Pb-16
桜島における火山灰の堆積と浸透特性の経時変化による流出への影響
京都大学防災研究所 ○宮田秀介・藤田正治
京都大学大学院工学研究科 Heba Ahmed Mohamed Ahmed
一般財団法人日本気象協会

2．現地実験
火山灰で覆われた斜面における時間の経過にともなう流出特性の変化を評価するために，自然降雨実験を行った。39×47cm のコンテナの底に排水用に砂利を厚さ 3cm で敷き，桜島の有村川流域において採取した土壌を厚さ 7cm で充填した。さらに実験地で採取した降灰サンプルを土壌表面に厚さ 1cm で付加した。このように作成した実験プロットを傾斜 10°で設置した。コンテナの下流側側面は開放し，土壌層および砂利層の飽和帯が火山灰層表面に到達しないようにした。このプロットを屋外に設置し，自然降雨に対する表面流出量を計測した。発生した表面流はプロット下端に設置した厚さ 0.3mm のアルミ板により貯留タンクに集められ，表面流出量を計測した。また，火山灰層の変化や表面流出を観察するためにインターバルカメラ撮影を行った。雨量は転倒マス式雨量計にて観測した。実験は，桜島の昭和火- 634 -口の東約 4 km に位置する京都大学防災研究所附属桜島火山観測所の黒神観測室の上空が開けた場所で2015 年 7～8 月に行った（図-１）。
表面流観測結果およびカメラ撮影画像より，降雨強度 1.0 mm/5min 程度の弱い雨でも表面流の流下が発生することが確認された。また，降雨強度と表面流出量の関係は，正の相関を示した。以上の結果より，降雨強度から一定の浸透速度（浸透能）を差し引いて表面流量を定めるよりも，降雨強度に表面流出率を乗じて表面流出量を表すことが適当であると考えられた。
降雨の累積にともない火山灰層表面に固い皮膜であるクラストが形成されることが，カメラ撮影画像より確認された。浸透特性の変化はクラストの影響であると考えられた。ここで，表面の火山灰層に物

Field Experiment

Arimura Catchment

図-１

Runoff ratio of overland flow ROF

1．はじめに土石流やフラッシュフラッドは同一降雨イベントにおいても渓流ごとに発生・非発生がはっきりと分かれる。これには降雨の空間分布が関連していると予想されるが，地上雨量観測網により山地流域の降雨空間分布を把握することは困難である。一方，近年配備されている X バンド MP レーダにより，空間分解能 250m かつ時間分解能１分の詳細な降雨観測が可能となっている。
火山の噴火により火山灰が山腹斜面にもたらされると，植生の降灰，浸透能の低下などにより土石流発生頻度が増加することが知られている（地頭薗・下川，1991）。ただし，流出モデルにこの影響を組み込むには定量的な変化を明らかにする必要がある。
断続的な噴火が起きる場合，風向きによって渓流ごとに降灰状況は異なる。近年，X バンド MP レー
ダを利用した噴煙や降灰量推定手法が提案されており（Marzano and Vulpiani, 2012；辻本ら，2015），流域ごとの降灰量の時系列変化をとらえることが可能になりつつある。そこで本研究では，現地実験により新規火山灰層の浸透特性の変化を明らかにし，Xバンド MP レーダによる降灰推定量と組み合わせて降雨‐流出モデルに組み込むことでフラッシュフラッド発生への降灰の影響を検討する。

寺谷拓治・内田良始

現地実験および有村流域の位置

1.00.8(P>100 mm)

0.60.40.20.050

100150200250300

Cumulative rainfall P (ri> 1.0 mm/5min) [mm]図-２

累積降雨と表面流出率の関係の現地実験結果

理的な変化を加える（攪乱もしくは圧密）と考えた
降雨強度 1.0 mm/5min 以上の降雨の積算値と表面流出率を図-２に示す。実験初期は計測上の問題でデータが得られなかったが，降雨強度 1.0 mm/5min 以上の降雨の積算値（>100 mm）と表面流出率を比較すると，降雨の累積により表面流出率が徐々に大きくなる関係が得られた。
3．降雨－流出モデルによる降灰が渓流流出に与える影響の検討
3.1 降雨－流出モデルの改良
本研究では，Miyata et al. (2014)の分布型の流出モデルに改良を加えた。本モデルは，流域を斜面部と河道部に分割し，斜面部における流出計算結果を河道部の入力データとする。斜面部は 10×10m メッシ
ュに分割し，各メッシュが表層の火山灰層と土層からなる基本要素とする。要素間の水移動は最急勾方向の隣接要素にすべて流下するとした。河川部と隣接する要素からの流出は，河川への流入量として河道部のシミュレーションに受け渡した。河道部では，一次元不定流解析により河川流出量を求めた。
X-band MP レーダの降雨解析値を入力データとして流域スケールの流出を予測するために，各計測メッシュ（250×250 m）における表面流出特性を以下のように求めた。まず，レーダの各メッシュでの降雨強度 1.0 mm/5min 以上の降雨の積算値を計算する。
そ し て ， 上 の 実 験 に よ り 得 ら れ た 降 雨 強 度 1.0mm/5min 以上の降雨の積算値（>100 mm）と表面流出率の関係を用い，各メッシュの表面流出率を計算した。ただし，現地実験で確認されたように，供給直後の火山灰は透水性が高かった。そこで，噴火によって該当メッシュに火山灰が新たに供給されると降雨積算値が 0 にリセットされ，表面流出率が初期値にもどるとした。ここでは，辻本ら（2015）の提案した X-band MP レーダのレーダ反射因子から降灰量を推定する手法を利用した。このように，X-band
MP レーダ観測値を降雨と降灰の双方の流出モデルの入力値として用いた。
3.2 対象流域および計算条件
桜島・南岳を源流に持つ有村川流域（流域面積：4.0 km2）を対象とした（図-１）。火山灰や土壌の諸定数は桜島における既往研究（春山ら，1977）を参考に決定し，その他の定数は試行錯誤で決定した。
下の３条件で 2012 年 5～11 月についてシミュレーションを実施した。
Case A：火山灰層への浸透に一定の透水係数を使用
Case B：実験で得た表面流出率と累積降雨の関係を考慮，累積降雨 0 mm（噴火直後，クラスト未発達）
Case C：実験で得た表面流出率と累積降雨の関係を考慮，累積降雨 200 mm（クラスト発達）- 635 -

3.3 結果と考察
2012 年 7 月 12 日に総降雨 110mm の降雨イベントがあり，有村流域においても土石流発生が記録された。この降雨時の流出シミュレーション結果を図-３に示す。流域末端での流出量は，Case C，Case A，Case B の順で大きかった。流出ピーク時（19:14）の表面流水深分布を図-４に示す。流出量が最も大きかった Case C では流域全体にわたって表面流が発生していた。一定の透水係数を使用した Case A では表面流は谷地形に集中し，全域での顕著な表面流は見られなかった。Case C のように表面流発生域の広がりが土石流もしくは泥流の発生に寄与すると考えられる。長期の降雨，降灰データを用いることで，降雨の偏りだけでなく，噴火のタイミングや風向きによる流域ごとの流出の違いが示唆された。
シミュレーション妥当性検証には国土交通省大隅河川国道事務所提供の水位・流速データを用いました。
記して謝意を表します。
引用文献
春山元寿ら（1977）鹿大演習林報，5，65-92．
；地頭薗隆，下川悦郎（1991），砂防学会誌，43(6), 9-15；
Marzano F., Vulpiani, G. (2012) IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing, 50(1), 193-211.；Miyata
S. et al. (2014) Proceedings of the INTERPRAEVENT
2014 in the Pacific Rim, O-33, 1-8.；辻本浩史ら（2015）
平成 27 年度砂防学会研究発表会概要集，P1-098，A-288-A-289．

図-３2012 年 7 月 12 日のシミュレーション結果

図－４

流出ピーク時の表面流水深の空間分布