砂防システム研究室

近年の研究・開発の内容

土石流・土砂流モデルの比較と特性評価

(三﨑・志水 2025 砂防学会; 志水・酒井・和田 2025 砂防学会; 志水・藤田 2024 砂防学会; 石丸・志水・藤田・吉田・和田・山越・田中 2024 砂防学会)

豪雨により発生する土石流・土砂流は、急傾斜域での侵食を通じて大量の土砂を下流の緩傾斜域に堆積させ、さらに後続の洪水流と合流することで、広域にわたる土砂・洪水氾濫を引き起こすことがあります(図1)。この現象の予測には、土石流・土砂流による堆積物の厚さ分布を適切に再現する数値シミュレーションが不可欠です。本研究では、既存の土石流・土砂流の基礎方程式系(宮本・伊藤2002、高濱ら2004、鈴木ら2013など)を対象に、数理構造や導出過程の違いを比較・分析し、各モデルの応答特性や適用限界の解明を目指しています。また、既存の基礎方程式系に近似リーマンソルバーに基づく有限体積法(Toro 2024)を適用した数値モデルを開発し、リーマン問題の解析解との比較による検証(Verification)を試行的に行い、数値解が解析解を概ね再現できることを確認しました。
これらは、モデルの検証(Verification)・妥当性確認(Validation)・不確かさの定量化(Uncertainty Quantification)に資するVVUQの基盤的取り組みです。

簡易な土砂・洪水氾濫の数値シミュレーションプログラムの開発

(吉田・志水・藤田 2025 砂防学会; 吉田・嶋(大) 2024 砂防学会)

近年の気候変動と豪雨による土砂・洪水氾濫災害の増加を受けて、都道府県が管理する中小河川流域での土砂・洪水氾濫対策検討を迅速かつ安価に実施できるよう簡易な数値シミュレーションプログラムを開発しました。流体の計算は有限体積法を採用した不定流計算を用い、土砂の計算は国総研資料1048号に準拠し、土石流の侵食堆積速度式、底面抵抗則、液相化（フェーズシフト）する土砂の粒径の設定方法等について複数のモデルを実装し、それぞれ計算時に選択可能なプログラムとしました。また本プログラムを用いた比較計算により、各土砂動態モデルの特徴や適応範囲の把握、モデル特有のパラメータの設定方法など、土砂・洪水氾濫対策検討での留意点や課題の抽出を実施しています(図2-4)。

図3　フェーズシフトなし　侵食堆積速度式（江頭式・高橋式）の比較

図4　フェーズシフトあり　侵食堆積速度式（江頭式・高橋式）の比較

1m地形メッシュを用いた洪水流(掃流砂・浮遊砂)数値シミュレーション開発

(青木・Arce Acuna・嶋(大) 2024 砂防学会)

近年増加する土砂・洪水氾濫災害に対応するため、1メートル格子を用いた高精細な河床変動・土砂氾濫シミュレーション技術の開発に取り組んでいます。川幅は数メートルの場合もあり、上流域から下流域までを精度よく再現するために1メートル格子を用いた二次元計算を広域（数10km²以上）で実行します(図5)。計算には最新の演算性能の高いGPUを使い、大規模かつ詳細な計算を高速に実行します。実河川計算事例として住吉川流域（11.2km²）を対象にテスト計算を行っていて、CPUのシングル・コアの計算に対して数10倍高速に計算することができます。方程式の離散化は有限体積法を用い近似リーマン解法で解き、河床変動には土砂を粒径で階層化した掃流砂・浮遊砂計算を組み込んでいます。また、計算効率を高めるために河道付近のみにメッシュを配置するNarrow Band手法やメモリ参照を高速化するBLOCK形AMR法が導入されています。この研究は防災・減災への貢献を目指し、スパコン等の計算資源を活用し今後さらなる計算速度の向上と実用化を進める予定です(図6, 7)。

図5　詳細な格子(1m)での大規模計算

図6　堰堤あり／なしの違いで掃流砂輸送の違い

図7　単一粒径3mmの市街地の洪水氾濫（左図：掃流砂、右図：浮遊砂分布）

⾮静⽔圧条件下での底⾯近傍での⾮平衡性を考慮した掃流砂・浮遊砂モデルによる⼟砂・洪⽔氾濫に対する河道内堆積⼟砂の影響評価

(内田・Mahmoud・三谷・嶋(大)・藤田・志水 2025 砂防学会)

河道内堆積土砂が掃流砂・浮遊砂の土砂動態と河床変動に及ぼす影響を詳細に評価するために、河床付近の流速変化を精度よく捉えられる底面流速計算法（BVC）と非平衡粗面抵抗則（DWL）を組み合わせたBVC-DWL法(内田・福岡 2017)を適用する数値解析を行っています。河道内に堆積した土砂をきっかけに発生する砂堆（デューン）の発達過程と、それによる底面抵抗の増加、さらには水位上昇（19%の上昇を確認）を確認できました(図8)。この手法を用いることで、1メートル格子という高精細な計算格子における局所的な河床の変化を捉え、より精度の高い土砂・洪水氾濫予測が可能となることが期待されます。

橋梁に集積した流木による河道閉塞が土砂・洪水氾濫に与える影響を評価できる数値シミュレーションモデルの開発

(和田・吉田・藤田 2025 砂防学会; 和⽥・吉⽥・藤⽥・⽵林 2024 砂防学会)

近年の気候変動による土砂・洪水氾濫被害に加えて、流木による被害が増加している状況を踏まえて、本研究は流木が橋梁に集積して河道を閉塞し、水位が堰上がって氾濫する現象を対象にしています。令和３年度から既往論文の整理を始めて、令和４・５年度は流木の長さや時間当たりの通過本数等の流木諸元と流速や水深等の水理条件との関係から橋梁に集積する流木の割合や形状、河道閉塞の割合を定式化し、水理模型実験により確認してきました(図9, 10)。さらに橋脚に衝突する流木の回転に要する時間や後続する流木との接触確率等の集積メカニズムについてもモデル化し、流木の発生～流下～河道閉塞まで一連の数値シミュレーションモデルを組み込んだ一次元河床変動計算の開発を目指して研究を進めています。

図9　水理模型実験（ベルトコンベアにより一定速度で流木模型を投入）

図10　実験により得られた閉塞形状

火砕流の到達範囲と堆積厚を適切に評価する二層モデルの開発

(Shimizu & Koyaguchi 2025 JpGU; 志水・小屋口 2024 JpGU; Shimizu et al. 2023 GRL)

火砕流(火砕サージも含む)の危険範囲や、融雪型火山泥流の発生条件をより適切に予測するため、噴煙柱崩壊型火砕流の到達範囲と堆積厚さ分布の双方を適切に評価できる火砕流の二層浅水流モデルを開発しています(図11a)。本モデルの主な特徴は次の２点です：

多様な噴火様式に対応

火山性噴出物が地下水や湖水などの外来水と混合するマグマ水蒸気噴火にも対応し、マグマ噴火と併せて幅広い火砕流の再現が可能です (図11b)。

成層構造を考慮した二層化

火砕流の上部(低濃度乱流サスペンション流)と下部(高濃度粒子流)の異なる物理特性を、二層の浅水流方程式で表現しています(図11c)。

これらにより、低濃度流と高濃度流それぞれの到達範囲決定メカニズムと堆積物形成メカニズムの違い、さらには噴火条件の多様性を反映した予測が可能です。大規模火砕流の場合、下部高濃度流は地形の影響を強く受けるため、二次元モデルとして定式化・実装しています。現在は、1991年ピナツボ噴火堆積物分布(Scott et al. 1996)との比較を通じて、モデルの実証を進めています。