自然災害科学

特別号（
特別号

（
）

13

）

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定
方法の検討− GIS と連携した Hyper KANAKO
システムを活用して−中谷

加奈＊・美土路

哲也＊＊・堀内成郎＊＊・里深好文＊＊＊・水山

高久＊

Setting method of 1-dimentional area and 2-dimentional areaboundaries in debris flow numerical simulation: using the Hyper
KANAKO system equipped with a GIS platform
Kana NAKATANI*, Tetsuya MIDORO**, Shigeo HORIUCHI**,
Yoshifumi SATOFUKA*** and Takahisa MIZUYAMA*
Abstract
Debris flow numerical simulation is effective for hazard mapping and disasterprevention. One-dimensional (1D) simulations are usually applied in steep upstream
areas, whereas two-dimensional (2D) simulations are often applied in low-slope
downstream areas. We applied debris flow simulation on two torrents, one in the Ibi
area of Gifu Prefecture, where a large-scale sediment disaster had occurred in 1895,
and one in Izu Oshima, where a large debris flow occurred in 2013. We used theusual method, setting a 1D area for the steep torrent, and a new method, setting a 2D
area from the upstream steep area. We used the Hyper KANAKO, a GIS-equipped
debris flow simulation system. The new method described the torrents well, especiallyfor the Izu Oshima disaster, where an undulating surface exists from the steep area andlarge scale debris flow occurs.
キーワード：土石流，数値シミュレーション，Hyper KANAKO，計算領域，伊豆大島，揖斐Key words： debris flow, numerical simulation, Hyper KANAKO, simulation domain, Izu Oshima, Ibi area＊＊＊＊

京都大学大学院農学研究科
Graduate School of Agriculture, Kyoto University＊＊
株式会社パスコ
Pasco Corporation

13

立命館大学理工学部都市システム工学科
Department of Civil Engineering, College of Scienceand Engineering, Ritsumeikan University

14

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討

1．はじめにいて，従来の谷出口を境界とする手法，並びに急

土石流数値シミュレーションは，土石流の機構

勾配の上流部から二次元領域を設定する手法で数に関する研究により得られた知見に基づき，設定

値シミュレーションを実施して，その違いを検証された地形や供給ハイドログラフなどの条件下した。

で，土石流の発生・流動・堆積・氾濫過程や砂防構造物の機能評価などを表現するものである。多2．既往の土石流数値シミュレーション

様な条件下で実施でき，観測や現地調査および室格子法での土石流数値シミュレーションについ

内実験の結果からは知りえない情報を提供する利て，土石流の発生・流動領域としての急勾配の山点を持ち 1）-3），国内外で多数のモデルやプログラ

地河川の一次元領域と，横断方向にまで流動・堆ムが提案例えば 4）-10）されている。

積が広がる緩勾配の扇状地の二次元領域の計算手

最近では流木の挙動や透過型堰堤の閉塞の検討

法ならびに境界の設定方法について示す。なお，において粒子法例えば 11）, 12）や個別要素法例えば 13）, 14）の一次元領域だけを対象として土石流の渓流からの適用も進んでいるが，時間・空間的な制約がある

流出量や砂防施設の効果を検証する手法や 19），二ため，現状では限定された領域での適用が殆どで次元領域だけを対象として氾濫・堆積過程を解析ある。実務や研究では，土石流を混合流体として，するシステム 10）, 20）も存在するが，本検討では土その運動を固定した計算点上に配置した物理量の石流の発生・流動域の上流を一次元領域として，変化で表現する格子法と呼ばれる数値解析法が利下流の氾濫・堆積が生じる緩勾配を二次元領域と用されることが多く 4）-9），土石流の発生・流動かして上流から下流までを一連の計算で行う手法を

ら下流への氾濫・堆積の一連の挙動を容易に表現対象とする。これは，筆者らは汎用シミュレータ

することができる。

の開発を目指しており，多様な条件（地形，土石土石流数値シミュレーションで格子法を適用す

流の規模，砂防施設，範囲，時間）や目的（例える際に，急峻な谷部では一次元計算領域として，ば，施設の配置や効果の検討，複数シナリオの災谷出口などの緩勾配の扇状地では流下方向だけで

害予測，時間・空間的な制約下での計算など）になく横断方向への広がりを考慮した二次元計算領

応じて，ユーザーが計算方法を選択できるように，域として設定するのが一般的である

15）, 16）。これまでは谷部の急勾配領域と，氾濫・堆積の起こる緩一次元と二次元を組み合わせたシステムが合理的だと考えるためである。

勾配領域が比較的明瞭に区別できる渓流についての検討が実施されおり，土石流発生事例においても谷部では土石流が渓流内を流れることが殆どで

2.1 一次元領域と二次元領域を別個に計算する手法あった。しかし，平成 25 年 10 月に発生した伊豆高橋・中川は 15）渓床に沿って洪水流量の変化あ

大島の土石流災害では 17），比較的上流から横断方

るいは崩壊土砂の供給条件を与えることで，渓床向に広がったり複数方向の流下が確認されて，従堆積物が侵食・堆積して発生する土石流ハイドロ

来のような谷出口を一次元領域と二次元領域の境グラフ並びに土砂濃度の時間的変化を予測する一界とする手法では表現できないような現象（渓流次元的解析と，一次元解析で得られた結果を谷出

から溢れ出す，流域を越える）が発生している。

口の境界条件として扇状地上における氾濫・堆積

本検討では，既往の土石流数値シミュレーショ

過程を二次元的に解析する総合的なシミュレー

ンをレビューして境界の設定方法について整理しション法を提案した。この手法は岐阜県洞谷で発た。次に伊豆大島土石流災害と，過去に大規模な生した土石流災害事例に適用されて，その妥当性

土砂移動が発生した揖斐川の渓流について，GISも確認されており，従来はこのように急勾配の山と連携した Hyper KANAKO システム 18）を適用し地渓流を一次元解析で，緩勾配の扇状地を二次元た。一次元計算領域と二次元計算領域の境界につ解析で別個に分けて解析する手法が用いられてい自然災害科学

特別号（

15

）

た。

を実施する際に一次元領域と二次元領域を設定しやすい 21）。一方で，氾濫開始点を変えることで下2.2

一次元領域と二次元領域を接続して計算流の家屋の被災範囲を判定する精度が異なることする手法も明らかとなってきた 25）。

従来，下流の氾濫領域までを検討する土石流シ

しかし，伊豆大島で発生した土石流では，谷部ミュレーションには，2.1 で示した手法が採用されと氾濫・堆積領域を明確に区分するのが難しい。

てきた。しかし，この手法では上流の一次元領域

崩壊直下の流動が開始したと考えられる上流部にから下流の二次元領域への影響は伝わるが，下流

おいても，大規模な土砂流出であったことや谷がの二次元領域から上流の一次元領域への影響は伝浅かった地形的要因のためか，流下方向だけでなわらない一方向の関係となっている。一次元領域

く横断的に流れや土砂移動が広がっており，一部と二次元領域の境界部で顕著な土砂堆積が生じる

ではオーバーフローまでが見られるなど，この領ような場合には合理的な計算が実施できない。

域を流動域であることを理由に一次元で解析する

16）は前述した問題を解決するために，一ことは現象に即しているとは言い難い。また，伊次元領域と二次元領域の計算を連動させ，二次元

豆大島災害を受けて，氾濫開始点を設定する際に上流域での流動深や堆積厚を一次元下流端へと統一的な考え方で設定できるよう，谷の縦断勾配

フィードバックすることによって，境界部においや保全対象の位置，過去の実績や地形形状などをて双方向に連携のとれた「結合モデル」を開発し提示する等の見直しも進んでいる 26）, 27）。

和田らた。結合モデルを用いて，汎用土石流シミュレー
タ Kanako2D が開発され，土石流災害事例への適（2）技術的な制約と発展

用や効果的な砂防施設の検討，土石流が発生した

土石流数値シミュレーションを実施する際に，場合の氾濫・堆積状況の検証などがこれまでに実従来は一次元領域と比べて二次元領域は計算に要施されている 21）。

する時間が長く，計算領域や計算時間が大きいほど，一つの計算にかかる時間が数日を要する場合

2.3

一次元領域と二次元領域の境界の設定方がある等非常に長かったことも，二次元計算領域

法

をあまり大きく設定しなかった理由の一つに挙げ2.1 や 2.2 で挙げたいずれも，山間部で流れ方向られる。しかし，計算機の性能向上に伴い，最近のみに拘束される一次元領域と，流れ方向だけででは二次元領域の土石流計算も数〜数十分程度でなく横断方向に流れが広がることのできる二次元実施できるまでに短縮されている。計測技術の限領域を，いわゆる谷出口を境界として区分して計界もあり，急勾配の山間部ではこれまで植生の影算する手法である。

響等から，下流の開けたエリアと比較して精度のよい地形データを得られなかったことも，上流部（1）従来の設定方法と課題において二次元解析を実施できなかった理由の一

この境界は，土石流対策計画において計画基準つに挙げられる。近年では，計測技術が著しく発点あるいは氾濫開始点として保全対象の上流等に達したことから，山間部でも航空レーダや斜め写設けるとされており

22），技術者が対象渓流について地形状況や人家等の立地状況あるいは既往災害真等から詳細な地形データを入手することが可能になっている 17）。

実績などを総合的に踏まえて判断するものである。土石流発生事例について検討する際，広島県
23）

2.4

本研究の目的と手法で発生した土このように，一次元領域と二次元領域の境界の石流は，谷部と氾濫・堆積域の境界が比較的明瞭

設定方法における課題が明らかとなったことかであったことから，土石流数値シミュレーション

ら，従来と境界の設定を変えた場合の検証が必要

宮島白糸川，山口県防府市石原

24）

16

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討となった。また，これまでの二次元計算領域を上

本章では，一次元領域と二次元領域の境界の設

流側にまで拡大できなかった技術的な制約が解消

定方法を変えて，またハイドログラフを 2 ケースされてきたことから，計算を実施するための手法想定して，Hyper KANAKO で土石流数値シミュ

や地形データ等が整備されつつある。

レーションを実施した。

本検討では，結合モデルを採用した，航空レー
ザー測量データ（LP データ）や国土地理院の数値

3.1

計算条件

標高データを地形条件として入力できる GIS と連

伊豆大島では火山地域に特有の細粒分が多い一携した Hyper KANAKO システムを適用して，3 章

方で，中間径が少なく大粒径が存在した。本計算以後で検討を実施した。

では，災害後の調査から大金沢本川堆積工上流の地形条件として，土石流が渓流を越える事例と鋼製スリット堰堤で堆積した巨礫も含めた粒径として伊豆大島を，渓流内を流れる事例として揖斐して，代表粒径を 0.2m に設定した。また，細粒川を検討対象とした。また，上記のように砂防施

分 が 多 く 含 ま れ る こ と か ら， 流 体 相 の 密 度 は設の機能評価には流量・流砂量を指標とするため

1,200kg/m3 を採用した。

一次元計算で扱うことが殆どであったが，計算領計算に用いたパラメータは Table 1 に示す。地

域の設定方法の違いが施設効果の検証に及ぼす影形データは災害前に国土地理院が取得していた数響についても揖斐川の事例で検討した。境界の設値データを利用した。

定方法を変えた場合と従来の方法について比較して，計算結果の再現性や妥当性について検討することを目的とした。

（1）一次元領域と二次元領域の設定方法
境界の設定位置を変えた 2 ケースで地形を設定した。

3．伊豆大島を対象とした土石流数値シ
ミュレーション〜平成 25 年 10 月に発生した土石流災害〜と考えられる崩壊直下の上流部でも，流下方向だ

平成 25 年台風 26 号によって伊豆大島では 24 時

ら，最上流の一部（約 250m）のみを一次元領域

間雨量が 800m を越える豪雨が記録され，10 月 16として設定し，流動が始まった領域から河口まで

日未明に大金沢で大規模な土石流が発生し，死者・を全て二次元領域として Fig.1 のように設定し伊豆大島で発生した土石流は，流動が開始した
けでなく横断方向にも流れが広がっていることか

行方不明者 39 名，全壊家屋 73 戸等の甚大な被害をもたらした 17）。土石流は，崩壊土砂が多量の水を含んで流動化して発生し，規模も極めて大きく，

Table 1 Simulation parameters
Value

Unit

崩壊地以外の支渓からも豪雨によって多量の水がSimulation time

1200

s

流下して本川の土石流に合わさったため下流でのTime step

0.01

s

被害が更に大きくなった。また，伊豆大島の火山

Diameter of material

0.2m

山麓特有の緩い尾根や凹凸の多い地形条件や，細Mass density of bed material

2650

kg/m3

粒分を多く含む高い流動性から，流れが複数の方向に流下し，低い尾根を乗り越え，渓流からオー

Mass density of fluid（waterand mud, silt）phase

1200

kg/m3

バーフローし，分流・合流を繰り返して流下した。

Concentration of movable bed

0.6

崩壊に伴い流木化した立木とともに，土石流の流Internal friction angle

35

deg

下で巻き込まれた立木も流木となって多量に流下

Acceleration of gravity

9.8

m/s2

して，家屋等への被害が甚大となるとともに，流Coefficient of erosion rate

0.0007

木が暗渠や橋梁を閉塞して，流下方向を変えて氾Coefficient of deposition rate

0.05

Manning's roughness coefficient

0.03

濫範囲を拡大させ被害を大きくした。

Parameters/Variables

s/m1/3

自然災害科学

特別号（

17

）

た。
背景は災害後に撮影されたオルソ画像で，大金沢堆積工や被害の大きかった神達地区，元町地区に伴って，一次元領域，二次元領域の計算点数が変わっただけで，他の計算に使用するパラメータは Table 1 と同じである。

の場所を示し，土木研究所の報告で示された流下

landform2 で 設 定 し た 一 次 元 領 域 に つ い て，

範囲を白線で併せて示す。二次元領域は計算メッ

Fig.3 に縦断図を（landform1 の一次元領域も表シュ 10m × 10m，流下方向に 202 点，横断方向に示），Fig.4 に地形図を示す。縦断勾配は 8°程度と104 点である。一次元領域は，計算点数 51 点，計

比較的大きいが谷が明瞭でなく起伏が小さい。

算点間隔 5m，河道幅 10m とした。土石流の発生・流下域で侵食深が浅かったことから 17），一次元領（2）供給ハイドログラフ

域，二次元領域とも初期状態において移動可能土

供給ハイドログラフは，調査報告等 17）, 28）を参砂（不安定土砂）は設定していない。この地形を考に，Fig.5 のようにピーク流量 500m3/s，ピーク

landform1 とする。

継続時間 600 秒，土砂濃度 30％で設定した。これ

また，従来用いられる氾濫開始点（ここでは大を hydro1 とする。通常，想定されるような規模

金沢本川堆積工の下流付近）を一次元領域と二次の小さな土石流であれば，ピーク流量は数十〜百元領域の境界とした条件も Fig.2 の様に設定しm3/s で継続時間も数分であることが多いが 29）-31），

た。二次元領域は計算メッシュ 10m × 10m，流下hydro1 はそれより継続時間も長くピーク流量も方向に 102 点，横断方向に 104 点である。一次元

大 き い。 そ こ で，Fig.6 の よ う に ピ ー ク 流 量 を

領域は，計算点数 230 点，計算点間隔 5m，河道100m3/s，ピーク継続時間を 300 秒として，総流幅 10m とした。一次元領域，二次元領域とも初期量及び総土砂量は hydro1 の 1/10 となる hydro2 に状態において移動可能土砂は設定していない。こついて検討を実施した。土砂濃度は hydro1 と同の地形条件を landform2 とする。地形条件の変更

じ 30％である。

Fig. 1 Setting landform data（landform1, set 2D areafrom upstream）

Fig. 3 Longitudinal profile of landform2 1D area
（landform1 1D area show as arrow）

Fig. 2 Setting landform data（landform2, usual
method）

Fig. 4 Contour map of landform2 1D area（Thisbackground map data is distributed from
Digital Japan Web System）

18

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討

Table 2 Simulation cases
Case

Landform

SuppliedhydrographCase1

landform1（setting 2D areafrom upstream）

hydro1（large）

Case2

landform2（usual method）

hydro1

Case3

landform1hydro2（small）

Case4

landform2hydro2

Fig. 5 Supplied hydrograph（hydro1）

や，堆積工の上流で 5m 程度の侵食跡が災害後に見られたこととも対応する。
更に，堆積工の上流で流れが二方向に分かれて，
一部は神達地区に流れたこともわかる。神達で大きな被害が生じたのは，主には今回の検討で対象としなかった左支川からの流入によるものだが，一部は本川からの土石流が合わさったことも災害拡大の要因と考えられており，この点でもよく表現している。下流では，地盤高の低い流路沿いで大きな痕跡が見られる点や，元町地区の河口近く
Fig. 6 Supplied hydrograph（hydro2）で道路沿いに流れが右岸方向へ広がった点まで再現されている。
境界を氾濫開始点に設定した Case2 では，堆積（3）計算ケース工の上流で 5m 以上の大きな痕跡は見られるが神2 つの地形条件，並びに 2 つの供給ハイドログ

達地区への流入は地形の設定条件上表現できなラフの設定方法で，Table 2 に示す 4 ケースを計い。また，境界から下流では二次元領域となって算した。

横断方向へ広がることができる影響で二次元領域の上流で広く 3m 程度の痕跡が見られるが，その

3.2

計算結果

下流では概ね流路沿いに 1-3m の痕跡が見られる

Fig.7-Fig.10 は計算期間に現れた最大痕跡（流だけで右岸側まで広がった災害状況や Case1 の結動深＋堆積厚の最大値）を示している。最大痕跡果とは大きく異なる。境界の設定方法による違い

を前述のように定義したのは，堆積が生じると地が大きく見られた。

形が変化して河床高が初期状態から変わるため，境界は上流に設定するが，小さいハイドログラ

流動深を示すだけでは氾濫等の痕跡がうまく表現

フを供給した Case3 では，堆積工の上流で二方向できないためである。堆積が発生しない箇所ではに流れは分かれるが，神達地区までは到達しない。

痕跡は最大流動深となる。なお，仕様上 10㎝未満

また，堆積工より下流では概ね流路沿いに沿っての痕跡は示されないため，一部で不連続に痕跡が50㎝〜 1m の痕跡が見られるが，元町の下流で少見られるが，実際には数㎝の痕跡が確認されていし右岸側に広がって 10㎝程度の痕跡が存在する。

る。

この規模の土石流であれば，流路沿いの一部の家結果から，Case1 が最も災害後の状況と対応が屋に水・土砂が付く程度であったと推測される。

いい。上流では大金沢堆積工で 3m 程度の痕跡も

境界を氾濫開始点にとり，供給ハイドログラフ

見られ，これは堆積工上流に土砂が堆積したことを小さくした Case4 では Case2 と同様に，二次元自然災害科学

特別号（

）

19

Fig.7 Result of maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation in Case1（landform1, hydro1）

Fig. 8 Result of maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation in Case2（landform2, hydro1）

Fig.9 Result of maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation in Case3（landform1, hydro2）

Fig.10 Result of maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation in Case4（landform2, hydro2）

20

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討

Table 3 Simulation parameters

領域の上流で横断方向に痕跡が広がる様子が見らParameters/Variables

れた。その下流では流路沿いに 50㎝〜 1m の痕跡が見られ，元町の河口付近での右岸側への広がり

Simulation time

Value

Unit

1800

s

Time step

0.01

s

Diameter of material

0.015

m

Mass density of bed material

2600

kg/m3

ならない。この規模であれば，大規模な土石流とMass density of fluid（water and mud, silt）phase

1000

kg/m3

して設定した hydro1 の場合よりは，境界位置がConcentration of movable bed

0.6

及ぼす影響は小さい。

Internal friction angle

35

deg

Acceleration of gravity

9.8

m/s2

は Case3 と比べて小さい。
一 方 で Case1 と Case2 の 結 果 の 違 い ほ ど は，
Case3 と比較して痕跡が発生した範囲は大きく異

元町橋付近（Fig.1 で Motomachi の下に示す矢印）から左岸側の河口付近で痕跡が見られる点はCoefficient of erosion rate

0.0007

Case1, 3 と Case2, 4 では異なる。Case1, 3 と範囲

Coefficient of deposition rate

0.05が異なるのは，この地点まで到達する流量が異な

Manning's roughness
coefficient

0.03

る（landform2 の方が lanform1 よりも大きい）こ

s/m1/3とや， landform1 では流路内だけでなく横断方向にも広がっており，landform2 では殆どが流路内堤を考慮して Hyper KANAKO で検討を実施した。

を流れていた影響と推測される。
伊豆大島の計算結果からは，起伏が小さい地形

4.1

計算条件

では境界の設定方法が結果に影響すること，今回

現地状況から，対象流域は中小礫などが多く見のような流域を超えるような災害規模では上流かられる一方で平均粒径は小さい。河床材料を元にら二次元領域とする方が実災害と対応すること，1.5㎝を代表粒径として採用した。また，細粒分は一方で小さい規模の土石流を供給した場合であれ少ないことから流体相密度を 1,000 kg/m3，現地試

ば境界の設定方法はそれほど大きく影響しないこ

料から土砂密度を 2,600kg/m3，河床の容積濃度をとが明らかとなった。

0.6 として設定した。地形データは LP データを利用した。計算に用いたパラメータは Table 3 に示

4．揖斐川を対象とした土石流数値シミュ
レーション〜砂防堰堤を設置〜
大規模土砂災害が発生した場合のシナリオを仮定して，揖斐川の一渓流を対象とした土石流数値
シミュレーションを実施した。このエリアには，す。
（1）一次元領域と二次元領域の設定方法
境界の設定位置を変えた 2 ケースで地形を設定した。

ナンノ谷大崩壊と呼ばれる大規模崩壊跡がある。

上流の 45m のみを一次元領域と設定してそのこの崩壊は明治 28 年 8 月 5 日に発生し，崩壊土量

下流から広く二次元領域として設定するは 153 万 m3 と記録されている。崩壊発生の 1 週

landform3（Fig.11）と，谷出口を境界として設定

間前から続いた長雨や，7 月 29-30 日の豪雨によっする landform4（Fig.12）を設定した。

て下流河川でも洪水被害が発生した。渓流は V 次

landform3 では二次元領域は計算メッシュ 10m

谷となっており，谷出口に既設堰堤が設置されて× 10m，流下方向に 231 点，横断方向に 132 点でおり，堆砂敷よりも上流は硬岩が露頭している。

ある。一次元領域は，計算点数 9 点，計算点間隔

河床材料は中小礫が多く 1m 以上の巨礫は少な

5m，河道幅 15m とした。併せて，二基の砂防堰い。

堤を考慮する際の設置点，並びに本川との合流点

本章でも，一次元領域と二次元領域の境界の設の位置を示している。なお，landform3 では既設定方法を変えて，また既設堰堤が存在するため堰の砂防堰堤はいずれも二次元領域に入るため，堰自然災害科学

特別号（

21

）

Fig. 13 Longitudinal profile of landform4 1D area
（landform3 1D area show as arrow）

Fig.11 Setting landform data, showing sabo dams andmain channel confluence position（landform3,
set 2D area from upstream）

Fig.12 Setting landform data（landform4, usual
method）

堤を考慮するときは，高さや水通しの形状までを

Fig. 14 Contour map of landform4 1D area（Thisbackground map data is distributed from
Digital Japan Web System）

考慮して，計算メッシュに合うよう調整して地盤高を設定している。
landform4 では二次元領域は計算メッシュ 10m（2）供給ハイドログラフ

× 10m，流下方向に 151 点，横断方向に 132 点で計算で設定した供給ハイドログラフを Fig.15ある。一次元領域は，計算点数 276 点，計算点間に示す。土砂量は約 12 万 m3，水を含んだ状態で隔 5m，河道幅は LP データから計測された 10m かは総量約 40 万 m3 の大規模な土石流が発生するこら 50m 程度で，一次元領域の下流には上流側の堰とを想定している。ピーク流量は 2,000 m3/s とし，堤が位置する。いずれの地形条件についても，不土砂濃度は砂防計画策定指針に示される最小の土

安定土砂は一次元領域，二次元領域とも設定して石流濃度として 30％とした。

いない。
landform4 で 設 定 し た 一 次 元 領 域 に つ い て，

（3）計算ケース

Fig.13 に縦断図を（landform3 の一次元領域も表

2 つの地形条件の設定方法で，砂防堰堤を考慮

示），Fig.14 に地形図を示す。縦断勾配は約 8°とする場合としない場合の 4 ケースを Table 4 の様

伊豆大島と似ているが，揖斐川の方が谷が明瞭でに計算した。

起伏が大きい。

22

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討

Table 4 Simulation cases
Sabo dam

Suppliedhydrographlandform3
Case5 （setting 2D areafrom upstream）

None

hydro3

landform4（usual
method）

None

hydro3

Case7 landform3

Sethydro3

Case8 landform4

Sethydro3

Case

Case6

Fig. 15 Supplied hydrograph（hydro3）

Landform

Fig.16 Result of Case5（left）and Case6（right）maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation（no sabo dam）

Fig.17 Result of Case7（left）and Case8（right）maximum trace（flow depth plus deposition）during simulation（with sabo dams）

4.2

計算結果

に示す A 点，B 点について各ケースでの結果を比

Table 4 に 示 し た 条 件 で 計 算 を 実 施 し た。

較考察する。なお，A 点より上流は急勾配の土石

Fig.16-Fig.17 は計算期間に現れた最大痕跡（流動流区間で，A 点を境に Case6 と Case8 では下流側

深＋堆積厚の最大値）を示している。また，結果が二次元領域となる。また，Case5, 7 よりも Case6,を示す範囲は Fig.11 の landform3 の二次元領域と8 で上流側の河道幅が狭く見えるが，これは一次して設定したエリアである。Fig.16 左の Case5 中

元領域は各断面について二次元領域の一メッシュ

自然災害科学

特別号（

23

）

として表示されるためであり，実際には設定した堰堤の効果が確認される。この堰堤の上流では，河道幅で土砂が堆積している。

Fig.17 中では横断的な堆積範囲は右図（Case8）の砂防堰堤を設置しない Case5 と Case6 では，合方 が 少 な く 見 え る が， 先 述 の よ う に 堰 堤 上 流

流点より下流の集落の一部（Fig.16 内の黒枠）で（Fig.17 左図黒丸に相当するエリア）では 20-50m

河道から流れが溢れて最大 1m 程度の浸水が発生の河道幅が設定されており，この幅に均等厚さですることが確認された。また，土石流の流動区間

土砂が堆積している。一方，Case7 の方が 10m 以においては，上流から 2D 領域を設定した Case5

上の範囲が広く，また一部では Case8 の河道幅よで大きな痕跡が見られたが，痕跡は渓流に留まっりも広がって堆積していることから，この堰堤にておりオーバーフロー等は見られない。A 点より

よる堆積は Case7 の方がやや多かった。一方，下上流では，Case5 では渓流の中心部で 10m 以上の流側の堰堤については，堰堤の上流で同様の痕跡痕跡を示す一方，両岸の値が小さい。これは上流の範囲・値が確認され，設定方法による違いは殆の谷部（V 次谷）を二次元領域で設定したことにどみられない。このように，堰堤を設置した Case7,

よる。Case6 では 1-3m 程度を示す箇所が多いが A

8 でも下流の到達範囲が異なったのは，堰堤無し

点直上流では部分的に 10m 以上を示しており，一の Case5, 6 と同様に A 点まで到達する流量や土砂次元領域では横断方向に均一な値を示す。この領量が，二次元領域を上流から設定した Case7 の方域で見られた痕跡は，堆積によるものが大きく，が若干少なくなることによる影響と考えられる。

更に A 点まで移動した土砂は Case5 の方が Case6

次に，A 地点ならびに合流点への到達時刻をよりも若干少ない。A 点より下流のエリアからは，Table 5 に示す。結果の出力間隔は 10 秒である。

両ケースで大きな違いは見られないが，浸水した

到達時刻は，避難等のソフト対策を検討する際の集落よりも下流の本川では，Case5 で地点 B から指標の一つになると考えられる。

下流は 1-3m の痕跡が一部で見られるだけなのに両点とも堰堤が有る場合も無い場合も，いずれ対して，Case6 ではその下流まで 5m 以上の痕跡

も二次元領域を大きく取った Case5 や Case7 の方が見られており，到達範囲が異なっている。これが到達時刻が遅かった。これは，谷部まで二次元

は，Case5 では A 点まで到達する流量が若干少な領域とした場合，渓流内についても流れ方向だけくなることによる影響と考えられる。

でなく横断方向への土石流の流動・堆積を計算す

砂防堰堤を設置した Case7 と Case8 では，Case5

ることの影響と考えられる。まず，渓流においてや Case6 で確認された合流点下流の集落で痕跡は流動方向が直進せず紆曲する場合に，一次元で計確認されず，河道内に流れは収まっており，河道算する際は流れ方向に沿って領域を設定するため内の痕跡も堰堤無しのケースと比べて小さくなっ

最短ルートで流れが移動するのに対して，二次元ていることから，堰堤の効果が確認された。更に領域で設定された場合には区分されたメッシュ沿

下流の B 点では，痕跡が付いた到達範囲は堰堤無

いに流れ方向と横断方向で階段状のルートを経由しの場合と比べてあまり変わらず，痕跡の値はいして移動するので移動距離が長くなる（メッシュ

ずれのケースでも堰堤が有る場合の方が小さくサイズによって変化する）ことの影響が挙げられなっている。

る。また，谷地形を一次元のように単純化した矩上流側の堰堤については，上流から二次元領域
Table 5 Debris flow arrival timeとて設定した Case7 では 10m 以上の大きな痕跡が発生したエリアが広く見られ（Fig.17 左図中の黒

Case

A

Confluence point丸），堰堤上流で水・土砂が貯留されたことが推測

Case5

240s

590s

される。一次元領域として設定された Case8 でも

Case6

180s

490s

堰堤上流で 10m 以上の痕跡が見られ，堰堤無しの

Case7

340s

720s

場合よりもその範囲が広く，いずれのケースでも

Case8

220s

600s

24

土石流数値シミュレーションの一次元計算領域と二次元計算領域の設定方法の検討

形断面ではなく，谷の横断形状を考慮することによる影響も挙げられる。

揖斐川の検討では，非常に大きな土石流を想定して計算したが，伊豆大島の検討と比べると，領堰堤が設置されていると，施設が無い場合に比域の設定方法による違いはあまり見られなかっ

べて A 点でも合流点でも流れの到達時刻は遅くなた。しかし，下流までの到達範囲や痕跡高は，上り，施設が機能したことが示された。

流から二次元領域を設定した場合の方が小さかっA 点での堰堤の有無による到達時刻の差は，上た。堰堤の効果は，どちらの領域設定方法でも確流から二次元領域を設定した Case7（堰堤有り）認されたが，堰堤上流での貯留効果や，下流へのと Case5（堰堤無し）では，Case7 の方が 100 秒

到達時刻の遅れは，上流から二次元領域を設定す遅い。一方，一次元領域として計算される Case8

るケースで確認された。谷部を二次元領域で計算（堰堤有り）と Case6 で（堰堤無し）は，Case8 のすることは，谷の横断形状を考慮できることや堰方が 40 秒遅くなる。堰堤の効果によって下流に到

堤上流の堆積が表現される利点がある一方，流れ達する時間が，一次元領域として計算するか二次方向の追跡やそれに伴う到達時間については課題

元領域として計算するかという手法の違いで約一が残り，検証が必要である。

分も異なる。

伊豆大島でも揖斐川でも，通常の手法で一次元

下流の合流点を見ると，堰堤の有無による到達領域を設定したエリアは平均勾配が約 8°であり

時 刻 の 差 は， 上 流 か ら 二 次 元 領 域 で 計 算 す る

それほど大きな違いはない。しかし，上流域で揖Case5 と Case7 では堰堤有の Case7 の方が 130 秒

斐川では谷が比較的明瞭で起伏も大きい一方で，

遅 く な る。 上 流 を 一 次 元 領 域 と し て 計 算 す る

伊豆大島では谷がそれほど明瞭でなく，起伏があCase6 と Case8 では堰堤有の Case8 の方が 110 秒

まり大きくないことなどが影響したと考えられ遅くなるが，A 点ほど大きな違いはない。これは，る。

A 点より下流では Case6 と Case8 も二次元領域とこのように，上流部の地形について谷が明瞭でなり横断方向への水・土砂の移動が考慮されるこあり起伏が大きいのか，そして規模の大きな土石とや，下流側の堰堤の機能等によって差が小さく流が発生するかどうか，この二つの要因が領域のなったのではないかと考えらえる。

設定方法を変えた場合に影響することが本検討か

揖斐川の検討では，領域の設定方法による顕著ら示唆された。また，領域の境界を設定する際に，な違いは見られなかったが，到達範囲や堰堤上流

計測データ等が揃っていれば，これまでのようにの堆積状況，到達時刻については若干異なる結果

一次元領域を谷出口に設定するよりも，谷の上流が示された。今後は，地形や土石流規模などの条から二次元領域を設定して計算する方が，伊豆大件を鑑みて，情報を収集し，領域の設定方法を検島災害のような現象を表現することができる。一証する必要がある。

方で，揖斐川のように谷が明瞭な地域についても両者で大きな違いは見られなかったことから，二5．おわりに
本研究では，土石流数値シミュレーションにおいて，一次元領域と二次元領域の設定方法を変え次元領域を上流から設定しても到達範囲や流動深・堆積の大きな箇所をある程度推定することは可能である。

た検討を実施した。伊豆大島の災害事例について

今後は，谷地形が明瞭な場合について設定領域

は，発生した様な大規模な災害を想定した場合にを変えた場合の到達範囲や到達時刻，砂防堰堤のは，二次元領域を上流側から設定するほうが，上効果について，現地の情報を収集して，更なる検流での複数方向への流れや下流での氾濫・堆積に討を進めていきたい。

ついて災害状況を再現できた。一方で規模の小さな土石流の場合には，大規模な災害ほど大きな違いは確認できなかった。

謝辞
本研究は，（一財）砂防・地すべり技術センター

自然災害科学特別号（）

受託研究「大規模土砂移動の影響範囲の予測とその対応手法の整理」の助成を受けたものです。また，本研究の一部は JSPS 科研費 24710206 の助成を受けて実施した。伊豆大島災害の土石流の流下
範囲や流下痕跡について独立行政法人土木研究所
火山・土石流チームから貴重なデータを提供頂いた。中部地方整備局越美山系砂防事務所から揖斐川について貴重なデータを提供頂いた。ここに記して感謝致します。

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26

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（投稿受理：平成 26 年 4 月 18 日）