第66回(2022年度)

北海道開発技術研究発表会論文

濁度計と放射性同位体トレーサを用いた山地流域の浮遊土砂生産・流出過程の推定
国立研究開発法人土木研究所 寒地土木研究所 水環境保全チーム ○水垣 滋
北海道開発局 札幌開発建設部 河川計画課
村上 泰啓
北海道開発局 事業振興部 都市住宅課
巖倉 啓子
山地は流砂系における主要な土砂供給源であり、総合的な土砂管理において安全かつ適切な土砂供給が求められる。一方、山地からの土砂流出量は継続的な観測が難しく、土砂生産・流出データが不足しており、土砂生産・流出実態に未解明な部分が多い。本報では、山地流域の浮遊土砂生産・流出過程を明らかにすることを目的に、濁度計観測により融雪・降雨流出時の浮遊土砂濃度特性と放射性同位体トレーサによる生産源推定を行った。
キーワード：生産源推定、流砂系、土砂移動トレーサ

1. はじめに山地から沿岸までを流砂系とした総合的な流域土砂管理において、山地流域における浮遊土砂の生産･流出特性を把握することは、基本的かつ重要な課題である。一般に、流域からの浮遊土砂流出特性は SS 濃度と流量のべき乗回帰式で評価されるが、山地小流域では SS 濃度の流量に対する決定係数は必ずしも高くなく、ヒステリシスを示すことが多いたとえば 1）。このヒステリシスは、浮遊土砂の生産源や輸送過程を反映していくつかのパターンに分類されることが知られておりたとえば 2）、流域の浮遊土砂生産源や流出特性を示す指標となりうる。

一方、浮遊土砂の生産源を特定する手法として、山地斜面から河川を通じて流域末端に輸送される土砂を追跡できる、土砂そのものがもつ物理・化学的特性をトレーサとした手法がある 3）。地質（岩相）や侵食深が異なる生産源からの寄与率を推定できる。
しかし、流域の土砂生産・流出特性は出水規模やタイミングに応じてさまざまに異なることが普通であり、長期的な観測に基づいた解釈が必要である。本研究の目的は、流域の浮遊土砂生産･流出過程を明らかにすることである。濁度計を用いた流砂水文観測によりさまざまな融雪・降雨流出時の浮遊土砂濃度ヒステリシスを調べた。
また、放射性同位体トレーサを用いた浮遊土砂生産源推
定 4）を行った。

沙流川2. 方法
沙流川

総主別川

観測定点

C-3

C-1
A旭

図-1 研究対象流域(1) 研究対象流域
研究対象流域は、北海道南部に位置する一級河川沙流川水系額平川の支川、総主別川流域とした。流域面積16.75 km2、主流路延長 7.6 km、平均河床勾配 7.8%の山地小流域である（図－1）。年平均気温は 6.6℃、月平均最低・最高気温はそれぞれ 1 月で-7.2℃及び 8 月で 20.7℃である（アメダス・新和）。年平均降水量は 1179 mm、年平均降雪量は 177 cm、年平均最大積雪深は 48 cm（2004～2017年；アメダス・旭）であり、おおむね 11月～4 月が積雪期である。
流域全体が森林で覆われており、中・上流域は国有林、下流域は民有林となっている。流域の主な地質構成は大きく３つに岩相で区分でき、上流域がペルム紀から後期

MIZUGAKI Shigeru, MURAKAMI Yasuhiro, IWAKURA Keiko-237-

C-3: 付加体堆積岩

A: 堆積岩C-1:付加体玄武岩

写真-1 河床堆積土砂と風化による礫の細粒化（左：C-3 付加体堆積岩、中：A 堆積岩地域、右：C-1 付加体玄武岩地域）

ジュラ紀のリビラ層で輝緑凝灰岩・集塊岩質輝緑凝灰岩・チャート（C-1: 付加体玄武岩（海洋））、中流域が後期白亜紀の函淵層群・蝦夷層群で海成・非海成の砂岩・泥岩互層（A: 堆積岩）、下流域が後期白亜紀から古第三紀のニセウ層群で頁岩・砂岩互層（C-3: 付加体堆積岩）からなっている 5）､6）。上流域 C-1及び中流域 Aにおける河床堆積物には礫が風化により細粒化し、微細土砂が生産・貯留されている様子が見られる（写真－1）。
一方、下流域 C-3 の本川河床堆積物には、支渓流から流出した砂が混在している場合があるが、礫の風化による細粒化はほとんどみられなかった。
(2) 観測・ 分析・解析方法
流砂水文観測定点は総主別川の額平川との合流点より2.3 km 上流、町道総主別 1 号橋に設定した（図-1）。観測定点には、水位計（応用地質 S&DL mini）及び後方散乱式濁度計（JFE アドバンテック Infinity Turbi）を設置し、2010 年 10 月から 2016 年 12 月まで約 6 年間、水位及び濁度を 10～20 分間隔で記録した。また、2011 年～2014 年の融雪出水及び夏・秋期の降雨出水時に流量観測及び表面採水を行った。高水時の流速測定は浮子観測によっており、浮子観測は、原則、左岸・流心・右岸の 3 測線で実施した。
水位-流量（H-Q）曲線を構築することで、流量の連続データを得た。濁度データは、バッテリー切れや土砂による埋積、河床低下に伴う浮き上がりなどによる明らかな異常値・ノイズを除外した後、原因不明のスパイクを除去するために前後 30 分の移動平均値を採用し、毎時データを抽出した。採取した河川水の SS 濃度と濁度との関係式を構築し、SS 濃度に換算した。
2011年～2016年に水位計・濁度計により観測された流量・SS 濃度の時系列データから、明瞭な流量ピークが認められた連続雨量 20 mm以上の降雨出水（以下、イベントと呼ぶ）を解析対象とし、89 イベントを抽出した。
各イベントについて、流量と SS 濃度を両対数軸上でプロットしたダイアグラムにおいて、ヒステリシスの形状を調べた。

(3) 浮遊土砂の生産源推定
浮遊土砂の生産源推定について、Mizugakiら4）が提案した放射性同位体212Pb、228Ac及び40Kを土砂移動トレーサとした生産源推定手法を採用した。総主別川流域内の異なる地質地域（A：堆積岩、C-1：付加体玄武岩ブロック、C-3：付加体堆積岩）を潜在的生産源とし、浮遊土砂に対する寄与率を推定した。総主別川流域の浮遊土砂の生産源を推定するために2010年～2014年の融雪出水時や降雨出水時に表面採水を行い（11イベント、37サンプル）、抽出した浮遊土砂成分の212Pb、228Ac及び40K濃度をガンマ線検出装置により分析した。３つの地質地域（A、C-1、C-3）の浮遊土砂に対する寄与度を推定した。

3. 結果(1) SS濃度ヒステリシスの類型化と出現傾向
2011年～2016年の降雨出水89イベントについてSS濃度の流量に対するヒステリシスループを調べたところ、主に線形タイプ（I）、時計回りタイプ（II）、反時計回りタイプ（III）、線形とループの複合タイプ（IV）の4つのタイプに分類できることがわかった（図－2）。線形タイプ（I）は、増水時と減水時のSS濃度が流量に対してほぼ同じである場合に見られた（図－2a）。時計回りタイプ（II）は、SS濃度のピークが流量ピークよりも早く出現し、SS濃度の低減が流量よりも顕著で、増水時より減水時のSS濃度が低い場合に認められた（図－2b）。
一方、反時計回りタイプ（III）は、SS濃度のピークが流量ピークより遅く出現し、減水時のSS濃度の低下が緩やかで、増水時に比べて減水時のSS濃度が高い場合に認められた（図－2c）。複合タイプ（IV）は、タイプIとタイプIIIの組み合わせで、ある流量まではSS濃度が流量とともに増減し、それ以上の流量ではSS濃度ピークが流量ピークより遅く出現し、反時計回りのループ（タイプIII）を形成していた（図－2d）。
ヒステリシスの出現数をタイプ別に調べたところ、時計回りタイプ（II）が最も多く（40イベント、44.9%）、次いで線形タイプ（I）（27イベント、30.3%）であり、

MIZUGAKI Shigeru, MURAKAMI Yasuhiro, IWAKURA Keiko-238-210000110

SS濃度12/10/2(b)

1000
100

2101

1

0.1

12/10/3

1
流量 [m3/s]

011/5/7102

II 時計回り

10000

(d)

0.1

11/5/8

11/5/8

11/5/9

11/5/90.1

1
流量 [m3/s]

10IV 線形・ループ複合

10000

1000
流量 [m3/s]

101000100

1101012/7/12

10.1
12/7/1312/7/1412/7/150.1

1
流量 [m3/s]

SS濃度 [mg/L]

100

1

SS濃度 [mg/L]

流量 [m3/s]

12/10/1

10000

10.1

012/9/30
2

流量 [m3/s]

100

III 反時計回り

SS濃度 [mg/L]

流量(c)

3

1000
SS濃度 [mg/L]

流量 [m3/s]

4

I 線形

(a)

012/10/29

100.1
12/10/300.1

1
流量 [m3/s]

10

図-2 各ヒステリシスタイプの観測例

ベント期間中の最大流量は、各ヒステリシスタイプでかなりばらつきがあり、概ね時計回り（II）＜複合（IV）＜線形（I）＜反時計回り（III）の順に大きくなることがわかった。すなわち、小規模な出水では時計回りタイプ（II）が卓越すること、中～大規模の出水で線形タイプ（I）や反時計回りタイプ（III）のヒステリシスが出現するようになること、また複合タイプ（IV）のヒステリシスは最大流量の大小にかかわらず出現することがわかった。

IV10.1%

IIII

30.3%

14.6%

II44.9%図-3 ヒステリシスのタイプ別出現割合

I 線形
II 時計

III 反時計
IV 複合
0.1

1
103
最大流量 [m /s]

図-4 ヒステリシスタイプによる最大流量の比較

この２タイプで全体の75%を占めていた（図－3）。反
時計回りタイプ（III）及び複合タイプ（IV）はそれぞれ13イベント（14.6%）及び9イベント（10.1%）で認められた。
出水の規模がヒステリシスタイプに及ぼす影響を調べるため、出水規模の指標として各イベント期間中の最大流量をヒステリシスタイプ間で比較した（図－4）。イ(2) 一連の出水におけるヒステリシスの変化
ヒステリシスのタイプ別出現傾向は出水規模（最大流量）に依存する傾向が認められたが、どのような過程を経てヒステリシスのタイプが変化するかはわかっていない。そこで、2012年の融雪期に観測された一連の３つの出水を事例に、ヒステリシスタイプの時間変化から流域の浮遊土砂動態を検討した（図－5）。
最初の出水（①：4月 3日～9日）は、流域が積雪で覆われているところに 2 日間で 58.5 mm の降雨があり、流量と SS 濃度は急激に上昇し、その後、減水時の SS 濃度は流量ピークから少し遅れて低下している（図－5 上）。
出水①のヒステリシスは反時計回りタイプ（III）であった（図－5 下）。積雪期の降雨では、地表が融雪水によって飽和状態となり表面流が発生したと考えられ、流域全体の斜面から河道へ表面流による微細土砂の供給がもたらされたと考えられる。そのため、増水期は河床に貯留された微細土砂（写真－1）が輸送され、減水期はそれに加えて斜面から河道への微細土砂供給が継続したと考えられる。観測定点からの距離によって浮遊土砂として輸送される時間に差が生じることから、減水期に高濃度の SS 濃度が維持され、反時計回りタイプのヒステリシスが形成されたと考えられる。
次の出水（②：4 月 10 日～25 日）は、4 月 11 日の 22mmの降雨により融雪が進み、流量とSS濃度が上昇した

MIZUGAKI Shigeru, MURAKAMI Yasuhiro, IWAKURA Keiko-239-（図－5上）。流量ピーク後に SS濃度は低減する一方、いる。
引き続く降雨と融雪により流量は下がりきらない状態が継続した。出水②のヒステリシスは時計回りタイプ（II） (3) 浮遊土砂の生産源
2010年～2014年の融雪期及び降雨期の出水時に採取しであった（図－5 下）。出水②の増水時におけるヒステリシスは、出水①の増水期とほぼ同じであることから、た浮遊土砂（37サンプル）について、流域の３つの生産河道内に貯留された微細土砂の輸送による SS 濃度の増源（地質地域）からの寄与度を調べたところ、下流域の加が考えられる。一方、減水期の SS 濃度の急激な低下
付加体堆積岩（C-3）で平均39.2%（浮遊土砂流出量によは、流域内の積雪の減少により斜面からの表面流によるる加重平均35.2%）、中流域の堆積岩（A）で33.8%
微細土砂供給が限定されたこと、輸送可能な河床の微細（32.4%）、上流域の付加体玄武岩ブロック（C-1）で27.0%（32.4%）であった（図－6）。３つの生産源の浮土砂が枯渇したことなどが要因として考えられる。
その後の降雨出水（③：4月 26日～5月 2日）は、4月
遊土砂に対する寄与度は、37サンプルの平均値では有意
26 日～27 日に 45 mm 程度の降雨による流量と SS 濃度のな差が認められたが、浮遊土砂流出量による加重平均で急激な上昇とゆるやかな低減が認められる（図－5 上）。 はいずれも同程度の寄与であった。
出水③のヒステリシスは線形タイプ（I）であり、増水流量と生産源寄与度との関係を調べたところ、AとC1の寄与率は有意な正の相関（A:  = 0.3965、p = 0.0151；期、減水期ともに出水②の減水期と同じ範囲で推移してC-1:r = 0.3731、p = 0.0229）が、C-3は有意な負の相関（いた（図－5 下）。これらのことから、斜面からの表面= -0.6296、p < 0.0001）が認められた（図－7）。C-3の寄流による微細土砂供給が限定的であったこと、SS 濃度が河川流量の増減にともなう河道内の微細土砂の輸送と与度は流量が小さいときは寄与度が60%程度と高く、主堆積に依存していたことが考えられる。
要な生産源となっている。流量が中規模（0.7 m3/s）以上
このように一連の３つの出水における流量とSS濃度
ではC-3の寄与度が激減し、一方AやC-1の寄与度が著しのダイアグラムにおけるヒステリシスのタイプや分布範く増加する場合があり、浮遊土砂の主要な生産源が大き囲から、流域の微細土砂の供給・輸送過程を読み取るこく変化することがわかる。流量が大きい時（4 m3/s以上）とができた。濁度計を用いた流砂水文観測により出水時は、C-3の寄与度は35%前後で一定の傾向を示し、Aの寄のデータを蓄積することで、流量とSS濃度のヒステリ与度が高くC-1の寄与度が低くなるが、流量が10 m3/sをシスを定性的に解析するだけでも、山地小流域の浮遊土記録した時の浮遊土砂については、上流域のC-3の寄与砂流出特性を詳細に把握することが可能なことを示して2012/4/6

2012/4/11 2012/4/16 2012/4/21 2012/4/26

6040

積雪日降水量80
1000.6

比流量SS①0.4

200
3000
2500
2000

②0.3

③

1500

0.2

1000

0.1

50002012/4/1

図-6 浮遊土砂に対する各生産源の寄与度（n=37）

A
C-1
C-302012/4/6

2012/4/11 2012/4/16 2012/4/21 2012/4/26

2012/5/1

10000

SS [mg/L]②①4/1-4/9

生産源寄与度①1000

C-1

生産源寄与度8040

積雪深 (cm)

200.5

A

10060

比流量 [m3/s/km2]

C-3

2012/5/1

SS [mg/L]

日降水量 (mm)2012/4/1
0③③4/26-5/2

100②4/10-4/25

1010.010.1

1

比流量 [m3/s/km2]

流量 [m3/s]

図-5 2012 年融雪期における流量・SS 濃度の時系列変化（上）とヒステリシス（下）図-7 各生産源の寄与度と流量との関係

MIZUGAKI Shigeru, MURAKAMI Yasuhiro, IWAKURA Keiko-240-度が高く、中流域のAの寄与度がやや低い。全体的に、流量が小さいときは各生産源の寄与度にばらつきがあり、流量が大きくなるにつれていずれの寄与度も30～40%程度に収束するように見える。これらのことから、流量が小さいときは観測定点近傍の下流域で浮遊土砂が供給され、流量が大きいほど流域全体から供給された浮遊土砂が流出したと考えられる。
4. 考察・まとめ
流量とSS濃度のヒステリシスのタイプ別出現傾向と放射性同位体トレーサによる浮遊土砂の生産源推定の結果から、出水規模によって浮遊土砂の供給源が変化することが示された。
小規模出水時に卓越する時計回りタイプ（II）のヒステリシスは、観測点近傍の河床堆積物が増水初期に寄与する場合や、増水期に河床堆積物中の微細土砂が枯渇することが要因として考えられ、風化による細粒化が少なく、下流域に位置するC-3地域の寄与度が高いことと一致する。一方、大規模な出水時に出現する反時計回りタイプ（III）は、その形成要因のひとつとして、流域内の広範囲からの土砂供給により流量ピークよりもSS濃度ピークが遅れて出現することがあげられている。このことは、トレーサ手法で中・上流域に位置するA地域やC1地域の寄与度が流量に対して増加傾向を示したことからも支持される。中規模の出水時に見られる線形タイプ（I）のヒステリシスは、河床堆積物中に微細土砂が豊富に存在し、流量見合いでSS濃度が増減する場合に形成される場合に生じることがあるが、トレーサ手法ではA地域やC-1地域の寄与度が高い場合が多く確認されていることと整合的であった。これらのことから、河床や渓岸の礫の風化により生産された微細土砂が河床堆積物中に貯留されていることに起因すると考えられ、河床堆積物の風化による微細土砂生産と貯留機能が流域の浮遊土砂流出特性に大きく影響を及ぼすことを示している。
本研究では、濁度計を用いた流砂水文観測とトレーサ手法を併用することで、山地流域における河床堆積物の微細土砂生産・貯留・流出機構を反映した浮遊土砂流出過程を把握できる可能性を示した。このような流域における河床の土砂貯留機能は既往研究において認識されており、流域面積や地質による地形的特徴の違いが影響している可能性がある7）、8）。しかし、流域スケールの土砂流出モデルでは浮遊土砂を主に構成するウォッシュロード（微細土砂）は河床にはほとんど存在しないものとされ、河床堆積物が供給源とされることは想定されておらず、現象が反映されていない場合が多い9）、10）。流砂系の総合土砂管理において実態把握が困難な山地流域の土砂動態について、本研究で示した濁度計観測とトレーサ手法による定量的な現象の把握・評価をすすめることで、現象のモデル化と流域スケールにおける浮遊土砂流出量の予測精度向上に寄与することが期待される。
謝辞： 現地調査にあたり平取町及び林野庁北海道森林管理局日高北部森林管理署には、観測機器設置の許可等、現地観測・調査においてご支援・ご協力いただきました。
ここに記して謝意を表します。

引用文献
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2)

Williams G.P.: Sediment concentration versus water discharge during
single hydrologic events in rivers, Journal of Hydrology, No. 111, pp. 89106, 19893)

水垣滋, 古市剛久：複合トレーサによる土砂の生産源推定,
砂防学会誌, Vol. 74 (5), pp. 48-54, 2022.

4)

Mizugaki, S., Abe, T., Murakami, Y., Maruyama, M. and Kubo, M.:
Fingerprinting Suspended Sediment Sources in the Nukabira River,Northern Japan. International Journal of Erosion Control Engineering Vol.
5, pp. 60-69, 2012.

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6)

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究所地質調査総合センター, 2015.

7)浅野 友子, 内田 太郎, 勝山 正則, 平岡 真合乃, 水垣 滋, 五味高志, 丹羽 諭, 横尾 善之: 山地流域の水・土砂流出における空間スケールの影響（2）：集中的な観測が行われた流域の事例, 水文・水資源学会誌, No. 31, pp. 232-244, 2018.

8)

村上泰啓, 水垣 滋: 山地渓流における水系網の地質別の特徴, 第5回土砂災害に関するシンポジウム論文集, No., pp.
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9)横尾 善之, 丹羽 諭, 内田 太郎, 平岡 真合乃, 勝山 正則, 五味高志, 水垣 滋, 浅野 友子: 山地流域の水・土砂流出における空間スケールの影響（3）：数値解析モデル上の取り扱い
事例, 水文・水資源学会誌, No. 31, pp. 245-261, 2018.

10) 内田 太郎, 浅野 友子, 平岡 真合乃, 横尾 善之, 五味 高志, 水垣MIZUGAKI Shigeru, MURAKAMI Yasuhiro, IWAKURA Keiko-241-滋, 丹羽 諭, 勝山 正則: 山地流域の水・土砂流出における空間スケールの影響（4）：水・土砂流出予測精度向上に向けた提案, 水文・水資源学会誌, No. 34, pp. 192-204, 2021.

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