土木学会論文集B1(水工学)Vol.73, No.4, 61
I_559-I_564,
水工学論文集第巻,2017 年2017.
2月

水中型 SMDP による黒部川ダム連携排砂時の高濃度 SS 計測と制御

角1

正会員

博(工)

哲也 1・森田佐一郎 2・小宮秀昭 3

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）

E-mail: sumi.tetsuya.2s@kyoto-u.ac.jp
2

正会員

工修
３

(株)SMD 技術研究所代表取締役（〒164‐0012東京都中野区本町 3 町目 33-11）(株)SMD 技術研究所（〒164‐0012 東京都中野区本町 3 町目 33-11）
E-mail: saichirou_morita@nifty.com

黒部川において，2001 年より出し平ダムと宇奈月ダムの連携排砂および通砂が実施されている．流
砂系の総合土砂管理の観点からは，排砂時の貯水池内および下流河道の土砂の量と質のモニタリングは極めて重要となる．特に，SS 濃度は下流河川の魚類に対する影響などを評価する上でも重要な指標であり，実時間で計測し可能な限りダム操作に反映させることが重要である．本論文では，2015 年および 2016
年の排砂時の高濃度 SS の連続観測結果を紹介する．これらのデータは，高精度の差圧センサーを用いた水中型 SMDP（以下，水中型 SMDP）を用いて計測されたものである．計測データは，直接採水によるデータと良好に一致し，水位低下に伴って高濃度が発生する自然流下直前のゲート操作を実時間で管理するために有効に活用された．

Key Words : reservoir sediment flushing, suspended-sediment concentration, SMDP, Kurobe river

1．はじめに黒部川や天竜川などにおいて流砂系の総合土砂管理が本格化している．土砂管理のためには，河川中の掃流砂，浮遊砂およびウォッシュロード量の測定が必要であり，従来ウォッシュロード量の計測手段として濁度計測や人力採水による SS 濃度計測がおこなわれてきた 1), 2)．しかしながら，採水による SS 濃度測定は連続測定ではなく結果が出るまでに時間と費用がかかるなど問題が多かった．
近年，Felix らは，水力発電所の水車の摩耗損傷を抑えるための取水濃度管理のために，振動チューブを用いた高濃度SS の計測手法を開発している 3)．
一方，筆者らは，河川水の SS 濃度の変化は河川水の密度の変化と考え，連続して自動で SS 濃度を圧力変化としてとらえる機器
SMDP （ Suspended Sediment Concentration Measuring
System with Differential Pressure Transmitter）を開発し，これを黒部川下流域 4- 9）や天竜川流域の美和ダムなどに設置して実績を上げてきた．SMDP には，計測システム本体を水中に直接設置した水中型とポンプで河川水を取り込んで配管を通して水槽（内部に差圧センサーを設置）まで導水する水循環型の２種類がある．
2015 年には，黒部川の宇奈月ダムにおいてダム下流に水中型 SMDP を設置（図 1）して連携排砂の際の高濃度SS をリアルタイムで測定することに成功した．2016 年
は SMDP で測定した SS 濃度値をダムの排砂ゲート操作に使う試みがなされた．宇奈月ダムの連携排砂では SS 濃度を抑えながらできるだけ効率よく多くの浮遊砂の排出を行うことが求められる．このために SS 濃度のリアルタ
イム計測とそれに対応したゲート操作によるダム下流のSS 濃度の制御が重要になる．
本論文では，SMDP による計測の概要と，これを活用したダムからの排砂濃度の制御の試みについて報告を行い，今後の活用の可能性と課題を考察する．

I_559

N-250-150-50

下黒部0510 km

愛本
宇奈月ダム
出し平ダム

図-1 黒部川下流の SMDP による測定地点

2．計測方法

的な配置構成は参考文献 4), 5)を参照されたい．

(1) SMDP の測定原理
SMDP は高精度の差圧センサーによって流体の密度を直接測定することにより，洪水時の河川や貯水池における高濃度 SS を連続計測するシステムである．

(2) 宇奈月ダム下流設置の水中型 SMDP
宇奈月ダム下流に設置した水中型 SMDP の外観を図 2左に示す．直径 500mm，高さ 700mm の円筒形の外筒の中に差圧計（SS センサー）が中央部に設置されており，鉛直方向で 500mm の間隔で高圧側と低圧側の圧力差を封入液の入った細管で差圧計に伝える．設置場所は宇奈月ダム堤体から約 500m 下流の黒部川と弥太蔵川合流部の直前の右岸側にコンクリートの突堤を設けて，放流水中の流木や砂礫の直撃を避けるために突堤の下流側面に懸架装置でSMDP内蔵の収納籠を取り付けた（図2右）．
SMDP 本体中央部は，河床から 1,500mm の高さになるように設置した（図 2 中央）．SMDP の測定スパンは100,000mg/l であり，例えば河川水の濃度が 0mg/l から100,000mg/l に変化すると高圧側圧力口と低圧側圧力口の鉛直方向間隔 H=500mm から約 50mmH2O の微小圧力変化が発生する．この圧力変化を 4-20mA DC 信号に変換して記録計に伝送する．記録計では 20 秒間隔でデータを保存する．またダムの管理所にテレメータで 4-20mADC 信号を送り管理所の監視画面に 10 分間隔で測定値を表示する．

測定原理を以下に示す．
流水中に SS が含まれる水と含まれない水では密度が異なる．そこで，流体中に鉛直間隔 H を一定に保った２つの固定基準点を設け，これらの圧力（ PH ：高圧側， PL ：低圧側）を検出して密度測定を行う.
いま，平均密度を  , 重力加速度を g , 高圧側, 低圧側
検出口付近の流速をそれぞれV H , V L とする．
ここで，Bernoulli の定理が成立すると仮定すれば，

PH VH2 PLV2H  L g 2 g g2g(1)であり, これより圧力差 P はP  PH  PL  gH  (VL2  VH2 )2(2)3．SS 濃度計測と制御結果となる.
いま V H  V L とすれば,P  PH  PL  gH(3)となり, g ， H が既知であることより, 圧力差 P を求めることにより, 平均密度  および SS 濃度(SSC)を知る事ができる.
しかし，一般にはV H  V L であり， P  gH と断定すると,  (V L  V H ) / 2 が誤差項となる. そこで,
22

精度を上げるためには, 装置の設計上, V H  V L となるように工夫する必要がある．
次に，実際に求める圧力差を考えてみる．いま SSC=0mg/l の水の密度を  0 (kg/m3)とすれば，SSC= 0 mg/l（Ⅰ）から SSC=10,000 mg/l（Ⅱ）に変化した場合の圧力差の変化量は(3)式より，

PⅠ  PⅡ  ((  0  10)   0 ) gH(4)となり，H =1,000 mm とすれば約 10 mmH2O の微圧力の変化を検出することが必要となる．これを高精度で検出するために，SMDP ではシリコン振動式のセンサーを用いた高精度，高安定の差圧センサーを用いている．具体(1) 連携排砂の経過 10)
宇奈月ダムと出し平ダムの連携排砂は平成28年6月25日から 27 日にかけて行われた．宇奈月ダムではピーク流入量が 6 月 25 日 5 時 30 分に 335.8m3/s となり 6 時 40 分
からダムの水位低下を開始した．この時のダム水位は標高 244.6m である．さらに約 8 時間後の 14 時 32 分に排砂ゲートを開く操作を行った．この時ダム水位 234.6m である．その後，約 6 時間かけてダムの水位を標高 220.4m まで(14.2m)低下させ，25 日 20 時 45 分に自然流下が開始した．
（図 3 に水文データを示す．
）
自然流下開始の前後（25 日 20 時 45 分前後）では流入水が川のような流れでダムの底を流れ，この時に，湖底にたまった堆砂が流水で浸食される．
その結果，放流水中の SS 濃度が最も高くなるため，この時期の SS 濃度測定が環境影響の観点では重要になる．
従来は宇奈月ダム下流の観測点で人力による濁度測定と採水による SS 濃度測定を 1 時間間隔で行い，サンプル採水による SS 濃度測定結果は採水後数日かけて分析結果を出していた．このために間接的に濁度を監視していたが，SS 濃度測定をダム操作に直接使うことはできなかったが，今回 SMDP を使いリアルタイムの SS 濃度値を使ってダムのゲート操作を行った．

I_560

ワイヤーとケーブル

水温センサー

水面SSセンサー

懸架装置

水中型SMDP

河床図-2 水中型 SMDP と宇奈月ダム下流の設置状況（左：SMDP 本体，中央：懸架装置と設置状況 右：設置場所（宇奈月ダム堰堤より約 500m 下流）(2) ゲート操作の手法
今回行ったダムゲートの操作手法は単にゲート開度を大きくして放流するのではなく，図 4 に示すようにダム下流の SS 濃度に上限値の閾値を設け，SS 濃度が徐々に上昇し上限値(30,000mg/l)に近くなるとゲートを閉めて，自然流下時の水流を緩めて（放流量を減らして），河床の堆砂の浸食を抑制することで水中の SS 濃度を低下させた．その結果，ダム下流の SS 濃度は上昇が緩くなり，しばらくすると下降に転じる．SS 濃度が減少して下限目標値(20,000mgl)に近くなると再びゲートを開く方向に操作して(放流量を増やして)水流を強め，河床の堆砂がより削れるようにし，この結果，水中の SS 濃度が上昇してくる．
今回は，この操作を数回行い，目標値の中に収めながら水位を低下させて自然流下完了に移行させた．
2016 年の連携排砂のダム下流 SS 濃度とダムの水位を時間経過で示したのが図 5 である．横軸が時刻で縦軸が宇奈月ダム下流の SS 濃度とダムの貯水位である．今回の方法でゲート操作をしたことで SS 濃度が約 10,000mg/lから 30,000mg/l の間で振れていることでわかる．その結果 SS 濃度が一気に上昇することなく自然流下に移行することができた．なお，採水データとの比較を示すが，多少のずれはあるものの概ね傾向を捉えている．

図-4 ゲート操作と SS 濃度変化の例

図-5 2016 年連携排砂水位と SS 濃度

2016年6月24-26日 宇奈月ダム連携排砂
流入量・放流量600

流量m3/s

500
400
300
200
100
0
19:00

0:00

5:00
時刻

10:00 15:00 20:00

1:00

流入量

6:00

11:00 16:00
放流量

図-3 宇奈月ダム2016 年連携排砂水文データ
図-6 2015 年連携排砂水位と SS 濃度

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一方，2015 年の連携排砂時にはまだ SS 濃度測定値を監視してゲート操作を行うことはなく，排砂ゲートを開いてダム水位を下げて行き自然流下完了まで移行させた．
図 6 に 2015 年の連携排砂時のダム下流の SS 濃度とダム水位の変化の経過を示す．2015 年と 2016 年の連携排砂の比較を行うと，2015 年の排砂ではピークの SS 濃度は直前の濃度から 6 倍くらいの濃度にまで急激に変化している．同様に採水データとの比較を示すが，2015 年のデータも良好に傾向を捉えている．
2015 年と 2016 年の連携排砂時の SS 濃度をそれぞれのピーク値のタイミングで合わせて描くと図 7 のようになる．2016 年の排砂では宇奈月ダム下流の SS 濃度を見ながらゲート制御を行った結果，直前の濃度に比べてピークの SS 濃度の上昇を約 1.5 倍に抑えることができたと推定される．これにより，ダムのゲート操作でダム下流のSS 濃度を制御する方法が有効であることがわかる．2016年の上流の出し平ダムの目標排砂量は29 万m3 と2015 年の 16 万 m3 よりも大幅に上回っており，宇奈月ダムに堆積していた土砂量も同様に2016年の方が多かったとすれ
ば，仮に 2015 年のような方法で水位低下していたとすると SS 濃度は今回の数倍になっていたと思われる．

いま，SS 濃度 10g/l の水を毎秒 100m3 1 時間継続して放流すると SS 量は 1000kg/s×3600s＝3600 t/h となる．
2016年の連携排砂時の SS 量を求めたのが図 8 である．放流
SS 量が一時期に集中することなく平均化している．一方,2015 年の連携排砂の SS 量は図 9 のようになり SS 濃度ピーク時刻に SS 量がピークになる．2015 年と 2016 年ではSS 濃度のピーク値が異なるが SS 濃度を監視しながらゲート操作を行った 2016 年のほうが, ピーク濃度を大きく上昇させずに，多くの SS を排出できたことが図 8，図 9の比較からわかる．
(4) 下黒部橋の SS 濃度とダム下流 SS 濃度比較
海にそそぐ直前の黒部川の SS 濃度観測点が下黒部橋左岸の水質観測所にある．この地点は川の水深が浅いことから河川水を採水ポンプでくみ上げて SMDP 水槽にためて水槽内に入れた SMDP センサーで SS 濃度を測定す
る水循環式 SMDP が設置してある．
図 10 が下黒部橋左岸の水循環式 SMDP と観測局舎である．

(3) SS の排出量
SS の排出量の面からこの操作を検討する．宇奈月ダムに流入する浮遊砂量はその年の自然条件により変化する．
流入した浮遊砂はできるだけダムにためずに流出させた
い．流入した浮遊砂を排出する機会の主なものは連携排砂であるので，流入する浮遊砂量が多い年の場合連携排砂等で流出する浮遊砂量も多くなる．また当然 SS 濃度をコントロールしながら流出させて下流域への影響を少なくすることが求められる．
いま，ダムの放流浮遊砂量(kg/s) =SS 濃度（g/l）×放流量（m3/s）で求まるとする．

図-8 連携排砂時（2016 年）の SS 排出量の推定

図-7 連携排砂時 SS 濃度波形比較
図-9 連携排砂時（2015 年）の SS 排出量の推定

I_562

2015年連携排砂宇奈月ダム下流・下黒部橋SS濃度

S S 濃 度 ｍ ｇ/ l

40000
30000
20000
10000時間

下黒部橋

1 2 :0 0
1 3 :0 0
1 4 :0 0
1 5 :0 0

8 :0 0
9 :0 01 0 :0 0
1 1 :0 0

4 :0 0
5 :0 0
6 :0 0
7 :0 0

0 :0 0
1 :0 0
2 :0 0
3 :0 00

宇奈月ダム下流

図-10 下黒部橋設置水循環式 SMDP と局舎
図-12 宇奈月ダム下流と下黒部橋の SS 濃度(2015 年)

水循環式 SMDP の特徴は水深の浅い所で水中形 SMDPの設置が難しい所であり，また SS 濃度が 10,000mg/l 前後の中濃度 SS 水の測定に適している．下黒部橋の水循環式
SMDPのスパンは20,000mg/l として下黒部橋でのSS濃度測定に対応している．宇奈月ダムから流出した浮遊砂はダム下流から下黒部橋の間（約 20km）の河床に一部堆積しながら海にそそいでいるものと考えられる．両方の地点の濃度を比較したのが図 11（2016 年連携排砂）および図 12（2015 年連携排砂）である．
宇奈月ダムと下黒部橋のピーク SS 濃度を比較する．濃度の比を α とすると，2016 年の連携排砂時は α＝0.23 であった．同様に 2015 年の連携排砂時の比は α＝0.15 である．ダムから出た浮遊砂は黒部川下流で沈降して SS 濃度を減らしながら海岸にたどり着く．宇奈月ダム下流の SS
濃度ピーク値が高いと下黒部橋の SS 濃度ピーク値も高くなる．いずれにしても，下黒部橋の SS 濃度ピーク値は
宇奈月ダム下流の 2 割前後に低減している．宇奈月ダム
下流と下黒部橋の SS 濃度の差に相当する浮遊砂はダム下流から下黒部橋間の河床に堆積していると考えられ，排砂後の処置（清水によるフラッシュ放流）やその後の自然出水等を通じて徐々に下流に流下しているものと考えられる．
2016年連携排砂宇奈月ダム下流・下黒部橋SS濃度
50000

今後，宇奈月ダム下流と下黒部橋における排砂時の SS濃度の関連がより明確になると，宇奈月ダム下流の SS 濃度から下黒部橋の SS 濃度の推測ができるようになるものと考えられる．今後はデータを積み重ねて，このような河道における SS の変化を解明していきたい．

4. 今後の課題a) 宇奈月ダムの堆砂状況は毎年変化しており，自然流下前後の流れで浸食される砂礫の量，質は年ごとに異なっており，今後もゲート操作とダム下流 SS 濃度の変化傾向についてデータを積み重ね制御の向上を図る必要がある．
b) 連携排砂の自然流下直前に行うゲート操作ではダム下流の SS 濃度を監視してゲート開閉の度合いを調整する．現在は SS 濃度の表示間隔を 10 分間隔にしているが，この間隔を短くして（例えば 2 分程度）ゲート操作の遅れを減らすことが必要である．
c) 自然流下直前のゲート操作を自動化することで操作員の負担を減らすことができる．即ちダム下流の SS
濃度測定値，SS 濃度の上下限目標値からゲートを PID制御等の制御を行う．
PID 制御：ゲート開度（入力値）の制御を下流のSS 濃度（出力値）と目標の SS 濃度（目標値）の偏差、偏差の積分、偏差の微分の 330000

要素を組み合わせて行うフィードバック制御方式
20000
10000

時間

下黒部橋

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

00:00

SS濃度 ｍｇ/l

40000d) 下黒部橋のSS濃度は海にそそぐ河川水のSS濃度として重要であるが，宇奈月ダム下流の SS 濃度がどのくらい減衰するかはその年によって変動し，この変動要因の把握が重要である．

宇奈月ダム下流

図-11 宇奈月ダム下流と下黒部橋の SS 濃度(2016 年)

I_563

5. 結論

2000, pp.97-104.
2) C. Peteil, F. Fruchart et. Al., Sustainable management of sedimenta) 宇奈月ダム下流の水中形 SMDP により 2016 年の連携排砂時の高濃度 SS（ピーク値 45,000mg/l）を測定した．
b) SMDP の測定値を監視しながら排砂ゲートの開度調整操作を行った結果，宇奈月ダム下流の SS 濃度を目標値に収めて放流することができた．さらに自然流下時のピークも小さくできた．
c) ゲート操作で SS 濃度を制御することなく放流した場合に比べて，濃度上昇を抑えながら多くの SS を放流できるものと考えられる．今回行った自然流下前のゲート操作方法はダム下流の SS 濃度制御に有効である．
d) 将来，排砂時の自然流下前後のゲート操作を自動化することで操作員の負担を減らし効果的に浮遊砂を排出できる．
e) 宇奈月ダム下流のSS濃度と下黒部橋のSS濃度のピー
ク値を比較すると 2015 年，2016 年の連携排砂時の下黒部橋の SS 濃度は宇奈月ダム下流の 2 割前後に低減しており，河道内の低減や，その後の放流時の流出メカニズムの解明が重要である．

fluxes in reservoir by environmental friendly flushing: The case studyof the Genissiat Dam on the upper Rhone River (France), Advances inRiver Sediment Research – Fukuoka et al. (eds),© 2013 Taylor &Francis Group, London, ISBN 978-1-138-00062-9, pp.1147-1156.
3) D. Felix, I. Albayrak and R.M. Boes, Combining in-situ laser
diffraction (LISST) and vibrating tube densimetry to measure low andhigh suspended sediment concentrations,River Sedimentation,

Wieprecht et al. (Eds), © 2017 Taylor & Francis Group, London,ISBN 978-1-138-02945-3, pp.1264-1271.
4) 角 哲也・森田佐一郎・越智隆志・小宮秀昭：差圧測定による浮遊砂濃度計測システムの開発，
ダム工学，
11(3)，
pp.4-12，2001．
5) 角 哲也・森田佐一郎・越智隆志・小宮秀昭：差圧センサーを用いた河川・ダム貯水池における新しい浮遊砂濃度計測手法の開発，水工学論文集，Vol.46，pp.779-784，2002．
6) 角 哲也・白音包力皋・森田佐一郎：SMDP を用いたダム排砂時のSS観測について，
河川技術論文集Vol.10，
pp.315-320，
2005．
7) 角 哲也・白音包力皋：宇奈月ダムフラッシング排砂時の細粒
土砂流下特性，水工学論文集，Vol.50，pp.913-918, 2006.
8) Sumi, T., Baiyinbaoligao and Morita, S.：Characteristics of Fine

謝辞：本研究にあたり，国土交通省北陸地方整備局黒部河川事務所には SMDP の設置とその運用データ及びダム水文データ等の提供など多大な協力を得た．ここに記して謝意を表する．

Sediment Discharge during Sediment Flushing of Unazuki dam,JSCE, Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering, Vol.25,
No.1, pp. 99-106, 2007.
9) 角 哲也・森田佐一郎、小宮秀昭：水中型 SMDP を用いた黒部川ダム排砂時の高浮遊砂濃度連続計測，
水工学論文集，Vol.54，
pp.1111-1116, 2010.

参考文献

10) 国土交通省 北陸地方整備局 黒部河川事務所ホームページ,
http://www.kurobe.go.jp

1) Wren, D.G., Barkdoll, B.D., Kuhnle, R.A. and Derrow, R.W., Field
techniques for suspended-sediment measurement, ASCE HY 126(2),（2016.9.30 受付）

MEASUREMENT AND CONTROL OF HIGH SUSPENDED SEDIMENT CONCENTRATIONDURING KUROBE RIVER SEDIMENT FLUSHING WITH SUBMERSIBLE TYPE SMDP
Tetsuya SUMI, Saichiro MORITA and Hideaki KOMIYAIn the Kurobe River, coordinated sediment flushing and sediment sluicing of Dashidaira and Unazuki
dams have been executed since 2001. From the view point of the comprehensive sediment managementin the sediment routing system, monitoring of quantity and quality of sediment transport during theseevents in rivers and reservoirs is very important. This paper shows the results of continuous
measurement of high suspended sediment concentration during sediment flushing and sluicing
operation of Unazuki dam in 2015 and 2016. These data have been obtained by submergible type of
Suspended Sediment Concentration Measuring System with Differential Pressure Transmitter(hereinafter we call ‘submergible type SMDP’) which is designed to be placed underwater. Measured
data have good correlation with manual sampling and effectively utilized to control gate operation by
real-time basis during the most critical timing producing extreme high concentration just before freeflow starts for sediment flushing.

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