大きな潮位変動を有する筑後川感潮域の洪水時の河床構造の変化と有明海への土砂流出量

THE CHARACTARISTICS OF BED MATERIALS AND ITS TRANSPORTATION BY FLOOD FLOWS IN
THE CHIKUGO RIVER ESTUARY WITH COMPOSITE BED LAYERS
土木工学専攻 23号 鈴木 健太
Kenta SUZUKI
1．序論
有明海は最大 6ｍに及ぶ潮位変動により多様な生態系が形成されている．この有明海で，近年海苔の変色やアサリの不作といった漁業問題が発生し社会問題化している．一連の問題の大きな原因として，有明海に注ぐ最大の河川である筑後川流域からの土砂流出量，特に砂分の減少が有明海の底質泥化を助長しているとの報告がなされている 1)．横山らによると，1910 年頃
写真-1 ガタ土堆積状況(3k800 右岸)

から植林や治山工事が積極的に行われたこと，また，1960 年代に砂利採取が多く行われたことにより，河道表-1 筑後川流域土砂収支 5)
項目内に流入，堆積する砂量が減少したと言われている．
そのため，自然流域で生産された砂は，砂利採取等に砂分(千㎥/年)

生産量

356

ダム堆砂量

137

砂防・治山ダム堆砂量

62

砂利持出量
河道流出量
河道堆積量

1115717

大堰通過量

129

より低下した河床高を埋めるために使われ，有明海への砂流出量は 50 年前と比べると激減していると述べている 2)．実際に有明海湾奥部や，筑後川感潮域の河岸際は写真-1 に示すように阿蘇の噴火を起源とするガタ土と呼ばれる粘着性の細粒分に覆われている．このように，普段の河川流量で我々が目にすることのできる筑後川の姿から，砂分量は少なく，有明海への土砂供給量は少ないと考えられてきた．これまでに，粘着性を有する材料に関する研究は数多く行われている有明タワ-潮位
筑後 7k950
筑後 17k600
早津江 1k000
6.0が 3)4)，河床の砂やガタ土層と砂の互層構造に着目した研究は少なく，筑後川感潮域での河床変動特性や有明海への砂流出量は明らかになっていない．一方で筑後ぞれの分割流域で土砂生産量，ダム堆砂量，砂防・治筑後 2k000筑後 12k250
筑後 21k000
早津江 4k000

筑後 4k000(R)筑後 13k950
筑後 22k000
早津江 6k000

筑後 4k000(L)筑後 16k000
諸富 1k000

7/1 0時7/2 0時7/3 0時

筑後 6k850
筑後 16k800
早津江 -0k170

4.0

T.P.m

川流域全体の土砂収支に関して，平成 22 年に国土交
通省は，表-1 に示すように流域を詳細に分割し，それ

筑後 -0k200
筑後 9k950
筑後 18k750
早津江 3k050

推定の根拠
・傾斜角7度以上、910千㎥/年の生産量
・生産速度は各ブロックに存在する砂防・治山ダムの堆砂量/堆砂期間
・単位面積当たり生産土砂量は生産速度/渓流面積
・生産土砂量は各流域毎に生産土砂域面積×単位面積当たり生産土砂量
・砂防・治山ダムから設定した比生産速度と治水ダムの比堆砂速度を比較検討し、各流域毎の比生産速度の妥当性を確認
・実績堆砂量から年間堆砂量を算出(治水10ダム)
・松原・下筌ダム、江川・寺内ダム4ダムの平均堆砂物粒度構成比の調査結果を基に地形・地質類似ブロック毎に適用(H22年調査)
・松原ダム(シルト25％、砂50％、礫25％）・下筌ダム(シルト55％、砂15％、礫30％）
・江川ダム(シルト45％、砂45％、礫10％）・寺内ダム(シルト55％、砂20％、礫25％）●砂防ダム推定堆砂量
・砂防台帳より、各施設の設置年度、貯砂量、調査年次、渓流面積、満砂・未満砂区分、位置情報などを基に実績堆砂量の経年変化を把握(532基)
・砂防ダムのH22堆砂量推定値：1529千㎥・砂防ダムのH13堆砂量推定値：1141千㎥・砂防ダムのH13～H22年あたり堆砂量(1529-1141)/9年=43千㎥/年●治山ダム推定堆砂量
・土石流危険渓流カルテより、各施設の設置年度、貯砂量、調査年次、渓流面積、満砂・未満砂区分、位置情報などを基に実績堆砂量の経年変化を把握(1097基)
・治山ダムのH22堆砂量推定値：887千㎥・治山ダムのH13堆砂量推定値：717千㎥・治山ダムのH13～H22年あたり堆砂量(887-717)/9年=19千㎥/年●砂防・治山ダムの総堆砂量
・年あたり堆砂量は62千㎥/年(砂防ダム43千㎥/年＋治山ダム19千㎥/年)
・H12年～H20年に11千㎥砂利採取実績
・生産量356千㎥から堆積量(治水ダム137、砂防・治山ダム62)を差し引いて算出
・河道内土砂変動量(河道形状変化+砂利採取量)より算出
・生産域からの河道土砂流出量、河道内土砂変動量(河道形状変化+砂利採取量)を用いて、生産域からの土砂流入地点間の各区間毎で、上流から順次，区間内の収支を計算することにより河口域への土砂供給量(大堰通過量)を算出
・河道流出157千㎥-砂利採取量11千㎥-河道堆積17千㎥=129千㎥/年

2.00.0

山ダム堆砂量，砂利持出量，河道流出量，河道堆積量を求め，生産域から有明海までの空間的連続性のとれ-2.0
6/29 0時

6/30 0時

た土砂収支を算出した．具体的に H12 年～H20 年のち 129 千㎥の砂礫が筑後大堰を通過していることが21k00019k000：柱状コアサンプリング実施地点
12k00014k000坂口床固

明らかとなった 5)．そこで，本研究では，これまでの10k000検討結果を踏まえて，複雑な互層構造をもつ筑後川感

17k200

8k000
6k000
6k000

潮域における洪水時の河床変動解析モデルを構築し，4k000

洪水中の河床変動の実態を明らかにするとともに，こ主要地点

W0k000H1されているのかを明らかにする．
2．観測体制と検討区間の河床材料特性
対象区間は 23km から有明海までの区間とし，2009

H2

C1C3C2有明海

C4海域側線1E海域側線2

筑後大堰
坂口床固
諸富川分派
諸富川再合流早津江川分派
導流堤設置

23k000
7k200
9k000
6k800
6k000
6k200～0k000

図-2 2009 年洪水前後河床材料調査位置

23k000

瀬ノ下水位流量観測所：超音波河床堆積構造調査実施断面(有明海は側線中の■地点)

筑後大堰

期間では，年間に 356 千㎥の砂礫生産があり，そのうのモデルを用いて年間にどの程度の砂が有明海に排出

7/4 0時図-1 2009 年 6 月洪水観測水位時系列

年に 3850 ㎥/s の洪水が発生した．観測水位ハイドロ
0k000

0.0

グラフを図-1 に示す．洪水ピークは潮位が干潮時に発2k000 4k000

6k000

8k000 10k000 12k000 14k000 16k000 17k000 18k000 23k400

生し，水位は潮位変動の影響を強く受けていることが示すように，概ね 2km 間隔で河床構造調査が行われ，
図-3 に示すように河床材料柱状図が得られた．0km～6km の区間では河床表層を砂層が覆っており，砂が卓-0.5

河床面からの深度(m)分かる．また，河床材料特性を把握するため，図-2 に

-1.0

礫
砂
粘性土混じり砂
砂混じり粘性土
粘性土
ガタ土-1.5越した材料特性を示している．一方，10km～17km で

図-3 2009 年 6 月洪水前鉛直柱状図

は砂とガタ土が鉛直方向に複雑な互層構造をなして存在していることが分かる．互層をなしている地点の含0.0

水比は，図-4 に示すように鉛直方向に大きく異なる．
毎の粒度分布，含水比が計測された．図-5 に含水比とd60 粒径の関係を示す．含水比と粒径には一定の関係があり，概ね含水比が 70%を超えると細粒分が卓越し，大きいものでは 250%を超える含水比に達している．

01000200-2.52000100200

60%粒径(mm)1.000.100.010.00
050100150
含水率(%)

200250300

時々刻々どの様な材料の層が河床表面に露出している
ガタ土層‐1‐1.5(a)初期状態(1)

浸食速度は粘性土の種類や水温に依存する係数 α と水いて時々刻々の地中の温度変化を観測することで，ガタ土の浸食速度に関根の式を適用し，α=0.21×10-5 と算

Zb|t0

浸食量(浸食速度式より)‐1‐1.5(b)ガタ土層の浸食と，掃流砂の流砂量式を組み合わせることで河床変動

観測位置で採取されたコアサンプル結果を基に鉛直方
向 10 ㎝毎の粒度分布，水含有率の情報を取り込む．
先の含水比と粒径の関係から，含水比が概ね 70%を超えると細粒分が卓越し，砂の流砂形態とは大きく異なガタ土層 砂層 ガタ土層の定量化を試みた．ここで，河床が互層をなす筑後川方を図-6 に示す．(a)に示すように，初期条件として各含水比(％)
70200‐0.5定した 4)．本研究ではこれらの粘着性土の浸食速度式

感潮域での河床変動について，本研究で採用した考え

0河床面からの深度

2006 年に筑後川で発生した洪水を対象に，温度計を用

ガタ土層中の砂分は掃流力に応じてその場に留まる

Zb|t-⊿t
ガタ土層 砂層 ガタ土層

含有率 Rwc，摩擦速度 u*の関数で表される．横山らは含水比(％)
70200‐0.5る河床において浸食速度を求める実験式を提案した 3)．
Es α・Rwc 2.5u*30

河床面からの深度

0Zb|t-⊿t

砂層に到達
浸食量(浸食速度式より)

Zb|tガタ土層中の砂分は掃流力に応じてその場に留まる

0河床面からの深度

これまでに関根らは，式(1)に示すように粘着性を有す

Zb|t=0ガタ土層 砂層へ流出する砂の量を説明することを目的としている．

200

図-5 60%粒径と含水比の関係

いる 6)．本研究では観測水面形の時間変化を解として，雑な互層構造をなす筑後川感潮域の河床変動と有明海

100

23.4k
10.0k
12.0k
14.0k
16.0k
17.0k
18.0k
22.0k
粒径境界ことで，洪水中の流れ場と河床高時間変化を再現してかに着目し，各層の土砂の移動機構を考慮に入れ，複0

図-4 鉛直方向含水比分布の例

が大きく変動し，必ずしも洪水ピーク流量時の水位と現するように，流れ場と河床変動を一体的に解析する

100-2.010.00

れるという考えに基づき，観測水面形の時間変化を再0-1.5

筑後川のような感潮河川では，潮位変動に伴い水位内で起きる各種の水理現象は，水面形の時間変化に現

200

14k000含水比(%)→-1.0

3． 互層をなす筑後川感潮域での河床変動解析

洪水痕跡水位は対応しない．福岡らは，洪水時に河道100

12k000含水比(%)→

10k000含水比(%)→-0.5

河床面からの深度(m)また，採取された柱状サンプルを基に鉛直方向 10 ㎝

6k000
含水比(%)→0k000
含水比(%)→‐0.5‐1‐1.5(c)砂層に到達
図-6 互層河床における河床変動の概念図

0含水比(％)
70200

ると考えられる．そこで，(b)に示す様に含水比が 70%

6/29 14:00(解)6/29 22:00(解)6/30 6:00(解)7.0を超える層に達した場合，関根らによる粘着性土の浸5.0に相当する微細な材料は限界掃流力を超え一度移動を3.0開始したら再び河道内に堆積はせず，流れにのって海T.P.m

食速度式を用いて地盤高を解析した．ここで，ガタ土

6/29 16:00(解)6/30 0:00(解)6/30 8:00(解)6/29 18:00(解)6/30 2:00(解)低水路平均河床高6/29 20:00(解)6/30 4:00(解)1.0-1.0まで流下するとして扱っている．また，ガタ土層中に-3.0

少量含まれる砂分は掃流力に応じて下流へ掃流される-5.0

か，その場に留まるかを判定した．浸食が進み，(c)に-7.0-4.0

示すように含水比が 70%を下回る砂層に到達した時-2.00.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

22.0

24.0

縦断距離(km)

図-7 洪水水面形の時間変化

河床変動量(m)点で河床変動解析を浸食速度式から掃流砂の流砂量式

1.91.61.3
1.00.80.5
0.2-0.1-0.3-0.6-0.9-1.2-1.4-1.7-2.0に切り替え，流砂量と河床高変化を計算した．芦田，
道上の掃流砂量式の係数は，水面形の時間変化，洪水前後の河床変動量の実測値からのズレがそれぞれ最少になるように 85 に決定し，式(2)を用いた．
   qB k / Pk u*d k  85 *k 1  *ck 1  *c k  (2) *k   *k (a)23km～14 ㎞

このように本解析で採用した式が芦田・道上の式の係数と異なるのは，砂とガタ土の互層状態が異なり掃流形態が洪水毎に一様でないなど，様々な要因が考えら

河床変動量(m)1.91.61.3
1.00.80.5
0.2-0.1-0.3-0.6-0.9-1.2-1.4-1.7-2.0

れる．しかし，これらの影響が積分された形で表れている観測水面形の時間変化に対し，これを解とするように解析することで実現象を再現できると考えている．
5．解析結果(b)14 km～6 ㎞

図-7 に解析水面形と観測水面形の時間変化の比較を示す．観測水位と解析水位は，有明海が満潮時で水面勾配がほぼ水平になる時間帯で若干の差異がある．
しかし，洪水ピークを含むその他の各段階において解河床変動量(m)
1.9
1.6
1.3
1.0
0.8
0.5
0.2
-0.1-0.3-0.6-0.9-1.2-1.4-1.7-2.0

析水面形は観測水面形を再現できている．河床変動量
コンターの比較を図-8 に示す．(a)は 23 ㎞～14 ㎞，(b)は 14 ㎞～6 ㎞，(c)は 6km～0km である．それぞれ上段が実測，下段が解析を示している．詳細に測られた鉛直方向粒度分布，水含有率を取り込み，それぞれの層に応じた掃流，浸食の形態を考慮し，観測水面形の時間変化に解析値がほぼ一致するように流砂量式の係数を同定することで解析値は観測値の洗掘，堆積傾向を良好に再現している． 図-9 に洪水前後での河床(c)6 km～0 ㎞

堆積構造の変化を示す．図は掃流センサーを用いて観図-8 河床変動量コンター図

測された河床変動量と，超音波を用いた河床堆積構造調査の結果を重ね合わせたものである．互層をなす
14km 地点では，洪水中に約 85cm の河床低下が生じ，ガタ土層だけでなく，砂層も掃流されたことが，実測85cmのデータからも示された．また，図-10 に筑後川の主流部(導流堤左岸側)から続く有明海内のみず道部の超砂音波河床堆積構造調査の結果と大潮時の干潮水位の重ね合わせを示す．調査は洪水直後に行われた．河床表

粘性土混じり砂
砂混じり粘性土
粘性土ガタ土

図-9 掃流センサーを用いた河床変動観測結果

層に乱れが生じ，横断幅約 300m，厚さ 1m 弱の厚い最干潮面

砂層が確認できる．このことから，2009 年洪水により大量の砂が筑後川から有明海に排出されたことが明らかになった．また，砂は概ね干潮水位より地盤高が低2009 年7月27日調査(平成21年洪水後)

い個所に堆積していることが見て取れる．
06．有明海への年間排砂量の算出

瀬ノ下流量

0-200050100

累加排砂量(㎥)0.80.6

20000

0.4

10000

0.200050

100

150

200

250経過時間 300(a)洪水時
河口流量

筑後大堰下流流量

3000

流量(㎥/s)2000
1000
0-1000-2000-3000
0123456789101112131415

経過日数

累加排砂量(㎥)

筑後川累加排砂量

筑後川断面通過砂量

30000.06

25000.04

20000.02

150001000-0.02

500-0.04

0-0.060123456789101112131415

単位時間断面通過砂量(㎥/s)に約 45000 ㎥，平水時に約 67000 ㎥の砂が排出してお250 経過時間 300

30000

かる．平水時は潮位変動と共に砂が順流・逆流を繰りことが明らかになった．以上の解析結果から，洪水時

200

累加断面通過砂量(早津江川0k000)
単位時間断面通過砂量(早津江川0k000)

40000

潮時に満潮時に比べ多くの砂が流出していることが分る．一方で，小潮時の排砂量は大潮時に比して小さい

150

累加断面通過砂量(筑後川0k000)
単位時間断面通過砂量(筑後川0k000)単位時間断面通過砂量(㎥/s)0に時間的に変化し，有明海の干潮時刻に重なった洪水

返し，流量が増える大潮時に多くの砂が排出されてい筑後川河口流量-1000出する流砂量も流量と同様に，有明海の潮位変動と共洪水減水期には，縦断水面勾配が大きくなる有明海干(m)600

1000分を示している．洪水中に筑後川河口から有明海に流ピーク時に最も多くの砂が排出されている．その後，

500

2000

めた流量時系列と河口から有明海への単位時間断面通に洪水期間中(b)に小潮～大潮を含む平水時の 15 日間

400

3000で年間の砂流出量を概算した．図-11 に解析により求過砂量と累加断面通過砂量の関係を示している．(a)

300

4000

流量(㎥/s)

適用し排砂量を求め，洪水時の排砂量と合算すること200

粘性土混じり砂
砂混じり粘性土
粘性土ガタ土

図-10 有明海みず道部の堆積構造(洪水後)前章までの検討で，洪水中の土砂移動を定量的に説明できたことから，平水時にも同様の河床変動解析を100

砂他地点と比較して、河床表層が乱れており砂が堆積している ．柱状コアサン プ リング結果からも砂が確認された．

(b)平水時
経過日数
図-11 流量時系列と排砂量の関係

り，合算すると年間 10 万㎥を超える砂が筑後川から有明海へ流出しており，上流域での土砂収支による砂の流出量 5)と同程度の結果であることが分かった．排出された砂は日々の潮位変動により沖に運搬されると考えられる．また，先に示した調査結果より，砂は主に干潮水位以下のみず道部に堆積することから，約 10万㎥/年の砂が河川流路の延長である有明海のみず道部分に平均的に 1 ㎝堆積すると仮定すると，影響域は図-12 に示す範囲であることが明らかになった．
7．まとめ
これまで，砂の存在量や有明海への流出量が少ない

図-12 排砂量が有明海に与える影響域されていることが明らかとなり，有明海に対する筑後と考えられていた筑後川感潮域において河床堆積構造

川からの排砂量の影響域を示した．

を詳細に把握した．その結果，対象区間内下流部は砂参考文献分が卓越している．一方で，潮汐の影響でガタ土が堆積傾向にある中流部では砂層と粘性土が複雑な互層状態で存在しており，各層での含水比が大きく異なることが明らかとなった．互層をなす筑後川感潮域での河床変動を再現するため，それぞれの材料特性に応じた浸食・掃流形態を考慮し，モデル化することで，河床変動を定量的に説明した．河床変動解析を用いて年間の砂流出量を概算すると， 10 万㎥を超える砂が排出

1) 有明海・八代海総合調査評価委員会,報告書,平成18年12月21日
2) 横山勝英，河川の土砂動態が有明海沿岸に及ぼす影響について白川と筑後川の事例-， 応用生態工学8(1)， 61-72， 2005．
3) 関根 正人，西森 研一郎，藤尾 健太，片桐 康博，粘着性土の浸食進行過程と浸食速度式に関する考察，水工学論文集 ，47 巻 2003 年 541-546 頁
4) 横山勝英， 山本浩一， 金子裕:筑後川干潮河道における洪水時の底質浸食過程と有明海への土砂輸送現象， 土木学会論文集B
Vol．64， No．1， pp．71-82， 2008．
5) 国土交通省九州地方整備局筑後川河川事務所,第5回筑後川土砂動態調査に関するワーキングループ説明資料,20116) 福岡捷二，石礫河川の移動床水理の諸問題と解決への道筋，第44回水工学に関する夏季研修会講義集，Aコース，pp．1-25，2008．