京都大学防災研究所年報 第 56 号 B 平成 25 年 6 月
Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 56 B, 2013

河川生息場の変動履歴分析のための河床地形モニタリング手法の開発
A Geo-morphological Monitoring Method for Analyzing Riverine Shifting Habitat Mosaic

兵藤誠・粟津陽介・竹門康弘・角哲也・鄧朝暉(1)Makoto HYODO Yosuke AWAZU, Yasuhiro TAKEMON, Tetsuya SUMI, Zhaohui DENG(1)(1) いであ株式会社(1) IDEA Consultants, Inc., Japan
SynopsisSome recent studies highlighted dynamic nature of spatiotemporal patterns of riverine
habitats. Existing habitat evaluation tools, however, lack this perspective. In order toanalyze spatiotemporal patters that support biological diversity, we conducted a casestudy in a middle reach of the Tenryu River. Firstly, a set of interval-recording-cameras
have been installed to monitor spatiotemporal changes caused by various flood eventswith different intensity and frequency. Secondly, we measured riverbed softness ofhabitat units, of which riffles are of particular importance for Ayu fish (Plecoglossus
altivelis altivelis) as a spawning redd. Finally, we developed a monitoring method toanalyze changing patterns of riverbed and riverine shifting habitat mosaic using aphotogrametoric method. Habitat data recorded via several interval-recording-cameras
were transformed into ortho data, and showed the effectiveness to analyze and quantify
the spatiotemporal patterns.

キーワード :河床地形モニタリング，変動履歴，シフティングハビタットモザイク，河床軟度，生物多様性

Keywords: geo-morphological monitoring, spatiotemporal patterns, shifting habitat
mosaic, riverbed softness, biological diversity

1.

はじめに

1.1

現状の河川環境の評価手法と課題虫を指標として，その生息場に係る物理環境を指標とした予測モデルにより，自然状態 (リファレンス)と現状を比較し，分類化や重み付けにより点数付け

治水と環境の一体的な管理を行うためには，河川を行っている (Parsons et al., 2001)．

環境を適切に評価する必要がある．河川環境の評価

これらの手法は，河川生態系の「現状」についてを行う手法として様々なツールが存在する．例えば，評価を行うことで，自然再生事業や環境アセスメン

Habitat Evaluation Procedures (HEP) やAustralian

トにおける代償措置等の合意形成の場で活用されてRiver Assessment System (AUSRIVAS)等であり，HEPいる．利害関係者間で認識を共有するツールとしては，複雑な生態系の概念を特定の対象生物の生息場

国内でも適用された事例がある．

に置き換え，その生息場適性指数 (Habitat Suitability

しかしながら河川生態系は，Fig.1に示すように，

Index: 質×空間×時間) に基づき定量的に評価する

二次流路，瀬や淵，ワンドやたまり等の河川生息場手法である (US FWS, 1981)．AUSRIVASは，水生昆（の要素）が経年的に創出や消失を繰り返し，生息― 699 ―

場環境の変動履歴（時間的・空間的パターン）の結

1.2

本研究の目的と本論文の位置づけ

果として形成されるものであるが，現在普及してい本研究は，河川生息場の時間的・空間的な変動歴る手法は，変動履歴という観点を適切に評価できてを適切に分析し，生物多様性（個体数と種数）を最いない．

適にする変動履歴の条件を設定した上で，その条件

近年の研究では，河川生息場の機能を評価する上を満たすための土砂（粒径及び量）と流況（ハイドで，Shifting Habitat Mosaicという概念が着目されていログラフ）のシナリオを推定し，シナリオを実現す

る．それは，「氾濫原の河川生息場は，ある生息場るための管理手法を提案することを最終的な目的との要素を見ると消失・創出の変化（更新）が生じる

する．

が，ある一定の領域スケールから俯瞰的に見ると，

本論文では，その第一段階として，河川生息場の瀬や淵，ワンドやたまり等の生息場要素の配置は変変動履歴に着目し，異なる洪水規模による河床地形

化するが，全体の構成要素は比較的安定して存在すの応答について詳細に把握した．具体的には，河床る」(Arscott et al., 2002)という考え方であり，河川環

地形に多様な変化が生じる天竜川（16.3k付近）を対境を評価する上で重要な指標となる．河川生息場に

象に，河道内に設置されている鉄塔（中部電力所有

着目して評価を行うためには，その変動履歴を適切の許可工作物）の河床から約60mの高さにインターに捉えると共に，生物多様性（個体数や種数）を最

バル撮影機能付きデジタルカメラを設置して，鉄塔適化する変動履歴を把握する必要がある．既往研究

より上下流に向けて1時間間隔の撮影記録を行った．

により，河川生息場の空間的な多様性が生物多様性

この結果を用いて洪水時の流れの特性や，その結果を最適にすることが示唆されている（Takemon,として生じる河川生息場の変動履歴を分析した．次

1997）．更に，生息場寿命（Habitat Age）という新に，河川生息場として，瀬，たまり，ワンドの河床

たな視点から，時間的な変化の中で，河川生息場がの軟度を調査し，洪水時流れの特性との関連性を考多様に存在することの重要性が示されている．北イ

察した．その中で天竜川の天然資源として重要なア

タリア・タリアメント川では，河川に隣接する山付

ユの産卵床となる瀬に着目して，産卵にとって好適の高所からデジタルカメラで１時間間隔に撮影したな河床環境の形成過程，特に産卵床にとって重要な画像を用いて河川生息場形成後の継続時間を分析し，軟らかい河床が形成される流量条件を，現地の河床

継続時間が異なる河川生息場が多く存在することが軟度調査，及び河床変動解析により分析した．更に，種の多様性を高めることを把握した（Arscott et al.,

河道内に設置したデジタルカメラの撮影画像につい2002）．河川生息場の時間的・空間的パターンと生て，解析写真測量技術を用いてオルソ化を行い，河物多様性の関係を把握するためには，河川生息場の

川生息場の変動履歴を定量的に分析するための，新要素毎の変動履歴を定量的に追跡し，時間的及び空たな河床地形モニタリグ手法を開発した．

間的パターンを編み合わせるような分析を行う必要
がある．

1.3

天竜川対象地区の概要

本論文で対象とする天竜川では，天竜川ダム再編事業が行われており，本事業は恒久的な土砂対策の施設整備を行うことにより，佐久間ダムの治水・利水容量を維持するとともに，土砂移動の連続性を確保すること，また，ダム貯水池内からの土砂供給による河川環境の改善，及び海岸線後退の抑制等を目的としている．一方で，天竜川のダム下流の河道区間では河床の粗粒化や樹林化，ダムによる洪水時の濁水長期化によるシルトの付着等の変化が生じている．また，近年アユの漁獲高が減少しており，じれらの問題を解決する必要がある．
天竜川16.3k付近は，天竜川の最下流に設置されている船明ダムの下流区間であるが，洪水により河床地形が変化しやすい状況にあり，また，減少傾向にあるが，瀬ではアユの産卵が確認されている．アユの産卵環境として，瀬の中で礫が浮石の状況であり，かつ，河床軟度が高い（河床が軟らかい）箇所が好
Fig. 1 Riverine habitat structure (竹門康弘, 2007)

適であることが分かってきた（角ら, 2011；鈴木ら,― 700 ―

2011；村井ら, 2012）．そのため，ダム上流域からのシルトや砂の供給量が増えて，シルトや砂，礫の構研究対象箇所（右図の

を拡大）

船明ダム

成比が著しく崩れると礫間に目詰まりが生じ（浮石
環境が減少し），河床環境が悪化する．また，シル

飛龍大橋

トにより礫が被覆されると付着藻類が劣化し，アユ

17.0kmの採餌環境に負の影響を及ぼすこと等が懸念されている．アユにとって好適な河川環境を維持するため
16.5kmには，上流域からの適切な土砂（量と質）の供給と土砂を輸送する洪水流のバランスを解明することが

浜北大橋

Tower

重要となる．

2.

河床地形モニタリング

かささぎ
大橋

河床地形モニタリングでは，河川生息場をマクロ

16.0km

天竜川橋

及びマイクロの異なる空間的スケールで捉えるために，インターバル撮影機能付きデジタルカメラにより，洪水時流れの特性や河川生息場（の要素毎）の変動履歴をマクロ・スケールで把握し，生息場要素

An aerial photo taken in 2013.12
新天竜川橋(東名高速道路)（写真提供：浜松河川国道事務所）の河床軟度に着目して変動履歴をマイクロ・スケー(a) The study site selected is located at 16.3km from the

ルで把握するために現地調査を行った．

river mouth, which is a downstream reach of the Funagiradam (located the most downstream at 30 km). Several

2.1

カメラモニタリングの概要

interval-recording-cameras have been installed to monitor

河川生息場の変動履歴をマクロ・スケールで把握するために，天竜川（16.3k付近）の河道内に設置さspatiotemporal patterns of riverine habitat at upstream
and downstream reaches of the study site.

れている鉄塔（中部電力所有の許可工作物）の河床から約60mの高さに，インターバル撮影機能付きデ
ジタルカメラを2012年8月8日に設置し，設置したカメラから鉄塔の上流及び下流に向けて1時間間隔でApprox. 60m
from the riverbed（5時から19時までの毎時15回，夜間を除く），撮影
記録を行った（Fig 2.）．各カメラに太陽光パネルを設置し，電池による通常のバッテリーを併用することで長期間の連続撮影を可能とした．また，1ヶ月に一度程度，鉄塔上で撮影データの回収を行うとともに，撮影角度の調整や故障したカメラの交換，バッ(b) Interval-recording-cameras were located in a middle

テリー交換等の維持管理を行っている．
インターバル撮影機能付カメラによる撮影画像を

of the river channel, approximately 60 m high from theFig. 3に示す．生息場環境として，上下流を合わせて

riverbed. These cameras have been equipped with solar

瀬を3個，ワンドを7個，たまりを6個特定し，これら

panels, enabling data accumulation of a longer period.

の変動履歴をカメラによるモニタリングで追跡した．

Fig. 2 A camera monitoring location at the Tenryu River.

モニタリングでは，2012年8月8日以前の5月17日にカInterval recording of camera photo data has started since

メラ設置に関する現地テストを行っており，その際

8 August 2012 to date. Photos were also taken on 17 Mayに鉄塔での塔上作業を行いカメラによる撮影画像を2012 as a field test of the interval recording prior to its

記録しているため，本論文ではその画像も活用する．

implementation, and therefore were used in this article to

また，モニタリングは8月8日以降，現在に至るまで

analyze spatiotemporal patterns of riverine habitat.

継続的に行っているが，瀬の河床軟度の調査を2012
年9月，10月，11月の3回にわたり行っているため，
ここで論じるモニタリング結果は，2012年8月8日から同年12月末までの約3ヶ月間を対象とした．

― 701 ―

30 cmDepthmeasured

Locations ofdepth measured

Flow

Downstream

Approx. 5 m

Upstream

MiddleFig. 4 Survey on riverbed softness by “shino”. As(a) A view of an upstream reach from the camera site

shown in the fig.4 up, shino was used to measure
riverbed softness by sticking it with certain weights
into riverbed and measuring the depth of being
stuck. A matrix was organized at each habitat unit,
in which grids were locations of depth measured.
Depths measured five times at each grid wereaveraged and adopted as the riverbed softness.
2.2

河床軟度調査の方法

河床軟度調査では，河川生息場（瀬，たまり，ワンド）について，生息場の大きさに応じて流下方向に最大12ライン～最小3ライン，流下方向に垂直（横(b) A view of a downstream reach from the camera site断方向）に最大16ライン～最小5ラインを引いてマト

Fig. 3 Views of interval recording photo data by camera

リックスを作成し，その格子点の河床軟度を計測しmonitoring. Habitat units of upstream anddownstream reaches were identified. At the
beginning of this camera photo monitoring, in total
3 riffles, 7 back waters, 6 side pools were identified.
Spatiotemporal patterns of these habitat units
identified were monitored via these cameras set.

た．計測にあたっては，縦横断方向にメジャーを張り，格子点間の距離を把握できるようにした．河床軟度の計測の方法は，目盛を刻んだシノを河床に一定の荷重をかけて突き刺し，その貫入深を記録した．
1地点につき，5回行いその平均値を河床軟度とした．
河床が軟らかい程，河床軟度の値は大きくなる．
Hourly water stage

Hourly water stage and flow discharge at Kashima in the Tenryu river
490m3/s23 Oct.

Observed maximum water stage: T.P.+38.151m(2003/8/9 15:00)
Mean annual flood discharge: 4,000m3/s(from 2005 to 2010)

Hourly flow discharge

40

0

37

Camera test
conducted
17 May

36
35

1,000
1,500
2,000
2,500

2,260m3/s
13 July

3,610m3/s
20 June34

520m3/s
26 Nov.

490m3/s23 Oct.

11 Sept.

13 Oct.

17 Nov.

3,000

Habitat surveys on riverbed softness conducted

33

3,500

Fig. 5 Hydrograph on hourly water stage and discharge at Kashima― 702 ―

2012/12/27

2012/12/12

2012/11/27

2012/11/12

2012/10/28

2012/10/13

2012/09/28

2012/09/13

2012/08/29

2012/08/14

2012/07/30

2012/07/15

2012/06/30

5,000

2012/06/15

4,500

30

2012/05/31

4,000

31

2012/05/16

32

Hourly Flow Discharge (m3/s)

500
800m3/s
420m3/s
1 Oct.
14 Aug.
→ Camera monitoring started
since 8 August38

2012/05/01

Hourly Water Stage (T.P.m)

39

3.

河川生息場の変動特性分析
上-瀬-1の左岸側上流部の砂州が本川下流側に延び

本章では，インターバル撮影機能付デジタルカメ
ラによるモニタリングの撮影画像と現地での河床軟度の調査結果を用いて，異なる洪水規模による河川た結果，瀬の上流部に土砂が堆積して早瀬部分が長大な瀬へと変化した（Fig.6 (a)）．
上-瀬-2では，右岸側上流部の砂州が二次流路2に対して左岸側に向かい移動（右岸側に堆積）し（Fig.6

生息場の変動特性について詳細に分析する．

(b)），それに伴って瀬の左岸側が浸食され（Fig.6 (c)），

3.1

観測期間のハイドロ特性

瀬が大きく蛇行し，瀬が二次流路1に対して垂直に合

観測期間のハイドロ特性をFig 5.に示す．ここに示流する形状となった．また，瀬の左岸側が下流へ延す時刻水位及び時刻流量は鹿島地点のものであり，伸したことにより（Fig.6 (d)），瀬の延長が大きくな

25km地点に設置されている．また，時刻水位は水文るとともに，止水環境である上-ワンド-2が新たに形

水質データベースの値であり，時刻流量は平成23年

成された．

度のH-Q式から換算したものであるため，流量は確

二次流路3に着目すると，洪水前にあった砂州が流定値ではなく参考値である．カメラを設置した2012

出したこと（Fig.6 (e)），及び二次流路2と3の分派地

年8月8日以降を見ると，8月14日に約420m3/s，10月1

点で土砂堆積が生じて止水環境となり，上-たまり-1

日に約800m3/s，10月23日に約490m3/s，11月26日に

及び上-ワンド-12が形成された．

520m3/sの洪水が生じた．平均年最大流量が4,000m3/s

二次流路4に着目すると，洪水後に二次流路2（上-（2005年～2010年の平均値）であるため，観測期間

瀬-2に向かう流路）と二次流路4の分派地点から二次に発生した洪水は小規模である．カメラを設置する

流路1に渡る比較的広い範囲で土砂堆積が生じて止前の期間を見ると，6月20日に約3,610m3/s，7月13日

水環境となり（Fig.6 (f)～(g)），上-ワンド-1及び上-3に2,260m /sの中規模洪水が生じており，また，これたまり-2が形成された．

らの洪水発生前の5月17日にカメラテストを行い，鉄上記より，平均年最大流量程度の中規模洪水が生塔上から撮影した写真がある．そのため，中規模洪じると土砂移動が生じ，堆積・侵食の過程により流3

水（6月20日：約3,610m /sと7月13日：約2,260m3/s）
3

路や河川生息場が変化し，既存の生息場環境の変化

及び小規模洪水（10月23日：約490m /s）による河川（拡大や縮小，消失）や新たな生息場環境が創出さ

生息場や河床地形の変化に着目して変動履歴を分析れることが分かった．

した．なお，小規模洪水として10月1日洪水があるが，暴風により設置したカメラの角度が変化し，洪水時(2) 小規模洪水時の河川生息場の変動特性
2012年10月23日に生じた小規模洪水（約490m3/s）の流れの特性を把握することができなかった．

について，インターバル撮影機能付デジタルカメラ

3.2 河床地形変化と河床軟度(1) 中規模洪水時の河川生息場の変動特性

による1時間毎の撮影画像を用いて，洪水時流れの特性や河川生息場の変動特性を把握した．

2012年5月17日と8月8日の写真を比較して，その間上流域（Fig.7）の上-ワンド-1及び上-たまり-2に着に生じた中規模洪水による河川生息場の変動特性を目すると，水位の上昇に伴い，旧河道（Fig.6の二次

把握した．

流路4）を先行して洪水流が通過し，小規模洪水時に本川
Main channel

二次流路2
二次流路4
Second channel 4 Second channel 2
二次流路3
Second channel 3

(a)
(f)
(g)

(b)

(e)
(d)
二次流路1
Second channel 1(c)

6月20日：約 3,610m3/s
7月13日：約 2,260m3/s

Fig.6 Geo-morphological change before and after events of middle size floods occurred on 20 June and 13 July 2012.

― 703 ―

上-ワンド-1
上-たまり-2
小規模洪水時に形成される流路

上-たまり-1
上-瀬-2

2012/10/23 16:00

2012/10/22 10:00

小規模洪水ピーク時

旧河道を先行して洪水流が通過旧二次流路4
Old second channel 4

背水により冠水
ワンド・たまりが統合される

2012/10/23 10:00

瀬の局所的な地形改変により瀬が横断方向に広がる

2012/10/26 10:00

Fig. 7 Flow direction and characteristics of geo-morphological change at the upstream reach in a small size flood event
occurred on 23 October 2012.

二次流路1Second channel 1

背水と小規模洪水時
流路の混合形態

下-たまり-1下-瀬-1

背水下-ワンド-21
下-たまり-2
2012/10/22 10:00

小規模洪水時に形成される流路

本川
main channel

2012/10/23 16:00

小規模洪水ピーク時

旧河道を先行して洪水流が通過背水2012/10/23 10:00

2012/10/26 10:00

Fig. 8 Flow direction and characteristics of geo-morphological change at the downstream reach in a small size flood
event occurred on 23 October 2012.

― 704 ―

形成される流路となっている．この洪水流により規二次流路1の背水により冠水し，その後更に水位が上

模の小さい土砂移動が生じ，上-ワンド-1と上-たまり

昇すると本川から二次流路1に向かう流路が形成さ-2を分断していた砂州が流出し，ワンドとたまりがれ，洪水ピーク時の生息場環境は背水と流路の両方統合されることとなった．

の流れが複雑に混合する形態であることが分かった．

上-たまり-1では，上-瀬-2の周辺の水位の上昇に伴以上より，小規模洪水時の流れの特性として，水い，背水により冠水する特性であることがわかる．

位上昇に伴い旧河道を先行して流下するものと，背カメラからの撮影画像では，小規模洪水の前後で河水により冠水するもの，またこれらの混合形態よる

床地形の変化が見られなかった．

もの等，様々であることが分かった．また，小規模

上-瀬-2では，局所的に土砂が移動して瀬の右岸側

洪水では，背水により冠水する場所では河川生息場の土砂が移動し，瀬の面積が横断方向に広がった．

の変化は見られなかったが，旧河道を洪水流が流れ下流域（Fig.8）の下-たまり-1をみると，水位上昇

るような流路が形成される場所（上-ワンド-1と上-に伴い旧河道を先行して洪水流が通過しているが，たまり-2，上-瀬-2等）では，河川生息場の微地形が小規模洪水による河川生息場の変化は生じていない．

変化することが分かった．

下-たまり-2と下-ワンド-21では，水位上昇に伴い，(a) Distribution ofriverbed softness ineach habitat unit
upstream.
河床軟度（Riverbed softness）
Sept. 2012
Oct. 2012
Nov. 2012(b) Distribution ofriverbed softness ineach habitat unit
downstream.
Fig.9 Distribution of riverbed softness in each habitat unit. Surveys were conducted three times in September, October,and November 2012. Numbers shown in the Fig. 9 represent the softness. Longer bars correspond to larger numbers,
meaning that the riverbed is soft and vice versa. Data obtained in each grid of a matrix developed for each habitat unit
were averaged. In the case of riffles, data were categorized by an upstream, middle, and downstream reach, prior tobeing averaged.

― 705 ―

(2) 河床軟度調査結果
上記（1）の結果は，カメラ画像から見た河川生息
場のマクロ・スケールの地形変化を示したものであるが，マイクロ・スケールでどのような変化が生じているのかを，2012年9月，10月，11月に行った河床軟度調査を用いて把握した（Fig.9）．河床軟度はマ
トリクスの格子点（流下方向：3～12ライン，横断方
向：16～5ライン）で計測しており，Fig.9ではこの結Fig. 10 Erosion and deposition processes occurred due to

果を基に，ワンド及びたまりについては調査箇所全a small size flood event. A riffle head gets coarse since

体の平均値，瀬については上流部，中流部，下流部

smaller particles are eroded and washed away. A riffleの3つの区域に分けてそれぞれ平均値を算出して記

tail on the other hand gets soft due to deposition occurred

載した．

by the riffle head erosion. Small scale geo-morphological

たまりやワンドなどの止水的河川生息場では，小規模洪水が起こるたびに河床軟度が高くなっている

change

due

to

a

small

scale

flood

determinescharacteristics of micro habitat in a riffle.

ことわかった．上-たまり-1や下-ワンド-21は，マクロ・スケール（撮影画像）では変化が見られなかっ上流部の河床（瀬頭）が侵食し，下流部（瀬尻）にたが，小規模洪水時に背水により冠水する場所であ堆積するような小規模な土砂移動により，瀬頭が硬るため，洪水の末期等に細粒土砂が堆積しやすい地

化し，瀬尻が軟化するような変化を生じさせ，瀬は形であることが，河床を軟化させているものと考え全体的に河床が硬化することが分かった．瀬の周辺られる．

の河床の軟化・硬化が生じる過程の概念図はFig.10

上-瀬-2の9月から10月の変化をみると，瀬の上流部のように示すことができる．

（瀬頭）で河床が硬化し，下流部が軟化した．また，アユの産卵にとっては，瀬の重要性については勿10月から11月では，瀬全体の河床軟度が小さくなっ論であるが，その中でも，瀬頭の河床が軟らかい場

た．これは，9月や10月の小規模洪水により，瀬の上所が適していることが分かっており，その状況は，流部の河床が侵食し，下流部に堆積するような小規

洪水時に土砂移動が生じるような砂州が瀬の上流側

模な土砂移動により生じたものと考えられる．規模（洪水時の土砂移動により瀬頭を堆積させる砂州がは小さいが，瀬の中でこのようなマイクロ・スケー

ある場所）にある．今回の調査結果から，そのようルの土砂移動が生じることで瀬頭が硬化したものとな場所は2,000～3,500m3/s程度の中規模以上の洪水考えられる．

によって形成されると考えられる．一方，小規模洪下-瀬-1では，9月の段階では瀬の上流部の河床軟度水が生じる場合には，瀬頭を硬化させるため，アユが大きく下流部が小さかったが，11月になると，河の産卵床を劣化させていると考えられる．このこと

床軟度の縦断的な傾向が逆転し，瀬の上流部の河床からも，中規模洪水の発生時期や頻度が重要であるが硬化し下流部が軟化した．また，瀬全体の河床軟ことが分かった．

度は小さくなっていた．この要因は，上記の上-瀬-2と同様のマイクロ・スケールの土砂移動が生じたた

3.3

河床変動解析による河床地形変化の把握

洪水規模による河床地形変化の特性を把握するためと考えられる．

めに，天竜川13km～19km区間を対象に河床変動計算(3) 河川生息場の変動特性の考察を行い，異なる洪水規模による河床地形の変化の傾上記の（1）と（2）の結果から，2012年6月と7月
3

向を把握した．本論文では，CCHE2Dというミシシの2,000～3500 m /s程度の中規模洪水により，マクッピ大学で開発された平面二次元河床変動計算ソフ

ロ・スケールで判別できる土砂移動が生じて，瀬のトを用いて計算を行った(e.g., Wu, 2004 & 2007)．計

更新やワンドやたまりが新たに形成されるような変算メッシュを作成するCCHE-MESHはグラフィカル化が生じたことが分かった．

ユーザインタフェース（GUI）が良く，河床データのまた，9月～11月に生じた小規模洪水時には，河川

内挿機能が充実している．またCCHE2Dは，有限要生息場内でのマイクロ・スケールの変化が生じた．

素法によって離散化を行い計算するため，計算安定

具体的には，洪水時に背水により冠水するような止性が高く汎用性が高いという特徴がある．

水的生息場では，洪水の減衰期等に細粒土砂を堆積させることで，河床を軟化させた．瀬については，― 706 ―

(1) 解析方法及び解析条件

τ bx = h −1/3 ρ w gn 2uU

CCHE2Dにおける基礎式を示す．

τ by = h −1/3 ρ w gn 2 vU(a) 流体の連続式

u*2 =∂h ∂ ( uh ) ∂ ( vh )
+
+
=0
∂t
∂x
∂y

(1)
ここに，x, yは水平方向の座標系，u, v [m/s]はx, y

(6)

τ
1
=
τ 2 +τ 2ρ w ρ w bx by(7)

ここで，ρw [kg/m3]は水の密度，g [m/s2]は重力加速方向の水深平均流速，h [m]は水深である．

度， n [m-1/3/s]はマニング係数である．
(b) 運動量保存則

(

)

) (

)

⎛
⎞
∂u
∂u
∂u
∂η 1 ⎜ ∂ ( hτ xx ) ∂ hτ xy ⎟ τ bx
+u
+v
= −g
+
+
−
∂t
∂x
∂y
∂x h ⎜⎜ ∂x∂y ⎟⎟ ρ h⎝⎠⎛∂ hτ yy ⎞ τ by∂v∂v∂v
∂η 1 ⎜ ∂ hτ yx
⎟−
+u +v
= −g
+
+
∂t
∂x
∂y
∂y h ⎜⎜ ∂x∂y ⎟⎟ ρ h⎝⎠(n = d 1/ 6 / A(8)

ここで， d [m]は 50%粒径とし， A=20としている．
(2)(c) 掃流砂の輸送方程式
ここに，η [m]は水位，τxx, τyy, τxy, τyx [N/m2]はx-y座∂ ⎛ qbk ⎞ ∂ (α bx qbk ) ∂ (α by qbk ) 1++ ( qbk − qb*k ) = 0⎜⎟+∂t ⎝ U ⎠∂x∂y
L

標系の水深平均レイノルズ応力，τbx, τby [N/m2]は底面せん断応力である．

(9)
∂u
∂x
⎛ ∂u ∂v ⎞τ xy = ν t ⎜ + ⎟⎝ ∂y ∂x ⎠τ xx = 2ν t

ここで，qbk [m2/s]は粒径階 kの単位幅掃流砂量，qb*kは粒径階 kの平衡掃流砂量，αbx, αbyは流砂の方向余弦，

L [m]は緩和距離スケールである．

∂v
τ yy = 2ν t∂y(d) 掃流砂の平衡流砂量式（ Wu, Wang and Jia の式）⎛ ∂u ∂v ⎞+ ⎟⎝ ∂y ∂x ⎠τ yx = ν t ⎜(3)⎡⎛ n′ ⎞3/2 τ b⎤− 1⎥⎟⎣⎢⎝ n ⎠ τ ck ⎦⎥φbk = qb*k / ⎡ pbk sgd k3 ⎤ここに，νｔ [m2/s]は渦動粘性係数である．

n′ = dνt = l

l=

2

2

2

2

⎛ ∂v ⎞ ⎛ ∂u ∂v ⎞ ⎛ ∂U ⎞⎛ ∂u ⎞
2⎜ ⎟ + 2⎜ ⎟ + ⎜+ ⎟ +⎜⎟⎝ ∂x ⎠⎝ ∂y ⎠ ⎝ ∂y ∂x ⎠ ⎝ ∂z ⎠

1
1
⎛ z⎞
κ z ⎜1 − ⎟dz =κ h ∫ ς
0
h∫
⎝ h⎠

2.2

φbk = 0.0053 ⎢⎜

1/6
50

⎣
/ 20

⎦
(10)

2

(1 − ς )dς ≈ 0.267κ h

ここに，φ bkは無次元掃流砂量，pbkは粒径階 kの交換層における含有率，τck [N/m2]は粒径階 kの限界掃流(4)力，sは土粒子の比重，d50は交換層における 50％粒径である．

ここに，l [m]は混合距離，κはカルマン係数（ここ∂Uでは0.41とする），ςは相対水深である． ∂z は鉛直(e) 限界底面せん断応力の式

方向の流速勾配を水深平均したものであり，以下のようにして求める．

u 11
u∂U 1 ∂U=
dz = * ∫ dz = Cm *∂z h ∫ ∂zhκ z0 z
hκ

⎛p ⎞
τ ck
= Θ c ⎜ ek ⎟( ρ s − ρ ) gd k
⎝ phk ⎠
N

dj

j =1

dk + d j

phk = ∑ pbj(5)

ここに，U [m/s]は流速の絶対値，u* [m/s]は摩擦速度の絶対値，Cmは係数（=2.34375）である．

― 707 ―

N

pek = ∑ pbj
j =1

dk
dk + d j−m(11)

(g) 浮遊砂の平衡流砂量式
⎡⎛ τ

⎞U ⎤
− 1⎟
⎥
⎢⎣⎝ τ ck
⎠ wsk ⎥⎦

1.74

φsk = 0.0000262 ⎢⎜φsk = qs *k ⎡ pbk sgd k3 ⎤
⎣

⎦

(13)

ここに， qs*k [m2/s]は単位時間・単位幅当たりの浮遊砂通過量である．粒径階 kの土粒子の沈降速度 wsk

Fig. 11 Concept of mixing layers[m/s]である．

Table 1 Conditions of a 2D bed variation simulation(h) 沈降速度（ Zhangの式）

model.

2

計算区間
初期河床条件初期河床材料
メッシュ
縦断方向
横断方向（高水敷）
横断方向（低水敷）
乱流モデル
計算時間間隔上流端条件 流量
土砂量
下流端条件 水位

⎛
⎛ρ
⎞
ν ⎞
ν
wsk = ⎜13.95 ⎟ + 1.09 ⎜ s − 1⎟ gd k − 13.95
dk ⎠
dk
⎝ρ
⎠
⎝

天竜川13km～19km
2004年2月の測量データ
2007年調査の粒度分布データ
20m
15m～25m
10m
混合距離モデル30 sec
2004年2月～11月の500m 3 /s以上を抽出
浮遊砂（LQ式）
一次元不定流計算の結果(14)

ここに，v [m2/s]は水の動粘性係数，dk [m]は粒径階kの粒径， ρ [kg/m3]は水と土粒子の混合密度， ρｓ[kg/m3]は土粒子の密度である．
(i) 流砂の連続式

ここに， m=0.6， Θc=0.03（シールズ数）， phk及び(1 − p′ )pekは粒径階 kの遮蔽確率及び露出確率である．

∂t+∂ ( uhC k )∂x+∂ ( vhC k )
∂y

=

(15)

ここに，∂zb/∂t=Σ ∂zbk/∂t，δｍ [m]は交換層厚，pbkは(f) 浮遊砂の輸送方程式∂ ( hC k )∂zbk= α wsk ( Ck − C*k ) + ( qbk − qb*k ) / L∂t∂ ⎛∂C k ⎞∂ ⎛∂C k ⎞

∂x ⎝

∂x ⎠

∂y ⎝

∂y ⎠

⎜ ε sh⎜ ε sh⎟+⎟ + αω sk ( C* k − C k )交換層内における粒径階 kの含有率である（ Fig.11を
参照）．

(12)
j) 粒度分布の変化
ここに，Ckは粒径階 kの浮遊砂濃度を水深平均した∂ (δ m pbk )もの， C*kは粒径階 kの平衡浮遊砂濃度， ε s [m2/s]は∂t

渦度拡散係数， αは係数である．

=

∂zbk
∂z ⎞
* ⎛ ∂δ m
+ pbk
− b⎟
⎜
∂t
∂
∂t ⎠
t
⎝

⎧ p : ∂δ m / ∂t − ∂zb / ∂t ≤ 0*
pbk= ⎨ bk⎩ psbk : ∂δ m / ∂t − ∂zb / ∂t > 0

Large size flood(6,000m3/s)

Middle size flood(2,000m3/s)

Small size flood(800m3/s)

(b)

(a)

(16)

Deposition

17.0km

16.5kmTower

16.0kmErosion(unit: m)An aerial photo taken in 2013.12

Fig.12 Results of the 2D bed variation simulation model.

― 708 ―

ここに， psbkは交換層の一つ下の第 2層（ Second

Layer）内における粒径階 kの含有率である．

(2)計算結果
与えた洪水波形は， 6,000m3/sの大規模（ 1/2.5年確
3

x

X

y

3

率程度），2,000m /sの中規模（ 1/1年確率程度），800m /s（測定対象面：河床地形）の小規模（ 5/1年確率程度）の 3つの規模である．大Y

規模洪水では流路を横断するような堆積が確認でき

測定対象面に設定された平面座標系XYた（ Fig.12 (a)）．これにより，以前はなかったとこ

写された写真面に設定された平面座標系xy

ろに新たな瀬が造成されたと考えられる．

Fig.13 An conceptual image of transforming recorded

中規模洪水でも流路を横断するような形の堆積がphoto data into the ortho data.

みられたが（ Fig.12 (b)），堆積の規模が小さかった．
インターバル写真の比較からも， 6～ 7月の中規模洪画像解析技術の原理について，測定対象面（河床水によって瀬の更新が起きており，今回計算でもそ地形）に設定された平面座標系 XYと，写された写真

れが概ね再現できたといえる．

面に設定された平面座標系 xyとの間に，式 (17)が成立

小規模洪水では，僅かに堆積・浸食は起こるものする（ Fig.13）．

の，地形を大きく変化させることはないことがわかった．これにより，現地調査の結果と合せて考察す

X =ると，小規模洪水時には，瀬が硬化する原因である（ 17）

b x + b5 y + b6
Y= 4
b7 x + b8 y + 1と考えられる．

4.

b1 x + b2 y + b3
b7 x + b8 y + 1

河床地形モニタリング手法の開発
xi b1 + y i b2 + b3 − xi X i b7 − y i X i b8 = X i

1 時間間隔で鉄塔の上流及び下流の河床変動履歴

xi b4 + y i b5 + b6 − xi Yi b7 − y i Yi b8 = Yi

を撮影してきたが，河川生態系は，本論文の冒頭で（ 18）示したように，二次流路，瀬や淵，ワンドやたまり等の河川生息場（の要素）の変動履歴（時間的・空式（ 17 ）は，測定対象面が水平面でなくても（鉛間的パターン）を把握するためには，各河川生息場

直面や斜面でも），平面形状であれば成立する．式の特徴（面積や河岸延長等）を定量的に把握するこ（ 18）の 8つの未知係数 b1～ b8は，4点以上の標定点のとが必要となる．そのため，これまでの撮影画像を測定値の組（ Xi, Yi ; xi, yi）(i=1,2… n: n>=4) に対して，

基に，画像解析技術を用いて河川生息場の変動履歴

式（ 17 ）を展開して線形方程式に変換することで．

を定量的に把握するための河床地形モニタリング手

最小二乗法により求めることができる．

法を開発した．

Table 2 Accuracy of the photo transformation into the ortho data. The target posts referred to as “

” in the No. column

in this table were used for transforming photo data to the ortho data through the photogrammetric method.
Coordinate values measured by RTK‐GPS

2D modeling results, ortho data values

X longitude (m)X longitude (m)

No

11 □

‐133592.083

Y Latitude (m)‐61785.077

Y Latitude (m)‐133592.083

Accuracy compared withmeasured values
ΔX(m)

ΔY(m)

‐61785.077

－

－

－

－

12 □

‐133380.497‐61788.585‐133380.497‐61788.585

13‐133300.363‐61887.546‐133301.500‐61888.300‐1.137‐0.75414‐133153.745‐61975.745‐133155.400‐61974.400‐1.655

1.345

15 □

‐133149.182‐62037.259‐133149.182‐62037.259

－

－

16 □

‐133505.510‐61900.398‐133505.510‐61900.398

－

－

17

‐133477.368‐61936.546‐133478.500‐61937.900

18‐133409.339‐61909.945‐133408.100‐61908.900

1.239

1.045

Average (absolute value)

1.291

1.124

― 709 ―

‐1.132‐1.354

A view taken from the tower on
15 Oct. 2012, 11:00, upstream

A target post:
Coordinate values were measured at
the center of a post set.

15□
14
15

14
13

13

17
12

18
16

12□

18
11

17
16□
11□

Fig. 15 Results of the 2D modeling based on

Fig. 14 Data transformed into the ortho data through thephotogrammetric method. “”in the fig. refers to a location

photos taken on 15 October 2012. The target posts

where target posts having coordinate values have been set. 2D

referred to as “

ortho data were developed based on No. 11, 12, 15, and 16,transforming photo data to the ortho data throughreferred to as “

the photogrammetric method.

” in the fig., using a photogrametric method.

2011.12 Aerial photo (ortho data)

2012.5.17 Camera Monitoring (ortho dada)” in the fig. were used for2012.9.12 Camera Monitoring (ortho dada)

Eroded and a
new channel
createdDeposited anold channel

deposited

Further
deposition

An oldchannel
Deposited

A side pool
newly created

3,610 m3/s (20 June)
2,260 m3/s (13 July)
420 m3/s (14 Aug.)

690 m3/s (3 April)2012.10.15 Camera Monitoring (ortho dada)

2012.12.10 Camera Monitoring (ortho dada)
A riffle newly created

Small changes of a backwater and side pool
integrated

800 m3/s (1 Oct.)

490m3/s (23 Oct.)
520m3/s (26 Nov.)
An existing riffle widened

Fig.16 A set of ortho data transformed from the photo data by the photogrammetric method. White lines in the photo
data dated 17 May 2013 depict water and terrestrial boundaries as of 12 November 2011. Light yellow lines in the photo
data dated 12 September 2012 depict water and terrestrial boundaries as of 17 May 2012. This monitoring method in
combination with photogrammetric method with the accuracy of approximately 1.0 m showed that it enables to obtain
quantitative data and analyze spatiotemporal patterns of riverine habitat.

― 710 ―

航空写真で用いられるオルソ化の技術を応用して，

更新やワンドやたまりが新たに形成されるような変インターバル撮影機能付デジタルカメラで鉄塔の高化が生じ，マクロ・スケールで河床地形が変化する

さ約 60mから撮影した斜め写真画像のオルソ化（座ことが分かった．また，小規模洪水では，河川生息標変換）を行った．オルソ化を行うために，カメラ場内でのマイクロ・スケールの変化が生じた．具体

画像の画角の中で，任意の 8地点に杭（標的： target

的には，砂州の下流側のワンドやたまり等，背水にposts）を設置し，カメラの撮影画像から確認できるより冠水するような止水的生息場では，洪水の減衰

ように反射板を配置した（ Fig.14）．次に，RTK-GPS

期等に細粒土砂を堆積させることで，河床を軟化さを用いて，各杭の中心点の座標を計測し，撮影画像せることが分かった．一方，瀬では，瀬の上流側をの中に固定した座標値を与えた．本論文では，Fig.14

侵食して下流側に堆積を引き起こすような局所的なに示すように，標的 No. 11， 12， 15， 16を基準点と地形改変によって瀬頭を硬化させ，瀬尻を軟化させして撮影画像の調整（引延しや短縮）を行い，オルる働きをすることを把握した．アユの産卵にとって，ソ化を行った．オルソ化した撮影画像を Fig.15に示し，瀬頭の軟らかい河床が好適であることが分かってきその座標変換の精度をとりまとめたものを Table 2にているが，そのような場は中規模以上の洪水によっ示す．解析精度の検証は，前述の No.11，12，15，16て形成され，小規模洪水では瀬頭を硬化させることの基準点以外を対象に，測定値（ RTK-GPSによる計が分かり，中規模洪水の発生時期や頻度が重要であ測結果）と画像変換後の座標値を比較することで行ることが示唆された．

った（ Fig.15と Table 2参照）．その結果，解析精度は更に，解析写真測量技術を用いてオルソ化を行う

約 1m であることが分かった．解析精度については，

ことで，河川生息場の変動履歴（微地形の変化や浸今後を精度向上していく必要があるが，本研究が対食堆積過程）を定量的に示すことができた．これに象とする天竜川 16.3k付近では，堤間幅が約 1kmあり，

より，本論文で示した河床地形モニタリング手法がその中での約 1mの精度であるため，河川生息場や河実用的なレベルで適用できることが分かった．イン

床地形の変動履歴をモニタリングし，定量的な評価

ターバル撮影機能付デジタルカメラによるモニタリを行う上では十分な精度を有していると考えられる．

ングを適用することで，高価な航空写真による垂直

更に，Fig.16は，カメラモニタリングの上流側で撮

写真撮影を行わなくても，河川生息場や河床地形の影した一連の写真画像について，上記の画像変換に変動履歴をモニタリングすることができ，定量的によりオルソ化した結果である． Fig.16の右上の 2012

把握できることが分かった．本手法は，河川管理や

年 9月 12日の画像の薄黄線は，一時点前の 2012年 5月

河道管理の分野での適用も可能であると考えられる．

17日の河床地形の水際ラインを示しており，河床地

今後は，モニタリングの精度の向上を図るととも形変化を重ねてみることができる．この間では中規に，中規模洪水や大規模洪水による河川生息場と河模洪水が発生しており，その結果は 3.2（ 1）で分析

床地形変化を把握・分析することで，知見を蓄積すした通りである．しかし，画像をオルソ化することることが重要と考える．また，本研究対象区間では，で堆積・侵食の過程をより明確に示すことができ，

インターバル撮影機能付デジタルカメラによるマク

その変動履歴を定量的に示すことが可能となる（例

ロ・スケールのモニタリングに加えて，月 1回程度のえば面積変化等）．これらの結果を用いれば，生物

頻度で河川生息場毎に，マイクロ・スケールでの変多様性を最適にする河床地形や河川生息場の変動履

動履歴の把握（生息場を構成する礫，砂，流倒木，歴を定量的に分析・評価することができるようにな

落ち葉等の割合変化），底生動物調査，河床材料調る．

査，河床軟度調査を行っている．これらの結果を基に，生物多様性を最適化する河川生息場の変動履歴

5.

結論と今後の課題を把握し，モニタリングや河川環境の評価技術を確立していく予定である．

河川生息場環境の変動履歴分析のための河床地形

謝モニタリグ手法の開発に関して以下の結論を得た．

辞

適切な位置からインターバル撮影機能付デジタル
カメラによるモニタリングを行うことで，洪水時流

本論文の作成にあたり，国土交通省 中部地方整備れの特性（流向や冠水の現象）や土砂移動特性，河局 浜松河川国道事務所よりデータの提供及び，研究

川生息場環境の変動を推定できることが分かった．

を効率的・効果的に進めるための調整等で協力してカメラによるモニタリングと河床軟度調査の結果頂いた．また，鉄塔へのカメラ設置や記録データのを基に，中規模洪水，及び，小規模洪水による変動

回収，維持管理等では，中部電力 掛川電力所，及び履歴を分析した．その結果，中規模洪水では，瀬の株式会社シーテックに協力して頂いた．更に，天竜― 711 ―

川現地での調査にあたり，天竜川漁協共同組合，天Parsons, M., Thoms, M., & Norris, R. (2001): Australian

竜川天然資源再生連絡会，京都大学防災研究所 水資

River

源環境研究センター 社会・生体環境研究領域の研究

Assessment Protocol, National River Health Program,

室，いであ株式会社 建設統括本部 水圏事業部 河川

Environmental Australia.

部から多大な協力を頂いた．ここに感謝の意を表し

Takemon, Y. (1997): Management of biodiversity inたい．

aquatic

Assessment

ecosystems:

System:dynamic

AusRivAS

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Physicalof

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― 712 ―

（論文受理日：2013年6月11日）