RIM法を応用したPIV流速計測による河川の乱流輸送過程と樹林化メカニズムの解明

初年度の研究課題として，まず屈折率整合法（RIM）を応用したPIV流速計測による礫河床内部の流れ場の可視化計測に取り組んだ．室内水路において模擬礫床河川を再現し，水と屈折率が等しい低屈折率透明材質である高吸水性ポリマー（SAP）を模擬河床礫として用いることで，従来計測が困難であった礫背後の平均流・乱流構造の計測に成功した．また，実河川における樹林化の要因の一つである礫河床への種子の定着過程を明らかにするために，礫河床近傍および内部における浮遊粒子の挙動と乱流構造の関連についても検討した．模擬河床内部における粒子挙動とその周囲の流れ場の同時計測結果から，乱流の組織構造が浮遊粒子の礫河床への輸送および河床内部からの浮上を引き起こすことが示された．次に，植生群落拡大の要因となる群落周辺への浮遊砂堆積過程を理解するために，植生群落周辺における乱流現象の解明に取り組んだ．植生のパラメータとして植生高さや植生要素の柔軟性に着目し，曲げ剛性の異なる4通りの植生群落周辺の流れ場に対してPIV計測を実施した．その結果から，倒伏高さおよび植生揺動の変化が植生先端付近における鉛直渦および群落外縁における水平渦による運動量輸送過程に影響することが示唆された．一方で，群落近傍における渦構造や二次流の三次元的構造については十分な検討がなされていないほか，植生揺動形態と運動量輸送・浮遊砂輸送との関連についても未解明な点が多く残されている．これらの点についてのより詳細な考察を次年度以降の課題とし，引き続き実河川における乱流輸送現象の解明について水路実験を通じて取り組んでいきたい．

初年度の研究課題として，まず屈折率整合法（RIM）を応用したPIV流速計測による礫河床内部の流れ場の可視化計測に取り組んだ．室内水路において模擬礫床河川を再現し，水と屈折率が等しい低屈折率透明材質である高吸水性ポリマー（SAP）を模擬河床礫として用いることで，従来計測が困難であった礫背後の平均流・乱流構造の計測に成功した．また，実河川における樹林化の要因の一つである礫河床への種子の定着過程を明らかにするために，礫河床近傍および内部における浮遊粒子の挙動と乱流構造の関連についても検討した．模擬河床内部における粒子挙動とその周囲の流れ場の同時計測結果から，乱流の組織構造が浮遊粒子の礫河床への輸送および河床内部からの浮上を引き起こすことが示された．次に，植生群落拡大の要因となる群落周辺への浮遊砂堆積過程を理解するために，植生群落周辺における乱流現象の解明に取り組んだ．植生のパラメータとして植生高さや植生要素の柔軟性に着目し，曲げ剛性の異なる4通りの植生群落周辺の流れ場に対してPIV計測を実施した．その結果から，倒伏高さおよび植生揺動の変化が植生先端付近における鉛直渦および群落外縁における水平渦による運動量輸送過程に影響することが示唆された．一方で，群落近傍における渦構造や二次流の三次元的構造については十分な検討がなされていないほか，植生揺動形態と運動量輸送・浮遊砂輸送との関連についても未解明な点が多く残されている．これらの点についてのより詳細な考察を次年度以降の課題とし，引き続き実河川における乱流輸送現象の解明について水路実験を通じて取り組んでいきたい．