九大農学芸誌 ( S ci .B u l l .F a c .A g r .,KyushuU n i v . ) 第5 3巻 第 1-4号 6 5 7 0 ( 1 9 9 9 ) ーツ瀬川源流大薮川における 1997年洪水直後の 堆積砂磯径の特徴 中村純也・丸谷知己 九州大学農学部環境システム学講座 ( 19 9 8年 1 0月3 1日受付, 1 9 9 8年 1 1月 6日受理) P a r t i c l eS i z eC h a r a c t e r i s t i c so fSedimentCausedby 1 9 9 7 Floodinga tt h eUpperOyabuCreeko ft h e H i t o s t u s eRiverCatchment JunyaNAKAMURA andTomomiMARUTANI Laboratoryo fWatershedE n v i r o n m e n t a lS c i e n c eandTechnology, F a c u l t yo fA g r i c u l t u r e,KyushuU n i v e r s i t y,Fukuoka8 1 2 8 1 や継続時間に応じて流下方向に変化することが予想さ はじめに れる.洪水は水生生物の生息環境を一時的に大きく変 急勾配の山地河川では,階段状 j 可床地形(以下, 化させるので,その影響を評価するためには洪水直後 Step-poolsystem) が形成されることが広く知られ の砂磯量や砂磯径を把握することが重要な課題となる. ている(たとえば芦田ら, 1 9 8 4 ) . Step-poolsystem 河床砂礁の粒径について,主として下流の緩勾配河 は,流下方向に数メートルから数十メートルの間隔で, 川について多くの調査研究が進められてきた.古典的 堆積砂磯からなる急勾配部(ステップ)と緩勾配部 には,平均磯径が生産j 原から下流にむかつて漸減する (プール)とが交互に連続する河床地形である.その 事 が 示 さ れ て い る ( た と え ば Krumbein, 1 937; 形状は過去の土砂移動の痕跡を表していると同時に, Sternberg,1 9 5 5 ) . これらの結果は長期間の土砂移 次の洪水での土砂移動の際の河床粗度としても機能す 動の集積であり,土砂生産源も特定されていないため, る.これら S tep-pool systemは,河川に生息する 洪水による砂磯径の変化については知ることができな 水生生物にとって重要な役割を果たしている.プール い. P izzuto ( 19 9 5 ) は,合流点における水理量の変 はヤマメ,ハエなどの渓流魚によって採餌,産卵場所 化に着目し,合流点聞の距離 Link長をパラメータ 9 91,広瀬ら, 1 9 9 3 ),プー として利用され(河村, 1 として磯径変化を解析した.これによって,本流水路 ル内の巨磯はその時の待避場所となっている(山口, に対する土砂生産源の支流の影響を評価できたが,一 1 9 9 6 ) . また, Step-poolsystemの間隔はヤマメの 洪水ごとの砂磯径の変化を把握することはやはり困難 個体数,サイズに影響していることも報告されている である. Productionl i m i t e dの卓越する一般の山地 (高柳, 1 9 9 7 ) . 河川では,堆積砂磯径の分布は,洪水時における砂礁 このような S tep-poolsystemの落差と間隔とは, の堆積と洪水後の砂礁の粒径淘汰の両方によって複雑 河床勾配,河床幅などの水路の幾何学的形状と,水路 に変化した結果である.したがって,堆積砂磯径の分 内に堆積する砂磯量,砂礁径とによって支配されてい 布を把握するためには,まず粒径淘汰を受けていない, 9 9 5,川西, 1 9 9 7 ) . このうち水路 る (Abrahams,1 洪水直後の堆積砂磯径の分布を知ることが必要となる. の幾何学的形状は, i 可床や i 可岸が基岩で構成されてい しかし,このような洪水に遭遇する機会は少ないため, る場合には数年 山地河川の堆積砂磯径についての調査事例はきわめて 数十年間では大きく変化せず,洪水 流に対しでも固定床と考えることができる.一方, i 可 少ない. 床に堆積する砂線量や砂様径は,洪水の度にその規模 -65- 1 9 9 7年 9月,筆者らが1 9 9 3 年以来河床変動をモニター 中村純也・丸谷知己 6 6 しているーツ瀬川源流大薮川において洪水が発生し, 九州 共水によっ 多量の砂磯が支流から本流に流入した.このj て , 3kmにわたる本流河床がすべて砂磯で埋積され ほほ平坦面となったため,筆者らは洪水直後の砂磯径 の分布を実測することができた.本研究では,洪水直 後の堆積地表面で砂磯径分布を現地調査し,洪水によっ てもたらされた堆積砂磯径の位置的変化を合流点の影 響を考慮して分析することを目的とした. 調査地および方法 調査地概要 調査区間 一ツ瀬川は,九州山地を北から南に流下する流域面 2 の河川である.その源流部の九州大学宮崎 積 722km 演習林内に「大薮川山岳河川総合試験地(流域面積 5.2km2) J が設けられている(図 1).ここでは,降 9 9 3 年以 雨量,水位,河床変動量,流出土砂量などが1 来継続的にモニターされている.大薮川山岳河川総合 試験地は,わが固有数の多雨地帯に位置し,年間の降 水量は 3500mmに達する.また,この試験地の地質 は広域変成作用をうけた中生層砂岩,頁岩,泥岩から なり,延岡 こうちの谷 図一 1 調査位置図 紫尾山構造線に沿って著しい破砕作用を 受けている.このため,河床には支流や側岸から生産 された直径数 cmから 30cmの偏平な礁が多数分布す る. 基岩が露出した河床であったが,この年の 9月の豪雨 1 .5mm ( 図 (連続雨量 958mm,最大時間雨量 6 2 ) ) によって,本流の河床は多量の砂礁で埋積され,全区 間にわたって河床上昇を生じた.粒径調査は,この豪 雨の直後に,大薮川山岳河川総合試験地の約 1kmの 本流河川(以下,粒径調査区間)で行った.粒径調査 。 亡 (E E) 酬区盤臣宜 大薮川本流は, 1 9 9 7年の洪水以前には両岸と河床に 2次谷以上)が合流しており, 区間には 6本の支流 ( これらの支流は上流からぼうず谷,支流 I,支流 I, ,こうちの谷, しきの谷である.ぼうず谷,こ 支流 m うちの谷,しきの谷はいずれも 3次谷で,支流 I,支 o: 0 01 2: 0 00: 0 0 1 2: 0 00・0 01 2 :0 00:0 0 図ー 2 1997.9.14~9.17の豪雨(連続降雨量 958 m m,最大時間降雨量 6 1 .5 r i l m ) 流 I,支流皿は三次谷であった.表 -1は各支流の地 形的特徴を示している.これらの支流水路には,側岸 からの落石や小規模な斜面崩壊によって絶えず土砂が し,粒度分析を行った.粒度分析に用いた粒径区分は 供給されており,堆積した土砂は豪雨の際にまとまっ Wentworthの方法 (256mm,128mm,64mm, 3 2 m m,16mm,8m m, 4m m, 2mm) により,そ て流出することが報告されている(笠井ら, 1 9 9 7 ) . 調査方法 れぞれの粒径階に含まれる砂磯の体積より粒径加積曲 粒径調査区間では 4 3本の横断測線(以下, L i n e ) 線を求めた.粒径加積曲線より,中央粒径 Maと分級 を本流に沿って 35m間隔に設けた.砂礁の粒径計測 ine上 はラインサンプリング法により,それぞれの L の堆積地表面において直径 5mm以上の砂礁を実測 係数 aを,次式によって求めた. M.=d 5 0 洪水直後の堆積砂喋径 6 7 表 -1 各支流の地形特徴 2 流域面積 (km ) 平均水路勾配 ( t a n( ; I ) 本流との合流角(度) ほうず右枝 1 .0 1 9 0 . 2 3 7 6 0 支流 I 0 . 3 4 9 0 . 1 4 6 4 5 支流 E 0 . 1 1 1 0 . 2 5 6 5 5 支流皿 0 . 0 8 5 0 . 2 8 3 6 0 こうち谷 1 .1 1 6 0 . 1 7 2 7 7 しきの谷 1 .2 1 0 0 . 2 0 6 1 4 3 雨量は,図ー 1に示す⑥地点の近傍で,記録型雨量 自動測定装置(転倒マス式)を用いて測定している. 1 0 0 40 20 O A 量を算出した. 6 0 a 〈8 壬 骨 理 組 ト 斗 ので,水位一流量曲線として次式を用い,洪水時の流 口A U ρ h U A 横断形が流心を原点として放物線に近い形状であった 。200 Q=(αH+b)2 ゆ片掛田市封建(日目) E E120 による水位の測定を行っている.水位データの測定間 隔は 1時間間隔である.大薮川では,ほとんどの河床 - - 1よ 1ょ 1i 積×流速)と記録型水位自動測定装置(水圧式センサー) ハUnUAUハり 1 6 0 1 4 0 間の①,⑤,⑥地点(図 3) では,流量(流下断面 64200 ハ Vnu 雨量データの記録は 1時間間隔で、行った.粒径調査区 径数十⑥←一 粒係一﹁ 央級一)一 中分一⑤←- 十竺 d d 1 / 2 品 =( 1 6/ s 4) 2 0 O 4 0 06 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 調査区間の上流端からの距離 (m) ここで .Qは流量 (m3/ s e c ) . H は水位 ( m ) .a .b 図-3 調査区間における中央粒径,分級係数 は定数である. また,一般に河川各横断面での掃流力は次式で表さ れる r o = ω .R.I ている.図において,中央粒径,分級係数はほとんど の地点で 20mm以上 60mm未満の範囲に分布してい ここで. r oは掃流力 (kg/m2). R は径深 (m). 1 るが. Plo P 2 • P 3 • P 4 • P5の 5地点においてはいず は勾配を示す .ω =P' g . Pは水の密度 (P= 1 .0g/ cm3). gは重力加速度 (g=980cmN).河床勾配, れも極端に大きな値を示している.これら 5地点での 横断面形については,粒径調査区間での光波測距儀ト ( 品= 8 8 . 1 : : ! :8.6mm) が , 他 の 地 点 で の 中 央 粒 径 9 7 年 9月)により求 ランシットを用いた河川測量(19 (M.=31 .4 : : ! : 9 . 2 m m ) および分級係数(品 =30. 4 : : ! : めた. 8.3mm) のばらつきの範囲に収まるかどうかについ 調査結果 中央粒径 ( M . 日 =100.2::!:28.3mm) お よ び 分 級 係 数 て検定を行った結果. 95%の信頼確率で異なる種類の データである事が示された.したがって,これら 5地 図 -3は粒径調査区間における中央粒径,分級係数 点での砂礁は,中央粒径および分級係数において他の を示している.横軸は調査区間上流端からの距離であ 地点、の砂礁とは異なるプロセスで堆積したことが示唆 り,縦軸は中央粒径(左軸).分級係数(右軸)であ された. る.グラフ上部の数字は支流との合流点の位置を示し 9 9 7年 9月の洪水におけるピーク時の流量 図 -4は1 6 8 中村純也・丸谷知己 ①②③ 120 回 、¥ ④ ⑤ ⑥ ,、 ,司 可V v J 110 百 100 F 山 由 酬 90 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 816 「一一一一 ミ 14 312 ' ' 10 r… ぎ80 R 宮 70 蝶 6 I 60 ~吐 ~ 8 , ¥ ¥ . 、 々 U 50 i l if I o f r 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 図 -4 1 9 9 7年 9月の豪雨におけるピーク時の流 量の位置的変化 ① ② ③ 12 510 1 車 8 o B f I I II 0 01 2 0 0 400 6 0 0 8 0 0 01 2 0 01 4 0 0 調査区間の上流端からの距離 ( m ) 図ー 7 ピーク時の流量における調査区間(本流) に沿う掃流力 の位置的変化を表している.横軸は調査区間上流端か らの距離であり,縦軸はピーク時の流量である.グラ A Aγ V 民 え g 6 l i 64 * ι 2 O 2 ④ ⑤ ⑥ 可,、, 可V l i 6 」 ト ー * 0 ~ rrT 調 査 区 間 の 上 流 端 か ら の 距 離 (m) 1 4 T L = k1 ¥~ VL 斗l "¥ 一 流量は合流点①,⑤,⑥については実測水位から H Qキャリプレーションによって求め,合流点②,③, ④についてはそれぞれの支流域面積の全流域面積に対 する割合に基づいて①と⑤の流量差を配分して求めた. それぞれの合流点間については斜面流量はないものと ~.T ,~,"t tlri r n4, n r 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 0 0 6 0 0 8 2 0 0 4 o フ上部の数字は支流との合流点の位置を示している. 調査区間の上流端からの距離 ( m ) 図 -5 調査区間(本流)における谷幅 して,一定値で表した.実際には,これとは若干異な ると恩われるが,グラフよりおおまかに流量変化は把 握でき,各支流が本流と合流するごとに本流の流量が 不連続に増えている状況が示されている.図 -5は粒 径調査区間(本流)の谷幅(ピーク流量時の流下幅) を表している.横軸は調査区間上流端からの距離であ り,縦軸は谷幅である.支流との合流後は本流の谷幅 ④ ⑤ ⑥ ↓ 一 . L - よ 1iAUAUAUAUAU AUti-- 唱 hhAUAUAUAリ‘hAUAUAUAU A U A U A U A U A U A U A U Aリ 2864218642O :・・・・:・ (もロ旦)届ぽ舘ぷNQ爆特 ①②③ ~陶岬 直型 I!-~竺:!M 金 生 生 5とに基づいて,各地 点での径深 R を求めた. また,図 6は粒径調査区間の河床の水路勾自己(I) の変化を示している.横軸は調査区間上流端からの距 離であり,縦軸は河床の水路勾配である.粒径調査区 間(本流)の勾配は0 . 0 1 6から 0 . 0 1 9と比較的緩勾配で ト一一『司 o が増加している.図 -4と図 ある.高橋(19 7 7 ) の実験水路における解析によると, . 2 5以下では砂礁は集合運搬によらず掃流運搬に 勾配0 よって流送されることが明らかにされている.このこ とから,粒径調査区間(本流)は土石流発生限界勾配 0 01 2 0 01 4 0 0 0 0 8 0 0 01 2 0 0 4 0 0 6 調査区間の上流端からの距離 (m) 図-6 調査区間(本流)の水路勾配 以下であり掃流運搬領域であると言える.以上の径深 R と河床勾配 Iとを用いて, ω=1000としてピーク流 量時における粒径調査区間(本流)に沿う掃流力の変 洪水直後の堆積砂磯径 6 9 化を求めた(図一 7 ) . 横軸は調査区間上流端からの距 水末期に支流からの流入する水量が急激に減少したと 離であり,縦軸は掃流力を示している.粒径調査区間 仮定すれば,合流点において掃流力の低下が著しく, での掃流力は P4地点で最低となっており,粒径調査 ケース 1が実現し堆積地表面には大小の礁が残積する 2 2 区間全体では 8kg/m以上 14kg/m以下と大きな変 ものと思われる.このことから,支流からの流入水量 化は見られなかった .Plo P 2• P 3 • P 4 • P5において が多い(流域面積が大きい)支流 1 (合流点②)と も他の地点とほとんど差はないことがわかった. Plo しきの谷(合流点⑥)と P5の関係が示唆される. 支流から,本流の掃流力が低下する以前(洪水の初 考 察 中央粒径,分級係数は 5 地点 (P 1 • 期または洪水ピーク付近)に土砂が流入すると,本流 P 2 • P3 • P4 • を運搬される砂礁と同様に本流の掃流力によって流出 P5) で他の地点とは異なる大きな値が示された(図- される.一方,本流の掃流力が低下した後(洪水の終 3 ) . まず¥これらのうち P 3は洪水によって護岸擁壁 期)に土砂が流入すると,運搬されず合流点に堆積す が破壊され,その裏込め石が流出していたことからこ る.この時点では支流でも掃流力が減少しているので, の地点は検討の対象としなかった. 土砂は集合運搬による可能性が高い.このことから, したがって. Plo P 2• P 4• P5地点のみについて, 中央粒径,分級係数が他の地点と大きく異なる原因に 集合運搬の可能な支流 I (合流点③)と P 2 • 支流血 (合流点④)と P 4との関係が示唆される. 結果として,支流からの流水と土砂の流入を考慮し ついて考察した. なければ,本流に沿った砂磯粒径の不連続な分布を説 粒径調査区間(本流)の掃流力の影響 粒径調査区間(本流)での砂礁の運搬形式は,掃流 明することができなかった.さらに,主として流水を 運搬であったと推測されたので,この区間のピーク流 供給する支流と土砂を供給する支流との違いが影響し 量時での掃流力の位置的変化を計算した結果,上流端 ていることが示唆された. から下流端まで 8kg/m2以上 14kg/m2以下でほぼ一 ) ことがわかった. しかし,急激な 定である(図一 7 流量減少(水位低下)により掃流力が時間的に急減し 謝 辞 現地調査において,多くの便宜をはかつていただい た場合には,粒径淘 i 太が生じなく,堆積地表面に比較 た九州大学宮崎演習林の職員に感謝する.また,農学 的大きな砂礁と小さな砂礁が残され.Maおよび 部助手笠井美青氏には,調査方法等について多くの示 aは ともに大きな値を取る可能性がある(ケース1). し 唆をいただいた. かし.水位低下は調査区間全体でほぼ同時に起こるは 本研究は日産科学振興財団第 2 3回総合研究「大規模 ずだから. Plo P 2• P 4• P5の特定地点でのみ水位低 な地表撹乱に伴う河川一森林相互作用系の再生機構 下を生じるためには支流の影響を考慮しなければなら (代表,丸谷知己)J.文部省科学研究費基盤研究 ない. ( 2 )I 洪水氾濫および土砂流送に伴う渓流生態系の回 復過程に関する研究(代表,丸谷知己).課題番号 支流からの流水および土砂の影響 3より,中央粒径と分級係数が大きな地点 図- P1 は②の下流側 .P2は③の下流側 .P4は④の下流側, P5はしきの谷との合流点⑥である.表 -1より,ぼう ず右枝,支流 1 . こうちの谷, しきの谷の河床はいず t a ne < 0 . 2 5 ) であり,掃流運搬領域で れも緩勾配 ( あると考えられる.一方,支流 I (合流点③). ( B ) m (合流点④)は他の支流に比べ可床勾配が急、 ( t a n e>0.25) で,集会運搬領域であると考えることがで きる. 洪水時には,支流から本流へ流水と土砂とが供給さ れる.支流からの流水は本流の流量増加をもたらし, 合流点において急激な掃流力の増加を引き起こすもの と恩われるが,実際にはピーク流量時の掃流力は合流 直後にほとんど増加していない(図一 7 ) . しかし,洪 0 9 4 6 0 0 7 1 J の一部によって行った.また,本稿は九州 大学農学部林学科修士論文の一部である. 文 献 芦田和男・江頭進治・安東尚美 1 9 8 4 階段状河床地 形の形成機構と形状特性に関する研究.第 2 8回水 理講演会論文集: 7 4 3 7 4 9 笠井美青・丸谷知己 1 9 9 7 山地源流域における合流 9 ( 6 ) :1 7 2 3 点、の土砂の滞留現象.砂防学会誌. 4 川西良宜 1 9 9 7 山地河川の堆積土砂量の減少に伴う 瀬淵の縦断形の変化.平成 8年度九州大学農学部 卒業論文 9 9 1 多自然型河川工法はいかにあるべき 河村三郎 1 か.多自然型川づくりシンポジウム講演論文集: 1 3 1 高橋保 1 9 7 7 土石流の発生と流動に関する研究. 7 0 中村純也・丸谷知己 京大防災研年報, 2 0 ( B 2 ) 高柳威晴 1 9 9 7 プール体積と磯径及び掃流砂面積が ヤマメ個体数及びサイズ変化に及ぼす影響.平成 8年度九州大学農学部修士論文 広瀬健一郎・丸谷知己・井倉洋二・竹下敬司 1 9 9 3 山地河川におけるヤマメの産卵床の形成場所につ いて.日本林学会九州支部研究論文集: 1 9 3 1 9 4 山口和也・丸谷知己 1 9 9 6 ヤマメの生息におけるプー ル内の河床礁の影響.九州大学農学部学芸雑誌, 5 0 ( 3 4 ):1 7 3 1 7 8 Abrahams. A.D. and L .F . Atkkinson 1 9 9 5 S t e p p o o ls t r e a m s : Adjustment t o maximum flow r e s i s t a n c e . Water Resources Research,3 1 (1 0 ):2 5 9 3 2 6 0 2 9 3 7 Sediments and expoKrumbein,W.C 1 .G e o l .,4 5 :5 7 6 6 0 1 n e n t i a lc u r v e s .J . 1 9 5 5 Ani n t r o d u c t i o nt of l u v i a l L e l i a v s k y,S h y d r a u l i c s .p p . 5 6 .,C o n s t a b l e . P i z z u t o,J .E . 1 9 9 5 Downstream f i n i n gi na networko fg r a v e l b e d d e dr i v e r s .Waterr e 1 (3 ):7 5 3 7 5 9 s o u r c e sr e s e a r c h,3 S t e r n b e r g,H.V. 1 8 7 5 Z .,Bauw. 1 8 7 5,4 8 3 Summary Therewasafewr e s e a r c ho fi n v e s t i g a t i n gsedimentationimmediatelya f t e rf l o o d i n gi n mountaint o r r e n tbecauseo ft h ed i f f i c u l t yf o ri t si n v e s t i g a t i o na tf i e l ds i t e . P a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o n so f sediment along t h e stream channel o ft h e Oyabu Creek,Miyazaki, Japan,causedby1 9 9 7f l o o de v e n twasi n v e s t i g a t e dh e r e . P a r t i c l es i z ewasmeasureda t 3 0s i t e su s i n gt h el i n esamplingmethodandmeandiametersalongt h echannelwerec a l c u l a t e da teachp o i n t . Meandiametero fsedimentalongt h estreamwasdominantlya v .4 : : ! : 9 . 2m mandt h e s ewerer e s u l e t e dt obe t r a n s p o r t e d by t r a c t i v ef o r c ea t erageda t31 4kg/m2 duringt h ef l o o d . Att h ef i v es i t e swhichwerel o c a t e da tc o n f l u e n c ep o i n t s, 8~ 1 t h emeandiametero fsedimentwasaverageda t1 0 0 . 2 : : ! : 2 8 . 3m m and s o r t i n gc o e f f i c i e n t wasaverageda t8 8 . 1 : : ! : 8 . 6mm. Quick changes i nd i s c h a r g e from t r i b u t a r i e s( a v e r a g e s l o p e < 0 . 2 5 ) and sediment p r o d u c t i o n from t r i b u t a r i e s( a v e r a g es l o p e > 0 . 2 5 ) were r e s u l t e dt oi n f l u e n c et ot h ei r r e g u l e r i t yi np a r t i c l es i z ea tt h ec o n f l u e n c ep o i n t s .
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