。また,砂6W状の測定は,水平床全休 に漣って砂ハfが形成さ八定'肘状態になった雌に,細lIl .'l':ir傍の砂蠅I()波に上'し波II.Ijと波長をill'l定し,そIい、)
グ)・ド均II"・求y)た。《1蛾粂i'│:は,ノkWMIjの水深をl5 cI''j;.t(Jr20(''1の2池りとし、從肱に川いた波は表
lに示す21卜剛iて.ある。
2.2実験結果および考察 ll)砂漣の特性
ここて・li,1jW(の州;jilノに支I妃的なMW・ノj・えると 5えられている砂糀の形状およびその特性にIMけるネ,'i w遇.承‑'−.図2の(a)I1ill'l7ii.('ICにおける砂〃Iの#服A j;tljlblIM.州の波j.lj7ノ&'ili(IIIIにとI),IMIIIにはll.(lili ク)ノkIW仙inの、│&│帥ii畠側阿、をとったものである。帥│!
'')lii標は,IWIを池るとII(定し雌小.二唯法によI)l,11(、
ノーものて.あるが、本実験の純lllll'、lて'は,砂純旧jよび 6・!/i;Mは!│奇に波によるノkil‑l:の仙遊のw榊冊にいば此 'り,'.'‑るとI仏・しi!}るもので,それ'、〕のIWI係は、
A 二 l l ( ) f n , @ , ( I ) ノ ノ = ( i l " " ハ ス ( 2 )
となる。
i)<に図3は、州杣に砂純の波I脳・ノ'妃ソノ/入をとI)、│(III 'l'lllにシールズ蚊,〃をと=てi,l,i肘のIMI係を'':し/こもc')
‑ご《'.)も。ここて.、シールス收吻は、
/h(%in、 (3)
" M
でf)らが,(%,風、{」''('イリきIIMifi;IIIII,.4,はジョン、ル グ),7陳│"t,川」iliノjljlli'雌.RI、liルIII「、の}<'│!jt!I,
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gmax(cnl)
(3)f…と砂迎波長人とのIMM
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(cI'')0.4
3『へ:
0.2
00 1 2 3 4 5 6
finax(cm) (h)占呵、rと砂伽I洲i〃とのIMI係
│212/kitl.・の軌道、卜振幅亭…と砂i1とのIVIIT
‑30‑
ノモ2爽峨糸i'│:(fl而の刈谷)
I)lllllj加尺l)l・c511<cI Sl''・gingl)r(、nkeI・ SI,illingl)l・eakcI・
(進き油)
(砕け寄せ波)
(WL波)
叶波){;態ノ)/,
川ノ Sノブ
10‐1 CaSel
Case2
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r﹁︾︑︑叩︑6J句/﹄
、、 pLP︑唖I ︑○o C/勺
llo/LO10‑'
5 4 3
上。 2
10−〕 1
−1
(tan8)‑o・27(d/L。)0・67 図8海底断而形状の区分
毒這
ルタイフ・の│Wilili形状も│耐│時に示した。このIIlかl,)・C;Isc2‑2j)よび'CIIse2‑5は砂卜│の分l(Iて・1"iV(
フ。││か!、)タイプ。lllへの進肌'j:に││j当するが,′ドl泌職,'i 采による燗'l!方向加剛i面形状から見るとダイーフ。lルノ)
IIM!Wと見なしi¥る。また、Case2‑l,Cage2‑・l jjよびCase2‑8の水実験結果は,i州の分!(W!'州と よく−一致しておI).ll型と見なしi!}る。cas(》2−3,
C;1se2‑6,Case2‑7,Case2‑9およびCi'"2
‑I()は、IY│のIHI聰かi)IW!に命まれてjj'),f/4'IM i,'州とも…・j:t‑イ・ろが,C(Isc2‑8IJ,爽恥に、上る地li》 '脳bが│・)ま')llll砿ではない。しかし一',6,IY│!│!に,ドし
忌、
│47111.ylllliW)il'ji'MIilili肥lk
−33−
CASE l'111 T(scc)
i'l!波波11.li ノノb(cI'')
i'l!油波lを lc(cm)
'l'波波形勾配 ノ〃〔勺 砕 波
2‐I 1.37 3.2 2.7 ().0110 ノブL
2 2 1.;17 2..1 2.7 ().()()8.1 ノY, 2 3
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2‐7 1.12 ,l2 195.8 0.()218 P L
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た○│11,△印および[)印は,砂│:│の示したIM,llリリ およびlll型に良く対応していると房える。
(2)岸沖方向漂砂量
トノルリ│汀練よ')沖向きにxfIIIをとり,l《洲liレベルより とった各位i〃での庇而irノiさをz(x、/),llll/il3を正とし /二''1位棚IIWH:WIIII当I)のi[味の燗il!噸砂lilをりぃ',/), IIWi砂の窄附ドを心と‑│‑ると,IM'(1,レIII:のIWi:ll'l、ヒ
リ.
a z l 3 9
(I()) 3/l‑ルノa.Y
がi!}!.)れる。したがって,A/ilfllllの1;j4ノ概砂l'l:(X.') l.l,A/llflllll',1の〃.(IⅢ高変!IJJIIIAzを,lllいて、
‐'一北.《‑=/:':;肋 (ll)
か1.><)雄て.きる。ここに、恥│川IllIllの地II雑化のIM#
11『のrのllhを庖味 │ る。図7の地形変化にこの式をj':l llll̲て,I;!i'l!洲州:を1)雄した#i!州を図9(3)・・、‑(c)に;l<
│‑。(3),(b)jj"k(J<Ic)には,IM1,ll剛および1IIIWのそ l(ぞj(のlt"l!jなケースで!})るCflsc2−l(1,Cflse2
‑ll),t"CIIse2−5の1II;采を承ーイーが,IWIの.│:のIY│
{」,lllifllll砿に'班化し/こ抑j.(Mlililiでらり,.l,.の側か洲 砂│jiて ある。すなわち下のIrlの州IIIは,6.ill'l定点を示 し,IIMilllは式(ll)の左iuにillji・1‑るlli.li):IIM当りlll:fllll .'リ』jii効洲州〃=ri/(l一ル,)て‑ル)ら。上IXlの▽川』よ
朝 毎 1 ,100 200(cU)'
、堅
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│ 向 き
(()c;'sc2‑5(jll州剛)
IYl()ilijI'IIWilili変化と脳'l!噸砂li{Qの分n) び▼l;llは,遮波lMIMI()分俊およびlll'}IIII後のli卜油.Iノノ:て ある。Cf'sc2‑10は侵食型のI型であI),潔砂III',Mj は企li(にわたI)i'lilイリき溌砂である。特に砕波'III:におい ては,深砂lilが繩めて火きい。また│1§川させた波が激 しい/こめ,砕波によって発生した浮遊砂がi'l!│イリざに述 ばれ,−−雛水深部まで遠している搬干が肌索さI(た。
C;Isc2‑lはII'IIIIIWのII期であるが,砕波'IIWiビで'よ li!│イリさ洲,しがIli.低し,洲州斌は主に抓流淵'ルで hる ことが州l'lさ八/と。砕波州においては,i'l!│イリき洲,しが wIil肌ておI),iW.州の最大仙が!'北ている。CIge2
200(cI'') 0 100
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洲!
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((zm./1,,.)il IOO
い)(J;'g(、2‑II1(卜tlr叩Iリ}
‑34‑
これは式(19)の非平衡流砂以式でピックアップ・レイトの矩形状変化を想定し,ステップ.レングスを指数分布に従 うとして解枅的に得られる紬果と合致する.実測されたピックアップ・レイトは,図−9に示すように非平衡状態に おいてわずかに増加傾向を示す(平衡状態においてPsの約1餅リを占める,上流から運ばれてくる砂粒の衝突の効 果による分が増加する;図‑10a,bに闘突によるピックアップ・レイトpscと,衝突によらず純粋に流体力によるそれ ps「を分艫して場所的変化を示している)ものの,流砂風の変化に比べほぼ一定とみなせる(psO).図‑11には,
粒子速度(Ug)の場所的変化の実測例を示すが,非平衡にかかわらずほぼ一定である.また分布するステップ.レ
ングスを用いる流砂モデルではpdは次式で表され,とくにステップ・レングスが指数分布するときには次式の敏右 辺に示すように,局所的に涜砂風と比例する(式(17)を得るための仮定が成立).
C O
''(x)‑IPMx(、。IM、' (23)
Z‑12は図−8とともにステップレングスが指数分布することを支持しており,これらから逆算した平均ステップ'レ ングスはトレーサーテストなどから知られた値の,あるいは画nsicin(1950)が指摘したオーダー,粒径のlOOiW 程度(厳密には掃流力とともに80‑250傭に瑚加)となっている.
上述より,婦流砂のadnplationlcng山はせいぜい粒径の1000階程度の比較的"短い"ものとなって,大規模な移動 床 現 象 で は 無 視 で き る こ と が 多 い . す な わ ち と く に 柵 対 水 深 が 大 き く て 水 深 ス ケ ー ル 以 上 の 規 模 の 現 象 を 扱 う と き は 、 帰 流 砂 の 非 平 衡 性 は 無 視 で き る が , 棚 対 水 深 を 盃 ま せ た 小 さ な 模 型 や , 実 験 水 路 内 の 移 動 床 基 礎 実 喉 で は 掃流砂の非平衡性を免れないことが多い.すなわち,逆に首えば,実験室規模の非平衡性に強く影響された現象か らこの非平衡性を抜き差って原型現象を外押せねばならない.柵岡ら(1984)は1次元斜面の河床低下過程を式 (18)型の非平衡流砂且式で解斫してその適用性を誠論しているが,その例とされる実峨室内移効床過程はまさに 非平衡性が強く効いている(実現象スケールでは多分無視できよう).また辻本(1987a)は漸拡・漸縮を綴り返 す流賂において,実験室規模の小スケールの現象では,州流砂の遅れ距月Kが現象の支配スケール(例えば流路変化 の 波 長 や 水 深 ) の オ ー ダ ー に も な り , 洗 堀 部 ・ 体 積 部 の 繰 り 返 し パ タ ー ン が そ れ に 支 配 さ れ る こ と を , 実 験 と 理 論 によって強"リしている.図̲'3は,こうした流路でピックアップ・レイトの変化と局所流砂趾の間の河床材料のスケ ールの遅れが涜路変化のスケールと同程痩となって出現していることを,ビデオフイルム解析紬果によって示した ものである.
柵流砂の非平衡性は,小川覚河床形態の発生槻禍においては重要な役削を果たす.すなわち,式(19)を用いる ことで局所流砂鼠が局所唾而せん断応力に対してもつ位相差(ノc6)が次のように定められ,Kclmcdy(1963)に よってスタートした河床不安定解研を綿流砂特性の面から発展させた(中川・辻木1980).
sinK6=KM/両而三cosK6=lハ/両面丁(24)
上記の帖果によると,底面せん断応力に対する局所流砂風の位相差は節1象眼に属し,河床形態と底面せん断応 gR(E)
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図 1 4 非 平 衡 姉 流 砂 蚊 図15pick‑uprnleに対する流砂嵐と (Bcll&Suthcrlimd)dcpoSitmlcのi1rやulSCrcsponSc 図13非一破水路でのpick‑upmlcと
流 砂 風 と の 位 相 遅 れ
−44−
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