ken09307

仲野　達朗

σ座標系を用いたダム貯水池の数値シミュレーション

細山田　得三

ダム貯水池のような閉鎖性水域では、流れを駆動する力が小さいため、水温躍層（密度躍層）が形成される。この成層化によって富栄養化現象や濁水長期化問題などの水質汚染問題が課題とされている。
この問題の解決策として、成層化の解消、栄養塩類や濁水の流入抑制および効率的な排出が必要である。また、代表的な対策として、循環施設、流入端フェンス、選択取水施設などが挙げられる。これら対策を選定、または評価をする上でダム貯水池の流動を把握する必要がある。そのために数多くの数値シミュレーションが行われてきた。しかし、従来の数値シミュレーションにはデカルト座標系がおおく用いられており、これでは底面を階段状にしか表現することができなかった。そこで本研究では、σ座標系を用いたダム貯水池の数値シミュレーションプログラムの開発をおこなった。
一般に、ダム貯水池は流下方向に比べて、横断方向のスケールが小さいことから、流下方向と水深方向の変化が大きいと考えられる。よって今回は2次元での計算を行った。
σ座標系を用いた数値シミュレーションを行うにあたって、非線形長波方程式をデカルト座標系からσ座標系に変換した。また、デカルト座標系で取り扱う鉛直流速成分と、σ面から見た垂直方向の流速成分との関係式を求めた。
このモデルでは、仮想の循環施設を考え、底面2箇所に計算値よりも密度が低くなるように設定した。また、流出条件と循環施設の位置を変えることで、流動にどのような影響を与えるか確認するため、それぞれ条件を変えた計６ケース計算を行った。
σ座標系を用いたダム貯水池の数値シミュレーションを行った結果、ダム貯水池の成層化を表現することができた。また、循環装置を仮想し底面に密度差を与えた結果、設置位置のよって効果に違いが生じた。上流側に設置した場合、水深が浅く、成層も大きくないためそれほど大きな流動は発生しなかった。一方ダム堤体側に設置した場合、密度の大きな層が厚いため、大きく成層が破壊された。それに伴い、大きな流動が発生することも確認できた。次いで、ダム堤体からの流出を増やして放流状態を再現したところ、放流によって貯水池内に流動が発生することがわかった。ここで、表層付近だけでなくダム堤体側の低層からも流動が発生していることがわかった。

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