技術資料

流量とSS濃度のヒステリシスからみた山地流域の浮遊土砂流出特性
水垣

１．はじめに滋

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

山地から下流河川・海岸・沿岸への土砂動態におい月～4月が積雪期となっている。沙流川流域では2003て、山地領域は主要な土砂生産（供給）源であり、山年8月に観測史上最大の豪雨に見舞われ、流域のいた地流域からの浮遊土砂流出特性を把握することは、流るところで崩壊・地すべりが多発した7）。総主別川流

砂系の総合的な土砂管理において基礎的かつ重要な課

域は8月8～10日の3日間で総降水量389 mm、最大日雨題である。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ことが多いが、山地小流域ではSS濃度と流量との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）、2）、3）。
またSS濃度は降雨特性や季節によって変化することから4）、流域の浮遊土砂流出特性は出水ごとに異なる可能性がある。したがって、１～数出水程度の観測結果だけから流域の浮遊土砂流出特性を把握することは困難であり、年間を通じて長期的かつ高い時間分解能でSS濃度を計測する必要がある。本研究の目的は、積雪寒冷地域における山地流域の浮遊土砂流出特性を把握するために、濁度計を用いた流砂水文観測の有効性を示すことである。
２．方法
２．１

研究対象流域

研究対象流域は、沙流川水系額平川の支川、総主別

図－1

川流域とした。流域面積は16.75 km2、主流路長は7.6

研究対象流域km、平均河床勾配7.8%の山地小流域である（図－1）。
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つに区分でき、上流域がペルム紀から後期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）。
総主別川流域周辺の年平均気温は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、
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写真－1

渓流に堆積した土砂（C-1付加体玄武岩地域）
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写真－2

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）

量355 mm（アメダス・旭）と、最も降水量の多い地域に位置しており、崩壊箇所数は460箇所、崩壊地面積率は2.15%と、ともに出水イベント前の約6倍に急増した8）。崩壊土砂の多くが渓床に残存しており（写真－1）、地質によっては礫の風化により細粒化し、微細土砂を生産していることが確認されている9）、10）、11）（写真－2）。
２．２

観測・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）。

図－2

観測定点に水位計（応用地質 S&DL mini）及び後方濁度とSS濃度の関係

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。平水時及び３．結果

出水時に流量測定を行い、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。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。

３．１

濁度とSS濃度濁度からSS濃度に換算するため、河川水のSS濃度と、採水と同時刻の濁度との関係を調べた（図－2）。

濁度データは、バッテリー切れや土砂による埋積、SS濃度は10～10,000 mg/Lのオーダーで濁度と高い相河床低下に伴う浮き上がりなどによる明らかな異常関がみられ、べき乗式で回帰すると極めて高い決定係値・ノイズを除外した後、原因不明のスパイクを除去数が得られた。濁度が100度以下ではSS濃度が濁度にするために前後30分の移動平均値を採用し、毎時デー対して低くなる傾向がみられたが、高い濁度の範囲でタを抽出した。濁度（カオリン）からSS濃度（mg/L）

はほぼ1:1のライン上にプロットされた（図－2）。後を推定するため、採取した河川水のSS濃度と濁度と方散乱式の濁度計は濁質の粒径が大きいほど散乱強度の関係式を構築した。

が小さくなり濁度の応答が低下することから12）、流況

2011年～2016年に水位計・濁度計により観測されたによって濁質の粒径が変化している可能性がある。ま

流量・SS濃度の時系列データから、明瞭な流量ピーク

た同一の濁度であっても、濁質成分の比重によってが認められた連続雨量20 mm以上の降雨出水（以下、SS濃度が異なる。森林で覆われた流域では、流量がイベントと呼ぶ）を解析対象とし、89イベントを抽出小さいときに濁質成分の有機物含量が比較的高い場合した。各イベントについて、流量に対するSS濃度をがあり、濁度に対するSS濃度の低下に影響したかも両対数軸上でプロットしたダイアグラムにおいてヒスしれない。以上、濁度計による濁度値による回帰式にテリシスの形状を調べた。

より、SS濃度を幅広い濁度範囲で精度よく推定できることが示された。

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10000

100

110

SS濃度
012/9/30

12/10/2(b)12/10/30.1

1
流量 [m3/s]

100.1

10.1

0
11/5/7

11/5/8(d)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

12/7/13

12/7/14

12/7/150.1

1
流量 [m3/s]図－3

図－4100.1

流量 [m3/s]

1000

SS濃度 [mg/L]

10

SS濃度 [mg/L]

100

1３．２

100
1010000

1012/7/12

1000

22

II 時計回り

10000

1

1

流量 [m3/s]

212/10/1

III 反時計回り

SS濃度 [mg/L]

流量(c)

31000
SS濃度 [mg/L]

流量 [m3/s]

4

I 線形(a)

流量 [m3/s]

2

100

110
1

012/10/2912/10/30

0.1

1
流量 [m3/s]

0.1

10

流量とSS濃度のヒステリシスの観測例

ヒステリシスのタイプ別出現割合

SS濃度と流量のヒステリシス

2011年～2016年に観測された89イベントの流量とSS濃度のヒステリシス形状は、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。ヒステリシスの各タイプの典型的な観測例を図－3に示した。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－3a）。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

図－5

年・季節別のヒステリシスのタイプ別出現頻度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－3b）。一方、反
時計回りタイプ（III）は、SS濃度のピークが流量ピが流量とともに増減し、それ以上の流量ではSS濃度ークより遅く出現し、減水時のSS濃度の低下が緩やピークが流量ピークより遅く出現し、反時計回りのルかで、増水時に比べて減水時のSS濃度が高い場合にープ（タイプIII）を形成していた（図－3d）。

認められた（図－3c）。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20

寒地土木研究所月報№8412023年３月表⾯流（III）（II）
冠⽔頻度 中程度
微細⼟砂の蓄積 多い（I）

冠⽔頻度 低い
微細⼟砂の蓄積 豊富

冠⽔頻度 ⾼い
微細⼟砂の蓄積 少ない

図－7
図－6

３．３

ヒステリシスタイプによる流量、雨量の比較

 水規模と主なヒステリシスタイプ、河道の冠水頻
出度、河床堆積物中の微細土砂蓄積量の概念図
ローマ数字は、出水規模（水位）に応じて出現する主なヒステリシスタイプを示す。

ヒステリシスの出現傾向

ヒステリシスの出現数をタイプ別に調べたとこ

４．考察

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%）

４．１

ヒステリシスのタイプと形成原因であり、この２タイプで全体の75%を占めていた（図総主別川で観測された89イベントの流量とSS濃度－4）。反時計回りタイプ（III）及び複合タイプ（IV）の関係は、出水規模に応じて異なるタイプのヒステリはそれぞれ13イベント（14.6%）及び9イベント（10.1%）

シスを示すことがわかった。また濁度計で観測されるで認められた。

浮遊土砂は主に粒径0.1 mm未満の微細土砂で構成さこれらの内訳を観測された年と季節（融雪出水期、れ、流砂形態による分類ではウォッシュロードに相当降雨出水期）で区別して調べたところ、2011年以外はする。一般に、ウォッシュロードは河床材料に含まれ降雨期の観測イベント数が融雪期より多く、降雨期でない微細粒子と定義されており たとえば13）、流量とSS濃は時計回りタイプ、線形タイプのヒステリシスが多く度のヒステリシスの形状は、斜面・渓岸から河道への見られた（図－5）。年によってはすべてのタイプのヒ土砂供給条件と河道内の土砂輸送条件に依存すると考ステリシスがみられない場合もあり、たとえば2013年えられる。しかし、総主別川流域の中・上流域では、は反時計回りタイプは融雪期・降雨期ともに見られ河床堆積物の風化による細粒化が顕著であり（写真－ず、2015年の降雨期は線形タイプ及び複合タイプが見2）、下流域の河床堆積物にも中・上流域由来の礫の細られないなど、ヒステリシスタイプの出現傾向も年や粒化が見られることから、河床堆積物が微細土砂の供季節によってばらつきがあることがわかった。これら給源として寄与している可能性が考えられる。のことは、降雨や融雪、流量といった出水ごとに異な流量とSS濃度のヒステリシスの観測事例についてる外力によって流域の浮遊土砂生産・流出特性が変化は数多くの既往研究があり、Williams2)はヒステリシしていることを示唆しており、現象の複雑さを示してスの類型化と形成原因を概念的に説明している。こいる。

こでは、総主別川で観測されたヒステリシスが出水流量や降雨がヒステリシスタイプに及ぼす影響を調規模に応じて異なるタイプが出現した要因について、べるため、イベント期間中の最大流量及び総雨量をヒWilliams2)による概念的な説明と現地状況を踏まえてステリシスタイプ間で比較した（図－6）。その結果、考察を試みる。

最大流量及び総雨量いずれも、各ヒステリシスタイプ

一般に、降雨出水の規模が大きいほど生起確率は低でかなりばらつきがあるが、概ね時計回り（II）＜複

く、河床の冠水頻度は澪筋からの比高が高いほど低く合（IV）・線形（I）＜反時計回り（III）の順に大きなる。したがって、河床堆積物の風化による細粒化でくなることがわかった。すなわち、小規模な出水で生産された微細土砂は、澪筋からの比高が高く冠水頻は時計回りタイプ（II）が卓越すること、大規模の出度が低いほど河道内に多く蓄積されると考えられる水で反時計回りタイプ（III）のヒステリシスが出現（図－7）。一方、比高の低い河床堆積物は、高頻度でするようになることがわかった。また線形タイプ（I）

生じる小規模な出水でも容易に冠水して流水で洗われは中規模程度の出水で出現し、複合タイプ（IV）のるため、微細土砂の蓄積量は比較的少なくなると考え

ヒステリシスは最大流量の大小にかかわらず出現するられる。

ことがわかった。
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時計回りタイプ（II）のヒステリシスは、主に河床2023年３月

21堆積物中の利用可能な土砂が流量ピーク前に枯渇する時のSS濃度は流量ピークから少し遅れて低下していことが要因とされている 。総主別川では小規模出水る（図－8上）。出水①のヒステリシスは反時計回りタ時に卓越して出現したが、冠水する高さにある河床堆イプ（III）であった（図－8下）。積雪期の降雨では、積物中の微細土砂の蓄積量が少なく（図－7）、増水過地表が融雪水によって飽和状態となり表面流が発生し程で全て流出し、減水過程で枯渇したものと考えられたと考えられ、流域全体の斜面から河道へ表面流による。

る微細土砂の供給がもたらされたと考えられる。その2)

線形タイプ（I）は、出水期間中を通して土砂供給ため、減水期にも斜面から河道への微細土砂供給が継が途切れず、流量とSS濃度のピークのタイミングが続し、観測地点からの距離によって浮遊土砂として輸一致し、SS濃度が流量変動に直接的に同期している送される時間に差が生じることから、減水期に高濃度場合に生じるとされる2）。総主別川では中規模出水時のSS濃度が維持され、反時計回りタイプのヒステリに多く出現したが、やや比高の高い河道の河床堆積物シスが形成されたと考えられる。には微細土砂が比較的多く蓄積されており（図－7）、次の出水（②：4月10日～25日）では、4月11日の22

出水中に枯渇することなく減水時でも微細土砂の供給mmの降雨により融雪が進み、流量とSS濃度が上昇しが維持されたものと推察される。

た（図－8上）。流量ピーク後にSS濃度は低減する一

反時計回りタイプ（III）は、流域内のより広い範方、引き続く降雨と融雪により流量は下がりきらない囲が土砂供給源となることで、洪水波と土砂の伝搬・状態が継続した。出水②のヒステリシスは時計回りタ

輸送速度の違いにより流量ピークに対してSS濃度ピイプ（II）であった（図－8下）。出水②の増水時におークが遅れて出現することや、侵食されやすい斜面やけるヒステリシスは、出水①の増水期とほぼ同じであ渓岸からの土砂供給が継続することで減水期にも高いることから、河道内に貯留された微細土砂の輸送によSS濃度が維持されること等が、形成要因として考えるSS濃度の増加が考えられる。一方、減水期のSS濃られる 。総主別川では大規模出水時に出現したが、度の急激な低下は、流域内の積雪の減少により斜面かより比高の高い河道の河床堆積物中に蓄積された豊富らの表面流による微細土砂供給が限定されたこと、輸2）な微細土砂に加え、流域のより広範囲の斜面での表面流が流出に寄与したと考えられるたとえば14）（図－7）。表面流による河道への微細土砂の供給により、減水過程における高濃度のSS濃度が継続されるとともに、SS濃度ピークの遅れが生じた可能性がある。
線形とループの複合タイプ（IV）は、タイプIとタイプIIまたはタイプIIIとの組み合わせであり、形成原因もそれらと類似したものとされる2）。総主別川でも同様の組合せによる形成原因が考えられるが、出水規模によって傾向が異なるかどうかは、詳細な検討が必要である。
４．２

一連の出水におけるヒステリシスの変化

これまでヒステリシスのタイプ別出現傾向から出水規模による流域の浮遊土砂供給・流出過程の違いについて考察したが、どのような過程を経てヒステリシス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－8）。
最初の出水（①：4月3日～9日）では、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
22

図－8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）寒地土木研究所月報№841

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送可能な微細土砂が枯渇したことなどが要因として考謝辞：本研究を進めるにあたり、平取町及び林野庁北えられる。

海道森林管理局日高北部森林管理署には、観測機器設

その後の降雨出水（③：4月26日～5月2日）では、4月26日～27日に45 mm程度の降雨による流量とSS濃度置の許可等、現地観測・調査においてご支援・ご協力いただいた。ここに記して深く謝意を表す。の急激な上昇とゆるやかな低減が認められる（図－8上）。出水③のヒステリシスは線形タイプ（I）であり、参考文献

増水期、減水期ともに出水②の減水期と同じ範囲で推移していた（図－8下）。これらのことから、斜面から

1） 倉茂好匡: 浮流土砂の測定および解析方法,（編：の表面流による微細土砂供給が限定的であったこと、

恩田裕一, 奥西一夫, 飯田智之, 辻村真貴）, 水文

SS濃度が河川流量の増減にともなう河道内の微細土

地形学 －山地の水循環と地形変化の相互作用－,砂の輸送と堆積に依存していたことが考えられる。

古今書院, 東京, pp. 132-142, 1996.

このように3つの一連の出水における流量とSS濃度

2） Williams G.P.: Sediment concentration versusのヒステリシスのタイプや分布範囲から、流域の微細water discharge during single hydrologic events

土砂の供給・輸送過程を読み取ることができた。濁度in rivers, Journal of Hydrology, No. 111, pp. 89-計を用いた流砂水文観測により出水時のデータを蓄積

106, 1989.

することで、流量とSS濃度のヒステリシスを定性的

3） Sadeghi S. H. R., Mizuyama T., Miyata S., Gomiに解析するだけでも、これまで未解明であった山地小T., Kosugi K., Fukushima T., Mizugaki S., Onda

流域の浮遊土砂流出特性を詳細に把握することが可能

Y.: Determinant factors of sediment graphs andとなることを示している。

rating loops in a reforested watershed, Journalof Hydrology, No. 356, pp. 271-282, 2008.
4） Abe T., Mizugaki S., Toyabe T., Maruyama M.,

５．おわりにMurakami Y., Ishiya T.: High range turbidity
本研究では、沙流川水系総主別川流域において濁度

monitoring in the mu and saru river basins: All-計を用いた流砂水文観測により流量とSS濃度の時系

year monitoring of hydrology and sediment

列データを蓄積し、積雪期を含む89の降雨出水イベン

transport in 2010, International Journal of

トについて、流量とSS濃度のヒステリシスを解析しErosion Control Engineering, No. 5, pp. 70-79,た。その結果、4つのヒステリシスタイプが認められ、2012.

出水時の最大流量によって出現するヒステリシスタイ

5） 吉田尙, 松野久也, 佐藤博之, 山口昇一: 5万分のプが異なることがわかった。とくに、上・中流域に分1地質図幅説明書「比宇」, 北海道開発庁, p. 47,

布する地質特性により、河床礫が風化により細粒化し1959.て微細土砂を生産しており、これらが総主別川におけ

6） 産業技術総合研究所地質調査総合センター（編）るヒステリシスの規定要因として影響すること、ひい: 20万分の1日本シームレス地質図 2015年5月29ては河床堆積物が主要な浮遊土砂供給源として寄与し日版, 産業技術総合研究所地質調査総合センター,ていることが示唆された。

2015.

本研究では、山地流域において濁度計観測により、

7） 村上泰啓, 中津川誠: 第3章 斜面崩壊・土砂生産・SS濃度の高精度な推定が可能であること、SS濃度の流木発生, 土木学会水工学委員会（編）平成15年

時系列データを蓄積できることを示した。これにより

台風10号北海道豪雨災害調査団報告書, pp. 46-56,複数の出水イベントを対象としたヒステリシス解析が2004.

可能となり、流域の浮遊土砂流出特性を明らかにする

8） 村上泰啓, 山下彰司: 山地流域における地質成因ことができた。ヒステリシス解析のみでは流域内の地に着目した土砂生産と河道堆積土砂の移動実態に質による土砂供給源の寄与の違いについては解明でき

ついて, 水工学論文集 Vol. 51, pp. 919-924, 2007.

ないため、放射性同位体トレーサを用いた土砂生産源

9） 村上泰啓, 鈴木雄介, 池島剛: 航空レーザー測量結推定手法を活用するなど、詳細な浮遊土砂供給・

15）、16)流出実態解明手法の開発が期待される。

果を用いた沙流川流域の微地形判読と基盤岩の土砂生産特性について, 河川技術論文集, Vol. 14, pp.
127-132, 2008.

寒地土木研究所月報№841

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2310）水垣滋, 谷瀬敦, 平井康幸: 岩石の暴露試験による積雪寒冷地域の微細土砂生成速度, 寒地土木研究所月報, No. 750, pp. 2-13, 2015.

experimental watershed, 日本林学会誌, Vol. 45,
pp. 186-190, 1963.
15）Mizugaki S, Abe T, Murakami Y, Maruyama

11）水垣滋: 沙流川水系総主別川流域における流砂・M, Kubo M: Fingerprinting suspended sediment

水文観測, 砂防学会誌, No. 71, pp. 53-57, 2018.

sources in the Nukabira River, northern

12）横山勝英: 濁度計の粒径依存特性と現地使用方法

Japan. International Journal of Erosion Controlに関する考察, 土木学会論文集, No. 698, pp. 93-98,
2002.

Engineering, Vol. 5, No.1, pp. 60-69, 2012.
16）水垣滋，村上泰啓，巖倉啓子: 土砂移動トレーサ

13）土木学会水工学委員会・水理公式集編集小委員会を用いた新たな土砂動態モニタリング技術の開発, 令和4年度国土技術研究会発表課題論文集, 一（編）: 水理公式集［2018年版］,p. 281.
14）T s u k a m o t o Y : S t o r m d i s c h a r g e f r o m a n

般部門

安全・安心Ⅱ, pp. 24-29, 2022.

水垣 滋
MIZUGAKI Shigeru
寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
主任研究員
博士（農学）

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