フリーソフト・エクセルを使った河川の流量・水位の等流・不等流計算

07 cc0111 - フリーソフト・エクセルを使った河川の流量・水位の等流・不等流計算 流量計算 ソフト

等流計算・不等流計算で、河川の流量を求める

河川など、水路の工事を行うときに、急な増水で川の水位が変化し、工事を中断するかどうかの判断を求められる場合があります。
工事担当者は、どれだけ水かさが増すか、川の水位はどれだけになるか、の計算が必要になります。
このような河川の流量や水深を求めるツールが、等流計算・不等流計算です。

等流計算、不等流計算では計算手法が異なる

等流計算・不等流計算ソフトは、たくさん種類がありますが、どれを使っていいかわかりにくいという問題があります。
また、等流計算、不等流計算では計算手法が異なるため、ソフトを探す前に、河川など水路の状況を調べ、最適な計算手法が含まれた計算ソフトを選ぶことが大切です。

河川の流量・水位の等流・不等流計算のフリーソフト・エクセルは、下記の記事で紹介しています。
河川の流量・水位の等流・不等流計算のフリーソフト・エクセル


また、この記事の後半では、等流計算・不等流計算を使えないときの問題点、等流計算・不等流計算ソフトを使うメリットなどについて説明しています。

河川で起こり得るさまざまな問題とは

河川では急な洪水などで水量が増えたときに、上昇していく水のレベルが、堤防を越えるかどうかが問題となります。
そのような場面では、河川で工事を行う担当者は、どれだけ水かさが増したら堤防の上端まで達するか、また、工事への影響があるかどうかを、早急にチェックする必要があります。

河川の問題を解決する等流計算・不等流計算ツール

河川の幅や断面形状などの情報は図面などが分かっていれば、チェックするために必要なものは、等流計算・不等流計算のツールです。

例えば、川幅20m、堤防の高さ5m、通常深さ1mの河川に、水底は小石が引き詰められているとして、上流から洪水流が流れてきた時に川の水深はどうなるか、というようなことを工事担当者は計算で求めることが必要になります。

この水深を求める計算が等流・不等流の計算で、計算するツールをもっていることと、どの計算方法を使えばよいかの判断ができることが重要です。

急な川の増水時には、堤防を越えて水が流れ災害が起きるということだけでなく、工事資材が流されるなど色々な場面で河川の水量や水深がどうなるかの判断が必要とされます。

こうしたとき、現場担当者にとっては、等流・不等流計算ができるかどうかが課題となります。


河川の流れには等流と不等流があります

川の流れには、定常流と非定常流があります。前者は流量が時間によらず一定の流れで、後者は洪水のように流量が時間とともに変わる流れです。
しかし、非定常流は通常はめったに起こらない現象のため、流れの計算方法は定常流として扱っておけば良いでしょう。

定常流には等流と不等流があり、等流・不等流計算は、河川や水路など開水路の流量や深さを求める計算です。
等流は、深さや傾斜がどこでも同じとなる河川の流れで、水位は流量に比例して変化します。
不等流は、河川の深さと傾斜が河川に沿って変化するような河川の流れで、流量はどこでも同じでも、川の水位は川の場所ごとに異なります。

等流・不等流計算方法

等流の計算方法は、次のような手順です。

・河川の流量は川の断面積と流速の積で求められますが、流速はマニングの式から求められます。
・マニングの平均流速式は、粗度係数の逆数・径深の3分の2乗・水面勾配の2分の1乗、この3つの変数の掛け算の式で表されます。
・粗度係数は河川の底の形状、砂利とか小石、藻など川底の状態で係数が変化し、この値は経験的に決められます。
・径深は川の断面積と断面形状から計算される値で、深さを表すと言ってもいいでしょう。
・次に、不等流の計算は微分方程式で表された式から、河川の長さを少しずつ変え、場所ごとの水位や傾斜を逐次解法で求めます。

等流・不等流計算はエクセル・ソフトが効果的

等流と不等流の計算は、専用のプログラムで作られたソフトもありますが、エクセルを使った計算が便利です。
マニングの式は関数を使って簡単に求められます。手計算でも簡単に計算できますが、断面積・径深などの値は川の形状から計算する必要があり、やや手間が掛かります。

しかし、エクセルで断面積や径深を求める計算式を入力しておけば、半円か台形など川の形状を示すデータを予め決められたセルに入れ込めば、流速や水深など求めたい値が自動で計算されるため、手間が掛かりません。
半円か台形など川の形状を示すデータは、別シートに予め登録されているため、計算ではどの形状かの指定と長さなどパラメータを入力すれだけです。

不等流の計算は、手計算では簡単に計算は難しいのですが、VBAのようなプログラム機能と一体で構築されているため、川の形状を表すデータを入力すれば、連続した数十点の計算を自動で計算し、河川に沿った傾斜や深さが分かります。

さらに、グラフの作成機能を使えば、河川の長さに沿った水深や傾斜の図を描くことができるため、増えた流量に応じた河川の状況の変化が、一目で確認可能です。
このようなエクセルの機能を使えば、河川が変化する状況を工事関係者に分かり易く伝えられます。

 

河川状況を把握できる等流計算・不等流計算ソフトで説明もスムーズに

河川の工事の課題とは

・河川の工事を行うときに必要なことは、水かさが増したときに、水位がどう変わるかなど河川の状況を把握することです。
・河川の水位の変化を把握できるためには、等流・不等流計算ができるかが課題です。

河川の状況を把握できる等流計算・不等流計算とは

・河川は時間が変わっても流量が変化しないという定常状態で解析します。
・定常状態の流れには、等流と不等流があります。
・等流計算で流量を求めるためには、マニングの式で川の水の流速を求めて流量を求めます。
流量が分かれば、水位が計算できます。

等流計算・不等流計算はエクセルを使ったソフトが有効です

等流・不等流計算を行うためには、エクセルを使った計算ソフトを使えば、河川の流量や水位が簡単に求められます。

エクセルはセル間の数値を計算関数計算で求めますが、川の形状を示すパラメータをセルに入力すれば、求める川の流量や水位が自動で計算できます。
川の形状を示すパラメータの値は、事前に表形式で入力された既知のデータから、参照できるため手間が掛かりません。

不等流では、川の位置ごとに水位が異なるため、川の状況を図で表せば、一目で状況が把握できます。
工事関係者への説明もスムーズに行えることが、エクセルを使ったソフトの利点です。

 

 

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