河川工学

河川工学は、土木工学の一分野であり、明確な利益を生み出す目的で、河川の流路、特性、流れに人間が介入することを研究する。有史以前から、水資源の管理、洪水の防止、河川沿いの移動や河川横断の容易化などのために、人間は河川の自然な流路や挙動に介入してきた。元朝や古代ローマ時代から、河川は水力発電の源として利用されてきた。20世紀後半からは、河川工学の実践は、直接の人間の利益よりも広い環境問題に対応するものとなった。河川工学プロジェクトの中には、自然の特性や生息地の修復や保護のみに焦点を当てたものがある。

水力改変とは、沿岸水域（河口や湾）や湖などの河川水域や非河川水域への改変に対する体系的な対応を包含する。米国環境保護庁（EPA）は、水力改変を「沿岸水域および非沿岸水域の水文学的特性の改変であり、その結果、水資源の劣化を引き起こす可能性がある」と定義している。 ^{[1]河川工学は、魚類や野生生物の生息地の減少、水温や}堆積物の輸送パターンの変化など、意図しない体系的な対応をもたらすことが多い。 ^[2]

20世紀後半以降、河川工学の分野は、河川地形を考慮して、水による劣化の修復と計画された改変に対する潜在的な体系的な対応を考慮することに重点が置かれるようになりました。河川地形学は、河川が時間の経過とともにどのように形を変えるかを研究するものです。河川地形学は、開水路水理学、堆積物輸送、水文学、物理地質学、河畔生態学など、多くの科学の集大成です。河川工学の専門家は、河川地形を理解し、物理的な改変を実施し、公共の安全を維持しようとします。^{[3] : 3–13ff}

潮位限界を超える河川の大きさと平均淡水流量は、流域の広さと、これらの流域に降った後、谷底の河川に到達し、そこから海に運ばれる雨量に比例します。^[4]

川の流域とは、分水嶺（北米では「分水嶺」と呼ばれる）で区切られた広大な国土のことで、その流域では雨が谷の最も低い部分を横切って川に向かって流れ、一方、分水嶺の反対側の斜面に降った雨は、隣接する流域を流れる別の川に流れ去る。川の流域は、国土の形状によって広さが異なり、海岸に非常に近い高地から海にまっすぐ流れ込む小川のわずかな流域から、内陸の山脈の斜面から流れ出る川が海に達する前に広大な谷や平野を横切らなければならない広大な大陸まで、多岐にわたる。どの国でも最大の川の流域の大きさは、その川が位置する大陸の広さ、川が一般的に発生する丘陵地帯と流れ込む海との関係、そして川の源流と海への出口との距離によって決まる。^[4]

川の流量は、主にその落差、つまり勾配または傾斜によって決まります。異なる大きさの川が同じ落差を持つ場合、大きい川の方が流れが速いです。これは、川床や岸との摩擦による減速が、小さい川の場合よりも、その量に比例して小さいためです。川の一部で利用できる落差は、その川が横切る地域の傾斜にほぼ対応しています。川は、一般的に丘陵地帯で、流域の最高部近くで上昇するため、水源近くでは落差が急で、時折不規則にしながら徐々に減少し、後半の平野部を横切ると、落差は通常非常に緩やかになります。したがって、大きな流域では、ほとんどの場合、川は流れが非常に変化する急流として始まり、比較的規則的な流量の緩やかな流れの川として終わります。^[4]

河川の流路全体にわたる不規則な流れは、浸水緩和や河川の航行能力向上のための工事を立案する上での主な困難の 1 つとなっている。定期的に雨が降る熱帯諸国では、雨期には河川が氾濫し、それ以外の時期にはほとんど水が流れない。一方、年間を通じて降雨量がより均一に分布する温帯地域では、蒸発により暑い夏の降雨量は冬季よりもずっと少なくなるため、河川は夏に水位が低下し、冬季に洪水になる可能性が非常に高くなる。実際、温帯気候で​​は、1 年は北半球でそれぞれ 5 月から 10 月と 11 月から 4 月まで続く温暖期と寒冷期に分けられ、温暖期には河川水位が低く中程度の洪水はまれであるが、ほとんどの年では、寒冷期にかなりの降雨があった後には河川水位が高く、時折大洪水が発生する。唯一の例外は、万年雪に覆われた山々に源を発し、氷河から水が流れ込む川である。これらの川の洪水は、レマン湖上流のローヌ川や下流で合流するアルヴ川のように、夏には雪と氷が解けて起こる。しかし、これらの川でさえ、さまざまな条件下にある支流の流入によって流れが変化する可能性があり、リヨン下流のローヌ川は、ほとんどの川よりも流量が均一である。これは、アルヴ川の夏の洪水が、リヨンでローヌ川に流れ込むソーヌ川の水位が低いために大幅に相殺されるためである。一方、アルヴ川の水位が低い冬には、洪水が発生する。^[4]

河川工学で遭遇するもう一つの重大な障害は、洪水時に川が流す大量の堆積物である。堆積物は主に、氷河、霜、雨によって谷の上部にある丘や斜面の表層が崩壊することによって生じる。流れが物質を運ぶ力は流速によって変化するため、川源近くの急流は岩や玉石、大きな石を流し、それらは進むにつれて次第に磨り減って粘板岩、砂利、砂、シルトとなり、同時に徐々に落差が小さくなり、その結果、流れの運搬力も弱まる。したがって、通常の状況では、急流によって高地から流された物質のほとんどは、本流によって海に運ばれるか、洪水時には部分的に平坦な沖積平野に散らばる。川底を形成したり、川に沿って運ばれたりする物質の大きさは、海に向かって進むにつれて徐々に小さくなり、例えばイタリアのポー川では、トリノ下流約140マイルでは小石や砂利が見られ、次の100マイルでは砂が見られ、最後の110マイル（176 km）ではシルトや泥が見られます。^[4]

改良工事は、特に洪水時の川の流れを改善することを目的としたものと、主に航行目的（発電が重要な要素となる場合が多い）で流れをせき止めることを目的としたものに分けられます。前者は米国ではChannelizationと呼ばれ、後者は一般にCanalizationと呼ばれています。

曲がりくねった水路を直線の掘割に代えて水路の長さを短くすることが、有効落差を増やす唯一の方法です。この方法では水路全体の容量がいくらか失われ、流量の大きい大河の場合、流れが堤防を侵食して再び蛇行する傾向があるため、直線の掘割を維持するのは非常に困難です。堤防を保護することで掘割を維持できたとしても、浅瀬の変化が生じ、水路の終端のすぐ下の水路の洪水位が上昇する可能性があります。しかし、イギリスのフェンランドのようにもともと海から干拓された土地のように利用可能な落差が非常に小さい場合、その結果、排水が大部分人工的である場合、川には直線の水路が形成されています。これらの肥沃な低地を浸水から守ることに価値があると考えられたため、雨水を排出するための追加の直線の水路も提供されており、フェンズの排水溝として知られています。河川の流路を大幅に変更し、水路を拡張しても、洪水被害の軽減効果は限られることが多い。したがって、このような洪水対策は、重要な資産（町など）が脅威にさらされている場合にのみ、関連する費用に見合ったものとなる^[4]。さらに、たとえ成功したとしても、このような洪水対策は問題を下流に押しやり、他の町を脅かすだけかもしれない。ヨーロッパでの最近の洪水対策には、自然の氾濫原と曲がりくねった川筋の復元が含まれており、洪水をせき止めてゆっくりと流すようになっている。

川床から自然または人工の障害物（樹幹、巨石、砂利の堆積など）を除去することは、川の水路の排水能力を高める簡単で効率的な手段となる。このような障害物の除去は、結果として上流の洪水の高さを下げることになる。流れを妨げるあらゆる障害物は、その程度に応じて、その上流の川の水位を上昇させ、制限された水路を通過させるために必要な追加の人工落差を生み出し、それによって利用可能な総落差を減らす。^[4]

人間の介入によって、例えば鉱山廃棄物、製粉所の水門、魚捕り罠、過度に広い橋脚、固形堰などの障害物を設置することで、川の流れや特徴が意図せず変更されることがあります。これらの対策は流れを妨げるため、上流の洪水位を上昇させる可能性があります。河川管理の規制には、汚染に関する厳格な禁止、洪水を通過させるための水門の拡張と水門の強制的な上げ下げ、落ち葉や浮遊ゴミで頻繁に塞がれる魚捕り罠の撤去、橋脚の再建時の数と幅の縮小、固形堰から可動堰への交換などが含まれます。^[4]

かなり大きな川とその支流の適切な地点に水位計を設置し、一定期間にわたり各観測所の水位を継続的に記録しておくと、各支流の洪水の高さ、本流の特定の観測所に流れ込むまでの期間、これらの地点の洪水の高さに支流がそれぞれ及ぼす影響を突き止めることができます。これらの記録の助けを借りて、また、各支流の観測所で特定の洪水の最大上昇の時間と高さを観察することで、本流のどの観測所でも洪水の到達時間と高さを 2 日以上前に驚くほど正確に予測できます。高洪水に関するこれらの詳細を下流の場所に伝えることで、堰堤管理人は可動堰堤を事前に完全に開いて洪水を通過させることができ、河川沿いの住民は差し迫った洪水の警告をタイムリーに受け取ることができます。^[4]

川沿いの町の一部が最大洪水位より低い位置にある場合、または川に隣接する土地を洪水から守る必要がある場合は、川の氾濫水を洪水ダムに流すか、両側の連続した堤防内に閉じ込める必要があります。これらの堤防を川床の縁からやや後ろに配置することにより、川が堤防を越えるとすぐに川を排水するための広い洪水用水路が確保され、通常の流れのための自然水路は変更されません。例外的な夏の洪水だけが牧草地から排除される必要がある場合は、低い堤防で十分です。時には、ほとんどの年の間洪水を阻止できるほど堤防を高くし、まれに例外的に高い洪水が堤防の特別な場所で逃げられるようにします。その場所では、流出する流れの洗掘が防がれ、近隣の土地への浸水被害が最小限に抑えられます。このようにして、まれに起こる最高洪水水位より高く堤防を建設するためのコスト増加が回避されるとともに、異常に高い洪水水位と急流による堤防決壊の危険とそれに伴う悲惨な影響も回避されます。^[4]

大量の堆積物を流下させる河川沿いに、特に山の斜面から沖積平野に流れ落ちることで急激に傾斜が小さくなっている場所の近くで、連続した高い堤防を築くことに対する最も重大な反対意見は、堆積物によって河床が上昇し、洪水位が上昇し、洪水を防ぐためには堤防のかさ上げが必要になるという危険性である。1874 年と 1901 年に撮影されたポー川の縦断断面図は、この期間に破堤による土砂の除去にもかかわらず、ティチーノ川との合流点からカラネッラ川の下流まで河床が大幅に上昇したことを示している。^[要出典]したがって、堤防の完成とかさ上げは、かさ上げされた川からの洪水の流出が遅かれ早かれ起こるため、堤防が設計上防止すべき洪水の被害を悪化させるだけであろう。^[4]

英国では、21 世紀初頭に住宅が浸水する問題が起きたが、その原因は、洪水氾濫原の開発を許可した不適切な計画管理にあるとされている^{[誰のせいか] 。このため、洪水氾濫原の住宅は洪水にさらされ、自然地層の代わりにコンクリートを使用することで水の流出が早まり、下流での洪水の危険性が増す。}米国中西部および南部では、この対策は水路化と呼ばれている。その多くは、米国陸軍工兵隊の支援または全体的指揮の下で行われた。米国で最も水路化が進んでいる地域の 1 つは、テネシー州西部で、ハッチー川を除くすべての主要河川が部分的または完全に水路化されている。^[要出典]

川の水路造成には、いくつかの理由があります。1 つは、川を航行に適したものにするため、または喫水の深い大型船舶の航行に適したものにするためです。もう 1 つは、川の自然の底地の特定のエリアに水を制限することで、その大部分を農業に利用できるようにするためです。3 つ目の理由は洪水制御で、川に十分に大きく深い水路を与えて、その限度を超えた洪水が少なくとも日常的には最小限に抑えられるか、まったく発生しないようにするという考えに基づいています。主な理由の 1 つは、自然の浸食を減らすことです。自然の水路は前後に曲がっているため、通常、水の流れが遅いコーナーの内側に砂や砂利が堆積し、方向が変わることで水が速く流れる外側のコーナーから砂、砂利、下層土、貴重な表土が削り取られます。砂や砂利とは異なり、浸食された表土は川の次のコーナーの内側に堆積しません。単に洗い流されます。

河川の整備には、予測可能な悪影響がいくつかある。その 1 つは湿地の消失である。湿地は多くの野生生物にとって優れた生息地であり、さらに世界の表層淡水の多くを「濾過」する役割も果たしている。もう 1 つは、河川が整備されるとほぼ必ず直線化されるという事実である。たとえば、フロリダ州のキシミー川の河川整備は、湿地消失の一因として挙げられている。^[5]この直線化により、河川の流れが速くなり、場合によっては土壌浸食が大幅に増加する可能性がある。また、河川整備された地域の下流で洪水が増加する可能性もある。通常よりも速い速度で移動する大量の水が、通常よりも短い時間でチョーク ポイントに到達する可能性があるため、ある地域での洪水制御の純効果は、別の地域での洪水を大幅に悪化させるという犠牲を伴う。さらに、河川の河川整備は、川魚の個体数の減少につながることが研究で示されている。^{[3] : 3-1ff}

1971年に米国ミズーリ州北部のチャリトン川で行われた研究では、川の浚渫された部分にはわずか13種の魚しか生息していなかったのに対し、川の自然部分には21種の魚が生息していたことが判明した。^[6]浚渫された部分で捕獲できる魚のバイオマスは、同じ川の自然部分よりも80パーセント少なかった。この魚の多様性と豊富さの喪失は、生息地の減少、瀬や淵の消滅、川の水位と水温の変動の増大、および基質の移動が原因であると考えられている。浚渫された川の回復率は極めて遅く、多くの川では、浚渫日から30〜40年経っても顕著な回復は見られない。^[7]

上記の理由により、近年、米国では河川の流路変更が大幅に削減され、場合によっては部分的に元に戻った。1990年に米国政府は「湿地の純損失ゼロ」政策を発表し、ある場所での河川の流路変更プロジェクトは、別の場所での新しい湿地の創出によって相殺されなければならないと定めた。このプロセスは「緩和」と呼ばれている。^{[8] [更新が必要]}

この政策の施行に関与する主な機関は、長年にわたり大規模な水路化の推進役を務めてきた陸軍工兵隊である。水路化が許可される場合には、多くの場合、水流速度を遅くするために新しい水路の底に丸石を設置したり、水路を意図的に曲げたりすることがある。1990年に米国議会は陸軍工兵隊に環境保護を任務に含めるよう具体的な命令を与え、1996年には陸軍工兵隊が修復プロジェクトを実施することを認可した。^[9]米国水質浄化法は、水路化の特定の側面を規制し、非連邦機関（州政府、地方政府、民間団体など）に浚渫および埋め立て作業の許可を取得することを義務付けている。許可は、EPAの参加を得て陸軍工兵隊が発行する。^[10]

低水位時に流量が極めて少なくなりがちな河川や、上流域でよくあるように落差がかなり大きい河川では、流量を調整するだけの工事では航行に十分な水深を確保できない。通常の夏季水位は、水路を横切る堰堤で水流をせき止めることで上げなければならない。また、船舶の通行を可能にするため、堰堤の横または側道に閘門を設ける必要がある。こうして河川は上流に向かって段階的に上昇する比較的平坦な区間の連続となり、運河に匹敵する静水航行が可能になる。しかし、水位維持のために堰堤が導入されていること、堰堤で川の定期的な排水ができるようにしていること、閘門の 2 つの土台が同じ高さに設置されていることなど、運河と異なる点は、運河でよくあるように、上部の土台が下部の土台より閘門の上昇分だけ高くなっているのではない。^[4]

運河化により、航行可能な水深が確保され、川の水量は、貯水レベルを維持するのに十分であり、また閘門に必要な水を供給するのにも十分である。しかし、多くの場合閘門を超える高水位の洪水が下降する間は、航行が停止する可能性がある。また、寒冷な気候では、すべての河川において、長く厳しい霜、特に氷により、航行は必然的に停止する。テムズ川のように潮位限界より上の多くの小河川は、運河化により航行可能となり、また、比較的大きな河川のいくつかは、それによって、かなり内陸まで船舶に十分な水深を提供している。このように、運河化されたセーヌ川は、潮位限界からパリまでの距離135マイルで10 1⁄2フィート（3.2メートル）の航行可能な水深を確保し、 62マイル上流のモントローまで6 3⁄4フィート（2.06メートル）の深さを確保している。[ 4 ^]

河川が海に向かって流れていくにつれ、さまざまな支流が次々に流入するため、落差はかなり小さくなり、流域は次第に拡大する。したがって、河川の流れは次第に穏やかになり、流量は増えて急激な変化を受けにくくなる。その結果、河川は航行に適したものとなる。最終的に、大河川は、好条件のもとでは、その下流部分で内陸航行のための重要な自然の幹線道路となることが多い。たとえば、ライン川、ドナウ川、ミシシッピ川などである。河川工事で必要なのは、河川の流路の変化を防ぎ、水深を調整し、特に低水位の水路を固定して水流を集中させ、水位が最低の段階で航行可能な水深を可能な限り深くすることだけである。

河川の航行性を高めるための工事は、中程度の落差と最低水位での適度な流量を持つ大河川でのみ有利に実施できる。なぜなら、落差が大きいと流れが上流航行に大きな障害となり、水位の変動が大きくなり、乾季には流量が非常に少なくなるためである。低水位の水路で十分な水深を維持することは不可能である。^[4]

川の水深を均一にするために、水路を遮る浅瀬を低くできるかどうかは、浅瀬の性質によって決まる。川底の柔らかい浅瀬は、落差の減少や水路の拡張によって生じる流速の低下による堆積物、または、凹状の岸から反対側の次の凹状の岸へ渡る際に主流の洗掘の集中が失われることによる。浚渫によってこのような浅瀬を低くしても、一時的に深くなるだけである。浅瀬は、浅瀬を作った原因によってすぐに再び形成されるからである。さらに、急流の岩の障害物を取り除くと、これらの場所での水深が増し、流れが均一になるが、流出を容易にすることで急流より上の川の水位が下がり、その結果、川の水位が低いときに新しい浅瀬が出現することがある。しかし、狭い岩礁やその他の硬い浅瀬が川底に広がり、川の上下の河床を形成する軟質物質の流れによる浸食を妨げている場合、それらを除去することで、自然の洗掘によって川床を深くすることができ、川底が永久的に改善される可能性がある。^[4]

夏季や乾季を通して川が航行用水路を提供できるかどうかは、水位の最も低い段階で水路に確保できる水深に左右される。乾季の問題は、この期間の流量が少なく、洗掘が不十分なことである。典型的な解決策は、低水位水路の幅を制限し、すべての流れをそこに集中させ、また、最も強い流れの線に沿って川床の最深部をたどる洪水によって毎年洗掘されるように水路の位置を固定することである。これは、補助的な低水位水路を堤防で閉じ、低水位の水路を狭めるために、川岸から斜面に沿って下方に伸び、わずかに上流に向いた低い傾斜の横断堤防で狭め、その上を流れる水を中央水路に導くことで実現できる。^[4]

航行の必要に応じて、航行可能な川から河口の深水まで、安定した連続した航行可能な水路を延長する必要がある。河口の形状に合わせてコンピュータまたはスケールモデルを使用して、川の流れと潮の相互作用をモデル化し、さまざまな誘導壁を連続的に挿入できる非常に細かい砂の床上の潮の干満と淡水流出をミニチュアで再現する必要がある。モデルは、提案されたさまざまな工事計画のそれぞれの効果と比較メリットの貴重な指標を提供できるものでなければならない。^[4]

• 橋の洗掘
• 治水

• アメリカ陸軍工兵隊 – 土木工事プログラム
• 河川形態と河川復元に関する参考資料 -米国議会図書館ウェブ アーカイブの Wildland Hydrology (2002-08-13 アーカイブ)