リバーフロント研究所報告第21号 2010年 9月

石狩川水系忠別川における砂州環境保全手法に関する研究
Study on sand bar environment conservation methods in the Chubetsu River of theIshikari River System

河川・海岸グループ
水辺・まちづくりグループ
企画グループ
河川・海岸グループ研

究員 伊藤 将文グループ長坂之井和之

サブリーダー 都築 隆禎
研究員 秋山 和也

本調査研究は、石狩川水系忠別川を研究サイトとし、ダム運用に伴うダム下流域の河川環境の変化に対し、砂州の保全と樹林化の拡大抑制を適切に実施すること及び河川区域内の河畔林の管理手法を確立することを目的として実施した。
具体的には、忠別川では、ダム運用後の出水の減少により多くの裸地河原が樹林に置き換わるという予測に対して、水制等の河道内工法により流水の営力を活用して樹林化の傾向を抑制する手法の検討を行った。
流水の営力を活用した河道内工法として、忠別川で多く実績のある水制に着目し、水制の設置による流れや河床形成への作用について平面二次元河床変動モデルによる数値シミュレーションで解析した。結果として、水制工の設置と現状の砂州の切り下げを併用することにより、切り下げた砂州部を再樹林化させずに維持できる可能性について確認することができた。
キーワード：水制工、ダム、河床変動、砂州、忠別川
This research study was conducted in the Chubetsu River, with the aim of ensuring appropriate conservationof sand bars and controlling the spread of reforestation in response to changes in the river environment in thedownstream basin due to operation of the dam, and establishing management methods for riparian forests in theriver district.
Specifically, on the assumption that a larger area of bare land would be replaced with forests due to reductionin flooding after the dam is operated, we considered how to restrain the tendency to reforestation by using thepower of running water through river channel construction methods, including spur dikes.
With a focus on spur dikes that have achieved many satisfactory results in the Chubetsu River as a riverchannel construction method using the power of running water, we analyzed the effect of installation of spurdikes on river flow and riverbed formulation by means of numerical simulation based on two-dimensional surface
riverbed fluctuation modeling. As a result, it was confirmed that there is a possibility of maintaining the loweredsand bar areas without reforestation, by combining the installation of spur dikes with the lowering of existing
sand bars.
Key Words: spur dike, dam, riverbed fluctuation, sand bar, Chubetsu River－ 105 －

「自然をいかした川づくり」に関する研究報告

1. はじめにが期待される。

～0.25～0.24～0.23～0.22～0.21～0.19～0.20～0.18～0.17～0.16～0.15～0.13～0.14～0.12～0.10～0.11～0.09

0%～0.08として平面二次元計算により効果等の検討を行った。

5%～0.07

目的とした河道内工法について、忠別川を研究サイト

10%～0.06

河川環境の保全と樹林化の拡大の抑制に資することを15%～0.05

本研究においてはダム運用前に礫河原を有していた

20%

～0.04

化及び人為的な伐採圧力の減少などが考えられる。

25%～0.03

ダム等による出水頻度と強度の減少、土砂供給量の変～0.02

題となっているといわれている。この要因としては、調査箇所のヤナギ類の全幅 966m に対する割合

30%～0.01

近年、河道における樹林化の進行が多くの河川で問

無次元掃流力τ*

図－ 1 ヤナギ類の分布箇所の無次元掃流力（平均年最大流量時（約 230m3/s））

2. 忠別川の概要と現状

本研究で対象とする石狩川支川の忠別川は旭川市街で石狩川に流入する河床勾配 1/100 から 1/300 の扇状地河川である。

2－1

つまり、流れのある箇所では樹林化の抑制が可能であると考え、本研究においてはダム下流部の礫河原を河道の状況有する河川特性の保全を目的とし、護岸に沿った流れ

平成 19 年に忠別ダム（石狩川合流点から 6.4k）の運となっている区間の砂州の切り下げと流れの制御誘導用が開始されて約 3 年が経過した現在も複列砂州がみによる流路の平面的な位置の調整について検討する。

られる。
しかしながら、ダム運用が開始された平成 19 年 4 月
以降、出水時の流量が以前に比し、低いレベルで安定した。ダム運用開始以前は、裸地であった礫河原への植生の侵入などの変化が確認されている。（写真－ 1）
写真は典型的な礫河原地点の変化の様子を表しているが、既に草本類による砂州の被覆等の変化が生じている。現地を詳しく観察するとヤナギ等の樹木が水際に定着しつつあり、今後は、これらの河道が樹林化するなど、環境の変化が予想される。

2－2

流況の変化

図－ 2 はダム供用による年最大流量の変化を示したものであるが、忠別川の最大流量はダム運用前に約230m3/sであったものが、約 130m3/sまで減少する結果となっている。
ダム運用以前には洪水に伴い、動的に安定的な変動域が形成されていた河道が、流量の減少に伴い、攪乱域が減少し、草本や樹木の侵入定着が進み、砂州環境などの劣化が予想される。
写真－ 1 KP6.4 付近の河川環境の変化状況（上：2007/5/30、中：2007/10/30、下：2009/9/9）

3. 手法の検討

3 － 1 忠別川における課題と対策案
現地調査によるヤナギ林等の成立位置と掃流力の関係を断面ごとに整理し、それらの関係を分析した。
分析の結果、無次元掃流力τ＊ ≦ 0.07 以下の箇所でヤナギ類の占有率が高いことが確認された。τ＊ が一定値以上確保された場合に河道内の樹林化抑制の効果－ 106 －

リバーフロント研究所報告第21号 2010年 9月

900
洪水調節無調節後流量

800
700
36ヶ年の平均(1968-2003)

600

3234m /s

500

36ヶ年の平均(1968-2003)

400

33131m /s(103m /sの減少)

300200
100

3－2

図－ 2

忠別ダムの供用による流況の変化（年最大流量）

図－ 3

忠別川における既設水制と砂州、河畔林の状況

2002

2000

1998

19961994

19921990

19881986

19841982

1980

1978

1976

1974

1972

1970

1968

0

河道内工法の選定

忠別川における既設の水制や護岸の設置箇所周辺の状況には、以下の特徴が見られる。（図－ 3）•護 岸設置箇所では流路が護岸に張り付き、対岸側に砂州や樹林が続く。

対岸の砂州の維持
下流の砂州の維持•水 制設置箇所では砂州が水制上流側、下流側及び対岸側に維持されている。

上流の砂州の維持
水制間は位置で流速に違いが生じるため、多様な水域が形成される

図－ 4－ 107 －

水制工周辺で維持された河道内砂州の例

「自然をいかした川づくり」に関する研究報告

これら既設の水制工周辺の砂州の形成状況を参考に、対岸側の砂州の切り下げと水制工の組み合わせによる流路修正法を採用することとした。この手法の効

3－4

再現計算結果平成 14 年の測量結果を初期条件に設定し、計算結果が平成 19 年の河床高の変動の再現を試みた。

果の確認、水制工の設置位置や高さ設定による効果の （1）再現計算区間
検証を目的に平面二次元の河床変動計算を実施した。

3－3

忠別川においては、複数の頭首工が整備されており、河道の固定点となっている。そのため、再現計算の実計算手法

施区間は、頭首工等により分割された複数の河道区間のうち、工事等の影響を受けている区間を除外した箇（1）数値計算ソフトについて
本研究においては、水制工を用いた場合の河道内砂所を選定した。

州の保全の可能性を検証するものであり、財団法人 （2）計算条件
北海道河川防災研究センターが公開している「RIC－
2）1）河床材料の条件設定
河床材料については、計算の目的が砂州や主流路のNays」 を用いた検討を行った。
「RIC－Nays」では、河床変動計算においては、以形成傾向を把握するものであることを考慮し、各区間下の特徴を有する。のd50 の平均値を使用した。

1.
「掃流砂のみ」、「掃流砂と浮遊砂の両方」の計算方法

140の選択が可能である。

L-表層
C-表層
R-表層
区間平均値

120

方向成分が計算され、流線方向は芦田・道上の式 3）、流線と直交する方向には、Engelund4）による 2 次流

100
粒径(mm)

2.掃流砂は二次元流れ場の流線方向とこれに直交する

L-下層
C-下層
R-下層

80
6040の影響と横断方向の斜面（重力）効果を考慮した長谷

205）

川の式 を使用する。

003.河床変動計算は二次元の流砂連続の式により計算さ510

図－ 5れる。河床変動計算は計算開始時間を指定可能（初15202530

忠別川の河床材料調査結果（平成 18 年ダム環境プロジェクトに関する調査結果より作成）

期は固定床、一定時間経過後から移動床の計算が可
2）流量の条件設定能）である。
今回の検討では、砂州スケールの河道の変動に注目計算に用いる流量については、d50 粒径に対するしてメッシュスケール、計算時間を設定し、代表粒径移動限界掃流力を考慮し、平成 14 年から平成 19 年のを用いた単粒径で計算を行った。よって、掃流砂のみ120m3/s以上の実績流量を使用した。
120m3/sについては概ね砂州が冠水し始める流量にを対象とした。
（2）計算スケール対応する。

今回の検討では、水制工周りの局所洗掘等ではなく、水制等の構造物設置に伴う主流路や砂州の挙動に関する解析を行うものであり、水制工の上下流領域を含めた 2,000m程度の範囲を対象とした解析を行った。
表－ 1
概要

項目

計算スケールの設定

瀬淵を持つ流路の一定区間や多様な植生を持つ川原・氾濫原、河畔林、湿性草原などの延長でおよそ 100m以上の規模の環境を対象とする。
5m程度以上メッシュサイズ
河川構造物の入れ方 護岸：粗度の小さい侵食のない固定点
水制：粗度の大きい侵食のない固定点（水制工の扱いについては次項を参照）

再現計算の評価の再現を評価する指標がある。ハビタットスケー
難易ルに比較し再現性の評価が容易である。
・経年的な河床高の変化・一次元計算等の水位評価方法

砂州規模の河道形状
流速及び掃流力の分布

表－ 2
洪水
発生日

発生
時刻

洪水履歴に基づく計算設定流量
暁橋
流量

洪水
発生日

発生
時刻

暁橋
流量

H15.8.10

2：00

148.84

H17.9.8

4：00

155.34

H15.8.10

3：00

179.25

H17.9.8

5：00

129.28

H15.8.10

4：00

175.03

H17.9.8

12：00

121.93

H15.8.10

5：00

154.70H17.9.8

13：00

152.63

H17.8.3

13：00

168.75

H17.9.8

14：00

147.27

H17.8.3

14：00

135.55

H17.9.8

15：00

149.94

H17.8.3

15：00

153.97

H17.9.8

16：00

134.30H17.8.3

16：00

132.01

H18.8.18

24：00

141.43

H17.8.22

6：00

130.25

H18.8.19

1：00

162.35

H17.8.22

7：00

159.73

H18.8.19

2：00

150.22

H17.8.22

8：00

167.57

H18.8.19

3：00

121.95

H17.8.22

9：00

148.32

H18.8.19

4：00

130.12

H17.8.22

10：00

130.25

H18.8.19

5：00

205.04

H17.8.22

11：00

125.06

H18.8.19

6：00

252.71

H18.8.19

7：00

162.35

H17.9.8

2：00

140.95

H17.9.8

3：00

161.67－ 108 －リバーフロント研究所報告

図－ 6（3）再現計算結果

計算設定流量200流量（m3/s）

再現計算結果（上：計算開始時の平成 14 年の状況、下：平成 19 年の再現結果）

暁橋流量

250第21号 2010年 9月

図－ 6 の再現計算の結果より、平成 14 年から平成 19150年に至る澪筋形状の変化が計算結果の平面形状より概100ね再現されていることが確認された。また、KP6.4 及50

びKP6.8 の瀬淵構造、KP7.0 の砂州、KP7.6 付近の洗掘3026282224182014161012684020

傾向について再現性が確認された。

継続流下時間図－ 7計算設定流量（平成 14 年－平成 19 年）

ただし、本計算においては植生を考慮しおらず、計（平成 14、19 年は 120m3/s を超える流量が発生していない）

算で再現した平成 14 年から平成 19 年の期間内で繁茂

二次元計算の実施にあたっては、以下の表－ 3 に示した樹木、草本類による砂州の固定化等影響については再現できない。

す計算条件を設定した。

前記のとおり、平面で見た河道、砂州の形状は再現表－ 3

再現計算の設定条件

性が確認されているが、横断形状より再現性を見た場

項目

再現計算の設定条件

合、植生を考慮していない関係上再現性が低い箇所も下流端条件

等流計算で水位を与える

見られる。

上流端条件

上流端の流速分布は等流計算値を与える

粗度係数

低水路は整備計画における設定粗度係数 0.034を与える（低水路内のモデル計算とし、基本的には高水敷粗度は設定しない）
護岸部及び水制工の粗度係数は 0.015 とした結果である。

河岸侵食考慮しない（横方向の変動は考慮しない）

植生考慮しない

測量結果に計算結果（赤いプロット線）があっている

図－ 8 は 6.9k地点、7.2k地点の平成 19 年の再現計算
7.2k地点については、図中黒線で示した平成 14 年の測量結果を初期値として、赤線で示した平成 19 年のことが分かる。

－ 109 －

「自然をいかした川づくり」に関する研究報告

しかし 6.9k地点の計算結果においては、図中横軸のされる環境課題としては、以下の 2 点である。

120 ～ 140 の区間で、計算上砂州高が平成 14 年に比べ•澪筋の集中に伴う河床の低下（右岸）わずかに上昇しているのに対し、計算上は約 1m低下

•高水敷の草地化・樹林化（左岸）する結果となっている。この計算結果の理由として、

このため右岸に沿った澪筋を左岸側へ振り向け流れ

平成 14 年から平成 19 年の間に当該箇所が樹林化したのポテンシャルに見合った川幅が確保されることをねことが考えられる。

らいとした。
（2）水制工の諸元

134133
132
131
130
129
128
127
126
125124123122121120

河床の変動を誘導するため、河床材料の移動限界を

H14 7.20
H19 7.20
計算終了→H19 7.20超える流量（120m3/s）時に砂州への流れを誘導する必要性があると考えられる。予測計算においては、砂州高と水制工の高さの関係に着目し、水制の高さによる効果を検討することとした。

20132131130129128127126125124123122121120119118406080

100120140160180200

H14 6.80
H19 6.80
計算終了→H19 6.80

水制は、①主に水はね効果による流向調整機能に期待する「高い水制」と、②護岸の根固め水制的に設置し、抵抗を付加することで上流の水位を高め、対岸側へ流れを誘導する「低い水制」の 2 パターンについて検討する。
具体的な高さについては、「高い水制」を平均砂州高+0.5m、「低い水制」を平均砂州高－ 0.5mとした。

6080

100120140160

180200220240

図－ 8 計算による横断形状の例（上：7.2k 地点、下：6.9k 地点）

なお、平成 13 年前後に忠別川に設置された既設の水制はほとんどが「高い水制」に対応する。
計算モデルへの水制の取り込み方法については、次4. 水制工を適用した水域の改善の図のような方法が考えられる。検討の目的、再現性（1）予測計算対象区間の選定として扱う」手法を採用する。

4 － 1 計算条件に関する既往の知見、計算時間などを考慮し「高水敷予測計算による水制工整備による環境改善、保全の検証区間として、以下の条件を満たす区間を選定した。
1. 対応すべき樹林（樹木管理の必要性）がある
2. 低水路に十分な幅がある
3. 堰等の構造物が付近に無い
4. 高水敷の利用状況（高水敷に公園等の利用がない）
上記、4 つの条件より、KP16.0 から 17.2 を水制工設置個所とした。（図－ 9）
図－ 9 より、水制工設置個所周辺においては、現状においては、右岸に澪筋が張り付いていること、河道内で樹林化が進行していること、ダム運用後も複列砂州が形成されていることが確認される。
当該区間における今後の忠別川ダム運用に伴い予想図－ 9水制工設置、河床掘削位置図

図－ 10

水制工を高水敷として取り扱うイメージ

図－ 11－ 110 －

水制工設置、河床掘削位置図

リバーフロント研究所報告

4－2

水制工・河床掘削の効果

第21号 2010年 9月と考えられる。
予測計算においては、前述の通り高い水制工を設置（1）予測計算条件
水制工をKP16.6から16.7に設置し、左岸砂州（KP16.0

した場合、澪筋は水制工の対岸に張り付く澪筋が形成から 16.6）を切り下げた場合について、2 パターンのされる結果となっており、水制工の形状、設置間隔等水制工の高さの条件を設定し、計算を行った。（図－の検証が今後も必要な検討課題に挙げられる。

11）（2）予測計算結果
水制工を設置した場合の予測計算結果を図－ 14 に示す。
低い水制工（砂州高－ 0.5m）については、水制工下流部において、現状の再現計算結果と比較し、澪筋が流心に移動した以外は効果が明瞭には確認されなかった。
高い水制工（砂州高+0.7m）の場合、水制工の上流端付近を支点として主流線が対岸側へ向かう結果となった。そして、水制の前面は洗掘傾向となり、対岸側は堆積傾向となる。これは、いわゆる水制の水跳ね作用砂州切り下げが効果的に機能しているためと考えられる。また、図－ 3 に示した忠別川における既設の水制工周辺の砂州維持状況と類似した結果であることが確認された。
さらに高い水制工による予測計算結果では、水制工下流の澪筋は大きく左岸側に移動し、左岸に張り付く

水制配置

澪筋が形成されることが確認された。これは、現状で樹林化している左岸の樹林化を抑制する効果も期待できる結果であると考えられる。
結果として、砂州高以上の水制工を設置した場合、低い水制工と比較し流向調整の効果の確実性が確認さ

図－ 13

水制工による河道管理への影響れた。
< 参考文献 >1）ダ ム構造物が水辺林の更新動態に与える影響，中村太士，1999，応用生態工学会誌
2）二次元モデルを用いた水制を含む河道の計算，崇田，清水，板倉，1996，開発土木研究所
3）芦 田和男，道上正規：移動床流れの抵抗と掃流砂量に関する基礎的研究，土木学会論文集，第 206 号，pp.59 － 69，1972.
4）E ngelund，F.：Flow and bed topography inchannel bends. J. Hyd. Div.，ASCE，100（11），pp.1631 － 1648.，1974.
図－ 12

水制工、河床掘削による澪筋形成のイメージ

5. 河道管理への活用

5）長 谷川和義： 沖積蛇行の平面および河床形状と流れに関する水理学的研究， 北海道大学学位論文，
1983.

河道管理への活用については、図－13に示すように、 6）Shimizu，Y. and Itakura，T.： Calculation of flow

砂州の切り下げと併用することとする。水制による流and bed deformation with a general nonorthogonal

れの方向制御で切り下げ部へ流れを誘導し、これによcoordinate system，Proc. of XXIV IAHR Cong.

り切り下げ部に創出された砂州の持続性が期待できる

Madrid，Spain，Vol. C，pp.241 － 248.，1991.

－ 111 －

「自然をいかした川づくり」に関する研究報告

図－ 14

予測計算による平成 19 年の澪筋の状況－ 112 －