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1 による河川の数値シミュレーション Version2.0 概要案内 北海道大学工学研究院環境フィールド工学部門水工水文学研究室清水康行 Copyright Project 年 9 月 6 日豊平川幌平橋より上流を撮影 2 1

2 Copyright Project. 3 昭和 56 年 8 月 6 日石狩川江別市美原地区の破堤浸水 ( 北海道開発局 ) 4 2

3 1995 年 7 月関川 新潟県新井市美守 十勝川水系音更川 ( 帯広開発建設部 ) 3

4 プロジェクトについて River Interface Cooperative 国際的な河川の情報をやりとりするための共同体 Copyright Project. 8 4

5 プロジェクト発足の背景 行政 財政の効率化 説明責任 より効果的に事業の効果を見たい, 見せたい 河川研究者 学生 モデル開発 デバック 検証 解析 数値実験 河川の実態 予測 効果をより分りやすく見る 示す 気候変動等による防災に対する不安 分りやすい説明により安心したい 事業の効果 影響を知りたい市民 より簡単により速くより分かりやすくより正確 研究成果 技術 知見の蓄積 更新 提供 公開 現場への技術適用等 設計 デザイン 予測 評価 河川技術者 Copyright Project. 9 Interface developed by USGS for FASTMECH MD_SWMS Interface developed by HRDPRC for NAYS RIC-NAYS 1.0 ( 現行バージョン ) FASTMECH, NAYS2D, MORPHO2D, STORM 2.0 ( ほぼ完成 ) Nays3D, Nays_Flood, Delft3D, River2D.. 合流点 氾濫流 ( 複数の流入源 ) 河岸侵食 混合粒径 5

6 プロジェクト 研究会 ( 日本 ) 大学の研究者 土木研究所 財団法人 コンサルタント IT 会社 USGS( 米国 ) イリノイ大学 Dltaras( オランダ ) トレント大学 ( イタリア ) TELEMAC( フランス イギリス ) とは? 河川の流れと河床変動計算の解析およびプレ ポスト用フリーソフト RCEM

7 RCEM Nays2D 平面 2 次元流れ 河床変動計算 Nays2D Flood 氾濫解析 NaysCUBE 3 次元流れ解析 Morpho1D 2D 混合粒径河床変動モデル 津波モデル Nays2DV 鉛直 2 次元計算モデル H X mas Ver. リリース済み 全てが同じプラットフォームで動きます 14 Copyright Project. 7

8 不等流計算 これまで 計算は単純 水位がメイン シミュレーション 複雑な計算が容易にできる 局所的な検討も可能 ビジュアル的にわかりやすい Copyright Project. 15 計算例 1 最も単純な計算 石狩川中流部の平面 2 次元流れの計算 地形データ : 定期横断測量データ使用ソルバー :Nays2D 大横断測量データで計算は可能! Copyright Project. 16 8

9 データの読み込み 格子をつくる 横断データを整理して で読み込む 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 Copyright Project. 17 データの読み込み 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 分割数を指定するだけで自動メッシュ化します 計算結果を表示 Copyright Project. 18 9

10 データの読み込み 流量 粗度係数などをメニューで設定 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 Copyright Project. 19 データの読み込み 計算実行 ボタンで計算スタート 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 Copyright Project

11 データの読み込み 格子をつくる 計算条件を設定 計算実行 計算結果を表示 Copyright Project. 石狩川中流部の計算例 21 11

12 Example of output (Appetsu River) 2003 年北海道厚別川の氾濫シミュレーション 12

13 赤無橋 About 5 km upstream from the mouth, the Atsubetsu River, 6 Aug

14 2003 年北海道厚別川の氾濫シミュレーション Analysis area B 13KP 14KP Mizuho bridge Azuma bridge A Minami ichijo bridge Repaired Forest B Repaired Forest C Repaired Forest A 14

15 札幌市豊平川の樹木を含む出水時流れのシミュレーション 札幌市豊平川樹木の繁茂度の違いによる洪水時の流況比較 15

16 サモア国アピア市における都市型水害のシミュレーション ベトナムレッドリバーにおける洪水シミュレーション 32 16

17 Flow and morphologic change with FastMech Knik River By Jon Nelson アメリカアラスカ州 Knik 川の河床変動 Visualize the result on RCEM2011 Case1(Not considered inflow from tributary) The vectors indicate that the flow in the tidal flats forms vortexes and the flow regime calculation did not converge. Velocity (m/s) Vector & Velocity contour 34 17

18 Visualize the result on RCEM2011 Case2(Considered inflow from tributary) the centroids of the Kokuba and the Noha smoothly merge, passes over the tidal flat at a velocity exceeding 1 m/s. Velocity (m/s) Vector & Velocity contour 35 Visualize the result on RCEM

19 沖縄県那覇市国場川と野波川合流点の流況シミュレーション 37 忠別ダムとその上流部 渓流 (1/13) と急勾配河川 (1/50-1/70) からなる変化に富む地形 Google Earth, download 2011 年 8 月 24 日撮影北海道開発局提供 2011 年 8 月 24 日撮影北海道開発局提供 2 つの重大被害箇所 ( 左 : 上忠別橋アバット部洗掘, 右 : 道路洗掘 ) 19

20 流量 (m3/s) 再現計算結果 計算開始 8/23 22 時 流量ピーク 8/24 4 時 20 分 ( 計算開始 6 時間 20 分後 ) 水深コンタ図 ( 動画 ) M/ 標準 M/ 標準 M/ 標準 M/ 標準 M/ 標準 M/ 標準 ピウケナイ川 M/ 標準 時間 (hr) 忠別川 流量ハイドログラフ H22 River 年度 Interface 8 月大雨 Corporative 災害調査委員会 北海道 H18 航空写真 再現計算結果との比較 侵食箇所 河岸侵食箇所 流路の形成 上忠別橋陥没箇所 - 河岸侵食 - 2m の河床低下 第 4 回平成 22 年 8 月大雨災害調査委員会資料北海道 計算結果 侵食域 0.5m 以上 流路の形成 2m 以上の侵食 2m 以上 H18 航空写真 20

21 音更川 2011 年 9 月 速報版 2011 年台風 12 号音更川の計算 21

22 越流破堤の研究 十勝川 43, 千代田新水路 年 4 月 28 日の越流破堤実験 22

23 平面二次元モデルによる計算 45 ( 禅野ら,2011) さらに 機能もどんどん追加されています 1 低水路と高水敷を分けてメッシュを作成できます Copyright Project

24 さらに 機能もどんどん追加されています 2 作業レイヤーの半透明化で編集機能がアップ Copyright Project. 47 さらに 機能もどんどん追加されています 3 マルチビーム測量データから河床を 3 次元表示 Copyright Project

25 さらに 機能もどんどん追加されています 4 DEM データから作成された標高データの鳥瞰図表示 Copyright Project. 49 Copyright Project

26 Rivers meander Ob River 26

27 Ob River ロシア国オビ川の自由蛇行のシミュレーション 27

28 10/25 岩手県陸前高田 Before 日本百景高田の松原 資料 : 東北開発建設部 28

29 10/25 岩手県陸前高田 After 約 20,000 人の人工のうち 約 2,000 人の死者 行方不明者広い平地 山から遠い 資料 : 東北開発建設部 29

30 Urakawa Contour line Red is 20m level. Tsunami direction Level (s) Time (s) 30

31 Sapporo topography Contour line Red is 8m level. Tsunam i directio n 31

32 Full 3D Simulation Engine NaysCUBE & Nays 北海道大学 木村一郎 64 32

33 Agenda Part 1: Nays CUBE の基本コンセプト Part 2: Nays CUBEの主な特徴 Part 3: Nays CUBE 計算事例 Part 4: Nays CLIP ( 鉛直二次元モデル ) Part 5: Nays CUBEの基本操作 ( 時間があれば簡単なデモを行います.) + 65 Part I Nays CUBE の基本コンセプト 66 33

34 基本コンセプト 水平方向を一般曲線座標鉛直方向をシグマ座標実河川の計算のみならず, 開水路実験の再現も対象とする 茨戸川を三次元格子で分割した例 67 NaysCUBE の名前の由来 物理空間 計算空間 一般曲線座標の物理空間を一辺が 1 の立方体 (CUBE) の集まりからなる, デカルト座標の計算空間に変換して, 計算を実行している

35 水面変動の計算方法の分類 境界捕捉法 境界適合法 VOF, MAC method, Density Function Method, etc. 柔軟性が高いが計算負荷大河床変動への適用に課題 計算効率が良く, 実河川の計算に適する. 河床変動への適用が容易 69 障害物や植生の取り扱いが容易 水面振動は運動学的条件で計算河床変動は流砂モデルと河床連続式で計算水没 非水没構造物の考慮水没 非水没植生の考慮 70 35

36 障害物設定を応用した例 複断面開水路 堰 71 Part II Nays CUBE の主な特徴 72 36

37 多彩な境界条件設定 境界条件設定ダイアログ 主流方向 : 通常境界条件, 周期境界条件, 反転周期境界条件横断方向 : 通常境界条件, 周期境界条件, 対称境界条件構造物壁面 : 摩擦考慮, 非考慮 73 多彩な境界条件設定 (1) 1 主流方向の周期境界条件が有効な例 周期境界条件 : 流出部の水理量をすべて流入部に与える周期性を有する現象を一周期分の計算領域で効率よく再現できる. 連続蛇行水路 砂堆 水制群 交互砂州 74 37

38 多彩な境界条件設定 (2) 2 主流方向の反転周期境界条件が有効な例 反転周期境界条件 : 流出部の水理量を左右反転して上流に与える半波長で反転する周期性を有する現象を半周期分の計算領域で効率よく再現できる. 連続蛇行流路 交互砂州 魚道など 75 多彩な境界条件設定 (3) 3 横断方向の周期境界条件が有効な例 周期境界条件 : 流出部の水理量をすべて流入部に与える周期性を有する現象を一周期分の計算領域で効率よく再現できる. 横断方向連続構造物 三次元砂堆 76 38

39 多彩な境界条件設定 (4) 4 横断方向の対称境界条件が有効な例 対称境界条件 : 左右が対称な流れ場の対称軸を境界とし, 鏡面反射させる境界条件で, 計算を効率化左右岸の一方, あるいは両方に設定できる. FLOW 左岸対称境界条件 FLOW 半分の領域だけで計算 77 多彩な境界条件設定 (5) 植生密生域の平衡区間を反転周期境界条件と対称境界条件の組み合わせで表現した例 78 39

40 計算スキーム 乱流モデルなど 移流項スキーム ( 計算精度を大きく左右する ) 一次風上スキーム ( 安定, 低精度 ) 三次 TVD-Muscl スキーム ( 高精度 ) 乱流モデル ( 二次流や非定常現象, 剥離などを再現する上で重要 ) 標準型線形 k-ε モデル ( 安定, 低精度 ) 二次非線形 k-ε モデル ( 高精度, 時として不安定 ) 時間積分 : 二次アダムス バシュフォース法 圧力計算 : 動水圧を考慮した HSMAC 法 79 河床変動の計算方法 現バージョンは掃流砂のみに対応 ( 後述の鉛直二次元ソルバー Nays CLIP では浮遊砂にも対応 ) 掃流砂量モデル ( 通常は, 主流方向の河床勾配の影響を考慮した Kovacs-Parker モデルを推奨 ) MPM (Mayer Peter Muller) モデル 芦田 道上モデル Kovacs-Parker モデル 河床変動に関する計算条件設定ダイアログ 80 40

41 Part III Nays CUBE 計算事例 81 事例 1: 某河川の湾曲部の流れ 流れのみの計算第一種二次流の再現 82 41

42 事例 2: 連続蛇行部の河床変動 (1) 初期河床 : 平坦周期境界条件 : 無限に連続する蛇行河川における河床変動河岸形状 : サインジェネレイティドカーブ 83 事例 2: 連続蛇行部の河床変動 (2) 84 42

43 事例 2: 連続蛇行部の河床変動 (3) 流れの剥離が再現されている 河床変動と水面変動 t=300sec の形状と流線 85 事例 3: 植生密生域の流れと河床変動 FLOW 簡単のため角柱でやってみる

44 事例 3: 植生密生域の境界条件設定 87 事例 3: 植生密生域の流れと河床変動 ( 動画 ) 88 44

45 事例 3: 植生密生域 (t=13sec) 89 事例 4: 第二種二次流 ( 縦筋 ) と河床変動 直線水路の二次流再現 直線人工河川 ( 琵琶湖疏水 ) で観察された第二種二次流 Nezu and Tominaga (1993) 河床に流方向に筋状の凹凸 90 45

46 事例 4: 第二種二次流と河床変動 周期境界条件 一様な矩形断面直線開水路を仮定 主流方向の格子洲は,3 セル ( 横断方向 50, 鉛直方向 10) 第二種二次流は乱流の非線形性に起因する現象 乱流モデルは必ず 非線形 k-ε モデル を選ぶ!! 91 事例 4: 第二種二次流と河床変動 周期境界条件 一様な矩形断面直線開水路を仮定 主流方向の格子洲は,3 セル ( 横断方向 50, 鉛直方向 10) 第二種二次流は乱流の非線形性に起因する現象 乱流モデルは必ず 非線形 k-ε モデル を選ぶ!! 92 46

47 事例 4: 第二種二次流 ( 乱流モデルの設定 ) 93 事例 4: 第二種二次流 ( 二次流発達の動画 ) 94 47

48 事例 4: 第二種二次流 ( 河床変動の動画 ) 95 事例 4: 第二種二次流 (t=400sec) 96 48

49 Part IV Nays CLIP ( 鉛直二次元モデル ) 97 NaysCUBE 完全三次元モデル掃流砂のみ計算時間大 Nays CLIP とは 三次元空間から鉛直二次元空間を 切り取る というイメージから CLIP と名付けた. Nays Nays CLIP の特徴 鉛直二次元モデル掃流砂 + 浮遊砂計算時間小 Nays CLIP は Nays CUBE から派生したエンジン 鉛直方向の変化が支配的な現象を軽快に再現する. 現 Nays CUBE に含まれていない浮遊砂モデルを装備 ( 但し,Nays CUBE 次期バージョンは浮遊砂モデル装備予定 ) 98 49

50 Nays CLIP の概要 適用例 : ダムなどの深い流の流動や土砂移動 Dune のような二次元的河床波 堰を超える流れなど スキーム, 乱流モデルなど NaysCUBE と同一 (Nays CUBE のマニュアルがほぼそのまま適用できる.) 計算格子 等幅で, 横断方向の格子数が 1 の格子を用いる. Nays CLIP で用いる格子の例 99 事例 : ダムの浮遊砂堆砂とゲート排出 循環流の発生 浮遊砂の一部はゲートから排出 堆砂の進行 クレストゲート越流時の堤体底部付近の循環流 この渦と浮遊砂がいかなる相互作用?

51 事例 : ダム堆砂 ( 浮遊砂条件設定 ) 101 事例 : ダムの浮遊砂堆砂とゲート排出 計算格子 浮遊砂モデル 板倉 岸モデル

52 事例 : ダム浮遊砂堆砂ゲート排出 ( 動画 ) 103 Part V Nays CUBE の基本操作 ( 時間があればここで簡単なデモを行います.)

53 計算のフロー Step 1: 計算格子の作成 Step 2: 計算条件の設定 Step 3: 計算の実行 Step 4: 計算結果の可視化 実河川の地形を用いる場合 単純な形状を 内で作成することも可能 流量, 計算時間, 河床条件などを設定 計算エンジンが計算を実行します. ユーザは実行ボタンを押すだけです. 計算途中でも, 次の可視化を行うことができます. ベクトル, 流線, 等値面, パーティクル, コンターなどの多彩な描画機能が用意されています. 作業終了 105 おわりに このスライドで示した計算例の計算所要時間は, 事例 1 を除いて,10 分程度以内です.( ノート PC 使用 ) スパコンがなければ三次元計算ができなかったのは完全に過去の話です. ぜひ, この Nays CUBE (& Nays CLIP) を通じて, 三次元計算 ( あるいは鉛直二次元計算 ) にトライしていただけば幸いです