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

ad6a2147 8bdd 4abb a6ae 16291514ba6e - 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 流量計算 ソフト

 

等流計算・不等流計算のフリーソフト・エクセル

等流計算・不等流計算、河川の流量計算のフリーソフトです。
等流・不等流の水深計算・流量計算、常流・射流の計算、粗度係数・粗度係数考慮して計算、河川断面、定形断面等の水深や流量を計算、マニング公式・クッター公式・へーゼンウイリアムス公式を用いて断面の水深や流量を計算、河川高水位流量計算、河川低水位流量計算、河川水位流量年表の作成、河川定期横断測量と水理計算、河川縦断図と河川横断図の作成などのフリーソフトが、ダウンロードできます。

EXCEL 等流・不等流計算II

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小水路から大河川までの断面設計が行える、等流・不等流計算ブログラムです。流量・粗度係数は測点ごとに設定可能で、各辺の合成粗度係数考慮して計算できます。断面は矩形・U型・複断面・円形及び任意座標で自由設定ができます。水位縦断面図により流況を把握できます。

等流の計算

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河川断面、定形断面等の水深や流量を計算します。水深、流量計算は、マニング公式、クッター公式、へーゼンウイリアムス公式を用いて各断面形状ごとに求めます。余裕高は、「土地改良事業計画設計基準 設計『水路工』」に準拠し、水深及び流れの型に基づき算出します。

一般水路の等流計算ソフト「せせらぎ3」

一般水路の等流計算ソフト「せせらぎ3」0 - 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

単・複断面、円形、ホロ形、馬蹄形の等流計算を行います。マニング公式やガンギレー・クッター公式により、流計算を行うもので、流量・勾配等から水深を一発算出できます。当然その逆も可能です。

一般断面等流計算ソフト「I-Flow」

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マイクロソフトエクセルを利用した、一般河川に代表される任意断面の等流計算ソフトです。等流計算はマニング公式を使用しております。粗度係数が潤辺毎に設定可能となっており、合成粗度を用いた断面一括の計算と、潤辺毎の計算ができます。


河川流量計算のフリーソフト・エクセル

高水位流量計算システム

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一般に、河川の流量は直接計測することができないため、河川の流速を計測し、それに横断面積を乗じて流量を算出します。このシステムでは、河川の洪水時の流量を観測します。観測方法としては、一般的な浮子法を用います。

低水位流量計算システム

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河川の平常時の流量を観測するためのシステムです。流量観測所は、水流が乱れないこと、水流が急激又は緩慢過ぎないこと、流路及び河床の変動が少ないこと、渇水時においても観測が可能なこと、観測の際危険が少ないことに注意して設置します。

水位流量年表作成システム

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河川の水位を定量的に計測し、観測値より流量年表を作成するシステムです。流量観測には、流速に水位から求めた断面積を乗じて流量を求める方法と、堰の越流水位から越流公式により流量を求める方法があります。適切な方法が用いられます。

O dan

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河川定期横断測量データの修正・加工・水理計算プログラムです。「河川定期縦横断データ作成ガイドライン」に基づく横断測量成果を表示して、修正又は加工したり、それらのデータを用いた水理計算の実施等、河川計画業務を実施するために必要となる情報を算定します。

河川縦断作成 プログラム KJ

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河川縦断と簡単な横断図が描けるソフトです。Judan99と同じ操作性で河川縦断が描けます。フリーウェアですが機能制限があり、シリアルナンバーを登録するまではデータの保存ができません。登録は無料です。

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。

河川における等流と不等流の違い

河川の流れには、非定常流と定常流があります。非定常流は時間とともに流量が変化する流れで、定常流は時間に関係なく変化せず、流量が安定に流れる河川の流れ状態です。また、定常流には、不等流と等流があります。等流は流量が一定に流れるとき、不等流は流れとともに水深や流れの断面積が変化する流れです。河川では、河川の傾斜によって流速の大きさが決まり、また、水深でも流速が変わります。さらに、川底に溜まった砂利や石、藻などの抵抗によっても流速が変化します。
等流の流速は、マニングの平均流速公式で求められます。この式では、流速は、河川の流れの径深の2/3乗、傾斜の平方根に比例し、河川の粗さを示すマニングの粗度係数に反比例することを表します。一方、不等流の流速を求め方は計算が複雑になり、流れの運動方程式と、流体の持つエネルギー保存則から求められます。
流れを解析する方法には、流れの方向のみに変化する一次元、流れ方向と川幅の方向に変化する二次元、二次元に加え水深も変化する三次元について解析法があります。河川の流速や流量を求めるときは、流れの状況が何次元で解けば良いかを見極め、解くことが必要です。

管内の水流に圧力が作用する管水路の流れ

管水路の流れは、管内の水流に圧力が作用して、圧力差によって流れが発生します。管水路と開水路、定常流と非定常流、等流と不等流についての検討が必要になります。時間の経過に影響して、変化する流れを非定常流といいます。

水流は、水に作用する重力に影響されます。開水路では、断面の形状、流積、水路の勾配が全区間において一定な場合に発生する流れになります。上水道管や水力発電用の水圧管など、壁で囲まれた管の中を水が充満して流れるケースを、管水路の流れといいます。

河川や用水路など、大気に接して自由表面をもって流れるものを開水路の流れといいます。水の流れを考える場合の水理の基本事項は、定常流、等流について理解することが重要になります。開水路においては、水門の急激な開閉時により生じる水の流れ、こう水、波などが非定常流になります。

 

水路の水理設計は、水路組織内の各施設の適切な通水機能を確保するため、基本設計において定めた水路組織の基本的な条件及び諸元に基づき、各施設の水理的な一貫性を保持するように努めなければならない。
水路の水理設計は、設計流量のほか、それ以外の流量が流下したときの状況についても検討しなければならない。設計流量以外の流量とは、用水路にあっては最多頻度流量及び最小流量、排水路にあっては低水護岸等を検討するための流量、その他重要施設に支障を及ぼすことが考えられる流量のことである。
水路設計における水理的な一貫性の確保は、この基準の基本的な考え方の一つである。しかし、ここにいう一貫性とは、統一的な機能性、安全性及び経済性を確保する観点から一貫した技術判断が行われることを意味している。
水路の水理設計は、設計流量を対象として水理的に目標とする設計水位を確保するほか、水路組織内の各施設が所期の目的と機能を十分に発揮できるように設計流量以外の流量に対しても検討すべきことを明らかにしている。

時間の経過、場所の変化に影響される水の流れ

水の流れは、時間の経過、場所の変化に影響されます。断面により変化する流れを不等流といいます。等流は、管水路では、断面の形状、流積が一定で、水路が直線の場合に生じる流れです。

定常流において、水路のどの断面においても流積・流速の等しい流れを等流といいます。管水路では、水力発電所で発生する負荷の変動によるサージング、水撃作用などがあげられます。水流の断面の流速、流積、流量が、時間の経過に影響しないで変わらないような流れを定常流といいます。

断面が管状であっても、水が充満しないで自由水面をもつケースは、水理計算では開水路の流れと取り扱います。管水路・開水路ともに部分的には等流としてみなしても影響のないケースが多いです。

余裕高を決定する要因

余裕高は、原則として、以下の各要因に対する余裕高を合計して決定する。
① 粗度係数の変動
② 流速水頭の静水頭への変換の可能性
③ 水路に発生する水面動揺

① 粗度係数の変動
水路表面の粗度係数は、実験結果に照らしても水路の施工、配置等によりかなり幅広く変動している。可能性のある変動に対して、全量を余裕高として与えれば安全であるが、発生の可能性、変動の幅等の不確実性から、コンクリートライニング等に対して、n=0.001 程度の変動を加味している実例もある。これによる必要な余裕高は水路の材料、断面形等によっても異なるが、コンクリート水路の場合、水深の5~7%程度となるのが通例である。

② 流速水頭の静水頭への変換の可能性
流速水頭の静水頭への変換は、水路の障害物への衝突や断面の急変等によって引き起こされるが、水路の状況により流速水頭のO~100%の範囲で変動することが予測される。したがって、本基準では、水路の状況に応じ50~100%の変動を考慮することとする。

③ 水路に発生する水面動揺
水路中の流れは、ゲート、落差工、急流工、ポンプ場等の水路中の構造物、風等により波動を起こし水面を動揺させる。水面動揺の程度は、水路中の構造物の配置、風向と水路の関係、水面幅、水深及び流速等によって変化するが、普通10~30cm 程度と考えることができる。したがって、水路の状況に応じ、その半波高として5~15cm を水面動揺に対する余裕として付加する。

参考文献:「土地改良事業計画設計基準・設計 水路工」

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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