吹雪は煙型雪崩の発生要因の一つとも考えられ，その流動特性を知ることは，固気ニ相流の基本的な 流動特性を把握するばかりでなく，雪崩の発生要因の推定という意味でも興味がある。本研究の目的は、 吹雪粒子の運動を解析し、実際の吹雪を数値シミュレーションするというものである。昨年度の菊池と 福嶋(2002)によって行われていた研究では、吹雪を固気二相流として扱ったが、今回は吹雪粒子一つひ とつに着目し、その飛来する軌跡、地面での衝突、跳ね返り、そして浮遊運動を考慮したスプラッシュ 過程を取り入れ、より現実的な粒子の挙動を再現する。そしてｋ−ε乱流モデルによって再現した変動 流れ場の中で何回も異なる粒径の粒子を飛来させることにより、吹雪の空間濃度分布を求める。それよ り吹雪の特性量である飛雪流量を求め、南極みずほ基地において行われた西村(北大低温研、2001)の計 測データと比較し、モデルの妥当性の検証と、流動特性を明らかにすることが研究目的である。吹雪流 では流速場の他、雪粒子の濃度分布の変化に伴う密度変化もまた乱流構造に影響を与えていると考えら れており、より高度な乱流モデルを用いた数値解析が望まれる。密度変化の影響を考慮した乱流モデル の中ではk−ε乱流モデルが最も普及している。

　現地観測された飛雪流量と一致するまで、様々な密度の密度を用いて計算を繰り返した。その結果、 風速6m/s、8m/s、9.5m/s時の解析によって求められた飛雪流量分布は観測値とほぼ一致した。この時の 吹雪粒子の密度はそれぞれ160kg/m3，290kg/m3，460kg/m3であった。これらの密度は純氷の密度の半分 が460kg/m3であることや、風洞実験の結果で143.9〜259.9kg/m3であることを考えると十分妥当だといえ る。吹雪粒子が真球からいくらかずれていることや、風洞実験で用いられた雪粒子が氷結した雪粒子を 細かく粉砕して篩にかけたものを用いたのに対し、現地観測では自然状態の雪粒子が用いられているこ となどを考えると、これらの密度差は様々な雪粒子の条件の違いを反映しているものと考えられる。

これらの結果から、本研究で用いた数値解析手法によって現地観測の大スケールの地吹雪を再現できた といえる。

日本は国土の大半を山岳地帯が占めている。そのため火砕流や雪崩によって被害の生じる可能性のある 地域が多く存在する。これらを未然に防止するためにはその流動特性を把握し、ハザードマップの作成や 災害防止施設の設計に反映させることが重要である。

火砕流は火山の噴火によって巻き上げられた火山灰，火山れきなどの火砕物が空気中に巻き上げられ、そ れらが重力によって斜面方向に流下する現象である。また煙型雪崩は何らかの原因によって巻き上げられ た雪粒子がその重力によって斜面方向に流下する現象である。

この２つの現象はその流動特性の点において類似した現象であり、特に傾斜面上のサーマル流動に酷似し ている。福嶋らはこの点に着目しサーマル理論を発展させた火砕流や煙型雪崩の理論を提案している。サ ーマル理論と福嶋の火砕流および煙型雪崩の理論は、その概略において同じであるが大きく異なる点がある。 それはサーマルの理論では浮力源が一定に保たれると仮定するのに対して、火砕流および煙型雪崩の理論で は、浮力源すなわち粒子の総量が変化する点である。これは煙型雪崩において、粒子の巻き上げを考慮しな いと、流下方向に対して爆発的に成長する雪崩の流動を表現することができないし、斜面への沈降を考慮し ないと、火砕流や煙型雪崩が緩勾配斜面に到達したときに静止に至る様を説明することができないためである。

しかし福嶋らの理論は火砕流や雪崩の横方向の広がりが一様であると仮定されている。これに対して福嶋・ 早川・備前（１９９３）は、３次元傾斜サーマルの流動特性を明らかにすべく実験を行った。これは、淡水 中に塩水による３次元傾斜サーマルを形成させ、流動機構を調べたものである。これによって、未知数にサ ーマルの横広がりを加えた３次元傾斜サーマルの基礎方程式が提案された。

本研究ではこの３次元傾斜サーマルの流動特性の理論を福嶋らの煙型雪崩の理論に適用し、そのモデル化を 検討した。これにより、３次元地形を入力データとし、火砕流および煙型雪崩の高さ、速度、粒子の濃度、 乱れエネルギー、温度などの他に、その走路や横方向への広がりも解析することが可能である数値シミュレ ータを開発した。またこの数値シミュレータと福嶋らのシミュレーションモデルの解析結果を比較すること で、その違いや特徴を明確にすることが出来た。なお本研究で開発した数値シミュレータでは入力地形デー タとして国土数値情報標準２次メッシュを用いることが可能である。

近年多発している「都市型水害」は、排水処理能力を上回る集中豪雨、中小河川の氾濫、内水氾濫による 浸水、地下空間の浸水、都市機能の麻痺、莫大な被災者数と被害額、という特徴を持つ新たな防災上の課題 となった。平成１３年6月には水防法が改正され、洪水予報を出す河川を都道府県管理の中小河川にも広げ、 指定された河川は、氾濫時に浸水が見込まれる区域とその深さを公表することを義務付けられた。このよう に、洪水の影響予測に対する社会的ニーズは増加していると言えよう。

しかし、現在作成されているハザードマップは大規模な一級河川を対象としていることが多く、市街地を流れ る中小河川を対象としたものは少ないというのが現状である。また、川幅数メートルの洪水氾濫シミュレー ションを数百メートル解像度のハザードマップで評価することは困難である。加えて、洪水ハザードマップに 示される予想水深は越流や破堤による外水氾濫を対象としたものであり、都市型の水害に多く見られる内水 氾濫は考慮されていない。このような点でも、ハザードマップ、特に洪水氾濫シミュレーション技術にはいく つかの課題が残っている。

これらの背景を踏まえ昨年の研究では、マンホール標高データと住区データから新潟県長岡市中心部のDEMを 作成し、微細な地理情報を考慮した地上を流れる氾濫流の洪水氾濫シミュレーションが可能であることが分 かった。本研究では、排水路網の流れを考慮したモデルを構築し、内水による浸水をも考慮した氾濫シミュ レーションを行うことを目的としている。

排水路網の流れの計算では、マンホールと管路の相互関係を表す情報、管路の情報、マンホールの情報を読 み込むことにより、マンホール・管路の相互の位置関係、並びに幾何形状を定義する。その上で、一回の時 間サイクル内に次のような事が行われる。まず各々の管路について開水路非定常流れの式から平均流速と平 均流量を求める。そして全ての管路について諸量を求めた後、今度は各々のマンホール地点について連続の 式から水深を計算する。仮想の排水路網を想定し、このモデルを用いて計算を試み、流れの挙動ならびに管 路網全体に存在する水の量に関して検討した結果、この排水路網の流れのモデルを妥当であると判断した。

また、地上を流れる氾濫流と排水路網の流れとの結合については、各々のマンホールの鉛直方向高さを基準 として、各々のマンホール地点の水深と比較することにより、マンホールから水が溢れ出る場合と、マンホ ールに水が落ち込む場合を判定した。そして、仮想の地形と排水路網を想定し、計算を試みた結果、排水路 網の流れを、地上を流れる氾濫流の計算に反影させることを可能とした。

わが国は、他国と比較して平地が極めて少なく、このため海岸、臨海地域はわが国の社会・経済・ 産業活動において貴重な空間であり、また人々のレクリエーションの場として重要性を増している。 しかしながら、太平洋側は台風の常襲地帯に位置していることや日本海側は冬季の激浪のために常 に海岸保全が重要な課題となっている。例えば波浪による海岸侵食やダム建設による海岸への土砂 供給の減少、海岸自体の地盤沈下等、年々砂浜が減少する海岸が顕著になってきている。このため、 長年海岸保全のために様々な対策が講じられてきた。それらを評価するための手法としては模型実 験および数値シミュレーションが考えられる。近年では、模型実験に替わり数値シミュレーション が重要な位置を占めるようになってきた。本研究では複雑な海岸過程を計算機上で再現し、波動場、 海浜流場、底質移動及び海底地形変化との相互関係を把握すると共に、旧運輸省　第一港湾建設局 新潟調査設計事務所　水理実験場で行われた模型実験の実験結果と本研究で用いた数値モデルの結 果とを比較しモデルの妥当性を検討する。

本研究では、平面波浪場の計算に修正ブシネスク方程式を用い、多方向不規則波を入射波条件として 波動場の数値計算を行った。海浜流の底面流速は、数値計算において代表的な抵抗則であるバルク 公式とマニング公式から求める方法と、微小振幅波理論に基づいた伝達関数から求める方法の２つ の方法によって計算を行った。鉛直平均の海浜流は、波の線流量の1 有義波周期の平均を水深で除 すことによって求めた。底質移動及び海底地形変化の計算は上記に示した方法で求めた海浜流の底 面流速をもとに、各地点における体積漂砂量とその分布を求め、地形変化の計算には底質量保存式 を用いた。これらの過程は全て計算プログラム内の同じ時間ステップ内で評価した。すなわち、波、 海浜流、地形変化の3つがそれぞれお互いに影響を及ぼすことが可能となり、より現実に近い状況を 再現できる可能性が高まった。

以上に示した計算によって得られた結果と模型実験の実験結果とを比較すると、底質の堆積、侵食 の現象に定性的な一致が見られ、これより用いた数値モデルの妥当性は良好であると判断すること ができた。

アメリカ合衆国フロリダ半島西岸は、タンパ湾を挟んで直線状の海岸が広く南北に伸びている。 この海岸は北アメリカでも有数の広大な大陸棚を有し、その規模は沖方向に200km、沿岸方向に 700kmにも及び、大陸棚の海底勾配は4000分の1程度と非常に緩やかである。このフロリダ大陸棚 の周辺環境は、南方にFlorida Keys、北方においては大陸がその広い大陸棚を挟みこむようにし て迫り出し、一帯は閉鎖域となっている一方で、この海域では季節風が卓越しており、時節に よってはこの季節風に駆動されて沿岸方向への流れとともに岸沖方向には循環流が生成され、 海岸付近の海水交換が行われていると言われている。一般に、大洋での主要な生物学的生産活動 は大陸棚上の海域で行われるとされているため、季節風がこの海域の環境に重要な役割を果たし ていることが考えられる。総じて、この海域での風応力に伴う流速や混合などの流れの特性を定 量的に把握することは、とりもなおさず生物学的生産活動や水質環境の保全に直結する海洋環境 上極めて意義のあることと考えられる。したがって本研究では、フロリダ大陸棚上での吹送流に よる流速の鉛直分布を定量的に示した上で、季節風による基礎的循環特性を把握することを目的 とするものである。

本研究では吹送流の鉛直構造を解くにあたり、２次元・定常・線形・密度一様を仮定した基礎 方程式を用い、地形条件は直線海岸を想定したものとした。その際、鉛直渦動粘性係数が一定の 条件下での吹送流モデル、いわゆるEkmanの吹送流モデルと、Madsenによって提案された鉛直渦 動粘性係数が双一次式で表される吹送流モデルの２種について、それぞれ水深、風向、風速を変 化させたうえで両者の流速鉛直分布の比較を行い、相違を考察した。次に双一次モデルについて、 北カリフォルニア大陸棚上の実観測データと比較を行い、モデルの実地形適用に対する有用性を 検討した。この比較結果よりモデルの実海域への適用が可能であることを確認し、フロリダ半島 西岸のCedar Key沖の実地形に双一次モデルを適用し季節風にともなう吹送流流速の鉛直分布を 算出した。これにより、夏期には沈降流をともなう岸沖循環流、冬期には湧昇流をともなう岸沖 循環流が生成され、季節風によって鉛直循環流の形態が異なることを示した。

津波は、一般に海域鉛直方向の地盤変位によって発生する。現在、津波を発生させるモデルとし ては地震断層モデルから計算される海底地盤の鉛直地盤変位がそのまま海水面の変動量になると 仮定して計算することが多い。この地盤変位を計算する地震断層モデルは、断層運動の第１近似 モデルでありさらに地盤の変位がそのまま海面に与えられることを仮定している。一方、地滑り 及びそれに伴う土石流によっても津波は発生する。土石流などの流入によって発生する津波は、 断層運動により引き起こされる津波に比べ頻度は低いものの、歴史的にみてもその規模・被害と ともに大きな事例がある。1792年眉山崩壊によって発生した津波は有明海を伝播し、対岸の肥後・ 天草を襲い多くの死者を出した。しかし、土石流などにより発生する津波の性質は、断層運動に 比べて詳細な検討が少なく、未だ津波発生の力学には不明な点が多い。

本研究では、水槽実験で、土砂の代わりに角度の異なる二つの木製のモデルを使い、側方から流 入する運動量によって、どのように波が発生し、どのように遡上するのか、基礎的な知見を、実 験結果と数値シミュレーションより得ることを目的とする。

実験には、２次元造波水路を使用した。水槽の側面がガラス張りになっているので、ビデオカメ ラを用いた目視による観測と計測器を使った観測の二つの方法で観測した。側方から流入する運 動量を発生させるために三角柱の模型とそれを滑落させるための斜面およびその波の遡上部をコ ンビネーションパネルで作成した。

数値計算は、分散性の波動方程式であるブシネスク方程式を用いて計算を行った。

実験値と計算結果を比較した結果、実験より進入する物体の角度が大きく、物体が重くなるにつ れて、発生する波の波高は大きくなることが明らかになった。また、大きな波高の波が砕波して いく様子が観察された。波の遡上は、発生する波の形ではなく、波高と波速によって大きく影響 されることがわかった。数値計算では、動粘性係数を変化させて数値計算を行うことによって、 実験値と同様の波動現象を得ることができた。

本研究では上層と下層とで密度分布がある流体に流れ込む流体の挙動を知ることを目的としている。 そこで上層水と下層水とで塩分濃度の違いにより密度を変化させ二層界面を作成した。そこに流入 水として中間の密度をもつ流体を流入させ密度流として観察した。

実測値において密度流層厚は流入水と周囲流体、上層水と下層水との相対密度差の大小によって変 化するものと考えられる。相対密度差が大きければ層厚は大きな値となる。また相対密度差が大き ければ層厚の変化量は小さくあまり乱れない。逆に相対密度差が小さければ層厚は時間の経過とと もに大きく乱れ、変化量も大きな値となる。また、密度流先端部移動速度も相対密度差によって変 化する。相対密度差が大きいと移動速度は速く、相対密度差が小さいと移動速度は遅くなる。密度 流先端部の形状は相対密度差が小さくなるにつれて大きくなり、密度流と周囲流体の境界が曖昧な ものとなっている。

実験結果と比較するため、Kaoの理論式を用いた。Kaoの理論式では、周囲流体が上層、下層の水深 が無限に大きいことを仮定し、水の粘性を無視している。さらに、上層と下層との躍層の厚さが無 限小であると仮定した。

Kaoの理論式による値と実測の移動速度の値を比較すると、理論式による値が実測地に比べ大きな値 となる。この理由として、理論解析では無視された、逆流、混合、粘性が実際には先端移動速度に 影響するためと考えられる。水の粘性を無視した場合、中層密度流は二層界面中を滑るように進行 していくことになる。密度流と周囲流体との間に摩擦が生じないために、流速が速くなると考えら れる。逆流が生じると相対的に先端移動速度が小さくなる。密度流と周囲流体が混合すると、大き なエネルギー損失が生じ、また低速の周囲水を連行することにより、先端部の運動量が減少するこ とになる。混合の影響は、中層密度流の相対密度差の変化としても表れることになる。

本研究により得られた結論は、以下の通りである。

１．密度流先端部は流入直後に大きく変動するが、次第に変動が小さくなり、中層密度流の特徴ある 形を保ちながら進行していく。

２．流入水と周囲流体の相対密度差あるいは上層水と下層水の相対密度差が小さくなるにしたがって、 先端部移動速度は減少し、中層密度流の層厚は大きくなる。

今後の課題としてはKaoの理論式で無視された逆流、混合、粘性による影響を考慮するため、中層密 度流の実験を数多く行い、これらの影響を系統的に検討することである。