高木群落 の鉛 直構造 による流速分 布の遷移 に関する基礎 的研究
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(2) (a)ケ. 写真‑1植. ー スA1,A2. 生模型. 大 きな 下層 の植 生層 で流 しきれ ない分 を,上 層 の 自由 表 面流 で流 す こ とが でき る よ うに水深 と流速 の両方 が. (b)ケ. 決 ま るもの とい え る。 これ に対 して 高木群 落 の場 合, 上 層 に抵抗 の大 きな樹冠 が配置 され てお り,抵 抗 の小. ー スB1. さい幹 部 の高 さはあ らか じめ 固定 され て い る。 したが って,高 木 が水没 しない限 り,あ る流 量 を流す た め に は,下 層 の流 速 の寄与 が極 めて 大 きい と推 測 で きる。 以 上の よ うに,高 木群 落 の上流 端や 下 流端 の周辺 の 流 れ は,平 面2次 元流や 水 没植 生上 の流れ か ら類推 で. (c)ケ ー スC1. き る部分 もあ るが,状 況 の異 なる点 もあ り,そ れ を実 図‑1植. 証 的 に検討 した例 は ほ とん ど見 られ ない。 そ こで本 研. 生模 型 配置 図. 究 で は,樹 冠 と幹部 とで抵 抗特 性が 大 き く異 な る高木 群 落 の模型 を実験水 路 に設 置 し,一 様 な群 落 内だ けで. び 下 流 端 周 辺 の3通. な く,群 落 の上流端 周辺 お よび 下流端 周 辺 にお ける流. 各 ケ ー ス の植 生 模 型 の 配 置 を図‑1に,実. 況 を実験 的 に検討 す る。 そ して流 れ場 の鉛 直構 造 が状 況 に応 じて どの よ うに遷 移 して い くか,考 察 を加 え る こ とにす る。. りの 状 況 に つ い て 検 討す る。 そ の 験 条 件 を 表‑1. に示 す 。図‑1は 水 路 の 縦 断 面 を 模 式 的 に 示 した も の で, 横 断 方 向 に は 水 路 全 幅 に わ た り植 生 を配 置 した 。ま た, 上 流 端 か ら流 下方 向 にx軸,水. 路 床 か ら鉛 直 上 方 にz. 軸 を と る こ と にす る。 ケ ー スAlとA2で. 2.実. 験 装 置 お よび方 法. は,高 木 模 型 を水 路 全 体 に 設 置 し,. 流 況 が 縦 断 方 向 に 変 化 しな い 場 合 を 検 討 す る 。2つ ケ ー ス を比 較 して,流. 2.1実. 験 装置 と植 生模 型. よ うに 異 な る か検 討 す る。 実 験 に 際 して は,上. 実験 には,全 長7m、 水 路幅50cm、 高 さ30cmの 塩 ビ製 の直線 水 路 を用 いた。 水路 の上流 端 に は流 入 を滑 らか にす るた めベル マ ウス を設 置 し、下 流端 に は水 深 調 節 の ため の堰 を設 置 した。 植 生模 型 は 高 木 の鉛 直構 造 を考 慮 して樹 冠 部 と幹 部 に分 けて写 真‑1に 示す よ うに製 作 した。まず 幹 部 と して,直 径1cm長 さ7cmの 木 製 円柱 を10cm間 隔 で千. りx=4〜6mの. の. 量 や 水 深 に よ り流 速 分 布 が どの 流端 よ. 区間 で水 深が ほ ぼ一様 となって い るの. を確 か め て か ら,流 速 の鉛 直 分 布 を 測 定 した 。 ケ ー スB1は,植. 生 をx=3〜7mの. 区 間 に 配 置 し,. 群 落 の 上 流 端 周 辺 の 流 況 を 調 べ る もの で あ る。 ま た ケ ー スClは ,植 生 をx=0〜4mの 区 間 に 配 置 し,群 落 の 下 流 端 周 辺 の 流 況 を 調 べ る も の で あ る。 ケ ー スB1, Clと. も に流 量 ・水 深 が ケ ー スAlと. ほぼ 同 じにな る よ. 鳥 状 に配 置 した。その上 に樹 冠部 と して 、幅50cm、 高. うに した 。 水 深 は 縦 断 方 向 に ほ とん ど変 化 し な か っ た. さ10cmの プ ラス チ ック製透 水材(商 品名ヘ チ マ ロン). の で,そ. の 平 均 値 を表‑1に 記 した 。. を取 り付 けた。 この透 水材 には実験 時 に流速 計 を容 易. 1の 幹 ・樹 冠 に お け る代 表 流 速 表‑は 流 速 分 布 が ほ ぼ. に差 し込 む こ とがで き る よ うに,測 定地 点 に切 り込み. 平 衡 な 地 点 で の 平 均 流 速 で あ る。 ま た 非 植 生 域 の 底 面. を入 れ た。. 摩 擦 速 度 は,植 スBlで. 2.2実. 験 条 件 と実験 方法. のx=535cmに. 本研 究で は,一 様 な群 落 内,群 落 の上 流端 周辺 お よ. ―808―. 生 域 か ら最 も離 れ た 測 線 す な わ ち ケ ー. は 上 流 側 のx=165cm,ケ お い て,底. ー スClで. は下流側. 面付 近 の流 速分布 に対数則. を 当 て は め て 求 め た も の で あ る。.
(3) 表‑1実. 表‑2相. 験 条件. 似性 の検 討. 全 ケー ス におい て流 速測 定 には電磁 流 速計 を用 い, 水 路床 か ら5mmご. とにx方 向お よびz方 向 の流速 成. 分(そ れ ぞれu,ω とす る)を 測定 した。各測 定 点 で のサ ンプ リン グ周 波数 は100Hzで,1分 間の測 定結 果 を統 計処 理 した。 ま た群 落 内で は,1本 に不 均一 な ので,1本. の樹木周 辺 の流 速場 は基 本的. (1) と定義 され る。 ここにgは 重 力加 速度,H0,U0は. 代. 表 水 深 お よび代 表 流速 で あ る。U0は 植 生 を考 慮 しな い 場合 のH0に 対応 す る等流 流速 と考 える。. の鉛 直測線 での測 定結果 のみ を. た だ しこれ だ けでは植 生 の影 響 を考慮 す るこ とが で. もって,そ の地点 で の代 表 的な鉛 直 分布 とす るこ とは で きな い。そ こで,樹 木1本 の影響 領域(10cm×10cm). きな いの で,も う一 つの パ ラメー ター と して,非 植 生. にお い て,あ る決 め られ た配置10)で鉛 直 測線4本 を と. 域 に対 す る植 生域 の代表流 速 の比 を次 式 の よ うに定 義 す る(無 次 元 固有浸 透流速 とよぶ)。. り,各 測線 の同 じ高 さで の測定結 果 を重 み付 き平均 す る こ とに よ り,空 間平均 値 を求 め る こ とに した(詳 細. (2). は参 考文 献10を 参 照の こ と)。. こ こにUvは 植 生 抵抗 と重 力 のみ との釣 り合 い か ら決 2.3相. 似 性 の検討. ま る流 速(固 有浸 透流 速2))で,透. 本研 究 にお いて設 定 した 実験条 件お よび高木模 型 の. (3). 諸 元 は,実 際 に現地 で現 れ うる もの と対応 してい るの か,チ ェ ック してお く必 要 があ る。相似 性 を検討 す る パ ラメー ター の一つ として フル ー ド数 が あげ られ る。 これ は重力 に対 す る慣 性力 の比 で,. に よ り求め られ る(i0は 河床 勾配)。透過係 数 の値 は, 直径dv,抗. 力係 数 がCDの. 場 合 で あれ ば,. ―809―. 過 係数kを 用 い て. 円柱が 間隔lで 配 置 され た.
(4) 池 田の5分 の1程 度 と同オー ダー で はあ るが,岡 部 ら (4) か ら計算 し,そ の他 の場 合 は実験 や観 測結 果 か ら式(3) な どに合 うよ うに経験 的 に求 め るこ とにな る。 抗力 係 数CDの. 値 を評価 す る際 に は,レ イ ノル ズ数. の20分 の1で あ る。た だ し岡部 らの 実験 では,幹 と樹 冠 との抵抗 特 性は さほ ど異 なって お らず,こ れ は幹 と 樹 冠 の抵抗 特性 の違 い よ りも,樹 冠 が傾 斜 した場 合の 流れ の構造 に着 目 した もの とい え るの で,こ れ と本研 究 の樹 冠部 分 を比 較 す るの は適 当 とは い えない。 また. (5) に も考慮 す る必要 が あ る。 ここに,γ は動粘 性係数 で あ る。 表‑ 2は,本 研 究 にお ける高木模 型 の諸 元や水 理 条件 を,既 往 の研 究 と比較 した もので あ る。 この うち関根 ら11),岡 部 ら5)は 室 内実 験 であ り,前 者 は鉛 直構 造 を持 た ない 円柱 を,後 者 は幹 ・樹 冠構 造 を有す る植 生 模 型 を用 いて い る。また福 岡 ら12)は利 根川 におい て対. 樹冠 に対す る幹部 の 比 は,井 上 ・池 田が6.9で あ るの に対 して,本 研究 はその約1.7倍 の11.7で あ り,同 オ ー ダー と見 なす こ とがで き る 。 井 上 ・池 田は葉 がつ い て な い場 合の もので あ るが,福 岡14)に よ る と,葉 がつ い て い る場 合の樹 木 の抗力 係数 は,つ いて いな い もの に比べ て1.2〜2倍 程度 大 き くな る。この こ とを考慮す れ ば,葉 の有無 にか かわ らず,本 研 究 の実験 条件 は, 実 際 に現地 で起 こ り得 る範 囲 内の もの で ある とい える。. 象 とす る樹 木群 が鉛 直構 造 をもた ない もの として,解 析 を進 めた もので あ る。井 上 ・池 田13)は鬼怒川 で の現. 3.実. 験 結果 お よび考 察. 地 デ ー タを扱 った もので あ り,「疎 な群 落 」とは,幹 が 太 くま ば らに繁茂 して い る群落 で,「密 な群 落」 とは, 細 くて比較 的密 集 して い る群落 で ある。 両方 とも葉 が つ い てい ない 状況 での測 定 結果 で,「密 な群落 」を樹 冠 部 の参 考値 とす るた めに掲 げた。表‑2中 の透 過係 数 は,基 本 的 には文 献 の値 を引用 した が,そ れ が明記 さ れ て い ない場 合 は,流 速 分布 か ら固有 浸透 流速 を読 み 取 り,式(3)か ら逆算 した。幹 レイ ノル ズ数 は,幹 の直 径 とその 固有 浸透流 速 を用 いて 式(5)より求 め,抗 力係 数 や透 過係 数 を評価 す る際 の参 考 に した。 2よ り,本 研究 にお ける フル ー ド数表‑ は,他 の研 究 や 現 地のデ ー タ とそ う変 わ らない範 囲 にあ り,幹 部 の 無 次 元固有 浸 透流速 も同オ ー ダー とい え る。一 方 で, 本 研 究 にお け る樹冠 の無次 元 固有浸透 流 速 は,井 上 ・. 図‑2流. 下 方 向流 速(ケ. 3.1等. 流 状 態(ケ ー スA1,A2). ケー スAl,A2に. 分布 を図‑2に 示 す。z=7cm以 上 の樹冠 部 とそれ 以 下 の幹 部 とで 明 らか な流 速 差が生 じてお り,そ の 間 に 自 由せ ん断層 が形成 され て い る こ とがわ か る。 樹 冠 部 の流 速 は流 量 ・水 深 に よ らず約1cm/sに 安 定 してい る。 この値 は,樹 冠 部 の固 有浸透 流速 に近い。 一方 で ,幹 部の流 速 はケ ー スに よ り異 な り,し か も幹 部 の 固有浸透 流速 とも大 き く異 な る。す なわ ち,樹 冠 部 で は植 生抵 抗 が大 き く,お お よそ固有 浸透 流速 を と るの に対 して,幹 部 で は植 生抵 抗 が さほ ど大 き くない の で,水 路床 や樹 冠 部 との摩擦 抵抗 な どの影 響 が少 な くな い こ とが わか る。. 図‑3レ. ー スA1,A2). ―810―. お け る流 速 のx方 向成 分uの 鉛直. イ ノ ル ズ応 力(ケ. ー スA1,A2).
(5) 図‑3は レイ ノル ズ応 力‑u'ω'の 鉛 直分布 を示 した もの で あ る。 まず,底 面付 近で の値 をみ る と,ケ ー ス Alで お よそ0.02(cm/s)2で あ る。 ケー スA1と 流 量 ・ 水 深 が 同程度 の ケー スB1に. お け る非植 生域 の底 面摩. 擦 速度 の値 か ら推 測す る と,ケ ー スAlの が なけれ ば. 条件 で植 生. レイ ノル ズ応 力 の値 は0.04(cm/s)2程度 で. あ ろ う。植 生が あ る場合 での値 は,そ の半分 程度 な が らも同 オー ダー で あ る。 この こ とか ら も幹部 の植 生抵 抗 が さほ ど大 き くな い こ とが わか る。 一方 で樹冠 部 の レイ ノル ズ応 力 は ほぼゼ ロで,樹 冠 部 の植生 抵抗 が極 め て大 きい こ とがわ か る。 3で 特 徴 的 なのは,樹 図‑冠 と幹部 との界 面付 近で 大 きな負 の ピー クを とるこ とで,そ の絶 対値 は底 面で の. 図‑ 4界. 面 抵 抗 係 数(ケ. ー スA1,A2). 値 の10倍 を超 えてお り,非植 生域 の底 面摩擦 速度 と比 べ て も5倍 以上 で あ る。 この こ とか ら樹 冠 と幹 部 との 自由せ ん断層 が流 況 に与 え る影 響 は極 め て大 き く,高 木群 落 の鉛 直構 造 を考慮 して解 析 す る こ とが重 要で あ る こ とが わか る。 そ こで,樹 冠 と幹 部 との界 面抵 抗係 数fiを 算 出 した 結果 を図‑4に 示 す。fiは次式 に よ り定義 され る。. 落 上 流 端 周 辺(ケ 5と図‑6は. ー スB1). それ ぞれ 非植 生 図‑ 区間 お よび植 生 区間. にお け るuの 鉛直 分布 の縦 断変 化 を示 した もの で あ る。 た だ し比較 しやす い よ うに,x=300cmの. (6) こ こにu1,u2は. 3.2群. それ ぞ れ幹 部 ・樹 冠 の代表 流速,左. 測 定結果 は 両. 方 に載せ た。 x=165cmで. は一 般 的な開 水路 の流 速分布 で あるが,. 群落 に近づ くにつれ て,樹 冠部 の水 面近 で流 速 が下 が. 辺 は幹 部 ・樹冠 界面 付近 の レイ ノル ズ応力 の ピー ク値. り始 め、逆 に幹部 で は 中央 部 で流速 が 上 が り始 めて い. を意 味 す る。石川14)の 界 面応力 の理 論 式 に池 田15)の. るの がわか る。 これ は,植 生 区間 に よ る堰 上 げの影 響. 渦動 粘性 係 数 の式 を適用 すれ ば,開 水 路 の横 断 方 向 に. が,流 速分布 に もこの よ うな形 で 現れ,流 れ に くい樹. 形成 され た 自由せ ん断層 の界 面抵 抗係 数fiはu2/u1の 一 意的 関数 とな る こ とがわ か る 。それ を図‑4上 に実 線. 冠 か ら流れや す い幹 部へ 向 か う流 れ が生 じてい るため. で 示 した。 本研 究 で は 自由せ ん 断層 が鉛 直方 向 に形 成. 次 元流7)8)や 水 没植 生9)に お け る群 落 上流側 で は見 ら. され てい るが,向 きの違 い はあ って も,お おむ ね 良好. れ な か った もので,高 木群 落 の上 流側 に特 有 の現象 で. に説 明で き る もの とい え る。. あ る。. 図‑5流. 下方 向流 速(ケ ー スB1非 植 生 区間). と考 え られ る。 この よ うな流速 分布 の遷 移 は,水 平2. 図‑6流. ―811―. 下方 向流速(ケ ー スBl植 生 区間).
(6) 図‑8界. 図‑ 7レ. イ ノル ズ 応 力(ケ. そ してx=300cmで. ー スBl植. 面 抵 抗 係 数(ケ. ー スBl). 生 区 間). 植 生 区間 に入 って か らx=315cm. 現 してい ないた め にfiの値 は極 端 に小 さい。 それ よ り. まで の極 めて 短 い間 に,樹 冠 では一気 に減 速 し、 そ の 分 だ け幹部 の 流速 が増 大 して,顕 著 な 自由せ ん断層 が. 下流 では,急 速 に増加 して,ケ ー スAlで と同程 度 の レベル に漸 近 して い る。. 見 られ た値. 形 成 され る。 そ の後,若 干 な が ら,幹 部 の底 面付近 の 流 速 が減少 し,そ の分,樹 冠 の流 速 が増加 してい る。 また 自由せ ん 断層 の位置 が若 干 上昇 し厚 み も増 してい る。x=375cmで はx=495cmと. 3.3群. 落 下 流 端 周 辺(ケ. ー スC1). 同様 な流 速分布 であ り,. ほぼ平 衡状 態 に達 して い る と考 え られ る。 この よ うに. 9〜12に それ ぞれ植 生 区間 図‑ お よび 非植 生 区間 に. 群 落 上 流 端 か らの流 速 分布 の遷 移 は 単調 で は な く,. お け る流速uお よび レイ ノル ズ応 力 の鉛 直分布 の縦断. 幹 ・樹 冠境 界 の遷移 と底 面付 近 の変化 の2種 類 が あ る こ とがわ か る。. 変化 を示す。ただ し比較 しや すい よ うに,x=400cmの. 実際,平 面2次 元 流 にお け る 自由せ ん 断層 の発 達 に. 測 定結果 は両方 に載せ た。 9を 見 る と,x=125cmで 図‑ 群 落 内 を平衡 状 態 で流れ. は,せ ん断層 幅 の7〜8倍 程 度 の流 下距離 が必 要7)8)で. て いた流 れ が群落 下流 端 に近づ くにつれ,樹 冠 部 で は. あ り,今 回 の場合 それ は25cm程 度 とな る。す なわ ちx =335cmま で の流速 分布 の変 化 は 自由せ ん断層 の発 達. 流速 が若 干 下が り、 その分,幹 部 の流 速 が増加 して い. に よる もの で あ り,そ れ 以 降は底 面せ ん 断層 に よる も. で は,水 面付 近で 逆流 が生 じて い るのが わか る。. る。そ して群 落 下流端 か らす ぐ下流 の地 点(x=415cm) これ は,群 落端 よ り下流 で は樹 冠 の大 き な流 水 抵抗. の とい える。. が な くな るため に,樹 冠背 後の領 域(z=7cm以. 7は 植 図‑ 生 区間 にお ける レイ ノル ズ応 力‑u'ω'の. 上)が. 鉛 値分布 の縦 断変化 を示 した もので あ る。 これ をみ る とx=315cmで は,流 速 分布 にあれだ け顕 著 な変化 を. 幹部 を通 って きた 高速 流 の剥離域 とな り,こ れ に よっ. 見せ て い なが ら,レ イ ノル ズ応 力 は さほ どの変 化 を見. に よ って逆流 が発 生 し,そ の影響 で群 落 下流端 付 近で の樹 冠 の 流速 が低 下 した もの と考 え られ る。 写真‑2. せ てい ない。 これ は,群 落 上流端 で の流速 の変 化が,. て大 きな渦運 動 が生 じてい るた め であ る。 この渦運 動. 樹冠 と幹部 との流水 抵抗 の相 違 に よる もので,流 れ や. に,こ の付近 の可視 化 した 流況 を示す 。水 面付 近 まで. す い幹 部 に流れ が集 中す る際 に下降流 が生 じ,こ れ に. に達 す る大 きな渦 運動 が確認 で き る。 染料 に よる可視. よ り運 動量 が幹 部 に輸送 され て きた もの と考 え られ る。 そ の後 は群 落 上流端 で形 成 され た 自由せ ん断層 が発 達. 化 か ら,こ の剥離域 は群 落 下流端(x=400cm)か らx =450cm付 近 まで伸 び ていた。これ は樹冠 水深(約5cm). して,x=495cmの. のお よそ10倍 に相 当す る。. 平衡 状 態で は,ケ ー スAlと 同程度. また図‑10を. の ピー ク値 を持 つ に至 るの がわ か る。. 見 る と,群 落 下流 の流速 分布 は,な か. 8は,樹 冠 と幹 部 との界 面抵 抗係数fiの 図‑ 縦 断変化. な か一般 的 な開水 路 のそれ には 回復 しな い。今 回 の実. を示 した もの であ る。群 落上 流端 で はす でに樹 冠 と幹. 験 で は完 全 に回復す る ところま で確認 す る こ とが で き. 部 との流速 差 は顕著 で はあ るが,レ イ ノル ズ応 力が発. なか った。群 落上流 部 の流速 分布(ケ ースAl)は,50cm. ―812―.
(7) 図‑9流. 下方 向流 速(ケ ー スC1植. 図‑ 11レ. イ ノル ズ 応 力(ケ. ー スCl植. 生 区間). 図‑ 10流. 生 区 間). 図‑ 12レ. 下方 向流速(ケ ー スCl非 植 生 区間). イ ノル ズ 応 力(ケ. ー スCl非. 植 生 区 間). もあれ ば遷 移 が完 了 したの に対 して,群 落下流 部 は1m. 直 分布 の縦 断変化 を示す。x=125cmで の平衡 状 態で は. で も足 りない。 平 面2次 元 流にお ける 自由せ ん断層 の 消 失 に は,せん 断層 幅 の10〜15倍 程度 の流 下距 離 が必. ケ ー スAlと ほ ぼ同 じ分布 で あ るが,群 落 下流端(x =400cm)に 近 づ くにつれ ,そ の負 の ピー ク値 が よ り顕. 要 で あ り7),今 回 の場 合それ は40〜60cm程. 著 に な り,1.5倍 以 上 に もな る。. 度 とな る。. 本研 究 の結 果 に よれ ば,鉛 直2次 元流 の 自由せ ん断 層 の消失 には平 面2次 元流 の2倍 以 上 の流 下距離 が必 要. も大 きな乱れ が生 じて,負 の ピー クか ら水 面で のゼ ロ. で あ る こ とにな る。 これ は,平 面2次 元流 で は群 落 の. 値 ま で直線 的 な変 化 を示 して い る。. 下 流側 で も流れ 全体 に底 面摩擦 が大 き く影響 してい る の に対 して,鉛 直2次 元 流 では群 落 の下流側 で は顕 著. 群 落端 よ り下流 にな る と,特 に樹 冠 下流部 で レイ ノ ル ズ応 力が さ らに増 大 した後,徐 々に減 少 し,底 面 に. な抵 抗 体 がな いた め,流 れ を大 き く変 え る要 因 が ない. 近 い部分 か ら一般 の 開水路 の分布 へ と回復 して い くの. た め と考 え られ る。 レイ ノル ズ応 力 もま た大 き く変化 す る。図‑11,12. が わか る。ち なみ に,x=415cmに. 速 分 布 に対数則 を 当ては めて,底 面 での摩 擦応 力 を求. に植 生 区間 お よび非植 生 区間 での レイ ノル ズ応力 の鉛. めた ところ,底 面 付近 の レイ ノル ズ応 力 の測 定値 とお. ―813―. 群 落 端 よ り下 流 にな る とす ぐに,樹 冠 背 後の領 域 で. お け る底 面 付近 の流.
(8) 写真‑2群. 落 下流 端 に発 生 した渦. 図‑13界. お よそ一致 す るもので あ った。. 面抵抗 係数(ケ ー スC1). に近 づ いて い く。. 図‑13は 群 落 内 で の樹冠 と幹部 との 界面抵 抗 係 数 の縦断 変化 を示 した もので あ る。fiは 縦 断方 向に ほぼ 一定で ,A1と おお よそ 同 じ値 を とるの がわ かる。レイ. (5)群 落 の 上流端 直 後 での レイ ノル ズ応 力 は,下 降流 に よ る運 動 量輸 送 のた め,さ ほ どは 大 き くはな い. ノル ズ応力 自体 は群 落 下流端 に近 づ くにつれ て増加 す. 流端 の ご く近傍 を除 い て,界 面抵 抗係 数 は等 流 の. るの に対 して,樹 冠 の流 速 が若干 低 下 し幹 部 の流速 が 若 干増 加す るので,式(6)か らわ か るよ うに,両 者 の変 化 がfiの 変化 を抑 えてい る もの とい える。. が,下 流 にい くにつ れ てすみ や か に増 加 す る。 上 場合 と同 じ値 を とる。 (6)群 落 の 下流端 付近 で は,若 干 な が ら樹冠 で の減 速, 幹部 で の加 速 が見 られ る。 これ は樹冠 背 後 に生 じ る逆 流域 の影 響 に よる。. 4.お. わ りに. (7)群 落 端 よ り下流 で は,樹 冠 の背後 の領 域 が,幹 部 を通 って きた流 れ の剥離 域 とな り,そ こで大 きな. 本研 究 では,高 木 群落 の よ うに流水 抵抗 が鉛 直構 造 を持つ 場合 の流 況 を,一 様 な群落 内部,群 落上 流端 周 辺,群 落 下流端 周辺 の3通 りにつ い て調 べた。 そ の結 果 得 られ た知 見は以 下 の通 りで あ る。. 渦 運動 が生 じる。 剥 離 域 の長 さは樹 冠 水 深 の10 倍 程 度 に もな り,水 面付近 で は逆流 が生 じる。 (8)群 落 の下 流 におい ては,樹 冠背 後 の領域 で 大 きな レイ ノル ズ応 力 が発 生す る。 た だ し群 落 内 にお け. (1)高 木 群 落 の 内部 では,樹 冠 で の遅 い流 れ と幹部 で の速 い流れ との 間 に顕著 な 自由せ ん断 層 が形成 さ. る樹 冠 と幹 部 との界 面抵 抗係 数 は,等 流 の場 合 と. れ る。 樹 冠 の流速 は 固有 浸透流 速 に ほぼ等 しい。. (9)群 落 端 よ り下流 側 で は,も との開水 路流 れ の流況 に回復 す るに は,群 落 上流端 で の遷 移 に比べ て,. 幹 部 の流 速 は,樹 冠 と幹部 との界 面抵 抗 の影 響 が 大 きい。 (2)高 木群 落 の 内部 の レイ ノル ズ応 力 は,樹 冠 ・幹 部 界 面付 近 で負 の 大 きな ピー ク を もつ。 この界 面抵. ほぼ 同 じ値 を とる。. 極 め て長い 距離 が必 要 とな る。 平 面2次 元流 と比 べ て も2倍 以 上 の流 下距離 が必要 とな る。. 抗 は,両 者 の流速 差 の2乗 に界 面抵抗 係数 を乗 ず る こ とで定式 化す る こ とが可 能 で あ る。 この係 数 の値 は,開 水 路 にお け る横 断 方 向の 自由せ ん 断層 の抵抗 係 数 とほぼ 同 じて,樹 冠 と幹 部 の流速 比 に よって決 ま る。. 1) 河 川 環 境 管 理 財 団 ・河 川 環 境 総 合 研 究 所 偏: 河 川 の 植 生 と河 道 特 性, 1995. 2) 福 岡 捷 二: 洪 水 の 水 理 と河 道 の 設 計 法― 治 水 と環 境. (3)群 落 の 上流側 で は,植 生抵抗 に よる堰上 げ の影響 が流 速分 布 に も現れ,群 落 に近 づ くにつ れ て,水 面付 近 か ら減速 が 始 ま り,幹 部 の 中央部 分 の流速 が増 加す る。. の 調 和 した 川 づ く り, 森 北 出 版, 2005. 3) 岡 部 健 士, 湯 城 豊 勝, 児 島 眞: 植 生 を伴 う河 床 上 の 掃 流 砂 量 に 関 す る研 究, 水 工 学 論 文 集, 第41巻, p.851‑856,. (4)群 落 の上流 端 を通過 した流れ は,た だ ちに樹 冠 で 大 き く減速 され,そ の分 だけ幹 部 は速 くなる。 こ れ に ともな って群 落上 流端 周辺 には顕 著 な下降流 が発 生 す る。流 下す る に伴 い,幹. 参考 文 献. ・樹 冠境 界の 自. 1997.. 4) 井 上 貴 之, 岡 部 健 士, 濱 井 宣 明, 湯 城 豊 勝: 樹 木 状 の 植 生 を 伴 う河 床 上 の 流 れ と掃 流 砂 量 に 関 す る研 究, 水 工 学 論 文 集, 第43巻,. pp.677‑672,. 1999. 5) 湯 城 豊 勝,岡 部 健 士, 濱 井 宣 明: 樹 木 状 植 生 を持 つ. 由せ ん断層 が速 や か に発達 し,そ の後,底 面せ ん. 河 床 上 の 流 れ の 乱 流 構 造 とそ の 数 値 解 析 法,. 断層 が ゆっ く りと発達 して,平 衡状 態 の流速 分布. 論 文 集,第45巻,. ―814―. p. pp.847‑852,. 2001.. 水 工学.
(9) 6) 湯 城 豊 勝, 岡部 健 士: 樹 木 状 植 生 を持 つ 河 床 上 に お. 11 ) 関 根 正 人, 浦 塚 健 史: 側 岸 部 に 交 互 に 繁 茂 す る植. け る 浮 遊 砂 濃 度 の 形 成 機 構, 水 工 学 論 文 集, 第46巻,. 生 群 落 に よ っ て 生 成 され る 流 れ と河 床 形 状 に つ い て, 水 工 学 論 文 集, 第44巻,. pp.701‑706, 2002. 7) 福 岡 捷 二, 藤 田光 一, 平 林 桂, 坂 野 章: 樹 木 群 の 流 水 抵 抗 に つ い て, .335‑340, 8). Chen,. F.Y &. with pile dikes, 第39回. 集,. pp.767‑772,. turbulent flows. 10). 春 日屋 伸 昌:. II‑30, pp.79‑88,. 1995.. 井 上 慎 一, 池 田裕 一: 風 速 測 定 に よ る 河 道 内 高 木. 群 落 の 抵 抗 係 数 の 推 定 に 関 す る基 礎 的 検 討, 第33回. 水 理 講演会 論 文. 関 東 支 部 技 術 研 究 発 表 会 講 演 概 要 集CD‑ROM, 14). 中 川 博 次: 直 立 性 植 生 層 を 伴. pp.35‑44, 流 量 測 定,. 15). 1992. コ ロ ナ 社,. 2006.. 石 川 忠 晴: 拡 散 型 非 線 形, 流 体 の 非 線 形 現 象, 朝. 倉 書 店, pp.39‑66,. う流 れ 場 の 数 値 計 算 に 関 す る 研 究, 土 木 学 会 論 文 集, No.447, II‑19,. 福 岡 捷 二, 渡 辺 明 英, 上 坂 恒雄, 津 森 貴 行: 低 水. 会 論 文 集, No.509, 13). in. 1995.. 清 水 義 彦, 辻 本 哲 郎,. 2000.. 路 河 岸 に 樹 木 群 の あ る 河 道 の 洪 水 流 の 構 造, 土 木 学. pp. Ikeda, S.: Developing. channels. 12). 水 理 講 演 会 論 文 集,. 1987.. open. 9). 第31回. pp.813‑818,. 1992.. 池 田駿 介: 詳 述 水 理 学, 技 報 堂 出版, pp.266‑281,. 1999.. pp.123‑133,. 1990.. (2008年4月14日. ―815―. 受 付).
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