Abstract

高速道路建設時に作られる堤防などの人工構造物は、周囲の空気の流れに影響を与える。 高速道路の盛土周辺では，風速や温度が変化することにより，様々な被害が発生する可能性がある。 しかし、盛土による微気象変化（風速、温度）を正確に測定した研究はない。 本研究では、道路周辺の盛土の建設前後における風速・気温の変化を明らかにするため、風洞実験と現地観測を行いました。 堤防建設後の堤防周辺の風速の変化は、周辺の風速、風向、堤防との高低差や距離の影響を受けることがわかった。 堤防との高低差が大きく、距離が3H程度まで離れると、風速の低下の度合いが大きくなることがわかった。 堤防周辺の基準風速の変化では，風速の上昇と風速の低下速度が比例していないことがわかった． 堤防の構造は周辺温度に影響を与えた。 風速の変化が小さい明け方や夕方の時間帯に堤防との段差が大きい場所で温度変化の程度が大きかった。

1. はじめに

山間部に高速道路を建設する場合、高速道路の盛土やトンネルが導入されることがある。 このような工法で山間部に建設された高速道路は、地域の自然な日照や通風を妨げ、農作物に被害を与える可能性がある。 また、「果樹」の栽培地域に堤防などの人工構造物を建設すると、自然の気流が妨げられることで地域の温度が変化し、果樹が枯れる、収穫量が減る、開花が遅れるなど、作物の品質が低下するなどの被害が出る可能性がある。 空気の流れを遮断することで生じる寒冷化の被害を防ぐために、堤防の周囲に風の回廊を設置することができるが、特に効果があったとはいえない。 高速道路の堤防がある地域の果樹の冷害は、風の弱い春に多く発生している。 これは、寒害のほとんどが風通しの悪さによるものだからである。 特に、谷状の開けた土地に斜面を作る場合、高速道路の堤防によって空気の流れが妨げられ、近隣の地域よりも気温が低くなるため、冷害が助長されるのです。

地形の違いによる気流の変化は、突風や被覆効果による風速の増減など、地形特有の現象が多く見られます。 風速は斜面で増加し、土地の他のある地形効果によって増加することがある。 山地、谷地、傾斜地での風速の増加については、多くの研究がなされている。 JacksonとHunt、MasonとSykesの両氏は、分離現象を伴わない低山地での風速増加の影響を研究している。 Bowenは単純な2次元の山地における風速を研究した。 TayorとLeeは、山岳地帯のピークでの風速上昇を予測するアルゴリズムを提案した。 ほとんどの研究は，山地における様々な暖流条件下での風速分布に焦点を当てている (Newley , Neff and King , Finardi et al. , Booij et al. , and Vosper et al. )． Miller and Davenport and Li et al.は，複雑な山岳地帯における風速の増加について，主要な荷重基準で示唆される表面粗さと周辺の地形を考慮した比較解析を行った． さらに、風速上昇を予測する際に、表面粗さと周囲の気流条件を重視した。 Wengらは、地形と表面粗さを考慮し、複雑な地形における気流に関するガイドラインを提案した。 Svoboda と Čermák は、ドップラーソダー観測により、エルツェビルゲ山地の尾根における風速とその分布を測定した。 ChockとCochranは地形の変化した島で風速増加現象の速度を調べる風洞実験を行い、野外構造物の設計に適用できるピークと風速増加に関する実験モデルを提案した。

しかし、高速道路の盛土は斜面の底の下流に影響を与える。 高速道路の堤防のような人工構造物近傍の気流については十分な研究が行われていない。 斜面下部の裸地で栽培される果物は温度と風速に敏感であるため、斜面上に道路を建設する前に風速と温度を評価する必要がある。 そこで本研究では、谷状の開墾地に高速道路の盛土を建設する前後の風速と気温の変化を調査した。 風速の変化については、模型を用いた風洞実験を行った。 風洞実験では、高速道路盛土の施工前後での風速変化をモデルで確認した。 8075>

2.場所と研究方法

試験場は、高速道路建設区間の1.5kmの盛土を中心としたエリアに果樹園が分布していた。 北緯36度3.4分、東経140度7.5分に位置する高速道路の堤防とその周辺を図1に示す。 堤防が建設される前は、空気は自然に山の麓まで流れ落ちることができた。 しかし、堤防の建設が空気の流れに影響を与えたと思われる。 そこで、高速道路の堤防周辺の風速と気温の変化を評価するために、2種類の実験を行いました。 まず、ミニチュア陸上模型を作成し、風洞実験を行い、工事前後の調査地点の風速の変化を確認しました。 8075>

図1

3 風洞実験

3.1 風洞実験 3. 実験モデル

高速道路の堤防付近の空気の流れを明らかにするために、1/150スケールの陸上模型で風速試験を行った。 風洞用の陸上模型は発泡スチロール製で、風速を測定するために風速計を設置できるようにアルミバーを取り付けた。 乱流境界層風洞装置は垂直循環閉回路型であり，断面寸法は幅 12m，高さ 2.5m，長さ 40mである． 図2に風洞内に設置した陸上実験模型を示す。 高速道路の盛土における風速変化を把握するため、マルチチャンネル風速計（System 6242 Model 1560）を使用した。 ある初期風速で高速道路盛土を施工し、その前後の周辺地形のレベル差による風速の変化を把握するための実験を行った。 堤防下の風速の変化を把握するため、堤防の南側と北側でレベル差があるため、合計19点を選定した。 風速計は南方向のみに設置した。 南側は北側より広いため、果樹園として使用した。 風速試験は、堤防直下の5カ所と、堤防からランダムに離れた14カ所で行われた。 風向は、堤防の北側と南側から吹く風に限定した。 風速試験は、NW-NE風向とSW-SE風向の間に22.5°のずれを持つ4つの風向のセットをそれぞれ含む10風向で行われた。 図3に風洞試験での風向を示す． 基準風速を測定する風速計は、盛土のある道路上部に設置した。 19 箇所の測定部位と基準風速計の高さは 10mm に固定した（実寸大の高さは 1.5m）。

(a) 測定前

(b) 測定後

(a) 測定前
(b) 測定後

図3

風角と測定点。 風速測定結果

風速の測定には3つの基準風速を使用した。 3m/s、5m/s、7m/sの3つの基準風速を使用しました。 基準風速は、堤防道路の風速計で測定した風速を基準としました。 8075＞＜4276＞図3は、堤防周辺の風速を測定する測定地点と堤防道路の高さによる段差を示したもので、堤防建設前後の周辺地域の基準風速の変化に応じて測定地点ごとの風速の変化を検討した。 堤防下の隣接地域は平均レベル差-8.5m、堤防の中心点を基準にすると、左側地域が最もレベル差-11m、右側地域がレベル差-5.9mとなった。

図4に基準風速と測定地点別の風速の測定概要である。 図5は堤防右側エリアの風角変化による測定部位別の風速分布である。 測定地点別の風速変化は、風向きの変化に応じて基準風速と比較して変化していることがわかった。 しかし、陸上の谷風となる南東位置の風速は、他の風向から測定した風速に比べ、最大で60%程度小さくなっていることがわかった。 堤防道路建設後は、北側の一部を除くすべての風向で基準風速に比べ大きな減少が見られた。 堤防道路建設前後で風速変化の小さい風向（N、NNW）は、堤防高さが他の地点より低い地点で見られた。 本研究では，堤防建設前後の基準風速の増加による風速変化について検討した． 堤防建設前後のいくつかの北方向（N、NNW、NW）からの風角は、測定場所や風速に関わらず、建設後の風速の低下率は20%以下と小さいことがわかった。 測定場所と堤防の距離が小さく、基準風速が大きくなると、それに伴って風速の低下度合いも大きくなることがわかった。 本研究では、堤防の高さと測定地点のレベル差による基準風速に対する風速の変化について検討した。 測定地点3の場合、堤防道路下は-13.6mであった。 建設後、風速の変化はすべての風速で1以下であった。 8075>

図4

風速の測定概要.

(a) 点3

(b) 点4

(c) 点10

(d) 点13

（a）点の様子。 3
(b) 4
(c) 10
(d) 13地点

図6は、堤防左側の領域における風角変化による測定地点別の風速の変化を示している。 左側のエリアは、平均レベル差で50%以上高いエリアが多く含まれていた。 また、堤防建設前後の基準風速に対する風速変化の度合いも、測定地点や風向きの影響を受けていることがわかる。 堤防直下の測定地点5は、堤防道路との高低差が-11.5mあり、基準風速3m/sで堤防建設後の風速低下率が70%以上と大きいことがわかる。 しかし、測定地点9、14、15では、南向きの風向について、堤防建設前後で基準風速と比較してほとんど風速の変化が見られなかった。 これは、これらの地点が右側の相当する地点よりもレベル差が大きかったためと考えられる。 堤防周辺の風速変化は、堤防からの距離とレベル差に大きく影響されることが確認された。

(a) 地点5

(b) 地点9

(c) 地点14

(d) 地点15

(a) 地点5
(b)の場合 Point 9
(c) Point 14
(d) Point 15

図7は風角変化による堤防からの距離による風速の変化を示している。 堤防建設前の距離別風速変化は、風角の影響を大きく受けることなく、一定であることが示されている。 しかし、堤防建設後は、堤防からの距離による基準風速に対する風速変化は、風角の影響を受けていることが確認された。 風向SSWと風向SWの測定距離による風速変化では、風速変化に関わらず、堤防から3（＝堤防の高さ）離れた地点は、堤防から1.5離れた地点に比べて最大で60%以上風速比が減少していることがわかる。 しかし、堤防の北側から吹く風向NNWでは、距離による風速の変化は見られなかった。 堤防からの距離による風速の変化は、風向きの影響を受けていることがわかる。 図8は、SSWから3m/sの風が吹いているときの堤防周辺の風速分布である。

(a) SW

(b) SSW

(c) NNE

(a) SW
(b) SSW
(c) NNE

図7

風角変化による堤防距離別風速の1分間変化。

(a) 前

(b) 後

(a) 前
(b)後

風速分布の下の図8は、フィールドの地形を色で示したものである。 高度が低い地域は黒で、高い地域は赤で表示されている。 モデル勾配を挿入する前は、地形によって風速が分布していた。 そのため、地形の高い左側のエリアは常に風速が2m/s以上ありました。 下層部では、常に1.35m/s以上の風速があった。 しかし、高速道路の堤防ができると、地形の低い右側のエリアは風速が55%以上減少し、1m/s以下にまで減少した。 8075>

4.野外実験

高速道路盛土のある地域の地表風速と気温変化の相関を明らかにするために、野外実験を行った。 図9に気象台から野外実験場までの距離（測定点から直線距離で8.6km）を示す。 野外実験は，3 月の平均気温 5.6°，最高気温 21.4°，最低気温 -4.1°，平均風速 3.4m/s （最寄りの気象台で観測）をもとに実施した． 現地実験では、堤防の最低点（-11.5m）と最高点（1.2m）に着目して風速と温度分布を確認した。 図10に野外実験場の位置を示す。 8075>

二つの風速計の間の5点を温度測定点として選択した。 18日間の温度変化を記録し、5分ごとに測定した平均温度データを自動保存した。 温度センサー（HOBO Pro v2 Tem/RH Data Logger）の測定範囲は-40～70℃、風速センサーの測定範囲は0.5～50m/sであった。 図11は、18日間の実験期間中に気象台で記録したデータとフィールド実験で測定したデータの気温（平均、最高、最低）と風速を比較したものである。 気象台は野外測定地点から直線距離で8.6Km離れているが、両者の平均気温は一致している。 しかし、0℃以下の最低気温を観測した日数は、気象台では9日であったが、フィールド実験では15日であり、フィールド測定地点の方が6日多く0℃以下の最低気温を観測していることが分かる。 気象台の平均気温が-4.1℃のとき、野外実験場では-9.1℃であった。 平均風速分布では、フィールドでは1.1m/s〜2m/sの風速を示した日が8日あったのに対し、気象台では2日しか示さなかった。 3m/s以上の風速は、野外実験では3日間、気象台では9日間観測された。 風速は気象台よりも野外実験地点で低くなっている。 実験期間中（18日間）の気象観測所と野外実験場の気象データを比較すると、最高気温の記録はほぼ同じだが、野外実験場の方がより高い気温と低い風速が観測されることが分かった。 図12は、堤防から1.2mと-11.5mの地点の平均風速と気温を時間に対してプロットしたものである。 午前6時前と午後18時以降に風速が急激に低下し、気温が0℃以下になることがわかった。

(a) 平均気温

(b) 最高気温

(c) 最低気温

(d) 風速

(a) 平均気温 (b) 最高気温
(c) 最低気温
(d) 風速

図12

測定期間中の時間帯別の測定点の温度と風速の分布図です。

敷地内で最も低い地点（温度測定点1）は、堤防上の同じ高さの他の地点（温度測定点6）より2℃低い温度を示した。 気温と風速は午前8時から上昇し、午後14時にピークに達した。 その後、気温、風速ともに低下した。 しかし、堤防の高さより低い地点の温度と風速は、堤防より高い地点の温度と風速より最大で40%も低いことがわかった。 これらの結果から、野外実験場では、温度、風速ともに盛土の影響を受けていることが確認された。 一般に、高さ別の温度分布は、曇りの日は放射量が少ないため、高さによる大きな温度偏差は得られない。 しかし、晴天時や無風時には高さによる温度偏差が大きくなっている。 堤防を設置した低層部の温度は、明け方の零下時や夕方には高層部より低く測定されるが、気温が上昇する昼には高く測定される。 すなわち、温度逆転現象が見られた。

この温度逆転現象は、図13に測定期間中の時間平均をグラフにしたものである。 測定データでは、夜間は低地が高地より2.0℃低いが、昼間は3.5℃高いという結果が出ている。 図13は、雨の日と雨の日の前日に調査地点で測定した24時間分のデータである。 雨の日前の昼間は、低地ではっきりとした気温の逆転現象が見られた。 明け方から夕方にかけては零下、午後は零上となる。 しかし、雨の日の昼間は、どの調査地でも昼夜の気温差が1℃以下と小さい。

(a) 地点別温度逆転のある晴天時の気温・風速分布

(b) 地点別温度逆転のない雨天時の気温・風速分布

(a) 気温 図13

晴天時、雨天時の気温と風速の分布.

5. 風速と気温変化の関係

堤防建設後の風速と気温の分布図を検討した。 図14は実験地点別の1時間当たりの風速と気温の分布図である。 地理的特性から、高層部（盛土部より1.2m）と低層部（盛土部より-13.6m）の18日分のデータを使用した。 風速と気温変化の特徴を把握するために、1時間ごとの解析（18時〜翌6時、6時〜18時）を行った。 明け方や夕方の時間帯の風速変化は0.3〜0.5m/s以下と非常に小さかった。 堤防下の低層部（温度1）では0〜-4℃の温度変化が、高層部では0.4〜-0.4℃の温度変化が観測された。 低層部では高層部よりも温度変化の幅が大きいことがわかる。 風速が0.5m/sと非常に小さい時間帯に、低層部ではすべての温度帯で氷点下を記録した。 低層サイトの最低気温-4℃は、同じ風速の範囲内で高層サイトの10倍以上の温度差となっている。 風速が2.4m/s以下の午前と午後の時間帯では、低層サイトの最高気温と最低気温の差は10℃であった。 しかし、高層サイトではその差は5℃であった。 1時間ごとの気温の特徴としては、堤防によって風速が低下し、気温が零下まで下がることが確認された。 また、堤防による風速変化のない滞留域が気温に影響していることが判明した。

(a) Vel1-Temp1 (18pm-6am)

(b) Vel1-Temp1 (6am-18pm)

(c) Vel2-> (18pm-18pm)

(a) Vel1-Temp1 (18pm-18pm)

(b) Vel2-> (18pm-18pm)Temp6-am（18時～翌6時）

(d) Vel2-Temp6（6時～18時）

(a) Vel1- （注）1．Temp1 (18時〜6時)
(b) Vel1-Temp1 (6時〜18時)
(c) Vel2-Temp6-am (18 時〜6時)
(d) Vel2-Temp6 (6 時〜 18 時)

時間帯による風速と温度の分布(*)。

6.まとめ

傾斜地に建設された高速道路周辺の盛土による風速・温度変化について調べた結果は以下の通りである。

盛土周辺の風速変化は周辺の風速、風角度、盛土高による周辺の段差、盛土からの距離の影響を受けることがわかった。 風速の変化は、測定場所によって様々に評価された。 しかし、基準風速が小さいほど風速の低下率が大きくなることがわかった。 また、風向角の変化では、傾斜地や谷地から吹く風の風速が、堤防建設後に最大で60%以上減少していることがわかった。 また、堤防の高さによる周囲のレベル差による風速の低下率は、堤防の中央部とのレベル差が最も大きい地域で最大となることがわかった。 堤防からの距離による風速の変化では、距離3まで風速の低下幅が大きくなった。堤防建設後の風速と温度の変化について、現地測定を行った。 現地測定の結果、堤防の高さや段差による風速の変化も確認されました。 堤防の中央部では、風速が最も低く測定されましたが、風速変化の程度は小さいことがわかりました。 風洞実験の結果は、一般的な傾向と一致していた。 風速変化の小さい場所（堤防の下）は高い場所より低い温度を記録した。 また、風速の小さい夕方や明け方の温度変化は、他の時間帯に比べ大きくなっていました。 8075>

Conflict of Interests

The authors declare no conflict of interest regarding the publication of this paper.

Acknowledgements

The work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) Grant provided by the Korea Government (MEST) (no. 2011-0028567).

This production is supported by the NRF for the Korean Research Foundation for the NRF for the Korean Government (MEST) for the NRF for the NRF of the NRF for the Korean Research Foundation (MEST) (no. 2011-0028567).