急勾配河道区間に大量の細粒土砂が供給された場合の堆積・延伸過程
武内慶了著者
- 武内慶了／国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室
- 山本陽子／（一財）先端建設技術センター技術調査部
- 海老原友基／国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室
- 井上清敬／国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室
- 板垣修／国土交通省中部地方整備局木曽川上流河川事務所
武内慶了“急勾配河道区間に大量の細粒土砂が供給された場合の堆積・延伸過程” に対して4件のコメントがあります。
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武内慶了
興味深く資料を拝読させていただきました。
堰（あるいは橋脚での流木集積による河積阻害地点でも同様でしょうか？）の上流側への土砂の延伸速度が非常に早く、これに伴う急激な水位上昇が水・土砂の堤内地への氾濫につながるものと理解いたしました。リスクの評価や沈砂池の設置等の対策の検討が重要になるかと思います。本研究では数値解析も実施されており、浮遊砂の解析では土粒子の沈降速度の評価に工夫がなされているようですが、やはり一般的な沈降速度の評価では現象再現の難しい事象になるでしょうか？また勾配が急なほど、跳水前後での掃流力の差は大きくなるため、堆積範囲の上流延伸が大きくなるかと思いましたが，実験ではそのようにはなっていないのはどのように解釈すればよいかご教授頂ければ幸いです。
竹村先生、興味を持っていただきありがとうございます！
大きく分けて、３つのご質問をいただいたと理解しています。
本研究で見出された土砂堆積の延伸過程を「堆積上流延伸（過程）」と呼んでいますので、以後、この用語を使いながらそれぞれ返信いたします。
（１）堰以外でも堆積の起点となる場合があるか。
例示いただいた「流木集積した橋梁」をはじめ、堆積の起点となるような箇所（局所区間）は他にもあると理解しています。論文には載せませんでしたが、直線水路において局所的に水路幅を狭めた実験も行いました。この条件でも今回論文で示した「堆積上流延伸過程」が確認されています。この結果も踏まえると、「土砂の沈降が卓越するような流れ場となる局所区間があれば、そこを起点に堆積上流延伸し得る」ということが考えられ、前述のような流れ場を創出する局所区間として、橋梁も狭窄部も該当し得ると理解しています。なお、橋梁においては、捕捉した流木が流れに対する抵抗を増大させ、相対的に堆積の起点となりやすくなるだろうと考えています。
（２）一般的な沈降速度の評価では再現計算が難しい事象か。
現象を再現するための数値計算法についての議論と理解しました。非常に重要な点についてご質問いただきましたので、悩んだこと、苦しんだことも含めて記します。
結論としては、一般的な沈降速度の評価法を用いると、堆積上流延伸過程は説明できるものの、堆積区間の堆積後河床高縦断分布が急勾配になり、また堆積上流延伸速度も大きくなり、実験結果を再現できているとは言えない結果が得られました。実験結果に合わせこむことを念頭に試行錯誤を重ねた結果、沈降速度に干渉沈降効果を考慮することで、実験結果が概ね再現できていると言っても良いであろう計算結果が得られたというのが実態です。
一方、本研究の最後で行った氾濫を伴う場合の計算に関しても大変苦労しましたので、経験を共有いたします。氾濫原での土砂堆積も考慮するため、河道部分と同一の方法で計算を試行しました（これは論文に載せた結果の前段階検討です）。その結果、氾濫を伴うと、河岸肩（河道部分に接する氾濫原範囲）への土砂堆積が急激に進行し、すぐに水位と同等の高さまで堆積します。この河岸肩への土砂堆積が、河道にとっての「壁」となり、氾濫を伴わない矩形断面での結果とそれほど大きく変わらない計算結果となりました。赤谷川の実態では、河道・氾濫原によらず、堆積後地盤高の横断分布がほぼ一様であり、この計算結果で起きたような「河岸肩への凸型堆積」とは大きく異なっています。河道からの氾濫流は、濃度が十分に高い状態のまま氾濫原に供給されますが、氾濫流量フラックスは、河道内流量フラックスに比べ小さくなり、土砂の流送能力が減少しますので、河岸肩付近で堆積しやすくなるのは、従来の河川工学的知見から考えれば当然のこととして理解されますが、実際の現場では起きていないということが重要と考えます。このあたりについては、結論を持ち合わせておらず恐縮ですが、そもそも一般的な沈降速度評価の考え方の基となっている「浮遊土砂は水流により運ばれるもの」と捉え、流れと土砂流送を切り分けて組み合わせる従来の計算法で再現しようとするのは、なかなか難しいのかもしれないと思っているところです（ドロッとした流れを直接的に解く等の方法の方が、現象に馴染む！？）。
また、土砂流送だけでなく、流れ計算の解像度も、再現性確保の上で問題となりました。氾濫を伴わない矩形断面水路での再現計算において、水深スケールより大きな空間解像度で平面二次元計算を実施しましたが、堆積上流延伸が生じない場合がありました。試行錯誤の末、水深スケールより小さい空間解像度で計算し、初めて堆積上流延伸が表現されました。本研究では「土砂堆積の起点となる局所区間の水理量の変化が、河道の長い空間スケールの堆積形状に影響する」ことを示せたと考えています。この「局所区間の水理量の変化」を丁寧に取り扱うことも、本事象の再現には不可欠であると理解しています。この段落は、ご参考になればと思い、記した次第です。
（３）跳水上下流における掃流力の差が大きくなりやすい急勾配区間ほど、堆積上流延伸（延長？）が大きくなるわけではないのはなぜか？
堆積上流延伸過程において、堆積区間の堆積後河床高縦断分布が概ね直線的であることから、動的平衡となるように堆積上流延伸していくことが考えられました（論文では記載しています）。実験の観察結果から、堆積上流延伸過程において浮遊土砂の沈降・堆積が支配的であったことを踏まえつつ、動的平衡勾配を別途調べた結果、土砂濃度が大きいほど、また、流量フラックスが小さいほど、動的平衡となる河床勾配が大きくなっていくことがわかりました（これは論文にも載せていませんすみません）。堆積上流延伸した実験ケースにおいて、堆積区間の堆積後河床勾配が水路床勾配より小さい場合、上流区間において堆積後河床が水路床に擦り付き、堆積上流延伸が止まる場合もありました。当然ながら、水路床が急勾配であるほど、動的平衡となる河床勾配より水路床勾配が大きくなりやすいため、堆積後河床が基河床に擦り付きやすく、その結果として堆積区間延長が大きくなりにくくなると考えられます。
また、堆積が始まる前の流況において、水位せき上げの影響を受けない区間（等流区間と呼びます）のu*/w0が大きくなると、初期の水位せき上げ区間に堆積するものの、堆積上流延伸しない実験結果を得ています（p.12の右図）。水路床が急勾配となる条件ほど、初期堆積しても堆積上流延伸しない場合が生じやすい傾向にありました。なぜこのようなことが起こるのかについて、明確な答えは持ち合わせておりませんが、急勾配ほど等流区間の流れの勢いが強く、跳水位置の上流移動が生じにくい流況となっていることが一因と考えているところです。
以上より、急勾配ほど堆積上流延伸（区間延長）が大きくなりにくい傾向が見えてきたと考えています。従いまして、ご指摘のあった、跳水の上下流で掃流力の「差が大きくなること」が本事象のポイントではなく、①堆積の起点となる区間の掃流力と、②等流区間の掃流力の２つの条件の組み合わせによって、堆積区間延長の大きさが決まってくるように捉えています。正面から応答できていなかったらごめんなさい。
返信が遅くなりすみません。
またご丁寧に回答いただきましてありがとうございます。
論文に記載されていない点、ご苦労された点についてもご紹介いただき大変勉強になりました。これは河川シンポならではですね。
（１）堰以外でも堆積の起点となる場合があるか。
→急勾配中小河川（特に土砂生産源）では、堆積上流延伸の発生危険性が内在することをよく考えないといけないですね。人の住むエリアより上流で、沈砂池等により対処することも含め大切な問題と認識しました。勉強になります。
（２）一般的な沈降速度の評価では再現計算が難しい事象か。
→河岸肩への急激な土砂堆積は、私も実河川の計算をしている中でよく経験します。これは高水敷から水が引いていく際に、水深の浅い土砂濃度の高い流れが生じますが、その際の沈降速度の評価が不適切で水・土砂の混相流的な取り扱いが必要と考えておりました。このような問題は、ついついその場しのぎで対処するところでございますが、今回ご検討された現象にも通ずるところで、高濃度土砂流の解析は今後取り組むべき大切な課題だと認識したところです。水深スケールより小さい計算格子の使用が必要と言う点は具体の検討を行う際に極め重要なノウハウだと感じました。
（３）跳水上下流における掃流力の差が大きくなりやすい急勾配区間ほど、堆積上流延伸（延長？）が大きくなるわけではないのはなぜか？
→ 「急勾配ほど等流区間の流れの勢いが強く、跳水位置の上流移動が生じにくい流況となっていること」が説明として腑に落ちました。ありがとうございます。
竹村先生、ご丁寧なコメントありがとうございます。
論文掲載以外のこと等、あえていろんなことを書いてみましたが、こういったディスカッションができる場があるのは良いですね。
引き続き、意見交換ができれば幸いです。
どうぞよろしくお願いいたします。