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巨岩・巨石の多い山地河川における洪水流解析法と巨石の始動の評価に関する研究

大野 純暉 中央大学

2022.12.21

概要

研究背景と目的
近年,気候変動の影響により洪水が激甚化・頻発化しており,流域全体の地形,地質や人々の住まい方の状況を踏まえ,洪水災害を適切に抑えるための治水対策(流域治水)が求められている.このためには,洪水流と土砂移動を山地から河口まで一体的に評価できる洪水流・河床変動解析法を確立し,流域全体でバランスのとれた河川管理を実行する必要がある.特に巨岩・巨石の多い山地河川では,洪水時の中・下流域への洪水・石礫の流出量の評価とダム下流部における洪水の流下能力を評価できる適切な洪水流と河床変動の解析法が必要となる.

山地河川は,巨岩・巨石から砂,シルトまで幅広い粒度分布で構成され,洪水時には巨岩・巨石周りでは複雑な3次元的な流動に伴う流速・圧力分布が発生し,主な抵抗要因となる.大洪水時には,数m大の巨石であっても移動する可能性があり,これによって周辺の砂礫が大量に移動し,流れや河道形状を変化させ,このことは水棲生物の生息場,産卵場を乱す等,治水面だけでなく環境面にも影響を与える.しかし,山地河川の洪水時の流れと石礫等の移動に関して,国内・外において信頼できる観測データが少なく,未解明なことが多い.

本研究では,太田川の支川滝山川(広島県)の温井ダム上・下流部,石狩川の大雪ダム下流部(北海道)の山地河川の洪水流と巨石の始動を検討対象としている.温井ダムのダム地点では計画流量2900m³/sに対して,洪水ピーク時のダムでの洪水調節量は1800m³/sで計画を定めている.しかし現状は,ダムからの最大放流量400m³/sに限定している.これは,巨石の多い山地河川の流下能力を正しく評価できないことと関係しており,ダム下流等の山地河道の流下能力の評価と河道改修は喫緊の課題である.

また,上流からの供給土砂量が減少している山地河川では,魚類等の生息環境に影響を及ぼしており,これらの対策の一つとして,巨石群から成る自然工を設置し,生物環境の改善を図っているが,巨石がどの程度の洪水流量まで留まり,自然工の機能を維持できるのか等を推算する技術力が十分でない.巨石の始動を水理学的考察に基づき評価できれば,山地河川の治水と環境の調和した親和性の高い川づくりが可能になると考えられる.

これらの観点から,本研究では,巨岩・巨石の多い山地河川における洪水流の解析法と巨石の始動の評価法について水理学視点から新しい解析法を提案し,解析結果と現地データとの比較検討することでその有効性を確認する.

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参考文献

第一章

1) 福岡捷二:洪水の水理と河道の設計法,森北出版,2005.

2) 福岡捷二,渡邉明英,原俊彦,秋山正人:水面形の時間変化と非定常二次元解析を用い た洪水流量ハイドログラフと貯留量の高精度推算,土木学会論文集,No.761,Ⅱ-67, pp.45-56,2004.

3) 福岡捷二:洪水水面形観測情報の広域的・統合的活用による流域治水の考え方の構築に 向けて,河川技術論文集,第 23 巻,pp. 251-256, 2017.

4) 山本晃一:沖積河川 -構造と動態-,技報堂出版,2010.

5) 高橋保:土砂流出現象と土砂対策,近未来社,2006.

6) 石狩川水系河川整備計画 石狩川(上流)河川整備計画,国土交通省北海道開発局,平成 19 年 9 月

7) 太田川水系河川整備計画(大臣管理区間),国土交通省中国地方整備局,令和 2 年 7 月

8) 加瀬瑛斗,前野詩朗,上田光明,渡辺敏:河床形状改良によるダム下流生態ポテンシャル回 復手法の検討,土木学会論文集 B1(水工学),第 67 巻, pp.Ⅰ-1387-Ⅰ-1392,2011.

9) 塚本洋祐,福岡捷二,大山 修:草木ダム貯水池の洪水流動を考慮した洪水流入量,放 流量の評価方法に関する研究,河川技術論文集,第 22 巻,pp. 7-12, 2016.

第二章

1) 柏田仁,二瓶泰雄,中西徹真,鈴木佑弥,平謙二,上田英滋,梶純也,藤田一郎:非 接触計測と水理解析による河川水位・流量観測の確立に向けた検討,河川技術論文集, 第23巻,pp263-268, 2017.

2) Qi-hua Ran, Wei Li ,Qian Liao, Hong-Lei Tang and Meng-yao Wang:Application of an automated LSPIV system in a mountainous stream for continuous flood flow measurements, Hydological Processes, 3014-3029,2016.

3) 福岡捷二:洪水の水理と河道の設計法,森北出版,2005.

4) 福岡捷二,渡邉明英,原俊彦,秋山正人:水面形の時間変化と非定常二次元解析を用いた 洪水流量ハイドログラフと貯留量の高精度推算,土木学会論文集,No.761,Ⅱ-67,pp.45- 56,2004.

5) 福岡捷二:洪水水面形観測情報の広域的・統合的活用による流域治水の考え方の構築に向 けて,河川技術論文集,第23巻,pp. 251-256, 2017.

6) 福岡捷二,田端幸輔,出口桂輔:平成27年9月洪水における鬼怒川下流区間の 流下能力, 河道貯留及び河道安定性の検討,河川技術論文集,第22巻,pp. 373-378, 2016.

7) 福岡捷二:実務面からみた洪水流・河床変動解析法の最前線 と今後の調査研究の方向性, 河川技術論文集,第20巻, pp.197-203,2014.6.

8) 福岡捷二,渡邊明英,永井慎也:河道内貯留量推算のための水位観測法と粗度係数に 与える流れの非定常性の影響,河川技術論文集,第10巻, pp.253-258,2004.6.

9) 柏田仁,二瓶泰雄:水位データ同化手法を組み込んだ河川洪水予測手法(DIEX-Flood) の開発と江戸川への適用,土木学会論文集B1(水工学),Vol.74, pp.Ⅰ 1471-1476, 2018.

10) 渡邊明英,見上哲章,小島崇,松延和彦,鈴田裕三,富澤慎二郎:平面二次元流解析とア ジョイント法に基づいた点観測の水位情報に対する縦断水面形時間変化の同化手法の 検討,河川技術論文集,第23巻,pp. 373-378, 2017.

11) Barnes, H. H.: Roughness characteristics of natural channels, U.S.Geological Survey WaterSupply Paper,1967.

12) Bathurst, J.C.:Slope-area discharge gaging in mountain rivers, Jour. of Hy.Div., Proc.of ASCE, Vol.112, pp.376-391,1986.

13) Hey,R.D.: Flow Resistance in Gravel-Bed Rivers, Journal of Hydraulics division, ASCE,Vol.105,pp.365-379,1979.

14) 浅野友子:日本の山地流域の降雨流出データ―収集データの概要と観測の課題―,水 文・水資源学会誌,Vol.27,No.1,pp19-28,2014.

15) 塚本洋祐,福岡捷二,大山修:草木ダム貯水池の洪水流動を考慮した洪水流入量,放 流量の評価方法に関する研究,土木学会論文集B1(水工学),河川技術論文集,第22 巻,pp.7-12,2016.

16) 大野純暉,福岡捷二,時岡真治,田辺裕和:多点水位観測に基づく山地河川の洪水流 量算定法に関する研究,土木学会論文集B1(水工学),Vol.74, No.4, pp.Ⅰ 799-804, 2018.

17) 国土交通省 水管理・国土保全局:河川管理用三次元データ活用マニュアル(案),令和2 年2月.

18) 山本一浩,中村圭吾,福岡浩史,戸村健太郎,金田真一:グリーンレーザ(ALB)を用い た河川測量の試み,河川技術論文集,第23巻,pp293-298,2017.

19) 渡邊明英,松延和彦,見上哲章,小島崇,鈴田裕三:利根川上流におけるALB及び水位 観測データ密度が水理解析結果に及ぼす影響に関する検討,土木学会論文集B1(水工 学),Vol.74,pp.613-618,2018.

20) 吉田圭介,前野詩朗,間野耕司,山口華穂,赤穗良輔:ALBを用いた河道地形計測の精 度検証と流況解析の改善効果の検討,土木学会論文集B1(水工学),Vol.73,pp.565~ 570,2017.

21) 山口華穂,吉田圭介,前野詩朗,間野耕司,赤穗良輔,西山哲: ALB による河道地形の再 現性向上に伴う河床変動解析の改善効果の検討: 土木学会論文集 A2(応用力学), Vol. 74, No. 2 ,Vol. 21,応用力学論文集, pp.465-474, 2018.

22) R Ferguson : Reach-Scale Flow Resistance, Geomorphorogy, Vol.9, pp.50-68, 2013.

23) André E Zimmermann, Matteo Saletti, Chend Zhang, and Marwan A Hassan: Step-Pool Channnel Features, Geomorphorogy,pp.1-22,2020.

24) Zhang Chendi, Liu Yingjun, Xu Mengzhen and Wang Zhaoyin: The 3D Numerical Study on Flow Properties of individual step-pool, 13th International Symposium on River Sedimentation, 2019.

25) 内田龍彦,福岡捷二:非平衡粗面抵抗則を用いた一般底面流速解析法の導出と局所三 次元流れへの適用,土木学会論文集B1(水工学),Vol.71, No.2, pp. 43-62, 2015.

26) Seokkoo Kang, Fotis Sotiropoulos:Flow phenomena and mechanisms in a field‐scale experimental meandering channel with a pool‐riffle sequence: Insights gained via numerical simulation,journal of geophysical research,vol.116,2011.

27) 高橋保:土砂流出現象と土砂と災害対策,近未来社,2006.

28) C. W. McKie, C. Juez, B. D. Plumb, W. K. Annable, M. J. Franca: How Large Immobile Sediments in Gravel Bed Rivers Impact Sediment Transport and Bed Morphology, ASCE 2021

29) Recking, A., Leduc, P., Liébault, F. and Church, M.: A field investigation of the influence of sediment supply on step-pool morphology and stability, Geomorphorogy, Vol.139-140, pp.53-66, 2012.

30) Zhang, C.D. and Wang, Z.L.: A physically-based model of individual step-pool stability in a mountain streams, 13th International Symposium on River Sedimentation, 2016.

31) Smith, D. P., Kortman, S. R., Caudillo, A. M., Kwan-Davis, R. L., Wandke, J. J., Klein, J. W. and Gennaro, M.C.: Controls on large boulder mobility in an ‘auto-naturalized’ constructed step-pool river: San Clemente Reroute and Dam Removal Project, Carmel River, California, USA. Earth Surface Processes and Landforms,pp.1990-2003, 2020.

第三章

1) 竹村吉晴,児子真也,大野純暉,福岡捷二:巨岩・巨石が点在する山地河川に対する平 面二次元解析法の課題と新しい解析法の提案,河川技術論文集,第25巻,pp.267-272, 2019.

2) 竹村吉晴,福岡捷二:波状跳水・完全跳水及びその減勢区間における境界面(水面・底 面)上の流れの方程式を用いた非静水圧準三次元解析(Q3D-FEBS),土木学会論文集 B1(水工学),Vol.75,No.1,pp.61-80,2019.

3) 大野純暉,佐々木博文,竹村吉晴,福岡捷二: 巨岩・巨石で覆われた河川の観測水面 形に基づく洪水流量の算定法に関する研究, 河川技術論文集,第27巻,pp.265- 270,2021.

4) 太田川水系河川整備計画(大臣管理区間),国土交通省中国地方整備局,令和 2 年 7 月.

第四章

1) 福留脩文,有川崇,西山穏,福岡捷二:石礫河川に組む自然に近い石済み落差工の設計, 土木学会論文集F,Vol.66,pp.490-503,2010.

2) Smith, D. P., Kortman, S. R., Caudillo, A. M., Kwan-Davis, R. L., Wandke, J. J., Klein, J. W. and Gennaro, M.C.: Controls on large boulder mobility in an ‘auto-naturalized’ constructed step-pool river: San Clemente Reroute and Dam Removal Project, Carmel River, California, USA. Earth Surface Processes and Landforms, 2020.

3) P.A Cundall and O.D.L. Strack: A discrete numerical model for granular assemblies, Geotechnique,Vol.29,pp.47-65,1979.

4) 後藤仁志:数値流砂水理学-粒子法による混相流と粉状体の計算力学-,森北出版,2004

5) 岡田康彦,内田一平,落合博貴,松浦純生:岩塊群崩落実験における岩塊個数と流下距 離の関係について,日本地すべり学会誌,Vol46,No.1,pp.9-18,2009.

6) 福田朝生,澁谷慎一,福岡捷二:改良された袋詰玉石工の洪水時の 安定性評価技術の 開発とこれを活用した 袋詰玉石工の構造・配置の技術的検討,河川技術論文集,第25 巻,pp.463-468,2019.

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