73【建設工学研究所論文報告集第 64 号〔報告〕2022 年 11 月】

山地小流域における土砂流出に対する危険度予測のための簡易的な流量観測について
Flow discharge observation and rainfall-runoff model for risk forecasting ofsediment discharge in a small mountainous watershed
鳥 居 宣 之Nobuyuki Torii

笠 原 拓 造Takuzo Kasahara

１．はじめに土砂災害警戒区域（土石流）や道路の事前通行規制区間等においては、流域面積が数ヘクタール程度の小流域が数多く存在する。降雨時に、これらの山地小流域からの水の流出状況を観察すると、降雨初期には河道に全く水が流れていないか小さな流れであるのに対し、降雨期間中のある時点から突発的に流量が増すような挙動がみられる。このような挙動を示す要因は、山地斜面に降った雨水は地下へ浸透し地下水となって斜面内を移動し再び地表面に湧出する過程を経た後、流出するためと考えられる。すなわち、降雨初期では雨水は地下へ浸透し表面流は発生しないが、その後に遅れて地表面に湧出した水や地下に浸透しなかった雨水が集中することで急激に流出量が増すものと考えられる。地下から地表に湧出する場所や水の量、タイミングは、斜面の規模や傾斜、表土層の厚さや透水性等の山腹斜面の条件や雨の降り方で変化すると考えられ、例えば規模や波形が同じ雨が降ったとしても隣接する流域で地形や表土層の発達状況が異なれば流出特性も異なるものと推測される。
筆者らは、土砂流出に対する危険度を予測する手法として数値モデルによる方法を検討している 1)。特に今回は山地小流域を対象とすることから、精度よく予測するためには、前述したような山地斜面への雨水の浸透や地下水となって斜面内を移動する過程を考慮する必要があると考えている。しかし、植生等が複雑に入り込んでいるような自然斜面を対象とする場合、地下水がどのように表土層中を移動しているのか実態を把握することは難しい。そこで、モデル化の初期段階として、表土層中の地下水の移動はブラックボックスとして扱うこととし、降雨（ハイエト）と流出（谷出口のハイドロ）の関係からモデルを検討することとした。本報告では、土砂災害警戒区域に指定されている小流域において谷出口の流量を観測した事例について述べるとともに、試験的なモデルを作成することで、今後、表土層中の地下水の移動を考慮した土砂流出に対する危険度を予測するための数値モデルの検討に際しての留意事項を整理した。

２．タイムラプスカメラ・Web カメラを用いた流量観測
2.1 観測の概要
神戸市北区に位置する流域面積約 0.045km2（4.5ha）の渓流をモデル流域として観測を実施した（図-1 参照）。将来的に多くの渓流で実用されることを鑑み、設置や撤去が容易で他渓流への流用が可能な比較的安価な方法として、Webカメラや乾電池で作動するタイムラプスカメラを用いることとした。

1）流況の概略的な把握（2020 年 6 月 20 日設置～2020 年 9 月 10 日）
対象流域の流況を把握するため、乾電池で作動する安価なタイムラプスカメラ（昼光用）を設置した（図-2）。期間中の最も降水量の大きかった 2020 年 7 月 24 日～25 日にかけての降雨（神戸市で土砂災害警戒情報が発表された降雨）の観測結果を図-3 示す。降水量については、気象庁の 1km メッシュの解析雨量（30 分毎の 1 時間雨量データ）を収集・整理した。この観測から下記の知見が得られた。

74【観測に関する知見】
・タイムラプスカメラを用いることで、自然河道の流況（流下幅，水深）や流水の濁りの状況を比較的安易に長期間連続して観察できることが確認できた。
・降雨のピークが夜間の場合、昼光用のカメラでは観測できない。
・流下幅や水深を計測するには、流れが滝状になったり、複数の澪筋に分かれないようなカメラ位置（直線流路、矩形に近い流下断面）を探すことや計測のための目印を設置する等の工夫が必要であることがわかった。
（当初想定していた流出量よりも大きな流出が発生することがわかった）・特にカメラ位置に関しては、小渓流の下流流路では、すべての条件に適合する地点がないことも想定されるので、観測はいくつかの渓流で並行して実施するのが望ましいと考えられた。
図-1 対象流域の位置図【流況に関する知見】

・渓流水が流れはじめる、または急激に増加し始めるまでに、ある程度の前期降雨が必要。
・雨が降り止んだ後も、数日間、渓流の流量は多い状態が続く。

Brinno 社製 TLC 200
サイズ：125 ㎜×89 ㎜×54 ㎜
画角：59 度
解像度：1280×720
夜間の撮影は不可
電池単三 4 本,約 1 カ月撮影可能
図-2 タイムラプスカメラ（昼光用）の設置状況

図-3 観測事例（2020 年 7 月 24-25 日降雨）752)タイムラプスカメラの移設（2020 年 9 月 11 日～2020 年 11 月 27 日:冬期撤去）
2020 年 7 月の観測結果をうけて、9 月 11 日にカメラ位置を変更するとともに流下幅・水深を計測するための目印を設置した。
（図-4 参照）

図-4 カメラの移設（直線流路で流下断面形状が単純な矩形となうようにカメラを上流へ移設，目印を設置）

3)夜間対応 Web カメラの追加（2021 年 3 月 27 日～2021 年 10 月 20 日：冬期撤去）
一般に普及している昼光用のタイムラプスカメラでは夜間の観測が難しい。また、タイムラプスカメラの画像からは、水位の情報は読み取れるが、流量の情報を得るためには、別途、水深から流量へ換算する H-Q 曲線や流速の実測データが必要である。しかし、流速（H-Q 曲線を作成するにしても流速の実測値は必要）については、特に今回のような山地の小流域では洪水継続時間が短いため、出水中に現地に行き直接流速を測ることは難しいことや、出水時に自然河道で人の手による直接観測は危険が伴うため安全管理上も問題であった。そこで、2021 年 3 月 27 日に夜間の撮影やインターバル動画が撮影可能な Web カメラを追加した（図-5、図-6 参照）。流速については、撮影した動画からから PIV（粒子画像流速測定法）による流速計測を試みることとした。

図-5 Web カメラ（暗視）とタイムラプスカメラの設置状況76（撮影：2021.3.21 21:47）

図-6 Web カメラの諸元（暗視撮影，インターバル動画撮影可能）と取得画像

ところが、Web カメラの消費電力が想定よりも大きく、鉛蓄電池（12V100AH）で 3 日程度しか計測できないことがわかった。そこで、近隣の電柱から商用電源をひくこととした。商用電源の引き込みまでに、地権者への確認や電気工事の手配等に時間を要し、実際に引き込み工事が完了したのは 2021 年 12 月 17 日であった。
電源の引き込み工事完了までの間、夜間の赤外撮影とインターバル動画の撮影可能なタイムラプスカメラをこれまでの昼光用のタイムラプスカメラに替えて下流側から流況を撮影するものと、流れを横から撮影するもの（流速計測用）の２台設置した（図-7，図-8 参照）。

右岸に設置したタイムラプスカメラと取得した画像
図-7 Web カメラとタイムラプスカメラ（暗視撮影，インターバル動画撮影可能）の設置状況

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図-8 観測事例（右岸設置のタイムラプスカメラ：2021 年 9 月 17-18 日降雨）

4)夜間対応 Web カメラ(商用電源)とタイムラプスカメラによる観測（2022 年 4 月 30 日～）
2022 年 4 月から、１台の Web カメラ[商用電源]（遠隔地から流況と水位を確認）と２台のタイムラプスカメラ（下流側：水位確認用(予備)/流速計測用のインターバル動画撮影）の体制で観測を実施した。流量は、取得した静止画や動画から画像解解析等により水位と流速を計測し、水位から求めた流下断面積に流速を乗じて推定した。Web カメラは現地の流況をリアルタイムで確認する目的でズームや首振り撮影が可能な機種を設置した。タイムラプスカメラは水位と流速の観測用に画角を固定し、静止画と 10 秒程度の動画を 10 分毎に撮影した。Web カメラはオンラインで遠隔からのデータの取得や管理ができたが、タイムラプスカメラは、SD カードと乾電池の交換のため１カ月に１回程度のメンテナンスを必要とした。

2.2 流量の推定（2022 年 7 月 12 日の観測事例）
2022 年 4 月以降、神戸市で最も降水量の大きかった 2022 年 7 月 11 日～12 日にかけての降雨（図-9 参照）について、流量を観測した事例を詳述する。水位は右岸側のタイムラップスカメラと下流の Web カメラ、タイムラプスカメラの静止画に写りこんでいる量水標の目盛を目測で読み取った（図-9 参照）。流速は流れの側面（右岸側）のタイムラプ
スカメラで取得した動画を用いて市販の PIV（Particle Image Velocimetry）解析ソフト（Flow Expert 2D カトウ光研株式会社）を用いて計測した（図-10 参照）。流量は、渓流の横断形状（図-11 参照）から求めた水位に応じた流下断面積に流速を乗じて推定した（図-12 参照）。なお、降水量については気象庁の解析雨量（1km メッシュ 30 分更新）を収集した。
水位は、画像処理ソフト等を用いて拡大表示して目測で読み取ったが、波や飛沫等で読み取りにくい場合があった。このため、図-12 に示す時系列のグラフに整理し、前後のプロットから計測エラーのチェックを行う必要があった。2022 年 7 月 12 日の観測では、流量の立ち上がり時に、水位が一時的に高くなりその後低下することがあった（図-12 の赤丸内、10 分間隔の撮影画像の内、1 時刻のみ水位が上昇）。これは、雨の強弱が数分程度で変化しその影響が流量に現れたのか、流域内で小規模な崩落が発生したのか、水ミチのパイプが閉塞・決壊したのか等が推測されるが、実際に何が起きたのかは確認できていない。このような短時間に流量が変動ずる事象は、山地小流域では頻繁に起こり78うる事象ではないかと予想される。今回の様な 30 分間隔の降雨データでは降雨との関連性を比較検証できないため、今後、数分程度の解像度を有する降雨観測を検討するほか、降雨後に斜面の変状等の現地確認を別途実施する必要があるものと考えられた。

下流側 Web カメラ

右岸側タイムラプスカメラ

下流側 Web カメラ【水位の取得】
静止画に写りこんでいる量水標の目盛を目測で読み取った（約 5 分～10 分間隔）
②2022.07.12 3:19
右岸に設置したタイムラップスカメラ

図-9 降雨状況と取得した画像の事例（2022 年 7 月 11-12 日降雨）

図-10 画像解析ソフト（PIV）を用いた流速計測画面 （2022/7/12 午前 3:30 右岸カメラの動画の流速ベクトル）

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図-11 河道断面計測地点の状況

図-12 流量観測結果 (2022 年 7 月 12 日降雨)
2.3 H -Q 曲線の作成
画像から計測した水位 H から流量 Q を推定することを目的として、2021 年～2022 年に観測した 3 つの降雨の観測データから H-Q 曲線を作成した（図-13 参照）。この曲線は、今回の観測成果として当該渓流の警戒避難や事前通行規制の監視、土砂移動の影響評価等に利活用できるものと考えられる。ただし、観測は 2021 年秋から 2022 年夏にかけての短期間であり、その間に規模の大きな降雨を経験することはなかった。このため、現段階では対数近似①と線形近似②の 2 本を設定した。今後も観測を継続し、流量の大きな実績を増やして精度を高めてゆく必要があるものと考えられる。

図-13 今回の観測で作成した H-Q 曲線

80３．表土層中の地下水の移動を考慮した土砂流出に対する危険度を予測するための試験的な数値モデルの作成
3.1 試験的な降雨流出モデルの概要
降雨（ハイエト：気象庁解析雨量）と観測から得られた流量（ハイドロ）から、表計算ソフト Excel（MicroSoft社）等を用いて構築できる比較的簡易な降雨流出モデルを検討した。今回作成するモデルの表土層中の地下水の移動は、当該地域を含む兵庫県下の市町で既に構築され検証を重ねている沖村ら 2),3)が開発した地下 1 層の地下水位の解析と無限長斜面安定解析を組合せ 10m メッシュ単位で表層崩壊を予測するモデルをベースに下記の改造を加えることとした。また、モデルには表土層厚や地盤の物性値等のパラメータを必要とするが、これも同モデルの設定方法 4),5)に準じ設定した。なお、10m メッシュの標高は、兵庫県のオープンデータ「兵庫県_全域 DEM（2010 年度～2018 年度）」の1mDEM より取得した。

1)土砂洪水氾濫や土石流の発生予測等に用いる表流水の計算を加え、地下と表層を移動する水の流れを連続で計算する。
2)観測された流出ピークの急激な立ち上がりや降雨終了後に長時間にわたって流出が継続する現象を再現するため、前者は早い地下水の流れ（パイプ流等）6)を、後者は山地斜面の保水性を高める（基岩への浸透等）7)を考慮し、地下を 3 層として計算する（図-14 参照）。
3)地下水や地表流の流下経路について、計算の簡略化のため 10m メッシュを取囲む 8 メッシュのうちの 1 メッシュ（1 方向）に限定する（図-15 参照）。
4)計算間隔は 10 分とする。10 分間隔では渓流を流下する表面流の早い流れを表現できないが、今回の対象流域は流域面積が小さく、計算上で表流水が湧出すると推測されるメッシュから下流端までの距離約 300m を流速0.5m/s（今回の観測値）で流下すると仮定すると流下時間は 10 分であることから、メッシュ間の表流水の移動を計算する仕組みは組み込まずに、地表面に湧出する表流水の合計値を流出量[m3/10min]として算定する。ただし、より流域面積の大きな渓流を対象とする場合には、計算ステップを細かくし、メッシュ間の表流水の移動計算を組み込む必要があるものと考える。

図-14 試験的なモデルの概念図

3.2 表土層のパラメータの設定
新たなパラメータ（地下 3 層の透水係数と各層厚の比率の組合せ）については、流量の観測地点（対象流域の下流端）における実測の流出波形や流出量と計算結果が近くなるよう感度分析で適値を求めた（表-1､図-16 参照）。図-16をみると、おおむねピーク流出量や降雨波形の再現が出来ていることから、流出特性に即した降雨流出モデルとして、地下 3 層の透水係数と層厚の比率を調整する今回の手法が有効であることが確認できた。ただし、図-16 の降雨終了後の流出量の算定値の落ち込み（7 月 12 日 4:00-7:00）が実測に比べて大きい等、パラメータの微調整については今後の課題として残る。

81今後、別の降雨事例や他流域での検証実績を増やし、感度分析で求めたパラメータの法則性や調査・設定方法の一般化について検討を進めていく予定である。また、分析の過程で上記の透水係数や層厚の比率の他に、河道にあたるメッシュの層厚が流出量や流出のタイミングに大きく影響することが分かった。なお、今回の設定では、現地の河道の露岩状況にあわせて、集水面積 2ha 以上のメッシュを河道して扱い表土層厚を 0m とした。

図-15 10m メッシュデータの設定状況

表-1 感度分析により求めた表土層のパラメータ

図-16 試験的なモデルによる流出ハイドロと実測の流出ハイドロの比較 （2022 年 7 月 12 日降雨）82

3.3 洪水氾濫の予測への適用について
対象渓流においては既往の災害記録はなく、災害発生事例での検証はできないが、近年で比較的規模が大きく、近隣の渓流で土砂流出のあった 2014 年 8 月降雨で検証を試みた。2014 年 8 月の降雨（気象庁解析雨量）とモデルによる流出量の計算結果を図-17 に示す。計算によるピーク流出量は、120m3/10min であり、流量に換算すると 0.2m3/sec となる。これを外挿の領域で精度は落ちるが、図-13 の近似式より水位を求めると①対数近似式で 0.25m ②線形近似式で 0.69m の水深となる。この水深と下流の保全対象付近の水路の深さや道路の横過状況（管渠）と比較すると、氾濫せずに十分流下できる規模であったと推定される。当時、被災した記録はないことから、流木や土砂が混入していなかったと仮定すると、モデルにより予測された洪水の規模は妥当であると考えられる。

図-17 試験的なモデルによる流出量〔下流端〕の再現計算結果 （2014 年 8 月 10 日降雨）

3.4 斜面崩壊の予測への適用について
上記と同じ 2014 年 8 月降雨で、10m メッシュ毎に地下水位（表土層の上部と下部の合計）を求め、無限長斜面安定解析により安全率を算定した。その結果、31 メッシュで安全率が１未満となり表層崩壊の発生が予測された（図-18 参照）。当時、実際に該当メッシュの箇所が崩壊したかどうかは記録がなく検証はできないが、図-18 の崩壊判定の分布をみると谷地形に多いことがわかる。現設定では、谷部の表土層厚や地盤の物性値は斜面部と同じ設定としているが、地形の形成過程や表流水や地下水にさらされる環境が谷と斜面では異なると推測されるので、このような谷と斜面等の微地形区分ごとに層厚や物性値等を設定する方法について、今後、被災実績のある他流域での検証が必要と考えられる。

図-18 斜面崩壊の予測結果（2014 年 8 月 10 日降雨）83

3.5 土石流の発生予測への適用について河道部（今回は集水面積 2ha 以上のメッシュを想定）について、3.3 で算定した表面流出量と河床勾配から、高橋の式 8)を用いて土砂移動層がある場合に流動化が予想される砂礫移動層の厚さを推定した。図-19 をみると、河道部で流動化が予測される砂礫移動層の厚さは 0.07〜0.12m である。現在の河床の状況は、一部の緩勾配の地点に砂礫（最大礫径 20〜30cm）の堆積がみられる程度で河道部はほぼ露岩している状況である。災害記録はなく、崩壊の発生や崩壊土砂の流出、河床堆積物の二次移動の実績は不明であるが、この時の流出で河床の堆積土砂はフラッシュされ現在の河道に残っていないと仮定すると、予測結果と現地状況は整合するものと考えられる。土石流の予測に関しても、今後、被災実績のある他流域での検証が必要と考えられる。

図-19 土石流発生の予測結果 （2014 年 8 月 10 日降雨）
（河床に計算された厚さ以上の堆積土砂がある場合，土砂移動が発生すると考えられる）84

４．山地小流域における土砂流出に対する危険度を予測のための数値モデル検討に際しての留意事項
本報告では、モデル渓流において簡易な Web カメラ等による流出観測成果から、表土層中の地下水と地表水を連続的に計算する分布型の流出モデルを試験的に作成し、表層崩壊や土石流の発生予測への適用について検討した。本報告で行ったような比較的簡易な観測装置での流量観測結果から、小流域の個々の流域特性に即した降雨流出モデルを作成し、山地小流域における土砂流出に対する危険度予測に利用できることを確認した。これは、土砂災害警戒区域や道路沿いの小渓流を対象とした警戒避難や危険度評価等のリスク管理に有効な方法のひとつであることを示唆するものである。
ただし、現段階では、一つのモデル流域で規模の大きな降雨実績を経験していない短期間の観測成果による成果であるため、一般化に向けて今後も観測・検証を継続する他、他流域での実績を増やしてゆくことが必要である。他の渓流へ同手法を展開してゆく際の留意事項等について、今回の検討から得られた知見を以下に列挙する。

・小流域であるため、数分程度で変化する雨の強弱や小規模な崩落の発生、水ミチのパイプの閉塞・決壊等の影響が流量の観測結果にあらわれると考えられる。これらの影響が災害発生の条件にまで及ぶものなのかどうか究明する必要があり、原因の特定や影響度を把握するため、数分程度の解像度を有する雨量観測、流量観測や流域で発生した土砂移動現象を降雨後に把握する手法等を別途検討する必要がある。
・モデルの構築に際して、河道にあたるメッシュの層厚が流出量や流出のタイミングに大きく影響することから、斜面の透水係数や層厚の検討とあわせて、現地に即した河道条件をモデルに設定する必要がある。なお、小流域であるため通常河道幅は数 m 程度であることから、斜面から河道への連続性を考慮すると、設定するメッシュの大きさは河道と渓岸斜面部を識別できるような、例えば 2×2m メッシュぐらいが良いと考えられる。
・流域面積が 5ha を超える流域では、10m メッシュで 10 分間隔の計算では渓流を流下する表面流の早い流れを表現できない。その場合、メッシュ間の表流水の移動を計算する仕組みを組み込む必要がある。例えば、河道幅を考慮しメッシュサイズを 2m とする場合、流域面積 5ha で 25,000 メッシュ、計算ステップは表面流の流下速度（最大 2m/sec程度を想定する）と 1 秒程度となる（今回の約 500 メッシュの 10 分間隔に対し、3 万倍の計算量となる）。
・土砂災害への適用検証を行うため、災害履歴のある渓流での実績をふやすことが必要である。

【謝辞】
ヒョウ工務店には、毎月のメンテナンス時の敷地内への立ち入り等で便宜をはかっていただいた。ここに記して、謝意を表します。

参 考 文 献1)鳥居宣之・笠原拓造（2022）：山地小流域における流量観測及び土砂流出に対する危険度予測のための簡易的な流出モデルの検討，第 63 回地盤工学シンポジウム論文集 CD-ROM
2)沖村孝・市川龍平（1985）：数値地形モデルを用いた表層崩壊危険度の予測法，土木学会論文集，No.358/III-3，p.6975.
3)沖村孝・鳥居宣之・尾崎幸忠・南部光広・原口勝則（2011）：豪雨による土砂災害を対象としたリアルタイムハザードシステムの構築，新砂防，63(6)，pp.4-12.
4)沖村孝・中川渉・中尾直美・伊藤正美・嵯峨根朋子（2017）：兵庫県内の新生代第三紀堆積岩類における地形・地質的特徴とリアルタイム表層崩壊予測モデルへの適応と限界について，建設工学研究所論文報告集第 59 号，pp.49-71.
5)沖村孝・鳥居宣之・中川渉・原口勝則（2015）：表層崩壊リアルタイムハザードシステムの構築に際して生じた課題と対策(6)，建設工学研究所論文報告集第 57 号，pp.17-57.
6)内田太郎・小杉賢一朗・大手信人・水山高久（1996）：パイプ流が斜面安定に与える影響，水文・水資源学会誌，Vol.9，No.4，pp.330-339.

857)佐山敬洋・小杉賢一朗（2014）：山地基岩は不透水とみなせるか？- 基岩地下水の流動を再現する分布型流出モデルの開発，水文・水資源学会研究発表会要旨集
8)高橋保（2006）：土砂流出現象と土砂害対策，pp.208.

著 者
鳥居 宣之

所員(非常勤) 神戸市立工業高等専門学校教授、博士（工学）、山地防災工学笠原 拓造

客員研究員 国際航業株式会社、砂防工学