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VII ダム湖およびダム下流河川の水質・土砂制御技術に関する調査

→個別課題の研究要旨

研究期間:平成14年度~17年度
プロジェクトリーダー:水工研究グループ上席研究員(ダム水理) 柏井条介
研究担当グループ:水工研究グループ(ダム水理)

1. 研究の必要性
 ダム下流域の河川における生物環境保全のため、時間的な変動も考慮したうえで、貯水池に滞留する水および土砂を適切な量、質で下流へ供給し、水棲生物生息の場としてふさわしい河床形態および河川の水量、水温、水質を形成、維持するための技術開発が求められている。あわせて、貯水池の堆砂を軽減し、良好な貯留水質を維持するための技術開発が求められている。

2. 研究の範囲と達成目標
 本重点プロジェクト研究では、ダム湖および下流河川の環境保全技術のうち、貯水池に流入する土砂の量、質および土砂の貯水池内での挙動の解明、下流河道への土砂供給手法の開発、下流へ供給した土砂の挙動予測手法の開発、貯水池および放流水の水温・濁度制御手法の開発、流量変動による自然の擾乱・再生現象を再現し、貯水池利用とも調和する放流手法の開発を行うことを研究の範囲とし、以下の達成目標を設定した。
   (1) 貯水池における流入土砂量の量、質および土砂移動形態の予測手法の開発
   (2) 下流への土砂供給施設の設計・運用手法の開発と下流へ供給した土砂の挙動予測手法の開発
   (3) 水質保全設備の効果的な運用による貯水池および放流水の水温・濁質制御手法の開発
   (4) 流量変動による自然の擾乱・再生現象を再現する、ダム下流の環境改善を目指したダムからの放流手法の提案

3. 個別課題の構成
 本重点プロジェクトでは、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
   (1) 貯水池堆砂の予測手法に関する調査(平成11~14年度)
   (2) 土砂による水路の摩耗・損傷予測と対策に関する調査(平成14~17年度)
   (3) 貯水池放流水の水温・濁度制御に関する調査(平成13~15年度)
   (4) ダムからの供給土砂の挙動に関する調査(平成15~17年度)
   (5) ダム下流の流量変動と河川の再生に関する調査(平成16~17年度)
 このうち、平成15年度は(2)、(3)、(4)の課題を実施している。

4. 研究の成果
 本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2.研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、平成15年度に実施してきた研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。

(1) 下流への土砂供給施設の設計・運用手法の開発と下流へ供給した土砂の挙動予測手法の開発
 本目標に関しては、「土砂による水路の摩耗・損傷予測と対策に関する調査」および「ダムからの供給土砂の挙動に関する調査」を実施している。
  「土砂による水路の摩耗・損傷予測と対策に関する調査」では、ダム減勢工の副ダム下流面及び副ダム下流水路面にパラフィンを貼り、土砂を流下させる損傷模型実験を実施するとともに、コンクリートを主体とする材料試験のための試験装置の設計を行った。実験では、流下土砂の運動を高速ビデオにより調査するとともに、流下土砂の運動とパラフィン損傷量との関係を分析し、損傷初期の砂礫の衝撃エネルギーを明らかにした。また、構造物壁面が損傷することにより流下土砂の衝突状況が変化し、構造物への損傷負荷が変化することを示し、実験でのパラフィン損傷量から原型での損傷負荷エネルギーを推定する方法を示した。また、試験装置は、土砂粒子が水平壁面に斜めに衝突する場合を再現できるものとし、円形の供試体を水平軸上で車輪のように回転させ、その上に土砂粒子を落下させる構造とした。
  今後は、湾曲等の種々の水路について、土砂流下に伴う損傷負荷量の推定方法を検討する予定である。また、損傷が生じた壁面へのキャビテーションの影響関係についても検討を加えるとともに、損傷試験装置を製作し、コンクリート等の材料の損傷試験を実施する予定である。
  「ダムからの供給土砂の挙動に関する調査」では、ダム下流に仮置きした土砂の侵食実験を実施し、侵食過程の把握を行った。実験は、射流の固定床上に平面が長方形の砂の置土(端部ののり面勾配=1:2)を設けて実施し、ビデオ画像より置土形状の時間変化を求めるとともに、水路下流端での流砂量を測定した。実験は、置土の天端が浸水しない条件下で実施しており、長方形の置土では初期に急激な侵食・流出が生じた後、侵食量が漸減していくことなどの侵食特性を把握した。
  今後は、置土の侵食実験を継続し、置土が浸水する場合等種々の条件での侵食特性を把握するとともに、モデル化を図っていく予定である。また、他の土砂供給方法での土砂供給特性を整理し、これら供給土砂の下流河道での挙動予測モデルを構築する予定である。

(2) 水質保全設備の効果的な運用による貯水池および放流水の水温・濁質制御手法の開発
 本目標に関しては、「貯水池放流水の水温・濁度制御に関する調査」を実施しており、水理実験を通じ、濁水対策としてのカーテンシステムの効果を検討した。その結果、貯水池途中に設置されるカーテンにより、貯水池流入端で生じる清流の連行をなくし、貯水池上方の清水の維持が可能なことを示した。また、濁水と清水の境界面は、取水口、カーテン下端及び水温躍層のいずれか高い標高以上に生じることを示し、濁水流入時に保存される清水域がこれら条件により制約されることを明らかにした。
  また、流入水温=放流水温とすることを念頭に、幾つかの選択取水設備形状について取水実験を行った。その結果、水温成層厚が流動層厚に対し十分厚い場合の取水口位置水温と取水温の関係を求め、所要の水温を取水するために必要な取水口位置の設定方法を示した。また、目標水温が、鉛直方向の水温変化が大きい水温躍層付近にある場合には、取水口位置水温と取水温の関係が変化し、こうした場合の精度の高い取水操作を行うためには、貯水池内とともに放流水温情報に基づく操作が必要であることを示した。
  さらに、水温・濁水予測に多く用いられている貯水池の鉛直2次元モデルについて、モデル精度の向上及びカーテンなど構造物周りの計算が可能なよう、非静水圧の乱流モデルのソフトを開発・作成した。乱流モデルはk-εモデルを用いている。本モデルを用い、単純形状の貯水池を対称に別途作成した静水圧・乱流モデル及び従来の土研モデルである静水圧・渦動粘性係数一定モデルとの比較を行い、渦動粘性係数が一定の場合には、非現実的な流れが生じる場合があるなど、流れの状況に合わせた係数設定が必要であり問題があること、また、単純な貯水池内の流動であれば、静水圧、非静水圧の違いによる差は小さいことを明らかにした。静水圧・乱流モデルについては、川治ダムの現地観測値を用いた検証計算を実施し、濁水流動現象については、流れのモデルとともに、流入土砂の粒度特性による影響も大きく、シミュレーションでの条件設定が重要であることを示した。
  本課題は、15年度が最終年度であり、所期の目標を概ね達成できたと考えている。ただし、カーテンなど構造物周り流れを対象としたモデルの検証など、検討できなかった部分も一部残されている。これらについては、基盤研究等により検討を継続する予定である。


個別課題の成果

7.1 土砂による水路の磨耗・損傷予測と対策に関する調査

    研究予算:運営費交付金(治水勘定)
    研究機関:平14~平17
    担当チーム:水工研究グループ(ダム水理)
    研究担当者:柏井条介、宮脇千晴、井上清敬
【要旨】
 近年の流域一貫した土砂管理の観点、また、ダム貯水池の堆砂対策の観点から、貯水池に流入する土砂を下流に供給する施設の要望が高まっている。下流への土砂供給方法として、流水のエネルギーを用いる土砂輸送施設が計画・一部運用されており、将来の展開が期待されているが、このような土砂輸送施設では、流下する土砂による施設の磨耗・損傷に対する検討が必要になる。15年度は、流下砂礫による磨耗・損傷量予測手法の体系化の一環として、ダム減勢工副ダム直下流での洗掘を対象として水理模型実験を行い、砂礫の流下挙動、衝突エネルギーの作用特性を把握した。また、損傷量予測のため必要な材料試験装置の設計を行った。

キーワード:土砂管理、土砂輸送施設、損傷、衝突エネルギー、副ダム


7.2 貯水池放流水の水温・濁度制御に関する調査

    研究予算:運営費交付金(治水勘定)
    研究期間:平13~平15
    担当チーム:水工研究グループ(ダム水理)
    研究担当者:柏井条介、櫻井寿之、鈴木伴征
【要旨】
 ダム貯水池の放流水において、水温については、ダム建設前の水温に見合った放流水温の制御が、濁水については、流入濁水の制御による清水の積極的な保存・利用が求められており、貯水池水質の保全対策と併せた技術開発が必要である。そこで、本調査では、(1)貯水池流動現象再現のための既往数値シミュレーションモデルの検証・改良および必要な新規モデルの開発、(2)現地観測による貯水池流動の把握、(3)カーテンシステムおよび選択取水設備運用による水温・濁水の高度制御手法の開発を行っている。15年度は最終年度であり、以上の検討を継続実施しとりまとめた。

キーワード:貯水池放流水、水温制御、濁度制御、カーテンシステム、選択取水設備


7.3 ダムからの供給土砂の挙動に関する調査

    研究予算:運営費交付金(治水勘定)
    研究期間:平15~平17
    担当チーム:水工研究グループ(ダム水理)
    研究担当者:柏井条介、櫻井寿之、井上清敬
【要旨】
 将来にわたる水資源の確保やダム機能の維持、流域一貫した土砂管理の観点から、貯水池内の土砂を排除し、下流河道に供給することが求められている。その方策として、土砂バイパス、土砂フラッシング、下流河道への土砂の仮置きなどが計画されるダムが増加しているが、これらの手法は体系化されていないのが現状である。本研究は土砂供給システムの体系化の一環として、下流河道での土砂挙動の解明を目的に実施するものであり、初年度である15年度は下流河道仮置き土砂を対象に、水理模型実験を実施した。その結果、仮置き土砂の侵食状況、置土下流流砂量の変化と初期置土形状の関係を把握することができた。

キーワード:土砂管理、堆砂、置土、侵食、流砂量