技術資料

汽水域における曳航式鉛直多層流速分布観測
杉原幸樹

１．はじめに
河川汽水域は淡水と海水の接触、混合する区域である。陸と海の接点に位置するため生物生息環境として重要であるが、淡水と海水の絶妙なバランスのうえに現状環境が存続している区域でもある。
一方で河口から下流区間は船運や市街化、下流域土壌を利用した農地など、人為活動により流域の土地利用圧力の高い区間でもある。人為活動では主に淡水需要が高いため、淡水を確保出来るような河川改修が行われてきた。その影響として、水質障害、生物の減少、干潟の消失、汽水域の縮小など環境影響が顕在化した。平成10年頃から国民の環境への関心が高まり、河川管理においても環境整備と保全を重視1）する取り組みが進められている。
図－1 弱混合型と水質挙動（参考文献1）より抜粋）

河川汽水域は海水が河川に遡上しながら、淡水と混合することで形成される。地形や潮位、淡水流量など様々な因子によって塩淡混合の状態が変化する。このなかで淡水と海水が混合しづらく、塩水が楔状で遡上1）る。通常、河川流量は計測しやすい水位により換算でする弱混合型 と呼称される、鉛直方向に淡水と塩水きるよう整備されている。しかし、汽水域においてはが明確に分離して2層流を形成する遡上状態がある

上層の淡水と下層の塩水で進行方向が異なるために流（図－1参照）。このとき淡水が水面側となり、鉛直量を換算できない区間でもある。そこで、本稿は流速混合しないために下層の塩水は貧酸素化し、様々な水分布観測を実施して塩水遡上の状況を確認しつつ、塩質障害を引き起こす原因にもなりうる。また塩淡境界

水遡上量を算出する方法を例示する。

標高は利水のための取水位置の判断に極めて重要な要素となる。これら弱混合型は河口が日本海に接続する２．調査位置

河川に多く見られる。北海道においては、天塩川、石狩川、尻別川などが該当し、恒常的に弱混合型塩水遡観測機器の性能と安定した操船のため恒常的に弱混上である。太平洋側に河口がある場合は完全に混合し合遡上が発生し、最大水深が10m前後で、川幅が300て遡上する強混合型の塩水遡上が多いが、気象条件次～400mの河川を選定し、天塩川を調査対象とした。

第では弱混合型で塩水遡上する。

図－2に調査位置図を示す。天塩川下流区間は低水

塩分状況は利水面と環境面では、完全に相反する需路が標高0m以下であり、弱混合の塩水遡上が常時発要となる。つまり上水、工業用水、農業用水では淡水生している。淡水流量にもよるが、最大で河口から20が要求されるが、漁業や環境保全においては塩水が要km上流まで塩水遡上が観測される河川である。河口求される。河川管理者は、これら相反する需要に対しから6.8km上流（KP6.8と標記する）からKP9.0までのて適切な対応を要求されることになる。管理方針を決

4側線において流速分布観測を行った。

めるためにも物理的な指標は必須であり、弱混合型河川においては塩淡境界標高や流量は重要な指標とな18

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３．観測方法流速分布は超音波流速計（ADCP；Sontek製 M9）を用い浮体に固定（写真－1参照）して、動力船による曳航で測線下の鉛直分布を連続的に測定する。得られるデータは位置情報、流速、方位、反射強度であKP9.0
KP8.2る。また測線上の任意点において投げ込み式水温塩分計（CT；Sontek製 CastAway）を用いて、水温と塩N分の鉛直分布を測定した。

KP7.4
KP6.8

ADCPの測定原理は割愛する2）が、音波のドップラー効果を利用した測定方法である。使用する音波の周波数によって到達深や干渉層厚が決まる。例えば1200kHzの音波を使用すると、到達深20m、層厚30cmとな2 kmり、水深20mまで観測でき、30cmピッチの多層データが取得できることになる。通常は音波発生器が1種

図－2 調査位置図（国土地理院地図に加筆）類の場合が多く、その周波数による到達深や層厚が測定対象に合致するよう選択する必要がある。さらに測定原理上、音波発生器から一定距離は観測出来ないブ
ランク距離が存在し、1200kHzの場合は約50cmである。つまり水深が50cm以上なければ、測定してもデーGPS
ὶ㏿ィ

タを取得できないことになる。さらに河床付近は音波の反射が極端に変化するために同様に観測不能となる場合がある。また、複数の音波発生器を有するADCPもあり、層数が不足する場合や、観測できない水深帯

ᾋయをおぎなうように設計されている測定器もある。本稿で使用したADCPは複数波長の可変型であるため、極端な地形変化に対応して水深0.2～80mまでの連続観写真－1

観測装置全景写真－2

曳航観測状況

測が可能なものである。
観測は写真－2に示すように、調査船によってADCPを装着した浮体を曳航して行う。SN比を最大にするには流速の2倍以内の移動速度が理想とされる。例えば流速が10cm/sであれば船の移動速度は20cm/s以下が理想であるが、自流や風が発生している実河川で低速で決まった測線を移動するのはほぼ不可能である。
そこで間縄等を設置して、測線を固定化する方法があるが、船舶航行がある場合には、通行のたびに間縄をはずす必要がある。そのため、SN比は低下するが50cm/sほどの移動速度で複数回観測を実施して平均化する方法を採用している。
４．観測結果2018年6月19日における観測例を以下にまとめる。

が確認できる。水面付近のブランクは音波の周波数に

図－3はKP6.8における観測流速の分布を示してお依存しており、低周波数ほど深いところまで観測できり、水深が0.5～6mまで連続的に計測できていること

るが、ブランクが大きくなる測定特性によるものであ

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る。分布図の距離150m付近の急激な水深変化に対応



た測定機器を使用する利点でもある。一定波長のみの場合は水深3mより浅いところのみを測定するか、水深1mより深いところのみを測定するかといった選択を行うことになる。つまり図－3に示すような、最深部のỈ῝㸦P㸧

してブランク厚さが変化しており、複数波長を搭載し水深が3m以上あり、低水路内が複断面形状のうえ浅水部が1m以下である場合には断面内を連続的に計測⤯ᑐὶ㏿ PVすることができない。しかし、塩水遡上は数十分で変

化する現象であり、迅速な測定が必要であるため、本稿で選択した観測機器のように、測定対象や目的にあ




ᕥᓊ࠿ࡽࡢ㊥㞳㸦P㸧

図－3

絶対流速の分布 


わせて観測機器を選定することが重要である。
Ỉ

図－3の結果から断面内の流速分布は距離180～320mの水深0～2mの範囲で絶対流速が0.4m/sほどで一様

このときの流心における水温と塩分の鉛直分布を図Ỉ῝ Pとなっていた。この段階での流速はスカラー値である。

水深2.8m付近に明瞭な塩淡躍層が存在し、底層の塩確認された。図－3の流速分布から表層の流速が区分

ることが確認された。
次に観測された観測値に方位情報を加味して、ベク



分から海水が希釈されることなく遡上していることがされる水深は塩淡境界に一致しないが、淡水流速であሷศ

に分布、水深2～6mで0.2m/s、浅水部で0.1m/sの分布－4に示す。図より塩分15を塩淡境界と設定すると、



Υ


図－4

水温と塩分の鉛直分布トル値として整理する。図－5に示すように観測測線の法線は真北に対して30°ほど傾いている。データを簡素化するために法線方向の流速として整理すること┿໭᪉ྥとし、観測データを30°回転させた。このとき上流向きを正値、つまり遡上流速を正値として整理した。
図－6にベクトル変換した流速分布を示す。流速分ἲ⥺᪉ྥ

布は距離180～320mの水深0～2mの範囲で－0.4m/sほほどで分布し、下流に向かって流れていることがわか⥺る。水深2～3mの塩淡躍層においては－0.2m/sほどの流下する流速が観測され、境界面で海水を混合しながら流下させていることが観測された。このとき浅水部の岸際では遡上する流速が観測されており、主流の剥離によるものと思われるが、浅水部の流心側は流下する流れが見られている。一方で水深3m以下では0.2m/s程度の遡上する流れが観測されている。このこと

図－5 方位概略図（国土地理院地図に加筆）

から塩分分布結果（図－4参照）の塩淡境界標高で淡水と塩水で進行方向が180°変わることが明瞭であ3線までの区間に支川が1箇所合流しているが、観測時る。観測時の淡水流量（円山観測所）は138m /sであが低水であることから、本川から支川に逆流する水理り、低水流量に相当する。図－6より水深2.8m以浅の構造であることを考慮すると、淡水流量は円山観測所

淡水相当部分の流量を断面積と流速から積算すると、流量がほぼ保存され、ADCPによる淡水流量の測定が3136m /sであった。天塩川では円山観測所から観測測
20

正しいことが確認された。また塩水流量は底層ブラン
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クについて、流速が直上層同一と仮定して積算すると

92m3/sとなった。複数回実施した観測結果を表－1にが実施出来ていることを確認した。この結果から、流下する淡水と同程度の塩水が遡上して河道内の水構造を形成していることがわかった。またこれらは水面のỈ῝㸦P㸧

まとめるが、誤差2.6％以内であり、高い精度で観測

みの情報では測定ができない現象でもある。つまり塩水が淡水の下層に貫入するため、一般的な水位と流量ୖὶྥࡁὶ㏿ PV

の相関性が成り立たず、水塊の内部構造を把握したう  

えで流下量と遡上量を計測する必要がある。そのた





め、ADCPのような内部の流速分布を把握できる測定

図－6

法でなくては、感潮域の流量を正しく計測できないことがわかる。ている。HQ式は流下流速を対象として立式されるた1Rฑ‫ۋ‬‫ˍ ࠫޣ‬

することが可能である。しかし、本稿の観測測線では遡上流速が発生し、HQ式が立式できない区間であれ、淡水の下層に塩水が独立遡上して、河川水位が潮Ԛਭླྀྖ PV

度が高く、地表の水位を観測することで流水量に変換

本観測結果から、淡水量は維持されることが確認さ



流量算出値

୸ਭླྀྖ PV

め、純淡水域では全層流下となるために、HQ式の精る。

 



上流向き流速分布図

表－1

通常、河川流量は任意断面に対して水位と流量の関係式であるHQ式を立式して流量把握の効率化を行っᕥᓊ࠿ࡽࡢ㊥㞳㸦P㸧

位と等しくなる範囲で流速が変化していることが確認
他測線の観測結果をあわせ、塩淡境界水深と塩水流で減少していた。この差は5％相当であり、観測誤差の2.6％よりも大きいため、有意な観測差といえる。これ
らから塩水は塩淡境界で削られながら遡上していると推察される。他時期による観測結果を加味すると淡水流量が110m3/s以上で塩水遡上量の縦断方向の塩水流ሷῐቃ⏺Ỉ῝ Pしていた。このときの塩水流量は92m3/sから87m3/sま





るKP11.4の塩淡水深を参考として加えている。塩淡境ていた。約3km遡上する間に50cmほど境界水深が増量の縦断変化を図－7にまとめる。なお、支川が合流す
界水深は上流に向かい増加、つまり塩水層が薄くなっἙཱྀ࠿ࡽࡢ㊥㞳 NP






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


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ሷỈὶ㔞 PVされた。

Ỉ῝ὶ㔞

図－7量の減少が顕著になっていた。つまり淡水流量が110

塩淡境界と塩水流量の縦断変化（2018年6月19日）

m 3/s以下で塩水遡上が促進され、淡水流量が多くなるほど塩水が流下流出されやすくなることが明らかとなった。また渇水流量である80m3/sでも塩淡境界は水５．まとめ

深1mほどであり、全層塩水になる挙動は確認出来なかった。

河川河口域において、楔状で塩水遡上するときの河川流量を精度よく観測する手法を例示した。音波波長可変型の超音波流速計を用いて淡水と塩水を区別して、各流量を連続的に精度よく測定することができ

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た。支川合流がない区間では淡水流量が維持されて流参考文献下していることが確認された。淡水流量の増加で塩水遡上量が減少し、相反する関係であることが確認さ

1） 国土交通省河川局

汽水域の河川環境の捉え方にれ。今後は断面形状による影響を調査・検討する予定

関する検討会：汽水域の河川環境の捉え方に関すである。

る手引書－汽水域における人為的改変による物理・化学的変化の調査・分析手法－、2004．
2） 土木研究所

水文チーム：流量観測の高度化マニ

ュアル（高水流量観測編）、2016．

杉原 幸樹
SUGIHARA Koki
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
（工学）

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