結論からいうと、川が石や砂を運ぶのは、流れる水が川底や河岸に力を加え、その力が粒子の重さや摩擦を上回ると、石や砂が動き始めるからです。 大きな礫は川底を転がったり跳ねたりしながら進み、細かな砂や泥は水中に浮いたまま運ばれることがあります。流れが強いほど大きな粒まで動かしやすくなり、流れが弱まると運べなくなった粒から順に川底へたまります。
そのため、川には「削る」「運ぶ」「ためる」という三つの働きがあります。国土交通省も、上流の流れが速い場所では土地が削られ土砂が運ばれ、下流の流れが緩やかな場所では運ぶ力が弱くなって土砂が堆積すると説明しています。
川の水は、流れるだけでなく川底を押している
川の水は、川底の上をただ滑っているわけではありません。
水には速さがあり、川底や岸に接すると、その表面を下流方向へ引っ張るような力が働きます。河川工学では、この川底に働く力を掃流力やせん断力として扱います。
石や砂は重力で川底に押しつけられ、周囲の粒子とかみ合い、摩擦によってその場にとどまっています。しかし、水の力が強くなってその抵抗を上回ると、粒子が動き始めます。
つまり川が土砂を運べるかどうかは、水が動かそうとする力と粒子がその場にとどまろうとする力のどちらが大きいかで決まります。
理由1：流れが速くなると、石や砂を動かす力が大きくなる
一般に、川の流れが速くなり、水深や流量が増えるほど、川底へ加わる力も大きくなります。
国土交通省の防災教育教材では、水量が増えると流れが速くなり、土地を削ったり土砂を運んだりする力が大きくなることが示されています。
USGSの河川調査でも、河床材料が動き始める条件は流速や粒径と強く関係しており、流れが強くなるほど、より大きな粒まで運べるようになることが確認されています。
そのため、普段は動かない大きな石が、大雨や洪水のときだけ動くことがあります。
理由2：小さな砂は大きな石より動きやすい
一般に、粒が小さく軽いほど流れの力で動かしやすくなります。
細かな砂やシルトは、比較的弱い流れでも運ばれます。一方、大きな礫や岩塊を動かすには、より強い流れが必要です。
USGSの上部イエローストーン川の調査では、流速が小さいときは砂程度しか掃流されず、流速が大きくなるにつれて、より粗い粒子も運ばれるようになることが示されています。
ただし、粒が非常に細かい粘土は水分を含むと粒子どうしが強く結びつくことがあるため、「小さいほど必ず簡単に削れる」と単純には言えません。川底の材料のまとまり方も重要です。
石や砂には主に二つの運ばれ方がある
河川の土砂輸送は、大きく掃流と浮遊に分けて考えられます。
- 掃流：川底の近くを転がる、滑る、跳ねるなどして移動する
- 浮遊：水の乱れに支えられて水中に浮いたまま移動する
USGSは、川の土砂が主にbedload（掃流砂）とsuspended sediment（浮遊砂）として運ばれると説明しています。
大きな礫はほとんど川底近くを動きますが、細かな砂やシルトは水中へ持ち上げられ、流れとともに長い距離を移動することがあります。
掃流では石が転がったり跳ねたりする
川底の礫や砂に水の力が加わると、最初は少し揺れたり、ずれたりします。
流れがさらに強くなると、粒子は川底を滑ったり転がったりします。砂や小礫は短い距離を跳ねるように移動することもあります。
このように、川底の近くを断続的に移動する土砂が掃流砂です。
掃流砂は常に動いているわけではありません。ある粒は動き、別の粒は止まり、流れが強まると再び動くということを繰り返します。
そのため、見た目には川底が静かでも、洪水時には大量の礫が移動して河床の形が大きく変わることがあります。
浮遊では細かな粒が水の中を運ばれる
細かな砂、シルト、粘土などは、流れの中の乱れによって水中へ持ち上げられます。
川の流れは均一ではなく、細かな渦や上下方向の動きを含んでいます。この乱流が粒子の沈降に逆らって支えると、粒は川底へすぐ沈まず、水中に浮いたまま運ばれます。
USGSは、浮遊土砂の移動量が流速、乱流、水深、粒子の沈降速度などに左右されると説明しています。
雨の後に川が茶色く濁って見えるのは、この浮遊土砂が増えているためです。
洪水のときに大量の土砂が動くのはなぜ？
洪水時には流量と水深が増え、流れも強くなります。
すると普段は川底にとどまっている砂礫が動き始め、河岸も削られやすくなります。さらに、斜面や支流から新しい土砂が川へ供給されます。
国土交通省は、水量が増えるほど流れる水の侵食・運搬の働きが大きくなるとしています。
USGSの調査でも、流量が増えるにつれて掃流砂量や浮遊砂量が増え、より粗い粒まで運ばれる例が確認されています。
そのため、川が一年間に運ぶ土砂のかなりの部分が、数回の大きな出水時に集中して移動する川もあります。
川が運べる土砂の量には限界がある
流れが強ければ、どれだけでも土砂を運べるわけではありません。
川には、その時の流量、流速、勾配、水深などに応じて、土砂を運べる能力があります。これを土砂輸送能力と考えることができます。
USGSは、河川の土砂輸送能力を決める指標としてstream power（流水が単位時間に使うエネルギー）などを用いています。流量や勾配が大きいほど、一般に土砂を運ぶ能力も大きくなります。
反対に、流れが緩くなって輸送能力が低下すると、それまで運ばれていた土砂が沈み始めます。
流れが弱まると、なぜ石や砂はたまるのか
土砂を運んでいた水の力が弱くなると、粒子を動かし続けられなくなります。
大きく重い粒ほど早く止まり、細かな砂や泥ほど長く運ばれる傾向があります。
そのため、山地から平野へ出て川の勾配が緩くなる場所では、礫や砂が堆積して扇状地や砂州をつくることがあります。さらに下流や河口では、より細かな砂や泥がたまりやすくなります。
国土地理院は、河川が運んできた土砂が河口付近に堆積して三角州をつくることや、洪水時の土砂堆積で自然堤防が形成されることを説明しています。
上流の石が大きく、下流の砂が細かくなりやすい理由
上流には、山崩れや崖から供給された大きな岩や礫があります。
これらが下流へ運ばれる間に、川底や別の石とぶつかって角が欠け、少しずつ小さくなります。
北海道開発局も、上流の大きく角ばった石が下流へ運ばれるうちに、ぶつかり合って小さく丸くなると説明しています。
さらに、大きな石ほど強い流れがないと動かないため、流れが弱まる場所では先に止まります。細かな砂や泥はさらに下流まで運ばれます。
つまり、下流ほど粒が細かくなりやすいのは、石の摩耗と流れによる粒径の選別の両方が働くためです。
川はどこから石や砂を手に入れるのか
川が運ぶ土砂には、さまざまな供給源があります。
- 山腹や崖の風化・崩壊
- 土砂崩れや土石流
- 雨による斜面侵食
- 川岸の侵食
- 川底そのものの侵食
- 支流から流れ込む土砂
USGSは、川の土砂が陸地の表面侵食や河道侵食によって川へ取り込まれると説明しています。
そのため、同じ流量の川でも、上流に崩壊地が多いか、河岸が削られやすいかなどによって、実際に運ぶ土砂量は大きく違います。
流れが強くても、土砂がなければ運べない
川の土砂輸送量は、流れの強さだけでは決まりません。
そもそも運ぶ材料がどれくらい供給されているかも重要です。
流れには十分な運搬力があっても、上流から土砂がほとんど供給されなければ、実際の土砂輸送量は少なくなります。逆に、山崩れや火山噴火などで大量の土砂が供給されると、同じ流量でも運ばれる量が増えることがあります。
河川研究では、この違いを「運搬能力に制限される場合」と「土砂供給量に制限される場合」に分けて考えることがあります。
ダムがあると土砂の流れはどう変わる？
ダムに川の水が入ると流れが急に遅くなるため、それまで運ばれていた石や砂が貯水池内に沈みやすくなります。
大きな礫や砂は比較的上流側にたまり、細かな粒子はより奥まで運ばれることがあります。
このためダム下流では、上流から届く土砂の量や粒の大きさが変わり、河床の侵食や生態系へ影響する場合があります。
USGSも、土砂輸送量の大きな変化が河道地形や魚類の生息環境、貯水池容量などへ影響すると説明しています。
川が石や砂を運ぶことは地形づくりにつながる
川の土砂輸送は、単に石を下流へ移動させるだけではありません。
上流では川底や岸を削り、中流では砂州や蛇行をつくり、下流では氾濫原や自然堤防、三角州を形成します。
国土地理院が示す河川地形の多くも、川による侵食・運搬・堆積の組み合わせで生まれています。
つまり、川が石や砂を運ぶ働きそのものが、山から海までの地形を作り変える大きな力になっているのです。
川が石や砂を運ぶ流れを順番に整理すると
- 風化や崩壊、河岸侵食などで石や砂が川へ供給される
- 流れる水が川底の粒子へ下流方向の力を加える
- その力が粒子の重さや摩擦を上回ると粒子が動き始める
- 大きな粒は川底近くを転がる・跳ねる掃流で運ばれる
- 細かな粒は乱流に持ち上げられ、浮遊砂として運ばれる
- 洪水で流れが強くなると、より大きな粒や大量の土砂が動く
- 流れが弱くなると、大きな粒から順に堆積する
まとめ
川が石や砂を運ぶ最大の理由は、流れる水が川底や河岸へ力を加え、その力が粒子をその場にとどめる重さ・摩擦・かみ合わせを上回ると、土砂が動き始めるからです。
- 水の流れは川底へせん断力を加える
- 流れが強いほど、より大きな粒を動かしやすい
- 大きな礫は転がる・滑る・跳ねる掃流で移動する
- 細かな砂や泥は乱流で浮遊しながら運ばれる
- 洪水時には流量・流速が増え、大量の土砂が動きやすい
- 流れが弱まると運べなくなった粒から堆積する
- 石の摩耗と粒径選別によって、下流ほど細かな土砂が増えやすい
- 土砂輸送は河道・砂州・氾濫原・三角州などの地形形成につながる
つまり川は、水を海へ運ぶだけの通り道ではありません。流れの力で山や岸から土砂を取り込み、それを転がし、浮かせ、下流へ運び、流れが弱まった場所へ積もらせながら、自分自身の形と周囲の地形を作り変えているのです。
関連する「なぜ？」
参考資料
- 国土交通省「防災教育ポータルサイト：流れる水の働きと土地の変化」
- 国土交通省 北海道開発局「第2部：川の構造」
- 国土地理院「河川の作用による地形」
- U.S. Geological Survey「Fluvial sediments: a summary of source, transportation, deposition, and measurement of sediment discharge」
- U.S. Geological Survey「Sediment transport in the Yankee Fork of the Salmon River near Stanley, Idaho」
- U.S. Geological Survey「Sediment transport and deposition」
コメント