蛇行復元による釧路湿原への流入土砂負荷軽減効果の定量化に関する検討
いし だ のり お

いしばしよしあきこ もとともゆき

すみともけいぞう

石田憲生・石橋佳明・小本智幸・住友慶三

株式会社ドーコン（〒004-8585 北海道札幌市厚別区厚別中央1条5丁目4番1号）

釧路湿原では湿原植生の変化が課題となっている．要因として，湿原周辺の土地利用の進展及び河川改修に伴い，湿原中心部への土砂流入・堆積量増加による乾燥化が指摘されている．釧路川茅沼地区では土砂軽減対策として「河川の蛇行復元」が実施された．湿原植生回復に向けた各支川での蛇行復元推進にあたり，茅沼地区での土砂軽減効果の定量化が課題となった．本検討では出水時の濁水氾濫及び土砂堆積状況を再現可能な計算モデルを構築し，蛇行復元による土砂軽減効果を算定した．本モデルは釧路湿原の土砂軽減対策検討の他，水害・土砂災害予測及び対策検討への活用が期待される．
Key Words : 蛇行復元，シミュレーション,土砂軽減，効果検証，自然再生

１．はじめに釧路湿原は釧路川に沿って広がる日本最大の湿原で，特別天然記念物のタンチョウをはじめ，約2,000種の野生生物が生息・生育している1)．釧路湿原は，図-1のように昭和20年代に比べハンノキの樹林面積が約4倍に拡大し，ヨシやスゲの割合が減少した．このような急激な植生変化は，野生生物の生息環境にも影響を及ぼしており問題となっている．ハンノキ林拡大の主な要因として，湿原上流域の土地利用の進展に伴う降雨時の土砂生産量増大に加え，河道の直線化・拡幅に伴う氾濫頻度低下により，湿原中心部への土砂流入・堆積量が増加し，湿原の乾燥化が急速に進んだことが挙げられる2)．図-3のうち久著呂
川では，湿原への流入・堆積土砂量が約3倍に増加したとの報告がある2）．この緩和策として湿原上流部での土砂軽減対策が重要であり，図-2のように直線化された河川の「蛇行復元」が釧路川本川の茅沼地区で平成22年度までに実施された．蛇行復元の目的は多岐に亘るが，本稿
では湿原植生の保全・再生に影響が大きいと考えられる「湿原中心部に流入する土砂の軽減」について述べる．

２．釧路湿原の土砂軽減対策に関する課題と対応策(1) 課題茅沼地区の蛇行復元は，湿原流入土砂量の軽減に向け，氾濫頻度の回復により湿原流入土砂量の3割軽減を目標に

雪裡川
2,550m3/年

3)

図-1 釧路湿原の植生面積の変化

久著呂川
3,010m3/年

ヌマオロ川
1,810m3/年

オソベツ川
2,820m3/年

茅沼地区
釧路川
8,620m3/年

蛇行復元区間

塘路湖

釧路川

200m

(c)NTT空間情報株式会社

幌呂川
1,720m3/年

復元前

達古武湖

釧路湿原

河岸の盛土撤去
直線河道埋戻し

広里地点
5,980m3/年

釧路川

200m

太平洋

復元後(平成29年)

図-2 蛇行復元前後の河道形状の変化

湿原堆積土砂量 9,920m3/年
本・支川からの流入 15,900m3/年と広里地点からの流出 5,980m3/年の差分

図-3 釧路川本・支川から湿原に流入する年間細粒土砂量3)－5－実施した．茅沼地区では植生回復効果が確認されており， 実測値との整合性を確認した．再現計算に用いる流量は，釧路湿原全体の植生回復に向け，今後さらに釧路川各支
図-5に示す旧川復元後の夏期出水のうち平均的な規模で川における蛇行復元の推進が不可欠である．しかし，事あった平成26年8月出水とした．
業推進のためには茅沼地区での湿原乾燥化の抑制による＜氾濫流の基礎方程式＞
植生回復効果の検証が必要であり，湿原乾燥化の要因の［連続式］一つである湿原流入土砂量の軽減効果の定量化が課題となった．この課題を解決し，土砂軽減効果を明らかにすることにより，釧路湿原の保全・再生に向けたさらなる事業推進が可能となる．
(2) 対応策
茅沼地区では事業効果把握のため，図-4のように水位流量観測，出水時の河道内通過土砂量及び氾濫原の土砂堆積厚をモニタリングしている．
土砂軽減効果の検証にあたっては，目標設定時の算定方法に準じ，蛇行復元を実施した場合と未実施の場合の湿原への年間流入土砂量を算定し軽減効果を求める必要がある．また，流入土砂量は出水規模により大きく異なるため，目標設定時の検討に使用した年間流況に基づき検証する必要がある．しかし，モニタリング結果は蛇行復元後の夏期出水時に限定されることや，蛇行復元未実施の場合のデータが得られないことから，現地計測データのみでの効果検証は困難である．よって，モニタリン
グによる実測値を再現可能な計算モデルを構築し，計算結果の妥当性を確保した上で，シミュレーションにより蛇行復元実施・未実施の湿原への年間流入土砂量を算定することを提案し，実施した．

∂h ∂M ∂N++=0∂t ∂x ∂y［x方向の運動量式］
 ∂2M ∂2M ∂ (h + z b ) gn 2U U 2 + V 2∂M ∂ (UM ) ∂ (VM )++= − gh−+ ε+∂t∂x∂y ∂x 2


1

∂xh 3

∂y 2 

［y 方向の運動量式］
 ∂2N ∂2N ∂ (h + z b ) gn 2V U 2 + V 2∂N ∂ (UN ) ∂ (VN )++= − gh−+ ε  2 +1∂t∂x∂y∂y3∂y 2  ∂xhh
M,NU ,Vzbng：水深(m)：x,y 方向の流量フラックス(m3/s/m)：x,y 方向断面平均流速(m/s)：地盤高(m)：マニングの粗度係数：重力加速度(=9.8m/s2)：渦動粘性係数εM = Uh, N = Vh

＜浮遊砂の基礎方程式＞［浮遊砂の連続式］∂Ch ∂ (uCh ) ∂ (vCh )∂ 2 (Ch )∂ 2 (Ch )+++ (w f C − q su ) = D x+ Dy2∂t∂x∂y∂x∂y 2［沈降速度式］(Rubey の実験式)
wfsgd=2 36ν 236ν 2+−
3 sgd 3sgd 3

［浮遊砂の浮上量式］(板倉・岸の式)
q su

３．実測値を再現可能な計算モデルの構築

sgd

w f 0.9 ρ = 0.0080.14 14 τ * −−ρ s τ * sgd ［河床変動の連続式］(1) 従来モデルによる実績出水再現∂η1
蛇行復元計画検討時のモデル(以下，従来モデルと称(w f C − q su ) = 0−
∂t 1 − λす)により，実績出水の土砂堆積状況の再現を行った．表：浮遊砂濃度C-1に計算条件を示す．計算手法は，タイムステップ毎の：水深(m)hu, v：x,y 方向流速(m/s)
水理量から浮遊砂量を計算し，流砂連続式から河床変動：沈降速度(m/s)
wf量を求める浮遊砂対象の平面二次元河床変動計算である．
：浮遊砂浮上量(m3/s/m2)
q su
D x , D y ：x,y 方向の浮遊砂粒子の拡散係数4）基礎式 を以下に示す．再現性は，河川水位，河道内通：水の動粘性係数(≒0.01×10-4m2/s)
ν：砂粒の水中比重(=1.65)s
過土砂量及び出水後の氾濫原の土砂堆積厚分布について

dg
ρ, ρs
τ*u*nη
λ：砂粒の粒径(m)：重力加速度(9.8m/s2)：水、砂粒の密度：無次元掃流力：摩擦速度(m/s)：マニングの粗度係数：河床高(m)：砂粒の空隙率五十石

表-1 計算条件(モデル改良における変更項目は太字下線)

旧川復元区間茅沼下五十石下流

河川水位・流量
堆積土砂量調査

図-4 モニタリング項目と調査地点

浮遊砂量

H26.8出水(五十石地点)
同左
約9㎞×約3㎞
同左
1格子サイズ10m×10m
低水路 0.025
低水路 0.025
氾 濫 原 0.060
氾 濫 原 0.010
板倉・岸の式板倉・岸の式(河 道 部 堆 積 ・ 浮 上 な し ) (河 道 部 堆 積 ・ 浮 上 考 慮 )考慮しない
芦田・江頭・劉の式
混合粒径
混合粒径(H23調査結果 6 区 分 )(H23,29調査結果 1 0 区 分 )
混合粒径
設定なし
(H26調 査 結 果 14区 分 )0.01(m 2 /s)
同左(Richardsonの4/3乗則)
自由流出
同左

粗度係数
浮遊砂浮上量
掃流砂量

500

流量（m3/s）

従来モデル
H26.8出水(五十石地点)

格子浮遊砂濃度

茅沼

項目
計算流量

H23.9
H24.10H26.8
H27.8
H28.8400300浮遊砂粒径分布
河床材料粒径分布

浮遊砂拡散係数200

氾濫域両端・下流端

10000102030時間（hr）

405060改良モデル【変更による改善点：表－１の番号と対応】①水位及び氾濫原堆積土砂厚の再現性向上②土砂移動量増による氾濫原堆積土砂厚の再現性向上③粒径区分細分化による土砂移動量の精度向上

図-5 夏期出水流量(五十石地点 H25は欠測)

－6－

変更点

同左

①②②③③

13.0
12.5
12.0
11.5

水位(m)

河川水位は，図-6のように各水位観測地点における時刻変化を概ね再現することができた．一方で，図-8，図9に示す河道内通過土砂量及び氾濫原土砂堆積厚は，実測値に比べて小さく再現性が低い結果となった．氾濫原の粗度係数等のパラメーターを調整しトライアル計算を繰り返したが，これらの再現性は改善しなかったため，計算モデルを改良することとした．

11.0
10.510.0

観測水位(五十石下流地点)
観測水位(茅沼地点)
観測水位(茅沼下地点)

9.5
9.00510152025303540

計算水位(五十石下流地点)
計算水位(茅沼地点)
計算水位(茅沼下地点)
4550556065

計算時間(h)
図-6 従来モデルによる水位再現結果(H26.8出水)

12.5
12.0

水位(m)

11.5
11.0
10.5
観測水位(五十石下流地点)
観測水位(茅沼地点)
観測水位(茅沼下地点)

10.0
9.5
9.005101520253035 40 45
計算時間(h)

計算水位(五十石下流地点)
計算水位(茅沼地点)
計算水位(茅沼下地点)
505560657075

図-7 改良モデルによる水位再現結果(H26.8出水)

通過土砂量(m3)

2500

2,200

2,000

2000
1500
1000

640

5000
実測値

計算値(従来モデル) 計算値(改良モデル)

図-8 茅沼地点の河道内通過土砂量再現結果(H26.8出水)

実測値

計算(従来モデル)

計算(改良モデル)

1000
10010
10.1
0.010.001

KP32.0-1
KP32.0-2
KP32.0-3
KP32.0-4
KP32.0-5
KP32.0-6
KP32.6-1
KP32.6-2
KP32.6-3
KP32.6-4
KP32.6-5
KP32.6-6
KP32.6-7
KP33.0-1
KP33.0-2
KP33.0-3
KP33.0-4
KP33.0-5
KP33.0-6
KP33.0-7
KP33.6-1
KP33.6-2
KP33.6-3
KP34.0-1
KP34.0-2(3) 改良モデルによる実績出水再現
改良モデルにおいても，図-7のように各観測地点の水位は概ね再現できた．河道内通過土砂量及び氾濫原土砂堆積厚の再現計算結果を図-8～図-10に示す．図-8のように，従来モデルに比べ通過土砂量が実測値に近づき，図9のように各土砂堆積厚調査地点の実測値をほぼ再現できた．さらに，図-10のように，氾濫原土砂堆積厚分布は従来モデルに比べ全体的に堆積厚が増大しており，実測値に見られるように堆積厚が河道沿いで大きく，河道から離れるにつれ小さくなる傾向が再現できた．これらの結果により，改良モデルの土砂堆積状況の再現性は良好と判断した．

7513.0(計算値／実測値)(2) モデル改良の着眼点
蛇行復元計画検討時は，河道内の通過土砂量や氾濫原への土砂堆積厚の実測値が存在しなかったため，「計算領域への浮遊砂流入量＝計算領域内堆積量＋水中浮遊砂量＋全流出量」という計算領域における土砂収支の成立により従来モデルの妥当性を判断した．この段階では，浮遊砂のみの計算で土砂収支が成立し，河道からの浮上や掃流砂は土砂収支に大きく影響しないと仮定していた．
しかし，従来モデルを用いた蛇行復元後の実績出水の再現計算では，河道内通過土砂量及び氾濫原土砂堆積厚が実測値より小さかった．一方，計算領域の上流端条件として与えた土砂量はモニタリングによる実測値であり正しい．そのため，計算領域内の河道からの浮遊砂浮上量及び掃流砂が土砂供給源になっていると考え，これらを見込んだより実現象に近いと考えられる計算条件を設定した．表-1に改良モデルの計算条件を示す．

70

土砂堆積厚観測地点

値が1に近いと実測値との整合が良好．1より小さいと実測値より計算値が小さく，1より大きいと実測値より計算値が大きい．

図-9 氾濫原土砂堆積厚の再現結果(H26.8出水)

４．茅沼地区における蛇行復元の事業効果検証
事業効果の検証は，年間を通じた実績流量を用いて改良モデルによるシミュレーションを実施し，土砂軽減効果量を算定する必要がある．しかし，本シミュレーションの計算時間は，実際の時間と同程度であることから，工期内に成果を得るために次の方法を提案し，実施した．
①実績の代表出水を規模別に選定して蛇行復元実施・未実施の各ケースでシミュレーションを実施．
② ①により各時刻流量と湿原流入土砂量との関係式を蛇行復元実施・未実施の各ケースで作成．
③ ②の関係式に過去15年分の実績時刻流量を与え，蛇行復元実施・未実施の年平均湿原流入土砂量を算定して比較．

－7－

釧路川

従来モデル

○:土砂堆積厚調査地点

釧路川

改良モデル

○:土砂堆積厚調査地点

図-10 氾濫原土砂堆積厚の再現結果(H26.8出水)湿原流入土砂量（m3/s）復元前（大規模出水）
湿原流入土砂量（m3/s）復元後（大規模出水）
湿原流入土砂量（m3/s）復元前（中小規模出水）
湿原流入土砂量（m3/s）復元後（中小規模出水）

湿原流入土砂量（m3/s）

0.80.7y = 2.8E-10x3.56

y = 1.6E-09x3.28

0.6
0.5
0.4
0.30.2y = 2.9E-07x2.25

0.1

y = 8.1E-08x2.43

00100

200

300
流量(m3/s)

400

500

600

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

平成16年

平成15年

平成14年

軽減割合（右軸）

平成13年

平成12年

平成11年

平成9年

蛇行復元実施（左軸）

平成10年

平成7年

平成6年

平成5年

平成4年

(1) 釧路湿原自然再生事業への活用
本検討により蛇行復元事業の土砂軽減効果が定量的に証明され，事業の継続・推進，さらには釧路湿原の保全・再生の達成につながる重要な検討結果が得られた．
蛇行復元は今後も釧路川水系の支川で実施する計画であり，これらの計画検討及び実施後の効果検証に関する有益なツールが得られた．また蛇行復元以外の土砂軽減対策における計画検討にも活用することができた．さらには，釧路湿原全体での土砂流入・堆積状況のシミュレーションにより，将来予測が可能となった．

平成3年

蛇行復元未実施（左軸）

平成8年

50,00045,00040,00035,00030,00025,00020,00015,00010,0005,000
0

湿原流入土砂軽減割合

図-11 流量と湿原流入土砂量の関係

平成2年

５．今後の展開（表-2）10.9

湿原流入土砂量（m3/年）

実績出水の流量を与えたシミュレーション結果と，作成した関係式に同じ実績出水の流量を代入して算定した湿原流入土砂量が概ね一致したことにより，関係式で算定した湿原流入土砂量の妥当性を確認した．作成した各時刻流量と湿原流入土砂量との関係式を図-11に示す．この結果，図-12のように蛇行復元により湿原流入土砂量が年平均で約4割軽減されている結果となり,計画時の目標である3割軽減を超える効果を発揮していることが確認できた．
図-13に平成26年8月出水のシミュレーション結果による土砂堆積厚分布図を示す．蛇行復元実施後は，未実施に比べ，蛇行復元区間やその上流側で多く土砂が氾濫・堆積し，湿原中心部への流入・堆積土砂量を軽減する効
果を視覚的にも確認することができた．

図-12 年間の湿原流入土砂量の算定結果
蛇行復元未実施

湿原 蛇行復元区間
蛇行復元実施(2) 他河川の環境保全への活用
北海道内では河川沿いに多くの旧川や湖沼，ワンドが残されており，生物多様性の観点から重要性が再認識されている．これらには，出水時の土砂流入により埋没・消失が危惧される箇所もあり，本モデルを活用し，その予測及び対策立案が可能である．

湿原 蛇行復元区間

蛇行復元区間とその上流側で堆積

湿原側では堆積量減少

図-13 蛇行復元未実施(上)と実施(下)の土砂堆積厚分布表-2 モデルの活用による今後の業務展開(3) 水害・土砂災害予測への活用
近年，豪雨による水害・土砂災害が頻発し，かつ大規模化している．本モデルを活用し，浸水範囲に加え土砂堆積による被害地域や復旧作業規模の予測，さらには土砂災害被害を未然に防ぐ対策や土地利用計画に関する検討への活用が可能と考えている．
謝辞：本稿の作成にあたり快くご承諾頂いた北海道開発
局釧路開発建設部の関係者の皆様，また，設計共同体にて共に業務を遂行した一般財団法人北海道河川財団の関係者の皆様に，厚く御礼申し上げます．

項目

業務展開の内容

(1)

釧路湿原
自然再生

・今後の蛇行復元の効果予測、実施後の効果検証
・土砂調整地など他事業の効果予測、効果検証(2)

他河川の環境保全

・河川からの土砂流入で消失の可能性がある自然環境(ワンド等)の将来予測、保全対策検討(3)

水害・土砂災害予測

・浸水範囲予測に加え、土砂堆積状況を予測し、被害地域の特定、復旧作業規模の予測と対応策立案
・土砂の被害を未然に防ぐ対策、土地利用計画検討

参考文献
1)北海道開発局釧路開発建設部：釧路川水系河川整備基
本方針，p.2，2006.9
2)北海道開発局釧路開発建設部他：釧路湿原自然再生事
業，土砂流入対策実施計画[久著呂川]，p.16，2006.8
3)北海道開発局釧路開発建設部：釧路湿原自然再生事業，ヌマオロ地区旧川復元実施計画，P.8，2017.74)名久井孝史・清水康行・藤田隆保（2003）:釧路湿原における河川氾濫に伴う土砂堆積と乾燥化現象の関連性に関する研究,水工学論文集,47,pp.907-912－8－