iRIC version2.0 iRIC による河川の数値 ...ws3-er.eng.hokudai.ac.jp/yasu/iric/20120124/shimizu_2.pdf2012/1/25 3 iRIC version2.0 International River Interface Corporative iRIC

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1

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www.i-ric.org International River Interface Corporative

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1

Copyright iRIC Project.

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

iRICによる河川の数値シミュレーション iRIC Version2.0 概要案内

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2011年9月6日豊平川幌平橋より上流を撮影

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Copyright iRIC Project. 3

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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)

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1995年7月関川新潟県新井市美守

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2011.9.6 十勝川水系音更川(帯広開発建設部)

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iRIC iRICプロジェクトについて


International 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

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より簡単により速く

より分かりやすくより正確

河川の実態・予測・効果をより分りやすく見る・示す

iRICプロジェクト発足の背景


河川研究者・学生

河川技術者

モデル開発・デバック・検証・解析・数値実験・・・

現場への技術適用等 → 設計・デザイン・予測・評価

行政

市民

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

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

研究成果・技術・知見の蓄積・更新・提供・公開

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iRIC 1.0 (現行バージョン) FASTMECH, NAYS2D, MORPHO2D, STORM

Interface developed by USGS

for FASTMECH

MD_SWMS

Interface developed by

HRDPRC for NAYS

RIC-NAYS

iRIC 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・・・・・

http://jp.fotolia.com/id/6928630

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iRICプロジェクト

iRIC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)

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RCEM2011 12

iRIC 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

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http://i-ric.org/

RCEM2011 13

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iRIC 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・・・・・全てが同じプラットフォームで動きます

H23.12.25 X’mas Ver.

↑ リリース済み

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不等流計算・計算は単純・水位がメイン

これまで

ｉＲＩＣ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

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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！

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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

横断データを整理してiRICで読み込む

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iRIC


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格子をつくる


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

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格子をつくる


計算実行


流量、粗度係数などをメニューで設定

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格子をつくる


計算実行


「計算実行」ボタンで計算スタート

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格子をつくる


計算実行

計算結果を表示石狩川中流部の計算例

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iRIC

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• Example of iRIC output (Appetsu River)

2003年北海道厚別川の氾濫シミュレーション

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About 5 km upstream from the mouth, the Atsubetsu River, 6 Aug. 2003

赤無橋

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iRIC

2003年北海道厚別川の氾濫シミュレーション

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Ａ

Analysis area

Ｂ

14KP

13KP

Azuma bridge

Mizuho bridge

Minami ichijo bridge

Repaired Forest A

Repaired Forest Ｂ

Repaired Forest Ｃ

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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

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iRIC

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

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iRIC

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

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iRIC

32 ベトナムレッドリバーにおける洪水シミュレーション

../../Nays2009/Nays_Google/Red3.kml

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iRIC

Knik River

Flow and morphologic change with FastMech

By Jon Nelson

アメリカアラスカ州 Knik川の河床変動

RCEM2011

34

• 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.

Visualize the result on iRIC

Velocity (m/s)

Vector & Velocity contour

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RCEM2011

35

• 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.

Visualize the result on iRIC

Velocity (m/s)

Vector & Velocity contour

RCEM2011 Visualize the result on iRIC

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iRIC

37 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

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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

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）

忠別ダムとその上流部

Google Earth, 2010.9.25 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

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iRIC

M/標準

M/標準

M/標準

M/標準

M/標準

M/標準

M/標準

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

流量

(m3

/s)

時間(hr)

流量ハイドログラフ

ピウケナイ川

忠別川再現計算結果

水深コンタ図（動画）

H22年度8月大雨災害調査委員会

北海道

H18 航空写真

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）

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iRIC 侵食箇所

計算結果

上忠別橋陥没箇所 - 河岸侵食 - 2mの河床低下

2m以上の侵食

再現計算結果との比較河岸侵食箇所

流路の形成

流路の形成

H18 航空写真

第4回平成22年8月大雨災害調査委員会資料北海道

0.5m以上

2m以上

侵食域

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iRIC

音更川2011年9月

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iRIC

速報版 2011年台風12号音更川の計算

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iRIC 越流破堤の研究

43 十勝川，千代田新水路

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iRIC

44 2011年4月28日の越流破堤実験

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iRIC 平面二次元モデルによる計算

45 (禅野ら，2011)

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iRIC


46

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

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iRIC


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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

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iRIC


48

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

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iRIC


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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

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iRIC


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iRIC

Rivers meander

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iRIC

Ob River

ロシア蛇行.kmz

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iRIC

Ob River

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iRIC

ロシア国オビ川の自由蛇行のシミュレーション

オビ河蛇行.kmz

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iRIC

iRIC version2.0


iRIC

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

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iRIC

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

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iRIC

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iRIC

Contour line Urakawa Red is 20m level.

Tsunami direction

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0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600

Level (s)

Time (s)

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iRIC

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iRIC

Sapporo topography Contour line

Red is 8m level.

Tsunami

direction

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iRIC

NaysCUBE 北海道大学

木村一郎

iRIC Full 3D Simulation Engine

& Nays

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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

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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

計算空間

物理空間

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．

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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.

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

柔軟性が高いが計算負荷大

河床変動への適用に課題

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

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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

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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

・連続蛇行水路

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．

・砂堆

・水制群

・交互砂州 74

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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

・連続蛇行流路

・交互砂州

・魚道など

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．

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

横断方向連続構造物三次元砂堆

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．

76

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39

多彩な境界条件設定（４）

FLOW

半分の領域だけで計算

左岸対称境界条件

FLOW

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．

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

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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）

MPM (Mayer Peter Muller) モデル

芦田・道上モデル

Kovacs-Parker モデル

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）

河床変動に関する計算条件設定ダイアログ ⇔

80

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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

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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

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43

事例２：連続蛇行部の河床変動（３）

t=300secの形状と流線

流れの剥離が再現されている

河床変動と水面変動

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．

86

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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

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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

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事例4：第二種二次流と河床変動

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)

周期境界条件

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

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)

周期境界条件

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

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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

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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）

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49

Part IV Nays CLIP (鉛直二次元モデル)

97

Nays CLIPとは

NaysCUBE 完全三次元モデル掃流砂のみ計算時間大

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）

Nays CLIPの特徴

Nays

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．

98

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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？

100

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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

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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．）

104

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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iRIC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．

Step 4: 計算結果の可視化

・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．

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