既設砂防堰堤を活用した小水力発電導入に関する研究～砂防分野におけるGX化実現に向けての取組～
秦野

拓見1・小森谷

1パシフィックコンサルタンツ（株）

哲夫1・菊池将人1・田中真子1・片山直哉1

国土基盤事業本部（〒101-8462 東京都千代田区神田錦町三丁目22番地）

本研究は, 既存インフラ施設に新たな価値を創生することで,エネルギー問題解決に寄与することを目的とし,既設砂防堰堤を活用した小水力発電推進上,重要な3つの課題について解決策を検討し,既設砂防堰堤を活用したGX化の取組を実施した.①市場性を把握するため,全国の既設砂防堰堤のポテンシャル調査を実施し,“発電ポテンシャルの見える化”を実施した.②既設砂防堰堤に取水施設を設置する際の技術的課題点を把握するため,水理模型実験を実施し“既設砂防堰堤の機能を阻害しない取水施設構造の検証”を行った.③本研究により得られた知見を広く一般に周知するため, 手引きの作成,セミナー開催により“普及啓発活動”を実施した.
Key Words : 再生可能エネルギー，水力発電, 既設砂防堰堤，ポテンシャル調査,水理模型実験,普及啓発活動，手引き作成,REPOS, GX

１．はじめに（背景と目的）

２．発電ポテンシャルの見える化

現在,日本では2050年までにカーボンニュートラ
ル達成と2030年度までに温室効果ガスの46%削減（2013年度比）を目指し,“再生可能エネルギーの最大限導入”が政策課題となっている.再生可能エ
ネルギーのうち,水力発電は安定的な電力供給が可能であり,多くの未利用の包蔵水力の存在が示唆されている. 特に,山地が国土面積の約6割を占める日本では，既設砂防堰堤を活用した水力発電に期待が寄せられており,「既設砂防堰堤を活用した小水力発電ガイドライン（案）」1）, 「砂防施設を活用した小水力発電」2）等の資料が公表されている.
一方で,全国約60,000基ある既設砂防堰堤の中で水力発電利用がされている堰堤は僅か60基程度であり,未だ十分な発電利用がされておらず, 土砂の移動が活発な砂防指定区域に発電施設を設置する際のリスクや課題については，十分な知見が蓄積されていないのが現状である.
本研究では,既存インフラ施設に新たな価値を創生することで,エネルギー問題解決に寄与することを目的とし, 既設砂防堰堤を活用した小水力発電推進上,重要な3つの課題について検討を実施した.①
市場性を把握するため,全国の既設砂防堰堤のポテンシャル調査を実施し,“発電ポテンシャルの見える化”を実施した.②既設砂防堰堤に取水施設を設置する際の技術的課題点を把握するため,水理模型実験を実施し“既設砂防堰堤の機能を阻害しない取水施設構造の検証”を行った.③本研究により得られた知見を広く一般に周知するため, 手引きの作成,セミナー開催により“普及啓発活動”を実施した.

(1) 発電ポテンシャル調査方法
国土交通省・都道府県が管轄する約60,000基の既設砂防堰堤について, 全国の国土交通省所管の砂防事務所や各都道府県・砂防部局から砂防台帳等の資料を収集し小水力発電の実現性が高い堰堤をスクリーニング調査により抽出した.スクリーニング時の着眼点と条件を表-1に整理する.
スクリーニング調査により抽出された3,700基の既設砂防堰堤に対し,国土地理院地図（電子国土web）を基に発電所の配置検討を実施した. 既設砂防堰堤を活用した水力発電所の事例の調査・分析結果を踏まえ,発電所の設置範囲は,①本堤より下流側3km以内, ②他の既設取水施設,貯水池,本川合流地点よりも上流側の範囲,③河床勾配が1/40より急勾配となる範囲とした.個別堰堤の最大出力を算出し,地域ごとの総発電出力を計算した.計算式を下記に示す.
∑P = ∑（Q・He・η・g）
Q =（Qd – Qi）・A
He = Ht – Hf

（1a）
（1b）
（1c）

ここに,P：最大出力（kW）,Q：最大使用水量（m3/s）,He：有効落差（m）,η：合成効率72（%）,g：重力加速度9.8（m/s2）,Qd：近傍ダムの流域面積当たりの豊水流量（m3/s/km2）,Qi：流域面積当たり維持流量0.69（m3/s/km2）3),A：対象砂防堰堤の流域面積（km2）,Ht：総落差（m）,Hf：損失落差（m）である.

段階

1次ｽｸﾘｰ
ﾆﾝｸﾞ

着眼点
堰堤構造
流量

表-1 スクリーニング調査時の着眼点と条件
スクリーニング条件
部分透過型堰堤,透過型堰堤を除外する.（不透過型堰堤のみを抽出する.）
本堤位置にて,流域面積2km2未満の堰堤を除外する.
下記の法規制条件範囲内の堰堤を除外する.

法規制

・国立・国定公園(特別保護地区,第1種特別地域)・都道府県立自然公園・原生自然環境保全地域
・自然環境保全地域・国指定及び都道府県指定の鳥獣保護区（特別保護地区）・世界自然遺産地域

特殊要件
2次
ｽｸﾘｰ
ﾆﾝｸﾞ

アクセス性
魚道
表流水
取水影響

登録有形文化財として登録されている堰堤,既に小水力発電の取水施設が設置されている堰堤を除外する.
一般道路,管理用道路等のアクセス路が近傍にあり,道路と本堤水通し天端高の比高差が10m以下の堰堤を抽出する.
魚道がない堰堤を抽出する.
現場写真や航空写真で表流水が確認できる堰堤を抽出する.
他の取水施設の減水区間にない堰堤を抽出する.

(2) 発電ポテンシャル調査結果
ポテンシャル調査結果を図-1,表-2に整理する.調査結果より,実現性が高いと判定された既設砂防堰
堤約3,700基であり,総出力規模は約800MWであった.
また,東北・北陸地域で活用可能な既設砂防堰堤が多く,発電ポテンシャルも大きいことが明らかになった. 1基あたりの最大出力の平均値ΣP／Σnは,関東地方が約330（kW/基）と最も大きいことが明らかになった.
上記のポテンシャル総量は, 現時点でのFIT制度による中小水力発電の新規認定導入量の約1,250MW（2012～2023年）に対し,6割程度と大きく,全国各地に未利用の自然エネルギーが残されていること定量的に把握した.

３．既設砂防堰堤の機能を阻害しない取水施設構造の検証

図-1 設砂防堰堤を活用した小水力発電
ポテンシャルマップ
表-2 ポテンシャルマップ数値データ
地方
発電所基数最大出力ΣP/Σn区分∑n（基）ΣP（MW）(kW／基)

北海道
約200
約34約170(1) 水理模型実験の概要
東北
約800
約188約240
既設砂防堰堤に取水施設を設置する際の課題点と北陸
約600
約165
約280
して,土砂移動が活発な地点にて安定的な取水が確
関東
約400
約132約330
保可能か否か,既設砂防堰堤の減勢機能に影響しな
中部
約400
約83
約210
い構造が可能か否かを把握するため,水理模型実験
近畿約300
約31約100により検証を実施した. 実験対象とする既設砂防堰
中国
約300
約46約150
堤は，土石流区間に位置する堰堤のうち，流量・落四国
約300
約57約190差から最大出力200kW以上が期待でき，アクセス性，九州・沖縄
約400
約64約160
魚道の有無，土砂移動の安定性，施設健全度等を勘
合計
約3,700約800－案し，発電開発地の可能性がある堰堤を選定した．
対象堰堤の諸元を表-3に示す.取水構造形式は,既設取水構造である.開口部の位置は, 砂防設備管理者が発電所の事例調査結果を踏まえ,代表的な取水施設
定める水抜き孔の設置位置を参考に,既設コンク形式である「直接取水方式」と「チロル式取水方式」
リートの打継ぎ目から離隔1.0m以上を確保した位置の2つの構造形式を対象とした.実験条件を表-4に,とした.開口の大きさは,一般的な水抜き孔の内径0.5作成した実験模型の写真を図-2に示す.
～1.0（m）程度とし,最大使用水量が流下可能な内空断面H：0.8m×Ｂ:0.8mとした.
(2) 取水施設の構造形式
対象堰堤の堆砂域の状況は, 満砂・非湛水である
a) 直接取水方式
ため,堆砂防止対策として,取水口周りに越流堤を設
直接取水施設は,砂防堰堤の非越流部に開口を設置するものとした.
けて取水を行う構造である.堆砂域に取水口を設置するため,土砂堆積や落ち葉等の影響を受けやすいb) チロル式取水方式
チロル式取水施設は,越流部の下流側に取水口を設置し表流水を取水する構造である.堰堤水通し部に取水口を設置するため,転石の影響を受けやすいこと,本副堤間の距離を狭めるため,砂防堰堤の減勢機能を低減させる懸念がある取水構造である.取水口のスクリーンバーの前面傾斜角度は, 水理計算にて常時（最大使用水量1.0m3/s流下時）で所定の取水量が確保でき,洪水時には放流水脈を阻害しない角度として15°とした. 放流水脈の下面水面形は,ダムの越流頂形状の設計時に使用される二次元標準越流頂の水面形の式4）を使用した.
y／Hd = 0.53 （x／Hd）1.80

上記の実験結果より,土石流区間における取水構造特性及び既設砂防堰堤の機能を阻害しない取水構造形式としてチロル式取水方式を提案した.
表-3 実験対象とした既設砂防堰堤の施設概要
区分項目
適用
施工年

ここに，Hd：越流頂での設計水頭（m），y：下向きを正とする越流頂からの鉛直距離（m），x：越流頂からの水平距離（m）である．
チロル式取水施設の水路幅は土砂堆積時の維持管理性を考慮し,0.6（m）以上を確保した.また,チロル式取水施設の下流端部には,洪水時に取水停止するための制水ゲートに加え,土砂吐ゲートを設置するものとした.

構造形式

コンクリート重量式

元河床勾配1/18（土石流区間）

堰堤高14(m)

堤長111(m)

水通し幅20(m)流域面積19.86(km2)

堆砂域の状況

満砂・非湛水

最大使用水量1.0(m3/s)

最大出力

830(kW)

取水方式

導水路方式

既設
砂防堰堤

（2a）

計画
発電所

表-4 水理模型実験条件
適用

項目
模型縮尺
水路形状

(3) 水理模型実験の結果を踏まえた考察a) 土砂移動が活発な地点での取水構造の適用性
各取水方式における洪水時の取水口周りの土砂移動動態の観測を実施した.
直接取水方式では，洪水時に取水施設に損傷を与える転石の衝突や土砂堆積は観測されなかった．ただし,減水時には堆砂肩の崩れにより取水口が埋没する現象が観測され，越流堤を設置した場合でも，取水口の埋没現象が観測された.
チロル式取水方式では，洪水時に流下した転石が取水口の上部を滑り落ちる状態が観測され，取水設備に激しい損傷を与える衝突は観測されなかった.
洪水時に,取水施設内への土砂混入が見られ,排砂ゲートを閉鎖条件では水路内に2m程度の土砂堆積があった.排砂ゲートを開放条件では,洪水流により混入土砂がフラッシュされる現象が観測され,土砂堆積はほぼ観測されなかった(図-3参照)．
上記の実験結果より,堆砂域が満砂かつ非湛水の条件下では,土砂埋設の影響を受ける「直接取水形式」に比べ,土砂堆積や転石衝突の影響を受けにくい「チロル式取水方式」の適用性が高いことが明らかになった.
b) 既設砂防堰堤の減勢機能への影響
チロル式取水施設設置時の減勢機能への影響検討として,取水施設設置前後の放流水脈の観測を実施した. 観測結果より,チロル設置前後の越流水脈はほぼ同様の水面形であり,設定したチロル式取水施設の形状により既設砂防堰堤の減勢機能に阻害がないことを示した(図-4 参照).

1995年

実験波形
実験砂
給砂

製作模型

1/50（フルード相似則）
延長:L=18m (堆砂域＋河幅×5程度)
幅：W=2m20年確率：189（m3/s）
50年確率：269（m3/s）
100年確率：383（m3/s）
混合砂（現場の河床材料を模型縮尺の1/50とした粒径を再現）
掃流砂（給砂量は、芦田・高橋・水山（急勾配）式で算出）
・砂防堰堤、河道水路
・直接取水施設・チロル式取水施設
・沈砂池兼ヘッドタンク

砂防堰堤・河道水路

本堤

流向

⽔叩き
直接取水施設

副堤

直接取⽔施設

越流堤

本堤

流向
チロル式取水施設

流向

本堤

流向

チロル式取⽔施設図-2 実験模型写真

排砂ゲート 閉 （20年確率）
排砂ゲート 閉 （50年確率）
排砂ゲート 閉 （100年確率）

排砂ゲート 開 （20年確率）
排砂ゲート 開 （50年確率）
排砂ゲート 開 （100年確率）

標高（ELm）

1083

1082

1081
水路敷高
1080
30.0

25.0

20.0

15.0
距離（m）

10.0

5.00.0図-3 チロル式取水施設内の土砂堆積
1090
1088

水面形：チロル式取水施設（有）

1086

水面形：チロル式取水施設（無）3※Q=383m/s（100年確率）※Q=383m3/s（100年確率）

図-5 既設砂防堰堤を活用した小水力発電の手引き5)
チロル式取水施設

1084

５．おわりに（今後の課題）

標高（EL.m）

1082
副堤

1080
1078

本堤

1076
1074
水叩き

1072
1070
-40-30-20-10
縦断距離（m）

010図-4 チロル取水施設設置前後の放流水脈

４．普及啓発活動の実施
既設砂防堰堤を活用した小水力発電についての設
計手法・使用許可・運用方法について統一的な基準・マニュアルがなく,事業経験やノウハウがない発電事業者には設計難易度が高い.砂防設備管理者
にとっては発電事業者が作成した設計図書が適正か否か,技術的な判断が求められる.既設砂防堰堤を活用した小水力発電の導入・拡大を促進するため,発電事業者及び砂防設備管理者向けに「既設砂防堰堤を活用した小水力発電の手引き」5)の作成した（図5参照）.
本手引きでは,研究によって得られた技術的知見に加え,発電事業者,砂防設備管理者からのアンケート及びヒアリング調査結果を基に「発電事業実施時に注意すべきポイント」,「既設発電所の好事例紹介」,「発電事業検討のケーススタディ」等の実務的な内容をとりまとめた.とりまとめにあたっては,発電事業者や砂防設備管理者に意見を伺い,一般向けにも分かりやすい表現を意識した.
普及啓発活動として, 環境省・国土交通省の連名にて本手引きを公開するとともに, 環境省・国土交通省共同でのwebセミナーを開催することで,本研究により得られた知見・情報・事例を広く一般に周知した.セミナーは総勢143名の参加があり,民間事業者が74%,行政機関19%,その他（新聞社,個人等）7%であった。各プログラムの満足度調査では,「参考になった」あるいは「とても参考になった」が85～97%を占め概ね好評を得ることができた.

本研究では,砂防分野におけるGX化実現に向けての取組として,既設砂防堰堤を活用した「小水力発電ポテンシャルの見える化」,「既設砂防堰堤の機能を阻害しない取水施設構造の検討」,「普及啓発活動」を実施した.本業務成果は,環境省ホームページにて公開されており,個別堰堤のポテンシャル情報は2025年度にREPOS（再生可能エネルギー情報提供システム）への反映が予定されている.今後,情報公開が進むにつれて,砂防堰堤を活用した水力発電事業の増加が想定されるため,事例研究による新たな知見の蓄積が課題となる.
謝辞： 本研究は,環境省事業である「既存インフラ等を活用した再エネ普及加速化事業」の一環として実施した成果をとりまとめたものである.発表にあたりご協力頂いた環境省大臣官房総合政策課環境研
究技術室様，国土交通省水管理国土保全局砂防部保全課流木対策係様、既設発電所の事業者様に感謝の意を申し上げます．
参考文献
1) 国土交通省砂防部保全課:既設砂防堰堤を活用した小水力発電ガイドライン（案）,2010.
https://www.mlit.go.jp/river/sabo/seisaku/sabo_shosui.pdf
2) 国 土 交 通 省 砂 防 部 : 砂 防 施 設 を 活 用 し た 小 水 力 発電,2024.
https://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/sabo/
pdf/Small-hydropower.pdf
3) 国土交通省河川局河川管理課：正常流量検討の手引き（案）,2007.
https://www.mlit.go.jp/river/shishin_guideline/ryuuryoukentou/tebiki.pdf
4) 土木学会：水理公式集（2018年版）pp.400-403,2018.
5) 環境省・国土交通省: 既設砂防堰堤を活用した小水力発電の手引き,2024.
https://www.env.go.jp/content/000214398.pdf