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
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（河川・ダム水理） 柏井条介
研究担当グループ：水工研究グループ（河川・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17年度は(2)、(4)、(5)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17年度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。本重点プロジェクトは17年度が最終年度であり、「2．研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、本プロジェクトで研究について要約すると以下のとおりである。
(1) 貯水池における流入土砂量の量、質及び土砂移動形態の予測手法の開発
本目標に関しては、14年度に終了した「貯水池堆砂の予測手法に関する調査」を実施したほか、その後の追加的検討及び一部を17年度終了の「ダムからの供給土砂の挙動に関する調査」、「ダム下流の流量変動と河川の再生に関する調査」にて継続実施して成果の補充を行なっており、近傍類似ダムの堆砂実績に基づく平均的な年堆砂量の予測手法、年堆砂量変動の提示、堆砂実績で把握できない微細粒子の捕捉率の推定方法の提示、ボーリング調査に基づく堆砂の粒度構成や空隙率の実態把握を行った。また、ダム貯水池流入量と粒径別流入土砂量の推定方法の提示、微細粒子の非平衡浮遊や再浮上を再現できる、堆砂形状予測のための1次元非定常計算モデルを作成するとともに、平面2次元モデルの原型を作成した。
本成果である年堆砂量予測方法や流量と粒径別流入土砂量の関係の推定方法、貯水池堆砂計算モデルは実際のダムの貯水池計画や堆砂対策検討に用いられている。
(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
本目標に関しては、17年度終了の「土砂による水路の磨耗・損傷予測と対策に対する調査」、「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。
「土砂による水路の磨耗・損傷予測と対策に関する調査」については、様々な土砂輸送施設形状の局所洗掘を含む磨耗・損傷量予測を行なう方法として、水理模型実験の模型材料に、実験での土砂で損傷する材料を用いる方法を提案した。損傷材料として、発泡フェノールが考えられ、原型での損傷量を予測できる適切な損傷特性を有していることを示した。また、いくつかの種類のコンクリートについて衝撃試験を行い、損傷量が衝撃点の面的な分布の影響を受けることを明らかにするとともに、各材料の損傷負荷と磨耗・損傷量の関係を明らかにした。更に、衝撃試験を容易に実施するために試験機を考案・試作した。以上の検討結果を踏まえて考察を加え、実際の土砂を流下させる水理構造物におけるライニング計画方法を提示した。
「ダムからの供給土砂の挙動に関する調査」では、ダム下流の置き土の侵食過程を水理実験で把握し、これを再現する平面2次元モデルを作成した。本モデルは単一粒径の掃流砂を条件とするが、実験結果を良好に再現できることを示した。また、供給土砂の下流河道での挙動を予測するため、微細粒子の挙動再現も可能な1次元河床変動モデルを作成した。このモデルは貯水池の堆砂計算にも用いることができ、数値シミュレーションにより、土砂バイパス、土砂フラッシングによる下流への土砂供給特性を粒径別に明らかにするとともに、放流量との関係から下流に与える影響を示した。
本成果の磨耗・損傷量予測は具体的な設備のライニング対策検討に用いられる予定である。また、作成した1次元河床変動モデルは貯水池計画や堆砂対策検討に用いられている。その他得られた知見は技術指導等を通じ具体的なダムの堆砂対策検討等に反映されている。
(3) 水質保全設備の効果的な運用による貯水池及び放流水の水温・濁度制御手法の開発
本目標に関しては、平成15年度終了の「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、水温・濁水予測に多く用いる貯水池の鉛直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ｋ－ε乱流モデルのソフトを開発・作成し、従来のモデルの適用性を明らかにした。また、流入水温＝放流水温とすることを念頭に、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実験により示すとともに、流入水温＝放流水温操作の可能性について、貯水池特性との関係を数値シミュレーションにより明らかにした。更に、濁水対策としてのカーテンシステムの効果について、濁水流入時に確保される清水域と取水口、カーテン底部標高、水温躍層標高の関係を示した。
作成した鉛直2次元モデルは貯水池の水質計算に用いられている。また、得られた知見は、技術指導等を通じ、具体的ダムの水質予測、対策検討に反映されている。
(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
本目標については、17年度終了の「ダム下流の流量変動と河川の再生に関する調査」を実施しており、河道にフラッシング流量の流下がないために堆積した微細粒子の再浮上条件、侵食速度について現地材料を用いた水理実験を行い、侵食が局所的かつ偶発的に生じること、移動限界を表す限界摩擦速度は含水比の影響を受けるが砂粒子として求められるそれよりかなり大きくなることを示した。また、付着藻類の剥離と再生について、現地藻類の剥離条件を把握するには現地試験が有用であると考え、そのための試験装置を考案するとともに、原型規模の模型により試験装置内に形成される流れの特性資料を収集した。剥離後の藻類の生育に関し文献整理するとともに、実ダムの流入、放流データに基づく検討を実施し、定期的にフラッシュ放流を行なう必要性と容量確保の方針について提示した。
微細粒子に関する本成果は、貯水池や下流河道のシミュレーションモデルに取り込み、貯水池計画や堆砂対策検討の河床変動計算に用いられている。試験装置については、今後の研究を通じて実用化する必要があり、他の知見については技術指導等を通じて実管理に反映される予定である。
個別課題の成果
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（河川・ダム水理）
研究担当者：柏井条介、井上清敬
【要旨】
近年の流域一貫した土砂管理の観点や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土砂輸送施設の展開が期待されており、施設の磨耗・損傷対策の確立が求められている。本調査は、土砂輸送施設の磨耗・損傷量予測方法を開発するとともに、ライニング材料の磨耗・損傷特性を解明するために実施しているものである。調査項目は、局所洗掘を含む様々な水理構造物形状に適用可能な磨耗・損傷量の推定方法の検討、コンクリート材料を主とするライニング材料の磨耗・損傷負荷量と損傷量の関係の把握及び関係把握のための試験装置の開発、水理構造物のライニング計画立案方法の検討の各項目であり、最終年度である17年度はこれら項目について更に検討を進めるとともに取りまとめた。ここに、磨耗・損傷量の推定は、水理模型実験を通じて実施する方法を提案・検討している。
キーワード：土砂管理、堆砂、土砂輸送施設、損傷、衝突エネルギー
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（河川・ダム水理）
研究担当者：柏井条介、櫻井寿之、井上清敬
【要旨】
将来に亘るダム機能の維持、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おり、土砂バイパス、土砂フラッシング、下流河道への仮置きなどが計画・実施されるダムが徐々に増加してきている。下流河道への土砂供給を行うためには、供給した土砂の挙動を予測、評価する必要がある。そこで、本調査では、下流仮置土の洪水時の侵食・流下現象、土砂フラッシングによる土砂の流下現象を中心に、貯水池流入土砂を下流に供給した場合の土砂の挙動を解明することを目的に、まず下流仮置土の侵食特性について実験と開発した平面２次元河床変動モデルにより検討を行った。また、下流河道の河床変動の計算方法について、現象を予測するための１次元河床変動モデルを開発し、境界条件の設定法を整理した。更に、このモデルによりシミュレーションを行い、土砂フラッシングによる供給土砂特性を把握するとともに、前述の結果をもとに、供給土砂特性が下流河道に与える影響を流砂量の観点から検討した。
キーワード：土砂管理、堆砂、土砂フラッシング、置土、侵食、流砂量
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平16～平17
担当チーム：水工研究グループ（河川・ダム水理）
研究担当者：柏井条介、結城和宏
【要旨】
ダム建設による下流河川の流況の安定化により、魚などの餌になる付着藻類の健全な育成の阻害、微細粒子成分の堆積による底生生物の成育環境の変化、産卵場の喪失などの問題を軽減・解消するため、フラッシュ放流の必要性が指摘されるようになっている。本調査は、フラッシュ放流の適切な頻度、流量、継続時間の推定方法を示すとともに、フラッシュ放流を行うための操作方法を提案することを目的に実施するものである。調査内容は、水理実験による微細土砂の侵食現象の把握及び藻類剥離条件を調査するための試験装置の考案と水理実験による基本性能の確認、フラッシュ放流操作の必要性と貯水容量確保方法の検討の各項目であり、最終年度である17年度はこれら各項目について更に検討を行うとともにとりまとめた。
キーワード：フラッシュ放流、微細土砂、藻類再生
