研究レポート
流れ込み式水力発電所の土砂流入量予測モデルの開発
エネルギア総合研究所 土木担当 河内 友一

１

まえがき

上流域の雨量当社は中国5県に約100箇所の水力発電所を保有している。これらの発電所では，ダムや取水堰を河川に設置し，取水口から河川水を取水している。取水した水は水路や鉄管を通じて水車まで導き，発電に使用したのち，下流の河川に放水している。しかし，河川に流れる水には土砂が含まれているため，発電においてもこの土砂が問題となることがある。
例えば，台風などで出水が生じると大量の土砂が河川水に含まれて上流から流されてくる。一部の流れ込み式水力発電所では，このような出水時に発電用取水を続けると取水口から大量の土砂が流入し，水路内に土砂が堆積して通水能力が低下する，水路・水車が磨耗するといった維持管理上の問題が生じることがある。
一方，近年の温室効果ガス削減の必要性や原油価格

土砂の生産

取水ゲート操作
１時間後の土砂流入量予測
土砂の運搬
取水堰
河川

取水継続・停止・再開の判断

図１

発電所土砂流入量予測モデルの概要図

本稿では，この予測モデルの開発に至るまでの研究内容を紹介する。の乱高下を背景としたエネルギーセキュリティの観点から，化石燃料を使用しない水力発電所の重要性は従２来にも増して高まっている。このため，既存の水力発電所の発電量をできるだけ増加させることが求められており，流れ込み式水力発電所であっても出水時など（１）対象とした水力発電所の河川水が多いときに水路内に土砂を流入させない目的だけで長時間発電取水を停止することは地球環境面・経済面から望ましくない。
また，発電取水での土砂流入量を少なくし，取水堰から自然な状態で土砂を下流域へ供給することは，生をモデル地点として採用した。この発電所では，平成16年に台風による出水時に，取水ダム前面に多量の土砂が堆積するとともに，さらに取水口内にも流入した。この流入した土砂を取り除く作業のため，長期間にわたる発電停止を余儀なくされた。このときの発電態系や景観といった下流河川の自然環境の保持にも貢献できる。

所取水口前面の堆積状況，流入状況を図2に示す。

このような背景から，水力発電所の運転にあたっては，発電量を確保しつつ取水口に土砂を流入させずに研究の概要

予測モデルの開発にあたっては，出水時の土砂流入が課題となっている岡山県内の流れ込み式水力発電所取水口取水口前面下流に流すことが望ましい。このためには，出水中に取水堰おいて適切なタイミングで取水継続・停止・再開を判断しなければならない。
そこで，当社は岡山大学と共同研究を行い，流れ込み式水力発電所を対象として，この判断を行うための実用的な発電所土砂流入量予測モデルを開発した。この予測モデルは，上流域雨量をもとに1時間後の発電取水口内取水方向所への土砂流入量を予測するものである。図1にこの予測モデルの概要図を示す。
図２
Page 2取水堰および取水口内への土砂堆積状況
エネルギア総研レビュー No.20

流れ込み式水力発電所の土砂流入量予測モデルの開発

上流域モデル
流域面積124.47km2

予測モデルの開発は，以下の2段階で実施した。
①数値解析による土砂流入現象再現モデルを構築する②この再現モデルを利用して予測モデルを構築する
まず，実際の土砂流入現象を計算機上で再現するた

St.1めの数値解析モデルを構築する。土砂流入現象は上流発電所取水堰

山地における土砂の生産，河川による土砂の運搬，取水ダムによる土砂の堆積，取水口への土砂流入という広範囲・長時間にわたって発生する現象が重なり合って生じるため，これらすべてを室内実験などで再現することは難しい。そこで，計算機による数値解析でこ555260515950

土砂流入現象再現モデルは上流域と取水口付近の2つのモデルから構成されるものとした。
上流域のモデルでは，発電所の流域全体を60箇所の山地斜面，16本の河川に分割した。このモデルは，上流域の雨量，山地斜面の面積・勾配，河川の幅，勾配および河床にある土砂の大きさといった自然条件を入力条件とすると，発電所取水口前の河川の流量および土砂量が計算できるものである。
取水口付近モデルは，取水口付近の河道を小さい計算格子に分割し，平面的な水の流れや土砂の動きを詳細に計算できるものとした。取水口付近モデルは上流域モデルから得られる上流からの水と砂の供給量を入力条件としている。図3に上流域モデルの概要図と取水口付近モデルの計算格子を示す。

4248 4745 44464319322034 33 30 29403916 53 2812726 2523 2218 1711 10242116928

取水堰

本川支川

37 3635取水口付近モデル
取水口
10080

流れ604020-50

図３050100150

土砂流入現象の再現モデル概要図

この再現モデルを用いて平成16年に発生した台風23号の出水における土砂流入現象を再現した。
上流域モデルを用いて，実際の雨量記録を入力し，取水口付近の河川の流量を計算した結果を図4に示す。
上流域モデルの計算結果は，現地と同様に雨量ピークの1時間後に流量ピークが現れ，さらにその流量をほぼ再現できている。そこで，この計算結果を取水口付近の入力条件として使用した。
取水口付近の再現モデルの計算結果を図5に示す。
10/20 10/20 10/20 10/20 10/20 10/20 10/21 10/21 10/212：00 6：00 10：00 14：00 18：00 22：00 2：00 6：00 10：00
01020
雨量観測所（図-3 St.1）3040
雨量観測所（図-3 St.2）
50
400

0.30

流量（計算）
300

0.25

流量（観測）
土砂量

0.20
0.15

2000.10
100
0.05
0.00
010/20 10/20 10/20 10/20 10/20 10/21 10/21 10/21 10/21 10/21 10/21
6：00 10：00 14：00 18：00 22：00 2：00 6：00 10：00 14：00 18：00 22：00

図４
エネルギア総研レビュー No.20274

上 流 域 から の 土 砂 量

再現モデル

3149m 3/S

３15 1441

河川数：16本
流域分割：60分割

取水口付近の河川流量

雨量から将来の土砂流入量を短時間で予測できるモデルを構築する。

135km

38雨量（mm）

実際の出水時に取水継続や停止を判断するためには不向きである。そこで，この再現モデルにより計算機上で様々なパターンの出水を仮想的に発生させ，その結果から上流域雨量と1時間後の土砂流入量との関係をあきらかにする。この関係を用いて，現時点の上流域

057 56 54 53

58

れらの現象を再現することとした。再現モデルの計算
精度は実際の出水時における観測結果と比較して検証する。
つぎに，この再現モデルを用いて予測モデルを構築する。再現モデルは複雑な現象を重ね合わせて計算するため，計算時間が長いという欠点がある。このため，

雨量観測所
現地調査箇所

St.2m 3/S（２）モデルの開発の概要

上流域モデルの再現結果
Page 3

研究レポート

再現モデルの計算結果を現地の出水後の測量結果と比較すると，土砂流入量および河床形状が精度よく再現できていると判断される。
100

測線 A

測線 B

取水堰

測線 C

80（m）

ンク水位が出口の高さに達するまでは流域に流出せず，下のタンクへ水を供給するという浸透現象を再現40するために設定している。このタンクモデルによる予測結果を現地観測と比較すると，1時間後の流量を良

20406080 （m） 100

120

測線A

355.0140

出水後河床高（再現モデル）
出水後河床高（測量値）
出水前河床高（測量値）

い精度で予測できることがあきらかとなった。
降雨

354.0
353.0

0.007

352.0

（41）
0.053

測線B
355.0

0.06

浸透測線C0.006

浸透測線D0.002

浸透

354.0
353.0
352.0
355.0

（61）
0.012
（24）

表面流出

中間流出

354.0
353.0
352.0
355.0

0.0027
地下水流出

354.0

0.000095

353.0
352.0
0

10

20304050

左岸からの距離（m）

図５４

取水口付近モデルの再現結果

予測モデル（１）予測モデルの内容再現モデルは土砂の堆積状況を精度よく再現することは可能だが，5時間以上の計算時間を要するため，実際の出水時の土砂流入量予測に用いることは困難である。そこで，短時間で土砂流入量が予測できる実用性のある予測モデルを構築した。
予測モデルは以下の3モデルから構成される。
①上流域雨量を入力条件として，河川の流量を予測するモデル②河川水に含まれる土砂量を予測するモデル③河川水に含まれる土砂量のうち，取水口に流入する割合を予測するモデル
以下にそれぞれのモデルと計算結果について述べる。
（２）河川の流量を予測するモデル
上流域の雨量から1時間後の河川流量を予測するモ
Page 4

タンクモデルで再現した河川流量
実測した河川流量

1,000

河川流量（m3/s）

河床高（EL.m）河床高（EL.m）河床高（EL.m）河床高（EL.m）

タンクモデルは流域を数段重ねたタンクに見立てるもので，大雨による河川流量の増加やその後のゆっくりとした地下水への浸透などを簡単な計算で再現できるという特長がある。図6に示すタンク出口の数字にタンクの水位を乗じると流域からの水の流出量を計算できる。カッコ内の数字はタンク出口の高さを示し，タ測線 D

取水口

60デルとして，図6に示すタンクモデルを採用した。

1001012004年8月

図６2004年9月

2004年10月

タンクモデルとその再現結果（３）河川水に含まれる土砂量を予測するモデル
河川水に含まれる土砂量は河川流量に大きく左右される。ここでは，前述した再現モデルのうち上流域モデルの計算結果を用いて，土砂量と河川流量の関係をあきらかにした。
上流域モデルにより平成16年の7月〜11月までの上流域からの水と土砂の流出量を計算した。このとき，山地の斜面が削られて生産される土砂の量は出水規模によって変化するので，図7中に示す3ケースを仮定して計算した。この結果，図7に示すとおり取水口地点の河川水に含まれる土砂量は，土砂の生産量に関係なく河川流量のおおむね2乗に比例することがわかった。実際の予測では，前述したタンクモデルで求めたエネルギア総研レビュー No.20

流れ込み式水力発電所の土砂流入量予測モデルの開発

1時間後の河川流量を2乗して係数を乗じることで，1割合は比較的小さい。逆に，取水口前面が一杯になる時間後の河川水に含まれる土砂量が予測できる。

まで土砂が堆積し河床が高くなると，河床を転がっている土砂まで取水口に流入しやすくなるため，流入割合は大きくなる。

年１回規模出水時（ピーク流量１００m3/s）
における斜面の土砂生産量

流下15.0m3/km2

ケース1
ケース2

7.5m3/km2

ケース33100

初期河床

80

流入排砂門

2（m）

3.0m /km60

上流域モデルによる土砂量計算結果（係数×河川流量の2乗）の線
河川流量（m3/s）
102

103
10-0

101

102

ケース2

40

河川流量（m3/s）

103
10-0

101

102

103

20

ケース340100

10-1

10-1

10-2

10-2

10-2

10-3

10-3

10-3

10-4

10-4

10-4

10-510-510-580 （m）100120140

累積流入
80
土砂量
（63m3）（m）

10-160

通水後24時間

取水口前面累積堆積土砂量

60402040100

10-610-6

図７10-6

河川流量と土砂量の関係（４）河川水に含まれる土砂量のうち取水口に流入する割合を予測するモデル
前述した河川水に含まれる土砂のすべてが取水口に流入するわけではなく，①取水口に流入する，②取水口前に堆積する，③下流へ流れる，という3つに配分される。この配分される割合を評価するために，前述した再現モデルのうち取水口付近モデルを用いた計算を行った。
配分される割合は出水規模によって変化することが想定されたので，現地の出水規模を参考として50〜300m3/sの6パターンの仮想の出水を設定し，その出60

80 （m）100120

14080 （m）100120

140

80 （m）100120

140

通水後36時間

累積流入80土砂量（297m3）
（m）

101

ケース１

堆積6040204010060

通水後48時間

累積流入土砂量（533m3）80（m）

取水口地点の河川水に含まれる土砂量（m3/s）

10-0

河川流量（m3/s）

取水口6040204060

水が48時間継続する条件で取水口付近モデルの計算を実施した。図8に河川流量100m3/sの場合の取水口付近モデルの計算結果を示す。時間が経過するにしたがい取水口前面に土砂が堆積し，そののち取水口へ土砂が流入している。この結果から，土砂の取水口へ流図9は再現モデルの計算結果から得られた取水口前面の堆積土砂量と土砂流入割合の関係を示したものである。縦軸は河川に含まれる土砂のうち，取水口に流入する割合は，取水口前面に堆積している土砂の量によって大きく変化することがわかる。例えば，取水口前面にまったく土砂が堆積していないときは，流入する土砂は水中を浮遊している土砂のみであるため流入入する土砂の割合（すべて流入する場合を1.0とする）であり，横軸は取水口前面に堆積している土砂の割合（一杯になった状態を1.0とする）である。
この図から，河川流量が小さいほうが土砂流入する

エネルギア総研レビュー No.20

図８取水口付近モデルの計算結果（出水規模１００m３/sの場合）

Page 5

研究レポート0.7

1.0

Q＝50m3/s（予測用近似曲線）
Q＝100m3/s（予測用近似曲線）

0.5

0.8

Q＝50m3/s（解析結果）

0.6

Q＝150m3/s（解析結果）

Q＝100m3/s（解析結果）

Q＝100m3/s（解析結果）

土砂堆積の割合

土砂流入の割合

予測用近似曲線

Q＝50m3/s（解析結果）

0.6

Q＝150m3/s（予測用近似曲線）

0.4

Q＝150m3/s（解析結果）
Q＝200m3/s以上（予測用近似曲線）

0.3

Q＝200m3/s（解析結果）
Q＝250m3/s（解析結果）

0.2

Q＝300m3/s（解析結果）

0.1

Q＝200m3/s（解析結果）

0.4

Q＝250m3/s（解析結果）
Q＝300m3/s（解析結果）

0.2
0.00.00.00.00.20.40.60.81.0

図１０

取水口前面の堆積土砂量の割合

図９0.20.40.60.8

1.0

取水口前面の堆積土砂量の割合

土砂流入の割合と取水口前面の堆積土砂量の関係

土砂堆積の割合と取水口前面の堆積土砂量の関係（５）予測モデルの計算結果
以上の3つの予測モデルを組み合わせることにより，現在の上流域の雨量を入力すれば，短い計算時間で1時間後の土砂流入量を予測することができる。
この予測モデルにより過去の雨量記録から土砂流入量を計算した値と実際に発電所に流入した実測値を比水に含まれる全土砂量を乗じることで，1時間後に流較すると図11，表1のとおりである。2004年（出水入する土砂の量を予測することができる。河川流量は
タンクモデルにより予測される値を用い，前面堆積土砂量は図9と同様の方法で求めた図10の堆積土砂量割合により，出水開始からの累積値を記録しておけば常に現在の堆積土砂量を得ることができる。

が複数回あったため2回の土砂取り除きが必要であった年）や2008年（土砂流入量が少ない年）も再現できており，開発した予測モデルによる計算結果は実測値とおおむね一致が認められる。

003/1
0003/203/403/503/603/703/803/903/1003/1103/1225

400

300
200

200
004/1

100
004/204/304/404/504/604/704/804/904/1004/1104/12

025

400

300
200

200
005/1

取水口地点

400

累積土砂流入量（計算）
累積土砂流入量（実測）
取水口地点河川流量（計算）
取水口地点河川流量（実測）600

河川流量（m3/s）

50800（m3）

取水口地点

400

累積土砂流入量（計算）
累積土砂流入量（実測）
取水口地点河川流量（計算）
取水口地点河川流量（実測）600

河川流量（m3/s）

50800（m3）

03/3

100
005/205/305/405/505/605/705/805/905/1005/1105/12

02550

800

400

累積土砂流入量（計算）
累積土砂流入量（実測）
取水口地点河川流量（計算）
取水口地点河川流量（実測）

600
400

300
200

200

100

008/1

008/208/3

図１１Page 6

取水口地点

100

河川流量（m3/s）

200

取水口地点

（m3）

300

200（m3）

累積土砂流入量

2008

400

累積土砂流入量（計算）
累積土砂流入量（実測）
取水口地点河川流量（計算）
取水口地点河川流量（実測）400

雨量（mm）

累積土砂流入量

2005

50600

雨量（mm）

累積土砂流入量

2004025800

雨量（mm）

累積土砂流入量

2003

河川流量（m3/s）

雨量（mm）

割合は大きいこと，前面堆積土砂量がある一定値を超えると流入する土砂の割合が急増することがわかる。
図9の関係を用いることで，河川水に含まれる全土砂量のうち取水口に流入する土砂の割合を取水口前面堆積土砂量と河川流量から求められる。この割合に河川

08/408/508/608/708/808/908/10

08/1108/12

予測モデルによる過去の再現計算と実測値の比較
エネルギア総研レビュー No.20

流れ込み式水力発電所の土砂流入量予測モデルの開発

表１

予測モデルによる再現計算と実測値の比較

予測モデルによる
実測した
土砂流入量（m３） 土砂流入量（m３）

年

月

2003

11405468

10652462

11419542

2005

11517538

2006

11373551

2007

11268

38

2008

116868

2004

５なお，今回の研究では，本予測モデルを含めた3件の特許出願を行った。
最後に，本研究を実施するに当たりご指導・ご協力いただいた岡山大学大学院環境学研究科の皆さまおよび当社津山電力所の方々に深く感謝の意を表します。

上流域日雨量の入力
タンクモデルによる河川流量の計算

出水開始かYes

予測モデルの使用方法

上流域時間雨量の入力

今回開発した予測モデルは簡単な計算で予測可能であるため，一般的な表計算ソフトの使用でよい。このタンクモデルによる河川流量の予測

予測モデルを用いることで出水時における取水継続・停止・再開の適切な判断が可能となることが期待でき

河川流量と累積堆積土砂量から図９による流入割合の予測土砂流入量の予測するという使用方法などが考えられる。
今回開発したモデルを用いた場合の取水継続・停止・再開の判断フローの例を図13に示す。

現在から1時間後までに流入する土砂量

流量Q
累積土砂流入量
累積前面堆積土砂量

取水停止基準流入土砂量

時

間

現在

予測モデルを用いた取水停止の判断基準の例

あとがき

今回の研究により，実用性が高く精度のよい土砂流入量予測モデルが開発できた。開発したモデルが環境面・経済面で当社や社会にとって有益なものとなることを期待している。今後も引き続き本モデルの精度向上や妥当性の確認などを行っていきたい。
エネルギア総研レビュー No.20

Yes
取水停止

No

No

取水継続

累積堆積土砂量から図10による堆積割合の予測

累積堆積土砂量から図10による堆積割合の予測

１時間後の累積堆積土砂量を計算

１時間後の累積堆積土砂量を計算

出水終了か出水終了か取水再開後の土砂流入量を予測

Yes
累積土砂流入・堆積土砂量を次の出水のために保存

取水停止基準流入量以上か1時間後の予測

1時間後に土砂流入量が停止基準を超えると予想されるので発電取水停止する

図１２※流量・土砂量予測手順の実施

累積土砂流入量の計算

取水停止基準流入量以上か
時間雨量※流量・土砂量予測手順

河川流量から全土砂量の予測る。
基本的には，図12に示すように，各発電所で「これ以上流入する場合には発電停止する土砂流入量」をあらかじめ決めておき，現在の上流域雨量から1時間後にその値を超えると予測された場合には取水を停止

６No

Yes

No
取水再開

図１３

No

Yes
土砂取り除き作業

取水継続・停止・再開の判断フロー
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