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なごみわかはら
4 years ago
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1 20 年度河川技術に関するシンポジュウム :OS 20 年 6 月 3 日治水と環境の調和した治水適応策としての河幅, 断面形の検討方法中央大学研究開発機構福岡捷二問題提起地球温暖化による河川流量の増加と治水適応策ダムに頼らない治水と川づくり治水と河川環境のバランスの取れた河川整備河川計画論のパラダイム転換とそれを可能にする河川技術の必要性治水と環境を統合的に考える多自然河川計画キーワード : 自然河川に学ぶ, 流域スケールで河川を見る治水と環境を統合化した多自然河川計画地球温暖化

2 1. 河川の河幅水深の検討の必要性 1. 現在の河川計画では, 基本高水流量は, 流域全体を見て決定されてはいるが, 規模の異なる洪水流, 土砂移動などに対する河川管理には必ずしも有効な計画となり得ていない. これは, 河幅や断面形が, 計画高水流量を流すように決めているだけで, その他の流量, 水位ハイドログラフに対しては, 水面幅, 断面形などの合理性について議論していないためである. なぜこの河幅, 水面幅が必要か, なぜ改修が必要かについて, 人々にとってわかりやすい説明になっていない. 2. 河川管理が, 地先管理が中心となり, 流域, 河道全体を見たものにはなり得ていない. 地先主義が, 今日起こっている多くの治水環境問題が解決できない原因になっているのではないか. 3. 学術としての河川工学も, 地先中心で, 川幅ありき, 一定河幅での研究になっている. このような技術, 学術では地球環境等の新しい問題の適応策を見出すことができない. 4. 治水, 利水, 環境の 3 つから構成される河川の計画が, 機能しない最大の理由は, 治水計画と環境計画を別々に考たてているからである.. 治水と環境を一体的に考えた計画を作るためには, 自然河川は, 重要な判断の材料を与えると考えている. すなわち, 治水と環境の間には, 適切な関係が成立していると考えられる. 自然河川は, どんな河道の特性, 河幅, 水深を有しているかを明らかにすることから始める自然河川に学ぶ 6. 流域との関係で, 河川にとっての望ましい河幅, 水深を決める技術が確立できれば, それを根拠に計画河道及び整備途上の河川の治水, 環境の有機的議論が可能となる

3 2. 流域から決まる安定な河道の河幅, 水深 1. 河道の河幅, 水深等は, 河道地先の水理, 地形諸量で決まっているのではなく, 流域の地形, 地質, 河道勾配, 河床材料 ( 分布 ), 河道形成に係る大流量という支配的な外的因子の作用を受けて決まっている. 2. 安定な河幅に達する以前の河道では, 上記の, 河幅, 水深, 流量, 勾配, 河床材料の間には相互に依存して河幅等を変化するが, 河道が安定状態に達すると, これらの川幅, 水深, 流量, 勾配, 河床材料の間には, 互いに独立な関係を構成するようになる. 3. 安定な河道とは, 外力によって変動が起こっても, 元の安定な状態に戻る河道を言う. 一度, この安定な河道断面形が決まると, 洪水流と, 流砂と河道断面の間の相互作用の中で変動するが, 河道の安定状態は継続する. 流域の特性河道形成流量地形, 地質河道勾配河床材料( 粒径分布 ) 河道の平面形, 縦横断面形河幅水深流砂河床変動河岸侵食と堆積図 1 安定な河道形成の力学関係流れ水面形抵抗則 ( 河床波 )

4 1. カナダ, 日本における自然河道について, 次元解析手法によって河道形成流量, 河床勾配, 河床材料から決まる無次元流量と無次元河幅水深の関係を定式化し, 治水と環境の調和した自然河川の構造を明らかにする. 2. 日本の整備基本方針河道の無次元河幅水深の関係と自然河川の無次元河幅, 水深の関係を比較し, 自然河川を基準とした時の, 基本方針河道のあるべき姿, 河幅, 水深等の持つ意味を考える. 3. 整備途上にある現況河道において, 実績洪水ハイドログラフを用いて導いた関係式の適用性を調べ, 今後の整備方法を検討する. 4. 導いた無次元河幅, 水深の式を用いて, 流下能力の小さい河川の改修のあり方, 樹木群の管理のあり方等.(a). 維持管理,(b) 予防的な治水対策, (c) 河川環境の回復等への適用方法を説明する. 4. 次元解析による無次元河幅等に関する式の導出 4.1 次元解析とは複雑な現象に対し, 厳密に方程式を立てることが難しい場合に, その現象を支配する物理量がどのような組み合わせでその現象に関係しているかを知ることが出来る. : 流量, : 水面幅, h : 水深, I : 勾配, g : 重力加速度, ρ : 水の密度, σ : 河床材料の密度, f φ 安定河道を規定する独立した物理量 (,, h, I,, g, ρ, σ ) = 0,, 河道, 流量等それぞれのスケールに関係なく, 実河川 ( 実験室を含む ) のデータを用いて無次元量間の関係を力学的に比較することが出来る. h : 河床材料の代表粒径, 次元解析 σ, I, = ρ 0 (1) (2)

明治時代の利根川の河道断面形と洪水データ洪水発生年基準点流量確率年明治 18 年妻沼 3,780 m 3 /s 2~3 年明治 31 年妻沼 3,70 m 3 /s 2~3 年明治 43 年妻沼下流 6,960 m 3 /s 明治 44 年

5 4.2 自然河川データの特性 - 河道形成流量 1.1 日本の自然河川, 明治時代の利根川中流部河道当時の河川は, 一部不連続な小堤防があるだけで, 河道は江戸時代のままでほぼ原子状態に近い河道あった. 下記の大洪水時には, 利根川河道は満杯流量で流れ, 氾濫していたと考えられる. 明治時代の利根川の河道断面形と洪水データ洪水発生年基準点流量確率年明治 18 年妻沼 3,780 m 3 /s 2~3 年明治 31 年妻沼 3,70 m 3 /s 2~3 年明治 43 年妻沼下流 6,960 m 3 /s 明治 44 年八斗島,70 m 3 /s ~ 年 1.2 カナダ ( アルバータ州 ) の自然河川 (40 河川,69 地点,) 流量 6~8212[m 3 /s] 河床材料 ( 6 ) 19.0~14.0[mm] 河床勾配 1/67~1/44 水面幅 14~4[m] 水深 0.4~6.9[m] 河道形成流量は, カナダ政府により各地点の2 年確率流量とされている. 明治時代の利根川 ~ 渡良瀬川合流点, 栗橋地先 (131km) 黒鎖線 : 明治 18 年堤防, オレンジ色 M44 年計画河道堤防線, 黒実線 : 昭和 24 年計画河道

11 年河道昭和年計画高水量 17,000m3/s 0-0 0 0 200 300 400 00 600

6 利根川栗橋地先標高 (Y.P.m) 計画高水位 ( 昭和 24 年 )20.864m 幅 700m 計画高水位 ( 明治 44 年 )18.062m 幅 80m 高水位 ( 明治 16 年迅速図 )17.4m 幅 37m 6 明治 16 年河道明治 18 年計画高水量 3,780m3/s 4 昭和 11 年河道明治 44 年計画高水量,70m3/s 昭和 34 年河道昭和 24 年計画高水量 14,000m3/s 2 平成 11 年河道昭和年計画高水量 17,000m3/s 横断距離 (m) カナダ ( アルバータ州 ) の河川 Little smoky ive flow 出典 Google Map 流量代表粒径川幅水深 2 年確率流量 6% 通過粒径 6 を代表粒径として用いる (2~200mm) 各観測点 (67 地点 ) の水面幅, 断面平均水深を用いる

7 4.3 河道形成流量による河道の形成実験現地, および実験室拡幅水路での実験データ 1 常願寺川大型複断面水路実験 (1 河川,2 地点, データ数 2) 流量 8.6[m 3 /s] 河床材料 80[mm] 勾配 1/130 水面幅 8.0[m] 水深 1.0[m] 2 平野の拡幅実験 3 福岡, 山坂の拡幅実験常願寺川現地実験初期河床縦横断測量 1 回目通水初期河床形状の作成 ( 低水路満杯流量 ) 約 2.0m 3 /sの定常流を1 時間 40 分程度通水, 水位流量観測を4 回実施 (S1~S4) 河床縦横断測量表層画像調査 2 回目通水 D=0.13 程度の流量約 3.2m 3 /s の定常流を 0 分程度通水水位流量観測を 2 回実施 (S~S6) 河床縦横断測量 3 回目通水 D=0.42 程度の流量約 8.0m 3 /s の定常流を 2 時間 30 分通水水位流量観測 4 回実施 (S7~S) 河床縦横断測量表層画像調査 4 回目通水 D=0. 程度の流量約 12.0m 3 /sの定常流を2 時間 30 分通水水位流量観測 4 回実施 (S11~S14) 河床縦横断測量表層画像調査ふるい分け調査

8 , h 1.0E E E+0 1.0E+04 河道形成に対する無次元流量と無次元水面幅, 無次元水深の関係カナダ ( アルバータ州 ) アメリカ ( サクラメント川 ) bunkfull ischage 明治時代の利根川中流部の河道常願寺川現地実験平野 (1973) 福岡山坂 (1984) 1.0E E E E E E E+0 1.0E E E E E+1 h = 4.2 = まとめ自然河川において, 無次元水面幅, 無次元水深は, 流量, 河床勾配, 河床材料からなる無次元流量により決まる. 式 (3),(4) を福岡の式と呼ぶ. = h 0.13 (3) = (4) 自然河道に対して導かれた福岡の式を基準として見たとき, 我が国の基本方針河道は, どのような特性を持つ河道であるかを検討する.

9 4.4 基本方針河道基準地点での無次元量間の関係基本方針河道 : 流量代表粒径河川整備基本方針で想定する河道であり, 計画高水流量を計画高水位以下で流すように設計される. 基準地点は, その河川の代表地点で, 河道はほぼ完成している. 各河川の治水安全度 (1/200,1/,1/0) に応じて決まっている計画高水流量を用いる. 60% 通過粒径 60 を代表粒径として用いる. 川幅水深基本方針河道の基準断面における計画高水位での水面幅, 水深を用いる. 河床勾配基準地点周辺の平均的な河床勾配を用いる我が国の基本方針河道, 基準地点におけるデータ基本方針河道 (9 水系,120 基準地点, データ数 120) 計画高水流量 800~19000[m 3 /s] 河床材料 ( 6 ) 0.1~420.0[mm] 河床勾配 1/70~1/4000 河幅 4~20[m] 水深 2.4~20.7[m] 断面形単断面形, 複断面形 ( 現況断面に応じて ) 樹木群現況河道で, 縦横断的な樹木繁茂状況を見ながら, 計画高水流量が計画高水位以下で流れる断面設定の中で考慮

基準地点で, 既往最大洪水流量と計画高水流量の比が 80% を超える基準地点が全体の 8

10 基準地点で, 既往最大洪水流量と計画高水流量の比が 80% を超える基準地点が全体の 8 割を超えている. 基準地点数既往最大流量 / 計画高水流量 (%) 1.0E+07 基本方針河道における無次元流量と無次元水面幅, 無次元水深の関係 1.0E+06, h 1.0E+0 1.0E E E E E E E E+0 1.0E E E E E+1 h = 4.2 =

11 実河道における洪水流データを用いた検討.1 アメリカ ( サクラメント川 )(1 河川,2 地点, データ数 29) 流量 142~2243[m 3 /s] bankfull ischage 2270[m 3 /s] 河床材料 ( 6 ) 0.4~9.9[mm] 河床勾配 1/3472~1/1 水面幅 80~160[m] 水深 2.0~8.2[m].2 アメリカ ( ミシシッピー川 ) (1 河川,3 地点, データ数 3) 流量 46~400[m 3 /s] 河床材料 0.2~0.8[mm] 勾配 1/1400~1/00000 水面幅 86~880[m] 水深 1.4~7.0[m].3 日本の整備途上河川利根川, 多摩川, 石狩川等水位ハイドログラフを用いた検討 1.0E+07 実績流量時の無次元流量と無次元水面幅, 無次元水深の関係ミシシッピー川, サクラメント川アメリカ ( ミシシッピー川 ) 1.0E+06 アメリカ ( サクラメント川 ), h 1.0E+0 1.0E E E E E E E E+0 1.0E E E E E+1 h = 4.2 =

0E+08 1.0E+07 1.0E+06 1.0E+0 1.0E+04 1.0E+03 1.

0E+01 現況断面における実績洪水時の無次元流量と無次元水面幅の関係石狩川, 多摩川,

0km.0km.0km 1.0km 20.0km 2.0km 30.0km 130.

12 八斗島 (181.km) 栗橋 (130.km) 出典空から見た利根川出典空から見た利根川横断距離 (m) 横断距離 (m) 1.0E E E E+0 1.0E E E E+01 現況断面における実績洪水時の無次元流量と無次元水面幅の関係石狩川, 多摩川, 利根川 0.0km.0km 1.0km 18.0km 23.0km 24.0km 2.0km 0.0km.0km.0km 1.0km 20.0km 2.0km 30.0km 130.km 181.km 石狩川多摩川利根川 h = 4.2 = E E E+0 1.0E E E E E+1 1.0E+17

13 大河川を例とした無次元流量の変化に対する無次元水面幅の変化の模式図 1.0E E E E+06 船底形船底形複断面 1.0E+0 1.0E+04 単断面複断面 1.0E E+02 単断面単断面 1.0E E+0 1.0E E E E E+1 1.0E+17 = 治水と環境の調和した河道を考える 1. 出来るだけ自然河川の特性を有する断面形を持つ河道とする福岡の式を基準とする連続的な潤辺を有する船底形断面形. 2. 低水路と高水敷の比高差の大きい複断面河道は, 段階的に船底形断面に改修していくのがよい. これは, 地球温暖化による流量増, 高水敷の樹林化, 澪筋の固定化等の治水対応と, 水生生物の住処の確保等生態環境改善につながる. 3. 規模の異なる洪水流量に対して縦横断測量データより河道断面形河床高の変化を調べるー安定な河道か?. また, 地盤高 ~ 植生分布の関係より環境面から望ましい将来河道の作り方を調べる. 4. 複断面河道区間では, 低水護岸を撤去することが可能か, 治水面, 環境面, 利用面から, 船底形断面河道への無理のない移行が可能かについて情報を得る.

14 自然河川に見られる船底型断面形 2 年確率流量年平均流量ミシシッピー川 (Sec. 3 2) 横断図

15 治水と環境両面を考慮した断面形状とは現在の複断面河道高水敷を切り下げた複断面河道切り下げ船底型横断形を有する河道複断面河道の船底形断面への改修の一例 7. 福岡の式の物理的意味と適用性福岡の式 = (3) 無次元川幅 ( 水深 ) に関する福岡の式は自然界における外力である洪水流によって形成された安定断面を有する河道について, 互いに独立な物理量, 即ち, 流量, 水面幅 ( 水深 H 河床勾配 I, 河床代表粒径を多くの川で求め, 次元解析法によって導かれた無次元形の力学関係式である. 以下の理由により, 福岡の式は無次元形 ( 無次元流量に対する無次元川幅水深の式 ) のままで用いられなければならない.

16 = (3) = 4.2 gi 0.40 (8) 福岡の式 (3) から, 式 (8) のように川幅を長さの次元で記述することは可能である. しかし, 式 (8) は, 川幅の算定には一般性を持たない式となる. すなわち, 式 (8) にあっては, 両辺に含まれている河床材料の粒径は互いに消し合った式形となっており, 粒径は川幅に影響を与えない式形となっている. しかし, 動的に安定な河道の川幅の決定には, 河床材料粒径が重要であることは周知の事実である. 図は, 式 (3) を導くために用いた粒径と河床勾配 I の関係を示す. 動的に安定した河道の粒径と河床勾配の間には強い関係があることが分かる式 (3) では, 河床勾配は直接的には外力である重力 g と一体となって河道形成に関係することから, 陽的には gi の形で考慮しているが, 川幅に対する勾配の重要性は河床材料の代表粒径との関係で陰的にも考慮されている. 以上のことから, 川幅の算定には, 式 (8) の次元形ではなく, 式 (3) の無次元形を用いて求めなければならい. 60 [mm] / 河床勾配全国 9 水系基準点における代表粒径と河床勾配の関係

17 福岡の式の適用性 (1). 樹木群の繁茂した河道における樹木の伐採範囲と伐採後の河道縦横断面形. (2). 河道の澪筋化河床低下による構造物等の安全性低下を軽減する河床高回復を狙いとした河道縦横断面. (3). 中小河川における多自然川づくりの断面改修の根拠づけ. (4). 地球温暖化による洪水流量の増分に対応する断面形の決め方. (). さらには以下に示す河川事業における改修の必要性と改修の効率化, 事業の優先順位の検討等にも用いることが可能である. 1. 維持管理 2. 予防的な治水対策 3. 河川環境の回復 8. 水面幅, 水深に関する福岡の式の適用方法 (1) 河道内樹木密生により流下能力が低下している河川の樹木伐採範囲および伐採後の河道断面の決め方検討対象流量の設定伐採樹木案河床材料粒度分布 ( 代表粒径 60 ), 河床勾配 I の調査河道案作成改修後の河道断面案 A = H 現河道断面 60 福岡の式による適切な河道断面案の検討 ( 予測, 仮設定段階 ) 検証樹木伐採とそれを考慮した河道断面案 ( 断面形は船底型に近くする ) 修正河床変動計算による安定断面形状の算出と河道断面案の修正河床低下が著しい場合掘削範囲を広げる ( 修正 ) 土砂堆積が著しい場合掘削範囲を狭める ( 修正 ) 安定河道断面形状の決定

18 (2) 河床高を回復する河道の断面形水面幅の決め方検討対象流量の設定河床勾配 I の調査, 上流断面の粒度分布調査敷設砂礫粒径 60 の設定 ( 仮値 ) 河道断面案作成 A = H 福岡の式による適切な河道断面案の検討 ( 予測, 仮設定段階 ) 検証敷設砂礫 60 土丹層敷設砂礫厚さの修正 ( 粒度分布の変形が考慮できる ) 河床変動計算による安定断面形状の算出と河道断面案の修正安定しない ( 土丹層が再び露出する ) 敷設砂礫粒径の修正河道断面改良, 河川構造物の設置等の河道の抜本改修安定河道断面形状の決定 (3) 多自然河川の治水, 環境機能の評価中小河川に関する河道計画の技術基準についてに述べられている中小河川の多自然川づくりでは, 河幅を広くとる. 土砂の移動や河床変動を生じる場を確保するため, 河床幅を広くとるしかし, 河幅を決める指標がない. また, 河床材料から川を見る視点がない等, 具体的設計論になりえていない. 中小河川の多自然川づくりへ福岡の式を適用する場合以下の事項に留意し検討する必要がある. (1) 福岡の式から決まる治水, 環境上必要な無次元河幅や水深と対象河川のそれは, どのような関係にあるか. (2) 治水と環境の両面から決まる自然河道に近い河幅等を, どの程度まで反映可能なのか, また, 現在の河幅等は, 治水上, 環境上どのような課題を有するか. (3) 中小河川の河幅等の改善を 8.1,8.2 に示した方法で検討できるか.

19 7 6 h 4 谷地川湯殿川残堀川 12 = 4.2 h = 東京都における中小河川の無次元水面幅無次元水深と無次元流量の関係使用したデータの諸元河川名 (m 3 /s) (m) D60(mm) h(m) I 残堀川 /220 谷地川 / 湯殿川 /

20 ご清聴ありがとうございました.

河川技術論文集vol.16

河川技術論文集vol.16 論文河川技術論文集, 第 16 巻,2010 年 6 月治水と環境の調和した治水適応策としての河幅, 断面形の検討方法 DETERMINATION METHOD OF RIVER WIDTH AND CROSS-SECTION FOR HARMONIZATION BETWEEN FLOOD CONTROL AND RIVER ENVIRONMENT 福岡捷二 1 Shoji FUKUOKA 1