京都大学防災研究所年報 第 56 号 B 平成 25 年 6 月
Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 56 B, 2013

山地流域における定量的な掃流砂量計測
Quantitative Observation of Bed-load in Mountainous Streams by Hydrophones

堤大三・野中理伸 (1)・水山高久(2)・志田正雄・市田児太朗・宮田秀介・藤田正治
Daizo TSUTSUMI, Michinobu NONAKA (1), Takahisa MIZUYAMA(2), Masao SHIDA, Kotaro ICHIDA,Shusuke MIYATA and Masaharu FUJITA(1) 株式会社ハイドロテック(2) 京都大学大学院農学研究科(1) HydroTech. Co.
(2) Graduate School of Agriculture, Kyoto UniversitySynopsis
During several sediment movement events, relationship between hydrophone acoustic
energy versus bed load measured by pit sampler was obtained. From the relationshipbetween acoustic energy measured by hydrophone and bed load measured by pit sampler,
simple calibration curve was obtained, and continuous quantitative monitoring of bed
load has become roughly possible. Four streams, Kurodani, Shiramizudani, Warudani
and Hirudani, branch off from main stream of the Ashiaraidani. At upstream of eachbranching points, pipe hydrophones are installed and acoustic energy have beenmonitored for several years, similar to the main stream of Ashiaraidani. By applying thesimple calibration curve obtained at the Ashiaraidani station to the other fourobservation stations, evaluation of sediment balance can be considered.

キーワード: ハイドロフォン，掃流砂，山地流域，ピット流砂量計，キャリブレーション

Keywords: hydrophone, bed-load observation, mountainous stream, pit sampler,calibration1.

はじめにしいことから，流砂量式によって正確な流砂量を計算することができない．そのため，特に山地流域に土砂災害の防止・軽減や，山地から河口へとつなおいて流砂量を計測することが重要である．

がる流砂系の総合的な土砂管理のためには，河川要間接的な流砂量計測手法の一つであるパイプハイ所での流砂量を把握する必要がある．中下流域におドロフォンは，河床に設置した金属管に掃流砂が衝いては，河床に十分な量の土砂が堆積しているため，突する音をパイプ内のマイクロフォンが検地し，そ流砂量式を用いて流量から流砂量を計算することがのパルス数をカウントすることで流砂量の相対的な可能である．一方，山地域においては，河床に堆積大小を知ることができるというもので，衝突パルスしている土砂量に限りがあり，土砂供給量が上流域の他に，衝突による音響波形の強度を記録することにおける土砂生産に支配される場合が多いことや，も可能であり，20年程前から日本やヨーロッパにお山地河川特有の複雑な河床形状を表現することが難いて開発・検討されてきている．
（Baezinger and Burch,― 465 ―

Ashiaraidani

Rain gauge

H.S.Observatory
Hirudani
HyPh -1

HyPh -2
Warudani
Mt. Warudani

HyPh -3(2224 m)HyPh -4Kurodani

HyPh -5

Shiramizudani

NMt. Yakedake
1 km(2455 m)

Fig. 1 Location of Ashiaraidani watershed in
Northeast region of Gifu prefecture, Main Island,Fig. 2 Map of the Ashiaraidani watershed and location

Japanof the hydrophones in the watershed.
方向に向かって流下し，標高1,050 mで蒲田川に合流

1990; Rickenmann, 1992; 水山ら, 1996）．
岐阜県北東部に位置する京都大学防災研究所附属している（Fig. 2参照）．流域内には多数の裸地斜面

流域災害研究センター穂高砂防観測所の観測流域，が散在しており，活発な土砂生産活動に伴ってそれ足洗谷においても，このハイドロフォン流砂量計をらの斜面から大量の土砂が流域に供給され，融雪出各所に5個設置し，出水イベント中における山地流域

水時や梅雨・台風による降雨出水時には，活発な土で の掃流砂 動態の解 明を目的 に計測を 行ってい る砂移動が見られる．足洗谷には，ヒル谷，割谷，白(堤ら，2008；堤ら，2010)．足洗谷はその源流に活火水谷，黒谷という4支川があり，本川の足洗谷と4支山焼岳をもち，流域における土砂が活発であると同川の合計5箇所にハイドロフォンが設置されている．

時に，土砂流動が非常に活発な流域である．5か所の（Fig. 2参照）．足洗谷本川では，長方形コンクリー

ハイドロフォンの内，最下流の足洗谷水路におけるト水路の末端にハイドロフォンが設置され，その直ハイドロフォン直下流にはピット流砂量計を設置し下流には，ピット掃流砂採取装置が連続して設置さており，ハイドロフォンパルスや音響波形とピットれている．割谷，白水谷，黒谷においては，ハイド流砂量計によって計測される掃流砂量とのキャリブ

ロフォンはそれぞれ砂防ダムの水通し部に設置されレーションん関係を求める事が可能である．2011年ている．ヒル谷においては，ハイドロフォンは試験から2012年にかけて数回の降雨イベントが発生し掃堰堤上流の沈砂池流入部のコンクリート上に設置さ流砂が観測されたが，これらの内，2011年9月，2012れている．白水谷を例に，ハイドロフォンの設置状

年7月と8月のイベントでは，ピット流砂量計によっ況をFig. 3に示す．センサー部はステンレス製のパイて定量的な掃流砂観測が可能であったため，良いキプで，その内部にマイクロフォンが設置されており，ャリブレーション関係を得ることができた．これら

センサー部に衝突する土砂の音を感知できるようなの関係を，足洗谷以外に設置されたハイドロフォン構造になっている．ハイドロフォンセンサー部のパにも適用することで流域全体の流砂量収支を検討す

イプは川の流下方向と直角に設置され，下半分は河ることが可能となり，その検討を行った．

床のコンクリートに埋設され，上半分は流水中に露出している．ハイドロフォンセンサー内のマイクロ2.

観測流域

フォンはデータロガーに接続されており，検地された流砂パルスはロガーに記録される．

岐阜県の北東部に位置する足洗谷流域をFig. 1に

ただし，ハイドロフォンパルスの計測方法では，示す．流域の周囲は標高3,000 m級飛騨山脈に囲まれ掃流砂量が一定量を超えて衝突すると，パルスの飽ており，その源流部には，活火山である焼岳（標高和が生じ，実際よりもパルス数を少なくカウントし2,455 m）や割谷山（同2,224 m）がそびえている．足てしまうという欠点がある．このため，掃流砂の衝洗谷の流域面積は約7 km2であり，南東方向から北西突パルス数をカウントするのではなく，衝突の際に― 466 ―2011/09/21

250
200
150
1005002011/09/22

Cumulative
Rainfall [mm]Rainfall[mm/h]

3025
Hirudani
20
15
1050
2011/09/19
2011/09/20

Hydrophone

2012/07/12

2012/07/13

250
200
150
1005002012/07/14

Cumulative
rainfall [mm]Rainfall[mm/h]

3025201510502012/07/11

Flow2502001501005002012/08/16

Cumulative
rainfall [mm]

Date

Date

Shiramizudani.
発生する音響波形の強度を記録するという方法も実施されており，本研究では音響波形を記録するとい3025201510502012/08/13

Rainfall[mm/h]

Fig. 3 The hydrophone installed on the dam site of

2012/08/14

2012/08/15
Date

う手法を主に採用した．

Fig. 4 Measured rainfall data at Hirudani station at

谷観測地点のピット流砂量計によって良好に流砂量を観測することができた．Fig. 4にそれぞれの降雨イ
ベントのヒル谷雨量計によって計測された降雨波形と積算降雨量を，Fig. 5 - 7にそれぞれイベントにおける水位，濁度，ハイドロフォン音響波形，ピット流砂量計の観測結果を示す．Fig. 4を見ると，3つの降雨イベントの内，2011年9月のものは最大降雨強度は大きくないものの，総降雨量が200mmを超えており，比較的大きなイベントであったことがわかる．一方80
Fukadani
6040200Fukadani300
2001000Fukadani
3000
2000
10000
2011/09/19
2011/09/20

3000
Water level
Turbidity

2000
1000
0

1086
Weight in pit
4
Bedload20-2
2011/09/21
2011/09/22

3

月，2012年7月，8月の3回の降雨イベントでは，足洗

Pit weight Acoustic Energy
[kg]
[mV]
W. L. [cm]2011年から2012年にかけての観測の内，2011年9

Turbidity [NTU]

three different rainfall events from 2011 to 2012.

観測されたハイドロフォン音響波形

Bed load [m /10min]

3.

Date

で ， 2012 年 の 7 月 と 8 月 の イ ベ ン ト は 総 降 雨 量 がFig. 5 Measured data at Ashiarai-dani station on

100mm，75mmと小規模な降雨イベントである．
降雨規模の大小に対応して，Fig .5-7において水位

September, 2011.

上昇，濁度にも違いが見られ，やはり2011年9月の降雨イベントによる水位上昇が大きい事が示されてい

めた流砂量を表わしている．図から明らかなように，る．さらに，ハイドロフォンによる音響波形も大き

ピット流砂量計の重量変化は，降雨イベントが継続くとらえられており，掃流砂量が相対的に多いことし，ハイドロフォンによる音響波形に変化が見られが定性的に示されている．

るにもかかわらず，イベントの初期段階で上限に達し，一定値を示すようになる．これは，ピットが流4. ハイドロフォン音響波形 とピット流砂量計による掃流砂量との関係

砂で満杯になり，それ以降はピットに流砂が流入することなく，計測が終了したことを示す．このように，掃流砂計測における直接法では，連続して継続先に示した通り，足洗谷水路のハイドロフォンと的に掃流砂を計測することができず，限られた時間ピット流砂量計により，2011年9月，2012年7月，8内での計測に限定されてしまうという欠点がある．

月の3回の降雨イベントにおいて，音響波形と掃流砂

この事が，2011年から2012年にかけて複数回の降雨量の両方が良好に観測されている．Fig. 5-7の下図は，うイベントがあった内の3回のみ掃流砂量観測が可

ピット流砂量計内の重量変化とその差分によって求能であった事の理由でもある．

― 467 ―

01.0

Fukadani
Weight in pit
Bedload1000
02012/07/11

2012/07/12

2012/07/13

54
32
10-1
2012/07/14

3-1

Fukadani

1.2

Bed load [m min ]1000

Turbidity [NTU]

2000Water level
Turbidity

32000

3000

Fukadani

Bed load [m /10min]

W. L.
[cm]
Pit weight Acoustic Energy
[kg]
[mV]

80
6040200300
200
1000Date

0.8
0.6
0.4
0.2

Fig. 6 Measured data at Ashiarai-dani station on July,
2012.

0.0020406080

2000
1000
0Turbidity [NTU]

Water level
Turbidity

Fig. 8 Relationship between acoustic energy and bed
load measured at September, 2011.

Fukadani

1000

2012/08/14

2012/08/15

2012/08/16

30
2012/08/13

Weight in pit
Bedload0.3-11086420

Fukadani

Bed load [m min ]

2000

3000

Fukadani

360504030201003002001000Bed load [m /10min]

Pit weight Acoustic Energy
[kg]
[mV]

W. L.
[cm]

Acoustic energy [mV]DateFig. 7 Measured data at Ashiarai-dani station on
August, 2012.

0.20.1

しかしながら，この3回の降雨イベントにおいては，イベント初期の限られた時間内ではあるが，ピット流砂量計の重量変化の差分値から直接的に掃流砂量0.00が計測されており，その間のハイドロフォンによる10203040

Acoustic energy [mV]

音響波形との関係を見ることが可能となった．ハイ
ドロフォン音響波形の強度とピット流砂量計によるFig. 9 Relationship between acoustic energy and bed

掃流砂量との関係を，イベント毎にFig. 8 - 10にそれ

load measured at July, 2012.

ぞれ示す．イベントの規模に従って，横軸の音響波形の強度と縦軸の掃流砂量の範囲が異なるが，全て状態になるまでに比較的長時間を要していることかのイベントにおいて明確な線形関係が表れている．

らFig. 9に示されているように音響波形，掃流砂量と細かい点を見ると，音響波形，掃流砂量ともに小さもに小さなプロットが多くなったため，それらのプな領域では，どちらかというと線形関係の傾きが小ロットからより大きく影響を受けたためであると考さく，全体としては完全な直線関係というよりは，えられる．

下に凸の曲線の様に見える．ただし，下に凸の曲線

次に，降雨イベントの別に関わらず，音響波形ととなる理論的な根拠も不明なため，ここでは直線近掃流砂量の関係をまとめてプロットした関係をFig.

似を行い，それぞれの図中に記入している．曲線の11に示す．Fig. 11においても，良好な線形関係が見傾きは，それぞれ0.0174，0.0086，0.0196となり，2012

られ，時期や規模の異なる複数の降雨イベント間で年7月のイベントでは，他よりも小さな傾きである．

も，ハイドロフォンによって計測される音響波形とこれは，Fig. 6に示されているように，ピットが満砂実際の流砂量との間には，比較的安定した一定の相― 468 ―関関係があることが示された．本来であれば，降雨イベントの規模によって水深や流量，流速が異なり，また流砂の材料となっている土砂の粒径等も事なっているため，ハイドロフォンによって計測される音

0.8

Fig. 11に示されたように，巨視的に見ると一定の関係が得られていることから，あまり神経質にイベン
ト規模や流砂材料を細分化しなくてもよいと考えられる．また，同様の理由から，ハイドロフォンの設-10.63なる相関を示す可能性が大きいと考えられてきたが，Bed load [m min ]響波形と実際の掃流砂量とは時間や場所によって異0.4

置状況が統一されていれば，異なる場所で得られた0.2相関関係を統一的に使用できる可能性も示されている．なお，Fig. 11に示された近似直線の傾きは0.0157となった．

0.005. キャリブレーション結果を用いた流域全体での掃流砂量収支に関する検討

1020304050

Acoustic energy [mV]Fig. 10 Relationship between acoustic energy and bed
load measured at August, 2012.

前章で述べたとおり，足洗谷水路において得られたハイドロフォン音響波形の強度とピット流砂量計の流砂量の相関関係を用いて，黒谷，割谷，白水谷
1.2の各ハイドロフォンの音響波形から流砂量を求め，流域全体での土砂収支に関して検討する．なお，41.00.8

3

通過した土砂は，直下流部の試験堰堤に堆砂し，直-1フォンによる観測は行っているが，ハイドフォンをBed load [m min ]支流の内の一つであるヒル谷に関しては，ハイドロ接，足洗谷水路へは到達しないため，ここでは検討から省いている．
2011年から2012年に観測された3回の降雨イベン
トによる土砂移動について，それぞれFig. 12 - 14に示す．Fig. 12に示される2011年9月のイベントでは，各0.6
0.40.2支流での土砂移動ピーク後に本流の足洗谷で大規模な土砂移動が計測され始めるという時間差が見られ0.0る．降雨がほぼ終了する9月21日午前0時以降も割谷

0と足洗谷では土砂流出がだらだらと継続する傾向が

20

40

6080

Acoustic energy [mV]

見られる．この様な支流から本流への土砂移動の時

Fig. 11 Relationship between acoustic energy and bed

間差，降雨終了後も土砂流出が継続する傾向は，Fig.

load measured at the three events from September, 2011

4に示したようにほぼ2日間にわたって長期継続し，to July, 2012.

総降雨量も多い降雨の特徴を反映しているものと考えられる．一方で，Fig. 13，14に示されている2012

高強度の降雨が流域全体にもたらされた降雨傾向を年7月と8月のイベントでは，降雨終了後に本流の足反映していると考えられる．

洗谷や3支流における土砂流出は終了しており，Fig.

観測地点による土砂移動傾向の違いを比較すると，12に示したような傾向は見られない．また，土砂移

降雨イベントによって多少の差異は見られるが，概動開始のタイミングも，本流の足洗谷と各支流ではして割谷において流砂量が多く，黒谷，白水谷では同じか，むしろ支流の方が遅いという傾向が見られ，少ない傾向が見られる．足洗谷では，2010年7月に比支流で移動を開始した土砂が本流に到達していると較的大規模な降雨イベントがあり，その際に割谷上いうよりはむしろ，流域全体で同時多発的に流量の流部で新規の斜面崩壊が発生し，2011，2012年の時増加と土砂移動が発生している様相を呈している．

点でその崩土が河道に残留しているため，土砂流出

これはやはりFig. 4に示した，短期間のうちに比較的量が多い傾向にあると見られる．

― 469 ―

3

2

Ashiaraidani

2Ashiaraidani

1030

Kurodani

Bed load [m /min]

time

2
10
3

Warudani

time

2
103

Kurodani

time

1

3

3

Bed load [m /min]

10

Warudani

time

1
0

Shiramizudani

2

Shiramizudani

time

time

1

1
0
09/20 9:00

09/20 15:00

0
08/14 0:00

09/20 21:00

08/14 6:00

08/14 12:00

time

08/14 18:00

08/15 0:00

time

Fig. 12 Bed load at four stations, calculated by theFig. 14 Bed load at four stations, calculated by themeasured acoustic energy and calibration curve, during

measured acoustic energy and calibration curve, during

the event of September 2011.

the event of August 2012

6.
2

まとめAshiaraidani
京都大学防災研究所附属流域災害研究センター穂1

高砂防観測所の観測流域である足洗谷流域において，Kurodani

1５ヶ所にハイドロフォン流砂量計が設置され，2011 -time

2012年に3回の降雨イベントによる土砂移動が観測

3

Bed load [m /min]

0

された．その際，足洗谷では，ハイドロフォン音響
0Warudani

1

波形とピット流砂量計による流砂量との関係が得らtime

れ，定量的な流砂量観測が継続的に実施されるようになった．また，その相関を用いて，足洗谷以外の0

Shiramizudani
1

観測点に適用し，流域全体における土砂移動の定量time的観測や，それによる土砂収支の検討の可能性が広がった．今後も同様の観測を継続し，特に音響波形

007/12 0:00

07/12 12:00

07/13 0:00

07/13 12:00

07/14 0:00

timeと流砂量の相関関係の詳細な検討を実施することで，より精密な流砂量の定量的観測を目指す．

Fig. 13 Bed load at four stations, calculated by the

参考文献

measured acoustic energy and calibration curve, during
the event of July 2012.

水山高久・野中理伸・野中伸久 （1996）：音響法（ハイドロフォン）による流砂量の連続観測，砂防学会

支流全体の土砂流出量合計と本流である足洗谷で誌，49(4)，pp. 34-37.の土砂流出量を比較すると，全てのイベントにおい

堤 大三・水山高久・野中理伸・藤田正治・志田正雄て，支流全体の土砂流出量合計は足洗谷の観測値を（2008）：山地流域における土砂動態の定量的モニ下回っている．各支流の観測点から本流の観測点まタリング手法の開発，京都大学防災研究所年報，第での間での河床変動（侵食・堆積）の複雑性を考え50号B, pp. 661-668.

ると一概には判断できないが，河床に存在する土砂

堤 大三・平澤良輔・水山高久・志田正雄・藤田正治や河岸の土砂が侵食されているか，小規模な渓流か（2010）：山地流域における音響法を用いた流砂量

らの土砂流入が不足分を補っている傾向が示唆され観測，京都大学防災研究所年報，第53号B, pp.

る．

537-543.

― 470 ―

Baezinger, R and H. Burch (1990): Acoustic sensors

Rickenmann, D. (1992): Bedload transport and discharge(hydrophones) as indicators for bed load transport in a

in the Erlenbach, stream. COMTAG Meeting andmountain torrent, Hydrology in Mountain Regions,Workshop.

1-Hydrological

Measurements;

theWaterCycle,

Proceedings of two Lausanne Symposia, August 1990,
IAHS Publ. No. 193.

― 471 ―

（論文受理日：2013年6月10日）