この節の作者: 清水康行 <yasu@i-ric.org>
1次元河床変動計算¶
掃流砂のみの場合¶
1次元流砂連続式(掃流砂)¶
長方形断面水路における1次元流砂連続式を示します.
ただし, \(B\) は水路幅, \(\lambda\) は河床材料の空隙率です.
(236) 式の概念を Figure 84 に示します.図のように \(\Delta x\) 離れた2断面で流砂の 収支を考え,この差が \(\Delta t\) 時間継続した結果, 河床高が \(\Delta z_b\) 変化するとしたものです. 空隙率の考え方は, 流砂量の収支によって生ずる河床変動量の体積は,空隙 \(\lambda\) も含んで堆積(浸食)する ことを考慮したものです.

Figure 84 : 1次元河床変動概念図(掃流砂)¶

Figure 85 : スタカード格子(1次元河床変動計算)¶
掃流砂量に関する計算格子を Figure 85 のように配置した場合の (236) 式の差分表示は次式のように なります.なお,ここでの \(q_b\) の計算点は Figure 33 の \(u\) の計算点, \(z_b\) の計算点は Figure 33 の \(h\) の 計算点と同じです.
なお, \(B_u\) は \(q_b\) の計算点における \(B\) の値です. また, q_b(i)は各計算点において, (219) 式や (220) 式で求め, これら流砂量式で使用される \(\tau_\ast\) は (207) 式で求めます. ここで, (207) 式で使用される \(I_e\) はマニング式を用いる場合は,
で求められます.
計算手順¶
計算手順は, Figure 35 の最後に (237) 式の河床変動計算を 追加した以下のフローとなります.

Figure 86 : 1次元河床変動計算フローチャート¶
Pythonコード¶
上記計算手順に沿ったPythonコードはこちらです.
https://github.com/YasuShimizu/1D_Flow_and_Bed_Deformation
計算の本体部分はこのレポジトリ内のmain.pyで,ここからこのレポジトリ内に記載された各々の 関数.py が呼び出されるようになっています. 計算条件は同じレポジトリ内のymlファイルで指定するようになっており下記4つの計算条件ファイルが含まれています.
縦断方向中央部のマウンドがある河川の河床変動 : config_mound.yml
縦断方向中央部に狭窄部がある河川の河床変動 : config_constriction.yml
途中で勾配変化点を含む河川の河床変動: config_slope_change.yml
上流から流砂の供給が無い河川(ダム下流)の河床変動: downstream_dam.yml
計算の実行は,例えば上記 1. の計算を実施したい場合はMinicondaのプロンプトで,
> python main.py config_mound
と,引数でファイル名の config_xxxxx.yml でxxxxの部分を指定してやると, その条件が記述されたymlファイルが呼び出されて実行されるようになっております.
計算結果¶
上記の4通りの条件による1次元河床変動計算結果を以下に示します.

Figure 87 : 縦断方向中央部のマウンドがある河川の河床変動計算結果¶

Figure 88 : 縦断方向中央部に狭窄部がある河川の河床変動計算結果¶

Figure 89 : 途中で勾配変化点を含む河川の河床変動計算結果¶

Figure 90 : 上流から流砂の供給が無い河川(ダム下流)の河床変動計算結果¶
浮遊砂による河床変動¶
1次元浮遊砂濃度の連続式¶
Figure 91 に示すように,長方形断面流路中に間隔が \(\Delta x\) のI, II断面を考え, 浮遊砂の連続条件を考えます.

Figure 91 : 1次元浮遊砂の連続条件概念図¶
上記 \(\Delta x\) 区間の見ずの体積を \(V\), 平均濃度を \(<c>\), 平均水深を \(h\), 区間内の平均水路幅を \(B\) ,通過する浮遊砂量を \(Q_s\) とすると,
ただし, \(q_su\) は単位面積単位時間当たりの河床からの浮遊砂浮上量, \(w_f\) は沈降速度, \(c_b\) は河床における浮遊砂濃度です. また,
なので,
よって, (239) 式は
さらに,
したがって,
なお, (245) 式において \(<c>\) と \(c_b\) に (235) 式の関係を用いると,
となります.ただし,
です. さらに,浮遊砂濃度の拡散を考慮する場合, (246) の右辺に 拡散項を付加し,次式となります.
この結果, (248) 式が水深平均濃度の連続式で,これを差分法で計算することになります. (248) 式は, (52) 式で示した, Source項を含む移流方程式と同じ形で, (52) 式における \(f\) を \(<c>\) に, \(G\) を \(D\cfrac{\partial ^2<c>}{\partial x^2}+\cfrac{1}{h}(q_{su}-\alpha w_f <c>)\) に置き換えたものとなり, 本テキストで用いてきたCIP法を用いることにより精度の高い計算が可能です. なお, \(<c>\) の計算では計算点を下図のように \(u\) の計算点の 間に取りますので,新たに \(<c>\) の計算点における \(u\) として \(u_x\) (249) 式のように定義し,これを (246) 式の移流速度 \(u\) として用いて計算に用います.

Figure 92 : 濃度計算点の配置¶
1次元浮遊砂による河床の連続式¶
水深平均濃度 \(<c>\) が求まると,河床における濃度 \(c_b\) も 同時に求まっていることになりますので,河床変動の計算は簡単です.

Figure 93 : 浮遊砂による河床変動模式図¶
Pythonコード¶
上記計算手順に沿ったPythonコードはこちらです.
https://github.com/YasuShimizu/Bed-deformation-with-suspended-load
計算結果¶
上記計算コードを用いて行った貯水地への浮遊砂の堆砂の計算例を Figure 94 に示します. 計算条件は, 河床勾配 \(i=1/700\) , 延長 \(L\) =10km, 川幅 \(B\) =100(m), Manningの粗度係数 \(n\) =0.02, 河床材料の粒径 \(d\) =0.1mm, の長方形断面に流量 \(Q\) = 500m \(^3\) /s が 流下し, 下流端の水位が \(H\) =12mのダム貯水池を想定しています. なお,この計算例は 現場のための水理学(4) -浮遊砂と河床変動- で例題として掲載されている計算例と同じ条件で,計算結果も同じものが得られてます.

Figure 94 : 貯水地への浮遊砂の堆砂の計算¶