解 説

寒地河川チームが取り組む研究課題
寒地河川チーム

１．はじめに土木研究所では令和4年度から第5期中長期計画期間に入り、寒地河川チームでも新たな研究課題に取り組んでいます。当チームでは従来より、国土交通省北海道開発局（以下、開発局）をはじめとした河川行政の課題を解決する技術開発に取り組んでおり、本稿ではその取組状況を報告します。
２．堤防など構造物の被災に関する研究

図－2

千代田実験水路における越水破堤実験の状況

近年、令和元年の台風19号をはじめ、全国で堤防決壊による深刻な水害が頻発しています。北海道でも平成28年に4つの台風が襲来し、多くの洪水被害が発生しましたが、今後も洪水外力が増大し、洪水時に堤防や護岸などの河川構造物が被災することが想定されます。当チームでは、開発局が十勝川の千代田新水路に設置した千代田実験水路（図－1）を用いた実物大実験によって、越水から破堤拡幅までの現象を解明し、決壊口の拡幅現象に関する数値計算手法の開発や、決壊口の拡幅や氾濫流量の抑制に関する技術開発を行って

図－3河川堤防の決壊拡幅現象の分類

きました（図－2）。川幅や勾配に応じた決壊口の拡幅現象の分類（図－3）や、決壊口の緊急締め切り工事の北海道内では河川の急流部の近傍に札幌市や帯広市進め方を提案し、各現場で行われる堤防決壊時緊急対など多くの市街地が発達しています。急流部では洪水策の検討に活かされています 。第5期においては国流のエネルギーが大きく、治水は重要な課題です。札

土技術政策総合研究所やつくば中央研究所と連携・分

幌市内を流れる豊平川のような急流河川では高流速や担して、土質や浸透状態など堤体性状による影響も考

水面波による河川構造物の被災が発生します（図－4）。

慮した堤防強化技術に関する研究に取り組んでいます。

当チームでは、高流速や三角波などの複雑な流れとそ

1)れに伴う土砂移動を予測する数値解析モデルを開発するとともに、三角波発生時の護岸・護床ブロックの安定性評価や安定条件の定式化2), 3)、三角波が発生しやすい条件の整理手法を提案しています。加えて、三角波発生時に生じる上昇流や局所流の影響を受けにくい新型ブロックを開発し（図－5）、開発局の現場の協力を得て試験施工を行いました。現在、モニタリングを実施しており、現地での効果検証を行っています。
図－1

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千代田実験水路（写真は北海道開発局提供）
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も踏まえた将来予測を行い、効率的に要対策箇所を評価できる技術の開発を行っています。
流域開発や河道改修の結果、土砂供給のバランスが変化して河床に岩盤が露出することがありますが、その岩盤が軟岩であった場合、河床上を移動する土砂が岩盤を侵食することによって急激に河床低下が進行す
図－4

護床ブロック被災状況（平成23年 豊平川）

ることがあり（図－7）、これによって河床洗掘による橋脚の安定性低下（図－8）や河岸侵食による農地の流失などが発生します。当チームでは石狩川上流や常呂川水系無加川、釧路川などに関する多数の技術相談に対応して、軟岩侵食のメカニズムを解明し、岩盤河床の河床低下危険度を評価する技術開発を行ってきました5)。近年、岩盤河川に限らず、砂礫河川でも河床低下に伴い砂州の比高が拡大して陸域と水域が二極化

図－5

開発した新型護床ブロック模型

し、冠水頻度の減った砂州における樹林化の進行による流下能力の低下や偏流による堤防被災リスクの増大などが生じています。第5期では開発局とともに、河３．計画的な河道整備・河道管理に関する研究

床低下・二極化のリスクを分析し、対策が必要な箇所を抽出する手法の技術開発に取り組んでいます。

河川行政から当チームへの技術相談では、河岸侵食や河床低下、河畔林伐採後の再樹林化などに関する事案が多く、河道整備・河道管理に関する技術開発に取り組んでいます。
平成28年台風10号では道内の主に急流河川において、堤防を越水せずとも河岸侵食が進むことで堤防決壊に至る被災が多数発生しました（図－6）。護岸の未整備箇所が多い北海道の急流河川では、将来の被災予図－7測を踏まえた計画的・段階的な河道整備が必要です。

極端な河床低下の例

十勝川水系における侵食被災は出水時の流路変動が要因であることを水理実験や数値計算等で検証し、現地の侵食対策手法の検討に貢献しています。急流河川では大きな出水のたびに侵食位置が変化するため、効率的な河道管理手法が必要です。第5期では侵食被災現象の物理的知見を深めるとともに、過去の河道変化等
図－8

橋脚周辺の洗掘と応急対策の例6)

上述の二極化に代表されるように河道攪乱の頻度が減少し、河道内が樹林化して流下能力の低下や河川環境の悪化が顕在化しています。「防災・減災、国土強靱化のための3カ年緊急対策」で大規模に樹木伐開を行った際には、河道の特性に応じて攪乱・冠水・草本による再樹林化防止を図っていますが、今後の再繁茂が懸念されます。当チームでは、北海道内においては河道内樹木の多くがヤナギ類であることを踏まえ（図－9）、
図－6
寒地土木研究所月報

河岸侵食による堤防決壊の例№848

2023年９月4)現地調査や室内実験を行い出水後の植生の変化プロセ

33スを解明するとともに、全道の伐開箇所のモニタリンす。樋門の遠隔監視や遠隔操作のシステムも一部で導グを行い、箇所に応じた技術指導を行っています 。

入されていますが、高価であり普及には時間が掛かり8)ます。第5期では寒地機械技術チームと連携し、簡易な機材を使って樋門操作に必要な情報を操作員に伝えることで操作員の負担を軽減するシステムの開発に取り組んでいます。システムの開発に当たっては、机上の検討だけでは把握しきれない課題等を反映させるために河川管理の現場へのヒアリングを行っており、システムの運用についても今後、現場と協力して進めていきます。
道内の多くの河川では冬期に結氷しますが、気温上昇などで割れた氷やシャーベット状の晶氷が流下して
図－97)

国内の1級河川の樹種別傾向

狭窄部や構造物など河道の変化点で滞留するアイスジ
ャムが発生することがあります（図－11）。これに伴

４．河川管理の支援に関する研究

い堰上げによる浸水被害や取水口の閉塞が発生し、堰上げ箇所が決壊することによって下流域で人的被害が近年、河川管理のためにCCTVカメラが多数設置さ発生した事例もあります。そのため、水理実験・数値れ、それを補完する簡易カメラも普及しており、堤防解析・現地観測等によってアイスジャムの発生メカニの越水や侵食は画像を通して監視することも可能となズムを解明し、被害軽減策として発生時期と発生危険っていますが、洪水時に人を配置して画像を監視しつ箇所を予測するプログラムを開発しました（図－12）9)。

づけるようなことは現実的ではありません。そのた

この成果は官民が参加する寒冷地河川勉強会においてめ、河岸侵食のような変状をAIに学習させ、カメラ周知され、現場の安全管理に役立っています。

画像の変状を自動で検知して（図－10）河川管理者にアラート配信するシステムを開発しました。現在、このシステムは開発局の河川管理において試験的に運用されています。

図－11 アイスジャムの状況（平成30年3月 常呂川、北海道開発局撮影）

図－10

カメラ画像の変状検知モデル

樋門は堤防に設置される施設で、支川や堤内排水等が本川に合流する箇所で洪水時に本川の水が逆流することを防ぐために閉扉する重要な施設ですが、樋門操作員の高齢化・後継者不足が全国的に問題で、特に人口密度の低い北海道の地方部では操作員確保が困難となっています。加えて、昼夜・天候を問わない厳しい作業環境であり、操作員に大きな負担が掛かっていま
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図－12 氷解氷過程からアイスジャム発生危険度を河予測するプログラム
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５．氾濫原管理や流域治水に関する研究

参考文献

河道の中の研究以外にも、河川氾濫に関する研究や、

1)

島田友典：大規模水害の被害軽減を目指す

十勝流域全体で水害を軽減させる流域治水に関する研究も

川千代田実験水路、開発こうほう11月号、pp.1-

行っています。グーグルアースに大雨の際に想定され4、2019.

る浸水深を描画する「3D浸水ハザードマップ作成技

2)

伊波友生、井上卓也、平松裕基：三角波発生時に術」（図－13）については無償のソフトウェアとマニおけるブロック形状と安定性 －局所流と上昇流

ュアルを公開し 、複数の自治体で活用されており、を考慮して－、第64回（2020年度）北海道開発技10)

第5期でも浸水域がリアルタイムで時々刻々と拡がる状況を把握する研究を進めています。また、近年、流術研究発表会、防災17、pp.347-352、2021.
3)

矢部浩規、大串弘哉、平松裕基：局所流・上昇流

域治水の一環で取り組まれている田んぼダムについてに対する護床ブロックの安定性について、寒地土は、河川管理上の効果が定量的に評価されていないた

木研究所月報、No.832、pp.66-69、2022.

め、所内の農業部門と協力して効果把握の手法開発を4)行い、今後の流域治水の推進につなげていく考えです。

川村里実、久加朋子、岡部和憲：大規模な側岸侵
食と低水護岸背後洗掘の発生プロセス －音更川
における被災の要因分析と急流河川における今後の対策に向けて－、第64回（2020年度）北海道開発技術研究発表会、防災16、pp.341-346、2021.

5)

北海道開発局、寒地土木研究所：岩盤河床における河床低下危険度評価の手引き(案)、2017.

6)齋藤直之、石田時代、中南力：気候変動を踏まえた河床低下対策について ―軟岩河床を有する常呂川水系無加川の場合―、第65回(2021年度) 北海道開発技術研究発表会、防災10、pp.379-384、2022.

7)

佐貫方城、大石哲也、三輪準二：全国一級河川における河道内樹林化と樹木管理の現状に関する考図－13

3D浸水ハザードマップの表示例

察、河川技術論文集、Vol.16、pp.241-246、2010.
8)

大石哲也、谷瀬敦、橋本慎一：河道内の樹木伐採・伐根および切下げ後の再樹林化防止対策に関

６．おわりにして、第63回(2019年度) 北海道開発技術研究発
これまで述べた研究は道内外の大学や研究機関、北海道開発局をはじめとした河川行政と連携して進めて

表会、防34、pp.509-514、2020.
9)横山洋、大串弘哉、吉川泰弘：アイスジャム予測います。今後も河川の現場の課題に取り組み、成果をプログラムによる解氷時期推定精度の検証、寒地現場に還元することで、研究と事業が両輪となり北海

土木研究所月報、No.833、pp.10-17、2022.

道の開発を推し進めるとともに、先駆的フィールドと10) 前田俊一、大串弘哉、平松裕基、井上卓也：3Dしての役割を高め全国の治水にも貢献して参ります。
（文責：大串弘哉）

浸水ハザードマップの概要～メリット及び活用事例～、寒地土木研究所月報、No.840、pp.9-15、2023.

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