2024年7月23日
第11回S-１８セミナー
オンライン開催

山地における土砂災害－森林による減災効果とその限界－（国研）森林研究・整備機構
森林総合研究所
經隆 悠本日の内容
１．斜面が崩れる（斜面崩壊）メカニズムについて

２．森林の斜面崩壊防止機能について

３．近年の斜面崩壊を引き起こす降雨について

４．森林の斜面崩壊防止機能の限界に関する力学的考察

土砂災害（土石流等，地すべり，がけ崩れ）発生件数の推移

国土交通省

発生件数は年毎に大きくばらつく（大災害によって件数が急増するため）
近年では発生件数が500件を下回ることがなくなってきている

山地災害発生件数の推移

山地災害：雪崩や融雪，風倒木等も含む＊地震による被害は決して無視できない
令和5年度 森林・林業白書

広域に及ぶ豪雨による山地での被害（斜面崩壊や土石流）が甚大→ 今後も豪雨は増加が予測されており林地荒廃はさらに拡大する危険性

近年の豪雨による土砂災害

平成29年九州北部豪雨（福岡県朝倉市）

森林（主に針葉樹）で斜面が覆われていても多数の土砂崩れが発生

近年の豪雨による土砂災害

平成30年7月豪雨（西日本豪雨）（広島県での災害例）

森林（主に広葉樹）で斜面が覆われていても多数の土砂崩れが発生

近年の豪雨による土砂災害

平成30年7月豪雨（西日本豪雨）（広島県での災害例）

広域かつ多地点で斜面が崩れるためダム等の人工構造物での対策には限界がある

森林に覆われていたとしてもなぜこれほど多くの崩壊が発生するのか？

そもそもなぜ雨によって斜面は崩れるのか？
降雨中の山地斜面の模式図

雨

土層

雨は斜面の内部でどのような動きをするのか

基盤層そもそもなぜ雨によって斜面は崩れるのか？
雨
雨は水を通しやすい土層に浸透

基盤層

土層

そもそもなぜ雨によって斜面は崩れるのか？
雨は水を通しにくい基盤層（岩盤など）
ではゆっくり移動する雨が基盤層上部に地下水として蓄積されていく

基盤層

土層
地下水

そもそもなぜ雨によって斜面は崩れるのか？

雨が大量に短時間で降ったり少量ずつだが長時間降ったりすると基盤層上部の地下水が増えていく

基盤層

土層
地下水

そもそもなぜ雨によって斜面は崩れるのか？
地下水が無いあるいは少ない場合
摩擦によって抵抗する力

土層

重力によって土層が動こうとする力

基盤層

緑矢印の力（抵抗力） ＞ 赤矢印の力（せん断力）
であるため斜面の土層は崩れない雨（地下水）が抵抗力を下げるから崩れる
抵抗力（地下水によって土粒子に浮力が働き摩擦が減少）

土層
基盤層

緑矢印の力（抵抗力） ＜ 赤矢印の力（せん断力）となり斜面の土層が動き出す（崩れてしまう）
土層の崩壊を表層崩壊，基盤層内部まで崩壊するものを深層崩壊と呼ぶ

森林は抵抗力を上げるから崩れにくくなる
抵抗力（摩擦によって抵抗する力＋木の根によって抵抗する力）

土層

重力によって土層が動こうとする力

基盤層
森林の根系は抵抗力を増加させる
緑矢印の力（抵抗力） が増加することで斜面の土層が動きにくくなる（崩壊防止機能）

樹木根系による崩壊防止機能は変化する
スギの植栽木と伐採木の抜根抵抗力

抜根抵抗力

植栽木は成長によって抵抗力が５０年ほどの間増加
根が残っていれば伐採木は直ちに抵抗力が無くなるわけではない
根が腐るまで時間がかかるので伐採後１０～２０年ほどの間に減少し続ける

植栽木
伐採木
植栽木と伐採木の和北村・難波，1981

伐採直後に植林したとすると斜面の根系による抵抗力は伐採後１０～２０年後に最も低下

林齢または伐採後の経過年数

木を切ると根系による抵抗力が減少し斜面が崩れやすくなる実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９６９年

未伐採地

伐採地

熊本・宮崎県の市房山では１９６０年代後半に大規模な皆伐を実施

実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９７６年

未伐採地

伐採地

その後，伐採地で崩壊が多発するようになった実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９８０年
1980年

未伐採地

伐採地

その後，伐採地で崩壊が多発するようになった実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９８５年
１９８５年

未伐採地

伐採地

その後，伐採地で崩壊が多発するようになった実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９９０年

未伐採地
伐採地

その後，伐採地で崩壊が多発するようになった実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９９５年

未伐採地

伐採地

その後，伐採地で崩壊が多発するようになった実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
１９９９年

未伐採地

伐採地
崩壊発生数が激減

実際に伐採後は斜面が崩れやすい Saito et al., 2017
２００５年

未伐採地

伐採地
崩壊発生数が激減

実際に伐採後は斜面が崩れやすい崩壊発生数

累積崩壊発生数

Saito et al., 2017

１０～２０年後の１９８０年前後に皆伐地（灰色棒グラフ）で崩壊が多発
４０～５０年後には皆伐地とその他の地域で大きな差はみられない

根系の腐食や成長による崩壊防止機能の変化は数十年で落ち着くどの程度森林による減災効果が期待できるのか？
人工林（森林の約４割）の齢級構成の変化
令和5年度 森林・林業白書

１９６６年にはほとんどが１５年生未満だったが２０２２年には約６４％が５０年生を超えた

ほとんどの森林が成熟しているつまり，成熟した森林によって樹木根系による崩壊防止機能→多くの斜面で最大限発揮されている
近年の土砂災害は森林の崩壊防止機能の限界を超える雨（降水量が多い非常に稀な雨）によって発生している？

近年の土砂災害を引き起こした雨を調べる
近年の主要な土砂災害（斜面崩壊）合計10事例で検討
Tsunetaka, 2021

北海道十勝

北海道日高

長野県岡谷市
広島県東広島市

宮城県丸森町

福岡県朝倉市
東京都伊豆大島
奈良県紀伊半島
熊本県
阿蘇山

北海道十勝（2016年）
北海道日高（2003年）
宮城県丸森町（2019年）
長野県岡谷市（2006年）
東京都伊豆大島（2013年）
奈良県紀伊半島（2011年）
広島県東広島市（2018年）
愛媛県宇和島市（2018年）
福岡県朝倉市（2017年）
熊本県阿蘇山（2012年）

愛媛県宇和島市

一般的な表層崩壊・火山地域での表層崩壊・深層崩壊など異なる条件で発生した災害を比較する

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

熊本県阿蘇山福岡県朝倉市72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

土砂災害を引き起こす雨の降り方
東京都伊豆大島

灰色領域：100年に一度の雨の強さ（95%信頼区間）
赤線：災害発生時刻
青線：降雨量（上段1時間雨量・下段72時間雨量）

100年に一度レベルの強さの1時間雨量が数時間以内にまとまって降ることで災害が発生

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

長野県岡谷市奈良県紀伊半島

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

災害を引き起こす雨の降り方
愛媛県宇和島市

灰色領域：100年に一度の雨の強さ（95%信頼区間）
赤線：災害発生時刻
青線：降雨量（上段1時間雨量・下段72時間雨量）

1時間雨量は大きくないが雨が長く続き累積雨量が100年に一度レベルにまで増加し災害が発生
崩壊を引き起こす雨の降り方は災害事例毎に大きく異なる

災害発生時の雨の稀さ

1時間当たりの平均雨量が100年に一度の強さに達する前後で斜面崩壊が発生
雨の降り方は違っても雨の稀さはいずれも100年に一度程度で共通

降雨量の比較

１時間当たりの平均雨量（ｍｍ/ｈ）

左の図のように崩壊発生時刻の合計雨量について調べてみる

１０時間経過時点で1時間当たり２０ｍｍ
降っていれば合計２００ｍｍの降雨（２０×１０＝２００）

経過した時間（ｈ）

降雨量の比較

１時間当たりの平均雨量（ｍｍ/ｈ）

雨の降り方に関係なく，２００～４００ｍｍ程度の雨量が崩壊の発生に必要
深層崩壊（紀伊半島）は１０００ｍｍ以上必要

瞬間的な１００年に一度の強さの雨では災害は発生しにくい（1時間雨量の日本記録は約１５０ｍｍ）
熊本県阿蘇山
東京都伊豆大島
北海道日高
長野県岡谷市
北海道十勝
福岡県朝倉市
広島県東広島市
愛媛県宇和島市
福島県丸森町
奈良県紀伊半島経過した時間（ｈ）

近年の災害を引き起こした雨は雨量・稀さともに桁違い森林が十分に成熟していても森林だけで崩壊を防ぐことは困難

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

72時間雨量（ｍｍ）1時間雨量（ｍｍ）

森林の効果を超える雨が原因であれば何が崩壊箇所を決める？
長野県岡谷市

７２時間雨量の１００年に一度の強さは岡谷市では３００ｍｍ程度であるのに対し，紀伊半島では約１３００ｍｍと大きく異なる

紀伊半島では３００ｍｍ程度の７２時間雨量は頻繁に発生する

奈良県紀伊半島

紀伊半島では３００ｍｍ程度で崩壊するような斜面は既に崩れ去っている（土層の回復が間に合わない）

土層の回復には長い（百年単位）の時間が必要
危険な雨が襲来する頻度の方が高い

そのため，雨の稀さが崩壊の発生に重要崩壊が発生箇所を土層が回復しているかどうかが決める場合がある？

新潟県村上市２０２２年豪雨による崩壊

成熟した森林で覆われていたが多数の崩壊が発生
森林の比較だけでどこで崩壊するかを推定するのは困難

新潟県村上市１９６７年羽越豪雨による崩壊

同じ地域で１９６７年羽越豪雨によっても崩壊が発生していた

新潟県村上市１９６７年羽越豪雨による崩壊

１９６７年と２０２２年で異なる箇所で崩壊が発生
豪雨の頻度（約６０年）＞土層の回復速度であるため同じ斜面は崩れていない

２１００年までに１００年に一度の強さの雨は増加
温暖化対策が進んだシナリオ

72時間以内に100年に一度の強さに達する雨の回数

深刻な温暖化が進んだシナリオ

0

1–2

3–4

平成３０年７月豪雨で災害が発生した広島県東広島市では温暖化が深刻化するほど危険な雨の回数と範囲が増加

ただし土層が回復していなければ土砂災害の回数と範囲が増加するとは限らない

森林の崩壊防止機能の限界に関する力学的考察

抵抗力

地下水位はさまざまな深さで発生する可能性がある→ 潜在的なすべり面は複数

せん断力
位置ｚ1を対象とする
潜在すべり面とすると・・

緑矢印の力（抵抗力） と 赤矢印の力（せん断力）の関係はどうなるのか？

各式の詳細については今泉ら, 2009

抵抗力 𝜏𝑟ℎℎ𝑤

𝜏𝑟 = 𝑐 + [ න { 1 − 𝑛 𝜎𝑔 + 𝑛𝑆𝜌𝑔}𝑑𝑧 + න 1 − 𝑛ℎ𝑤

𝜎 − 𝜌 𝑔𝑑𝑧] ∗ cos𝜃 tan𝜙𝑧1𝑛: 間隙率， 𝜎・𝜌: 土粒子・水の質量密度，𝑔: 重力加速度，𝑆: 飽和度， 𝜙: 摩擦角

せん断力 𝜏ℎ𝜏 = න { 1 − 𝑛 𝜎𝑔 + 𝑛𝑆𝜌𝑔}𝑑𝑧 sin𝜃
𝑧1

安全率 𝐹
𝜏𝑟
𝐹 = > 1 安全率が１以上，抵抗力＞せん断力であれば斜面は崩れない𝜏地下水位の上昇で減る

抵抗力 𝜏𝑟ℎℎ𝑤

𝜏𝑟 = 𝑐 + [ න { 1 − 𝑛 𝜎𝑔 + 𝑛𝑆𝜌𝑔}𝑑𝑧 + න 1 − 𝑛ℎ𝑤

𝜎 − 𝜌 𝑔𝑑𝑧] ∗ cos𝜃 tan𝜙𝑧1

樹木の根系で𝑐 が増える
せん断力 𝜏ℎ𝜏 = න { 1 − 𝑛 𝜎𝑔 + 𝑛𝑆𝜌𝑔}𝑑𝑧 sin𝜃
𝑧1

安全率 𝐹
𝜏𝑟
𝐹= >1
𝜏

樹木根系と地下水位の効果の変化によって安全率が決まる

安全率における樹木根系と地下水位の寄与は？
安全率の式に抵抗力とせん断力の式を代入して変形すると
tan𝜃𝐹= 1 − 𝐹𝑤 + 𝐹𝑐
tan𝜙
大きいほど危険小さいほど危険地下水位が安全率に対する影響を表す無次元量

𝐹𝑤 =

𝜂𝑤

1−𝑛𝜎+ 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆′ 𝜂𝑤 }
𝜌

樹木根系が安全率に対する影響を表す無次元量𝑐ℎ − 𝑧1 𝜌𝑔cos𝜃tan𝜙
𝐹𝑐 =𝜎
1 − 𝑛 + 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆 ′ 𝜂𝑤 }
𝜌ℎ𝑤 − 𝑧1
𝜂𝑤 =ℎ − 𝑧1

安全率における樹木根系と地下水位の寄与は？
安全率の式に抵抗力とせん断力の式を代入して変形すると
tan𝜃
𝐹= 1 − 𝐹𝑤 + 𝐹𝑐
tan𝜙
大きいほど危険小さいほど危険地下水位が安全率に対する影響を表す無次元量𝐹𝑤 =ℎ − 𝑧1𝜂𝑤

1−𝑛𝜎+ 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆′ 𝜂𝑤 }
𝜌ℎ − 𝑧1土層
基盤層ℎ𝑤 − 𝑧1土層

基盤層ℎ𝑤 − 𝑧1

同じ土層厚（ℎ − 𝑧1 ）であれば地下水位（ℎ𝑤 − 𝑧1 ）が大きいほど崩れやすいℎ𝑤 − 𝑧1
𝜂𝑤 =ℎ − 𝑧1

安全率における樹木根系と地下水位の寄与は？
安全率の式に抵抗力とせん断力の式を代入して変形すると
tan𝜃𝐹= 1 − 𝐹𝑤 + 𝐹𝑐
tan𝜙
大きいほど危険小さいほど危険樹木根系が安全率に対する影響を表す無次元量𝐹𝑐 =ℎ − 𝑧1𝜂𝑐1−𝑛土層𝜎+ 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆 ′ 𝜂𝑤 }
𝜌ℎ − 𝑧1

土層𝑐
𝜂𝑐 =ℎ − 𝑧1 𝜌𝑔cos𝜃tan𝜙

土層厚（ℎ − 𝑧1 ）が大きいほど分子が小さくなる（𝐹𝑐 が低下）

土層が厚いほど樹木根系の効果は小さい → 防止機能は浅い崩壊に対してのみ

安全率における樹木根系と地下水位の寄与は？
安全率の式に抵抗力とせん断力の式を代入して変形すると
tan𝜃𝐹= 1 − 𝐹𝑤 + 𝐹𝑐
tan𝜙
大きいほど危険大きいほど安全地下水位が安全率に対する影響を表す無次元量

𝐹𝑤 =

𝜂𝑤

1−𝑛𝜎+ 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆′ 𝜂𝑤 }
𝜌

樹木根系が安全率に対する影響を表す無次元量𝐹𝑐 =𝜂𝑐1−𝑛𝜎+ 𝑛{𝑆′ + 1 − 𝑆 ′ 𝜂𝑤 }
𝜌

分母は同じなので𝑊と置いて，安全率に代入すると

安全率 𝐹𝐹ℎ − 𝑧1tan𝜃𝜂 𝑤 − 𝜂𝑐=1−tan𝜙
𝑊基盤層𝜃 = 𝜙 の条件下 勾配３６～３８度程度 を考えると
𝜂𝑤 − 𝜂𝑐 = 0 の時，安全率が１（崩壊が発生）ℎ𝑤 − 𝑧1
𝜂𝑤 =（０～１までの間で変化）ℎ − 𝑧1土層ℎ𝑤 − 𝑧1ℎ − 𝑧1

𝜂𝑐 > 1 の場合は安全率は常に１以上（抵抗力＞せん断力）
つまり，崩壊は発生しないℎ𝑤 − 𝑧1

基盤層

言い換えれば安全率１となり得る場合の𝜂𝑐 の最大は 𝜂𝑐 ≒ 1
𝜃 = 𝜙，𝜂𝑐 ＝1の条件を代入すると
𝜂𝑐 =𝑐ℎ − 𝑧1 𝜌𝑔cos𝜃tan𝜙ℎ − 𝑧1𝑐=𝜌𝑔sin𝜃

1 =𝑐ℎ − 𝑧1 𝜌𝑔cos𝜃tan𝜃

ある樹木の根系の抵抗力𝑐 の時，崩壊するために必要な土層厚（ℎ − 𝑧1 ）は一意に定まる→ これが意味することは？

𝐹tan𝜃
𝜂𝑤 − 𝜂𝑐=1−tan𝜙𝑊
𝜂𝑤 − 𝜂𝑐 = 0 になると

hz1

地下水位の上昇z1

崩壊が発生し土層が無くなる
つまり土層厚（ℎ − 𝑧1 ＝0）

潜在すべり面

土層厚の回復ℎ − 𝑧1が増加し 𝜂𝑐 ≤ 1 となるhz1

𝜂𝑤 − 𝜂𝑐 = 0 となる地下水位が発生すると崩れる

𝜂𝑐 =

h

土層厚（ℎ − 𝑧1）が小さい
間は樹木根系の寄与が大きく𝜂𝑐 > 1であるため崩壊しない

z1

土層厚の回復
森林の成熟

周期性

𝑐
ℎ − 𝑧1 𝜌𝑔cos𝜃tan𝜙

免疫性

森林の成長と土層厚の回復，斜面崩壊のサイクル①森林が崩壊を防止②斜面の土層厚が回復③森林の崩壊防止機能が低下④崩壊が発生，①に戻る

森林は斜面崩壊を防止する機能がある
しかし，斜面の安定への樹木根系の寄与は土層の回復で低下
この森林の効果の限界によって，近年の豪雨時には森林で覆われた斜面でも土層が十分に回復していると崩れてしまう

まとめ
斜面が崩れるかどうかには以下の３つの要素が重要①森林の成長，②豪雨の頻度，③土層の回復速度
今，これらの要素はどのような状況にあるのか①森林の成長：これまでの森林管理等により多くが成熟②豪雨の頻度：①によって高頻度な雨では崩れにくい③土層の回復速度：①で土層が回復し，②で稀な雨を経験していない地点が土層が回復していて危険

これまでの森林管理や気象条件で与えられた①②③の状況が，現在の斜面の危険性を決めている→ 薪や製鉄のための炭を作る森林から，木材生産のための人工林への変化など
人工的な改変（①:伐採・植林，③盛土・切土）は，②どのような雨で崩壊が発生するかを変える①②③すべてを考慮しなければ適切な対策を取ることは不可能

まとめ
将来，これらの要素はどのような状況になると予想されるのか①森林の成長：高温・多雨で成長が早くなり伐採しても回復しやすい？
②豪雨の頻度：現在稀な強さの雨がより頻繁に発生し危険？
③土層の回復速度：土壌生成や風化の速度が気温や雨量の増加で加速？

②③は①に比べると人の力で劇的に変化させることは難しい①の森林に将来に向けてどのように変化を加えるのかは，成熟した森林の持続的な管理だけではなく，避けられない斜面崩壊リスクと気候変動の中でどのように共存していくかという点も考慮して選択していく必要がある手をできる限り加えないという選択も含めて土砂災害リスクに対する何らかの温暖化適応策が必要参考文献
国土交通省：https://www.mlit.go.jp/report/press/sabo02_hh_000143.html
令和5年度 森林・林業白書：
https://www.rinya.maff.go.jp/j/kikaku/hakusyo/r5hakusyo/index.html
北村・難波，1981：https://www.ffpri.affrc.go.jp/pubs/bulletin/301/documents/313-9.pdf
Saito et al., 2017：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X16302276?via%3Dihub
Tsunetaka, 2021：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/esp.5228
今泉ら, 2009：https://www.jstage.jst.go.jp/article/sabo/62/2/62_13/_article/-char/ja/