歴史的治水施設の水理学的評価
―笛吹川万力林の水害防備機能について―
（昭和63年8月31日受理） 砂田憲吾 伊藤強 鈴木秀樹Hydraulic Aspects of Historical Flood Control Works
-A Case of the Manriki Flood Prevention
Woods-KengoSUNADA TuyoshiITOH HidekiSUZUKI
Abstract The Manriki Woods as flood prevention works is one of the well−known historical flood control works in the Fuji river system． In order to evaluate the performance of the works， a set of experiments with a physical hydraulic model including mobile bed was conducted． Effects of the works on reduction of overflow， deposition of sediments and formation of natura1 banks were examined． The results of the experiments showed that the works could trap more sediments in case of severe floods and the works was on excellent system utilizing the topogra− phy to control floods．
1．はじめに
わが国の河川水系には多くのすぐれた歴史的治水施 設が現存している。自然の営力に対抗し，改善，補強， 維持されて今日でも着実にその機能を保っているとさ れる治水施設や工法が少なくない。それらの施設の合 理性は幾多の洪水を含む長い歴史により証明されてい るともいえる。このため，新たに河道計画や利水計画 を立てる上でも大いに参考になっている。この場合， それらの機能についてあらためて水理学的に，より定 量的に評価しておくことは治水・利水上の効果を理解 するのに必要なだけでなく，その価値を確認し後世に 正しく伝承する上でも重要と考えられる。 近年，河川空間の利用，水辺環境の整備など河川の 持つソフト面の効用が注目され始めている。そのなか で，歴史的治水施設のいくつかは貴重な景観施設の一 部として認識されるようになってきている。この場合 にも，いわばハードな施設として治水・利水面からの 機能の評価がまず第一義的に議論される必要があろ う。 以上の観点から，本研究ではその手始めとして富士 まんりきばやし 川支川笛吹川にある水害防備林万力林（Fig．1）につ いて水理模型実験を実施し，林内の土砂堆積機能，万 ＊ 土木工学科，Department of Civil Engineering． ＊＊ ｲ伯建設，Saeki Construction Company． Fig．1 万力林（航空写真）力林下流端部にある霞堤による氾濫水排除機能および 土砂堆積による自然堤防形成過程等についての基本的 検討を行った。 2．万力林の概要1・2） 万力林は笛吹川の富士川合流点より上流26km地 点の右岸にあり，面積が約13．5haの平坦な水害防備 林である。位置および周辺地形はFig．2に示されてい る。林内はアカ松を主体とする幹周60cm以上の樹木 が現在約500本程生育している。この地点より上流域 の面積は313．1km2，流路延長は18 kmであり，万力林 付近の現河幅は約110m，河床こう配は約1／60であ る。 秩父山地を発した笛吹川が甲府盆地に出るこのあた りにはいくつかの複合した扇状地形がみられる。Fig． 1中の塔の山で流路の固定された笛吹川は万力林地点 を扇頂とするあらためて一つの扇状地を形成させてい 読 （tNN＞ ・紗
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＝R’f！ii Fig．2 笛吹川と万力林撚
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る。このため大出水時に万力林地点での右岸の破堤は 扇端部に続く平等川を笛吹川本川とさせることがあ り，下流の石和や盆地中央部の穀倉地帯にしばしば大 きな水害をもたらしてきた。歴史的には盆地平野部北 西の釜無川の信玄堤，笛吹川・重川・日川の三Jll合流 地点付近の近津堤と並んで甲州での治水三大重要地点 の一つとされてきた。万力林そのものは1583年に造成 され徳川氏の時代に整備されたといわれ，武田信玄に より造成されたものかどうかは定かではない。しかし， 武田時代にもその直上流に位置する差出の磯による河 道・水衝位置の固定と直下流地点での防備の要として， これらをセットとして種々の治水工法が試みられてき たようである。なお，その全体的な構成は信玄堤にお ける高岩と信玄堤との関係にきわめてよく対応してい る点が興味深い。 水害防備林の機能としては 1）洪水水勢の滅殺，2） 土砂の堆積，3）水防応急資材の確保などがあげられる。 ここでは，土砂災害の甚大さに注目して1）とも関係す る林の持つ土砂堆積効果について主に検討する。一方， この地点は利水面からも重要な地点であり，また，現 在では大きく成長したアカ松林のすぐれた景観も価値 あるものとされているが，これらの点については省略 する。 3．移動床水理模型実験 3．1 実験の位置づけ 万力林の治水機能について，それに関わるすべての 時間・空間スケールの現象を模型実験で再現するのは 困難である。まず，実験技術以前に，過去・将来の河 道の変遷と諸水理量に関するデータが人手できない。 また，固定床実験ではレイノルズ則の影響を受ける範 囲の現象を除いて，ほぼ流れの相似条件が満たされる よう実施できるが，本研究で対象としなければならな い移動床の場合には多くの困難が伴う。例えば，移動 床の場合境界が可変となり流れに応じて生ずる河床波 が粗度を変化させるので水位が自由に設定できないな ど根本的な問題が存在する。したがって限られた縮尺 での模型実験では考察対象の焦点を絞って考えること が重要である。 本研究で万力林の長年月にわたる水害防備効果を検 討するためには，河道断面内の微細な局所的流況やそ の変化に注目するよりも，もっと大きなスケール，例 えば地形に伴うこう配変化や流路の轡局，抵抗として の林の影響などを包括的にまず議論するのが妥当と考 えられる。すなわち，局所流況までの厳密な相似性に は若干の歪を容認しても，規模のより大きい河床の形態は類似させながら，流量，流路，堤防，林など基本 的条件の組合せにより洪水流水経路や土砂堆積過程を 系統的に比較検討することに意義があると考えてい る。 3．2 相似則 砂礫堆などの顕著な中期模河床形態にある河川につ いて，フルード則による模型実験では時として異なる 河床形態が生ずることが指摘されている。この点につ いて木下3｝は早くから河床形態まで含めた相似条件に 関する検討を行っている。一方，玉井4）は別の観点から 簡潔な砂礫堆上の流れの相似則を提案している。 玉井はまずエネルギー式の考察ののち，これまでの 何人かの砂礫堆に関する実験結果を整理し，流砂量の 相似を検討して，Shields関数がほぼ一定と考えられ る場合，次式の2つの関数が成立すれば砂礫堆上の流 れは相似になるとした。
隠一・普一1 （1）
ここに，U＊は摩i擦速度， U＊。は限界摩擦速度， Bは河 幅，iは河床こう配， hは水深を示し，添字rは原型と 模型との量の比を表す。 実験ではフルードの相似則との両立が許され得る河 床粒子の比重・粒径を捜し，流量の換算率を定めるこ とにする。フルードの相似則は次式で与えられる。（Um2gh）r−1 （2）
ここに，Umは平均流速，9は重力の加速度， hは平均 水深を表し，添字rは原型と模型との量の比を示す。 3．3．水理条件と実験模型 ここでは全体的，基本的な検討を目的として，縮尺 1／600の無歪模型を考える。想定出水としては現在の 計画高水流量（100年確率）の1600m3／secおよび400 年確率流量の2300m3／secを検討対象とした。これら の流量は過去の治水水準からすればより高い頻度で生 起したものと考えられる量である。現地の河床は粒度 範囲が広いが，芦田・道上5）によれば，後に示されるよ うな掃流力の大きな場合一様粒径として近似的に扱っ てよいとされている。なお，河床材料調査により平均 粒径dm＝5．7 cmが得られている。 さて，現地河道の粗度係数をn＝0．04と推定すると フルード則式（2）より各流量に対する諸水理量が求ま る。いま，原型流量を1600m3／secとすれば，例えば模 型における粗度係数，摩擦速度がそれぞれnm＝0．014， u＊m＝2．67cm／secのように得られる。 一方，原型での流れを平均的にほぼ等流と仮定する と，摩擦速度，Shields関数を0．05と近似する場合の限 界摩擦速度がそれぞれu＊＝65．3cm／sec， u＊c＝21．5 cm／secのようになる。 砂礫堆上の流れの相似則のうち式（1）−2は無歪模型 の場合には自動的に満たされる。残りの式（1）−1から u＊m ：＝ u＊ ＝3．04 24＊c涜 Z4＊cにより，模型で与えられるべき限界摩擦速度が
u＊cm＝0．88 cm／secと求まる。 ところで，現地での河床材料（平均）粒径をそのま ま縮尺を用いて対応させると模型の粒径は0．01cm以 下となる。この模型粒径では層流底層の厚さ（δ＝11． 6v／u＊m ＝O．043 cm）を下まわり， Shields関数がほぼ 一定とみなせる範囲からはずれる。そこで，模型河床 材料に比重1．48の石炭扮を調製して用いることにす ると，必要な（平均）粒径としてdmm＝0．05 cmが得ら れる。このとき，d／δ＞1となりShields関数は大略一 定の領域にあるが値は0．04程度となり原型の場合と わずかな差違が生ずる。このため，河床付近の流れは 原型との相似に多少の歪が生ずることになり，また， 縮尺に対応した粗度係数nmと相違するかどうかこの 点も疑問となる。この点については，粒径dm m＝0．05 cmはコンクリートの表面粗度n≒0．015程度である ことと，後の予備実験からはほぼ目標とする平均水深 が得られたことなどから大きな問題とならず，実験の 目的からも容認され得るものと考えている。 流量1600m3／sec，2300 m3／secそれぞれの場合につ いて，その他の水理量も含めて実験に設定される主な 水理条件を整理すればTable lのようになる。ただし， 表中のτ＊は無次元掃流力，Frはフルード数を示す。 過去の地形・河道資料の入手が困難なため，現地形 図（国土基本図），現河道資料（建設省縦横断測量資料） をもとに氾濫区域を含む3km区間の模型を本学水工 Table 1 水理条件 Q＝1600m3／s Q＝2300m3／s η似mm
σ＊ccm／S τQ
んcm σ＊cm／S τ＊ FγQ
んcm σ＊ τ＊ Fγ 実際 ．04 57 21．5 1．5hr 1600m3／s 261 65．3 ．463 1．21 2300m3／s 325 72．9 ．577 1．25 模型 ．014 ．5 ．88 3m42sec 181．4cm3／s ．44 2．67 ．303 1．21 260．8cm3／s ．54 2．97 ．375 1．25Fig．3 模型全景 学実験場内に作製した。河道以外の地形は基本的に表 面モルタル仕上げとしている。Fig．3は実験模型の全 景を示す。 3．4 実験条件 今回の検討では洪水氾濫に伴う土砂の林内堆積およ びそれに関連する氾濫流の挙動に重点をおいて検証す ることにしている。予備実験ののち以下の3項目につ いて系統的な実験を実施した。 （1）土砂堆積実験 （2）氾濫水量比較実験 （3）自然堤防形成実験 これらの実験を行うために，過去の低堤防高を想定し て逆に河床を現堤防高程度に一様に上げた。これは恣 意的な破堤位置の設定をやめ，流路のもつ平面的な形 状を重視して，より自然な水衝地点での氾濫を期待し たためである。林内の樹木は市販の楊子（直径2mm） で擬似させた。縮尺では原型直径120cmに相当する が，現地での林内粗度や小樹木を考慮していないこと， 本数を変えての比較を考えていることからそのまま用 いることにした。実験模型最上流部（現地1．5km上流） で供砂することとし，供砂量には土研式による平衡流 砂量の0．3倍（少），2．0倍（多）を各ケースで与えた。 氾濫域を4区域に分け，堆積した土砂量，下流域外 への総流量等を測定した。なお，洪水波形は土砂堆積 の絶対量に直接関係する重要な条件であるが，ここで はこれまでの洪水流出ハイドログラフを参考に，Q max最盛期の堤防決壊T＝1．5時間を設定して比較 Table 2 土砂堆積実験 RUN No． Q（m3／S） 立木本数（本） 給砂（少） 給砂（多） 1600 なし P00 T00 A−101−1，2 `−111−1，2 `−151−1，2 A−102−1，2 `−112−1，2 `−152−1，2 2300 なし P00 T00 A−201−1，2 `−211−1，2 `−251−1，2 A−202−1，2 `−212−1，2 `−252−1，2 Table 3 氾濫水量比較実験 RUN No． Q（m3／S） 立木本数（本） 給砂（少） 給砂（多） 1600 Q300 500 T00 B−151−1，2 a−251−1，2 B−152−1，2 a−252−1，2 Table 4 自然堤防形成実験 RUN No． Q（m3／S） 立木本数（本） 給砂（多） 1600 Q300 500 T00 C−152−1∼5 b−252−1∼5 することとした。 林の立木本数も含めた各実験の条件はTable 2∼4 に示すとおりである。各表中のRUN No．末尾の数字 1または2はまったく同一の条件による実験を2回繰 返すことを表す。なお，実験（1），（2）では林のみの効果 を主心に考察するため林下流端にある霞堤は無視する こととし，実験（3）において霞堤も含めた模型を用いて 総合的に検討する。 4．実験結果と考察 諸準備と装置の調整ののち，予備実験を兼ねて，ま ず現況河道での砂礫堆と水衝部の再現を試みた。 計画高水流量相当を流した場合，河道轡曲部に見ら れる水衝部と固定砂礫堆，直線部での交互砂礫堆状況 は現況の大規模な河床形状との大略の対応が得られ た。越水氾濫は認められず，破堤がない場合現況河道 での一応の安全性が確認される。しかし，今回の検討 対象外ではあるが，万力林対岸（左岸）に規模の大き い固定的な水衝部が生じており，急流河川の要注意点 と考えられる。 4．1 土砂堆積機能について 林内樹木による土砂堆積効果を調べた。実験状況の 1例をRUN A−201，251の場合（2300 m3／sec）につい
（a） 2300m3／sec，林なしの場合 （b） 2300m3／sec，林500本の場合 Fig．4 土砂堆積実験状況 300 W（8） 200 100 u F D （a） 1600m3／secの場合 て示せばFig．4のようである。 Es 200 100 Fig．5 堆積土砂量の分布 また，1600m3／sec，2300 m3／secの場合の実験結果 を整理すればFig．5のようになる。同図には上流凹地 （現在利水調整池）U，万力林区域F，下流氾濫域D， 模型下流外Esの4区域での堆積量が同一条件2回実 験の平均値で示されている。 流出土砂の総量は条件により異なっているが，林の ある区域Fは樹木がない場合でも掃流力の低下によ り土砂の堆積しやすい地形となっている。堆積土砂の 総量を実際のものに換算すれば3万∼6．8万m3のオー ダーになる。 流量1600m3／secのとき，樹木のある場合はない場 合よりも堆積土砂は増加するが本数の違いは明瞭では ない。一方，流量2300m3／secのときは立木本数の増加 と共に林内の堆積土砂の増加が顕著で，下流域への土 砂流出の減少が確認される。 4．2 林外氾濫水量について u F D （b）2300m3／secの場合 Es 右岸万力林外下流地域への氾濫水量にも大きな関心 がある。先の実験で効果が認められた立木本数500に 対して，別のシリーズで実験を行った。堆積土砂と林 外下流域への氾濫水総量（碗）についての結果を示せ ばTable 5のようになる。 同表からは，まず，同一の実験条件による各2回の 実験では，堆積土砂，氾濫水量とも類似の値を示し， 実験そのものが良好な再現性を持つことが確認され る。また，流量1600m3／secよりも2300 m3／secの方が 若干氾濫水量パーセント（本川流下総量Q。に対する 比：Q，／Q。）が低くなり，それぞれ供給土砂量の多い場 合の方が下流地域への氾濫水量の低下をもたらしてい ることが知れる。 4．3 自然堤防形成過程と氾濫水排除について これまでの歴史のなかで，あるいは将来大出水が何 回か繰返される場合を考えてみる。そのたびにこの万 力林の基本的な機能はどのような傾向を示すだろう
Table 5 氾濫水量の比較
堆 積 土 砂 氾 濫 水
RUN No． σ（上流）（9） F（林内）（9） D（下流）（9） QE（水）（kg） QE／（λ（％）
B−151−1 9．4 138．4 0．0 18．50 45．9 B−151−2 9．7 133．9 0．0 18．85 46．8 B−152−1 10．3 149．6 0．0 17．45 43．3 B−152−2 19．0 120．9 0．0 18．05 44．8 B−251−1 6．3 291．8 8．4 26．85 46．4 B−251−2 9．6 237．1 0．5 27．00 46．6 B−252−1 4．6 249．7 0．0 22．25 38．4 B−252−2 10．3 251．2 0．0 23．20 40．1 林 Fig．6 土砂堆積高の分布と変化 （2300m3／secの場合） か。この点についてTable 4の条件により重ねて繰返 す方法で5回まで行った実験の結果はFig．6のよう になる。 まず，林内下流部から土砂の堆積が進み，氾濫を繰 返すごとに林内のより上流部での堆積高が増してお り，この土砂による自然堤防の効果的な形成が認めら れる。条件により常に効果的な堆積が期待されるとは 限らないが，出水をとおして治水機能が向上する一面 を持つとすれば防災の観点からは理想的である。その ような水理条件，施設や工法の配置や構成はどのよう なときか，あらためて検討するに値しよう。 ところで，万力林だけでなく過去には霞堤方式の築 堤がよく行われた。万力林内には現在でも’雁行堤” として当時の遺構が保存されているが，その遺構とは 別に，Fig．2で示される林下流部に本堤の規模で霞堤 が設けられている。Fig．7はこの霞堤を設けた場合の RUN−Cシリーズでの氾濫流の主流流下経路を図示し たものである。巨大な出水氾濫になるほど主流の直進 性が増し，万力林右（西）山腹に当たり，反射した主 Fig．7 氾濫流主流経路 流の多くの部分が林下流端部の霞堤により本川に導か れることが解る。これは霞堤による氾濫水排除の有効 性を示す典型例となっている。 5． おわりに 歴史的な治水施設に対して水理学的な立場からその 評価を試みた。本研究では万力林を取り上げ，その水 害防備機能の検証のために，移動床水理模型実験を実 施した。主として大出水に対する土砂堆積の効果が確 認されたが，実験前には予期し得なかったいくつかの 点も明らかにされた。すなわち，差出の磯により設定 された本川水衝部位置，林地部地形および林，破堤氾 濫時（巨大出水時）には第2のスーパー河岸となる右 岸背後の山腹，霞堤による巧みな氾濫水の排除などす ぐれた配置と構成になっていることが知れた。万力林 は林だけによる単なる水害防備林としてではなく，周 辺地形の特徴を活かした，極めて合理的な一大治水シ ステムとして理解し，その機能を評価すべきであると 考えられる。
最後に，貴重な現地の各種資料を提供された建設省 甲府工事事務所，山梨市役所の関係各位と，模型製作 に当たり種々ご助言頂いた建設省土木研究所の平林桂 研究員に厚くお礼申し上げます。
