水工学論文集,第51巻,2007年2月

低水路沿いの樹木が複断面蛇行水路の洪水流の挙動に及ぼす影響
EFFECTS OF VEGETATION ALONG A LOW-WATER CHANNEL ON
BEHAVIOR OF FLOOD FLOWS IN A MEANDERING COMPOUND CHANNEL

重枝 未玲1・朝位 孝二2・坂本 洋3・西尾 崇4・秋山 壽一郎5・
石原 仁6・樋口 直樹6・徳永 智宏3Mirei SHIGE-EDA, Kouji ASAI, Hiroshi SAKAMOTO, Takashi NISHIO, Juichiro AKIYAMA,Jin ISHIHARA, Naoki HIGUCHI and Tomohiro TOKUNAGA
1正会員 博士(工) 九州工業大学助教授 工学部建設社会工学科(〒804-8550 北九州市戸畑区仙水町1-1)
2正会員 博士(工) 山口大学助教授 工学部社会建設工学科(〒755-8611宇部市常盤台 2-16-1)
3正会員 株式会社 建設技術研究所 九州支社河川部 (〒810-0041 福岡市中央区大名 2-4-12 CTI 福岡ビル)
4正会員 国土交通省九州地方整備局大分河川国道事務所所長 (〒870-0820 大分市西大道 1-1-71)
5フェロー会員 Ph.D. 九州工業大学教授 工学部建設社会工学科(同上)6学生会員 九州工業大学大学院工学研究科建設社会工学専攻(同上)The effects of low-water channel alignment and the position of vegetation on the behavior of flood flows in acompound open channel were investigated experimentally and numerically. The relative depth and position ofvegetation were changed in experiments．The numerical model based on a finite-volume method on unstructured
grid using flux-difference spitting technique was used in numerical simulations. Through the experiments andnumerical simulations, it is found that the changes of flow pattern due to relationship between sinuosity and relative
depth as well as the relation between a location of maximum velocity and vegetation in the channel were related toincreasing of flow resistance and bank protection.

Key Words : vegetation, meandering compound channel, flood flow, experiments, numericalsimulation

１． はじめに

河道内樹木は，自然景観や生態系などの環境面や堤防や河岸の保護などの治水面で重要な役割を果たしている．一方で，河道内樹木は河道の流下能力を低減させ，治水面上問題を引き起こす場合がある．
幾つかの河川では出水時に河道内樹木が集中繁茂する区間で計画高水位を上回った報告1)，2)がなされている．
従来，河道内樹木は治水安全度の確保が困難となった場合に伐採管理が行われてきた．しかし，近年では観測史上最大規模やそれに近い豪雨が頻発していることを踏まえると，今後，治水と環境の両機能を考慮にいれた河道内樹木の適正な管理の重要性が益々高まると考えられる．
河道内樹木の管理については，「河川における樹木管理の手引き」 3)に取りまとめられている．この中では，樹木伐採範囲は，洪水流下を阻害する樹木を想定し，準2次元解析により洪水時の水位と安全水位との関係などを踏まえた上で決定することが望ましいとされている．つまり，効果的な樹木管理を行うためには，洪水時に流下阻害となる河道内樹木の判別が重要になる．
福岡ら4)，5)は，洪水防備林を対象に，洪水時の流れや河床変動に及ぼす影響，洪水防備林の伐採に伴う低水路の護岸化が治水面に及ぼす影響について検討し，水害防備林が低水路内の流量を減少させること，伐採する樹木の位置によっては水衝部を移動させ，水害防備林の倒伏や流出を引き起こす可能性があること，などを示した．堤防や低水路などの河道線形と河道内樹木の位置は，水位上昇等の洪水流の挙動に密接に関係しており，これらの関係を明確にすることは，効果的な樹木管理を行う上で極めて重10.88FLOW0.250.6(a)Case 1-a,Case 2-a0.25

0.6(b)

Case 1-b,Case 2-b0.25

0.6(c)

Case 1-c
0.25

0.6
低水路

高水敷

図-1

低水路中心軸

unit:m(d) Case 1-d
複断面直線水路と樹木繁茂位置

図-2

要である．
本研究は，河道内樹木の効率的かつ効果的な管理方法の確立を目的としている．ここでは，複断面蛇行水路の低水路形状と樹木繁茂位置が洪水流の挙動に及ぼす影響について，実験および解析に基づき検討した．

２．実験と解析の概要

樹木模型

測定区間

測定点表-1実験条件

3

Case 1-aCase 1-b
Case 1-c
Case 1-dCase 2-aCase 2-b

流量Q(m /s) 勾配I 蛇行度S 相対水深Dr
0.49
0.65
0.0221
1/16670.59
1.020.57
0.29
0.00951/500
0.35

樹木繁茂状況は，図-1に示すように，繁茂していない場合(Case 1-a，2-a)，樹木群が低水路沿いの全区間で繁茂した場合(Case 1-b，2-b)，低水路内岸部実験装置は，可変勾配開水路(長さL=20.5m，幅に繁茂した場合(Case 1-c)，低水路外岸部に繁茂したB=0.6m)である．可変勾配開水路内には，図-1に示場合(Case 1-d)の4通りとした．このような低水路とす発泡スチロール製の蛇行低水路を設けた複断面直高水敷の境界に樹木群が繁茂する状況は，樹木群が線 水 路 ( 長 さ 10.88m ， 低 水 路 幅 0.25m ， 高 水 敷 幅
河道に沿って繁茂する場合に引堤などの河川改修を0.35m，高水敷高さ0.05m)が設置されている．高水行うことで生じる．樹木群は透過係数Ks=0.31(m/s)
敷には粒径d=0.75mmの珪砂を敷設し，低水路よりのプラスチック製の糸が絡み合った多孔体でモデル
粗度係数nを大きくした．高水敷と低水路の粗度係化した．樹木群の幅は0.03mとした．
数nは，それぞれ0.016と0.009である．
いずれのCaseについても定常状態を確認した後，低水路線形はSine-generated curveに従って蛇行し測定を開始した．測定項目は水深hとx，y方向の流ており，蛇行部は4波長設けた．その平面形状は，
6)
わが国の河川の平面形状特性の統計資料 を踏まえ， 速であり，それぞれ容量式波高計と2次元電磁流速計を用い測定した．上流から3波長目を測定区間と蛇行度(低水路蛇行長/低水路蛇行波長)が1.02，低水した．測定点は低水路では低水路線形に沿って，高路幅と水面幅との比が0.42，低水路幅と蛇行帯幅と水敷では水路線形に沿って設定されており，作業のの比が0.5，低水路幅と蛇行波長との比が0.092にな容易さから次のように求めた．まず，低水路の1波るように設定した．
長を低水路中心軸に沿って12分割し，分割点での中流れは，相対水深(高水敷水深/低水路水深)と蛇行6)心軸の法線と，法線と低水路境界との交点を始点と度との関係 から，低水路線形が流れに影響を与したy軸に沿った直線を描いた．次に，y軸方向につえず流れの直進性が大きくなる複断面蛇行流れいて水路を20分割するx軸に沿った線を描いた．互(Case 1)と低水路線形が流れに影響を与える複断面いの線の交点を測定点とした．測定点は図-2に示す
蛇行流れ(Case 2)とした．水理条件と水路床勾配は通りである．なお，Case 2の流速測定については高表-1に示す通りである．

0.16

WL(m)

0.120.08

Case 1-a(num.)
Case 1-b(num.)
Case 1-c(num.)
Case 1-d(num.)
水路床

0.04
000.5

1(a)x(m) 1.5

2

Case 1-a(exp.)
Case 1-b(exp.)
Case 1-c(exp.)
Case 1-d(exp.)
2.5

Case 1

0.16

WL(m)

0.120.08
Case 2-a(num.)
Case 2-b(num.)
水路床

0.04
000.5

1上昇率(％)

図-3706050403020
100上昇率(％)

2

Case 1-b(num.)
Case 1-c(num.)
Case 1-d(num.)

00.5

2.5(b) Case 2
低水路中心軸の水位1(a)7060504030
20
100x(m) 1.5

Case 2-a(exp.)
Case 2-b(exp.)x(m) 1.5

2

Case 1-b(exp.)
Case 1-c(exp.)
Case 1-d(exp.)

2.5

Case 1Case 2-b(num.)
Case 2-b(exp.)

00.5

図-4

1x(m) 1.5

22.5(b) Case 2
樹木繁茂状況による水位の上昇率

水敷の水深が浅いために，低水路のみで行っている． 木繁茂位置が水位上昇や底面せん断応力に及ぼす影響について検討する．
流速測定では，各測定点で河床から鉛直方向に水深の2割，3.5割及び8割の位置で計測し，1点法，2点(1) 水位と水位上昇率法によりx，y方向の水深平均流速u，vを算定した．
図-3は低水路中心軸上の水位の実験値と解析結果
両者には有意な差は生じなかったので，以下では2を，図-4は樹木繁茂状況による水位上昇率を調べた点法の結果を示している．水深，流速測定のサンプものである．水位上昇率は次式で定義される．
リング間隔，サンプリング時間はそれぞれ0.05秒，90秒である．
水位(Case1-b, c, d or 2-b) − 水位(Case1-a or 2-a)上昇率(%) =× 100
解析には，著者等が開発したSA-FUF-2DFモデル7)
水位(Case1-a or 2-a)を用いた．SA-FUF-2DFモデルでは樹木群はx方向，解析結果と実験値とを比較すると，SA-FUF-2DFモ
y 方 向 の 運 動 方 程 式 に そ れ ぞ れ Fx=Cd ・ a/2 ・デルが平面2次元モデルであり低水路で発生する2次uh(u2+v2)0.5，Fy=Cd・a/2・vh(u2+v2) 0.5で表される空間流を考慮できないため，若干の誤差は生じている．
平均された流体力項を付加することで取り扱われる 7) ．ここに，a=樹木群密度パラメーター(=d・N)， しかし，いずれのCaseについても水位および水位上昇率のいずれも解析結果は実験値を概ね再現していd=樹木の投影幅，N=樹木密生度(本/m2)およびCd=抵ることがわかる．
抗係数であり，各パラメーターは，樹木繁茂状況に
図-3に着目すると，Case 1については，(1) Case 1-b，応じて設定される．また，透過係数Ksはこれらの諸0.5
c，d，aの順に水位が全体的に下がること，また，量を用いると，Ks=1/(a・Cd/2g) で表される．境界
水面勾配が緩くなること，(2) 樹木繁茂面積が同じ条件として上流端には表-1の流量を，下流端には水にもかかわらず，Case 1-bからcへの水位低下に比べ，位を与えた．
Case 1-bからdへの水位低下の割合が大きいこと，などがわかる．また，Case 2については，(1) Case 2-bに３．結果と考察比べ，Case 2-aの水位は若干低下すること，(2) 水面勾配にはさほど違いがないこと，などがわかる．
図-4に着目すると，水位上昇率は全区間で概ね一以下では，実験および解析結果に基づき，複断面定で，樹木が低水路沿いに繁茂するCase 1-b，樹木
蛇行水路で発生する流れ，最大流速の発生位置，樹(a)図-5(b) Case 2-aCase 1-aと2-aの流速ベクトルの比較

(a)

図-6

Case 1-b(b) Case 2-b
Case 1-bと2-bの流速ベクトルの比較

(a)

図-7

Case 1-aCase 1-c(b) Case 1-dCase 1-cと1-dの流速ベクトルの比較

が低水路内岸側に繁茂するCase 1-c，低水路外岸側に繁茂するCase 1-d，低水路沿いに繁茂するCase 2-bの順番に上昇率が大きくなることがわかる．Case 1-bとCase 2-b，Case 1-cとdは，それぞれ樹木繁茂面積は等しい．従って，水位上昇率の違いは，Case 1-bとCase 2-bについては水路内で生じる流況により，Case 1-cとdについては樹木繁茂位置により生じたと考えられる．
(2) 流速ベクトルと最大流速の発生位置による水位上昇率の変化
以下では，流速ベクトルと最大流速の発生位置および樹木繁茂位置に着目し，水位上昇率の違いについて検討する．
まず，蛇行複断面水路で生じる流れが水位上昇率に及ぼす影響について検討する．図-5は，樹木が繁茂していない場合のCase 1-aとCase 2-aについて流速ベクトルの解析結果を示したものである．なお，実験結果も同様な傾向を示しており，図中の赤のベク
トルは解析により，シンボルは実験より求めた最大流速の発生位置である．これより，(1) 低水路の影響が小さい条件のCase 1-aでは，低水路形状の影響を若干受けるものの，Case 2-aよりも直進性が強く全体的には水路形状に沿った流れが生じていること，(2) 一方，Case 2-aでは低水路で低水路線形に沿った流れが生じていること，(3) また，Case 1-aについ図-8(a)Case 1-a(b)Case 1-b(c)Case 1-c(d) Case 1-d
底面せん断応力の比較ては最大流速の発生位置は直線的なのに対して，Case 2-aでは低水路線形の影響を受け，水路中央から内岸よりに最大流速が生じていること，などがわ
かる．
図-6は，樹木が低水路沿いに繁茂している場合のCase 1-bとCase 2-bについて，流速ベクトルの解析結果を示したものである．図-5と比較すると，低水路での流れは (1) Case 2-bについては流速ベクトルおよび最大流速発生位置のいずれもCase 2-aと大きな違いはないこと，(2) Case 1-bについては樹木により低水路沿いの流れが生じ，Case 1-aとは異なった流れが生じていること，などがわかる．
以上から，蛇行度と相対水深との関係 6)により複断面蛇行水路内で生じる流れが，Case 1-bとCase 2-bの水位上昇率に大きな違いを生じさせたと考えられる．つまり，複断面水路では蛇行度と相対水深との関係 6)が，低水路線形の影響を受ける領域に位置する場合には，主な流れは低水路に沿って生じるため樹木の境界で働くせん断応力が水位上昇を引き起こす主な要因と考えられる．一方，低水路線形の影響を受けない領域に位置する場合には，樹木境界でのせん断応力に加え，流れの直進性が増すことで生じる樹木からの抗力が水位上昇を引き起こす主な要因と考えられる．このような流れに作用する抵抗の違いが水位上昇率の違いを生じさせたと考えられる．
次に，樹木繁茂位置が水位上昇率に及ぼす影響について検討する．先述したように，樹木が水位上昇に及ぼす影響は，低水路線形の影響を受けない複断面的流れの場合に大きくなる．従って，ここではCase 1についてのみ樹木を部分的に配置している．
図-7は，樹木が内岸側に繁茂する場合のCase 1-cと外岸側に繁茂するCase 1-dについて，流速ベクトルの解析結果を示したものである．内岸側はCase 1-aの最大流速が生じる位置に近い樹木であり，外岸側はその反対の樹木である．これより，(1) Case 1-cでは内岸側の樹木により流れが2分され，水路側壁付近で大きな流速が生じていること，(2) Case 1-dでは樹木周辺の流速は減速しているものの，最大流速発生位置などはCase 1-aと大きな違いはないこと，などがわかる．
以上から，Case 1-cとCase 1-dの水位上昇率の違いは，最大流速の発生位置と樹木の繁茂位置との相対的な関係により生じたと考えられる．つまり，最大流速が発生する位置に樹木繁茂位置がある場合に，流れは樹木からより大きな抗力受けるためCase 1-cの水位上昇率が大きくなったと考えられる．
このように，樹木繁茂位置，蛇行度と相対水深との関係により変化する蛇行水路内の流れと最大流速の発生位置が，水位上昇に及ぼす影響がわかった．
従って，このような領域にある樹木を伐採すれば，効果的に河道の流下能力を向上できると考えられる．
(3) 樹木繁茂位置による底面せん断応力の変化
低水路沿いの樹木の伐採は，流下能力を向上させ理方法の確立を目的に，直線複断面河道の低水路形る．一方で，区間伐採を行う場合には伐採区間の選状と樹木繁茂位置が洪水流の挙動に及ぼす影響につ定によっては低水路と高水敷の境界付近の河床せん
いて，実験および解析に基づく検討を行った．その断応力や堤防と樹木の間の流速を増加させる可能性結果，以下のことが確認された．
がある．これは，高水敷の崩壊ひいては護岸崩壊や(1) 蛇行度と相対水深との関係 6) により生じる流況堤防崩壊につながる恐れがあるため，この点についの変化が，流れの抵抗の増大や河岸や堤防保護ても注意が必要となる4)．
図 -8 は ， Case 1-a 〜 d に つ い て Manning の 式に密接に関係していること(ρgn2(u2+v2)/h1/3)を用いて求めた底面せん断応力分布(2) 最大流速の発生位置および河道内樹木の位置の図である．ここにρは水の密度である．なお，実験相対的な関係が，流れの抵抗の増大や河岸や堤値について同様な傾向が認められたので，ここでは防保護に密接に関係していること解析結果のみを示している．先述したように，解析今後は，数値シミュレーションや実験を通じて，に用いたSA-FUF-2DFモデルは低水路で発生する2次様々な堤防線形や低水路蛇行形状について検討して流を考慮できないため底面せん断応力には誤差があいきたいと考えている．
る．しかし，Case 1-a，2-aの水位について解析結果と実験値との間に大きな違いが生じていないことか
謝辞：本研究は，河川懇談会の活動の一環として，ら，その分布については概ね再現していると考えら
国土交通省大分河川国道事務所と共同で研究を行っれる．図-8より，(1) 樹木が低水路沿いに繁茂するたものである．本研究を実施するに当たり，大分河Case 1-bについては，Case 1-aに比べ，低水路沿いの川国道事務所の関係各位にはデータ提供などの多大
底面せん断応力が全体的に小さいこと，(2) 一方で， な協力を得た．また，九州工業大学工学部生 中江
樹木と水路側壁間の距離が小さな箇所では流れが加邦昭君には実験を行うにあたり協力を得た．ここに速されるため，大きな底面せん断力が働いているこ記して感謝の意を表します．と，などがわかる．また，Case 1-cについては，(1)
樹木により流れが2分されるために，高水敷に水が乗
参考文献
1) 桑原正人，藤堂正樹，小笠原豊，石尾年光，石井克尚，り上がり，水路幅との関係もあるが，水路側壁付近で犬丸潤，中村敬司：加古川の河道内樹木の生長特性を樹木がないCase 1-aと同程度の底面せん断応力が生じ考慮した管理方法，河川技術論文集，第12巻，pp.461ていることがわかる．一方，Case 1-dについては，(1)464，2006．
低水路内岸でCase 1-aよりも大きな底面せん断応力2)重枝未玲，朝位孝二，坂本洋，長太茂樹，秋山壽一郎，が生じていること，などがわかる．
樋口直樹，重岡広美，徳永智宏：樹木群を考慮した平このように，樹木の繁茂位置によっては，低水路面2次元モデルによる乙津川の洪水流解析，水工学論文
内岸や堤防付近で大きな底面せん断応力を引き起こ
集，第50巻，pp.1171-1176，2006．
す場合があり，低水路内岸側や堤防付近で洗掘を生
3) 財団法人リバーフロント整備センター(編)：河川におじさせる危険性がある．従って，樹木伐採を行うにける樹木管理の手引き，山海堂，1999．
当っては，流下能力の向上だけでなく，樹木繁茂位
4) 福岡捷二，五十嵐崇博，高橋宏尚：江の川水防林の特置による底面せん断応力の変化についても検討する
性と治水効果，水工学論文集，第39巻，pp.501-506，必要があると考えられる．ただし，これらの結果は，1995．
堤防線形と低水路線形および樹木配置位置が相互に
5) 福岡捷二，川岡秀和，平林由希子：水害防備林と低水関係していると考えられることから，様々な組み合路線形が洪水流に与える影響，水工学論文集，第42巻，わせについて検討していく必要がある．
pp.967-972，1998．
以上のように，複断面での流況，最大流速の発生
6) 岡田将治，福岡捷二，貞宗早織：複断面蛇行河道の平位置および河道内樹木の位置は，流れの抵抗を増大
面形状特性と蛇行度，相対水深を用いた洪水流の領域させることや河岸や堤防保護に密接に関係している
区分，水工学論文集，第46巻，pp.761-766，2002．
ことが確認された．
7) 重枝未玲，秋山壽一郎：数値シミュレーションに基づ

４．おわりに
本研究では，河道内樹木の効率的かつ効果的な管く堤防に沿った樹林帯の治水機能の検討，土木学会論文集，No.740/II-64，pp.19-30，2003．
（2006.9.30受付）