プレスリリース
(研究成果) 「田んぼダム」に用いる器具の特徴を整理しました

• 豪雨対策に向けた「流域治水」の推進
  各地で想定を超えるような雨量や水害が発生する中で、近年は流域内のあらゆる関係者や施設が協働して被害の防止/軽減を目指す「流域治水」の取組が推進されています。その中で、農業分野においても可能な範囲での協力が望まれています。
• 水田を活用した豪雨対策「田んぼダム」の必要性
  水田は、周囲を畦で囲まれているため、雨水を一時的に貯留させることで時間をかけてゆっくり流出させることができます。この機能を最大限に活用する「田んぼダム」の取組が注目されており、2021年3月に閣議決定された土地改良長期計画(参考文献1)の中でも、「田んぼダム」に取り組む水田の面積を約3倍以上にするとの目標が設定されました。
• 「田んぼダム」の効果の現地実証と器具開発
  「田んぼダム」の効果は、これまでにシミュレーションや現地実証(参考文献2)で明らかにされています。器具は複数のタイプが開発されており、農研機構もプレスリリースで新たな形状の器具を公表しました(参考文献3)。

「田んぼダム」は、落水枡の排水口に流出を抑制する器具(調整板)を取り付けて、水田に通常よりも長く雨水を貯留させることで時間をかけてゆっくり流出させるための取組です。このための器具は、既に様々な形状のものが製造・販売されています。器具は、水田水管理用のせき板とは別に田んぼダム機能を備えた器具を取り付ける機能分離型(以下、「分離型」と記す)と、通常の水田水管理用のせき板に田んぼダム機能を付与した機能一体型(以下、「一体型」と記す)の2つのタイプに大きく分けられます(参考文献4)。それぞれ設置方法が異なり、また効果や水田への影響等に特徴があります。

各タイプの器具の一般的な取り付け方は図1のようになります。分離型の器具は、一般的に落水枡にせき板を設置するための溝が2本必要であるため、取り付け前に枡の形状を確認する必要があります(溝が無くても設置可能な自立式の器具もあります)。一体型の器具は、通常の水管理用のせき板と同じように取り付けが可能なため、どのような落水枡でも導入できます。大雨時には、どちらのタイプの器具も雨水の流出を遅らせる効果を発揮しますが、安定的に効果を発揮するのは分離型となります。また、これらの器具を取り付けると、大雨時に「田んぼダム」を実施しない場合と比べて雨水の流出を遅らせやすくなるため、田面水深が一時的に上昇し、水深が元の深さに戻るまでに時間を要します。「田んぼダム」の取組を継続的なものにするには、実施する農家がこれらの特徴を事前に十分把握した上で、希望に沿った器具を選択することが重要といえます。

そこで本研究では、水理模型を用いた実験と数値計算で複数の器具ごとに異なる特徴を評価し、取組地区での器具選択に役立つ情報を整理しました。

• 様々な形状の田んぼダム用器具を用いた実証実験
  まず、現在市販されている田んぼダム用の器具と落水枡を収集しました(図2)。器具のタイプで分けると、器具c)が一体型で、それ以外が分離型になります。次に、収集したそれぞれの器具を、実験施設内に作製した水田に見立てた水理模型に取り付けて、器具と落水枡を通じて下流側に流出する様子を上流側から観察するとともに、水田の水深と流出量の関係を観測するための実験を実施しました。器具がある場合とない場合で実験中の様子を比較すると(図3、図2の器具b)の例、上流側の水深は同じ)、器具がある場合では流出量のピークが大きく減少し、流出が抑制されている様子がよくわかります。各器具による流出の特徴を再現するために、流量計算式(セキの公式、オリフィスの公式など)を用い、パラメータとなる流量係数を当てはめたところ、実験結果である観測値を計算式によって良く再現できることが確認できました(図4)。水田の水深(図4の横軸)が同じときに、器具がある場合は、器具がない場合に比べて大きく流出量が減少しています。これが、「田んぼダム」の効果に繋がります。
• 田んぼダム用器具を設置した場合の水田の流出量と水深の評価
  次に、1.で設定した計算式を用いて、水田に様々な規模の降雨があった場合の水田からの流出量や田面水深の時系列変化を数値計算で評価しました。面積30a、畦畔高30cm、排水口が1つの水田を想定し、排水口に田んぼダム用器具がない場合(通常水田)と、器具がある場合(田んぼダム水田)で比較しました。与える降雨の条件は、参考文献5で生成した仮想の豪雨データを活用しました。3日間の総雨量で、100mm、150mm、と50mm刻みで500mmまでの9通りの規模を設定し、それぞれの雨について1000パターンずつの降雨波形(1時間ごとの雨の降り方)を作成しました。
  250mmの降雨を用いた結果例である図5(a)を見ると、通常水田と比べて田んぼダム水田では流出量の最大値(ピーク)が大きく下がっていることがわかります。この差が、田んぼダム用器具による流出のピークカット効果¹⁾です。ピークカット効果は、使用する器具のタイプや形状によって特徴が異なります。分離型である器具a)を用いた場合を見ると、器具の特徴から流出量がほぼ一定に保たれて効果が継続しました(ピークカット率約80%)。一体型である器具c)を用いた場合では、2山目の降雨のピーク時に流出量が増加し、器具a)と比べるとピークカット効果が小さい結果(同約50%)となりました。
  次に降雨中の田面水深の変化をみると(図5(b))、田んぼダム水田では雨水が一時的に貯留されるため、通常水田より水深が上昇することがわかります。この例では、分離型、一体型の両方で、最大水深の上昇は通常水田から+7cm程度でした。また、降雨前の水深に戻るまでの期間は長くなり、通常水田と比べて分離型では1日程度、一体型では浅い水深でも流出の抑制が効くためさらに延びて2日程度の遅れでした。「田んぼダム」を実施するとこのような差は出るものの、水田畦畔や水稲栽培に大きな影響のない範囲であったと考えられます。
• 雨の規模と田んぼダム用器具の効果の関係
  最後に、2.と同様の検討を様々な雨量の規模で実施して評価した結果を、雨量と「田んぼダム」によって期待できる効果(各雨量で計算した1000パターンの結果の平均値)の関係として整理します。
  図6(a)は、横軸に雨量の規模、縦軸に流出量のピークカット効果を表しています。分離型の器具(器具a)、b)、d)、e))は、形状によって多少の差はあるものの、雨量100mmから徐々にピークカット効果が大きくなり、300mmで最大の効果(約80%)を示しました。また一体型(器具c))では、雨量100mmのときに表れた効果が、雨量が大きくなるにつれて徐々に小さくなり、300mmでは50%程度の効果となりました。これは、一体型では降雨初期から雨水を貯留し始めるため、雨量が大きいと降雨期間の途中で器具の上端から越流が発生する場合があるためです。一方で、400mm以上のような極端に大きい雨が降ると、いずれの器具でも期待される効果は減少する結果となりました。
  図6(b)は、「田んぼダム」の実施によって、通常水田と比較して最大水深が上昇する度合いを示しています。雨量の規模とともに水深の上昇度合いは増加しますが、大きな雨が降った場合でも、最大で十数cm程度の上昇であることがわかります。小さい雨の時は一体型が上昇しやすく、極端な降雨の際は分離型の方が水深が深くなります。また元の水深に戻るまでの時間は、2.で示したように一体型の方が長くなります。
  この結果は、水田の諸条件(面積、畦畔の高さ、落水枡の形状等)によっても変わる可能性があるため、取組を行う前に現地の水田の条件を十分把握した上で器具を検討することが望ましいといえます。

「田んぼダム」の取組は全国的に広がっていますが、雨の降り方は地域によって大きく異なります。実施する地区の気象条件や取り組む農家の意見、水田整備状況を踏まえて、合意形成を得るための基礎情報として、本成果が活用されることを期待します。「田んぼダム」でもたらされる地域に対する防災減災効果については、別途シミュレーション(参考文献6)を行うと評価できます。このような情報も事前に把握できると、効果の見える化に繋がり、取組農家や自治体のモチベーションに繋がるといえます。

「田んぼダム」の取組に関して、農林水産省の多面的機能支払交付金においては器具の設置や畦畔の補強等に活用可能です(参考文献7)。また、一定の取組面積で取り組む等の要件を満たすことで、交付単価が加算されます。実施する地区ではこのような制度も活用して、地域全体で継続的に取り組むことが望ましいといえます。

• 皆川裕樹・宮津進(2022):模擬豪雨を活用した特徴の異なる田んぼダム器具の機能評価、農業農村工学会論文集、90巻1号、p.I_157-I_165

【結果の解説】

<ピークカット効果の特徴>:図6(a)

• 一体型(器具c))は、100～150mmで70%以上、300mmで50%程度
• 分離型(器具a)、b)、d)、e))は、100～150mmで70%以下、300mmで80%程度
• 分離型(器具f))は、100～200mmで70%以下、300～400mmで80%程度

<最大水深の上昇度合いの特徴>:図6(b)

• 一体型(器具c))は、100～200mmで0.04m、300mmで0.06m、500mmで0.075m程度
• 分離型(器具a)、b)、d)、e))は100～200mmで0.03m以下、300mmで0.07m、400mmで最大0.117m程度
• 分離型(器具f))は100～200mmが0.02m、300mmで0.05m、500mmで0.12 m程度

<降雨前の水深まで戻る時間>:図5(b)

• 流出抑制効果が発揮されるメカニズムの違いにより、一般的に分離型の器具の方が水深が元に戻るまでの時間が早く、一体型の器具の方がやや時間がかかる
• ただし、農地の浸透のしやすさなどによっても異なる

<器具選定方法>

• 取組地区で地域防災上のターゲットとなる雨量規模とその時に期待するピークカット効果、器具の設置費用(畦高の形成や器具の購入・作成費用等も含む)等を考慮して、取組団体・農家の合意の上で器具を選定することが望ましい

※本結果は評価の一例で、ここで示していない形状の器具を使用する場合や、設置する水田の状況(面積、畦畔高さ、漏水状況等)によって効果の出方は変化する可能性があります。また、地域に対する防災効果を評価する場合には、別途、流域全体を対象とした数値シミュレーションが必要になります。