水谷怜南

自然河川における河床高と河床勾配の扱い方に関する研究

陸　旻皎，熊倉俊郎，楊　宏選，細山田得三

　本研究は，自然河川における数値解析において，河床高および河床勾配の扱い方が水位計算や河床勾配評価の結果にどのような影響を及ぼすかを明らかにすることを目的とする．河床高および河床勾配は，水面形解析や河床変動評価など，多くの水理解析において基礎的かつ重要な要素であるにもかかわらず，自然河川のように横断面形状が不規則な場合，その定義や算定方法は一意に定まらず，解析結果にばらつきを生じさせる要因となっている．
　本研究では，信濃川の実河川データおよび仮想水路を対象として，代表河床高の複数の定義方法（全断面平均高，最深河床高，国土交通省基準，水理学的代表河床高）を比較し，それぞれが縦断方向の河床高分布および河床勾配評価に与える影響を検討した．
その結果，幾何学的に定義される代表河床高は一意性や再現性に優れる一方で，自然河川の流れの実態を必ずしも十分に反映できない場合があることが確認された．特に，全断面平均高は河床高を高めに評価する傾向があり，最深河床高は局所的な洗掘の影響を強く受け，縦断方向に不安定な分布（逆勾配が頻出）を示すことが明らかとなった．これに対し，水位および流量といった水理量に基づいて定義される水理学的代表河床高（水位−径深，または水位―水深，または水位以下河床平均高）は，流量条件に依存するという特性を有するものの，縦断方向の分布や河床勾配の傾向が比較的安定しており，流れの実態を反映した指標として有効である可能性が示された．常流と射流に分けて横断面が変化する仮想水路でその挙動を調べた結果，常流の場合，水理学的代表河床高は流量によって変わり，流量が大きいほど高く評価される傾向がある（ただし，河床勾配が高く評価されることを意味しない．凸部の上流側では河床勾配が小さく評価，逆に凸部の下流側の河床勾配が大きく評価される）．一方，射流の場合，水位が比較的に小さく，運動エネルギーの影響が強く出て，水理学的代表河床高は流量変化による影響が比較的に小さく，流量に弱依存であることが判明した．また，河川が縦断方向で変わらない規則的な横断面を有していても，等流でなければ，矩形断面を除いて，水理学的代表河床高は水深の変化により変わることが台形断面を用いた計算で示された．しかし，流量が小さいほどその変化が小さくなる．
　以上より，代表河床高は幾何学的代表河床高も，水理学的代表河床高も，一律に定義できる量ではなく，それぞれ一長一短があり，流況条件に応じて，幾何学的および水理学的な代表河床高を適切に選択・解釈することが重要であることを，本研究が示している．