平成23年度

濁度計を用いた出水に伴う高濃度濁水中の浮遊土砂濃度推定法（独）土木研究所寒地土木研究所（独）土木研究所寒地土木研究所（独）土木研究所寒地土木研究所

水環境保全チーム ○水垣
寒地河川チーム
阿部
道央支所
丸山

滋
孝章
政浩

流域土砂管理において浮遊土砂量の把握は重要である。浮遊土砂量の把握には一般に濁度計が用いられ、濁度（ppm）からSS濃度（mg/L）への回帰式を構築する必要がある。しかし高濃度の濁水では、濁度計の測定限界やSS 濃度の過小評価などの問題がある。本研究では高濁度条
件においてもSS濃度を精度良く推定する手法の開発を目的とし、高濃度濁度計を用いた連続観測とSS 濃度の新たな推定式の構築を試みた。
キーワード：浮遊土砂、濁度計、SS、濁質

1. はじめに
近年、流域一貫した土砂管理の重要性が認識されている。山地部で生産された土砂は流域内で、貯水池容量の圧迫、生態系への影響、海岸線の後退など様々な問題を引き起こしている。これらの問題は流域を通して流下する浮遊土砂が原因であるものが多く、浮遊土砂の生産及び移動実態の把握が課題となっている。
こうした研究に見られる浮遊土砂輸送量の適切な評価のためには、土砂濃度の連続観測が重要になる。浮遊土砂輸送を定量的に観測する手法は数多くあるが、中でも濁度計は河道内に設置しておくだけで長期間の連続観測が可能で、土砂動態のモニタリング装置として広く普及しつつある。
一般的に用いられる濁度計は、濁水中の赤外後方散乱強度を測定して濁度に変換するもので、2000 NTU（カオリン濃度で2000 mg/L程度）を測定限界とするものが多い1), 2)。そのような条件では濁度と浮遊土砂 濃度（以下、SS濃度）は線形関係があり、濁度からSS濃度を精度よく推定できる。しかし近年、数千～数万 ppm をこえる高濃度の濁水の観測事例が報告されており3),4)。このような高濁度領域ではSS 濃度に対して線形関係は満たされないことが指摘されており5), 6), 7)、同じ濁度値であってもSS 濃度で4 倍以上の開きが確認されるケース7)も報告されている。後方散乱強度は粒子比表面積に影響を受けるため5)、出水による濁水中の粒径組成の変化がSS濃度の推定精度に影響を及ぼす可能性がある。
実河川では、降雨出水時の流量増大に伴い高濃度の濁水が発生するが、SS濃度の推定精度が低ければ流出土砂量の評価に大きな誤差が生じる恐れがある。濁度計による計測濁度の粒径依存性は実験によって確かめられた
Shigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyama

事例はあるが5)、実河川における濁質の特性を考慮した
浮遊土砂濃度推定式はいまだ構築されていない。
本研究の目的は、降雨出水時の流出する高濃度濁水を対象に、濁度計を用いたSS濃度推定式を構築することである。高濃度濁度計を用いて濁度の通年観測を実施し、濁度計のキャリブレーションに基づき、計測濁度に基づくSS 濃度の実用的な推定手法を検討した。

2. 方法(1) 研究対象流域
調査対象流域は、北海道中央部の一級河川鵡川流域（流域面積 1270 km2）及び沙流川流域（1350 km2）とした（図-1）。年平均降水量は、上流域で約 1300～1350mm、下流域で約 1000 mm である。地質はきわめて複雑

福山
稲里

水位・濁度観測点
雨量観測点
対象流域

M3M2

鵡川

豊糠

S5S8S6

宿主別旭太平洋

沙流川

図-1 調査地位置図

表-1 調査地概要
水系

鵡川

沙流川

対象流域

穂別川

鵡川

額平川

総主別川

宿主別川

調査地点

中島橋

富内橋

貫気別橋

町道1号橋

宿主別橋

地点コード

M2

M3S5S6S8

流域面積200723290

1764

年平均降水量 (mm)

1418

1521

1286

1668

1728

稲里

福山

豊糠

旭

宿主別

ATU75W-USB

ATU3-8M

ATU75W-USB

ATU75W-USB

ATU75W-USB

100,000

20,000100,000

100,000

100,000

雨量観測所
濁度計型式
測定限界 (ppm)に入り組んでいる。鵡川流域は、最上流域が白亜紀から古第三紀の堆積物および変成岩類・深成岩類などで構成され、上流域はジュラ紀～白亜紀の砂岩・泥岩が主に分布し、軟質で開析の進んだ山地を形成する。また一部に蛇紋岩などの変成岩類が含まれ、地すべりや斜面崩壊を起こしやすい。上流から下流には新第三紀の堆積岩類が広く分布し、起伏の少ない山地を形成している。沙流川
流域の地質は、古生層の一部を除き主に白亜紀層と新第三紀層の堆積岩や貫入岩で形成されている。貫入岩帯は主稜部に発達し、火成岩類では斑糲岩、カンラン岩、変成岩では結晶変岩・変麻岩が多い。土地利用は、ほとんどが森林に覆われている。鵡川流域は森林、農地及び市街地がそれぞれ 82%、5%及び 13%であり、沙流川流域
ではそれぞれ 88%、6%及び 6%となっている。
(2) 観測方法及びデータ処理
調査地は、鵡川流域に 2 地点、沙流川水系額平川流域に 3 地点、合計 5 地点とした（図-1、表-1）。各調査地点で流量及び浮遊土砂濃度を観測するため、自記式水位計（応用地質; S&DL mini）及び濁度計（JFE アドバンテ
ック: ATM3-8M, ATM75W-USB）をステンレス保護ケースに挿入して河川内に設置した（図-2）。所有機材の都合により、比較的低い濁度が見込まれる M3 地点にのみ ATU3-8M（測定範囲 0～20,000 ppm）を設置した（表1）。これらの濁度計の測定原理は赤外後方散乱方式であるが、センサー部の仕様は異なっている。濁度値は、メーカーによりカオリン（中央粒径 6 μm; JFE アドバンテック私信）で校正され、ppm の単位で出力される。
水位及び濁度の測定時間間隔は 10 分とし、2010 年の1 年間実施した。各観測地点において平水時及び出水時に流速測定を行い、あらかじめ水位-流量曲線を作成し、流量の時系列データを得た。濁度計の観測生データから異常値を除去するため、濁度計が水面上にでていた期間、土砂埋積が考えられる期間、無降雨時や河川結氷期間など土砂流入による濁度上昇が想定されない期間のスパイクデータを棄却した。その上で、前後 30 分（7 点）の移動平均値を濁度データとした。
濁度から SS 濃度を算出するため、各地点において融雪出水時に 4～5 回、夏期の降雨出水時の水位ピーク時に 1～2 回、橋上より左岸、流心、右岸の 3 箇所で河川水の表面採水を実施した。各地点の各箇所における採水量は約 8 L とした。
(3) 分析方法
採取した河川水の一部を吸引ろ過し、フィルター上の残留物の乾燥重量を水試料量で除して、SS濃度を算出した。各地点のSS濃度は、左岸、流心及び右岸3箇所の平均SS濃度とした。濁度成分の粒度分析について、各地点の3箇所で採取した河川水を等量ずつ混合し、濁質成分を十分に静沈させ上澄みを除去した後、絶乾したものを分析試料とした。乾燥した濁質試料は、ふるい試験を行い、0.5 mm以下の成分についてはレーザー回折式粒度分布測定装置（島津 SALD-3000S及びSALD-2000J）により粒度分布を調べた。レーザー分析には、30%過酸化水素水で有機物分を除去したものを分析試料とした。比表面積は、等価球体を仮定した粒子の比表面積とし、粒度試験結果を用いて次式によって算出した。すなわち、

水位計
濁度計

ケース

図-2 水位計・濁度計の設置例

Shigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyamaである。ここに、SSAは比表面積（m2/g）、nは粒径階数、diは粗い方からi番目のメッシュサイズ（m）、piは粒径

階iの存在割合、は粒子密度（g/m3）である。ただし本研究では、粒子密度を2.6×106 g/m3とした。比表面積は、粒度が粗いほど小さくなる。

限のため夏期降雨出水時に採水できなかったが、その他は出水時の表面採水を実施できた。SS濃度の範囲は地点によってさまざまであるが、いずれの地点でも採水した時点の流量及びSS濃度は夏期出水時に最も大きかった。SS濃度は数千mg/L以上の高い値が得られ、とくにS5地点とS8地点ではSS濃度が10,000 mg/L以上の超高濃度の濁水が確認された。
SS濃度を濁度値から推定するため、採水と同時刻の濁度とSS濃度との関係を調べた（図-3）。ただし、M2

3. 結果(1) 濁度とSS濃度の関係
濁度とSS濃度2010年4月～5月の融雪出水時及び8月12日の降雨出水時の観測結果を表-2に示す。S6では立入制

表-2 観測結果
観測所名

調査年月日

濁度

SS

平均

平均(m /s)(ppm)(mg/L)

流量

3M2M3S5S6S8SS/Tb

比表面積(m2/g)

穂別川

2010/4/2 10:40

16.53－456－0.7669（中島橋）

2010/4/14 11:50

73.60

－

1823

－

0.6951

2010/4/30 12:10

31.19

－

497

－

1.12992010/5/7 15:00

65.19

－

1050

－

0.86502010/8/12 14:00

146.04－4887－

0.4935鵡川

2010/4/2 13:10

152.88

1039

454

0.437

0.6547（富内橋）

2010/4/14 13:40

294.13

946

1004

1.061

0.8193

2010/4/30 13:15

218.10

405

373

0.921

0.8167

2010/4/30 17:35

238.00

579

573

0.990

0.82892010/5/7 16:10

467.33

1547

2177

1.407

0.7873

2010/8/12 15:15

565.69

1230

2577

2.095

－

2010/8/12 18:20

686.46

1630

3017

1.851

0.7229額平川

2010/4/2 14:20

30.09

1604

713

0.445

0.6955（貫気別橋）

2010/4/14 14:15

79.82

7588

2497

0.329

0.8365

2010/4/30 13:40

47.59

2694

1170

0.434

0.88010.6453

2010/5/7 13:50

195.99

8381

6750

0.805

2010/8/12 14:40

457.76

9217

11367

1.233

2010/8/12 16:30

507.34

8728

10833

1.241

0.2471

総主別川

2010/4/2 12:40

2.75

－

517

－

0.6633(町道1号橋)2010/4/14 12:40

3.77

－

3627

－

0.8742

2010/4/30 12:50

1.06

13596

1560

0.115

0.9443

2010/5/7 12:30

1.82－1960－0.7895

宿主別川2010/4/2 11:40

29.66

1730

670

0.387

0.8498（宿主別橋）

2010/4/14 11:40

52.41

6200

3497

0.564

0.66102010/4/30 12:20

34.50

6289

1253

0.199

0.9647

2010/5/7 13:10

135.48

9457

5797

0.613

0.7873

2010/8/12 14:00

220.37

－

13433

－

0.2419－: 欠測

Shigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyama

地点では濁度が欠測であったため、除外した。河川水の濁質がカオリンと同じ性質であれば、河川水のSS濃度は濁度と同じ値をとるはずであるが、全体的にばらつきが大きかった。M3、S5及びS8地点のSS濃度について地点ごとに濁度のべき乗関数で回帰したところ、決定係数は0.71～0.85程度であった。これらのことから、濁度からSS濃度を単純な換算式で精度良く推定することができないことがわかった。このことは、濁度成分の性質が均一でなく、濁度計の機種や地点や流況によってSS濃M3S5R² = 0.8451
S6S8カオリン

SS濃度 (mg/L)

10000

R² = 0.7352

R² = 0.7085

1001000(2) 流量と濁度及びSS濃度との関係
濁度及びSS濃度の流況による影響を調べるため、流量と濁度及びSS濃度との関係を調べた（図-4）。地点ごとの濁度は流量に対して頭打ちの傾向が伺えるが、SS濃度はいずれの地点も流量に対して明瞭な増加傾向が認められた。このように濁度とSS濃度は流量に対する応答が異なることがわかった。このことは、流量の増大によるSS濃度の変化を濁度計が検出できていない可能性を示唆している。
(3) 比表面積と濁度及びSS濃度との関係
濁度及びSS濃度に対する濁質成分の粒径組成による影響を調べるため、濁度及びSS濃度と比表面積との関係を調べた（図-5）。比表面積は濁度との間に明瞭な傾向は認められないが、SS濃度に対して明瞭な減少傾向が認められた。比表面積は、その値が大きいほど粗粒分が多く、微細粒分が少なくなることを意味していることから、SS濃度が高いときは濁質成分として粗粒分が大きく混入している可能性がある。
流量と比表面積との関係を調べた（図-6）。M2、M3、S5及びS8地点では、融雪出水時初期の流量が最も小さい

1000

100

度に対する濁度の応答が異なる可能性を示唆している。

10000

濁度 (ppm)
図-3 濁度と SS 濃度との関係

1M3S6S5S8

比表面積 (m2/g)

濁度 (ppm)

100000

10000

1000

0.80.60.4

M3S5S6S80.20100100

SS濃度 (mg/L)

100000

10M2S5S8100

1

1000

1000.80.60.4M2S5S80.201010010000

濁度 (ppm)

流量 (m3/s)
M3S610000

110001000

比表面積 (m2/g)

11000

流量 (m3/s)
図-4 流量と濁度（上）及び SS 濃度（下）との関係

Shigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyama

100M3S6100010000

SS濃度 (mg/L)
図-5 濁度（上）及び SS 濃度（下）と比表面積との関係

1.2M3S5S6S82SS/Tb

ときを除いて、比表面積は流量にともない減少傾向を示した。S6地点は、最も流量が大きい時を除いて、比表面積は流量に対して減少傾向を示した。これらのことから、濁質の粒度組成が流量によって変化していることが示唆された。

1

比表面積 (m2/g)

10.800.60.40.20M2S5S8M3S60.51比表面積 (m2/g)

1.5

図-7 比表面積と SS/Tb との関係式を満たすと考えられるから、SS/Tb は粒径分布を持っていても、流量増加に伴い増加することが推察される。
1101001000
本研究においても、SS/Tbと濁質の比表面積との関係
流量 (m3/s)を調べた（図-7）。SS/Tbは、M3の比表面積が最も小さ
図-6 流量と比表面積との関係い点（4月2日）を除けば、鵡川流域（ATU3-8M）と額平川流域（ATU75W-USB）のそれぞれにおいて、比表面積に対して減少傾向が認められた。差圧センサーによる濁4. 考察
度観測事例においても、粒径分布の変化によってSS/Tb
SS濃度は、濁度との間に単純な相関関係はみられず、比が変化することが報告されており9)、センサーの測定単一の曲線による回帰式を構築することができなかった。
原理にかかわらず粒径変化がSS/Tbを規定していると考この要因として、流量に伴う濁質の粒径組成の変化が影えられる。SS/Tbの比表面積に対する減少傾向の違いは、響していると考えられた。濁質の粒径組成に及ぼす水理
流域特性によるものか機種によるものか、あるいは両方学的な影響を明らかにすることができれば、現地観測になのかは判断できないが、現地観測においても濁度の粒よる濁度計を用いたSS濃度評価手法の改善に役立つ可径依存性を確認することができた。
能性がある。
濁質の比表面積は流量に対して、明瞭ではないが減少
一般に、河道内土砂の輸送可能量は、断面平均流速Ū、傾向を示しており（図-6）、流量にともなうSS/Tbの増加
粒子沈降速度ws や乱れ速度の鉛直方向成分等の水理諸が期待できる。そこで、SS/Tbと流量との関係を調べた量に支配される8)。Ūは掃流力τ0とτ0 =gŪ2 /C2という関係
ところ、鵡川流域（M3: ATU3-8M）及び額平川流域（S5,がある（ただしは水の密度、gは重力加速度、C は
S6, S8: ATU75W-USB）において、それぞれ（3a）式及びChezy の係数）ため、流速が大きくなるほど粒径の大き（3b）式によって回帰できた（図-8）。
な粒子が流送される。したがって、河道内の水理量が変化すれば、流送土砂の粒径も変化することがわかる。
水理量による濁質の粒径変化は、SS濃度に対する濁度の応答に影響を及ぼす。Mie の散乱理論によれば、赤外光濁度計では1 μm 以上の粒子について散乱強度（濁度）は濃度と粒子表面積に比例するため、単一粒径の場
合は、0

すなわち、(2)という式になる5)。ただし、α及びn（> 0） は補正係数である。この場合、流量が増加し流送土砂のd が大きくなればSS/Tb が増加するのは明らかである。混合粒径の場
合、流量が増大すれば粒径分布は平均粒径dm が大きくなる方向へシフトする。あるdm に着目した時にもこのShigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyama

ここにSSは土砂濃度（mg/L）、Tbは濁度（ppm）及びQは流量（m3/s）である。これらの式をSS濃度について一般化すると、(4)となる。ここに、a、b及びcは係数である。

データを蓄積して精度検証を行うとともに、さまざまな地点の既往観測データについても検討し、SS濃度推定式の一般性を確認する必要がある。

2.52SS/Tb

R² = 0.9167

1.51

R² = 0.9253

0.500200

400

600

M3S5S6S8

謝辞: 本研究の遂行にあたり、国土交通省北海道開発局室蘭開発建設部には雨量・水文データ等を提供いただきました。また、現地調査について株式会社福田水文セン
ター、北開水工コンサルタントにご協力いただきました。
ここに記して謝意を表します。

800

流量 (m3/s)
図-8 流量と SS/Tb との関係

参考文献1) た とえ ば Lewis J. 1996. Turbidity-controlled suspended sediment

sampling for runoff-event load estimation. Water Resources Research
本研究で行った濁度計によるSS濃度の推定は、出水
32: 2299-2310.
時の表面採水によりSS 濃度を算出している。一般的に
10)
2)
山口甲,三田村一弘, 渡辺浩司. 2000. 大河川における濁度観測
水深方向には流速分布が存在するため 、水面付近の浮値による土砂輸送量の計算. 水工学論文集 44: 401-406.
遊土砂の粒径分布と濁度計設置高さでの粒径分布は異な
3)
石田哲也,中山恵介, 大西健史, 夏井皓盛, 大森未音, アイヌルアる可能性がある。しかし、鵡川流域における実測例では、
ブリズ, 丸谷靖幸, 岡田知也. 2010. 融雪期における高濁度水
SS濃度の鉛直方向の変化は認められなかった11)。そのた発生機構と細粒土砂輸送. 水工学論文集54: 433-438.
め、SS濃度の鉛直分布の濁度に与える影響は小さいも4) Abe T, Mizugaki S, Toyabe T, Maruyama M, Murakami Y, Ishiya T. 2012.のと考えた。濁度と流量データを用いた（4）式によるHigh range turbidity monitoring in the Mu and Saru river basins: AllSS濃度推定式は、濁度－SS濃度式（図-3）よりも決定係
year monitoring of hydrology and sediment transport in 2010.
数が高いことから、高濃度のSS濃度をより精度良く推International Journal of Erosion Control Engineering (in review)定できると考えられる。
5) 横山勝英. 2002. 濁度計の粒径依存特性と現地使用方法に関する考察. 土木学会論文集 698 (II-58): 93-98.

5. おわりに6) 横山勝英. 2005. 河川の土砂動態が有明海沿岸に及ぼす影響について－白川と筑後川の事例－. 応用生態工学 8(1): 61-72.

7) 横山勝英, 藤塚慎太郎, 中沢哲弘, 高島創太郎. 2008. 多点濁度観
流域一貫した土砂管理において浮遊土砂流出量を把握
測による筑後川水系のSS流出・輸送特性に関する研究. 水する際は、一般に流量とSS濃度の測定は必須である。
工学論文集 52: 553-558.
本研究で提案したSS濃度推定式は、濁度と流量をパラ8) Dietrich WE. 1982. Settling velocity of natural particles. Water Resources
メータとしているため、あらたに測定項目を追加する必Research 18: 1615-1626.
要がなく、従来の測定項目で得たデータを利用できる点
9)
角哲也,森田佐一郎, 越智隆志, 小宮秀昭. 2002. 差圧センサーをで汎用性が高い。ただし、各係数は濁度計の機種やその用いた河川・ダム貯水池における新しい浮遊砂濃度計測校正方法（カオリンの粒度分布）、濁質の物理特性や流手法の開発. 水工学論文集 46: 779-784.
域の土砂生産・流出特性により異なる可能性があるため、
10)
横山洋,喜澤一史, 長谷川和義. 2000. 鵡川洪水における水位変調査地点ごとに決定する必要がある。また、土砂の生化と水理量の関係について. 土木学会第55回年次学術講演
産・流出過程は季節や降雨出水規模によって異なり4)、
会: Ⅱ-102.
流送される粒径に影響を及ぼす可能性も考えられる。本11) 鳥谷部寿人, 山下彰司, 喜澤一史, 長谷川和義. 1998. 平成9年8月
研究では、観測機器や機器設置方法といった観測上の問
鵡川洪水における現地観測の結果とその解析. 土木学会北題により欠測が多く、データ数が不十分であったため、海道支部論文報告集 54: 145-150.
地点ごとの係数を決定するにはいたらなかった。今後もShigeru Mizugaki, Taka-aki Abe, Masahiro Maruyama