第４回土砂災害に関するシンポジウム論文集，2008 年 8 月

上流域河道内からの土砂流出を考慮した流込み式水力発電所の流入土砂対策検討
THE STUDY IN MEASURES AGAINST SEDIMENTATION IN RUN-OFF-RIVERHYDRO POWER PLANT CAUSED BY SEDIMENT RUNOFF FROM UPSTREAM
CHANNEL BED

河内友一 1・細田 尚 2・大久保

賢治 3

Yuichi KOUCHI, Takashi HOSODA and Kenji OKUBO

1

中国電力株式会社エネルギア総合研究所（〒739-0046 東広島市鏡山三丁目 9 番 1 号）
E-mail: 260113@pnet.energia.co.jp
2

京都大学大学院工学研究科（〒615-8540 京都市西京区京都大学桂 C1-3 号棟）
E-mail: hosoda@mbox.kudpc.kyoto-u.ac.jp
3

岡山大学大学院環境学研究科（〒700-8530 岡山市津島中 3-1-1）
E-mail: okubo@cc.okayama-u.ac.jp

Key Words: hydro-power-plant, run off river type, sedimentation, suspended load, bed load

１．はじめにられる．流域規模の土砂生産については既に，砂田ら 1)，
守利ら 2)，舛屋ら 3)，橋本ら 4)など多くの研究が実施され近年の温室効果ガス削減に対する関心の高まりおよており，高橋ら 5) は土砂生産から貯水池の長期の堆積びエネルギーセキュリティの面から，化石燃料を使用し土砂量を予測している．さらに，筆者ら 6)は，上流河道ない純国産エネルギーである水力発電所は重要性を内からの土砂流出を考慮した流込み式水力発電所の１増している．しかし，水力発電所では発電用水として河出水時における流入土砂現象の再現を試み，実用的な川水を取水するために，河川流水中の土砂に起因した精度で流入土砂量を再現している.

発電の制約などの問題が生じることがある．

そこで，本研究では，出水時の発電所上流河道域か水力発電所の型式の一つである流込み式では，出らの土砂流出およびその土砂の発電所流入現象を再水時には流水中の土砂が掃流状態・浮遊状態で取水現するモデルを用い，発電所土砂流入対策案を比較口から導水路へと流入する．この対策として取水口付近検討し，それらの流入土砂低減効果を定量的に評価しには排砂門・沈砂池などの設備が設けられているが，大た．

規模な出水時にはその設備の処理能力を超えた土砂が導水路に流入し，長期間の発電停止を余儀なくされ２．対象とした流込み式水力発電所ることがある．既設水力発電所の有する利点を充分に発揮させるためには， これらの問題を解決し，発電電力量を増加させることが重要である．

今 回の研 究対 象 とし た 水 力発 電所 は 最大 取水量
13.5m3/s の流込み式水力発電所であり，岡山県の一級水力発電所の土砂流入対策としては，排砂門等の設河川の比較的上流域に位置している．この水力発電所

備を設置・改良するハード対策と排砂門運用方法の変の取水口は図-1 に示しているとおり幅 30m 程度の河更，取水制限等のソフト対策が考えられるが，これらの川湾曲部の内岸側に位置し，排砂門は河川の取水口対策を比較検討する上では発電所土砂流入現象を時下流側左岸に露頭岩が発達しているため，景観面に配系列で定量的に再現するモデルを構築することが求め

慮して右岸側に設けられている．このように，この水力発電所は湾曲部内岸側に堆積した土砂が取水口内に流入しやすい平面レイアウトとなっている．この対策として取水口に沈砂池を設けるとともに，沈砂池底部に揚砂装置と渦動管を組み合わせた排砂装置が設置されている．しかし，大規模な出水時においては，この装置の排砂能力を越える土砂が取水口に流入し，導水路にまで大量の土砂が堆積する現象が生じている．
取水ダム
導水路
図-2
取水ゲート

排砂門
(幅 5.5m)

沈砂池

平成 16 年台風 23 号出水時の沈砂池内土砂流入状況

この規模の出水はそれほど頻発するものではないが，比較的中規模の出水でも土砂が堤内に堆積するととも取水口に取水口にも流入し，恒常的に沈砂池や取水口前面河川河道の土砂取り除き作業を実施している．

３．再現モデルの概要
図-1

対象とした水力発電所の取水口付近概要図

平成 16 年 10 月には台風 23 号による大規模な出水が発生し，この発電所では大量の土砂が沈砂池および導水路に堆積した（図-2）．この結果，出水途中に発電停止状態となり，出水後に発電所導水路内を抜水してこの水力発電所の土砂流入現象を再現するためのモデルは上流域河道モデルと取水口周辺モデルの 2つを組み合わせたものとした．今回の再現計算に使用した式とモデルの一覧を表-1 に示す．
取水口内への土砂流入低減策として出水中の取水土砂の取り除き作業を実施する必要が生じた．

制限などがあるが，この判断基準として上流域の雨量を用いて数時間後の意志決定を行えるものが望ましい．こ
表-1 再現モデルに使用したモデル・式
領域
山地斜面

上流河道

発電所取水口周辺

項目使用したモデル・式

流れ

中間流・表面流統合型キネマティックウェーブモデル 7)

土砂生産

山地斜面からの土砂生産は無視

流れ

開水路 1 次元非定常流（移流項 TVD-MUSCLE）8)

掃流砂量（混合砂礫）

芦田・道上式

限界掃流力（混合砂礫）

Egiazaroff・浅田式 9)

浮遊砂（混合砂礫）

1 次元連続式（移流項 TVD-MUSCLE）8)

浮遊砂浮上量（混合砂礫）

芦田・藤田式 10)（平均粒径で礫頂から浮上面の距離を評価）6)

河床交換層

平野の式

流れ

一般曲線座標系平面 2 次元非定常流 11)（移流項 TVD-MUSCLE）8)

掃流砂量（混合砂礫）

芦田・道上式

限界掃流力（混合砂礫）

Egiazaroff・浅田式 9)

浮遊砂（混合砂礫）

一般曲線座標系平面 2 次元連続式（移流項 TVD-MUSCLE）8)

浮遊砂浮上量（混合砂礫）

芦田・藤田式 10) （平均粒径で礫頂から浮上面の距離を評価）6)

河床交換層

平野の式

安息角を越えた場合の処理隣接する最急勾配の格子への強制的な土砂移動

のため，上流域における雨量データをもとにした水・土

10 年確率出水は 200m3/s 程度であるが，その後現在ま砂流出を再現する上流域河道モデルを構築することとで 300m3/s 規模の出水が数回発生しており，この出水した．後述するが，今回対象とした出水のピーク流量はは極端に大きい規模のものではないと考えられる．した

3300m /s 程度であり，今回の検討はこの規模の出水 1

がって，この規模の洪水に対する土砂対策の必要性は回のみを対象としていることから，山地斜面からの土砂高いといえる．洪水のピークとほぼ同時刻に掃流砂量生産現象の影響は小さいと仮定した．このため，本研究のピークが生じている一方，浮遊砂体積濃度のピーク

では山地斜面からは土砂流出がなく水のみが流出する

は流量ピークの約 2 時間 20 分前に発生する先行型を条件とした．この流出量をもとに上流域河道内の流れと示している．この先行型については，モデル上で山地土砂流出を開水路 1 次元計算により再現した．

斜面からの土砂生産を無視したことによると考えられる

水力発電所取水口付近河道については，湾曲の影響や排砂門による排砂現象を再現するためには平面的が，実際には今後現地計測で確認する必要があり，今後の課題としたい．

な流れ・移動砂現象を再現する必要があることから，取表-2 再現計算条件

水口周辺モデルには平面 2 次元解析モデルを採用し対象期間た．この平面 2 次元解析の上流端境界条件として前述

雨の上流域河道モデルによる水・土砂流出計算結果を用河床量いた．これらの上流域河道および取水口周辺のいずれのモデルでも移動砂現象については混合砂礫河床の23 時間

山地斜面

掃流砂・浮遊砂を対象とした．

４．モデルの再現性(1) 計算条件
対象とする流域は図-3 のとおり流域面積 124.4km2 で，本川と支川 16 本から構成される．
上流河道

観測所 2 箇所の時間雨量
粒径0.2mm～280mm（粒径階 6 分割）

交換層0.2m(90%粒径程度)

流域面積

124.4km2

流域分割

60 分割

粗度係数

0.10m-1/3s

透水係数
A 層 厚 (高 透 水性土壌層厚) 12)

0.03m/s
0.2m

有効空隙率0.2

初期雨量損失0.40

河川数

本川 1 本，支川 16 本

河川断面

矩形

粗度係数

0.05～0.06 m-1/3s（Bray の式より評価）

河川幅

流域面積の関数

計算格子間隔

雨量観測所
現地調査箇所
5km

再現範囲

ダム下流 200m
粗度係数0.047（Bray の式より評価）

排砂門

台形せきでモデル化

対象流域

元については出水記録から類推して決定した．この計算条件から，平成 16 年の 23 号台風時の出水を対象と0(2) 計算結果
上流河道域の計算結果と使用した雨量を図-4 に示す．

25025300して計算を実施した．なお，排砂門開度および取水条

6.0E-03
Dischrage(m3/s)

250
200

Suspendedload

4.0E-03150

3.0E-03100

2.0E-0350

1.0E-0300.0E+00
5:00

3

流量ピークは約 300m /s 程度であった．この地点の1984 年から 1993 年の 10 年間の出水記録から類推した

5.0E-03

Bedload(m3/s/m)

Discharge(m3/s)

件は当時の実際の運用条件を与えた．

mm

主要な計算条件を表-2 に示す．山地斜面の計算諸

mm

図-3

強制横流入
取水口上流 200m～

水口周辺

rain intensity

0

発電所取合流点

図-4

10:00

15:00

20:00

Time

1:00

6:00

11:00

上流河道域からの流量，土砂量計算結果

掃流砂(m3/s/m),浮遊砂(濃度)

発電所取水ダム20m2004.10.20
11:00

13:00

15:00

17:00

19:00

21:00

3:00

6:00

流入土砂量算定範囲

図-5 取水口付近の河床高コンターの時系列

次に，上流域河道モデルによる水・土砂流出の計算径の土砂が掃流砂として流入していることが推測される．

結果を上流端境界条件として，取水口付近河道の平面計算結果から得られた流入土砂の粒径分布は実測した

2 次元解析を実施した．平面 2 次元解析河床コンター図

流入土砂平均の粒度分布と比較するとやや細粒分がおよび流線の時系列結果を図-5 に示す．

多いものの，概ねその分布形状が再現できている．

出水期間中に取水ダム上流右岸側で計測した水位以上の検討により，数値解析により土砂流入現象がと，平面 2 次元計算結果の水位を時系列で比較すると再現でき，再現モデルは対策案を比較検討に十分な精

図-6 に示すとおりであり，両者は概ね一致している．

度があるといえる．以下ではこのモデルを用いて土砂流入対策案を検討する．

357.0

100

Obs.

356.0Cal.

90EL.m80355.070%60354.0504030353.0
10:00

14:00

18:00

22:00

2:00

6:00

解析結果
取水口内サンプル平均
導水路内サンプル平均
全流入土砂サンプル平均

2010:0010

図-60
1.0E-02

水位実測値と計算値の比較

また，取水口から実際に流入した土砂量は沈砂池内

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

粒径(mm)

図-7

流入土砂粒径分布の実測値と計算結果の比較

3および導水路内の流入土砂の合計 543m であった．一方，再現計算の流入土砂量（図-5 6:00 に示す範囲）

５．対策案の検討

3は 560m であり，ほぼ一致した．なお，計算では導水路を含めておらず計算上流入土砂は沈砂池ですべて堆(1) 検討した対策案

積する．出水後に取水口沈砂池内および導水路内の検討する対策案は，現在の排砂設備を改良するハー

15 箇所でサンプリングした流入土砂の粒径分布は図-8

ド対策として，現在取水口の反対側にある右岸側の排のとおりであった．この結果から，ほとんどの土砂が浮遊砂門を左岸側に移設する場合と左岸側に増設する場砂として流入しており，取水口の一部に比較的大きい粒合を設定した．さらに，現状の設備のままで発電所の運用方法を変更するソフト対策として，排砂門を出水初期に移設することで取水口側に高い浮遊砂濃度の流れをに全開とする場合と取水停止を出水初期に行う場合を集中させていることがわかる．取水口内の流入土砂は想定した．設定した対策案は計 7 案でその一覧を表-3

浮遊状態で流入してくるものがほとんどを占めているたに示す．なお，実際には排砂門の開度は下流の水位をめ，C-1 の流入土砂量は C-0 を上回ったと考えられる．

急激に変化させないように設定しなければならないが，また，C-1,C-2 の計算結果では排砂門の直近は排砂さ今回は対策の効果を比較することが目的であるため，れていたが，取水口前面には現状と同様に土砂が堆積周辺の水位変動までは考慮していない．排砂門運用のしており，排砂効果が局所的であった．

変更で土砂流入対策効果が得られると判断され現地にC-0適用する場合には，実運用上は下流域への水位の影

排砂門

排砂門

C-1

響を考慮した運用を実施しなければならない．
表-3 土砂流入対策案検討ケース
対策内容と
ケース番号

排砂門位置

排砂門
運用

取水条件

右:右岸 左:左岸

現状

C-0 現状排砂門(右)18:00 停止 15:00 全開

設備

C-1 排砂門移設(左)18:00 停止 15:00 全開

対策

C-2 排砂門増設(左右) 18:00 停止 15:00 全開

排砂門

C-3 現状排砂門(右)運用対策b) 排砂門運用方法の変更する場合

常時全閉

現状の右岸側にある排砂門の運用方法を変更するこC-5 現状排砂門(右)13:00 停止 15:00 全開とによる流入土砂量低減量を評価した．出水初期に全C-6 現状排砂門(右)14:00 停止 15:00 全開開とした場合(C-3)および排砂門を出水期間中全閉でC-7 現状排砂門(右)15:00 停止 15:00 全開保持する場合(C-4)の計算結果を図-10 に示す．

運用対策 C-4 現状排砂門(右)取水

18:00 停止 12:00 全開

図-9 排砂門位置による浮遊砂濃度分布の比較

18:00 停止

排砂門全閉を保持した場合では現状よりもやや多い土砂が流入し，現状の操作でもある程度の排砂効果がa) 排砂門を移設・増設する場合あることがわかる．一方，排砂門を初期（12:00）に全開

現状の排砂門は取水口の対岸である右岸側にあるたにした場合には，その直後から流入土砂量の低減効果めに，効率的な排砂効果が得られていない可能性があが得られており，その低減効果は 8%程度であった．

る．そこで，取水口近傍の取水ダム左岸側に排砂門を移動した場合(C-1)と左岸側に追加して設置する場合(C-2)の流入土砂量を計算した．このときの排砂門，取水等の運用条件は現状と同様とした．
流入土砂量の時系列計算結果と運用条件を図-8 に示す．排砂門を左岸側に移設した場合および増設した
場合とも，現状よりも取水口内への流入土砂量はそれ

各案土砂量/C-0最終土砂量

ぞれ 27%，19%増える結果であった．
1.5

0.0
10:00

C-0 現状C-1 排砂門左岸移設
C-2 排砂門左岸増設
14:00

18:00

22:00

2:00

1.5
1.0

6:00

C-0 現状C-3 排砂門初期全開
C-4 排砂門全閉保持

0.5
0.0
10:00

14:00

18:00

22:00

C-3発電所運転条件
1.5
1.0
0.5
0.0
10:00
C-4発電所運転条件

1.5
1.00.50.0
10:00

1.0
0.5

各案土砂量/C-0最終土砂量(2) 各対策案の比較

2:00

6:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)

14:00

18:00

22:00

2:00

6:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)

14:00

18:00

時刻 22:00

2:00

6:00

図-10 排砂門運用方法を変更した場合の流入土砂時系列

時刻
C-0,C-1,C-2発電所運転条件
1.5
1.0
0.5
0.0
10:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)c)出水初期に取水停止する場合
出水初期に取水を停止する場合(C-5～C-7)の流入

14:00

18:00

時刻 22:00

2:00

6:00

図-8 排砂門を移設，増設した場合の流入土砂時系列

図-9 に現状（C-0）と排砂門移設（C-1）の 15:00 時点の浮遊砂濃度コンター図を示す．これより排砂門を左岸土砂量低減量を評価した．このときの流入土砂量時系列を比較すると図-11 のとおりであり，取水を停止したと同時にほとんど土砂流入がなくなり，取水時間を変更してもその傾向は変わらない．したがって，取水を停止あ一致し，実用上の精度を有していた．

得られると考えられる．しかし，出水期はいわば発電用(2)再現モデルにより，ハード対策，ソフト対策として 7 案

水が豊富にある状態であるため，取水制限することは溢の対策を比較検討した．この結果，排砂門を追加する水電力を増加させることになるため，取水制限の量や時などの大規模なハード対策より運用方法を変更するソフ間はこれらを考慮した最適なものである必要がある．

ト対策の方が効果的であると考えられた．

各案土砂量/C-0最終土砂量

るいは制限することは比較的大きな土砂量低減効果がC-0 現状C-5 取水停止13:00
C-6 取水停止14:00
C-7 取水停止15:00

1.5

今後の課題としては，以下の点が上げられる．
(1)今回の検討は１出水のみを対象としたものであり，モ1.0

デルの再現性については様々な規模の出水で検証す0.5るとともに，その精度を高めていく必要がある．
(2)運用方法の変更についても同様に様々な出水規模

0.0
10:00

14:00

C-5発電所運転条件
1.5
1.0
0.5
0.0
10:00
C-6発電所運転条件
1.5
1.0
0.5
0.0
10:00
C-7発電所運転条件
1.5
1.0
0.5
0.0
10:00

18:00

22:00

2:00

6:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)

慮した最適な運用方法を選定する必要がある．
(3)取水停止などの運用方法の意思決定を行うためには

14:00

18:00

22:00

2:00

6:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)

出水時の流域からの水・土砂の流出量予測が重要であり，さらに予測精度を高める必要がある．
謝辞：最後に，本研究を実施する上でご協力いただい

14:00

18:00

22:00

2:00

6:00

排砂門開度（a/amax）
取水量（Q/Qmax)

14:00

18:00

22:00

2:00

6:00

図-11 取水停止した場合の流入土砂時系列d) まとめ
土砂流入再現モデルを用いて，発電所の設備を変更するハード対策と運用方法を変更するソフト対策について比較検討した．図-12 にその結果を示す．これより排砂門を移設・増設する大規模な改修を実施しても逆効果であると予想される．また，効果は限定的であるが排砂門を出水初期に全開にすることは有効な対策である．
さらに，取水停止は非常に有効な対策であるといえる．
各ケースの流入土砂量 /現状の流入土砂量で検討を加え，溢水電力と堆積土砂取り除き費用を考

1.5
1.0
0.5
0.0
C-0

C-1

C-2

C-3

C-4

C-5

C-6C-7

図-12 各ケースの流入土砂量比較

６．おわりに出水時の流入土砂が問題となっている流込み式の水力発電所を対象として，以上の検討を実施した．得られた結論は以下のとおりである．
(1)上流河道域からの流入土砂量を考慮したモデルにより，取水口流入土砂現象が再現できた．再現モデルによる流入土砂量およびその粒度分布は観測結果と概ねた岡山大学環境学研究科の皆様に謝意を表します．
参項文献
1) 砂田憲吾，長谷川登：国土数値情報に基づく山地河川
水系 全体における土砂動態のモデル化の試み, 土木学会論文集，No.485/Ⅱ-26, pp.37-44, 1994.
2) 守利悟朗，椎葉充葉，堀 智晴，市川 温：流域規模での水・土砂動態のモデル化および実流域への適用，
水工学論文集，第 47 巻，pp.733-738，2003.
3) 舛屋繁和，清水康行，ウォンサ サニット，村上泰啓：流域規模での洪水流出および土砂流出特性について，
水工学論文集，第 50 巻，pp.319-324，2006.
4) 橋本晴行，朴埼燦，高岡広樹，荒渡光貴：山地流域における豪雨時の水と土砂の流出解析，水工学論文集，
第 47 巻，pp.745-750，2003.
5) 高橋 保，井上素行，中川 一，里深好文：山岳流域からの土砂流出モデルを用いた貯水池堆砂の予測，水工学論文集，第 52 巻，pp.613-618，2001.
6) 河内友一，細田尚，大久保賢治：上流域河道内からの土砂流出を考慮した流込み式水力発電所土砂流入現象の再現，水工学論文集，第 52 巻，pp.745-750，2008.
7) 土木学会編，水理公式集例題プログラム集[平成 13 年度版]，第 1 編水文編，p14，2002.
8) 細田尚，長田信寿，村本嘉雄：移動一般座標系による開水路非定常流の数値解析，土木学会論文集，
No.533,PP.267-272，1996.
9) 浅田宏：山地河川の流砂量と貯水池の堆砂過程に関する研究，電力中央研究所報告，総合報告 No2，1976.
10) 芦田和男，藤田正治：平衡および非平衡浮遊砂量算定の確率モデル，土木学会論文集，第 375 号/Ⅱ-6，pp.107-116，1986.
11) 長田信寿：一般曲線座標系を用いた平面 2 次元非定常
流れの数値計算，水工学における計算機利用の講演会
講義集，土木学会，pp.45-72，1999.
12) 池淵周一，椎葉充晴，宝馨，立川康人：エース水文学，朝倉書店，pp.101-102，2006.
（2008.5.16 受付）