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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

山体基岩の透水性分布が河川流出に及ぼす影響の検討
京都大学大学院農学研究科○正岡直也・小杉賢一朗

1. 研究背景
山地河川の流出特性は基岩地質によって大きく異なることがよく知られている。しかし、流出特性には地形や植生、土壌や基岩の透水性など様々なファクターが影響し合うため、地質の違いのみに注目して定量的評価を行った例は少ない。
本研究では、基岩地質以外の条件が類似した二流域の流出特性を比較し、基岩風化度の違いによる透水性分布の差が流出特性に及ぼす影響を数値シミュレーションによって検討した。
2. 研究手法
2.1 観測サイト
観測は滋賀県不動寺水文試験地 F1 流域（花崗岩）と同県甲賀市信楽水文試験地 SB 流域（堆積岩）の二流域で行った。流域面積はそれぞれ 0.29ha と 0.28 ha、平均勾配はそれぞれ 31.1°と 31.0°で非常に類似した地形条件である。植生はいずれもスギ・ヒノキ人工林で、両流域は約 5.5 km の距離にあり気象条件的にも近く、基岩地質の違いを除けばほぼ同一条件といえる。

図１（上）F1 流域（下）SB 流域の断面図

両流域の谷筋に沿った縦断図を図１に示す。図5150中には基岩内ボーリングから得られた風化区分40と、年平均地下水位（破線）が示されている。風

30化区分に着目すると、F1 流域では風化の進んだ基岩である D・CL 層が流域全体に厚く分布してい51504845る。一方、SB 流域では上流端部を除いて D・CL

F1 modelSB model0

10.5800

層が非常に薄く、風化の進んでいない CM・CH層が大部分を占めていることがわかる。
両流域の末端で三角堰を用いて流出量を、また0堰の近傍で林外雨量を観測している。

10.580θeKs [mm/h]

Soil0.415555D0.049

1.93CL0.0370.612

CM0.0140.0346

図２ 計算モデルの要素とパラメータ一覧

2.2 数値シミュレーション
HYDRUS-2D 1)を用いて浸透流出シミュレーシ
ョンを行った。計算モデルは実スケールを基に単純化し、両流域共通で水平 80 m、鉛直上流側 51 m、下流側 1 m の台形とした（図２）。計算要素のうち、土壌（Soil）は両流域とも厚さ上流側 1 m、下流側 0.5 m の台形とし、基岩の D・CL・CM 層を図１の風化区分図に基づき異なる厚さで設定した。水文パラメータは花崗岩流域で計測された値
2)を参考に設定した（図２中の表；詳細は省略）。

F1, SB 流域のモデルはそれぞれ 2812, 2747 個の三角要素メッシュに分割し計算を行った。境界条件
として地表を降雨入力＋表面流出面、下流端を浸出面とし、それ以外は不透水面とした。計算時間
ステップ（Δt）は 0.00024～6 時間とした。

－ 559 －F1 流域の年間流出量を平均化した値（0.1 mm/h）

100を先行降雨として連続的に供給し、流出と圧力水降雨イベント（合計 12 mm, 90 mm）を設定し、無12015/3/1

2015/3/6

2015/3/11 2015/3/16 2015/3/21 2015/3/26 2015/3/31

2015/4/5

102015/4/10
150.120

降雨時は平均的な損失量（0.08 mm/h）を蒸発散量

雨量 [mm/h]

算を開始した。本計算では 960 時間の間に２度の流出量[mm/h]

頭分布が定常化した時点を初期条件として本計

5250.01として与えた。流出量に加え、各計算要素内の水30F1_q

分貯留量を算出した。

SB_q

F1_Rain

S_Rain

図３ 流出量（実測）3. 結果と考察

計算時間 [hr]3.1 観測結果

10よりも SB の方が基底流量は少ないが、大降雨時

1100100200300400500600700800900150.120のイベント流量は多い傾向がみられた。

雨量 [mm/h]

流出量と林外雨量[mm/h]を示す。全体として F15流出量[mm/h]

図３に F1, SB 両流域の 40 日間（960 時間）の0253.2 シミュレーション結果

0.01303.2.1 流出量

F1[mm/h]100

は SB が多くなった。降雨後 100 時間程度で再び80るものの、大まかな傾向はよく一致していた。

水貯留量 [mm]は F1 の流出量が多いものの、90 mm の降雨直後結果（図３）と比べると逓減速度や基底値が異なRain

図４ 流出量（シミュレーション）

図４に流出量[mm/h]の計算結果を示す。降雨前

F1 の流出量が多くなり、以後は同じだった。観測SB[mm/h]604020003.2.2 水分貯留量

100200300-20400500600700800900

計算時間 [hr]図５に各要素内の水分貯留量[mm]の時系列変
all_F

all_S

soil_F

soil_S

D_F

D_S

CL_F

CL_S

化を示す。貯留量は計算終了時（960 時間）の値
図５ 水分貯留量（シミュレーション）に対する差分で示してある。なお、CM 層は全期間で飽和しており貯留量変化がないため図から4. 結論省略した。Soil は両流域でほとんど差がないが、本研究では基岩の透水性分布の違いを再現しD 層では F1 流域で貯留量変化が多かった。これた数値シミュレーションにより、実測の流出特性

は D 層が基岩の中でも比較的高い空隙率θe と透の傾向をある程度良好に再現できた。堆積岩コア

水性 Ks を有しており、これが厚く分布しているの水文パラメータの計測や、亀裂を含んだ実際のF1 流域で多量の水が貯留されているためと考え透水係数の推定が今後の検討課題である。

られる。CL 層では逆に F1 流域の貯留が少ないが、これは厚い D 層中の不飽和浸透に時間を要し、計算時間中の貯留量変化が少ないためである。
3.3 貯留と流出に関する考察
水貯留の合計（図５の all）は２度目の降雨後F1 流域で常に多く、F1 流域の基底流量が多い（図３）理由であると考えられる。降雨直後に SB 流域で流出量が多いのは、D・CL 層が薄く飽和に達するのが早いため、土層から基岩層に浸透せずに素早く流出する成分が多いためと考えられる。

引用文献1). Šimůnek et al. (1999). The HYDRUS-2D software
package for simulating two-dimensional movement ofwater, heat, and multiple solutes in variably saturated
media. Version 2.0, IGWMC - TPS - 53, International
Ground Water Modeling Center, Colorado School ofMines, Golden, Colorado.
2). Katsura et al. (2009). Hydraulic properties ofvariously weathered granitic bedrock in headwater
catchments. Vadose Zone J., 8(3), 557. doi:
10.2136/vzj2008.0142(連絡先：masaoka.naoya.7e@kyoto-u.ac.jp)－ 560 －