ガタ土と砂礫で構成される筑後川感潮域の洪水及び平水時の土砂移動と河床変動
Bed variation and sediment transport by floods and tidein the Chikugo River estuary with complex bed structures
14N3100011B 金子 祐
Yu KANEKO
Key Words : bed variation analysis, complex structure, sand, cohesive sediment, chikugo estuary

1. 序論
筑後川は有明海に注ぐ最大の河川であり，年間流入0流量の約45%を占めている．このため，筑後川から有明-0.5

海への淡水とそれに伴う土砂輸送量は，有明海の水域おいて測定された柱状コアサンプリングや超音波河床材料調査の結果から，筑後川感潮域では洪水流と潮汐の作用によって，ガタ土と砂が複雑な堆積構造を形成

河床面からの深度(m)-1

環境にとって重要である．鈴木ら1)は，筑後川感潮域に-1.5-2礫-2.5し（図-1,2 参照），特異な河床変動が起こっているこ砂

低粘性土混じり砂

含水比

砂混じり粘性土-3粘性土とを示した．これまで筑後川では，ガタ土に着目した

高ガタ土(浮泥を含む粘性土)-3.5

議論が数多く行われてきたが，砂の移動流出に着目し

-20

20

目して土砂輸送モデルを構築し，筑後川における洪水はいくつかの問題が残されている．本研究では，鈴木らの解析モデルの問題点を修正した新しい洪水流河床

810121416

図-1 河床材料鉛直柱状図

比変化，粒度分布の変化に一定の関係があることに着コアサンプル
採取地点

超音波河床材料調査（平成20年2月）-2T.P.m

しかし，鈴木のガタ土河床の洪水流河床変動モデルに6縦断距離（km）た研究は少ない．鈴木らは，ガタ土の鉛直方向の含水時の河床変動と有明海への砂の流出量を見積もった．

4坂口床止め下流域では出水前のガタ土の堆積が顕著に起こる．
洪水直前の超音波河床材料調査の結果からも，ガタ土が河床表層に厚く堆積していることを確認した．このため，各サンプル採取時の採取地点地盤高及び洪水直前の横断測量
データより，地盤高を比較し，ガタ土の堆積が予測される高さの層を182022
ガタ土層と設定する10km地点-4

砂
粘性土混じり砂
砂混じり粘性土
粘性土（含水比 低）
ガタ土（含水比 高）-6-8-10050100

150200250

図-2 超音波河床材料調査結果（10km 地点）

変動解析モデルを用いて，筑後川感潮域の洪水時の流れと河床変動機構を明らかにし，有明海への砂の流出量を見積る．次に，筑後川感潮域は我が国最大の干満17k000

筑後川再び海に流出する．この水のボリュームは平常時の流9k000くなる．そのため，平水時の潮汐流による流動及び土デレーケ導流堤

有明海0k000と同様に重要である．そこで本研究では，筑後川感潮ことを目的とする．

2. 対象区間と対象期間る3,850㎥/s（6月）と3,650㎥/s（7月）の2洪水ついて検討を行う（表-1 参照）．筑後川感潮域では潮汐に伴うガタ土の移動により河床高が日々変化している．そこで，洪水による河床変動量を正確に把握出来るよう平成21年

坂口
床止
め

調査項目
：水位観測地点（dt=5分）：柱状コアサンプル調査実施地点：超音波河床堆積構造調査実施断面＊河床深浅測量（２００m間隔）

有明タワー総合気象観測所

図-3 対象区間と観測位置
表-1 対象洪水詳細

対象区間は図-3 に示す筑後大堰(23km)~有明海までとする．対象は平成21年に発生した年平均最大流量を超え

14k000

瀬の下
水位流量
観測所

6k000量に比べ非常に大きく，それに伴う土砂移動量も大き移動に着目し，有明海への年間土砂流出量を見積もる

23k00012k000るため，上げ潮時に海域から河道内に淡水が流入し，域での洪水時及び平水時の大きな潮位変動に伴う土砂筑
後
大堰

21k000差（最大6m）を有する有明海の潮位変動の影響を受け砂輸送量は，有明海の環境問題を検討する上で洪水時300

横断距離(m)

6月洪水
ピーク流量
洪水ピークの回数
洪水継続時間（日）潮位変動の大きさ
年平均ピーク流量
計画高水流量

7月洪水

3850[㎥/s]
3650[㎥/s]
2233
小潮
中潮
2850[㎥/s]
9000[㎥/s]

2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

洪水の直前・直後に縦断間隔200m毎に河床横断面形が観測された．また同年に，図-3 に示すように洪水前後

zb t  0の縦横断鉛直方向の河床材料分布，洪水中の水面形の時空間分布が詳細に観測されている．

zb t  03. 河床のモデル化と河床変動解析法
ガタ土と砂で形成された複雑な河床構造は，ボーリングにより採取された各観測位置の河床材料のコアサンプルデータに基づき，鉛直方向10cm毎の粒度分布と

河床
高ガタ土

砂zb t  0

河床
高ガタ土

砂zb t  0

交換層

交換層

水含有率を解析に取り込むことで再現した．鈴木らは0

このような複雑な構造を有する河床について，含水比が70%を超えるガタ土層には関根の浸食速度式，含水比

01割合

VG



(a1) 初期状態

が70%を下回る砂層には芦田・道上の掃流砂量式を用い，

1割合

VG
1 1 (b1) 初期状態

FLOWFLOW

観測された水面形の時間変化や河床変動を説明するた

砂は掃流され，ガタ土はzb t  0め，芦田・道上式の係数を17→85に設定している．しか砂の移動に追随し消失し，鈴木らの解析では，ガタ土と砂の混合した状態はzb t  0

考慮していず，このため，砂の移動量に及ぼすガタ土の粘着力の影響を考慮していないこと，また，ガタ土層を流出入する砂の量を考慮していず，砂の連続性が保たれていない等の問題が残されていた．本研究では，ガタ土(青色)と砂(茶色)，それぞれの河床変動量を計算
河床高式(2)より河床変動量を計算する

ガタ土

砂

zb t  0zb t 1

これらの問題点を考慮し，さらに，それぞれの河床材

z

河床
高ガタ土

砂

zb t  0zzb t 1

交換層交換層料の移動機構を考慮した新しい河床変動モデルを開発
01割合

し，これを用いて非定常準三次元洪水流河床変動解析

VGを行った．ガタ土は砂と異なる特有の浸食形態を示す

01 (a2) 0～t 秒

ことから，筑後川感潮域の河床の変動の機構は砂礫河1割合

VG1 (b2) 0～t 秒

FLOWFLOW

砂の限界掃流力以下の場合，砂はその場に留まりガタ土のみ浸食

川とは異なると考えられる．そこで，ガタ土の浸食速度式と，芦田・道上の流砂量式を用いて河床変動の定zb t 1

量化を試みた．図-4(a) に示すようにガタ土の存在割合が砂の空隙よりも大きい場合(VG≧λ)，つまり，ガタ土が砂を含んでいるような状態では，ガタ土の存在が層の粘着性を増し，砂の移動及び河床高の変動に大きな影響を及ぼすものと考えられる．解析ではこの層の状

zb t  0zb t 1

平均した河床高を式(1)より求める
式(3)より交換層内の粒度分布の更新
また，式(3)より交換層内の粒度分布の更新
河床高ガタ土zb t 1

態を抽象化して考え，図-4(a) の下図に示すように砂のみの領域とガタ土のみの領域が分かれた状態を仮定す砂zb t  0

河床高

ガタ土

砂zb t  0zzb t 1z
交換層01割合

る．そして，それぞれの河床構成材料の変動量をそれぞれの移動形態に則した式を用いて計算し，平均した

VG1 (a) VG≧λ の場合

河床高を式(1)により求める．これはガタ土と砂が混合

01割合

VG
(a3) t 秒後

交換層zz1 (b3) t 秒後(b) VG<λ の場合

図-4 河床変動のモデル図（河床低下）状態にある場合には，流砂量式またはガタ土の浸食速質量度式を単独で適用するのは不正確である．掃流力が砂の限界層流力以下の場合はガタ土のみ浸食し，砂はそ体積ma  0空気Vamw

水Vwの場に留まる（図-4(a) 参照）．一方，砂の限界層流力を超えた場合には砂とガタ土の双方の河床変動量が計算される．

zbn 1m q  qi n z b   i 1t  VG  E s t x VvVGV(1)ガタ土ms

ここで，zb は河床高，q は粒径 75μm 以上の砂の流砂量，

Vs

VG'

砂

VG は河床表層に占めるガタ土（粒径 75μm 未満）の体積割合，Es＝α・Rwc2.5 ・u*3（ Es は粘性土の浸食速度，係数

図-5 各層の重量と体積（VGの割合について）2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

瀬の下解析流量

一方，図-4(b) に示すようにガタ土の体積割合が砂の筑後川0km解析流量

瀬の下観測流量

有明タワー潮位4500

6.55.53500

4.5

ガタ土が存在するような状態では，空隙内のガタ土は

3000

3.5

2500

2.52000

1.5

1500

0.5

1000

-0.5

500

-1.5

砂の移動に追随し，ガタ土の消失は河床高の変動にほとんど影響を及ぼさないと考え，河床変動量を式(2)で流量（㎥/s）

4000

空隙よりも小さい場合(VG<λ)，つまり，砂の空隙内に示す土砂の連続式で計算する．

zbn 1

 zb n1  qi 1  qi t1    x 

(2)

06/29 12:00

6/30 0:00

6/30 12:00

7/1 0:00

7/1 12:00

7/2 0:00

T.P.m

α=0.21×10-5，Rwc は水含有率， u*は摩擦速度）を表す．

-2.5
7/2 12:00

日時

ここで，λは砂の空隙率(0.4)を表す．

(a) 流量ハイドログラフと有明海潮位（6 月洪水）

汐が運ぶガタ土が混じり合うことで，河床表層が質的に変化する．混合砂礫河床の河床変動モデルでは，河る河床変動を表現する．本研究では，導いた式(1)，(2)から求められる河床変動量と交換層内の粒度割合の連累加断面通過流砂量（早津江川 0k）

筑後川0km流砂量

早津江川0km流砂量
0.24

3500

0.21

3000

0.18

2500

0.15

2000

0.12

1500

0.09

続式である式(3)より粒度分布の更新を行い，ガタ土と1000

0.06

砂が混在した河床の河床変動を表現する．

5000.03Pk wPk (3)0tz
ここで，w=－Δz/Δt は河床高変動速度（下向き正），Δz は河床高変動量，Pk は粒径階 k の存在割合を表す．

06/29 12:00

6/30 0:00

6/30 12:007/1 0:00

7/1 12:00

7/2 0:00

07/2 12:00

日時(b) 流砂量ハイドログラフと累加流砂量（6 月洪水）

瀬の下解析流量

筑後川0km解析流量

瀬の下観測流量

有明タワー潮位

VG は式(3)から求められるガタ土（粒径 75μm 未満）の粒

4500

6.5

径割合と含水比より算出する（図-5 参照）．

4000

5.5

3500

4.5

3000

3.5

2500

2.5

2000

1.5

再び河道内には堆積せず，流れに乗って海まで流下するとして扱う．

流量（㎥/s）

また，粒径の小さなガタ土は一度移動を開始すると

4. 解析結果

1500

0.5

図-6 に水面形の解析結果と観測値の時間変化及び低水

1000

-0.5

路平均河床高の解析値を示す．水位の低い時間帯で若500-1.5

干の差異が見られるものの，実線で示す解析水面形は

0
7/24 17:00

7/25 5:00

7/25 17:00

7/26 5:00

7/26 17:00

7/27 5:00

T.P.m

る交換層を考えることで，流水による分級作用をうけ累加流砂量（㎥）

床表層に流砂との間で砂粒を交換し粒度分布が変化す

累加断面通過流砂量（筑後川 0k）
4000

単位時間断面通過流砂量(㎥/s)

筑後川感潮域では，上流域から運ばれて来る砂と潮-2.5
7/27 17:00

日時

プロットで示す観測水位を再現している．図-7 に流量ハ(c) 流量ハイドログラフと有明海潮位（7 月洪水）の単位時間当たりに断面を通過する流砂量と断面通過
2009/6/29 20:00

2009/6/29 22:00

2009/6/30 0:00

2009/6/30 2:00

2009/6/30 4:00

2009/6/30 6:00

2009/6/30 8:00

初期低水路平均河床高低水路平均河床高（ 6/30 8:00 ）累加流砂量（㎥）

7.00
5.00

T.P.m

3.00
1.00
-1.00
-3.00

累加断面通過流砂量（早津江川 0k）

筑後川0km流砂量

早津江川0km流砂量
0.24

7000

0.21

6000

0.18

5000

0.15

4000

0.12

3000

0.09

2000

0.06

1000

0.03

0
7/24 17:00-5.00

累加断面通過流砂量（筑後川 0k）
8000

7/25 5:00

7/25 17:00

7/26 5:00

7/26 17:00

7/27 5:00

0
7/27 17:00

日時
-7.00
-2.000

2.000

6.000

10.00014.00018.000縦断距離（km）

図-6 縦断水面形の時間変化と平均河床高22.000(d) 流砂量ハイドログラフと累加流砂量（7 月洪水）
図-7 流量・有明海潮位・流砂量の関係

2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

単位時間断面通過流砂量(㎥/s)

イドログラフと有明海の潮位，及び河口から有明海へ

累加流砂量を示す．これらより，瀬の下地点(25.5km)の流量の解析値は観測値を概ね再現することが出来ている．また，河口(0.0km)の流量ハイドログラフは洪水中も測量時期
洪水前：2009.06.07~06.12
洪水後：2009.07.09~07.24

有明海の潮位変動の影響を強く受けており，下げ潮時

13k13k

河床変動量(m)11k10k

有明海の潮位変動と共に変化し，干潮時に最も多くの14k12k

11k

口から有明海に流出する流砂量も河口の流量と同様に，15k

14k12k

実測に流量がピークに達していることが分かる．筑後川河

15k10k

9k9k

砂が流出していることが分かる．洪水のピーク流量は8k

瀬の下地点で同程度であるが，7 月洪水の有明海への砂7kの流出量(約 7,200 ㎥)は 6 月洪水の砂の流出量(約 2,8006k6k5k5k解析

8k7k㎥)の 2 倍以上の値となっている．これは，6 月洪水時は小潮のため潮位差が 3m 程度であったのに対し，7 月洪水時は中潮のため潮位差が 5m 程度あり，より多くの流(a) 15km～5km量が河口から流出したためであると考える．
次に洪水前後の河床変動量コンターの比較を図-8 に示す．(a)は 15km~5km，(b)は 6km~有明海の区間を表す．

実測

それぞれ左側が洪水前後の実測値，右側が洪水前後の6k6k5k5k

解析結果を示している．本解析では，実測より得られ河床変動量(m)

解析

4k4k

3k

3k2k2kたガタ土が多く堆積し，鉛直方向に粒度分布の変化の大きい区間(10km~17km)での河床洗掘の傾向を良好に再現している．しかし，6km より下流域で実測の河床変動1k量よりも小さな傾向を示す結果となった．

1k0k0k

図-9 に大潮～中潮～小潮の一連のサイクルを含む平-1k

水時の 15 日間の筑後川河口での流量・流速ハイドログ
ラフと河口から有明海への単位時間当たりに断面を通-1k(b) 6km～有明海
図-8 河床変動量コンター図（洪水前後）

過する流砂量と断面通過累加流砂量を示す．これらよ筑後川-1.4km解析流量(左岸)り，平水時は潮位変動と共に順流と逆流を繰り返し，筑後川-1.4km流速(左岸)

3000

65

小潮時よりも大潮時の方が流速・流量共に 2 倍程度大き20004いことが分かる．またこれに伴い，大潮時に多くの砂を洪水期間を除いた平水時年間の流砂量（11.5 ヶ月分）

2
100-1-1000に換算すると約 3,450 ㎥となる．

-2-3-2000

5. 結論-4-5-3000
10/2 0:00

本研究では，密に観測された水面形の時間変化，河10/5 0:00

400

本解析手法が筑後川感潮域の洪水流・河床変動の解明

300に有効であることを示した．また，平成21年に発生した

200-610/17 0:00

累加断面通過流砂量（筑後川-1.4k）

累加断面通過流砂量（早津江川-2.0k）

筑後川-1.4km流砂量

早津江川-2.0km流砂量0.020.010.005

50
00-50

-100-0.005

-150
-200

-350

-0.01

-300

-0.015-400
10/2 0:00

中潮

大潮

10/5 0:00

小潮

10/8 0:00

10/11 0:00

長潮

若潮

10/14 0:00

中潮

-0.02
10/17 0:00

日時(b) 流砂量ハイドログラフと累加流砂量
図-9 流量・流速・流砂量の関係（平水時）2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

単位時間断面通過流砂量(㎥/s)

0.015

100

参考文献

Vol.67，No.4，I_877-I_882，2011.

中潮

150-250域の洪水中の河床変動解析，土木学会論文集B1(水工学)，

若潮

250

る砂が有明海へ流出していることが明らかになった．
鈴木健太，島元尚徳，久保世紀，福岡捷二：筑後川感潮

長潮10/14 0:00

350

累加流砂量（㎥）

ら有明海へ流出しており，合算すると年間1万㎥を超え

10/11 0:00

日時における洪水流と河床変動の検討を行った．その結果，㎥)，平水時の潮汐流により3,450㎥程度の砂が筑後川か

小潮

10/8 0:00(a) 流量・流速ハイドログラフが入り混じった複雑な河床構造を有する筑後川感潮域

2洪水によって，10,000㎥程度(6月:約2,800㎥，7月:約7,200

中潮

大潮

床材料や縦横断面形の観測データを用い，砂とガタ土

1)

流速(m/s)ら有明海へ流出していることが明らかになった．これ

流量（㎥/s）が移動し，1 サイクル(15 日間)で 150 ㎥の砂が筑後川か

31000