水工学論文集,第51巻,2007年2月

PIV を用いたフラッシング排砂時の細粒土砂流出過程計測に関する研究
STUDY ON MEASUREMENT OF FINE SEDIEMNT DISCHARGE PROCESSDURING SEDIMENT FLUSHING OPERATION USING PIV
角

哲也１・村崎充弘２・平 謙二３・新房健一３・名倉 裕４・玉置晴朗４
Tetsuya SUMI, Mitsuhiro MURASAKI, Kenji TAIRA, Kenichi SHINBO,
Hiroshi NAGURA and Haruo TAMAKI

１

正会員

博士(工) 京都大学助教授 京都大学大学院工学研究科 （〒615-8540 京都市西京区京都大学桂 4）
正会員 理修 応用地質株式会社 関西支社（〒532-0021 大阪市淀川区田川北 2-4-66）
三菱電機株式会社 コミュニケーション・ネットワーク製作所（〒963-8586 福島県郡山市栄町 2-25）
４
非会員 株式会社数理設計研究所（〒371-0816 群馬県前橋市上佐鳥町 54-2）
２３

非会員

In the Kurobe River, coordinated sediment flushing and sediment sluicing of Dashidaira and Unazuki dams havebeen executed since 2001. From the view point of the environmental assessment of these operations, how and whenhigh sediment concentration discharge from reservoir will occur is one of key issues.
This paper shows the results of field data obtained during sediment flushing of Unazuki dam in July 2006. Timeand spatial variations of reservoir surface velocities during drawdown period were measured by PIV (Particle ImageVelocimetry) using CCTV camera and image data processor.
These data can be converted to actual velocities by the 3D laser scanner data. Both reservoir water level and flow
velocity changes during the drawdown period help us to understand fine sediment discharge process from a reservoir.

Key Words: Particle image velocimetry, 3D Laser scanner, sediment flushing, Kurobe River,
Unazuki dam

１．はじめにダム貯水池の堆砂対策として，黒部川水系宇奈月
ダム及び出し平ダムにおいてフラッシング排砂が実施されている１）．このようなフラッシング排砂の成否には，排砂効率（排出土砂に対する使用水量の関係）および排砂効果（排砂前の堆積土砂に対する排出土砂の関係）をいかに高めるかが重要である．特に，排砂効果の予測に関しては，排砂ゲートの高さや排砂流量などとともに，貯水池の平面形状に対する排砂時に形成される水みち侵食の関係が重要となる２）．
一方，排砂に伴う下流河川に対する環境影響においては，貯水池内における高濃度濁度の発生予測とその軽減対策が重要な課題となる．既往の研究によれば，排砂に伴う貯水位低下時に最大濃度を迎えることが指摘されている 3),4)が，水位低下時の実際の貯水池内の流動形態や細粒土砂の侵食に及ぼす影響などについては世界的に見ても観測例はほとんど無く，明らかにされていない．

筆者らは，宇奈月ダムの完成直後の平成 13 年 6月の連携排砂時より，3D レーザスキャナを用いて，貯水池内に堆積した土砂の侵食過程に関する 3 次元計測を行ってきた 5）, 6)．これらにより，昼夜を問わず，水面および土砂面が混在する場合の地形変化を時間経過とともに追跡することが可能であることを示した．
貯水池内の土砂の侵食をさらに詳細に検討するには，貯水池内の流速分布およびその時間変化の解析が必要である．そこで本研究では，平成 18 年の連携排砂時の宇奈月ダム貯水池を対象に，CCTV カメラの撮影画像を用いた PIV（粒子画像流速測定法）による流速測定および 3D レーザスキャナを用いた貯水池内の地形計測を組み合わせた現地計測を行い，これらの結果をもとに，フラッシング排砂に伴う貯水位低下時の細粒土砂の流出過程に関する検討を行った．

- 1075 -水位回復完了
7/2 21:00

宇奈月ダム
水位低下開始7/1 9:30

計測調査実施期間

排砂後の措置(試行)完了
7/2 5:40

排砂ゲート全閉
7/2 17:05
自然流下開始7/2 2:32

常用洪水吐きゲート

自然流下完了7/2 14:32

水位低下用ゲート
排砂ゲート

7月１日

7月2日
水位低下
17時間02分

7月3日

自然流下（通砂）
12時間
44時間10分

水位回復
6時間28分

排砂後の措置(試行)（追加放流）6時間40分

53時間43分

240
SS(mg/l)
濁度（NTU）
貯水位(EL.m）

20,00015,000230

10,000

225

5,000

220

0
7/1 18:00

図-2

7/2 00:00

7/2 06:00

7/2 12:00

215
7/2 18:00

宇奈月ダム貯水位の変化と宇奈月ダムから約 400m 下流地点の濁度・SS 濃度の変化(H18)
H13-SS
H17-SS

H14-SS
H18-SS

H15-SS
H13-水位H16-SS
H14-水位

H15-水位

H16-水位

H17-水位

H18-水位

240
235
230
225
220
215

70,00060,00050,00040,00030,00020,00010,0000-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

自然流下開始時刻からの時間(hr）図-3

宇奈月ダム貯水位の変化と宇奈月ダムから約 400m 下流地点の SS 濃度の変化(H13-18)

サイズ：200(W)mm
× 44(H)mm×220(D)mm
写真-1

３．ビデオ画像処理装置の概要
宇奈月ダム排砂操作時における表面流速の推移をリアルタイムで把握するために，三菱電機（株）製ビデオ画像処理装置 FX-8100（写真-1）を使用した．
本装置は汎用画像処理装置であり，追尾侵入監視や土石流監視などの防災向け監視以外に，河川の流速や水位をリアルタイムで画像から算出することが可能である．
FX-8100 を使用するに先立ち，この流速計測画像処理の精度を検証するために予備調査を行った．

235

貯水位(EL.m）

2006 年度の連携排砂は，図-1 に示すように 7/1から 7/3 にかけて実施された．水位低下に 17 時間，自然流下に 12 時間さらに水位回復に排砂後の措置を含めて約 24 時間の合計約 54 時間となり，極めて理想的な操作となった．
この間に宇奈月ダム下流において実施された，１時間間隔での採水調査による濁度および SS の時間変化を図-2 に示すが，これまでの例と同様に貯水位低下直後の 7/2 2:00～3:00 にかけて濁度および SSがピークを迎えている．
そこで，この関係を過去の排砂事例と比較したものが図-3 であり，貯水位が完全に低下して自然流下が開始された時刻を 0 時に統一して整理したものである．これより，①宇奈月ダム貯水池の堆砂進行により水位低下速度が H13→H16 と年々増加してきたが，H16→H18 ではほぼ安定化してきている，②
SS 濃度の最大値は年毎に異なり年々増加傾向にある（これまでの最高は H17），③SS 濃度の最大値の発生は自然流下開始時刻とほぼ一致しており，ダム下流の採水地点までの流下時間を考慮すれば，自然流下開始直前に細粒土砂の流出がピークを迎えている，ものと考えられる．

25,000

貯水位(EL.m）

２．宇奈月ダム排砂状況と近年の変化

ＳＳ(mg/l），濁度（NTU)

H18 年 7 月宇奈月ダムの連携排砂・通砂の概要（貯水位変化等）7）

SS(mg/l)

図-1

FX-8100 外観

宇奈月ダム下流に位置する音沢橋付近において，河川表面をカメラ撮影し FX-8100 にてリアルタイムに流速計測を行った．同じく，流量調査などでよく使用される浮子測法を使用し，表面流速を比較した．
流速計測は，写真-2 に示す河川内 3 箇所（A，B，C）の測線を対象とし，浮子を各測線に 2～3 回流して流速を測定するとともに，FX-8100 による流速測定では，各測線の中央に合わせて監視エリアを配置し，そのエリア中で流速を計測した．監視エリアは，ビデオ画像の水面の動きに応じて任意の範囲に設定- 1076 -

B

23.8k

22.8k

22.4k

A

21.8k

宇奈月ダム

20.8k

ダム管理所

Ｎ

21.0k

レーザスキャナ及びCCTV設置位置

計測調査範囲

C
尾の沼公園

写真-2

黒部川

音沢橋

測定ポイント

計測調査範囲流速（ｍ／ｓ）
1.2

標高（ｍ）

計算値
1.0平均値：0.917m/ｓ

H11.12河床高（元河床）

H16.08河床高0.80.6

H17.9河床高

安定河床高（予測計算値）

ダムからの距離（ｍ）

060

図-4180図-5

宇奈月ダム貯水池平面図及び河床縦断図７）

測線 C における FX-8100 の測定データ

項目
測線 A
測線 B
測線 C
流速の相違
備考

120
計測時間（秒）表-1 流速計測結果の比較
FX-8100（平均値）
浮子測法
0.858m/ｓ
0.78m/ｓ
1.044m/ｓ
0.95m/ｓ
0.917m/ｓ
0.92m/ｓ
平均 6.1%（最大 9.9%）
測定間隔１秒，180 浮子流下距離：20m
秒測定．上記速度は 測定回数：2～3 回
180 秒間の平均値

排砂ゲート

面線
縦断可能であり，現場でリアルタイムに画像処理を行うことにより，空間的，時間的に連続した計測が可能である．図-4 に測線 C における計測結果を示す．折れ線が FX-8100 による測定結果であり，１秒間隔で180 秒間の流速測定を実施した．実線は，180 秒間の流速の平均値 0.917ｍ/ｓであり，装置は振れ幅も小さく安定して流速を算出しており，FX-8100 の測定結果は実流速をほぼ正確に示していると判断した．
写真-2 に示す測線ごとに浮子測法と FX-8100 の計測結果を比較したものを表-1 に示す．浮子測法とFX-8100 による測定結果の差異は,最大で＋9.9％となり，従来の調査方法と同程度の精度を有していることが確認された．
一方，この計測手法の課題としては，霧や障害物などにより見通しがきかない場合や，水面の波が風や陽光の乱反射の影響で正常に観測出来ない場合における測定誤差の増大がある．本装置ではその様な計測困難時における誤差回避策として，測定不能を検知し上位に報告する機能を有している．この機能により，計測障害が発生している場合のデータを棄却し，誤差を累積することなく正常な流速を計測することが可能となっている．

写真-3

写真４

宇奈
月ダム

宇奈月ダム排砂路上流側
貯水池内の水面状況（7/2，2:07）

４．3D レーザスキャナおよびビデオ画像解析装置による計測調査の概要
一般に，PIV 技術だけでは，ビデオ画像の単位時間当たりのピクセル移動量のみの解析結果となる．
そこで，実流速に換算するためには，ピクセルあたりの実距離の測量を別途行う必要がある．本研究では，従来から実施してきたレーザスキャナ計測を組み合わせ，ピクセル移動量を絶対速度に迅速に換算する手法を採用した．
今回の計測では図-5 に示す宇奈月ダム直上から湖面橋の範囲を選定した．レーザスキャナ及び CCTV
カメラの設置位置は，図-5 上図に示す通りである．
写真-3 に CCTV 設置位置からの見た宇奈月ダム直上の調査対象地域の拡大図を示す．計測に使用したレー ザ ス キ ャ ナ は ， 前 回 と 同 様 に ， RIEGL 製 のLMS-Z210(中距離型)である８）．
レーザスキャナは,例えば上記のような 100ｍ×200ｍ程度のエリアであれば，地形データを約１分間で詳細に取得することができる．従って，ビデオ画像処理装置 FX-8100 を組み合わせて，リアルタイムで表面流速を求めることができれば，河川管理（流- 1077 -- 1078 -

砂路

例
標高（ｍ）
226

排砂ゲート

路

凡

排(1)計測結果a)宇奈月ダム直上貯水池の水面形状
宇奈月ダム～湖面橋間を対象に，7 月 2 日 1：50～2：34 間で計 10 回のレーザスキャナ計測を行った．
各計測とも 80,000～85,000 点のデータを計測し，各回に約 1 分 40 秒を要した．2:18 ごろの水面の形状を図-6 に示す．上流側から下流側に向かって一様に傾斜しているのではなく，○印で囲んだ地域は周辺より標高が数 10cm～1ｍほど低くなっており，また，排砂路に向かって流れが集中して加速する領域が認められる．上流側の標高の高い地域については，土砂が上流から移動し，河床の高まりを反映していると推定される．なお，ダム堤体直上流では土砂堆積が進んでいること標高の高まりから確認される．
図-6 及び写真-3 に示す縦断面線に沿った水面形状を図-7 に示す．1:50～2:10 では，まだ湛水状態を継続しながら，ほぼ単調に 7cm～8cm／分の水位低下が認められた．2:10～2:27 では 11cm～18cm／分と水位低下速度が増大し，さらに 2:27 と 2:34 では，側線の上流側（0ｍ～120ｍ）が河道状態に移行したと考えられ，大きな水面勾配が認められた．
2:10～2:18 の断面形で，○印で囲んだ区間に数10cm の水位低下が認められる．図-6 では，○印で囲んだＡで示す地域に対応する．これは，排砂操作に伴う土砂の移動により，土砂移動の先端部において河道部の射流域から湛水部の常流域へ跳水が発生して水面が変動している影響と推定される．また 2:27以降では，特に 60ｍ～100ｍの区間で水面が約１ｍの振幅を持って変動している．これは，射流域の拡大に伴って形成された河床波の影響を受けていると考えられる．
以上のとおり，2:10 以前では湛水状態で単調に水砂

５．計測結果及び考察

位低下が進行する状況，2:10～2:27 では水位が大きく低下し水面勾配が増大する状況，2:27 以降では射流状態となって河床波の影響により水面が大きく変動する状況の 3 つの段階が認められた．
b)排砂路直上の水面形状
さらに排砂路直上区間に着目し，写真-4 に示す縦断面線に沿った水面形状を図-8 に示す．全体の傾向と同様に，2:10 以前では水位が単調に低下する状況，
2:10～2:23 では水位が大きく低下する状況，2:23以降では水面が大きく変動する状況の 3 つの段階が認められた．
c)排砂路直上の表面流速
CCTV カメラで取得した 7 月 2 日 1:55～2:35 のビ
デオ画像を使用して，写真-4 に示す□で囲んだ領域
Ａ お よび 領域 Ｂ に対 して ， ビデ オ画 像 処理 装置
FX-8100 により PIV 処理を行い，各領域内の表面流速の平均値を求めた．
領域Ａおよび領域Ｂの表面流速の平均値を図-9に示す．両領域とも水位低下に伴って，表面流速が3m/s 程度から２倍以上の 7～8m/s まで加速していることが分かる．さらに，加速途中の 2:15～2:25 間には，約 1 分間隔の 1～2m/s（最大 4m/s）の強い周期的な流速変動が認められる．この傾向は領域Ａおよび領域Ｂで共通である．これは，前述の水面形状が変化する状況のうち，急激に水位が低下し水面勾配が増大する時期とほぼ一致している．

排量観測など）やダム管理（貯水変化を伴う排砂操作）のように時間経過に伴ったデータ収集を必要とする現場において，有効な計測手法となるものと期待される．
7 月 1 日に開始された宇奈月ダムの排砂操作では，7 月 2 日 2：32 に自然流下が開始されたと報告されている７）．本研究は，貯水池内からの細粒土砂の急激な流出現象の解明を主な目的としており，この自然流下開始前後の貯水池内の水面及び流速変化に着目した．そこで，レーザスキャナ及び PIV 計測を実施したデータのうち，自然流下開始時間の約 40 分前の 1：50 から約 5 分間隔で，1：50，1：55，2：00，2：04，2：10，2：13，2：18，2：23，2：27，2：34に計測されたデータを使用して以下の解析を行った．

223
222
221.2
221

宇奈
月ダム

Ｂ
Ａ
縦断面線

図-6

宇奈月ダム貯水池水面平面図（7/2，2:18）
標高 222ｍ以下（黄色～青色）の範囲が水面標高値（ｍ）

宇奈月ダム

225
1:50

224

2:00

223

2:04
2:10

2222:132:18

221

2:23

220

2:27219

2:34

218
0

図-7204060

80

100

120

140160180（ｍ）

排砂ゲート排砂路上流側の水面形状標高値（ｍ）

排砂ゲート

225

路
排砂

排砂ゲート

1:50

224

2:00

路
排砂

223 2:04
2:10

222 2:13
2:18

面線
縦断

221

領域Ｂ
領域Ａ

2:23

220

2:27
2:34

219
218

写真-40

図-8

宇奈月ダム排砂路直上の水面状況（7/2，2:20）
表面流速(m/秒)
8領域Ｂ
7領域Ａ
6543
2
10
1:55
2:00

管路流表面流速(m/秒)
領域Ｂ
8領域Ａ
7654
322:10

図-92:05

52:10

2:15

10

2:20

20

2530（ｍ）

排砂ゲート排砂路直上の水面形状

2:20

遷移状態2:15152:25

2:30

開水路流

2:25

2:30

領域ＡおよびＢの表面流速解析結果
上図：計測時間全体（1:55～2:30）
下図：上図の拡大図（2:10～2:30）（2)考察a)ビデオ画像解析装置による計測調査方法
高機能 CCTV カメラを使用すれば，夜間でも常設の照明を用いてビデオ画像を取得し，PIV 技術を使用した表面流速の解析を行うことが可能であることが確認された．ビデオ画像を取得することができれば，秒単位で面的に表面流速を取得することができることも確認できた．しかし，光度不足の領域や，霧などにより視界が確保できない場合は解析を行うことは困難である．このため夜間においては，計測対象領域を予め設定して，照明等の配置を考慮する必要がある．
また，ビデオ画像解析装置だけでは，相対的なピクセル移動量の違いを確認するだけであったが，レーザスキャナと組み合わせることにより，ピクセル移動量を実スケールに換算して，流速をリアルタイムで取得することが可能となった．
b)貯水池内の流動と細粒土砂の流掃形態
水面形状および表面流速の計測結果より，表-2 に示すような変化が生じていることが確認され，特に2:15～2:25 における周期的な流速変動が興味深い．

そこで，この時間帯におけるＶＴＲ画像を詳細に観察した．その結果，①排砂路内の水位が低下するとともに，排砂路内に貯水池から急激に水流が流れ込むことにより排砂路に接近する表面流速が上昇し，②その後，1 分程度で排砂路内の水位が上昇し，その結果として流れ込む流速が低下する，といった周期的な流況変化が確認された．
ダム管理事務所による公式な自然流下開始時間は2:32 と報告されている．上記の周期的な流速変動現
象は，排砂路内の下流側に設置されている排砂ゲート部において，流れが管路流と開水路流を繰り返す遷移状態が生じていることが原因と考えられる．すなわち，排砂ゲート部において水面がゲート下端から切れると開水路流となり，排砂水路内の水位が急激に低下し，貯水池側の排砂路直上流部との水面勾配が大きくなって表面流速が上昇し，この時に貯水池から排砂路内に水と土砂の急激な流れ込みが生じる．その後，この水と土砂の流入量の急増が排砂水路内の水位上昇をもたらすために排砂ゲート下端に水面が接触（再付着）し，一時的に開水路流から管- 1079 -

表-2

水面形状
表面流速

水面形状および表面流速から見られる各段階の特徴

2:15 まで
・湛水状態で水位が単調に低下
・水面形状も大きな変化なし
・流速：３～４ｍ／ｓ
・流速の変動量：最大約２m/s
・流速の変動周期：ランダム

2:15～2:25
・水位が，大きく低下
・水面勾配が増大
・流速：５～６ｍ／ｓ
・流速の変動量：最大約４m/s
・流速の変動周期：約１分

路流に戻る．この結果，貯水池水位と排砂路内水位の水面勾配が小さくなって表面流速が低下し，水と土砂の流れ込みも減少する．その後，排砂路内の水と土砂の排出に伴って水位が低下し，排砂ゲート部において再び管路流から開水路流に移行する．
ダムのオリフィス形式の放流管では，管路流から開水路流に移行する過程でこのような遷移領域が発生することが一般に知られている．今回明らかになった宇奈月ダムの排砂路における流速変動も一義的にはこの管路流から開水路流に移行する過程での遷移領域によるものと考えられる．
しかし，これだけでは変動の周期性を説明するには十分ではない．考えられる周期性の原因として，①一定の容量を持った排砂路への土砂流入量の変化が排砂路内の周期的な水位変化をもたらしている，②排砂路内では下流端の排砂ゲート部および上流端の排砂路入口部の２箇所に支配断面が存在し，水位低下時にはこれら２点間で支配断面を交互に繰り返している，ことなども考えられ，今後の課題である．
なお，このような急激な水位と流速の変動は，貯水池上流から運ばれてダム直上に堆積した細粒土砂を急激に巻上げる原因となり，これがダムから排出される SS 濃度が自然流下直前にピークを発生させる原因と大きく関係しているものと推察される．

2:25 以降
・河床波の影響により水面が大きく変動・流速：６～７ｍ／ｓ
・流速の変動量：最大約２m/s
・流速の変動周期：ランダムの形成によると考えられる水面の波立ちが顕著な区間の存在が確認された．
(4) 自然流下直前には，排砂水路前面において周期約 1 分，流速値で 2～4m/s の周期的な流速変動が観測され，これは排砂ゲート部において管路流から開水路流に移行する過程で生じる遷移領域の影響を受けているものと推定される．
(5) ダム下流においては，高濃度の SS 濃度が自然流下開始直前に観測されており，水位低下に伴って，貯水池内の射流域の拡大に伴う流速上昇に加えて，遷移領域に伴う水面と流速の急激な変動が貯水池内の細粒土砂の強烈な巻上げを生じさせていることが推定される．
宇奈月ダムの堆砂進行に伴い，貯水位低下速度の上昇や排出される粒径の増大などの変化が明らかとなっている．本研究で明らかとなった水位低下時の貯水池内の流動特性を参考にしながら，細粒土砂の流出に伴う環境影響を考慮した排砂ゲート操作のあり方について今後検討していく必要がある．
謝辞：本研究を進めるにあたり，国土交通省北陸地方整備局黒部河川事務所および㈲和泉測量には，現地測量など多大な協力を得た．ここに記して謝意を表する．
参考文献

６．おわりに

1)角 哲也：土砂を貯めないダムの実現－流砂系総合土

本論文では，黒部川宇奈月ダムの連携排砂を調査対象として，貯水位低下時の貯水池内流動および細粒土砂流出過程の解明を試みたものである．得られた主要な結論は以下のとおりである．
(1) PIV 技術と３D レーザスキャナを組み合わせることにより，ピクセル移動量から実流速をリアルタイムで推定することができた．
(2) PIV による表面流速計測では，貯水位低下に伴って排砂ゲートに向かう流れの加速が確認され，排砂路前面では自然流下時に最大約 7～8m/s の高流速が発生していることが推定された．
(3) ３D レーザスキャナによる水面を含む地形計測
では，貯水位低下に伴って，水深が浅く射流領域と推定される河道部の前進とともに，河床波砂管理に向けた黒部川の挑戦，土木学会誌，Vol.88，
No3，pp.41-44，2003．
2) 角 哲也：排砂効率および環境適合を考慮したダム堆砂対策の選択，大ダム，194，pp.125-138, 2006．
3) 角 哲也：ダム貯水池からの排砂と排砂時の放流水質管理，ダム技術，No.127，pp.30-39，1997.
4) 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，第 50 巻，2006.
5）角 哲也，村崎充弘，藤永清和，名倉裕，玉置晴朗：
フラッシング排砂時における貯水池堆砂の侵食・堆積過程計測に関する研究，水工学論文集, 第 48 巻，pp.1147-1152，2004．
6) 角 哲也，村崎充弘，名倉 裕，玉置晴朗，今城貴弘：フラッシング排砂時における貯水池堆砂の侵食・堆積過程計測に関する研究(その２)，水工学論文集，第 49巻，pp.1033-1038, 2005．
7)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/8）株式会社数理設計研究所：ホームページ, http://www.
madlabo.com/mad/（2006.9.30 受付）- 1080 -