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開水路とは?1分でわかる意味、マニング式、等流、径深の求め方

開水路(かいすいろ)とは、自由水面(水面が大気圧に接している)を持つ水路です。水面の位置は水路の形状により変化します。川の流れをみて分かるように、開水路では高い位置から低い位置へと水が流れますね。開水路とは逆に、周囲が壁に囲まれて閉じている水路を「管水路(かんすいろ)」といいます。今回は開水路の意味、マニング式、等流、径深の求め方について説明します。マニング式、径深の求め方は下記が参考になります。

マニングの公式とは?1分でわかる意味、径深、粗度係数、勾配、平均流速の公式との関係

径深とは?1分でわかる意味、求め方、公式、単位、水深との違い

開水路とは?大気圧の関係

開水路(かいすいろ)とは下図に示すように自由水面を持つ水路です。


図 開水路


自由水面とは大気圧に接している水面です。川や道路脇の水路など、開水路を普段の生活で目にすることも多いと思います。


自由水面は、名前の通り「水面の位置などが自由に変化」します。例えば、下図のように水路断面の形状が変わると水面の位置は上下します。


図 開水路と自由水面の変化


水路の断面形状だけでなく、流量の増減で水面は変化するでしょう。このように開水路では、水面や水の流れの変化が起きやすい特徴があります。


さらに開水路では、水は高い所から低い所へ流れます。川を見れば当たり前だと思うかもしれませんが、再認識しておきましょう。


なぜなら、管水路(壁で閉じた水路)では圧力の高・低で水の流れが決まるからです。管水路の詳細は下記が参考になります。

管水路とは?【近日公開予定】

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開水路とマニング式

開水路の流速を求める式に「マニング式」があります。マニングの公式を下記に示します。


マニングの公式


vは平均流速、nを粗度係数、Rは径深、Iは動水勾配です。マニングの式の詳細は下記が参考になります。

マニングの公式とは?1分でわかる意味、径深、粗度係数、勾配、平均流速の公式との関係

平均流速とは?1分でわかる意味、求め方、単位、流速との関係


上記より、開水路の平均流速を求めるためには、径深や動水勾配、粗度係数の値が必要です。動水勾配とは、ピエゾ水頭の差を距離で割った値です。動水勾配の詳細は下記をご覧ください。

動水勾配とは?1分でわかる意味、求め方、単位、エネルギー勾配との違い

開水路と等流

等流とは、全断面(あらゆる位置)で水深、流速が一定で水面が水平である水の流れです。下図に等流を示しました。


図 開水路と等流

開水路の径深の求め方

前述したように、開水路の平均流速を算定するために「径深(けいしん)」が必要です。径深は、


R=A/S


で算定します。流積はA、潤辺をS、径深はRです。潤辺Sは水路幅、水と接する壁高さの合計です。よって水路形状によって計算式が変わります。※当然、流積の計算も変わります。


流積、潤辺、径深の求め方は下記が参考になります。

流積とは?1分でわかる意味、円の求め方と公式、潤辺、径深との関係

潤辺とは?1分でわかる意味、台形水路、円形の潤辺の求め方、径深との関係

径深とは?1分でわかる意味、求め方、公式、単位、水深との違い

まとめ

今回は開水路について説明しました。意味が理解頂けたと思います。開水路は、自由水面を持つ水路です。自由水面とは大気に接する水面で、水路形状や流量により水面が変化します。開水路の流速、径深の求め方も勉強しましょう。下記が参考になります。

マニングの公式とは?1分でわかる意味、径深、粗度係数、勾配、平均流速の公式との関係

径深とは?1分でわかる意味、求め方、公式、単位、水深との違い

自由水面とは?1分でわかる意味、開水路、管水路、大気圧、径深との関係

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