土木学会論文集B1(水工学) Vol.68,No.4, I̲1171-I̲1176, 2012.
水工学論文集,第56巻,2012年2月

ＩＣタグを用いた流水型ダム貯水池内における土砂移動特性の把握
SEDIMENT TRANSPORT MONITORING IN IN-STREAM FLOODMITIGATION DAM BY RFID TECHNOLOGY
角哲也1・石田裕哉2・佐竹宣憲3

Tetsuya SUMI, Hiroya ISHIDA, Yoshinori SATAKE
1正会員

博士(工) 京都大学教授 防災研究所水資源環境研究センター(〒611-0011 宇治市五ヶ庄)

2非会員

株式会社建設技術研究所東京本社ダム部(〒103-8430 東京都中央区日本橋浜町3-21-1)
3正会員 有限会社佐竹設計事務所(〒114-0023 東京都北区滝野川1-93-5-403)

Flood mitigation dam (FMD) is a gateless outlet dam designed only for the purpose of flood controlwhich provides long-term and efficient protection against floods. FMD is expected as environmentallyfriendly, since almost all incoming sediment during flood periods can pass through bottom outlets thatdesigned at the original river bed level and there will be fewer impacts to downstream river environment.
However, during the flood discharge retardation, the characteristics of sediment (sand and gravel) outflow
rate are changeable and unknown compared with the normal stage. Especially, coarse gravels and stones
may be difficult to be transported through bottom outlets because of a gap of tractive forces between
upstream and downstream of dams.
This paper tried to find these gaps at Masudagawa dam which is the typical FMD in Japan. RFID
technology has been used to monitor movement of placed gravels in the reservoir area and clear
correlation has been obtained between transported length of each grain sizes and estimated tractive forces.
Key Words : In-Stream Flood Mitigation Dam, Sediment Transport, RFID, Masudagawa dam
１． はじめに国際大ダム会議(ICOLD)では，「今後のダムの多くは多目的であろうが，100年間あたり数週間程度の洪水時を除いてほとんど空の状態を保つ洪水調節専用ダムは環境順応型と位置づけられる．」と述べられている1)．国
外では，米国，欧州（スイス，オーストリアなど）でこのような洪水調節専用ダム（Flood Retention Basin）による洪水管理が進められてきている2)-6)．
日本では，この洪水調節専用ダムは「流水型ダム」として，河床部に放流設備を有し，平常時には流水の貯留を行わず流入水とほぼ同じ水質が維持されることや，魚類等の溯上・降下や土砂の流下などの河川の連続性を確保しやすいことなどの環境面の特徴が注目されている．
日本における実績は，主として昭和30年代から50年代にかけて都道府県の土地改良事業として建設された中小規模の農地防災ダムがある．一方，国土交通省所管の直轄及び補助事業のダムとしては，島根県益田川ダム(2005)に続き，鹿児島県西之谷ダム，石川県辰巳ダムなどが建設され，今後も増加する傾向にある7)-8)．しかしながらこうした流水型ダムで生じている現象に関しては，現地調査などで一部データが収集されてきているが，実際の環境変化等については十分に明らかになっていない9)-11)．
一般に，貯水池内の土砂流入・堆積・排出過程は図-1のようなプロセスで進むと想定されているが，粒径ごと，特に粗粒土砂の湛水地内の輸送形態については不明な部分が残されている．すなわち，通常状態から洪水ハイドロが立ち上がってくると，上流河道よりさまざまな粒径の土砂が湛水地内に流入してくる（A）．さらに流量が増加すれば，ダム底部に設置された常用洪水吐きによって洪水流量がカットされて湛水が開始され，上流河道と湛水地部で土砂掃流力のギャプが生じて土砂堆積が始まる．特に，大きな洪水時には一時的に堆砂量が増大するものと考えられる．洪水ピーク後には，湛水された水の排水が開始され (B），回復した掃流力によって一時的に堆積した土砂の再移動が始まりダム下流に自然排砂される（C）．しかしながら，このタイミングでは上流河道からの供給流量が減少しており，細粒土砂は排出されるものの，一定規模以上の粗粒土砂は排出されずに湛水地内に取り残される可能性がある．このような粗粒土砂が流入土砂全体に占める割合や，土砂堆積によるダム管

I_1171

ICタグ

試料

写真-1 ＩＣタグ試料

無線通信部

バッテリー
写真-2 (左)読取器,(右)ゲートアンテナ(2) ＩＣタグ試料
タグは，長さ32mm，直径3.8mm，重さ0.8グラムのガ
図-1 流水型ダムの土砂流入・堆積・排出過程
ラス封入タイプである．これをコンクリートブロックに直径4mmの穴を開け挿入し樹脂で封入したものをＩＣタ
理上の影響についてはこれまで十分に検討されていない． グ試料（以下，試料）とする(写真-1）．タグ自体の寿
一方で筆者らは，主に河川域における土砂移動をモニ
命は30年程度であるため，コンクリートブロックに物理タリングする手法として，長期にわたり位置情報の継続的な破損がなければ長期間の追跡が可能である．
観測が可能な ，ＩＣタグ(RFID (Radio Frequency Identification)）を導入した砂礫移動計測手法を開発し，これ(3) 読取器までに，渓流域での砂防ダム排砂時の土砂移動やダムか読取器は，写真-2に示すように，バッテリーおよび無らのフラッシュ放流時の還元土砂の移動プロセスの理解
線通信部からなる読取器本体，ゲートアンテナ(715mmに貢献してきた12)-14)．
×270mm×16mm)，GPS（Global Positioning System）おそこで本報では，このＩＣタグを流水型ダム貯水池内よび制御記録用のノートパソコンで構成される．ゲートに適用し，日本の代表事例である益田川ダム貯水池内をアンテナ（以下アンテナ）以外の装置一式を観測者が背対象に，粗粒土砂の湛水地内の移動プロセスを明らかに負い，アンテナを水中あるいは気中の河床上にかざすこするための現地観測を行った結果について検討を行う．とで試料の有無を判定する．試料が観測された場合，タグ固有の識別番号とGPSの位置，観測日時が記録される．

２．ＩＣタグシステム
３．益田川ダムにおける砂礫移動観測(1) 装置概要
読取器にてＩＣタグが持つ固有の番号を識別する事をその基本機能としている．タグは，電池を内蔵せず読取器からアンテナを通じ電波にてその必要電力が供給されるパッシブタイプと，電池を内蔵しその電力で読取器と通信を行うアクティブタイプに大別される．今後長期にわたり礫の移動傾向を把握する用途であるため，ここでは内蔵せず観測可能期間の長いパッシブタグを採用した.
なお本装置のタグ検出範囲は0.5m程度である．

(1) 益田川ダムの現状と観測目的
益田川ダムの現在の状況は写真-3に示すとおりであり，(a)ダム堤体上流の河道部には，ダム建設前から形成されている砂州が存在し，(b)このうちの一部に粗粒土砂が顕著に集積しており，(c)その粒径は大きいもので10-15cmの礫となっている．そこで，貯水池内におけるこれら粗粒土砂に着目した土砂流入・堆積・排出過程を明らかにすることを目的とする．

I_1172

(2) 観測方法
ダム貯水池内河道部に試料を設置し，その位置の経時変化を追跡する．試料の形状は，写真-1に示すようなコンクリート製の直方体で，写真-3に示す現地の状況および調査範囲近傍の河床材料粒径（図-2）を踏まえて，小（60mm×50mm×40mm）および，大（100mm×80mm×70mm）の2種作成した．数量はそれぞれ64個の全128個である．これら試料の識別番号と試料サイズ，設置位置を全て事前に記録し，その後の追跡で得た識別番号と照合し位置の集計を行う． 2011.6.3に設置した試料の位置，個数を表-1，図-3にまとめる．表中に記述した基準点からの距離とは，ダム堤体上流面中央からの直線距離である．
(3) 試料観測調査
試料設置の約40日後の2011.8.12（第1回調査），および同約70日後の2011.9.13（第2回調査）に試料の追跡観測を行った．第2回調査の調査範囲は，ダム堤体上流面より試料最上流設置位置までであるが，第1回調査は観測機器の都合により第2回調査の下流側約半分の調査範囲に留まっている．各回の観測結果を表-2，図-3，図-4に示す．各回とも設置個数の約40%の試料が観測された．

表-1 試料設置箇所および個数
記号

基準点からの距離(m)161514131211109設置
個数

記号

基準点からの距離
(m)

小大331

33300259
210
16813011294
計33391063643339106364

小

大533

338507501
44940839038036633333333333333765432
1調査日

経過
日数

小設置日 2011.6.9
1回目 2011.8.12

064

64 (100%)
22 (34%)64 (100%) 128 (100%)
26 (41%)48 (38%)

2回目 2011.9.13

96

31 (48%)27 (42%)58 (45%)※ %は設置個数に対して

表-2 試料観測個数
調査

試料観測個数
大0.4km0.2km：河床材料調査位置
0.033km図-3 試料の第1回観測結果

通過質量百分率(%)

写真-3 益田川ダム貯水池と粗粒土砂堆積状況
0.2km堆積部
0.2km流水部
0.4km堆積部
0.4km流水部
0.033km堆積部
0.033km流水部

100
90
80
70
60
50
4030
20
1000.010.1110
粒径(mm)

100

設置
個数

1000

図-4 試料の第2回観測結果

図-2 :粒径加積曲線図(2010.9)

I_1173計

流入量
貯水位流入量(m /s)

試料
設置

60

第1回
調査

第2回
調査

40

第2回
40

35

第1回～第2回の平均移動距離
小大大+小経過
日数

調査

水位(EL.m)80
3

表-5 第1回～第2回の移動距離

45

100

96
4.0 m
3.0 m
3.5 m
※ a)第1回および第2回とも観測された試料 を集計

表-6 試料の設置位置からの移動距離(第2回観測時)

20

観測

0
日付 6/130
7/17/31

第1回第2回とも
観測された
第2回のみ
観測された

8/30

図-5 益田川ダムの流入量(2011.6～2011.9)

経過日数

設置位置からの平均移動距離
小大大+小96

28m

27m

27m

9658 m

61 m

60 m

表-3 設置位置からの移動距離
経過日数

設置位置からの平均移動距離
小大
大+ 小100%

第1回

6444 m

33 m

38 m

75%

第2回

9646 m38 m

42 m

8/12 発見率

調査

表-4 試料の出現傾向
観測履歴

試料観測個数
小大

全体
大発見率
小発見率

50%
25%
0%

計

64 (100%)

64 (100%) 128 (100%)a) 第1回第2回とも観測

13 (20%)18 (28%)31 (24%)b) 第1回のみ観測

9 (14%)

8 (13%)

17 (13%)100%c) 第2回のみ観測

18 (28%)9 (14%)

27 (21%)d) 観測されていない

24 (38%)29 (45%)53 (41%)75%(4) 益田川ダムの流況
観測期間中の益田川ダムの流量を図-5に示す．流量は7/1の出水が65.6m3/sと最も多く，次いで9/4の41.6m3/sであった．この時の湛水深は最大で4m程度である．

9/13 発見率

全個数

00.1
0.2
0.3
0.4
観測基準点からの距離(km)

0.5

00.1

0.5

50%
25%
0%
0.2
0.3
0.4
観測基準点からの距離(km)図-6 設置箇所別発見率(5) 観測試料の移動距離と出現傾向
試料の設置位置から観測地点までの移動距離について
表-5，表-6にまとめると，a)第1回，第2回ともに観測さ表-3に示す．第1回調査と第2回調査の間に出水が有った
れた試料はその平均移動距離が3m程度と，第1回の観測にも関わらず，観測された試料の移動距離の平均値は数と第2回の観測の間にほとんど移動していないことがわmの差異となっている．
かる．また，試料の設置個数に対する観測された個数の試料は識別番号にてその移動観測履歴を確認すること
割合を発見率と定義し，これを最初に設置した場所ごとが可能であるため，観測されたタグを次の4種類に分類にプロットしたものを図-6に示す．
する．a)第1回，第2回ともに観測された．b)第1回のみ観これより，最下流の設置箇所1の試料が100%観測され測された．c)第2回のみ観測された．d)観測されていない．ておりほとんど移動していない点と，c)第2回のみ観測
その分類結果を表-4に示す．分類の結果，40%程度の試された試料の平均移動距離が約60mと長い点が確認され料が d)観測されていないに分類された．
る．さらに流況を考慮すると，第2回のみに観測された
表-3に示したように第1回と第2回の平均移動距離を比ものは，設置当初から出水に応じて移動し，第1回調査較すると大きな差異がないため．第2回の観測結果につ時に河床の交換層下部に埋没して装置の観測範囲外にあいて，a)第1回，第2回ともに観測された試料の移動距離，り観測出来ず，第2回調査時には河床表面付近に再び上c)第2回のみ観測された試料 の2つに分けて集計を行いがって観測された可能性を示すことができる．しかしなI_1174

がら，第1回調査のみで観測された試料の今後の観測結果を含めて，これらを考察する必要がある．
(6) 掃流力と観測結果の関係
益 田 川 ダ ム 貯 水 池 の 河 道 断 面 形 状 (2010.11) と2011.07.01の出水データにおける不等流計算より出水時の掃流力を得て，試料の限界掃流力と比較する．ここで直方体である試料のみなし粒径dを，ふるいの通過寸法として大80mm，小50mmとした．なお，河床に働く掃流力τおよび試料の限界掃流力τCはそれぞれ(1)(2)により算出される．

τ = ρgRie(1)τ C = ρ ⋅ u*2C(2)

ここに，τ：掃流力，ρ：水の密度，ｇ：重力加速度，
R：径深，iｅ：エネルギー勾配，τC：限界掃流力，u*C：限界摩擦速度 である．
限界摩擦速度は岩垣式により，試料の実測比重σ/ρ=2.00，水の動粘性係数ν=0.01308cm2/s (10℃)としてR*を，0.53km付近(図-3)は流れの穏やかな場所であり目視でも新しい土砂が堆積しつつあることがわかる．また，２回の調査でも設置箇所16の試料は全く観測されていない．
このことから同箇所の試料は，流下せず付近に埋没していると考えられる．
また，図-6の試料発見率を図-8の掃流力と重ね合わせ，図-9にまとめる．同図から，掃流力がピーク時・常時共に低い0.25km～0.35kmおよび最上流の範囲に設置した試料の発見率が，他の箇所に比べて低くなっている．これは試料に作用する掃流力が小さいため遠くへと流下せず，そのまま観測システムの検出範囲（0.5m程度）より深く埋没している可能性を示しているが，これらの未観測試料の埋没についての推定は今後継続観測を行い対象洪水の規模や土砂の移動量を整理していく課程で明らかにすべきで課題である．また，0.25kmより下流において，発見率が高い理由として，掃流力が小さく土砂の移動が少ないので，設置した試料も同様にそのまま停留しているためと考えられる．
‐4時間
‐2時間
ピーク時
4時間
8時間

1/ 2

により求めると，d=80mm，50mmいずれの場合においても，R*≧671.0を満足し，限界摩擦速度u*Cの関係式を以下に得る．

掃流力
2g･cm/sec

0.1

R* = {(σ / ρ − 1)g } d 3 / 2 /ν

※黒点線は試料設置位置0.05

試料(大)限界掃流力
試料(小)限界掃流力

u*2C = 0.05(σ / ρ − 1)gd= 49d(3)00

図-7に出水の波形を示す．また，これに基づきピーク流量を挟んで4時間前から8時間後の河道における掃流力を縦断方向に整理したものを図-8にまとめる．なお，益田川ダムの通常時の流入量は図-5と併せて本論文ではピーク4時間前の流量とする．
図-8から，ピーク時流量においてもピーク4時間前流量においても，大小の試料両方の限界掃流力に掃流力が達しない区間が河道にある．実際，設置位置最上流の0.20.4
観測基準点からの距離(km)

図-8 掃流力と試料の設置位置

発見率
100%

2011/8/12発見率
2011/9/13発見率
平常時掃流力出水時ピーク掃流力

75%

0.1
掃流力
2g･cm/sec

70
60
50%

3

流量(m /s)

5040

計算範囲(図-9)

30
20

0.15

25%

ピーク4時間前100.05

試料(大)限界掃流力
試料(小)限界掃流力

2011/07/01

00%

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

00時刻

図-7 2011.07.01の出水波形

0.1

0.2
0.3
0.4
観測基準点からの距離(km)

図-9 掃流力と試料の発見率

I_11750.5謝辞：益田川ダムにおける現地調査に関して，島根県益田県土木整備事務所の協力を得た．また，国土交通省建設技術研究開発助成「山間遊水池としての洪水調節専用（流水型）ダムの高機能化に関する研究（H22-23,代表：九州大学小松利光教授）」の支援を受けた．ここに記して謝意を表す．
参考文献
1)

Lempérière F. ：The role of dams in the XXI century. Achievinga sustainable development target, Hydropower and Dams, Issue
Three, pp. 99-108, 2006.

2)

角 哲也：スイスにおける治水専用オルデンダムの水理設計と管理，ダム技術No.241, pp.3-16, 2006.

3)

図-10 掃流力と試料の移動状況

Sumi T. ：Designing and Operating of Flood Retention DryDams in Japan and USA. Proc. of ICHE Conference on Hydro-

図-10に調査で観測された全試料の移動状況を示す．同
図の横棒は試料の移動履歴で，それぞれの観測状況に従い，緑（第1回，第2回とも観測された），青（第1回のみ観測された），橙（第2回のみ観測された）と色分けした．試料(小)は，掃流力が低い0.25km～0.35kmの範囲を超えて流下しているものがあるのに対し，試料(大)は0.3km付近で留まっており，試料(小)のように長距離流下する観測結果は得られなかった．これは，当初に設置した位置の直近下流で埋没停留している可能性が高い．
また，0.2kmより下流では試料の大きな動きは少なく，試料(小)については平常時掃流力も低下する0.1km前後で停留し，試料(大)については設置箇所にそのまま停留もしくは，僅かに移動しているのみである．このことから，流量波形による不等流計算と岩垣式から得た掃流力の計算結果傾向と，今回の試料の移動観測結果が良好に合致するといえる．

Science and Engineering, Nagoya, Japan, 2008.
4)天野 邦彦：DRY DAMが持つ自然環境への影響特性, ダム
技術No.264, 3-14, 2008.

5)角 哲也：オーストリアにおける流水型ダム, ダム技術
No.277, 1-13, 2009.

6)

角 哲也，船橋昇治，白井明夫：オーストリアにおける流水型ダム（続報）, ダム技術No.287, 16-28, 2010.

7)中村 壽浩：益田川ダムの設計と施工，ダム工学 18(2),111-117, 2008.

8)

Sakurai T., Aoyama T., Hakoishi N., Takasu S., Ikeda T.
Evaluation of the impact of stream type flood control dams onsediment management. Proc. of 23rd congress ICOLD, Q. 89,
Brasilia, 2009.

9)

Kantoush S. A., and Sumi T. : Influence of stilling basin geometryon flow pattern and sediment transport at flood mitigation dams.
Proc. Of the 9th FISC, The Federal Interagency Sedimentation
Conferences, Las Vegas, Nevada, pp. 115-133, 2010.

10) 目 晋一，竹内博輝，青嶋大悟，齊藤明郎：洪水調節専用

４．おわりにダム（流水型ダム）の土砂流出特性に関する調査，ダム工

本論文では，ＩＣタグを用いて日本の代表的な流水型ダムである益田川ダム貯水池内の礫移動観測を行った．
得られた結果は次の通りである．
(1) 礫の移動は従来から使われてきた掃流力の計算式に準じ，またその鉛直方向の位置は交換層を介し河床上に出現したり埋没したりしながら流下していることが明らかになった．
(2) 現況において試料がダムを通過する兆候が見られないため，一定粒径以上の礫はダムを通過することが出来ずそのままダム貯水池内の特定の箇所に，粒径に応じて分級作用を受けて貯留される可能性がある．
今後は，これらを踏まえ，ＩＣタグシステムを用い長期間にわたる礫の移動観測を行うことで，貯水池内の堆砂予測・管理に必要なデータの収集および検討を進めるとともに，堆積した礫の管理方法（例えば，掘削して下流に供給（置き礫）するなど）の検討が必要である．

学19(1), 29-40, 2009.
11) 鈴木荘司, 白井明夫, 船橋昇治：流水型ダムが有する特徴に関する研究 －既存流水型ダムへのアンケート結果等を踏まえて－, 平成19年度ダム水源地環境技術研究所所報，調査研究6-1, 2008.
12) 角 哲也，石田 裕哉，佐竹宣憲：IC技術を応用した砂礫移動に関するトレーサ調査手法の開発，水工学論文集，第51巻，631-636, 2007．
13) 角 哲也，石田 裕哉，佐竹宣憲：ICタグ技術を用いたトレーサ調査手法による砂礫移動観測, 水工学論文集，第52巻，889-894，2008．
14) 角 哲也, 石田裕哉, 佐竹宣憲 : アクティブタグ技術を応I_1176

用した砂礫移動に関するトレーサ調査手法の開発, 水工学
論文集,第54巻,1123-1128, 2010.
（2011.9.30受付）