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1. ⽯礫床河川の⽔理とNays2DHの拡張 〜アユ産卵場適地評価への応⽤ 岐阜大学環境社会共生体研究センター 原田守啓 1 iRICフォーラム2025@帯広 話題提供 PR: 生態水理学やろうぜ！ キャンペーン PR: きょせきをだいじにキャンペーン
2. 河川地形（生息場）の階層構造 と 河川環境の３レジーム と河床環境 2 気候 地形 地質 水系スケール セグメントスケールリーチスケール 流路単位 スケール ｻﾌﾞﾕﾆｯﾄ スケール 河川地形（生息場）の階層構造 Frissell (1986) A hierarchical framework for stream habitat classification 流量変動特性（Flow regime） 土砂生産・輸送特性（Sediment regime） 水温変動特性（Thermal regime） 水系の河川環境を特徴づけるレジーム Poff et al.(1997) The natural flow regime Wohl et al.(2015) The natural sediment regime in rivers: Broadening the foundation for ecosystem management Caissie (2006) The thermal regime of rivers: a review ローカルな 土砂の存在様式と 流れ・流砂現象 人 為 的 改 変 河床環境
3. 粗面上の流れ（粗度層）の鉛直構造 Nikora(2007) Roughness layerの概念 3
4. 河川地形の中の“河床環境” (原田・萱場２０１５より) 4 Fig.1. Physical properties and factors of riverbed environment 図1 河床環境を構成する物理環境要素と要因 土砂の存在様式 と流れ・流砂現象 時間軸・変動 空間スケール 小 ↑ ↓ 大 変 化 早 い ↑ ↓ 緩 慢
5. 水深に対して河床材料の径が大きい （相対水深h/dが小さい）領域では 流水抵抗が急激に増大する ➢ 古典的な水理学においても，h/dにより流 水抵抗が変動することが認識 – 小規模粗度領域 （4<h/d 84 ） – 中規模粗度領域（1.2< h/d 84 <4） – 大規模粗度領域（ h/d 84 <1.2） ➢ Manningの粗度係数は，h/dが10以下の 領域では抵抗を過少評価 – 水深は浅く，流速は早く計算される． – Manningの粗度係数を固定した計算では， 相対水深が小さい（浅い）流れ（水際部，早瀬等） の流れが計算できていない． – 河床面に作用する掃流力も過少評価． 5 (Rickenmann and Recking 2011） Manning- Strickler（1923） Hey（197９） Ferguson（2007） h/d<10の 相対水深が小さい 領域で過少評価 幅広いh/dで良好 大規模粗度領域で 誤差拡大 U cal /U meas U cal /U meas U cal /U meas 幅広いh/dで良好
6. 瀬の現地調査・移動床実験における流水抵抗の計測（原田ら2021） 平水時の石礫床河川の早瀬における土砂輸送現象について適切に評価し，より理解を深めるための 知見を得ることを目的に，水路実験，現地調査を通じて，以下の3点について検討． • 流水抵抗評価式の適否について • 河床面に作用する掃流力と河床表層粒度分布の関係について • 粒径別掃流砂量式の評価について 6 混合粒径条件における 移動床水路実験 物理環境調査 木曽川水系長良川扇状地砂州 移動している土砂の 画像解析 注）本発表では流水抵抗の評価結果のみ紹介してお りますが，元論文では，流砂現象についても議論し ています．
7. 流水抵抗則の適合性の評価 7 現地調査結果，水路実験結果から流水抵抗の指標としてU/U*を算出 既存の流水抵抗則（従来の方法・相対水深を考慮した方法）の適否について検討． 水路実験 3ケース 通水終了直前の早瀬部における 複数地点のU/U* 現地調査 早瀬 16ケース 各早瀬における複数地点のU/U* （調査項目数による結果の有無あり） ここで，U:水深平均流速[m/s]，U*:摩擦速度[m/s]，h:水深[m]，d 90 : 90%粒径[m]，d 84 : 84%粒径[m]，である． VPE式の定数a 1 ，a 2 はそれぞれ6.5，2.5とする(Rickenmann and Recking 2011) Manning-Striｃｋler式（以下，M-S式） Hey式 Fergusonの提案式（以下，VPE式） n=0.0417×(𝒅𝟗𝟎 ) ൗ 𝟏 𝟔
8. 瀬の現地調査・移動床実験における流水抵抗の評価結果 8 • 現地調査，実験ともに，相対水深を考慮したHey式，VPE式が観測値の傾向を良く表している． • Hey式，VPE式は相対水深が小さい領域における流水抵抗の増加をうまく表現している（右図）． • 本年度の結果から，上記の2式すらも流水抵抗を過小評価しており，流水抵抗の評価に課題あり． 調査地及び水路実験早瀬部における流水抵抗の観測値と 評価式による計算値（×：観測値の平均値，箱ひげは四分位） 流水抵抗評価式ごとの相対水深に 対する振る舞い（•：観測値の平均値） ← 流 水 抵 抗 小 流 水 抵 抗 大
9. 𝑛𝑚 = ℎ 1 6 𝑈 𝑢∗ × 𝑔 Manning-Striｃｋler式 Hey式 Fergusonの提案式（VPE式） 各グリッドの粒度分布と 水深hに基づき粗度係数を動的に更新 Nays2Dへの抵抗則の実装⇒分級現象の再現性の向上(2019) 原田ら(2019)「流水抵抗と空隙率の評価方法が石礫床河川の平面２次元河床変動計算に与える影響」 9 𝑥: 流下方向 𝑦: 横断方向 𝑢, 𝑣: 𝑥, 𝑦方向の流速 ℎ: 水深 g: 重力加速度 𝐻: 水位 𝜏𝑥 : 底面剪断力𝐹𝑥 : 植生による抵抗力 𝜌: 水の密度 𝜈𝑡 : 渦動粘性係数 平面二次元河床変動解析に，相対 水深h/dを考慮可能な流水抵抗評 価を組み込むことにより，混合粒 径河床における河床変動計算の分 級現象の再現性が高まる． ◼ 表層河床材料の分級の再現性の違い Exp. NM HE HF 実験 n一定 Hey式 p一定 Hey式 藤田モデル
10. 1. Introduction： 日本を代表する淡水水産魚種 アユ (P. Altivelis) 10 Photo by Tomo KUNIMITSU 伝統漁法 アユの友釣り 1300年続く岐阜の鵜飼 岐阜市の長良川鵜飼，関市の小瀬鵜飼 Food culture アユ（Plecoglossus altivelis）は、日本の商業漁業および遊漁 漁業にとって最も貴重な魚種の一つとして知られている。 釣り対象としてよく知られているだけでなく、非常に美味し い魚でもある。写真は全て岐阜で撮影されたものです． Fishing
11. 1. Introduction: アユの生活史と産卵環境 １年間の寿命をもち，秋に産卵する 両側回遊魚：アユ Sweetfish (Plecoglossus altivelis) 夏季の生育期に、水温と洪水擾乱によって流域内 での分布を大きく変えることがある。(Nagayama et al. 2022, Harada & Nagayama 2022) アユの繁殖行動 （岐阜市内の長良川で撮影） • 婚姻色に染まった多くのオス（サビアユ）が，産卵に適し た場所を群れで泳ぎ、定位する。 • 夕方近くになると、瀬の下流の淵で待機していたメス も産卵行動に加わる。 • 産卵場所は、不安定な礫が堆積した瀬が選ばれること が多い。 11
12. 1. Introduction: アユの産卵適地の物理条件 流速 Velocity 水深 Depth 産卵適地条件の例 (福井ら 2016) Ｓuitability Index型の適地条件の例： 12 ➢ アユの産卵場は河道内に安定的に存在し続ける環境 ではなく“出水による土砂移動によってもたらされ た早瀬への土砂の堆積・侵食によって形成された有 限の寿命がある一時的産卵場” (藤田ら 2022, 応用生態工学). ➢ 加えて長良川での数年間の観察を踏まえ，出水によ り形成される河床環境に着目した適地条件を提案． 本研究：アユの生態情報に基づく 産卵場の河床環境に着目した適地条件 1895年～2019年までの 339編の論文・報告をレビュー 産卵が確認されている場所の，物理的指標に対して 適正値を設定することが多い． 鬼束幸樹, 永矢貴之, 東野誠, 高見徹, 大塚法晴, 秋山壽一郎, 尾関弘明, 白石芳樹: アユの産卵に適した水深および流速の選好曲線に関する検討, 河川技術論文集, 11, pp. 483-488, 2005. 山本亮介, 本田晴朗: 短期的な流況変動に起因するアユ産卵環境の変動予測. 水工学論文集, 49, pp.1483-1488, 2005. 福井洋幸, 北川照晃, 深草新, 大屋彩, 稲若孝治, 松尾至哲: PHABSIM によるアユ産卵環境評価法の検証および改善策の提案, 土木学会論文集 B1 (水工学), 72(4), pp. I_1003-I_1008, 2016.
13. 参考情報： 長良川のアユ産卵場の物理環境 13 flow 鏡島大橋下流 50 m flow 30m 金華橋上流 flow 30 m 産卵場調査箇所(2019) 産卵場調査箇所(2018) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10 100 通過百分率 (％ finer) 粒径(mm) 砂 細礫 中礫 粗礫 石 300 300 ・アユ卵の有無 ・産卵行動の観察（GoPro水中撮影） ・河床材料のほか．流速・水深．摩擦速度なども別途計測・算出 ・河床軟度（シノ貫入深） アユ産卵場の河床材料（n=28） [条件1]にあたる10～30mmの砂利が 平均40%程度
14. 2. Method: 河床環境に着目したアユ産卵場適地条件の提案 14 出典 条件 福井ら (2016) 流速：0.3–1.7m/s, 0.6–1.0m/sが好適（SI=1） 水深：0.0–1.0m, 0.1–0.7が好適（SI=1） 無次元掃流力を用いた浮き石判定（詳細不明） 藤田ら (2022) レビューにより抽出した値の最頻値 流速：90–100cm/s 水深：20–30cm（50cm以上の事例は少ない） 粒径：10–20mm（10–30mmが典型的） 貫入深10cm以上の浮き石状態 本研究 「河床材料が中礫～粗礫を主体とし，10–30mmの礫が“浮き石 状態”で存在すること」 [条件1] 河床材料：中礫・粗礫が40%以上 [条件2] 掃流力：10–30Nm-2 (10–30mmが移動限界となる流れの状態) 浮き石状態＝移動限界に近い掃流力が作用している状態 平均粒径よりやや小さい10mm及び30mmの無次元限界掃流力*c が0.06程度と仮定し，水中比重 1.65を与えて限界状態となる掃流力c を逆算すると，それぞれ9.7Nm-2，29.1Nm-2となる． 適用して 比較
15. 2. Method: 手法を試行する河川と区間 長良川扇状地区間及び下流 15 Location of study river. Upstream Downstream 木曽川水系長良川 【検討対象区間】 木曽川水系長良川の扇状地区間から下流の移行区間（河口か ら39～56km）を対象としている。 【適地評価結果の検証（不完全ですが）】 対象区間の5地点における環境DNA種特定分析， 2018年～2021年秋季
16. アユ産卵場適地条件による 好適地（格子）の抽出 1)福井ら(2016)に基づく，流速，水深を指標とした適地条件 ２）本研究で提案する，河床材料粒度分布，掃流力を指標とした適地条件 ２. Method: 出水により形成されるアユの産卵適地の分布を抽出手順 16 混合粒径条件下の平面二次元 河床変動解析 1)河川地形と河床材料の粒度分布（GSD）を含む河道モデルの作成 2)流量は2段階とし，当該区間における ①アユ産卵期における典型的な中小出水を一定時間流下（水文観測記録から決定） ②その後，アユ産卵期の平水流量に対応したほぼ定常とみなせる流況を数時間 Nays2DH を一部修正・拡張した ものをGBR(gravel-bed river) と勝手に呼称しております． ライブラリ未登録の野良ソルバー 原田守啓, 塩澤翔平, 荒川貴都: 流水抵抗と空隙率の評価方法が石礫床河川の平面2次元河床変動計算に与える影響, 土木学会論文集 B1 (水工学), 75(2), pp. I_997-I_1002, 2019. 原田守啓, 吉川敦希, 三輪浩: 石礫床河川の早瀬における流水抵抗と河床表層状態の関係性, 土木学会論文集B1(水工学), 77(2), pp. I_637-I_642, 2021. Nays2DHGBR
17. 2. Method: 平面二次元河床変動解析モデル Nays2DHの抵抗則と出力を修正 ➢ 粒度分布（GSD）の情報は土砂輸送モデルに用いられているが、粗度や空隙率とは連成されていない。 改良の結果、GSD、流況抵抗、空隙率を連成した河床環境モデルを実装。（原田ら 水工20１９） 本研究の計算では、計算時間短縮のため空隙率評価を省略し，空隙率は0.4の一定値としている。 ➢ 早瀬での現地調査、水路実験を踏まえ、水深／粒径比が小さい場での流水抵抗を評価。 Ferguson（2007）によるV.P.E式を流水抵抗則として実装。（原田ら 水工2021） 17 Grain Size Distribution Roughness coefficient Water depth Flow velocity Bed shear stress Sediment transport rate Bed deformation and GSD change Continuity equation and Momentum equation of flow Calculation procedure [before improvement] Not connected Porosity Continuity equation of sediment Balanced Treated as constant Treated as constant 𝜏𝑥 𝜌 = 𝑔𝑛2𝑢 𝑢2 + 𝑣2 𝑑 Τ 1 3 Grain Size Distribution Roughness coefficient Water depth Flow velocity Bed shear stress Sediment transport rate Bed deformation and GSD change Continuity equation and Momentum equation of flow 𝜏𝑥 𝜌 = 𝑔𝑛2𝑢 𝑢2 + 𝑣2 𝑑 Τ 1 3 Calculation procedure [After improvement] Coupled Porosity Continuity equation of sediment Coupled Balanced Coupled V.P.E.(Ferguson 2007) Fujita model Counted as n 水深と代表粒径の比 （相対水深）を変数と した流水抵抗則により、 各格子ごとに毎時間ステップ、見かけの粗度係数nを変化させる
18. 2. Method: 平面二次元河床変動解析モデルの設定に関する検討事項 項目 条件 地形データ 2016年 定期横断測量（国土交通省）をも とに空中写真を参照して内挿． 計算区間 39–56km （17km） 格子数 501 × 26 （平均格子サイズ33 ×20m） 河床材料 0.075–300mmを10区分（粒径区分に対 応） 計算区間を9区間に分けて設定（図-1） （2014年国土交通省調査結果を整理） 境界条件 上流端：流量 下流端：水位（穂積水位流量観測所H-Q） 計算時間 アユ産卵期における中小出水相当：24時間 アユ産卵期における平水流量相当：6時間 時間刻み 0.05秒 18 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 閾値となる流量の超過時間(ｈ) 年 0 0 10-11月に閾値となる流量を超えた時間数を集計 青：340 m3/s以上，紫：970 m3/s以上 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10 100 通過百分率 (％ finer) 粒径(mm) 砂 細礫 中礫 粗礫 石 300 河道モデルに与えた初期粒度分布 (n=9) 地形モデル及び河床材料粒度分布等の設定 アユ産卵場形成流量と平水流量の設定 要件１）砂州の形状が解像できる程度の空間解像度 ⇒本検討では定期横断測量結果を用いたことから砂州形状の 詳細が表現されていない 格子もやや粗めの設定 要件２）砂州上での粒度分布の分級の表現 ⇒17ｋｍ区間に対して9区間の粒度分布を設定 ⇒中小出水を模擬した流量＋平水流量の２段階で計算 流量ステージ概念による評価（原田・平野2021） 早瀬で盛んに土砂移動が生じ始める流量 340m3/s 砂州全体の全身が生じ始める流量 970m3/s 年変動を考慮するため各年の流況を集計 ⇒340m3/sを24時間与え、その後、 秋季の平水流量60m3/sを６時間 ⇒適地評価 【主な計算条件】 ※各格子の粗度係数は自動設定される
19. 3. Result: 計算結果（河床変動量，掃流力），２通りの適地抽出結果 19 上流 下流
20. 3. Result: 適地条件によって抽出された産卵適地の流速・水深， 瀬淵判定 20 計算区間全体 荒瀬 平瀬 早瀬 トロ 淵 (ｄ)本研究 荒瀬 平瀬 早瀬 トロ 淵 河床材料，掃流力の２指標で 好適な条件を満たす「瀬」を抽出 (c)福井ら(２０１６)流速・水深のみ 上流 下流
21. ４. Summary: 本発表のまとめ • アユの産卵適地を抽出可能な適地条件を『河床環境』に着目して提案． • 出水攪乱によって形成されるアユ産卵適地を平面二次元河床変動解析モデルを用いて抽出する汎用 的な手法を構築し，木曽川水系長良川扇状地区間を対象に試行． ➢ 石礫床河川の幅広い流況下での流水抵抗評価を実装した平面二次元河床変動解析モデルに17km区間 の河道モデルを整備． ➢ アユ産卵期の出水による河床攪乱を与え，その後，平水流量を流下させて，適地条件に基づく適地抽出 を行った． 【成果】 • 本研究で提案した適地条件は，河床表層材料の粒度分布と，平水時に作用する掃流力の2つを条件と したものであるが，アユの産卵場として好適な河床環境が形成されている瀬を抽出することができた． 【課題】 • 河床材料の分級の再現性／アユの産卵環境には様々な年変動の要素が存在／適地条件に与える閾値 の設定／平面二次元河床変動解析モデルの空間解像度／出水攪乱のための外力の設定等 適地抽出のための汎用性の高い手順の構築という観点では，改良の余地あり 21
22. 本発表でとりあげた既発表論文（よろしければご一読ください） 【河床環境に関する総説論文】 原田守啓, & 萱場祐一. (2015). 河川中上流域の河床環境に関する研究動向と課題. 応用生態工学, 18(1), 3-18. 【 Nays2Dに h/dによって変化する流水抵抗評価を導入】 原田守啓, 塩澤翔平, & 荒川貴都. (2019). 流水抵抗と空隙率の評価方法が石礫床河川の平面 2 次元河床変 動計算に与える影響. 土木学会論文集 B1 (水工学), 75(2), I_997-I_1002. https://doi.org/10.2208/jscejhe.75.2_I_997 【流水抵抗評価の検証： Hey式よりも適用範囲が広いFergusonの式の有用性】 原田守啓, 吉川敦希, & 三輪浩. (2021). 石礫床河川の早瀬における流水抵抗と河床表層状態の関係性. 土木 学会論文集 B1 (水工学), 77(2), I_637-I_642. https://doi.org/10.2208/jscejhe.77.2_i_637 【アユの産卵場はどんな環境なのか？古今東西339編の論文から見出された共通項は】 藤田朝彦, 横山良太, 加藤康充, 井上修, & 原田守啓. (2022). アユの産卵環境はどこまでわかったのか. 応用 生態工学, 24(2), 217-234.https://doi.org/10.3825/ece.21-00021 【アユ産卵適地を，Nays2DH GBR＋河床環境に着目した適地条件で抽出する】 原田守啓, 塩澤翔平, 鈴木崇史, & 永山滋也. (2024). 河床環境に着目したアユの産卵適地評価. 土木学会論 文集, 80(16), 23-16105. https://doi.org/10.2208/jscejj.23-16105 22