京都大学防災研究所年報 第 59 号 B 平成 28 年 6 月
Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 59 B, 2016

ダム下流への置土が河床粒径分布および付着藻類の現存量に及ぼす効果
The Effect of Sediment Replenishment on Riverbed Material Size Distribution
and Algal Biomass at Downstream of Dams

宮川幸雄(1)・角哲也・竹門康弘・小林草平
Yukio MIYAGAWA(1), Tetsuya SUMI, Yasuhiro TAKEMON and Sohei KOBAYASHI(1) 土木研究所

自然共生研究センター(1) Aqua Restoration Research Center, Public Works Research Institute, Japan
Synopsis
Sediment replenishment is one of the effective methods to prevent a sediment
deficiency and detaching overgrowing algae in downstream reaches of dams. In thisstudy, we examined the effect on a bed material size and algal biomass based on datameasured in Futase dam. We assumed that algae detaches from the bed materials when
the bed materials are moved by flow. So, threshold bed material size in motion Dcri fora given τ is calculated. The result showed that in winter, algal biomass was very high if
flow was constantly low (No.1). However, other result showed that the algal biomass
was not so high if Dcri was temporally high (No.2). This is probably because the bed
materials of No.2 were finer and easier to move by flow than those of No.1. Thus,
sediment replenishment promotes detachment of algae not only by enhancing sedimenttransport during major floods but also by covering riverbed with fine materials andreducing bed stability in winter.

キーワード: 土砂供給，河床の攪乱，剥離，掃流力
Keywords: sediment-supply, riverbed disturbance, detachment, tractive force

1.

はじめにを及ぼすおそれがある．これに対し，ダム湖に堆積した土砂を掘削して下流に置土し，増水時に流下さダム湖に土砂が堆積することで，ダムの治水能力せる（Kantoush et al., 2010）ことで，河床の低下およが低下するだけでなく，下流への土砂供給量が減少

び粗粒化を抑えるほか，付着藻類の剥離を促す効果し，河床の低下および粗粒化が進行する（Erskine,が期待されている．

1985）．これにより，河床の細粒土砂が減少し，河付着藻類のバイオマス（付着藻類現存量）は生長

床礫に付着する藻類群集（付着藻類）が，細粒土砂による増加と剥離による減少で決定される（Biggs,の衝突で剥離される機会が減少する可能性が報告さ1996）[Fig. 1]．生長による増加速度は，河床に到達れている（皆川ら，2007）．付着藻類が剥離せず残する光，水中の栄養塩濃度，水温に左右され，それ存する期間が長い環境下では，異常繁茂および流下らを変数とした関数によって定量化される（戸田ら，無機物の堆積が生じやすくなる．これらは，付着藻

2001）．一方，剥離による減少は，流水および流水類を餌とするアユ等の水生生物の生息に多大な影響

中の粒子による攪乱，付着藻類内の代謝による枯死，― 517 ―

ム直下に置土し，その年の洪水期間（概ね4～9月）における増水時に自然流下させる事業を2003年度から現在まで実施している[Table 1]．置土量は年度によって異なるが，数千～1万数千m3の規模であり，ダム湖の年平均堆積砂量の約5～20%に相当する．
対象区間は，置土されている二瀬ダムの直下から，支川である中津川合流地点までの約4.0kmまでとした[Fig. 2]．この区間では，3地点で河床材料調査が行われており，以下st1～st3（置土地点（st0）から約0.7，Fig. 1 Resources and disturbances related to attachedalgal biomass

1.8，2.7km下流）とした[Fig. 2]．データは建設環境研究所の業務報告書（H16～H25）から収集したもので，各地点の付着藻類現存量，河床粒径分布，日平

水生動物による摂食および水生動物の移動で生じる均流量，および置土から流下した土砂量の推定値（流撹乱により促進される．この中で，置土は土砂粒子下土砂量（Sf, m3/year））である．付着藻類の現存量による攪乱を生起させる要因として，付着藻類の剥は単位面積あたりのchl.a量（mg/m2）を指標として，離に貢献すると考えられる．この置土の効果を検証

洪水期間（概ね4～9月）後の秋季（概ね10～11月），した事例として，増水時、置土から細粒土砂が流下

冬季（概ね12～1月），初春季（概ね2～3月）にかけした箇所では，置土が流下していない箇所よりも付て最大年3回，st1～st3の河床の礫から測定されたも着藻類の剥離が進行することが報告されている（坂のである [Table 1]．河床粒径分布は洪水期間後の冬

本ら，2005）．ただし，その年の置土量，洪水履歴

季 に 年 1回 st1～ st3の 河 床 で 観 測 さ れ た も ので あ るによって，土砂の流下パターンは変化する．さらに，[Table 1]．現存量と河床粒径分布が測定された日時

置土からの距離に応じて到達する土砂量とその時期は異なるが，非洪水期間中（概ね10～3月），河床粒は異なると考えられる．付着藻類は洪水時に剥離し径分布は概ね同じ数値として取り扱った．日平均流ても，洪水後から1ヶ月程度で剥離前と同じ程度の現量（m3/s）は，二瀬ダムからの放流量をst1の流量と存量に戻るため，剥離が生じる時期は重要といえる．

して，落合観測所の流量データをst3の流量として収さらに，河床に働く掃流力は河床粒径分布に左右されるため，土砂の流下パターンが同じでも，河床粒Table 1 Annual schedule of sediment adding and

径分布に応じて剥離効果は異なると考えられる．以

field monitoring in Futase Dam

上から，置土の付着藻類への効果を適切に把握する

YearSeason

ためには，置土，洪水履歴，河床粒径分布および付A given fiscal year
From April to SeptemberSpring and summer

From October to March
AutumnWinter
Early spring

100

着藻類現存量に関して，洪水直後のデータのみでな

Measurement of unflushed
sediment volume

Flow (m3 /s)(daily average)（e.g. 2005）

く，複数年にわたるデータを用いた検証が必要といえる．

Previous year
From October to March

0
Sediment placement

そこで，本研究では，置土，洪水履歴，河床粒径

Flushing by natural floods

分布および付着藻類現存量との関係を明らかにし，Bed material survey

置土が河床粒径分布および付着藻類現存量に及ぼすAlgal survey

効果の解明を目的として，複数年にわたり付着藻類を観測したダムを対象にデータ分析を行った．

2.

方法

2.1

データの収集本研究では，埼玉県秩父市の二瀬ダムを対象としてデータを収集した．二瀬ダムは昭和36年に運用が開始されてから約50年が経過し，貯水池の堆砂量が計画堆砂量の約91%まで進んでいる．さらに，ダム下流の荒川では土砂供給の減少などにより，河床低下および岩盤の露出が顕著となっている．このため，ダム湖で掘削した土砂の一部をその年の前年度にダ― 518 ―Fig. 2 Map of the study area in Futase Dam

集し，その平均値をst2の流量として取り扱った．流3

ここで，Rs：砂の水中比重，g：重力加速度， D50：

下土砂量は，洪水期直後の置土残存量（m /year）か50％粒径（m）である．そして，土砂移動の指標とら推定した．また，洪水期間直後から更に後の期間してのDcriと付着藻類現存量との関係を分析した．

において，付着藻類の現存量および河床の粒度分布

具体的には，付着藻類現存量は剥離から概ね1カ月以の計測が行われている [Table 1]．

内に剥離前の水準に戻ることから，付着藻類現存量が観測された日から1カ月前までのDcriを算出し，付2.2

パラメーターの分析

着藻類現存量と比較した．

はじめに，各年度の流下土砂量，洪水規模および河床粒径分布を整理した．洪水規模を表す指標とし

3.

結果

3.1

データの分析結果て，最大日平均流量（Qmax, m3/s）を用いた．河床粒径分布の指標として，代表粒径（D60，mm）と置土を構成する粒径100mm以下の割合（P <100mm, %）を流下土砂量，洪水履歴および河床粒径分布の年度用いた．そして，土砂の流下のインパクトと河床変ごとの増減傾向をグラフ化した結果，st1～st3とも，動の大きさとの関係を解明するため，年度毎にQmax

置土が流下し始めた年度（2004,2005）はそれほど変およびSfを横軸，D60およびP<100mmを縦軸とした散布化が見られなかったが，2006年度以降からD60は減少図を作成し，Pearsonの相関係数を用いた単回帰分析

し，P <100mmは増加する傾向であった[Fig. 3]．しかし，を行った．最後に，各年度の付着藻類現存量を整理

250m3/s以上のQmaxが観測された2007，2011年度では，した上で，Qmax，Sf，D60，およびP <100mmと付着藻類

D60は再度増加し，P <100mmは急減した[Fig. 3]．これら

現存量との関係について，同様の方法で分析を行っの結果から，置土が流下し始めた年度（2004，2005）

た．ただし，付着藻類は季節により生長速度等が異をG1，大規模な出水があった年度（2007，2011）をなるため，データは測定時期毎（秋季，冬季，早春

G2，その他の年度（2003，2006，2008，2009，2010，季）に作成した．

2012，2013）をG3としてグループ分けを行った．ただし，G3の中でも，2009年度は他の年度と異なり，2.3

付着藻類の剥離力の比較

st1のみで，D60およびP <100mmの増加が生じ，st2，st3

2

河床材料に働く掃流力τ (kg/m/s )は下記の式(1)では変化がなかった．

（Wilcock, 1996）で表される．

各グループにおけるQmaxおよびSfとD60およびP <100mmとの関係を分析した結果を以下に記載する．

Qmax，SfとD60との関係を見ると，st1のG3において，

 ln(10h / D84 )    u

Sfが10,000（m3/year）の場合，D60がやや低くなる傾向が見られた（p=0.15）[Fig. 4]．st2，st3では2009年
度のように15,000（m3/year）程度の高いSfにも係ら
3

ここで，ρ：水の密度（=1,000 kg/m ），κ：カルマ

ずD60が低いケースもあり，上記の傾向は見られなか

ン定数（=0.4），u：流速（m/s），h：水深（m），った。また，QmaxとD60およびG1，G2におけるSfとD84：84%粒径（m）である．この式により，日平均

D60との関係には，特筆すべき傾向が見られなかった。

流量からu，hを等流計算で求め，各地点のτの日変化

Qmax，SfとP <100mmとの関係を見ると，G1およびを算出した．さらに，付着藻類の剥離は土砂が動く

G2では，st1～st3ともP <100mmが20％以下であった[Fig.

ことで促されることから，本研究では，剥離の強さ5]．さらに，G3では，置土から近いst1で，Sfが多いを移動する土砂のパラメーターとして表すため，田ほどP <100mmが増大する傾向が見られた（p=0.04）[Fig.

中らの提案する移動限界粒径（田中ら，2014）を用5]．一方，st2，st3においても，同じような傾向が見いた．移動限界粒径Dcri(m）とは，河床材料に働くられるものの，2009年度のように15,000（m3/year）

掃流力に対し，動くことのできる最大の粒径（τ＝程度の高いSfにも係らず，P <100mmが20％以下になるτ(DN)となるときのN）である．

ケースも見られた。そのほかでは，G3におけるQmaxとP <100mmに，st1，st2よりも高い負の相関が見られた0.6 0.4
 ( DN )  0.045(  s   ) gD50
DN（p=0.15）ことを除き，特筆すべき傾向が見られなかった．
st1～st3における付着藻類現存量の観測結果を見Dcri  
 0.045R gD0.6 s50 

2.5

ると，2008年度のst2，st3において，200mg/m2を超える 高 い 値 が 観 測 さ れ た が ， st1 で は 全 て の 年 度 で100mg/m2を下回った[Fig. 6]．Qmax，Sfと付着藻類― 519 ―aDaily flowbc

Fig. 3 The patterns of flow, Sf(a), D60(b), and P <100mm(c)G3 : P=0.15

Fig. 4 Relationship between Qmax, and D60 (upper), and between Sf and D60 (lower)― 520 ―

Fig. 5 Relationship between Qmax, and P <100mm (upper), and between Sf and P <100mm (lower)

現存量との関係を散布図で分析した結果[Fig. 7]，Qmaxが150m3/sを超えるまたはSfが10,000（m3/year）
を超える年度A（2004，2005，2007，2009，2010，2011）において，現存量は他の年度B（2006，2008，2012，2013）よりも低い傾向を示した．ただし，2006，2008，2012，2013年度に注目しても，2008年度の現存量はそれ以外の年度よりも極端に高かった．
D60，P <100mmと付着藻類現存量との関係を散布図で分析した結果，D60と付着藻類現存量との関係について季節別に異なる傾向が見られた[Fig. 8]．具体的には，秋季において，D60が低いほど現存量が低い傾向となった（p=0.04）．一方，冬季，早春季では，年度Bのグループにおいて，st1以外で，D60が250mmを超えたあたりで，現存量が急増する傾向が見られた．
また，年度AではD60に係らず，現存量は100mg/m2以下であった．P <100mmと付着藻類現存量との関係については，D60と同様，冬季，早春季において，年度Bのグループのst1以外で，P <100mmが30%を下回るあたりで，現存量が急増する傾向が見られた．また，年度AではP <100mmが20％以下になることが多かったが，現存量は100mg/m2以下であった．

3.2

流量，Dcriおよび付着藻類現存量の比較

付着藻類現存量と現存量測定前の1ヶ月間における流量，Dcriの日変動を比較した．このとき，全ての現存量における1カ月以内の流量，Dcriのデータ量

Fig. 6 Algal biomass from 2004 to 2013 inは膨大なものになる．このため，3.1の結果をもとに，autumn, winter and early spring

現存量が大きい2008年度のst2，st3のデータをベースに下記の3つのケースにて比較を行った．

― 521 ―

Autumn

Winter

Early spring

Fig. 7 Relationship between Qmax, and algal biomass (upper), and between Sf and algal biomass (lower)

AutumnWinter

Early spring

Fig. 8 Relationship between D60 and algal biomass (upper), and between P <100mm and algal biomass (lower)

ケース１：2008年度：冬季：st2，st3
3

ケース３は，ケース１と比べてQmaxが小さく，Sfが3

Qmax：69 m /s，Sf：5,000 m /s，D60：450 mm（st2），大きいが，ケース１と概ね同程度のD60およびP <100mm

300 mm（st3），P <100mm：10 %（st2），23 %（st3）である．各ケースにおける1カ月以内の流量およびケース２：2006年度：冬季：st2，st3

Dcriを算定した結果，流量については，ケース１とQmax：108 m3/s，Sf：5,400 m3/s，D60：150 mm（st2），ケース２においてほとんど変動しない一方， ケース110 mm（st3），P <100mm：25 %（st2），60 %（st3）３において，10m3/s以上の比較的小規模な増水が観ケース３：2009年度：冬季：st2，st3

測された [Fig. 9]．また，Dcriについては，ケース１

3

3

Qmax：27 m /s，Sf：14,700 m /s，D60：430 mm（st2），300 mm（st3），P <100mm：5 %（st2），10 %（st3）において，1ヶ月間でほとんど変動がない一方、ケース２，３において一時的な増大が確認された[Fig. 10]．
付着藻類については，ケース１においてケース２，ケース２は，ケース１と概ね同程度のQmax，Sfであ３よりも高い結果となった．

るが，ケース１と比べてD60が小さくP <100mmが大きい．

― 522 ―

Case1

Case2

Case3

Fig. 9 Flow and algal biomass trends in Case1, 2 and 3

Case1

Case2

Case3

Fig. 10 Dcri and algal biomass trends in Case1, 2 and 3

4.

考察らず，細粒子が消失することも示唆される．また，初年度に河床変動が少なかった（G2）理由として，

4.1

置土が河床粒径分布に及ぼす効果

粗粒化し多くの空隙がある河床に土砂がとりこまれG3の結果から[Fig. 4，Fig. 5]，置土から0.7 km程度の箇所（st1）では，置土から流下した土砂量に比例たため，初期は表層への影響が少なかった可能性がある．

して河床の細粒化が促進されることが示唆される．
一方，1.0 km以上離れた箇所（st2，st3）では，置土4.2

置土が付着藻類現存量に及ぼす効果

から流下した土砂量と河床の細粒化の程度に比例関

秋季においてD60 が低いほど現存量が低くなった係が見られなかった．この理由として，置土から流ことから[Fig. 8]，河床が細粒化し攪乱が生じやすく下した土砂が，st2，st3にはすぐに到達せず，時間経なることで，現存量は抑制されやすいことが示唆さ過によって徐々に流下するためと推定される．他のれる．この傾向が秋季のみに見られた理由として，年度と比べてQmaxが小さくSfが大きかった2009年

洪水時期から間もない時期であり，洪水時の攪乱に度において，st1のみ河床が細粒化し，st2，st3では2008よる効果が冬季以降より反映されやすかったためと年度と同程度の河床粒径分布となったことについて推定される．ただし，冬季，早春季においても，秋も，st1がst2，st3に対して置土箇所に近かったためと季のD60ほどの強い相関は見られなかったが，現存量考えられる．ただし，G1の結果から，例年より非常の急増が生じたケースと生じなかったケースが発生に強いQmaxが発生した場合は，置土からの距離に関した[Fig. 7]．急増が生じた2008年度では，Qmax，Sf― 523 ―ともに他の年度よりも低めであり，攪乱の少ない年・非洪水期間に流量変動が少なかった場合でも，洪度であったと考えられる． 2009年度は2008年度と類

水期間中に置土が流下し河床が細粒化することで、似した河床粒径分布であったが，現存量の急増は生非洪水期間に河床の攪乱が生じやすくなり，付着じていない．この理由として，2009年度の冬季にお藻類現存量の抑制に効果を発揮すると考えられる

ける現存量観測前の1カ月間の流量が，2008年度と異・Dcriは，付着藻類に作用する攪乱を定量化するになり一時的に流量が上昇しており，このときに現存あたり，有効な指標となりうる．

量が抑制されたためと推定される．そして，このと今後は，土砂供給による河床環境および付着藻類

きの攪乱は，洪水時期に生じるものに比べて小規模の改善効果を評価することを目的として，土砂の流であったと推測されるが，それでも現存量の抑制に下に対する河床および付着藻類現存量の応答を定量効果的であることが示唆される．しかし，2006年度的に予測する技術を提案する予定である

は，2008年度と同じく攪乱の少ない年度であり，さ謝らに現存量観測前の1カ月間の流量が2008年度と同辞様であるにも係らず，現存量の急増は生じていない．
両者の現存量観測前の1カ月間のDcriを比較すると，本研究を進めるにあたり，国土交通省関東地方整

2006年度では一時的に上昇する一方，2008年度はこ備局二瀬ダム管理所には，二瀬ダムに関する長年にの傾向が見られなかった．このため，2006年度ではわたる資料を提供いただく等，数々のご協力を頂い現存量観測前の1ヶ月の間に河床攪乱が生じ，現存量た．ここに記して謝意を示す．

が抑制されたことが示唆される．同程度の洪水履歴

参考文献にも係らず，2006年度のみで攪乱が生じた理由として，2006年度は2008年度よりも河床が細粒化され，河床材料が移動しやすい環境であったためと考えら

坂本博文．谷崎保．角哲也（2005）：河川土砂還元れる．

を組み合わせた真名川ダム弾力的管理試験「フラッ以上から，置土は河床を細粒化し，攪乱が生じやシュ放流」. 河川技術論文集, 第11巻.

すい河床環境を促進することで，洪水時期，非洪水

田中規夫．古里栄一（2014）：ダム下流礫床河川に時期ともに，付着藻類現存量の抑制をもたらしていおける水生昆虫動態と小型河床材料移動性の人為ると考えられる．そして，攪乱が生じるタイミング

的土砂供給前後の変化, 土木学会論文集B1(水工学),および攪乱の規模に貢献する河床粒径分布は付着藻

Vol.70, pp.1327-1332.

類の現存量を決定する重要な要素といえる．さらに，

戸田祐嗣．赤松良久．池田駿介（2001）：平坦河床

この攪乱を定量的に分析する上で，Dcriは有効な指上の藻類の増殖と剥離に関する研究，水工学論文集，標となると考えられる．

Vol.45, pp.1111-1116.
皆川朊子．福嶋悟．萱場祐一（2007）：ダム下流の5.

おわりに河床付着膜の特徴とフラッシュ放流による掃流，土木技術資料，Vol.49(8), pp.52-57.

本研究では，置土が河床変動および付着藻類現存Biggs, B.J.F. (1996): Hydraulic habitat of plants in

量に及ぼす効果の解明を目的として，二瀬ダムを対streams, Regulated rivers, research & management,

象に，洪水履歴，河床変動および付着藻類現存量とVol.12, pp.131-144.の関係を分析した．その結果，以下の成果が得られ

Erskine, W. D. (1985): Downstream geomorphic impacts

た．

of large dams: the case of Glenbawn Dam, NSW,・置土から土砂が経年的に流下することで，河床のApplied Geography, Vol.5, pp.195-210.

細粒化の効果が促される（ただし，大規模洪水がKantoush, S. A., Sumi, T. and Kubota, A., (2010):

発生した年度では，細粒土砂が消失する可能性もGeomorphic response of rivers below dams by sedimentある）

replenishment technique, River Flow 2010, The MIT・置土から近い箇所では流下土砂量が多い年度ほどPress, pp.1155-1163.

河床の細粒化が促されるが，離れた箇所では洪水

Wilcock, P.R. (1996): Estimating local bed shear stress

履歴により細粒化の効果が遅れて生じる等によりfrom velocity observations, Water resources research,

上記と異なる傾向となる

Vol.32(11), pp.3361-3366.

・洪水期間における増水だけでなく，非洪水期間の中・小規模の増水も，付着藻類現存量を抑制する効果があると考えられる― 524 ―

（論文受理日：2016年6月13日）