JP2008106477A - 雨水流出量推定装置およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を時系列で容易に推定する。
【解決手段】降水量積算手段１６Ｂにより、各積算期間Ｘに基づいて対象区域３の各計測メッシュＭの降水量データ１５Ａを積算することにより、積算期間Ｘごとに、各計測メッシュＭにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データ１５Ｆを算出し、相関値算出手段１６Ｃにより、これら積算降水量データ１５Ｆと流量データ１５Ｂの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析して、両者の相関値１５Ｇを各計測メッシュについて積算期間Ｘごとに算出し、流出量推定手段１６Ｄにより、各積算期間Ｘの積算降水量データ１５Ｆと相関値１５Ｇとの積和演算値を計測メッシュごとに算出し、これら積和演算値の総和に基づき対象区域３から流出する雨水流出量の推定データを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、雨水流出量推定技術に関し、特に降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を推定する技術に関する。

家庭や事業所などから出る生活排水（汚水）と雨（雨水）とを、地下に敷設した同じ系統の管渠を用いて下水処理場まで運ぶ合流式下水道では、下水処理場の処理区域に降った雨が管渠に流れ込むため、晴天時に比べて雨天時の下水流入量が大幅に増加する。また生活排水と雨をそれぞれ異なる系統の管渠を用いて下水処理場まで別個に運ぶ分流式においても、特に都市型の集中豪雨が発生した場合は、雨水が管渠に短時間で大量に流入する。このため、これら管渠や河川に必要とされる規模を決定し、浸水・洪水対策計画を適切に策定するには、降雨時に任意の地区から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を時系列で精度よく推定する必要がある。

従来、このような任意の対象区域からの雨水流出量を推定する技術に類似する技術として、対象区域の降雨データやその土地の保水性を示すデータを収集して、雨水による氾濫解析モデルを生成することにより、対象区域の溢水発生を推定して溢水区域を特定する技術が提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。

http://www.kkr.mlit.go.jp/kingi/database/kannai/h15/07/720-naisuihanran.pdf、「内水氾濫を考慮した氾濫解析モデルの構築」、平成15年度管内技術研究発表会（論文データ PDF）、国土交通省近畿地方整備局近畿技術事務所

しかしながら、このような従来技術では、氾濫解析モデルを生成する際に、降雨データに加えて、河道や下水道に関する構造・設備データ、対象区域の地形データや土地の保水性を示すデータなど、極めて多くの種類のデータを収集する必要があるため、対象区域の溢水発生や溢水領域を容易に推定できないという問題点があった。特に、土地の保水性を示す粗度係数や流出率などのデータについては土質調査が必要となり、作業負担やコストの面で実施が難しい。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を時系列で容易に推定できる雨水流出量推定装置およびプログラムを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる雨水流出量推定装置は、降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水流出量の時系列変化を推定する雨水流出量推定装置であって、対象区域を格子状に分割して設けた各計測メッシュにおける降水量の時系列変化を示す降水量データと、幹線水路の下流側に設けられた計測点における流量の時系列変化を示す流量データと、降水量データに対する複数の積算期間を示す積算期間データとを記憶する記憶部と、各積算期間に基づいて各計測メッシュの降水量データをそれぞれ積算することにより、積算期間ごとに、各計測メッシュにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データを算出する降水量積算手段と、積算降水量データと流量データの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析し、両者の相関値を各計測メッシュについて積算期間ごとに算出する相関値算出手段と、各積算期間の積算降水量データと相関値との積和演算値を計測メッシュごとに算出し、これら積和演算値の総和に基づき対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出する流出量推定手段とを備えている。

この際、各計測メッシュの降水量データを相互に補間演算することにより、各計測メッシュを格子状に分割して設けた各ブロックにおける降水量の時系列変化を示す単位降水量データをそれぞれ算出する単位降水量算出手段をさらに備え、記憶部で、各ブロックのうち対象区域を構成する解析ブロックを記憶し、降水量積算手段で、解析ブロックについて算出した単位降水量データに基づいて解析ブロックごとに積算降水量データをそれぞれ算出し、流出量推定手段で、解析ブロックごとに積和演算値を算出し、これら積和演算値の総和に基づき対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出するようにしてもよい。

また、記憶部で、各解析ブロック内における対象区域の割合を示す面積補正係数をそれぞれ記憶し、流出量推定手段で、解析ブロックごとに算出した積和演算値を当該計測メッシュの面積補正係数で補正した後、これら補正後の積和演算値の総和に基づき対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出するようにしてもよい。
また、流量データとして、対象区域から流出した雨水を含む雨天時の流量と非雨天時の流量との差を示す雨天増分流量を用いてもよい。

本発明にかかるプログラムは、降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を推定する雨水流出量推定装置のコンピュータに、対象区域における降水量の時系列変化を示す降水量データと、幹線水路の下流側に設けられた計測点での流量の時系列変化を示す流量データと、降水量データに対する複数の積算期間を示す積算期間データとを記憶部で記憶する記憶ステップと、降水量積算手段により、積算期間データの各積算期間に基づいて降水量データを積算することにより、積算期間ごとに、対象区域における積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データを算出する降水量積算ステップと、相関値算出手段により、各積算期間の積算降水量データと流量データの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析し、両者の相関値を積算期間ごとに算出する相関値算出ステップと、流出量推定手段により、各積算期間の積算降水量データと相関値との積和演算値を対象区域から流出する雨水流出量の推定データとして出力する流出量推定ステップとを実行させる。

本発明によれば、降水量積算手段により、所定の各積算期間に基づいて各計測メッシュの降水量データがそれぞれ積算されて、積算期間ごとに、各計測メッシュにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データが算出され、相関値算出手段により、積算降水量データと流量データの時系列変化がそれぞれパターンマッチング分析されて、両者の相関値が各計測メッシュについて積算期間ごとに算出され、流出量推定手段により、各積算期間の積算降水量データと相関値との積和演算値が各計測メッシュごとに算出され、これら積和演算値の総和に基づき対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データが算出される。

これにより、河道や下水道に関する構造・設備データ、対象区域の地形データや土地の保水性を示すデータなど、極めて多くの種類のデータを収集することなく、降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を時系列で容易に推定できる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置の構成を示すブロック図である。

この雨水流出量推定装置１０は、下水道や河川などの幹線水路２の流域である対象流域１で計測された降水量データ６１と、幹線水路２のうち対象流域１の下流側に設けた計測点Ｐで計測された流量データ６２とを計測データ６として取り込み、これら計測データ６に基づいて、降雨時に対象流域１内の任意の対象区域３から幹線水路２へ流出する雨水流出量を時系列で推定する装置である。

本実施の形態は、所定の各積算期間に基づいて各計測メッシュの降水量データをそれぞれ積算することにより、積算期間ごとに、各計測メッシュにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データを算出し、積算降水量データと流量データの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析し、両者の相関値を各計測メッシュについて積算期間ごとに算出し、各積算期間の積算降水量データと相関値との積和演算値を計測メッシュごとに算出し、これら積和演算値の総和に基づき対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出するようにしたものである。

以下、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置１０の構成について詳細に説明する。
雨水流出量推定装置１０は、全体として、入力された処理情報に対して演算処理を行うことにより所望の情報を出力するパーソナルコンピュータなどの情報処理装置からなり、データ入力部１１、操作入力部１２、画面表示部１３、データ出力部１４、記憶部１５、および演算処理部１６が設けられている。

データ入力部１１は、専用インターフェース回路部からなり、外部の装置または記録媒体から雨水流出量推定処理に用いる計測データ６やその他データを取り込む機能と、取り込んだデータを記憶部１５へ保存する機能とを有している。
このデータ入力部１１で取り込まれる主な計測データ６としては、降水量データ６１と流量データ６２がある。

降水量データ６１は、雨水流出量の推定を行うために選択した所定の推定対象期間において、対象流域１のうち計測点Ｐの上流側に位置する任意の対象区域３で計測された降水量の時系列変化を示すデータである。対象区域３は、幹線水路２に接続されている支水路の構成に基づき区分されている。この降水量データ６１は、一般的な気象データを提供するアメダスなどの気象観測システム４から所望のパラメータを入手すればよく、例えば気象庁からは１時間周期で、また河川情報センタからは１０分周期でそれぞれ提供されている。

流量データ６２は、上記推定対象期間において、幹線水路２の下流側に設けられた計測点Ｐで計測された水の流量の時系列変化を示すデータである。幹線水路２が下水管渠の場合には、下水処理場で計測した下水流入量を用いればよく、幹線水路２が河川の場合には、河川に設けられた観測所で計測した河川流量を用いればよい。この流量データ６２は、例えば面速式流量計測方法など公知の計測方法で計測したものを用いればよい。

操作入力部１２は、キーボードやマウスなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出して演算処理部１６へ出力する機能を有している。
画面表示部１３は、ＬＣＤやＰＤＰなどの画面表示装置からなり、演算処理部１６からの指示に応じて、操作メニューや流出量推定データを画面表示する機能を有している。
データ出力部１４は、専用インターフェース回路からなり、演算処理部１６からの指示に応じて、流出量推定データ７などの各種処理データを外部装置や記録媒体へ出力する機能を有している。

記憶部１５は、ハードディスクやメモリなどの記憶装置からなり、演算処理部１６での処理に用いる各種処理データやプログラム１５Ｐを記憶する機能を有している。プログラム１５Ｐは、演算処理部１６に読み込まれて実行されるプログラムであり、外部装置や記憶媒体から予め読み込まれて記憶部１５へ保存される。
記憶部１５で記憶される主な処理データとしては、降水量データ１５Ａ、流量データ１５Ｂ、積算期間データ１５Ｃ、対象区域データ１５Ｄ、単位降水量データ１５Ｅ、積算降水量データ１５Ｆ、相関値１５Ｇ、および流出量推定データ１５Ｈがある。

降水量データ１５Ａおよび流量データ１５Ｂは、データ入力部１１で計測データ６として取り込まれた降水量データ６１や流量データ６２が保存されたものである。
積算期間データ１５Ｃは、降水量データ１５Ａに対する複数の積算期間を示すデータであり、予めデータ入力部１１や操作入力部１２から入力されて記憶部１５へ保存されている。
対象区域データ１５Ｄは、対象流域１内の対象区域３の構成を示すデータであり、予めデータ入力部１１や操作入力部１２から入力されて記憶部１５へ保存されている。

一般に、降水量データは例えば１ｋｍ四方の計測メッシュごとに提供されており、対象区域３が複数の計測メッシュにわたる場合には、対象区域３と計測メッシュの対応関係を示すデータが必要となる。また、対象区域３の境界が計測メッシュを横切る場合の面積補正に対応するため、計測メッシュを格子状のブロックに分割した場合、これらブロックのうち対象区域３内に含まれるものを解析ブロックとして区別する必要があり、計測メッシュごとに解析ブロックの割合を示す面積補正係数が必要となる。本実施の形態では、これら対象区域３と計測メッシュとの対応関係、対象区域３に含まれる解析ブロックを示す識別情報、および計測メッシュごとの面積補正係数を対象区域データ１５Ｄとして予め記憶部１５に保存しておく。

単位降水量データ１５Ｅは、各解析ブロックにおける降水量を示す時系列データであり、演算処理部１６により、各計測メッシュの降水量データ１５Ａが相互に補間演算されて算出され、記憶部１５に保存される。
積算降水量データ１５Ｆは、各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅを積算期間ごとに積算した時系列データであり、演算処理部１６により、各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅが積算期間データ１５Ｃの積算期間ごとに積算されて算出され、記憶部１５に保存される。

相関値１５Ｇは、各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅと流量データ１５Ｂとの相関値を示すデータであり、演算処理部１６により、各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅと流量データ１５Ｂの時系列変化がそれぞれパターンマッチング分析されて、それぞれの最大相関値が算出され、記憶部１５に保存される。
流出量推定データ１５Ｈは、降雨に応じて対象区域３から幹線水路２へ流出した雨水の流出量を示すデータであり、演算処理部１６により、各解析ブロックの積算降水量データ１５Ｆと相関値１５Ｇとの積和演算値に基づいて算出され、記憶部１５に保存される。

演算処理部１６は、ＣＰＵやＤＳＰなどのマイクロプロセッサとその周辺回路を有し、記憶部１５からプログラム１５Ｐを読み込んで実行することにより、雨水流出量推定処理に必要な各種機能手段を実現する。
演算処理部１６により実現される主な機能手段としては、単位降水量推定手段１６Ａ、降水量積算手段１６Ｂ、相関値算出手段１６Ｃ、および流出量推定手段１６Ｄがある。

単位降水量推定手段１６Ａは、記憶部１５に保存されている各計測メッシュの降水量データ１５Ａを相互に補間演算することにより、各解析ブロックにおける降水量の時系列変化を示す単位降水量データ１５Ｅをそれぞれ算出して、記憶部１５へ保存する機能を有している。
降水量積算手段１６Ｂは、記憶部１５に保存されている各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅを積算期間データ１５Ｃの積算期間ごとに積算することにより、各解析ブロックにおける積算降水量データ１５Ｆをそれぞれ算出して、記憶部１５へ保存する機能を有している。

相関値算出手段１６Ｃは、記憶部１５に保存されている各解析ブロックの単位降水量データ１５Ｅと流量データ１５Ｂの時系列変化を、積算期間ごとにそれぞれパターンマッチング分析する機能と、この分析結果に基づき両者の相関値１５Ｇをそれぞれ算出して、記憶部１５へ保存する機能を有している。

流出量推定手段１６Ｄは、解析ブロックごとに、記憶部１５に保存されている各積算期間の相関値１５Ｇと積算降水量データ１５Ｆとを積和演算する機能と、計測メッシュごとに、当該計測メッシュ内の各解析ブロックの積和演算値の総和を算出する機能と、これら総和に当該計測メッシュの面積補正係数を積算して当該計測メッシュの雨水流出量を算出する機能と、これら各計測メッシュの雨水流出量の総和を算出し、対象区域３から流出する所望の流出量推定データ１５Ｈとして記憶部１５へ保存する機能とを有している。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置の動作を示す動作フロー図である。
雨水流出量推定装置１０の演算処理部１６は、オペレータによる雨水流出量推定処理の開始要求操作が操作入力部１２により検出された場合、図２の雨水流出量推定処理を開始する。以下では、幹線水路２が下水幹線からなり、降雨に応じて対象流域１の対象区域３から合流点Ｊを介して幹線水路２へ流出する雨水の量を推定する場合を例に説明する。

雨水流出量推定処理には、主な処理として、単位降水量推定手段１６Ａによる単位降水量推定処理、降水量積算手段１６Ｂによる降水量積算処理、相関値算出手段１６Ｃによる相関値算出処理、および流出量推定手段１６Ｄによる流出量推定処理がある。以下、これら処理についてそれぞれ詳細に説明する。
この際、雨水流出量推定処理の開始時には、データ入力部１１により、計測データ６が取り込まれて記憶部１５に保存されているものとする。この場合、気象観測システム４で得られた降水量データ６１が降水量データ１５Ａとして保存され、流量計測システム５で得られた流量データ６２が流量データ１５Ｂとして保存される。

図３は、降水量データを示す説明図である。降水量データ６１は、対象流域１内の各地点で計測した降水量変化を示す時系列データからなり、雨水流出量推定処理では、数年間の長期にわたって計測したものを用いる。気象観測システムでは、一般的に観測領域を格子状に分割し、個々の計測メッシュごとに降水量データを提供しており、雨水流出量推定処理では、対象流域１に対応する計測メッシュの降水量データ６１を用いる。

図４は、流量データを示す説明図である。流量データ６２は、計測点Ｐで計測した幹線水路２の流量変化を示す時系列データからなり、雨水流出量推定処理では、数年間の長期にわたって計測したものを用いる。本実施の形態のように、下水幹線からなる幹線水路２へ流出する雨水を推定する場合、幹線水路２の下流に設けられている下水処理場の流量計測システム５で計測した下水流入量を流量データ６２として用いればよい。

［単位降水量推定処理］
まず、図５〜図７を参照して、雨水流出量推定処理における単位降水量推定処理について説明する。図５は、単位降水量推定処理を示すフローチャートである。図６は、対象区域と計測メッシュとの関係を示す説明図である。図７は、計測メッシュと解析ブロックとの関係を示す説明図である。

前述したように、気象観測システム４で得られた降水量データ６１は、予め気象観測システムで設定した計測メッシュＭごとに計測したデータである。アメダスなどの気象観測システムでは、１ｋｍ四方の計測メッシュごとに計測した降水量データが提供されている。このため、図６に示すように、雨水流出量の推定対象となる対象区域３の複雑な形状と矩形の計測メッシュＭとの差が大きく、降水量データ６１をそのまま利用した場合、上記形状の差に起因する誤差が生じ、雨水流出量の推定精度は低下する。

本実施の形態では、図７に示すように、計測メッシュＭをさらに格子状のブロックＢに１６分割し、これらブロックごとの降水量すなわち単位降水量を用いて雨水流出量を推定している。これにより、２５０ｍ四方のブロックごとに単位降水量データが得られるため、対象区域３とブロックとの形状誤差が少なくなり、雨水流出量の推定精度を向上させることができる。この際、対象区域３の境界がブロック内を横切る場合もある。このため、本実施の形態では、各ブロック内における対象区域３の面積占有率を面積補正係数として対象区域データ１５Ｄで管理しておき、各ブロックについて雨水流出量を推定する際に面積補正係数を用いて補正している。

この単位降水量推定処理では、計測メッシュＭごとに得られた降水量データを補間することにより、各ブロックＢの単位降水量データＲ（Ｂ）を推定している。なお、これら対象区域３と計測メッシュとの対応関係や、対象区域３に含まれる解析ブロックを示す識別情報は、予め記憶部１５に保存されている対象区域データ１５Ｄを参照すればよい。

図５の単位降水量推定において、演算処理部１６の単位降水量推定手段１６Ａは、まず、記憶部１５の降水量データ１５Ａから、対象流域１内の各計測メッシュＭにおける降水量データＲ（Ｍ）を取得し（ステップ１００）、各計測メッシュＭにおける降水量データＲ（Ｍ）を相互に補間演算する（ステップ１０１）。この際、降水量データＲ（Ｍ）は時系列データであることから、同一時刻ごとに各計測メッシュＭにおける降水量データＲ（Ｍ）を相互に補間演算する。なお、補間演算については、例えば多変数スプライン処理を用いて等高線データを算出するなど多くの算出手法が提案されており、公知の演算処理を利用すればよい。

続いて、単位降水量推定手段１６Ａは、記憶部１５の対象区域データ１５Ｄを参照して、各ブロックＢのうち対象区域３を構成する解析ブロックＢを確認し（ステップ１０２）、上記補間演算結果に基づいて、これら解析ブロックＢごとに時系列で変化する降水量、すなわち単位降水量データＲ（Ｂ）を算出した後、記憶部１５へ単位降水量データ１５Ｅとして保存し（ステップ１０３）、一連の単位降水量算出処理を終了する。

［降水量積算処理］
次に、図８〜１０を参照して、雨水流出量推定処理における降水量積算処理について説明する。図８は、降水量積算処理を示すフローチャートである。図９は、単位降水量データを示す説明図である。図１０は、積算降水量データを示す説明図である。

幹線水路２の下流側に設けられた計測点Ｐにおける流量には、実質的にその上流側の対象区域３での降水量が含まれる。この際、計測点Ｐでの流量は、対象区域３での降水量そのものより、これを積算した積算降水量と相関が高く、このような関係は、例えば降水量に基づき流量を推定する推定モデルにおいて入出力変数として利用されている（例えば、特許３７９５７７５号公報など参照）。

本実施の形態では、対象区域３の積算降水量を算出し、上記のような積算降水量と流量の関係を利用して、対象区域３からの雨水流出量を推定している。したがって、降水量積算処理を開始する前に、例えば上記推定モデルを用いて、計測点Ｐの流量と相関の高い積算降水量をいくつか特定しておき、これら積算降水量の算出に用いた積算期間Ｘを積算期間データ１５Ｃとして予め記憶部１５に保存しておけばよい。

図８の降水量積算処理において、演算処理部１６の降水量積算手段１６Ｂは、まず、記憶部１５の積算期間データ１５Ｃから各積算期間Ｘを取得し（ステップ１１０）、対象区域３のうち降水流積算処理が終了していない未処理の解析ブロックＢを選択する（ステップ１１１）。
次に、降水量積算手段１６Ｂは、記憶部１５の単位降水量データ１５Ｅから当該解析ブロックＢの単位降水量データＲ（Ｂ）を取得し（ステップ１１２）、積算期間Ｘごとに単位降水量データＲ（Ｂ）を積算して積算降水量データＲａ（Ｘ，Ｂ）を算出し、積算降水量データ１５Ｆとして記憶部１５へ順次保存する（ステップ１１３）。

図９の単位降水量データＲ（Ｂ）は、解析ブロックＢにおける単位時間、ここでは１時間当たりの降水量の時系列変化を示すデータからなる。積算期間Ｘは、数時間から数十時間の期間長示すデータであり、図１０ではＸ１〜Ｘｎのｎ個の積算期間が用いられている。この際、例えば時刻ｔにおける積算期間Ｘ１の積算降水量データＲａ（Ｘ１，Ｂ，ｔ）は、時刻ｔの単位降水量データＲ（Ｂ，ｔ）から時刻ｔ＋Ｘ１の単位降水量データＲ（Ｂ，ｔ＋Ｘ１）まで積算することにより求められる。

このようにして、選択した解析ブロックＢについて、積算期間Ｘごとに積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データＲａ（Ｘ，Ｂ）が算出され、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて降水量積算処理が終了していない場合には（ステップ１１４：ＮＯ）、ステップ１１１へ戻って次の未処理解析ブロックに関する降水量積算処理を実行する（ステップ１１１〜１１３）。
また、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて降水量積算処理が終了した場合には（ステップ１１４：ＮＯ）、一連の降水量積算処理を終了する。

［相関値算出処理］
次に、図１１および図１２を参照して、雨水流出量推定処理における相関値算出処理について説明する。図１１は、相関値算出処理を示すフローチャートである。図１２は、パターンマッチング分析処理を示す説明図である。

前述したように、計測点Ｐでの流量は、対象区域３での降水量そのものより、これを積算した積算降水量と相関が高く、このことから、計測点Ｐの流量には、対象区域３の降水量のうち、各積算期間Ｘの積算降水量の成分がそれぞれ固有の比率ずつ含まれていると捉えることができる。
本実施の形態では、各積算期間Ｘの積算降水量の成分が計測点Ｐの流量に含まれる比率として、時系列の積算降水量データＲａ（Ｘ，Ｂ）と流量データＷとのパターンマッチング分析で得られる相関値を算出している。

図１１の相関値算出処理において、演算処理部１６の相関値算出手段１６Ｃは、まず、記憶部１５から流量データ１５Ｂを取得し（ステップ１２０）、対象区域３のうち降水流積算処理が終了していない未処理の解析ブロックＢを選択する（ステップ１２１）。
次に、相関値算出手段１６Ｃは、積算期間Ｘごとに、記憶部１５の単位降水量データ１５Ｅから当該解析ブロックＢの降水量積算データＲａ（Ｘ，Ｂ）を取得し、この降水量積算データＲａ（Ｘ，Ｂ）と流量データＷとをパターンマッチング分析する（ステップ１２２）。

パターンマッチング分析処理では、図１２に示すように、積算降水量データＲａ（Ｘ，Ｂ）を時間軸上で順次シフトさせて、流量Ｗとの相関値をそれぞれ求める。そして、その最大相関値を両者の相関値Ｃ（Ｔ，Ｐ）として選択し、相関値１５Ｇとして記憶部１５へ順次保存する（ステップ１２３）。

この際、流量データ１５Ｂには、降雨により対象流域１から流出した雨水のほか、対象流域１全域にわたって降雨が観測されていない非雨天時でも流入する生活排水や工場排水が含まれている可能性がある。
ここで、このような非雨天時流量が小さく、所望する雨水流出量推定の許容誤差範囲内である場合は、幹線水路２から計測された流量データ１５Ｂを用いればよい。

一方、非雨天時流量が大きい場合には、流量データ１５Ｂとして、計測流量から非雨天時流量を除いた雨天増水分流量を用いればよい。季節や気温、さらには曜日や休日に応じて、上水道の消費量は変化するものの、非雨天下における上水道の消費量すなわち非雨天下水量は、２４時間ごとにほぼ同一パターンで変化することが知られており、この下水量については精度よく推定することができる（例えば、特許３７５４２６７号公報など参照）。

このようにして、選択した解析ブロックＢについて、積算期間Ｘごとに積算降水量データＲａ（Ｘ，Ｂ）と流量データＷの相関値Ｃ（Ｘ，Ｂ）が算出され、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて相関値算出処理が終了していない場合には（ステップ１２４：ＮＯ）、ステップ１２１へ戻って次の未処理解析ブロックに関する降水量積算処理を実行する（ステップ１２１〜１２３）。
また、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて降水量積算処理が終了した場合には（ステップ１２４：ＮＯ）、一連の相関値算出処理を終了する。

［流出量推定処理］
次に、図１３を参照して、雨水流出量推定処理における流出量推定処理について説明する。図１３は、流出量推定処理を示すフローチャートである。
本実施の形態では、各積算期間Ｘの積算降水量の成分が計測点Ｐの流量に含まれる比率として相関値１５Ｇを用い、これら積算降水量データ１５Ｆと相関値１５Ｇの積和演算値に基づき、対象区域３からの雨水流出量を推定している。

図１３の流出量推定処理において、演算処理部１６の流出量推定手段１６Ｄは、まず、対象区域３のうち積和演算処理が終了していない未処理の解析ブロックＢを選択し（ステップ１３０）、記憶部１５の積算降水量データ１５Ｆから当該解析ブロックにおける各積算期間Ｘの積算降水量Ｒａ（Ｘ，Ｂ）を取得するとともに、相関値１５Ｇから当該解析ブロックにおける各積算期間Ｘの相関値Ｃ（Ｘ，Ｂ）を取得する（ステップ１３１）。
続いて、流出量推定手段１６Ｄは、各積算期間Ｘの積算降水量Ｒａ（Ｘ，Ｂ）と相関値Ｃ（Ｘ，Ｂ）との積和演算値Ｙ（Ｂ）＝ΣＲａ（Ｘｉ，Ｂ）・Ｃ（Ｘｉ，Ｂ）、但しＸｉ＝Ｘ１〜Ｘｎを算出する（ステップ１３２）。

次に、流出量推定手段１６Ｄは、記憶部１５の対象区域データ１５Ｄから当該解析ブロックＢの面積補正係数Ｓ（Ｂ）を取得し（ステップ１３３）、この面積補正係数Ｓ（Ｂ）で積和演算値Ｙ（Ｂ）を補正することにより、当該解析ブロックＢからの雨水流出量Ｑ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ）・Ｙ（Ｂ）を算出する（ステップ１３４）。
このようにして、選択した解析ブロックＢについて雨水流出量Ｑ（Ｂ）が算出され、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて積和演算処理が終了していない場合には（ステップ１３５：ＮＯ）、ステップ１３０へ戻って次の未処理解析ブロックに関する積和演算処理を実行する（ステップ１３０〜１３２）。

また、対象区域３内のすべての解析ブロックＢについて積和演算処理が終了した場合は（ステップ１３５：ＮＯ）、流出量推定手段１６Ｄは、各解析ブロックＢの雨水流出量ＱＢ）の総和を得ることにより、対象区域３からの雨水流出量の推定値Ｑを算出し、流出量推定データ１５Ｈとして記憶部１５へ保存し、必要に応じて画面表示部１３により画面表示し、あるいはデータ出力部１４から外部装置や記録媒体へ出力し（ステップ１３６）、一連の流出量推定処理を終了する。

このように、本実施の形態は、演算処理部１６において、降水量積算手段１６Ｂにより、所定の各積算期間Ｘに基づいて対象区域３を格子状に分割して設けた各計測メッシュＭの降水量データ１５Ａを積算することにより、積算期間Ｘごとに、各計測メッシュＭにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データ１５Ｆを算出し、相関値算出手段１６Ｃにより、これら積算降水量データ１５Ｆと流量データ１５Ｂの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析して、両者の相関値１５Ｇを各計測メッシュについて積算期間Ｘごとに算出し、流出量推定手段１６Ｄにより、各積算期間Ｘの積算降水量データ１５Ｆと相関値１５Ｇとの積和演算値を計測メッシュごとに算出し、これら積和演算値の総和に基づき対象区域３から流出する雨水流出量の推定データを算出している。

これにより、河道や下水道に関する構造・設備データ、対象区域の地形データや土地の保水性を示すデータなど、極めて多くの種類のデータを収集することなく、降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を時系列で容易に推定できる。

また、本実施の形態では、対象区域３を格子状に分割して設けた計測メッシュごとに、積算降水量、相関値、および積和演算値をそれぞれ算出し、得られた積和演算値の総和に基づき、対象区域３から流出する雨水流出量を推定するようにしたので、雨水流出量を推定する対象区域３全体の降水量が得られない場合でも、対象区域３の雨水流出量を推定できる。

また、本実施の形態において、計測メッシュＭをブロックＢに細分化し、対象区域３と対応する解析ブロックＢごとに、積算降水量、相関値、および積和演算値をそれぞれ算出し、得られた積和演算値の総和に基づき、対象区域３から流出する雨水流出量を推定するようにしてもよく、計測メッシュを単位として算出した積和演算値に基づき雨水流出量を推定する場合と比較して、解析ブロックＢと対象区域３の形状を一致させることができ、形状の相違による推定誤差を抑制でき、高い精度で雨水流出量を推定できる。

さらに、解析ブロック内における対象区域３の割合を示す面積補正係数に基づいて、解析ブロックごとに算出した積和演算値を補正した後、これら補正後の積和演算値の総和に基づき雨水流出量を推定するようにしたので、単に解析ブロックごとに積和演算値に基づき雨水流出量を推定する場合と比較して、極めて高い精度で雨水流出量を推定できる。

また、本実施の形態において、流量データ１５Ｂとして、対象区域３から流出した雨水を含む雨天時の流量と非雨天時の流量との差を示す雨天増分流量を用いてもよく、非雨天時の流量に起因する推定誤差を抑制でき、極めて高い精度で雨水流出量を推定できる。

［第２の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置を用いた雨水流出量推定システムについて説明する。図１４は、本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定システムの構成を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、降水量データの積算期間Ｘは、予め積算期間データ１５Ｃとして記憶部１５に設定されている場合を例として説明した。本実施の形態では、第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置１０で用いた積算期間Ｘを決定する機能を有する雨水流出量推定システムについて説明する。

この雨水流出量推定システムは、配水量予測装置２０、流入量予測装置３０、および雨水流出量推定装置１０から構成されている。
雨水流出量推定装置１０は、第１の実施の形態で説明した雨水流出量推定装置からなり、流入量予測装置３０からの積算期間データ３３をデータ入力部１１から取り込み、積算期間データ１５Ｃとして記憶部１５に保存する機能と、配水量予測装置２０からの配水量予測データ２４を非雨天時流量データと見なしてデータ入力部１１から取り込み、流量データ６２から非雨天時流量データを減算したものを流量データ１５Ｂとして記憶部１５へ保存する機能を有している。

配水量予測装置２０は、公知の配水量予測装置からなり（例えば特許３７５４２６号公報など参照）、過去に浄水設備から上水道を介して対象流域１の水需要家に対して配水した配水量と、そのときの対象流域１における時間パラメータ（日時や曜日）や環境パラメータ（気温や天候）との組を実績データ２２として取り込み、これら実績データ２２から事例ベースモデリング技術を用いて事例ベースからなる配水量予測モデル２１を作成する機能と、対象流域１が非雨天時の場合を示す新たな時間パラメータや環境パラメータを予測条件２３として取り込んで、配水量予測モデル２１を参照して当該予測条件２３に対応する配水量を導出し、推定対象期間における非雨天時分の配水量の時系列変化を示す配水量予測データ２４として出力する機能とを有している。

流入量予測装置３０は、公知の流入量予測装置からなり（例えば特許３７９５７７５号公報など参照）、配水量予測装置２０で得られた配水量予測データ２４を下水処理設備に入流した対象流域１からの非雨天流量と見なし、この非雨天流量データと推定対象期間において計測した下水処理設備への下水流入量を示す流量データとそのときの対象流域１における気象データ（降水量や気温）との組を履歴データ３２として取り込み、流量データと非雨天流量データとの差分である雨天増分流量データと気象データとの組から事例ベースモデリング技術を用いて事例ベースからなる流入量予測モデル３１を作成する機能と、この流入量予測モデル３１の主要入力変数として用いた各積算降水量の積算期間を積算期間データ３３として出力する機能を有している。

［第２の実施の形態の動作］
次に、図１５を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定システムの動作について説明する。図１５は、本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定システムでの積算期間選択動作を示すフローチャートである。

まず、配水量予測装置２０において、対象流域１から得た実績データ２２に基づき配水量予測モデル２１を作成し（ステップ２００）、対象流域１が非雨天時の場合を示す予測条件２３に基づき配水量予測モデル２１を参照して、推定対象期間における非雨天時分の配水量の時系列変化を示す配水量を導出し、配水量予測データ２４として出力する（ステップ２０１）。

図１６は、雨天増分流量を示す説明図である。前述したように、計測点Ｐで計測した流量データ１５Ｂには、降雨により対象流域１から流出した雨水のほか、対象流域１全域にわたって降雨が観測されていない非雨天時でも流入する生活排水や工場排水が含まれている可能性がある。したがって、配水量予測モデル２１により、対象流域１が非雨天時の場合を示す予測条件２３を用いて、推定対象期間における非雨天時分の配水量の時系列変化を示す配水量予測データ２４すなわち非雨天流量データを予測しておき、この非雨天流量データと計測点Ｐで実測した流量データ６２との差分から雨天時に増分した流量、すなわち対象流域１からの雨水流出量に対応した雨天増分流量を得ることができる。

次に、流入量予測装置３０において、推定対象期間に計測点Ｐで得られた流量データ１５Ｂから配水量予測装置２０で得られた配水量予測データ２４すなわち非雨天時流量データを減算することにより雨天増分流量データを算出し（ステップ２０２）、この雨天増分流量データに基づいて流入量予測モデル３１を作成する（ステップ２０３）。そして、この流入量予測モデル３１の主要入力変数として用いた各積算降水量の積算期間を積算期間データ３３として出力し（ステップ２０４）、一連の積算期間選択動作が終了する。

対象流域１からの雨水は、幹線水路２をはじめとする各種経路を介して計測点Ｐへ到達するため、計測点Ｐで計測される流量データには、その経路の容量成分に起因した時間遅れや丸め作用が働く。このため、対象流域１での降水量データに比べて、降水量データを積算した積算降水量データのほうが流量データとの相関が高く、流入量予測モデル３１でも、予測流入量に対して大きな影響を与える主要入力変数として、積算降水量データが多く用いられている。したがって、これら積算降水量の積算期間は雨水流出量の推定に有用である。

したがって、雨水流出量推定装置１０は、流入量予測装置３０からの積算期間データ３３をデータ入力部１１から取り込み、積算期間データ１５Ｃとして記憶部１５に保存し、降水量データ１５Ａの積算に用いればよい。また、配水量予測装置２０からの配水量予測データ２４を非雨天時流量データと見なしてデータ入力部１１から取り込み、流量データ６２から非雨天時流量データを減算したものすなわち雨天増分流量を流量データ１５Ｂとして用いてもよい。

このように、本実施の形態では、配水量予測装置２０により、対象流域１から得た実績データ２２に基づき作成した配水量予測モデル２１を参照して、推定対象期間における非雨天時分の配水量の時系列変化を示す配水量予測データ２４を導出し、流入量予測装置３０により、この配水量予測データ２４と計測点Ｐで計測した流量データ１５Ｂとの差分からなる雨天増分流量データに基づき流入量予測モデル３１を作成し、この流入量予測モデル３１の主要入力変数として用いた各積算降水量の積算期間を積算期間データ３３として出力するようにしたので、雨水流出量の推定に有用な積算期間を容易に選択することができる。

また、本実施の形態では、対象流域１で得た履歴データ３２に基づき流入量予測モデル３１を作成し、その主要入力変数である積算降水量で用いられた積算期間を選択しているため、対象流域１の水路構成や地形に起因する、対象流域１に固有の雨水流出過程が考慮された、雨水流出量の推定に最適な積算期間を選択することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる雨水流出量推定装置の動作を示す動作フロー図である。 降水量データを示す説明図である。 流量データを示す説明図である。 単位降水量推定処理を示すフローチャートである。 対象区域と計測メッシュとの関係を示す説明図である。 計測メッシュと解析ブロックとの関係を示す説明図である。 降水量積算処理を示すフローチャートである。 単位降水量データを示す説明図である。 積算降水量データを示す説明図である。 相関値算出処理を示すフローチャートである。 パターンマッチング分析処理を示す説明図である。 流出量推定処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる雨水流出量推定システムでの積算期間選択動作を示すフローチャートである。 雨天増分流量データを示す説明図である。

符号の説明

１…対象流域、２…幹線水路、３…対象区域、４…気象観測システム、５…流量計測システム、６…計測データ、６１…降水量データ、６２…流量データ、７…流出量推定データ、１０…雨水流出量推定装置、１１…データ入力部、１２…操作入力部、１３…画面表示部、１４…データ出力部、１５…記憶部、１５Ａ…降水量データ、１５Ｂ…流量データ、１５Ｃ…積算期間データ、１５Ｄ…対象区域データ、１５Ｅ…単位降水量データ、１５Ｆ…積算降水量データ、１５Ｇ…相関値、１５Ｈ…流出量推定データ、１５Ｐ…プログラム、１６…演算処理部、１６Ａ…単位降水量推定手段、１６Ｂ…降水量積算手段、１６Ｃ…相関値算出手段、１６Ｄ…流出量推定手段、２０…配水量予測装置、２１…配水量予測モデル、２２…実績データ、２３…予測条件、２４…配水量予測データ、３０…流入量予測装置、３１…流入量予測モデル、３２…履歴データ、３３…積算期間データ、Ｐ…計測点、Ｊ…合流点、Ｍ…計測メッシュ、Ｂ…解析ブロック。

Claims (5)

1. 降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水流出量の時系列変化を推定する雨水流出量推定装置であって、
   前記対象区域を格子状に分割して設けた各計測メッシュにおける降水量の時系列変化を示す降水量データと、前記幹線水路の下流側に設けられた計測点における流量の時系列変化を示す流量データと、前記降水量データに対する複数の積算期間を示す積算期間データとを記憶する記憶部と、
   前記各積算期間に基づいて前記各計測メッシュの前記降水量データをそれぞれ積算することにより、前記積算期間ごとに、前記各計測メッシュにおける積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データを算出する降水量積算手段と、
   前記積算降水量データと前記流量データの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析し、両者の相関値を前記各計測メッシュについて前記積算期間ごとに算出する相関値算出手段と、
   前記各積算期間の前記積算降水量データと前記相関値との積和演算値を前記計測メッシュごとに算出し、これら積和演算値の総和に基づき前記対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出する流出量推定手段と
   を備えることを特徴とする雨水流出量推定装置。
2. 請求項１に記載の雨水流出量推定装置において、
   前記各計測メッシュの降水量データを相互に補間演算することにより、前記各計測メッシュを格子状に分割して設けた各ブロックにおける降水量の時系列変化を示す単位降水量データをそれぞれ算出する単位降水量算出手段をさらに備え、
   前記記憶部は、前記各ブロックのうち前記対象区域を構成する解析ブロックを記憶し、
   前記降水量積算手段は、前記解析ブロックについて算出した単位降水量データに基づいて前記解析ブロックごとに前記積算降水量データをそれぞれ算出し、
   前記流出量推定手段は、前記解析ブロックごとに前記積和演算値を算出し、これら積和演算値の総和に基づき前記対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出する
   ことを特徴とする雨水流出量推定装置。
3. 請求項１に記載の雨水流出量推定装置において、
   前記記憶部は、前記各解析ブロック内における前記対象区域の割合を示す面積補正係数をそれぞれ記憶し、
   前記流出量推定手段は、前記解析ブロックごとに算出した前記積和演算値を当該計測メッシュの面積補正係数で補正した後、これら補正後の積和演算値の総和に基づき前記対象区域から流出する雨水流出量の時系列変化を示す流出量推定データを算出する
   ことを特徴とする雨水流出量推定装置。
4. 請求項１に記載の雨水流出量推定装置において、
   前記流量データは、前記対象区域から流出した雨水を含む雨天時の流量と非雨天時の流量との差を示す雨天増分流量からなることを特徴とする雨水流出量推定装置。
5. 降雨に応じて任意の対象区域から下水道や河川などの幹線水路に流出する雨水の流出量を推定する雨水流出量推定装置のコンピュータに、
   前記対象区域における降水量の時系列変化を示す降水量データと、前記幹線水路の下流側に設けられた計測点での流量の時系列変化を示す流量データと、前記降水量データに対する複数の積算期間を示す積算期間データとを記憶部で記憶する記憶ステップと、
   降水量積算手段により、前記積算期間データの各積算期間に基づいて前記降水量データを積算することにより、前記積算期間ごとに、前記対象区域における積算降水量の時系列変化を示す積算降水量データを算出する降水量積算ステップと、
   相関値算出手段により、前記各積算期間の積算降水量データと前記流量データの時系列変化をそれぞれパターンマッチング分析し、両者の相関値を前記積算期間ごとに算出する相関値算出ステップと、
   流出量推定手段により、前記各積算期間の前記積算降水量データと前記相関値との積和演算値を前記対象区域から流出する雨水流出量の推定データとして出力する流出量推定ステップと
   を実行させるプログラム。

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