ウィアー

堰/ wɪər /または低頭ダムは、川の幅を横切る障壁で、水の流れの特性を変え、通常は川の高さの変化をもたらします。堰 は、湖、池、貯水池の出口の水の流れを制御するためにも使用されます。堰の設計にはさまざまなものがありますが、一般的に水は堰の頂上から自由に流れ、その後、より低いレベルに流れ落ちます。堰を構成するものについての単一の定義はありません。

堰は、ほとんどの埋め込み式プールに見られるスキマーを指すこともあります。スキマーは、ろ過システムに引き込まれる水の流れを制御します。

この単語はおそらく中期英語のwere、古期英語のwerに由来しており、これは「守る、堰き止める」を意味する動詞werianの語源である。 ^{[1] [2]}ドイツ語の同義語はWehrであり、英語の weir と同じ意味である。

一般的に、堰は洪水を防ぎ、放水量を測定して、川を船で航行しやすくするために使用されます。場所によっては、ダムと堰という用語は同義語ですが、通常は構造物の間に明確な区別があります。通常、ダムは壁の後ろに水を貯めるために特別に設計され、堰は川の流れの特性を変えるように設計されています。

ダムと堰の一般的な違いは、堰の長さの少なくとも一部は、水が堰の上部 (頂部) を流れるか、または堰の下を流れることです。したがって、大きなダムの越流放水路の頂部は堰と呼ばれることがあります。堰は水平方向と垂直方向の両方でサイズが異なり、最小のものでも高さが数センチですが、最大のものは高さが数メートル、長さが数百メートルになることもあります。堰の一般的な目的を以下に概説します。

堰は、水文学者や技術者が小規模から中規模の河川や産業排水地点の体積流量を測定する簡単な方法を提供します。堰の上部の形状は既知であり、すべての水が堰を越えて流れるため、堰の背後の水深を流量に変換できます。ただし、これは、すべての水が堰の頂上を越えて流れる場所 (側面を回ったり、導管や水門を通過したりしない場所) と、頂上を越えた水が構造物から運び去られる場所でのみ実現できます。これらの条件が満たされない場合、流量測定が複雑、不正確、または不可能になる可能性があります。

排出量の計算は次のようにまとめられる。

Q = C L H ⁿ

どこ

Qは流体の体積流量（排出量）であり、

Cは構造物の流量係数（平均3.33）である

Lは山頂の幅、

Hは波頭上の水頭の高さであり

n は構造によって異なります (例:水平堰の場合は3 ⁄ 2、V ノッチ堰の場合は5 ⁄ 2 )。

しかし、この計算は一般的な関係であり、堰の種類ごとに具体的な計算方法があります。流量測定堰は、正確さを保つために適切に維持されなければなりません。^{[3] [4]}

Vノッチ堰の流量（ft ³ /s）は、Kindsvater-Shen方程式で与えられる：^[5]

${\displaystyle Q={\frac {8}{15}}{\sqrt {2g}}\,C_{e}\tan {\frac {\theta }{2}}(h+k)^{\frac {5}{2}},}$

どこ

Qは流体の体積流量（ft ³ /s）です。

gは重力加速度（ft/s ² m）です。

C _{e は}、Shen 1981、p. B29、図12に示されているフロー補正係数です。

θはVノッチ堰の角度であり、

hはVノッチの底からの流体の高さである。

kはShen 1981、p. B20、図4に示されている水頭補正係数です。

堰は物理的な障壁であるため、魚や他の動物が川を上下する縦方向の移動を妨げる可能性があります。これは、繁殖サイクルの一環として回遊する魚種（サケ科魚類など）に悪影響を及ぼす可能性がありますが、外来種の上流への移動を防ぐ方法として役立つこともあります。たとえば、五大湖地域の堰は、外来種のウミヤツメウナギがさらに上流に定着するのを 防ぐのに役立っています。

製粉所の池は堰堤によって作られ、堰堤は水を貯め、その水は構造物の上を流れます。水位の変化によって生み出されるエネルギーは、水車や製材所、研削盤、その他の機器を動かすために使われます。

堰は、流量が多い時期に川の流量を制御するためによく使用されます。水門(または場合によっては堰の頂上の高さ) を変更して、下流に流れる水の量を増減できます。この目的のための堰は、町や村の上流によく見られ、自動または手動で操作できます。下流に流れる水の速度を少しでも遅くすることで、洪水の可能性に不釣り合いな影響を与えることができます。より大きな川では、堰によって水路の流れの特性が変わり、以前は極端な流れや渦のためにアクセスできなかった領域を船舶が航行できるようになります。多くの大きな堰には、ボートや川の利用者が「堰を撃って」川を出ることなく上流または下流を通過して航行できる構造上の特徴があります。この目的で建設された堰は、テムズ川で特に一般的であり、ほとんどが川の 45 の水門のそれぞれの近くにあります。

堰は背後の水をせき止め、川の流れを変えるため、地元の生態系に影響を及ぼす可能性があります。通常、上流の川の流速が低下すると、沈泥（川底に沈泥と粘土の微粒子が堆積する）が増加し、水中の酸素含有量が減少し、無脊椎動物の生息地や魚の産卵場所が窒息します。通常、水が堰の頂上を通過すると酸素含有量は正常に戻りますが（酸素過剰になることもあります）、川の流速が増加すると川底が洗掘され、浸食や生息地の喪失を引き起こす可能性があります。

堰は魚類の移動に大きな影響を与える可能性があります。^[6]種がジャンプできる最大の高さを超えるか、回避できない流れの状態（たとえば、過度の水流速度による）を作り出す堰は、魚が移動できる上流の最大地点を事実上制限します。場合によっては、繁殖地の広大な範囲が失われる可能性があり、時間が経つにつれて魚類の個体数に大きな影響を与える可能性があります。

多くの国では、魚が堰堤を迂回して上流の生息地にアクセスできる魚道を堰堤の設計に組み込むことが法律で義務付けられている。ダムと異なり、堰堤は下流への魚の移動を妨げることは通常ない（水が堰堤の上を流れ、魚がその水中の構造物を迂回できるようにするため）が、幼魚を傷つける流れ条件を作り出す可能性がある。最近の研究では、航行用水門は、泳ぎが苦手な魚を含むさまざまな生物のアクセスを向上させる可能性があることも示唆されている。^[7]

堰の周りの水は比較的穏やかに見えることが多いが、下流側の循環パターン（一般的には水圧跳びと呼ばれる）により人がいつまでも水に浸かってしまう可能性があるため、ボートに乗ったり、泳いだり、川を渡ったりするには非常に危険な場所となる可能性がある。この現象はカヌーやカヤック、その他川で過ごす人々にはよく知られており、堰には「溺死機械」という悲しげな名前さえ付けられている。^[8]オハイオ州自然資源局は、被害者に対して「顎を引いて、両腕を膝に巻き付けて胸まで引き寄せる。うまくいけば、流れが被害者を川底に沿って押し流し、沸騰線を越えて水圧によって解放される」よう推奨している。 ^[9]ペンシルベニア州警察も、被害者に対して「体を丸めて川底まで潜り、下流に向かって泳ぐか這う」よう推奨している。^[10]水圧跳躍により空気が巻き込まれるため、ダムと沸騰管の間の水の浮力は30％以上減少し、犠牲者が浮くことができない場合は、ダムの底から脱出することが生存の唯一の選択肢となる可能性があります。

堰にはさまざまな種類があり、ほとんど目立たない単純な石造りの構造から、広範囲にわたる管理とメンテナンスを必要とする複雑で非常に大きな構造までさまざまです。

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  イギリス、ドーセット州、ストゥール川沿いのスターミンスター・ニュートンにある橋と堰の機構
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  英国ダラムのウェア川にある2つの堰。下の堰は複合堰で、サケなどの魚が堰を通過できるように魚道も設置されている。
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  バッキンガムシャー州ハンブルデンのテムズ川にあるハンブルデン閘門の堰。広い堰堤で、一般の人は歩道を使って川を渡ることができます。
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  フランス、ムーズ川沿いのレヴァン近くにある手動のニードルダム型堰
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  ニュージーランド、ワークワースの広い堰堤
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  英国ハートフォードシャー州ドブス堰にある、幅広の堰堤とVノッチ堰堤の複雑な連なり

広頂堰は平頂構造で、水は水路幅の大部分または全部を覆う頂部を通過します。これは世界中で見られる最も一般的な堰のタイプの 1 つです。

複合堰とは、1 つの構造に複数の異なる設計を組み合わせた堰のことです。複合堰は、構造物を迂回する必要のある複数の利用者がいる川の場所でよく見られます。一般的な設計は、堰の長さの大部分は広い頂部を持ちますが、小さな船や魚が構造物を横断できるように堰が止まるか「開いている」部分があるものです。

ノッチ堰とは、パネルに切り込まれた特定のノッチ(多くの場合 V 字型) を除いて、物理的な障壁が水位よりも大幅に高い堰のことです。通常の流れのときは、すべての水がノッチを通過するため、流量の計算が簡単になります。一方、洪水時には、構造に変更を加えなくても、水位が上昇して堰が水没することがあります。

多項式堰は、任意の次数nの多項式方程式によって定義された形状を持つ堰です。^[11]実際には、ほとんどの堰は低次多項式堰です。たとえば、標準的な長方形の堰は、次数0の多項式堰です。三角形（Vノッチ）堰と台形堰は次数1です。高次多項式堰は、より広い範囲の頭圧-流量関係を提供し、したがって、湖、池、貯水池の出口での流れをより適切に制御します。

• クランプ堰
• ドロップ構造
• 釣り堰
• 固定堤頂ダム
• フルーム
• 国際制御ダム

ウィキメディア・コモンズには、堰に関連するメディアがあります。

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• 最小エネルギー損失 (MEL) 暗渠および橋梁水路の水理学 (UQ-ITS アドバイザリ Web ページで「続行」をクリック)