水力工学

土木工学のサブ分野である水理工学は、主に水と下水などの流体の流れと輸送に関係しています。これらのシステムの特徴の 1 つは、流体を動かす原動力として重力を多用することです。土木工学のこの分野は、橋、ダム、水路、運河、堤防の設計、および衛生工学と環境工学の両方に密接に関連しています。

水力工学は、水の収集、貯蔵、制御、輸送、規制、測定、使用に関する問題に流体力学の原理を応用したものです。^[1]水力工学プロジェクトを開始する前に、どの程度の水が関係しているかを把握する必要があります。水力技術者は、川による堆積物の輸送、水と沖積境界との相互作用、洗掘と堆積の発生に関心があります。^{[1] 「水力技術者は、ダムの放水路や排水口、高速道路の暗渠、灌漑プロジェクトの運河や関連構造物、}火力発電所 の冷却水施設など、水と相互作用するさまざまな機能の概念設計を実際に開発します。」^[2]

水力工学の基本原理の例としては、流体力学、流体の流れ、実際の流体の挙動、水文学、パイプライン、開水路の水力学、堆積物輸送の力学、物理モデリング、水力機械、排水水力学などが挙げられます。

油圧工学の基礎では、静水力学を静止流体の研究と定義しています。^[1]静止流体には、流体の周囲に作用する圧力と呼ばれる力が存在します。この圧力は N/m ²で測定され、流体全体にわたって一定ではありません。特定の流体内の圧力 p は、深さが増すにつれて増加します。物体に作用する上向きの力は底部に作用し、次の式で求められます。

${\displaystyle p=\rho gy}$

どこ、

ρ = 水の密度

g = 比重

y = 液体の深さ

この式を変形すると圧力ヘッド が得られます。圧力測定用の基本的な装置は、ピエゾメーター、マノメーター、差動マノメーター、ブルドン圧力計、傾斜マノメーターの4つです。 ^[1]${\displaystyle {\frac {p}{\rho g}}=y}$

プラスーン氏は次のように述べています。

水中に沈んだ物体では、液体中の物体のすべての表面に沿って圧力が作用し、物体内の等しい垂直方向の力が液体の圧力に逆らって作用します。この反応は平衡として知られています。圧力のより高度な応用としては、平面、曲面、ダム、四分円ゲートなどがあります。^[1]

理想流体と実際の流体の主な違いは、理想流体ではp ₁ = p ₂であり、実際の流体ではp ₁ > p ₂である点です。理想流体は非圧縮性であり、粘性がありません。実際の流体には粘性があります。存在するすべての流体はある程度の粘性を持っているため、理想流体は架空の流体にすぎません。

粘性流体はパスクルの法則によりせん断力を受けて連続的に変形しますが、理想流体は変形しません。

粘性流に対する擾乱のさまざまな影響には、安定、遷移、不安定などがあります。

理想的な流体の場合、ベルヌーイの方程式は流線に沿って成り立ちます。

${\displaystyle {\frac {p}{\rho g}}+{\frac {u^{2}}{2g}}={\frac {p_{1}}{\rho g}}+{\frac {u_{1}^{2}}{2g}}={\frac {p_{2}}{\rho g}}+{\frac {u_{2}^{2}}{2g}}}$

流れがプレートに接触すると、流体の層は実際に固体表面に「付着」します。すると、プレート表面の流体の層と 2 番目の流体の層の間にかなりのせん断作用が生じます。そのため、2 番目の層は減速を余儀なくされ (完全に停止するわけではありませんが)、3 番目の流体の層とのせん断作用が生じ、これが続きます。流体がプレートに沿ってさらに進むと、せん断作用が発生する領域はさらに外側に広がる傾向があります。この領域は「境界層」として知られています。境界層の外側の流れはせん断力や粘性関連の力がないため、理想的な流体として動作すると想定されます。流体内の分子間凝集力は、流体をまとめるのに十分なほど大きくありません。したがって、流体はわずかな応力の作用を受けても流れ、応力が存在する限り流れ続けます。^[3]層内の流れは、レイノルズ数に応じて、悪性または乱流のいずれかになります。^[1]

水理技術者が設計でよく扱うテーマには、ダム、堤防、家庭用と消防用の給水、配水、自動スプリンクラーシステムを含む配水網、集水網、下水収集網、雨水管理、土砂輸送などの水理構造物、および交通工学や地質工学に関連するさまざまなテーマがあります。流体力学と流体力学の原理から導き出された方程式は、機械工学、航空工学、さらには交通工学などの他の工学分野でも広く利用されています。

関連分野には水文学とレオロジーがあり、関連アプリケーションには水力モデリング、洪水マッピング、集水域洪水管理計画、海岸線管理計画、河口戦略、沿岸保護、洪水軽減などがあります。

水力工学の最も初期の用途は作物の灌漑であり、中東とアフリカにまで遡ります。食物を栽培するための水の移動と供給を制御することは、何千年もの間使用されてきました。最も初期の水力機械の1つである水時計は、紀元前2千年紀初期に使用されました。^[4]重力を利用して水を移動させた他の初期の例としては、古代ペルシャのカナートシステム、古代中国の非常によく似たトルファン水道システム、ペルーの灌漑用水路などがあります。^[5]

古代中国では水利工学が高度に発達しており、技術者は灌漑用の水の流れを導く堤防やダムを備えた大規模な運河や、船が通れるようにする閘門を建設しました。孫叔邵は中国初の水利技術者とされています。中国のもう一人の重要な水利技術者である西門鮑は、戦国時代（紀元前481年～紀元前221年）に大規模な運河灌漑の実践を始めたとされており、今日でも水利技術者は中国で尊敬される地位にあります。

フィリピンのアルカ​​イック時代には、水利工学も特にルソン島で発達し、コルディリェラ山脈の山岳地帯に住むイフガオ族は、作物の栽培を助ける方法として、灌漑、ダム、水力施設、そして有名なバナウェ棚田を紀元前1000年頃に建設しました。 ^{[6]これらの棚田は、}フィリピンのイフガオの山々に先住民の祖先によって切り開かれた2000年前の段々畑です。棚田は一般に「世界第8の不思議」と呼ばれています。 ^{[7] [8] [9]}棚田は最小限の設備で、主に手作業で作られたと一般的に考えられています。棚田は海抜約1500メートル（5000フィート）に位置し、棚田の上の熱帯雨林からの古代の灌漑システムによって水が供給されています。階段を端から端までつなげると地球の半分を囲むことになると言われている。^[10]

メガラのエウパリノスは、紀元前 6 世紀にサモス島にエウパリノスのトンネルを建設した古代ギリシャの 技術者であり、土木工学と水力工学の両方において重要な偉業でした。このトンネルの土木工学的な側面は、両端から掘られたため、掘削者は 2 つのトンネルが合流し、作業全体を通じて水が流れるのに十分な傾斜が維持されるように正確な経路を維持する必要があったことです。

水理工学はローマ帝国の庇護の下、ヨーロッパで高度に発達し、特に都市への給水や都市からの下水の排出のための水道の建設と維持に応用されました。 ^[3] 市民のニーズを満たすことに加えて、彼らはハッシングと呼ばれる技術で水力採掘法を使用して砂金鉱床の探査と採掘を行い、その方法を錫や鉛などの他の鉱石にも応用しました。

15世紀、ソマリアの アジュラン帝国はアフリカで唯一の水利帝​​国であった。水利帝国として、アジュラン国はジュバ川とシェベリ川の水資源を独占した。また、水利工学を通じて、現在も稼働し使用されている石灰岩の井戸や貯水槽の多くを建設した。統治者は農業と課税の新しいシステムを開発し、それは19世紀後半までアフリカの角の一部で使用され続けた。 ^[11]

水利工学のさらなる進歩は、イスラム黄金時代として知られる8世紀から16世紀にかけてのイスラム世界で起こった。特に重要だったのは、イスラムの緑の革命の中心となった「水管理技術複合体」だった。^[12]この「ツールキット」のさまざまな構成要素は、イスラム世界の内外を問わず、アフロユーラシア大陸のさまざまな場所で開発された。しかし、技術複合体が組み立てられ、標準化され、その後旧世界の他の地域に広まったのは中世のイスラム諸国であった。^{[13]単一のイスラム}カリフ制の支配下で、さまざまな地域の水利技術が「世界に影響を与えることになる識別可能な水管理技術複合体」に組み立てられた。この複合体のさまざまな構成要素には、運河、ダム、ペルシャのカナートシステム、エジプトのノリア、シャドゥーフ、スクリューポンプなどの地域的な揚水装置、イスラムのアフガニスタンの風車が含まれていました。^[13]その他のイスラム独自の開発には、イスラムのスペインのフライホイール効果のあるサキヤ^{[14] 、}往復吸引ポンプ^{[15] [16] [17]}とイラクのクランクシャフト-コネクティングロッド機構^{[18] [19]}、シリアのギア付き水力発電給水システムがありました。^[20]

多くの点で、水力工学の基礎は古代から変わっていません。液体は今でも大部分が重力によって運河や導水路のシステムを通って移動しますが、現在ではポンプを使用して貯水池に水が満たされることがあります。水に対する需要は古代から着実に増加しており、水力技術者の役割は水を供給する上で極めて重要です。たとえば、ウィリアム・マルホランドのような人々の努力がなければ、ロサンゼルス地域は人口を支えるのに十分な水がないため、現在のように成長することはできなかったでしょう。同じことは、世界の大都市の多くにも当てはまります。同じように、カリフォルニア州のセントラルバレーも、灌漑用の効果的な水管理と配水がなければ、これほど重要な農業地域にはなれなかったでしょう。カリフォルニア州で起こったことと多少似ていますが、テネシー川流域開発公社(TVA) の設立により、安価な電力を生成して地域の洪水を制御するダムを建設し、川を航行可能にして、この地域の生活を全体的に近代化することで、南部に仕事と繁栄がもたらされました。

レオナルド・ダ・ヴィンチ（1452–1519）は、波や噴流、渦や流線型について実験、調査、考察を行いました。アイザック・ニュートン（1642–1727）は、微積分法の開発に加えて、運動の法則と粘性の法則を定式化することで、流体力学の多くの大きな発展への道を拓きました。ニュートンの運動の法則を使用して、18世紀の多くの数学者が摩擦のない（粘性ゼロの）流れの問題を数多く解決しました。しかし、ほとんどの流れは粘性効果によって支配されているため、17世紀と18世紀のエンジニアは非粘性の流れの解法が不適切であることに気づき、実験によって経験式を開発し、水力学の科学を確立しました。^[3]

19世紀後半、無次元数の重要性と乱流との関係が認識され、次元解析が誕生しました。1904年にルートヴィヒ・プラントルは重要な論文を発表し、低粘性流体の流れ場を2つの領域、すなわち固体表面近くの粘性支配の薄い境界層と、境界から離れた実質的に非粘性の外側領域に分割することを提案しました。この概念は多くの以前のパラドックスを説明し、その後のエンジニアがはるかに複雑な流れを解析できるようにしました。しかし、乱流の性質に関する完全な理論はまだ存在せず、現代の流体力学は実験結果と理論の組み合わせであり続けています。^[21]

現代の水理技術者は、他の多くの工学分野と同じ種類のコンピュータ支援設計(CAD) ツールを使用する一方で、計算流体力学などの技術も活用して計算を実行し、流れの特性を正確に予測したり、GPSマッピングを使用してシステムを設置するための最適な経路を特定したり、レーザーベースの測量ツールを使用してシステムの実際の構築を支援したりします。

• Vincent J. Zipparro、Hans Hasen (編)、『Davis' Handbook of Applied Hydraulics』、Mcgraw-Hill、第 4 版 (1992)、ISBN 0070730024、Amazon.com で購入 
• 二次排水中の有機物の分類M. Rebhun、J. Manka。環境科学技術、5、pp. 606–610、(1971)。25。

ウィキメディア・コモンズには、水力工学に関連するメディアがあります。

• 国際水工学研究協会
• 先史時代のメキシコの水理工学 2015-04-30 にWayback Machineにアーカイブ
• 水文工学センター 2013-03-08 にWayback Machineでアーカイブ
• Chanson, H. (2007). 21世紀の水理工学：どこへ向かうのか？、Journal of Hydraulic Research、IAHR、第45巻、第3号、pp. 291–301 (ISSN 0022-1686)。