JP2004339752A

JP2004339752A - 水害解析システム

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Publication number: JP2004339752A
Application number: JP2003136209A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hirashima; 繁平島; Yasunori Hirayama; 康典平山; Satoshi Inagaki; 聡稲垣; Yusuke Arima; 祐介有馬; Hajime Matsuo; 元松尾; Satoshi Kubota; 聡久保田; Makoto Takeda; 誠武田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP4083625B2

Abstract

【課題】地表面流、下水管路流及び河川流を考慮して水害解析を行える水害解析システムを提供すること。
【解決手段】コンピュータ３は下水道データ１５、河川データ１６、地形データ１７、気象データ２１を読み取り、解析対象範囲を設定し、メッシュデータを作成する。コンピュータ３はメッシュ単位で地盤高データ、建物占有率データ、属性データ、堤防データ、下水道データを作成し、これらのデータのチェックを行った後、チェックされたデータ、降雨データ、貯留施設データを基にして、水害予測解析を行う。このとき、河川から地表面に流出する水及び人孔から地表面に流出する水を考慮して水害解析を行う。
【選択図】図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水害解析システムに係り、特に下水道データ、河川データ、地形データ、建物データ、気象データ等から対象地域の浸水や管渠、河川の流量等を算出する水害解析システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市型水害を予測・解析するために、河川流解析技術、下水管路網の管路流解析技術、地表面流出解析技術、地形分析技術、ＧＩＳを用いたものがある。
例えば、降雨データ、地形データ、家屋データを基にして、対象地域の地形を解析して浸水量と浸水地点を予測するものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９８０６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような都市型水害解析システムでは、地表面から下水管に雨水が流入するだけで人孔から地表面に下水が溢れ出すことを考慮したものはない。前述した公報に記載した浸水マップシステムも人孔から地表面に下水が流出することは考慮していないので正確な水害解析を行うことはできないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、人孔から地表面に溢れる流出を考慮して水害解析を行える水害解析システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための第１の発明は、少なくとも人孔データ及び管渠データを有する下水道データと、河川データと、地形データとを保持するデータベースと、コンピュータからなる水害解析システムであって、前記コンピュータは、前記データベースに保持された前記下水道データと、前記河川データと、前記地形データとを用いて、降雨データが与えられると、少なくとも対象範囲の地表面流出量、管渠流量、河川流量を、人孔から地表面に溢れる流出、河川と下水管との水位の関係を考慮して、メッシュ単位で算出することを特徴とする水害解析システムである。
前記コンピュータは、更に前記対象範囲の地表面流出の流出方向及び水深、管渠内水位、人孔内水位、浸水箇所、及び河川水位を算出する。
【０００７】
また、第２の発明は、コンピュータを第１の発明に係る水害解析システムとして機能させるプログラムである。
【０００８】
また、第３の発明は、コンピュータを第１の発明に係る水害解析システムとして機能させるプログラムを記録した記録媒体である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る水害解析システム１の概略構成図である。
【００１０】
水害解析システム１はコンピュータ３、データベース５、ディスプレイ７、プリンタ９、キーボード１１等からなる。コンピュータ３はスタンドアローン型のコンピュータでもよいし、ネットワークに接続されたものでもよい。データベース５はハードディスク装置等からなり、コンピュータ３に内蔵されたり、他のサーバー等のハードディスクに保持され、コンピュータ３からアクセスされる場合もある。すなわち、図１において、データベース５はコンピュータ３の外部に示されているが、コンピュータ３に内蔵される場合もある。
データベース５は下水道データ１５、河川データ１６、地形データ１７、建物データ１９、気象データ２１等を保持する。
【００１１】
コンピュータ３は、ＣＰＵ（中央演算装置）１２、メモリ１３、インターフェイス（ＩＦ）１４等を備える。ＣＰＵ１２は、水害解析プログラムに従い水害解析を行う。メモリ１３は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やＲＯＭ（リードオンリーメモリ）からなり、下水道データ１５等の各種データを一時的に記憶したり、水害解析プログラムを記憶したり、水害解析を行っている際の各種データを一時的に記憶する。
【００１２】
インターフェイス１４には、ディスプレイ７、プリンタ９、キーボード１１等が接続され、インターフェイス１４は、ＣＰＵ１１、メモリ１３とディスプレイ７等とのインターフェイスを行う。尚、水害解析プログラムはデータベース５を形成するハードディスク装置に保持させても良い。
【００１３】
図２は下水道データ１５のフォーマット図、図３は人孔５５、管渠５７の配置を示す図である。
下水道データ１５は位置３１、人孔形式３３、人孔地盤高（ｈ_１）３５、最深接続管の管底高（ｈ_２）３７、…、管渠断面形状４１、管内径４３、内空高さ４４、上流端管底高（ｈ_３）４５、下流端管底高（ｈ_４）４７等のデータを有する。
【００１４】
人孔位置３１、人孔形式３３、人孔地盤高（ｈ_１）３５、人孔管底高（ｈ_２）３７は人孔データであり、管渠断面形状４１、管内径４３、上流端管底高（ｈ_３）４５、下流端管底高（ｈ_４）４７は、この人孔に接続する管渠のデータである。
【００１５】
人孔位置３１は人孔５５の存在する座標（Ｘ、Ｙ）を示す。人孔形式３３は、人孔の構造と形状寸法を示す。人孔地盤高（ｈ_１）３５は、図４に示すように基準レベル５３を基準として人孔５５の存在する地表面５１の高さである。最深接続管の管底高（ｈ_２）３７は最深接続管の管底の基準レベル５３からの高さを示す。
【００１６】
管渠断面形状４１は管渠５７の断面形状を示し、例えば円形や矩形等である。管内径４３は管渠５７の内径を示す。内空高さ４４は、矩形断面の場合を示す。上流端管底高（ｈ_３）４５は管渠５７に人孔が設けられた地点の高さを示す。下流端管底高（ｈ_４）４７は管渠５７に人孔５５が設けられた地点における管渠５７の下端の高さを示す。
【００１７】
図４は河川データ１６のフォーマット図である。河川データ１６は、河川左岸の位置（Ｘ、Ｙ）８１、河川右岸の位置（Ｘ、Ｙ）８３、河川の幅８５、堤防高８７、水深８９、河川左岸が含まれる格子の番号９１等のデータを有する。
【００１８】
図５は地形データ１７のフォーマット図である。地形データ１７は格子６１、地盤高６３、河道内標高６５、堤防高さ６７等のデータを有する。格子６１は格子幅で仕切られた面を示す。地盤高６３は格子６１で示される地点の地盤高を示す。河道内標高６５は河川の場合に格子６１で示される地点の標高を示す。堤防高さ６７は格子６１で示される地点に堤防があれば、その堤防の標高を示す。
【００１９】
図６は建物データ１９を示す図である。
建物占有率７３は、格子７１で示される地点の建物の占有率を示す。
また、図１に示す気象データ２１は過去の降雨データや解析対象とする降雨データ等である。
【００２０】
次に、水害解析システム１の処理を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
ＣＰＵ１２はデータベース５から下水道データ１５、河川データ１６、地形データ１７、建物データ１９、気象データ２１等を読み取り、メモリ１３に保存する（ステップ６０１）。
図１０は地形データ１７中の街区データをディスプレイ７に表示させた場合の図である。
【００２１】
次に、作業者はコンピュータ３にキーボード（あるいはマウス）１１等を用いて解析対象範囲を指示し、ＣＰＵ１２はこの指示に基づいて解析対象範囲を設定し、メモリ１３に保存する（ステップ６０２）。
図１１は設定された解析対象範囲をディスプレイ７に表示させた場合の図である。
【００２２】
ＣＰＵ１２は解析対象範囲内でメッシュデータを作成し、メモリ１３に保存する（ステップ６０３）。このメッシュは、例えば１０メートル×１０メートルのメッシュである。
ＣＰＵ１２はメッシュ単位で地盤高データ、建物占有率データ、属性データ、堤防データ、下水道データ等を作成し、メモリ１３に保存する（ステップ６０４）。
【００２３】
メッシュ単位の地盤高データは地形データ１７の地盤高６３を用いて作成され、そのメッシュの平均的な地盤高である。メッシュ単位の建物占有率データは建物データ１９の家形を用いて作成され、そのメッシュ内における建物の占有率を示す。
【００２４】
メッシュ単位の属性データは、解析対象外の場合「０」、氾濫域の場合「１」、河道内の場合「２」となる。
メッシュ単位の下水道データは下水道データ１５のフォーマット変換を行って得られるが、実質的には下水道データ１５と同様のものである。
【００２５】
図１２はメッシュ単位で算出した地盤高をディスプレイ７に表示した図である。
図１３はメッシュ単位で算出した建物占有率をディスプレイ７に表示した図である。
図１４は下水道データの人孔及び管渠を平面的及び立体的にディスプレイ７に表示した図である。
【００２６】
図１５は下水道の管路網をディスプレイ７に平面的に表示した図である。
図１６は下水道の管路網をディスプレイ７に立体的に表示した図である。
図１７は下水道の管路網を人孔地盤高を記入してディスプレイ７に平面的に表示した図である。
【００２７】
このように、ＣＰＵ１２はメッシュ単位で各種情報を作成した後、かかるデータを用いてデータのチェックを行い、チェック結果をメモリ１３に保存する（ステップ６０５）。
チェックされた結果として表示されるものとして、人孔名称検索表示、管渠名称検索表示、人孔地盤高表示、管径表示、逆勾配管渠表示、流出管複数接続表示、指定範囲管勾配抽出、指定範囲土被抽出、指定範囲人孔底高抽出、指定範囲流入管底高抽出、人孔位置地盤高表示、人孔形状３次元表示、全体管路網３次元表示、背景図（街区）表示、背景図（家形）表示、解析対象範囲表示、標高図、建物占有率分布図、管渠流下方向図、管渠計算勾配図等がある。
【００２８】
たとえば、自治体等で整備されている下水道データ等を用いた場合、データ入力ミスや原データが不完全である等の理由により、管渠勾配等に間違いがあることがあり、管渠勾配等をチェックする。
また管径データや土被りデータについてもチェックする。例えば上流側の管径が下流側より大きい場合や、土被りが大きすぎたり、小さすぎたりすれば、これらのデータを再検討する。
【００２９】
次に、ＣＰＵ１２はステップ６０４で作成されたデータ、降雨データ、貯留施設データ等を入力データとし、水理解析を行う（ステップ６０６）。
【００３０】
降雨データはステップ６０１で読み取られた気象データ２１の一部である。貯留施設データは、地下貯留施設等が存する場合、その施設の位置、形状、大きさ等のデータである。
【００３１】
水理解析としてたとえば、地表面流は２次元運動方程式を用いて解析し、河川流は１次元または２次元運動方程式を用いて解析し、下水管路流はプライスマンスロットモデルを用いて解析する。
たとえば、下水管路内の水位や流量に関しては以下のようにして解析を行う。
【００３２】
【数１】

【００３３】
ここで、ｘ：１次元の空間座標、ｔ：時間、Ａ：流水断面積、Ｑ：流量、ｕ＝Ｑ／Ａ：断面平均流速、ｈ：水深、θ：水路底勾配、ｎ：マニングの粗度係数、Ｒ：径深、α：エネルギー係数、β：運動量係数、λ：エネルギー解析法における圧力分布補正係数である。
（１）式、（２）式で、Ｑとｈが求められる。
なお、θ、Ｒはプログラムの中で計算され、その後はプログラム定数として設定される。ｎ、α、β、λは既知であり、データベース５の下水道データ１５に保持されている。
【００３４】
また、地表面流出の水位、流量に関しては以下のようにして解析を行う。
【００３５】
【数２】

【００３６】
ここで、Ｈは水位、ｕ、ｖはそれぞれｘ、ｙ方向の断面平均流速、ｈは水深、Ｍ、Ｎはそれぞれｘ、ｙ方向の質量フラックス（Ｍ＝ｕｈ、Ｎ＝ｖｈ）、τ_ＳＸ、τ_ＳＹはそれぞれｘ、ｙ方向における水表面のせん断応力τ_ＢＸ、τ_ＢＹ、はそれぞれｘ、ｙ方向における底面のせん断応力、Ｋ_Ｘ、Ｋ_Ｙはそれぞれｘ、ｙ方向の渦動粘性係数、ρは水の密度、ｇは重力加速度、ｔは時間、ｘ、ｙはそれぞれ平面の座標（ｘは東方を正、ｙは北方を正）である。
【００３７】
（３）、（４）、（５）式により、水位Ｈ、ｘ、ｙ方向の流量フラックスＭ、Ｎが求められ、それからｕ、ｖが計算される。
なお、せん断応力τ_ＢＸ、τ_ＢＹ、は計算によって算出され、渦動粘性係数ε_Ｘ、ε_Ｙはモデルパラメータとしてプログラム中で定義されている。
【００３８】
また、地表面と下水管の水のやり取りに関しては以下のようにして解析を行う。
図８は、地表面と下水管の水のやり取りを示す図である。図８（ａ）は、地表面から人孔５５を介して管渠５７に雨水が流出する状態を示しており、図８（ｂ）は、逆に管渠５７を流れる水が人孔５５を介して地表５１に溢れる状態を示している。
【００３９】
【数３】

【００４０】
ここで、Ｈ：水位、Ａ：面積（Ｈ≦ＨＢのときはマンホールの面積、Ｈ＞Ｈ_Ｂのときは氾濫格子の面積（Ｈ_Ｂ：地盤高））、ΣＱ：流入出流量（Ｈ≦Ｈ_Ｂのときは下水道からの流入出流量と地表面流出域（氾濫域）からの落ち込み流量、Ｈ＞Ｈ_Ｂのときは下水道からの流入出流量と氾濫メッシュへの流入出流量）、Ｑ_Ｏ _ＵＴ：ポンプ排水流量、ｔ：時間である。
ΣＱは計算の過程で求められ、Ｑ_ＯＵＴは既知であり、（６）式によってＨが求められる。
なお、式（１）、（２）の水深ｈと、式（３）、（４）、（５）の水位Ｈ、水深ｈと、式（６）の水位Ｈは別の変数である。
【００４１】
そして、ＣＰＵ１２はこのようなモデルに従い対象範囲の管渠流量、管渠内水位、河川流量、河川水位、地表面流出量、地表面流出の流出方向及び水深（浸水深とも言う）、人孔内水位、浸水箇所を経時的に算出しメモリ１３に保存し（ステップ６０７）、ディスプレイ７に計算結果を表示する（ステップ６０８）。
【００４２】
なお、管渠流量は式（１）のＱ、管渠内水位は式（２）のｈ、地表面流出量は単位幅当たりの地表面流出量、地表面流出の流出方向及び水深は式（３）、（４）、（５）のｕ、ｖ、ｈ、人孔内水位は式（６）のＨである。
ここで、地表面流出の浸水深とは地表面に浸水があった場合の深さであり、管渠内水位は下水管渠の内部を流れる水の水位であり、人孔内水位は人孔の内部の水位である。
【００４３】
図９は、ステップ６０６及びステップ６０７の処理の概要を示すフローチャートである。
水理解析を行う場合、地表面流、河川流の計算を行う（ステップ８０２）。即ち、式（３）から式（５）を用いて、地表面流、河川流の計算を行う。
【００４４】
そして、下水管路流の計算を行う（ステップ８０３）。即ち、式（１）と式（２）を用いて、下水管路流の計算を行う。ステップ８０２及びステップ８０３の計算は、それぞれ独立して行うが、地表面から人孔を介して下水管路に落ちる水量を算出し（ステップ８０４）、地表面流からこの水量を差し引き、マンホール部にこの水量を加えて、ステップ８０２、ステップ８０３の計算を独立して行う（ステップ８０１）。
【００４５】
人孔が溢れるまで、ステップ８０１の計算を行い（ステップ８０５）、人孔が溢れた場合、マンホール部は地表面流出を考慮した連続式を解くことになり、その場所の地表面の水位（水深）はマンホール部の水位から計算する（ステップ８０６）。即ち、式（１）及び式（２）を用いて、下水管路流、地表面流、河川流を計算する。
【００４６】
図１８は対象地域の浸水深の分布図である。メッシュ単位で浸水深が表示される。
図１９は浸水深の時系列グラフである。横軸が時間を表し、縦軸が浸水深を表す。
図２０は地表面に溢れた地表面流の流量・方向図である。地表面流もメッシュ単位で流量及び方向が表示される。
【００４７】
図２１は管渠流量図であり、管渠の内部を流れる水の流量が示される。
図２２は下水道のルート断面図である。図２２において５１は地表面、５５は人孔、４５は管渠の上流端管底高、４７は管渠の下流端管低高を示す。そして、水位線１０１、最高水位腺１０３、浸水発生箇所１０５が表示される。
水位線１０１は管渠５７の内部の水位であり、最高水位線１０３は人孔５５の内部の水位を示し、最高水位線１０３が地表面５１のレベルを超えた箇所が浸水発生箇所１０５となる。
【００４８】
図２３は、前述した水害解析システムを用いた水害マネジメントシステムの構成を示すものである。
この水害マネジメントシステムは、閲覧用データベース６、共有データベース５ａ、解析用データベース５ｂを有し、ハザードマップ作成や水害評価等を行うものである。
閲覧用データベース６は、自治体発表のハザードマップ２０等を保持する。共有データベース５ａ、解析用データベース５ｂは、図１に示す水害解析システム１のデータベース５に相当する。
【００４９】
共有データベース５ａは、下水道データ１５、河川データ１６、建物データ１９、気象データ２１等を保持する。解析用データベース５ｂは、地形データ１７等を保持する。
図示しないコンピュータが閲覧用データベース６、共有データベース５ａ、解析用データベース５ｂの内容を用いて、ステップ９０１からステップ９０５の処理を行う。
ステップ９０１はプレ処理であり、ステップ９０２はコア処理であり、ステップ９０３はポスト処理である。
【００５０】
プレ処理９０１は、図７のステップ６０１からステップ６０５の処理に該当する。
コア処理９０２は、図７のステップ６０６、６０７に該当する。
ポスト処理９０３は、図７のステップ６０８に該当する。
【００５１】
ステップ９０１からステップ９０３の処理で得られた結果と、共有データベース５ａ、閲覧用データベース６内のデータを用いてそれらのデータを閲覧したり総合評価を行い（ステップ９０４）、更にデューデリや水防診断等の応用評価を行う（ステップ９０５）。
このようなシステムによれば、新たなハザードマップを作成でき、洪水発生時の対象地域の被害を予想したり、避難路等を表示したり、洪水被害額の予測等を行うことができる。また、過去の浸水被害データや地区別の人工分布等をデータベースに登録することもできる。
【００５２】
このように、本実施の形態では、河川、下水道、地表面流を一体として解析し、都市型水害による流況を再現することができる。このとき、地表から人孔に流入する雨水と逆に人孔から地表に溢れる雨水を考慮して解析を行うので、精度の高い水害解析や水害予測を行うことができる。また、河川や地下貯留施設等を考慮した水害解析を行うことができ、対象地域における下水道、ポンプ、ポンプ場、堰、水門等の治水関連施設の有機的な管理等に活用することができる。また下水道やポンプ等の計画や施設・運営に対して水工学的情報を視覚的に表示できる。
【００５３】
このような水害解析システムを用いることにより、建築物等を対象とした災害保険を算出したり、対象地域の水害危険度を予測したり、耐水性の高い街づくり等を行うことができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、人孔から地表面に溢れる流出を考慮して水害解析を行える水害解析システムを提供すること。
【図面の簡単な説明】
【図１】水害解析システム１の概略構成図
【図２】下水道データ１５のフォーマット図
【図３】人孔５５と管渠５７を示す図
【図４】河川データ１６のフォーマット図
【図５】地形データ１７のフォーマット図
【図６】建物データ１９のフォーマット図
【図７】水害解析システム１の処理を示すフローチャート
【図８】地表面と下水管の水のやり取りを示す図
【図９】ステップ６０６及びステップ６０７の処理の概要を示すフローチャート
【図１０】街区地形データを示す図
【図１１】解析対象範囲を示す図
【図１２】メッシュ単位の地盤高を示す図
【図１３】メッシュ単位の建物占有率を示す図
【図１４】人孔と管渠の平面図及び立体図
【図１５】管路網を示す図
【図１６】管路網を立体的に示す図
【図１７】管路網を示す図
【図１８】浸水深の分布を示す図
【図１９】浸水深の時系列的変化を示す図
【図２０】地表面流の流量・方向を示す図
【図２１】管渠内の流量を示す図
【図２２】管渠内の水位及び人孔内の水位を示す図
【図２３】水害マネジメントシステムの構成を示す図
【符号の説明】
１………水害解析システム
３………コンピュータ
５………データベース
７………ディスプレイ
９………プリンタ
１１………キーボード
１５………下水道データ
１７………地形データ
１９………建物データ
２１………気象データ

Claims

少なくとも人孔データ及び管渠データを有する下水道データと、河川データと、地形データとを保持するデータベースと、コンピュータからなる水害解析システムであって、
前記コンピュータは、前記データベースに保持された前記下水道データと、前記河川データと、前記地形データとを用いて、降雨データが与えられると、少なくとも対象範囲の地表面流出量、管渠流量，河川流量を、人孔から地表面に溢れる流出、河川と管渠との水位の関係を考慮して、メッシュ単位で算出することを特徴とする水害解析システム。
前記コンピュータは、更に前記対象範囲の地表面流出の流出方向及び水深、管渠内水位、人孔内水位、浸水箇所、河川水位を算出することを特徴とする請求項１記載の水害解析システム。
前記管渠およびポンプ等の施設に対して水工学的情報を表示することを特徴とする請求項１記載の水害解析システム。
前記地表面流出量、管渠流量，河川流量を用いて、ハザードマップを作成する手段を更に具備することを特徴とする請求項１記載の水害解析システム。
コンピュータを請求項１記載の水害解析システムとして機能させるプログラム。
コンピュータを請求項１記載の水害解析システムとして機能させるプログラムを記録した記録媒体。