JP2008185489A - Snow melt runoff prediction system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve prediction accuracy of snow melt runoff. <P>SOLUTION: This snow melt runoff prediction system 100 receives measured meteorological data including rainfall data before the current state in a target basin and predicted meteorological data after the current state with a data collector 200. In a data arithmetic device 300, a snow melt calculation section 320 calculates the water amount that flows down on a snow cover layer from a snow surface and is supplied to the soil based on the received meteorological data, and an outflow calculation section 330 calculates the predicted outflow amount using an outflow model based on the calculated water amount supplied to the soil. The snow melt calculation section 320 calculates water amount supplied to the soil based on the snow melt amount and rainfall using a snow cover infiltration model where the snow melt water infiltrates into the snow cover layer and rainfall directly arrives at the soil without infiltration into the snow cover layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、融雪出水予測システムに関する。   The present invention relates to a snowmelt runoff prediction system.

積雪寒冷地における多目的ダムの管理運用にあたっては、灌漑などの利水需要に備えて融雪期に貯水位を高く設定しておく必要がある。一方、地球温暖化による気候変化などを原因として積雪期や融雪期には大雨を伴う異常出水が懸念されるため、貯水位が高い状況での大規模なダム流入量は、安全管理上好ましくない。このように水資源管理と洪水管理の相反する条件下においては、降雨や融雪に伴う流出量を的確に予測することが重要な課題となる。   In the management and operation of multipurpose dams in cold snowy regions, it is necessary to set a high water storage level during the snowmelt season in preparation for water use demand such as irrigation. On the other hand, because there is concern about abnormal water discharge accompanied by heavy rain during the snowy and melting seasons due to climate change due to global warming, large-scale dam inflows with high water storage levels are not desirable for safety management . Under such conflicting conditions of water resource management and flood management, it is important to accurately predict the amount of runoff associated with rainfall and snowmelt.

今日、融雪期の流出量を算定する手法は数多く提案されているが、そのほとんどは、雪面における融雪量の推定(融雪モデル)と河川流出量の推定(流出モデル)を単に組み合わせることで流出量を算定している。しかし、雪面で発生した融雪水は直接土壌に到達するのではなく、積雪内を流下した後で土壌に達する。水が積雪内を流下するには時間がかかるため、融雪水が土壌に到達する時刻は雪面で融雪水が発生した時刻から遅れることになる。この遅れ時間に関しては、融雪水の山腹における積雪内の流下時間と、山腹の地中の流下時間とがほぼ同じであることが示され、融雪流出過程の重要な要素であることが指摘されている。   Today, many methods for calculating runoff during the snowmelt period have been proposed, but most of the runoff is simply by combining the estimation of snowmelt on the snow surface (snowmelt model) and river runoff (runoff model). The amount is calculated. However, the snowmelt generated on the snow surface does not reach the soil directly, but reaches the soil after flowing down the snow. Since it takes time for the water to flow down the snow, the time when the snowmelt reaches the soil is delayed from the time when the snowmelt occurs on the snow surface. Regarding this lag time, it was shown that the flow time in the snow on the hillside of snowmelt water is almost the same as the flow time in the ground on the hillside, indicating that it is an important element of the snowmelt runoff process. Yes.

そこで、従来、融雪出水を予測する方法として、洪水予測といった実用上の観点から積雪層の浸透を取り入れた融雪流出モデルが提案されている(非特許文献1)。この融雪流出モデルは、積雪層の貯留効果を簡単な貯留関数法によってモデル化し(以下「積雪浸透モデル」と呼ぶ)、この手法を組み込んだ融雪流出モデルである。この積雪浸透モデルでは、積雪深によって貯留関数法に含まれる1つのパラメータを変えることで、積雪深の変化に伴う積雪貯留の変化を表現している。
中津川誠、外2名、「積雪貯留を考慮した汎用的な融雪流出解析」、水工学論文集、2004年2月、第48巻、pp.37-42 臼谷友秀、外2名、「石狩川流域における水循環の定量化」、北海道開発土木研究所月報、No.628、2005年9月、pp.18-34 Kondo, J and Yamazki, T, "A Prediction Model for Snowmelt, Snow Surface Temperature and freezing Depth Using a Heat Balance Method", Journal of Applied Meteorology, May 1990, vol.29, pp.375-384 山崎剛、「融雪機構のモデリング」、モデリング技術の最近の進歩に関する講座、1993年、pp.91-106 近藤純正編著、「水環境の気象学−地表面の水収支・熱収支−」、朝倉書店、1994年 石井孝、外2名、「衛星データによる葉面積指数LAIの推定」、水文・水資源学会誌、1999年、第12巻、第3号、pp.210-220 口澤寿、外1名、「熱・水収支を考慮した流域スケールの積雪と蒸発散の推定」、北海道開発土木研究所月報、第588号、pp.19-38 国土交通省・北海道開発局建設部河川管理課監修、(財)北海道河川防災研究センター・研究所編集・発行、「実時間洪水予測システム理論」解説書、平成16年5月 馬場仁志、外2名、「蒸発散及び浸透を組み合わせた二段貯留関数型流出モデルの開発」、水文・水資源学会誌、2001年、第14巻、第5号、pp.364-375 星清、外1名、「雨水流法と貯留関数法との相互関係」、水理講演会論文集、1982年、26、pp.273-278 臼谷友秀、外2名、「積雪層の貯留効果を取り入れた融雪流出モデルの検討」、河川技術論文集、2006年、第12巻、pp.329-334 中津川誠、外2名、「積雪変化を考慮した長期流出計算」、水工学論文集、2003年、第47巻、pp.157-162 Nash, J. E. and Sutcliffe, J. V., "River flow forecasting through conceptual models part Ι - A discussion of principles-", J. of Hydrology, 1970, Vol.10, pp.282-290 吉田順五、「融雪水の積雪内浸透」、低温科学物理篇、1965年、23、pp.1-16
Thus, conventionally, as a method for predicting snowmelt runoff, a snowmelt runoff model that incorporates snow layer infiltration from a practical viewpoint such as flood prediction has been proposed (Non-patent Document 1). This snowmelt runoff model is a snowmelt runoff model in which the storage effect of the snow layer is modeled by a simple storage function method (hereinafter referred to as “snow infiltration model”). In this snow infiltration model, a change in snow storage accompanying a change in snow depth is expressed by changing one parameter included in the storage function method according to the snow depth.
Makoto Nakatsugawa and two others, "A general-purpose snowmelt runoff analysis considering snow storage," Hydrology, February 2004, Vol. 48, pp.37-42 Toshihide Usiya, 2 others, “Quantification of water circulation in the Ishikari River basin”, Hokkaido Development Public Works Research Institute Monthly Report, No.628, September 2005, pp.18-34 Kondo, J and Yamazki, T, "A Prediction Model for Snowmelt, Snow Surface Temperature and freezing Depth Using a Heat Balance Method", Journal of Applied Meteorology, May 1990, vol.29, pp.375-384 Takeshi Yamazaki, “Modeling of Snow Melting Mechanism”, Lecture on Recent Advances in Modeling Technology, 1993, pp.91-106 Kondo Jun, "Meteorology of water environment-water balance and heat balance of the ground surface", Asakura Shoten, 1994 Takashi Ishii and 2 others, “Estimation of leaf area index LAI from satellite data”, Journal of Hydrology and Water Resources, 1999, Vol. 12, No. 3, pp.210-220 Hisashi Kuchizawa, 1 other person, “Estimation of snowfall and evapotranspiration on the basin scale in consideration of heat and water balance”, Hokkaido Engineering Research Institute Monthly Report, No. 588, pp.19-38 Supervised by the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, Hokkaido Development Bureau Construction Department River Management Division, edited and published by Hokkaido River Disaster Prevention Research Center, Research Institute, "Real-time flood prediction system theory", May 2004 Hitoshi Baba and two others, "Development of a two-stage storage function type runoff model combining evapotranspiration and infiltration", Journal of Hydrology and Water Resources, 2001, Vol. 14, No. 5, pp.364-375 Hoshiyoshi, 1 other, “Interrelation between rainwater flow method and storage function method”, Proceedings of Hydraulic Lecture, 1982, 26, pp.273-278 Toshihide Usaya and two others, “Examination of a snowmelt runoff model incorporating the storage effect of a snow layer”, River Technology Papers, 2006, Vol. 12, pp.329-334 Nakatsugawa Makoto and two others, “Long-term Runoff Calculation Considering Changes in Snow Cover”, Journal of Hydraulic Engineering, 2003, Vol. 47, pp.157-162 Nash, JE and Sutcliffe, JV, "River flow forecasting through conceptual models part Ι-A discussion of principles-", J. of Hydrology, 1970, Vol.10, pp.282-290 Jungo Yoshida, “Penetration of snowmelt into snow”, Low Temperature Science Physics, 1965, 23, pp.1-16

しかしながら、従来の融雪出水予測方法(融雪流出モデル)には、次のような問題がある。   However, the conventional snowmelt runoff prediction method (snowmelt runoff model) has the following problems.

この融雪流出モデルに組み込まれた積雪浸透モデルは、融雪水の浸透をモデル化したものであり、大雨の浸透をも表現できるか否かは検証されていない。   The snow accumulation infiltration model incorporated in this snowmelt runoff model models snowmelt water infiltration, and it has not been verified whether it can also express heavy rain infiltration.

すなわち、積雪浸透モデルは、上記のように、雪面に供給された水が土壌に到達するまでに時間がかかる点に着目し、この時間を考慮しようとしたものである。雪面に供給される水としては、融雪水と降雨とが考えられる。従来の積雪浸透モデルは、融雪水と降雨を区別せず、この2種類の水について積雪層を通すようにしていた。しかし、その後の検証により、従来の積雪浸透モデルでは、大雨の浸透については表現できないことが判明した。したがって、従来の方法では、融雪出水の予測精度に一定の限界がある。   That is, the snow infiltration model is intended to take this time into account, taking note of the time taken for the water supplied to the snow surface to reach the soil as described above. As water supplied to the snow surface, snowmelt water and rainfall are considered. The conventional snow accumulation infiltration model does not distinguish between snowmelt water and rainfall, and passes the snow layer through these two types of water. However, subsequent verification revealed that the conventional snow infiltration model cannot express heavy rain infiltration. Therefore, in the conventional method, there is a certain limit in the prediction accuracy of snowmelt water discharge.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、融雪出水の予測精度を向上することができる融雪出水予測システムを提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the snowmelt runoff prediction system which can improve the prediction accuracy of snowmelt runoff.

本発明の融雪出水予測システムは、融雪に伴う出水を予測する融雪出水予測システムであって、雨量データを含む対象流域の現況以前の実測気象データおよび以降の予測気象データからなる気象データを入力するデータ入力部と、入力された気象データに基づいて、雪面から積雪層を流下して土壌に供給される水量を算出する土壌供給水量算出部と、算出された土壌供給水量に基づいて、所定の流出モデルを用いて、予測流出量を算出する流出量算出部と、を有し、前記土壌供給水量算出部は、融雪水は積雪層を浸透し、降雨は積雪層を浸透せずに土壌に直接到達するものとして、与えられた融雪量および入力された雨量に基づいて、土壌に供給される水量を算出する、構成を採る。   The snowmelt runoff prediction system according to the present invention is a snowmelt runoff prediction system that predicts runoff accompanying snowmelt, and inputs meteorological data including actual meteorological data before the current state of the target basin including rainfall data and predicted meteorological data thereafter. A data input unit, a soil supply water amount calculation unit that calculates the amount of water supplied to the soil by flowing down the snow layer from the snow surface based on the input weather data, and a predetermined value based on the calculated soil supply water amount A runoff amount calculation unit that calculates a predicted runoff amount using the runoff model of the soil, and the soil supply water amount calculation unit is configured to infiltrate the snowmelt water into the snow layer and the rain without penetrating the snow layer into the soil. As a method of directly reaching the above, a configuration is adopted in which the amount of water supplied to the soil is calculated based on the given amount of snowmelt and the input rainfall.

本発明によれば、融雪出水の予測精度を向上することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the prediction accuracy of snowmelt water discharge.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る融雪出水予測システムの構成を示すブロック図である。図2は、図1の融雪出水予測システムの各部の構成を示すブロック図である。図3は、図1の融雪出水予測システムで用いられるデータの種類と流れを示す概略図である。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a snowmelt runoff prediction system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of each part of the snowmelt runoff prediction system of FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the types and flows of data used in the snowmelt runoff prediction system of FIG.

図1に示す融雪出水予測システム100は、大別して、データ収集装置200、データ演算装置300、および出力装置400を有する。   A snowmelt runoff prediction system 100 shown in FIG. 1 roughly includes a data collection device 200, a data calculation device 300, and an output device 400.

データ収集装置200は、融雪出水予測演算に必要なデータを入力し収集する装置であって、入力したデータを加工する入力データ加工部210を有する。データ収集装置200には、例えば、ダム実況データ、ダム流域内地形データ、気象庁アメダスデータ、気象庁レーダーデータ、気象庁降水予測メッシュ、GPV(Grid Point Value:格子点)データなどが入力される。データ収集装置200は、例えば、外部との通信手段を備えたコンピュータで構成されている。   The data collection device 200 is a device that inputs and collects data necessary for snowmelt runoff prediction calculation, and includes an input data processing unit 210 that processes the input data. For example, dam actual condition data, terrain data in the dam basin, meteorological agency AMeDAS data, meteorological agency radar data, meteorological agency precipitation prediction mesh, GPV (Grid Point Value) data, and the like are input to the data collection device 200. The data collection device 200 is composed of, for example, a computer provided with external communication means.

ダム実況データは、ダム流域内の気象データと水象データの実測データである。気象データは、項目として、例えば、気温、湿度、降水量、風速、日射量、日照時間、気圧、および積雪深からなる。水象データは、項目として、例えば、ダム流入量、貯水位、および放流量からなる。ダム実況データは、ダム管理所やテレメータから送信される。ダム実況データは、日または時間単位で測定される。   The actual dam data is measured data of meteorological data and hydrological data in the dam basin. The weather data includes items such as temperature, humidity, precipitation, wind speed, amount of solar radiation, sunshine duration, atmospheric pressure, and snow depth. The hydrology data includes, for example, dam inflow, storage level, and discharge flow rate as items. The actual dam data is transmitted from the dam management office and the telemeter. Live dam data is measured in days or hours.

ダム流域内地形データは、ダム流域内の地形に関するデータであり、項目として、例えば、経度緯度、標高、傾斜量、およびLAI(Leaf Area Index:葉面積指数)からなる。傾斜量は、例えば、南北・東西方向の傾斜量である。LAIは、月単位の値であり、経度緯度や標高、傾斜量は、固定値である。本実施の形態では、ダム流域内地形データとして、公表されている値を用いる。ダム流域内地形データは、例えば、外部の適当な情報源からネットワークを介して送信される。なお、固定値については、あらかじめデータ収集装置200内の図示しないメモリに格納しておくことも可能である。   The terrain data in the dam basin is data relating to the terrain in the dam basin, and includes, for example, longitude and latitude, altitude, slope amount, and LAI (Leaf Area Index). The amount of inclination is, for example, the amount of inclination in the north-south / east-west direction. The LAI is a monthly value, and the longitude / latitude, altitude, and inclination amount are fixed values. In the present embodiment, published values are used as the terrain data in the dam basin. The terrain data in the dam basin is transmitted from an appropriate external information source via a network, for example. The fixed value may be stored in advance in a memory (not shown) in the data collection device 200.

気象庁アメダスデータは、気象庁が発表するアメダスデータであり、気象庁レーダーデータは、同じく気象庁が発表するレーダーデータである。気象庁アメダスデータも気象庁レーダーデータも、項目として、例えば、降水量と、気温(5kmメッシュ)からなり、いずれも実測データである。気象庁アメダスデータおよび気象庁レーダーデータは、気象庁からそれぞれ一定の時間間隔で配信される(定時配信)。   The Japan Meteorological Agency AMeDAS data is the AMeDAS data released by the Japan Meteorological Agency, and the Japan Meteorological Agency radar data is the radar data also released by the JMA. Both the JMA AMeDAS data and the JMA radar data consist of, for example, precipitation and temperature (5 km mesh) as items, both of which are actually measured data. JMA AMeDAS data and JMA radar data are distributed from the JMA at regular time intervals (on-time distribution).

気象庁降水予測メッシュは、気象庁が発表する気象予測データの1つであり、6時間先の降水量を5kmメッシュ単位で予測したものである。気象庁降水予測メッシュは、気象庁から一定の時間間隔で配信される(定時配信)。   The Japan Meteorological Agency Precipitation Prediction Mesh is one of the weather prediction data published by the Japan Meteorological Agency, and it predicts the precipitation amount of 6 hours ahead in 5km mesh units. The Japan Meteorological Agency precipitation forecast mesh is delivered from the Japan Meteorological Agency at regular time intervals (on-time delivery).

GPVデータは、気象予測データの1つであり、24時間先の気象データ(例えば、気温、湿度、降水量、雲量、気圧)を20kmメッシュ単位で予測したものである。GPVデータは、例えば、気象庁から一定の時間間隔で配信される(定時配信)。   The GPV data is one piece of weather prediction data, and predicts weather data (for example, temperature, humidity, precipitation, cloud cover, and atmospheric pressure) 24 hours ahead in units of 20 km mesh. For example, GPV data is distributed from the Japan Meteorological Agency at regular time intervals (on-time distribution).

入力データ加工部210は、入力した所定のデータに対して、実測値によるキャリブレーションと1kmメッシュ化を行うとともに、実況気象データの1kmメッシュ化を行う。1kmメッシュ化は、例えば、データを空間補間することによって行われる。   The input data processing unit 210 performs calibration based on actual measurement values and 1 km mesh on the input predetermined data, and also performs 1 km mesh of live weather data. For example, 1 km meshing is performed by spatially interpolating data.

実測値によるキャリブレーションと1kmメッシュ化では、気象庁降水予測メッシュ(6時間先の降水量)およびGPVデータ(24時間先の気温、湿度、降水量、雲量、気圧)の予測データを、気象庁アメダスデータおよび気象庁レーダーデータの実測データ(降水量と5kmメッシュの気温)によって補正(キャリブレーション)するとともに、各種データをさらに1kmメッシュに展開する(1kmメッシュ化)。このとき、入力データ加工部210は、雲量から日射量と日照時間を算出し、雲量の代わりに日射量と日照時間を1kmメッシュ化する。例えば、降水量の場合は、補正(キャリブレーション)の一例として、図3に示すように、南東地点および南西地点の雨量観測を生かした補正を行う。この処理(実測値によるキャリブレーションと1kmメッシュ化)の結果として、入力データ加工部210は、1kmメッシュの予測気象データ(気温、湿度、降水量、日射量、日照時間、気圧)を出力する。以下、この1kmメッシュ予測気象データを「予測メッシュデータ」と呼ぶことにする。   In calibration with actual measurement values and 1 km mesh, the forecast data of the Meteorological Agency precipitation forecast mesh (6 hours ahead precipitation) and GPV data (24 hours ahead temperature, humidity, precipitation, cloud cover, atmospheric pressure) are used as the Meteorological Agency AMeDAS data. In addition, the data is corrected (calibrated) by actual measurement data (precipitation amount and temperature of 5 km mesh) of the Japan Meteorological Agency radar data, and various data are further expanded to 1 km mesh (1 km mesh). At this time, the input data processing unit 210 calculates the solar radiation amount and the sunshine time from the cloud amount, and meshes the solar radiation amount and the sunshine time with 1 km instead of the cloud amount. For example, in the case of precipitation, as an example of correction (calibration), as shown in FIG. 3, correction is performed by making use of rainfall observations at the southeast and southwest points. As a result of this processing (calibration using actual values and 1 km meshing), the input data processing unit 210 outputs 1 km mesh predicted weather data (temperature, humidity, precipitation, solar radiation, sunshine duration, atmospheric pressure). Hereinafter, this 1 km mesh predicted weather data is referred to as “predicted mesh data”.

また、実況気象データの1kmメッシュ化では、ダム実況データ(特に気象データ)およびダム流域内地形データを用いて、気象データを1kmメッシュに展開する(1kmメッシュ化)。この処理(実況気象データの1kmメッシュ化)の結果として、入力データ加工部210は、1kmメッシュの実況気象データ(気温、湿度、降水量、風速、日射量、日照時間、気圧、積雪深)を出力する。以下、この1kmメッシュの実況気象データを「実況メッシュデータ」と呼ぶことにする。   Further, in the production of 1 km mesh of live weather data, the weather data is developed into 1 km mesh (1 km mesh) using the dam live data (particularly weather data) and the terrain data in the dam basin. As a result of this processing (1 km mesh of live weather data), the input data processing unit 210 converts live weather data (temperature, humidity, precipitation, wind speed, solar radiation, sunshine duration, atmospheric pressure, snow depth) of 1 km mesh. Output. Hereinafter, this live weather data of 1 km mesh will be referred to as “live mesh data”.

このように、データ収集装置200は、各種のデータを入力(収集)し、入力したデータを入力データ加工部210で処理した後、予測メッシュデータおよび実況メッシュデータとして次のデータ演算装置300に出力する。ただし、入力したダム実況データのうち、ダム流入量データについては、入力データ加工部210で処理されることなく直接データ演算装置300に出力される。また、収集されたデータのうち、例えば、一部の地形データなど、データの種類によっては、計算の必要に応じて、適宜、データ演算装置300に出力される。   As described above, the data collection device 200 inputs (collects) various data, and after the input data is processed by the input data processing unit 210, is output to the next data calculation device 300 as predicted mesh data and actual mesh data. To do. However, the dam inflow data among the inputted dam actual condition data is directly output to the data arithmetic unit 300 without being processed by the input data processing unit 210. In addition, among the collected data, for example, depending on the type of data such as a part of terrain data, the data is appropriately output to the data calculation device 300 as necessary.

なお、本実施の形態では、データ収集装置200は、データ演算装置300と物理的に分離されているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、データ収集装置200とデータ演算装置300とを1つのコンピュータで構成することも可能である。   In the present embodiment, the data collection device 200 is physically separated from the data arithmetic device 300, but the present invention is not limited to this. For example, the data collection device 200 and the data calculation device 300 can be configured by a single computer.

データ演算装置300は、コンピュータで構成されており、大別して、積雪計算部310、融雪計算部320、流出計算部330、および記憶部340を有する。データ演算装置300は、融雪流出モデルを内蔵しており、この融雪流出モデルを用いて、所定の気象データから予測ダム流入量(予測流出量)を算定する。融雪流出モデルは、大別して、融雪モデル、積雪浸透モデル、および流出モデルの3種類のサブモデルから構成されている。融雪モデルおよび積雪浸透モデルは、融雪計算部320に内蔵され、流出モデルは、流出計算部330に内蔵されている。   The data operation device 300 is configured by a computer, and roughly includes a snow accumulation calculation unit 310, a snow melting calculation unit 320, an outflow calculation unit 330, and a storage unit 340. The data calculation device 300 has a built-in snowmelt runoff model, and uses this snowmelt runoff model to calculate a predicted dam inflow (predicted runoff) from predetermined weather data. The snowmelt runoff model is roughly divided into three types of submodels: a snowmelt model, a snow infiltration model, and a runoff model. The snow melting model and the snow penetration model are built in the snow melting calculation unit 320, and the outflow model is built in the outflow calculation unit 330.

記憶部340には、融雪流出モデル(融雪モデル、積雪浸透モデル、流出モデル)による計算に必要な各種定数が格納されている。定数は、固定値である。本実施の形態では、物理的な定数については、文献に掲載されている値を用いる。記憶部340には、例えば、バルク係数や空気の定圧比熱、放射に対する葉面の傾きを表すファクター、雪の融解潜熱、積雪の熱伝導率、ステファン・ボルツマン(Stefan-Boltzman)定数、計算の時間間隔などが格納されている。   The storage unit 340 stores various constants necessary for calculation based on a snowmelt runoff model (snowmelt model, snow infiltration model, runoff model). The constant is a fixed value. In the present embodiment, values listed in the literature are used for physical constants. The storage unit 340 includes, for example, a bulk coefficient, a constant pressure specific heat of air, a factor representing the inclination of the leaf surface with respect to radiation, a melting latent heat of snow, a thermal conductivity of snow, a Stefan-Boltzman constant, and a calculation time. The interval is stored.

この融雪流出モデルによる計算は、まず、融雪モデルおよび積雪浸透モデルを約1km四方のメッシュ(1kmメッシュ)に適用して、気象・地形因子からメッシュ毎の土壌供給水量を推定する。次に、メッシュ毎の土壌供給水量を流域全体にわたってランピング(流域平均化)し、得られた値(流域平均土壌供給水量)を流出モデルへの入力値とする。最後に、この値を流出モデルに入力し、流入量を算定する。   In the calculation based on this snowmelt runoff model, first, the snowmelt model and the snow infiltration model are applied to a mesh of about 1 km square (1 km mesh), and the amount of soil supply water for each mesh is estimated from meteorological and topographic factors. Next, the soil supply water amount for each mesh is ramped (basin average) over the entire basin, and the obtained value (basin average soil supply water amount) is used as an input value to the runoff model. Finally, this value is input to the runoff model to calculate the inflow.

積雪計算部310は、実況メッシュデータに基づいて、積雪に関するデータ(例えば、積雪深および積雪密度)を算出する。そのため、積雪計算部310は、図2に示すように、積雪相当水量推定モデル部312および積雪モデル部314を有する。積雪相当水量推定モデル部312は、積雪相当水量(積雪を雨量に換算した値)を算出するための積雪相当水量推定モデルを内蔵し、積雪モデル部314は、積雪深および積雪密度を算出するための積雪モデルを内蔵している。積雪計算部310は、実況メッシュデータ(地上で観察された気象データを1kmメッシュ化して得られた値)に基づいて、積雪相当水量推定モデルによって積雪相当水量を算出するとともに、積雪モデルによって積雪深および積雪密度を算出する。積雪計算部310は、上記の計算処理を、メッシュ単位(約1km四方)で、かつ、日単位で行う。   The snow cover calculation unit 310 calculates data related to snow cover (for example, snow cover depth and snow cover density) based on the live mesh data. Therefore, the snow cover calculation unit 310 includes a snow cover equivalent water amount estimation model unit 312 and a snow cover model unit 314 as shown in FIG. The snow-equivalent water amount estimation model unit 312 has a built-in snow-equivalent water amount estimation model for calculating the snow-equivalent water amount (the value obtained by converting the snow cover into the rain amount). The snow model unit 314 calculates the snow depth and the snow density. Built-in snow model. The snow calculation unit 310 calculates the snow equivalent water amount by the snow equivalent water amount estimation model based on the actual mesh data (the value obtained by converting the meteorological data observed on the ground to 1 km mesh), and also calculates the snow depth by the snow model. And calculate snow density. The snow cover calculation unit 310 performs the above calculation processing in units of mesh (about 1 km square) and in units of days.

利用する積雪相当水量推定モデルおよび積雪モデルは、特に限定されない。一例として、本実施の形態では、積雪相当水量推定モデルおよび積雪モデルとして、小島の粘性圧縮理論に基づくモデルを用いる(非特許文献2)。算出式は、時刻をtとして、次の式(1)〜式(5)で与えられる。   The snow equivalent water amount estimation model and the snow accumulation model to be used are not particularly limited. As an example, in the present embodiment, models based on Kojima's viscous compression theory are used as the snow-equivalent water amount estimation model and the snow accumulation model (Non-Patent Document 2). The calculation formula is given by the following formulas (1) to (5), where time is t.

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、ρは積雪密度(kg/m)、Sは積雪深(m)、Ssfは降雪深(m)、S 'は圧密前の積雪深(m)、ρ 'は全層平均密度(kg/m)、Sは積雪相当水量(mm)、mは融雪量(mm)、eは蒸発散量(mm)、ρは水の密度(=1000kg/m)、Kは定数、ηは粘性係数(kg・day/m)である。例えば、Kは0.021に固定され、ηは地域毎に積雪深の再現結果により10〜16の範囲で決定される。 Here, ρ s is snow density (kg / m 3 ), S d is snow depth (m), S sf is snow depth (m), S d is snow depth before consolidation (m), ρ s is Average density of all layers (kg / m 3 ), S w is the amount of snow equivalent to snow (mm), m is the amount of snow melting (mm), e is the amount of evapotranspiration (mm), ρ w is the density of water (= 1000 kg / m 3) ), K is a constant, and η 0 is a viscosity coefficient (kg · day / m 2 ). For example, K is fixed at 0.021, and η 0 is determined in the range of 10 to 16 according to the snow depth reproduction result for each region.

融雪計算部320は、融雪モデル部322、積雪浸透モデル部324、および流域平均化部326を有する。融雪モデル部322は、融雪モデルを内蔵し、積雪浸透モデル部324は、積雪浸透モデルを内蔵している。融雪計算部320は、まず、気象データおよび地形データを入力し、内蔵する融雪モデルおよび積雪浸透モデルに基づいて、土壌供給水量を算定する。この算定処理は、メッシュ単位(約1km四方)で、かつ、所定の時間単位で行われる。すなわち、融雪計算部320は、まず、融雪モデルおよび積雪浸透モデルを1kmメッシュに適用して、気象・地形因子からメッシュ毎の土壌供給水量を推定する。次に、融雪計算部320は、メッシュ毎の土壌供給水量を流域全体にわたってランピング(流域平均化)し、得られた値(流域平均土壌供給水量)を出力する。   The snow melting calculation unit 320 includes a snow melting model unit 322, a snow accumulation infiltration model unit 324, and a basin averaging unit 326. The snow melting model unit 322 incorporates a snow melting model, and the snow accumulation infiltration model unit 324 includes a snow accumulation infiltration model. The snow melting calculation unit 320 first inputs meteorological data and terrain data, and calculates the amount of soil supply water based on the built-in snow melting model and snow accumulation infiltration model. This calculation process is performed in mesh units (about 1 km square) and in predetermined time units. In other words, the snow melting calculation unit 320 first applies the snow melting model and the snow infiltration model to a 1 km mesh, and estimates the amount of soil supply water for each mesh from the weather and topographic factors. Next, the snow melting calculation unit 320 ramps the soil water supply amount for each mesh over the entire basin (basin average), and outputs the obtained value (basin average soil water supply amount).

融雪モデル部322は、所定の融雪モデルを内蔵し、この融雪モデルを用いて、所定の入力情報(気象データおよび地形データ)から融雪量(雪面に与えられる水量)を算出する。融雪モデル部322への入力情報のうち、気象データは、データ収集装置200から予測メッシュデータおよび実況メッシュデータとして入力される。また、地形データも、データ収集装置200から入力される。算出された融雪量は、積雪浸透モデル部324に出力される。   The snow melting model unit 322 incorporates a predetermined snow melting model, and uses this snow melting model to calculate the amount of snow melting (the amount of water given to the snow surface) from predetermined input information (meteorological data and terrain data). Of the input information to the snow melting model unit 322, weather data is input from the data collection device 200 as predicted mesh data and live mesh data. Further, the terrain data is also input from the data collection device 200. The calculated amount of snow melting is output to the snow accumulation infiltration model unit 324.

利用する融雪モデルは、特に限定されない。一例として、本実施の形態では、融雪モデルとして、近藤・山崎らが提案した熱収支法(非特許文献3、非特許文献4)を基本とし、植生の影響を考慮したものを用いる。基礎式は、積雪全体および雪面に関する2本の熱収支式から成り、それぞれ、次の式(6)および式(7)で与えられる。   The snow melting model to be used is not particularly limited. As an example, in the present embodiment, a snow melting model based on the heat balance method (Non-patent Documents 3 and 4) proposed by Kondo and Yamazaki et al. Is used in consideration of the effects of vegetation. The basic equation is composed of two heat balance equations relating to the entire snow cover and the snow surface, and is given by the following equations (6) and (7), respectively.

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、cは積雪の比熱(J/kg/K)、ρは積雪の密度(kg/m)、lは雪の融解潜熱(J/kg)、Tは0(℃)、Tは雪温(℃)、Tsnは時間Δt後の雪温(℃)、Wは最大含水率(=0.1)、Zは凍結深(m)、εは射出率(=0.97)、λは積雪の熱伝導率(=0.42W/m/K)、σはステファン・ボルツマン定数(W/m/K)、Δtは時間間隔(=3600s)、fは植被層の透過率、Gは積雪が受けるエネルギー(W/m)、Hは顕熱(W/m)、lEは潜熱(W/m)、L下向き矢印は下向き長波放射量(W/m)、Mは融雪熱(W/m)、Zは時間Δt後の凍結深(m)、Tは植被層の温度(℃)である。なお、下向き長波放射量L下向き矢印は、近藤の方法(非特許文献5、pp.90-91)によって与え、また、植被層の温度Tは、便宜的に気温を用いる。 Where c s is the specific heat of snow (J / kg / K), ρ s is the density of snow (kg / m 3 ), l f is the latent heat of melting of snow (J / kg), and T 0 is 0 (° C.) , T s is the snow temperature (° C.), T sn is the snow temperature (° C.) after time Δt, W 0 is the maximum moisture content (= 0.1), Z is the freezing depth (m), and ε is the injection rate (= 0.97), λ s is the thermal conductivity of snow cover (= 0.42 W / m / K), σ is the Stefan-Boltzmann constant (W / m 2 / K 4 ), Δt is the time interval (= 3600 s), f v is the transmittance of the vegetation layer, G is the energy received by the snow (W / m 2 ), H is the sensible heat (W / m 2 ), lE is the latent heat (W / m 2 ), L downward arrows are downward longwave radiation (W / m 2), M 0 is snow melting heat (W / m 2), frost depth after Z n is the time Δt (m), T v is the temperature of the canopy layer (° C.). Note that the downward longwave radiation amount L down arrow, the method of Kondo (Non-Patent Document 5, pp.90-91) given by, Also, the temperature T v of the plant cover layer is conveniently used temperature.

また、上記の顕熱Hおよび潜熱lEは、バルク法により次の式(8)でそれぞれ与えられる(非特許文献5、pp.242)。   The sensible heat H and the latent heat 1E are given by the following equation (8) by the bulk method (Non-patent Document 5, pp.242).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、cは空気の定圧比熱(J/kg/K)、ρは空気の密度(kg/m)、Cは顕熱に対するバルク係数(=0.003)、Uは風速(m/s)、Tは気温(℃)、lは水の蒸発の潜熱(J/kg)、Cは潜熱に対するバルク係数(=0.003)、q(T)は飽和比湿、qは比湿、hは相対湿度、Δは飽和比湿の温度に対する勾配、pは気圧(hPa)、eは水蒸気圧(hPa)、eSATは飽和水蒸気圧(hPa)である。 Here, c p is the specific heat at constant pressure (J / kg / K) of the air, [rho is the density of air (kg / m 3), C H bulk coefficient for sensible heat (= 0.003), U is the wind speed (m / S), T is the temperature (° C.), l is the latent heat of water evaporation (J / kg), CE is the bulk coefficient for latent heat (= 0.003), q s (T s ) is the saturation specific humidity, q Is the relative humidity, h is the relative humidity, Δ is the gradient with respect to the temperature of the saturated specific humidity, p is the atmospheric pressure (hPa), e is the water vapor pressure (hPa), and e SAT is the saturated water vapor pressure (hPa).

また、上記の植被層の透過率fは、石井ら(非特許文献6)が推定した葉面積指数LAIを用い、次の式(9)で与えられる(非特許文献5、pp.231)。 Also, the planting transmittance f v of the layers, Ishii et al. Using a leaf area index LAI that (Non-Patent Document 6) has been estimated, given by the following equation (9) (Non-Patent Document 5, Pp.231) .

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、Fは放射に対する葉面の傾きを表すファクター(=0.5:等方的)、LAIは葉面積指数である。   Here, F is a factor (= 0.5: isotropic) representing the inclination of the leaf surface with respect to radiation, and LAI is the leaf area index.

また、上記の積雪が受けるエネルギーGは、次の式(10)で与えられる。   Further, the energy G received by the above-mentioned snow cover is given by the following equation (10).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、Sは日射量(W/m)、αはアルベド(albedo)である。なお、アルベドは、日平均気温を用いた実験式(非特許文献7)によって与えられる。 Here, S is the amount of solar radiation (W / m 2 ), and α is an albedo. In addition, albedo is given by the empirical formula (nonpatent literature 7) using daily average temperature.

本実施の形態の融雪モデルでは、上記の式(6)〜(10)を連立して、融雪熱M、雪温Tsn、凍結深Zを同時に解く。そして、得られた融雪熱Mの値を用いて、次の式(11)によって、融雪量(雪面に与えられる水量)qrm(mm/h)を算出する。 In the snow melting model of the present embodiment, the above-described equations (6) to (10) are simultaneously solved to simultaneously solve the snow melting heat M 0 , snow temperature T sn , and freezing depth Z n . Then, using the value of the obtained snow melting heat M 0 , the amount of snow melting (the amount of water given to the snow surface) q rm (mm / h) is calculated by the following equation (11).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、qrmは融雪量(mm/h)、Mは融雪熱(W/m)、Δtは時間(=3600s)、lfは氷の融解潜熱(融解熱)(J/kg)、ρは水の密度(=1000kg/m)である。 Here, q rm is the amount of snow melting (mm / h), M 0 is the heat of melting snow (W / m 2 ), Δt is the time (= 3600 s), l f is the latent heat of melting (melting heat) (J / kg) , Ρ w is the density of water (= 1000 kg / m 3 ).

積雪浸透モデル部324は、所定の積雪浸透モデルを内蔵し、この積雪浸透モデルを用いて、所定の入力情報(融雪量、雨量、積雪深)から、メッシュ毎の土壌供給水量を算出する。積雪浸透モデル部324への入力情報のうち、融雪量は、融雪モデル部322から入力され、積雪深は、積雪計算部310から入力される。また、雨量は、データ収集装置200から予測メッシュデータおよび実況メッシュデータとして入力される。算出された土壌供給水量は、流域平均化部326に出力される。   The snow accumulation infiltration model unit 324 incorporates a predetermined snow accumulation infiltration model, and uses this snow accumulation infiltration model to calculate the amount of soil supply water for each mesh from predetermined input information (snow melting amount, rain amount, snow accumulation depth). Of the input information to the snow accumulation infiltration model unit 324, the snow melting amount is input from the snow melting model unit 322, and the snow accumulation depth is input from the snow accumulation calculation unit 310. The rainfall is input from the data collection device 200 as predicted mesh data and live mesh data. The calculated soil supply water amount is output to the basin averaging unit 326.

基本的には、土壌供給水量は、次の式で与えられる。
土壌供給水量=降雨+融雪水−積雪貯留量
ここで、積雪貯留量(積雪内に残る貯留量)は、積雪深によって変化する。
Basically, the amount of soil supply water is given by the following equation.
Soil supply water amount = rainfall + snow melt water−snow accumulation amount Snow accumulation amount (retention amount remaining in the snow) varies with snow depth.

本実施の形態では、積雪浸透モデルとして、中津川らが提案する1価線形貯留関数法(非特許文献1)を用いる。このモデルは、積雪内の水の流れにダルシー(Darcy)則(飽和浸透)を仮定して導出されたものであり、基礎式は、次の式(12)および式(13)で与えられる。   In this embodiment, a monovalent linear storage function method (Non-patent Document 1) proposed by Nakatsugawa et al. Is used as a snow infiltration model. This model is derived by assuming Darcy's law (saturation seepage) in the water flow in the snow, and the basic formula is given by the following formulas (12) and (13).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、sは積雪貯留量(mm)、kは積雪の貯留係数、qrmは雪面に与えられる水量(特に融雪量)(mm/h)、qは積雪浸透による土壌供給水量(mm/h)、k01、k02は係数、Hは積雪深(cm)である。 Here, s s is the snow storage amount (mm), k s is the snow storage coefficient, q rm is the amount of water given to the snow surface (especially the amount of snow melting) (mm / h), and q s is the amount of soil supplied by snow infiltration. (Mm / h), k 01 and k 02 are coefficients, and H s is snow depth (cm).

式(12)において、積雪の貯留効果は、貯留係数kによって表現される。この貯留係数kは、本来雪質(積雪密度や氷粒径など)に依存して変化すると考えられるが、実用性の観点から、積雪深Hでパラメタライズされている。 In equation (12), the snow storage effect is expressed by the storage coefficient k s . The storage coefficient k s is considered to change depending on the snow quality (snow accumulation density, ice particle size, etc.), but is parameterized by the snow accumulation depth H s from the viewpoint of practicality.

図4は、本実施の形態における積雪浸透モデルの構成を示す図である。なお、図5は、従来の積雪浸透モデルの構成を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a snow accumulation infiltration model in the present embodiment. In addition, FIG. 5 is a figure which shows the structure of the conventional snow accumulation penetration model.

本来であれば、降雨と融雪水の流下は区別されるものではない。しかし、図4に示す積雪浸透モデルでは、降雨と融雪水の流下を別々に扱い、融雪水については、積雪浸透を考慮する上記従来の方法(以下「従来法」という。図5に示す積雪浸透モデルに対応する)と同様に、浸透を考え、降雨については、浸透を考えずに直接土壌に到達させる(つまり、雨が積雪層を流下する際の遅れ時間を考慮しない)。このように、積雪浸透を考慮せずに降雨を直接土壌に到達させる(つまり、降雨を直接流出モデルに出力する)方法を、ここでは、便宜上、「修正法」と呼ぶことにする。修正法(図4に示す積雪浸透モデルに対応する)では、融雪水は積雪層を通し、一方、降雨は量にかかわりなく直接土壌に到達させる。このように処理することによって、無降雨時の融雪水は積雪層を浸透し、一方、大雨は土壌に直接到達することになる。   Originally, there is no distinction between rainfall and snowmelt water flow. However, in the snow infiltration model shown in FIG. 4, rainfall and snowmelt water flow are handled separately, and the snow melting water is referred to as the above-described conventional method (hereinafter referred to as “conventional method”). As in the case of the model, infiltration is considered and rainfall is allowed to reach the soil directly without considering infiltration (that is, the delay time when the rain flows down the snow layer is not considered). In this way, the method of causing the rainfall to directly reach the soil without taking into account snow penetration (that is, outputting the rainfall directly to the runoff model) will be referred to herein as a “correction method” for convenience. In the modified method (corresponding to the snow infiltration model shown in FIG. 4), the snow melt passes through the snow layer, while the rain reaches the soil directly regardless of the amount. By treating in this way, the snowmelt water at the time of no rain penetrates the snow layer, while heavy rain reaches the soil directly.

なお、従来法では、雪面に与えられる雨量と融雪量の総和が積雪層を流下するものとして考え、図5に示すように、両者に対して積雪層の浸透を考慮する。   In the conventional method, the sum of the amount of rain and the amount of snow melt given to the snow surface is assumed to flow down the snow layer, and as shown in FIG.

したがって、本実施の形態では、出力である土壌供給水量は、積雪浸透により土壌に到達する融雪量qと、雨量との合計となる。すなわち、
土壌供給水量(出力)
=積雪浸透により土壌に到達する融雪量q+雨量
ここで、積雪浸透により土壌に到達する融雪量(積雪浸透による土壌供給水量)qrmは、上記の式(12)および式(13)によって算出される。
Thus, in this embodiment, soil supply amount of water is output, and snowmelt q s reaching the soil by snow penetration, the sum of the rainfall. That is,
Soil supply water volume (output)
= Snow melting amount q s + rain amount reaching the soil due to snow infiltration q Here, the snow melting amount (soil supply water amount due to snow infiltration) q rm reaching the soil due to snow infiltration is expressed by the above equations (12) and (13). Calculated.

上記の式(12)の係数k01、k02は、例えば、図6から求められる。 The coefficients k 01 and k 02 in the above equation (12) are obtained from FIG. 6, for example.

図6は、貯留係数kと積雪深Hの関係を示す図である。図6において、貯留係数kは、1997年に観測された顕著な融雪事例から求めた値である。また、積雪深Hは、貯留係数kを求めたときに観測されていた値である。図中の実線は、これらの点から最小二乗法で求めた回帰直線である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the storage coefficient k s and the snow depth H s . In FIG. 6, the storage coefficient k s is a value obtained from a remarkable snow melting case observed in 1997. Further, the snow depth H s is a value observed when the storage coefficient k s is obtained. The solid line in the figure is a regression line obtained from these points by the least square method.

融雪観測の結果、上記顕著な融雪事例のkとそのときの積雪深Hとの相関関係(図6)から、k01=0.16h/cm、k02=8.24hが報告されており、本実施の形態においても、式(12)の係数k01、k02として、この値を用いる。 As a result of snow melting observation, k 01 = 0.16 h / cm, k 02 = 8.24 h was reported from the correlation between the k s of the remarkable snow melting case and the snow depth H s at that time (FIG. 6). Even in the present embodiment, this value is used as the coefficients k 01 and k 02 in the equation (12).

流域平均化部326は、積雪浸透モデル部324によって算出されたメッシュ毎の土壌供給水量を流域全体にわたってランピングする(流域平均化)。得られた値(流域平均土壌供給水量)は、流出計算部330に出力される。   The basin averaging unit 326 ramps the soil water supply amount for each mesh calculated by the snow infiltration model unit 324 over the entire basin (basin averaging). The obtained value (basin average soil supply water amount) is output to the runoff calculation unit 330.

流出計算部330は、流出モデル部332および流出モデル定数更新部334を有する。流出モデル部332は、流出モデルを内蔵しており、この流出モデルに基づいて、土壌供給水量から予測ダム流入量を算定する。また、流出モデル定数更新部334は、カルマンフィルタで構成されており、カルマンフィルタ理論に基づいて、ダム流入量の予測値と実測値との差が最小になるように流出モデル定数を更新する。カルマンフィルタは、実際の運用の場面において、毎時入手される実測値(ダム流入量)を用いて予測ダム流入量を補正すると同時に、リアルタイムに流出モデルのモデル定数を更新(修正)する手法である。モデル定数の更新(修正)は、カルマンフィルタ理論の公式を当てはめることによって行う。カルマンフィルタを流出モデルに適用する方法は、例えば、非特許文献8に詳細に記載されているため、ここでの説明は省略する。   The outflow calculation unit 330 includes an outflow model unit 332 and an outflow model constant update unit 334. The runoff model unit 332 has a built-in runoff model, and calculates the predicted dam inflow from the soil supply water based on this runoff model. The outflow model constant updating unit 334 includes a Kalman filter, and updates the outflow model constant based on the Kalman filter theory so that the difference between the predicted value of the dam inflow amount and the actual measurement value is minimized. The Kalman filter is a method of correcting (correcting) the model constant of the outflow model in real time while correcting the predicted dam inflow amount using an actual measurement value (dam inflow amount) obtained every hour in an actual operational scene. The model constant is updated (modified) by applying the formula of Kalman filter theory. Since the method of applying the Kalman filter to the outflow model is described in detail in Non-Patent Document 8, for example, description thereof is omitted here.

図7は、本実施の形態における流出モデルの構成を示す図である。本実施の形態では、流出モデルとして、図7に示すように、地下流出成分を含む貯留関数法(いわゆる2段タンク型貯留関数モデル)(非特許文献9)を用いる。この流出モデルでは、全流出過程を表面・中間流出と地下水流出の2成分に分離し、両者を別々の貯留関数法によって表す。   FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the outflow model in the present embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a storage function method including a subsurface outflow component (a so-called two-stage tank type storage function model) (Non-Patent Document 9) is used as the outflow model. In this runoff model, the whole runoff process is separated into two components, surface / intermediate runoff and groundwater runoff, and both are expressed by separate storage function methods.

表面・中間流出成分(1段目タンク)は、kinematic wave式を集中化した運動方程式(非特許文献10)と連続の式とから成り、次の式(14)および式(15)で与えられる。   The surface / intermediate outflow component (first stage tank) is composed of the equation of motion (Non-patent Document 10) that concentrates the kinematic wave equation and the continuous equation, and is given by the following equations (14) and (15). .

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、sは1段目タンクの貯留高(mm)、qは土壌供給水量(mm/h)、qは表面・中間流出成分の流出高(mm/h)、fは1段目タンクから2段目タンクへの浸透供給量(mm/h)、k11、k12は貯留係数、p、pは貯留指数、Aは流域面積(km)、バーqは土壌供給水量の平均強度(mm/h)、c、c、cはモデル定数(未知定数)である。 Here, s 1 is the storage height (mm) of the first tank, q s is the amount of soil supply water (mm / h), q 1 is the outflow height (mm / h) of the surface / intermediate outflow component, and f b is 1 Permeation supply amount from the tank to the second tank (mm / h), k 11 and k 12 are storage coefficients, p 1 and p 2 are storage indexes, A is a basin area (km 2 ), and bar q s is The average strength (mm / h) of the soil water supply amount, c 1 , c 2 , and c 3 are model constants (unknown constants).

一方、地下水流出成分(2段目タンク)は、次に示す基礎式(16)、(17)で与えられる。   On the other hand, the groundwater outflow component (second stage tank) is given by the following basic formulas (16) and (17).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、sは2段目タンクの貯留高(mm)、k21、k22は貯留係数、qは地下水流出成分の流出高(mm/h)、cはモデル定数(未知定数)である。 Here, s 2 is the storage height (mm) of the second tank, k 21 and k 22 are storage coefficients, q 2 is the outflow height (mm / h) of the groundwater outflow component, and c 4 is a model constant (unknown constant). It is.

したがって、流出モデルによって算定される予測ダム流入量は、表面・中間流出成分(1段目タンク)と地下水流出成分(2段目タンク)の合計、つまり、q+qで求められる。要するに、流出モデル部332は、融雪計算部320から流域平均土壌供給水量qを入力し、上記の流出モデルに基づいて、予測ダム流入量(q+q)を算出する。より詳細には、ダム流入量(m/s)は、次の単位変換式、つまり、
ダム流入量(m/s)=流出高(mm/h)×(流域面積km)÷3.6
を用いて、計算結果として得られる流出高(q+q)(mm/h)の単位を変換することによって得られる。
Therefore, the predicted dam inflow calculated by the runoff model is obtained as the sum of the surface / intermediate runoff component (first tank) and the groundwater runoff component (second tank), that is, q 1 + q 2 . In short, the runoff model unit 332 receives the basin average soil supply water amount q s from the snow melting calculation unit 320 and calculates the predicted dam inflow amount (q 1 + q 2 ) based on the above runoff model. More specifically, the dam inflow (m 3 / s) is expressed by the following unit conversion formula, that is,
Dam inflow (m 3 / s) = Outflow height (mm / h) x (basin area km 2 ) / 3.6
Is used to convert the unit of outflow height (q 1 + q 2 ) (mm / h) obtained as a calculation result.

この貯留関数法による流出量の計算には、4個のモデル定数(c、c、c、c)を与える必要がある。このモデル定数値の組み合わせは、融雪流出予測を考えると1種類であることが望ましい。通常、モデル定数は出水毎に異なる値をとるために、複数の出水例からモデル定数の代表値を決めることが困難となる場合が多い。そこで、本実施の形態では、複数の出水事例からモデル定数を同定するのではなく、比較的大きな規模の1つの出水に対して最適値を探索することにより、モデル定数を決定することにした。なお、モデル定数の最適値探索にはニュートン法を用いた(非特許文献11)。この簡便な最適同定法の妥当性は、後述するように、1組のモデル定数による複数年の洪水ハイドログラフの高い再現性が実証されることによって確かめられた。なお、ここでのニュートン法は、流出現象をよく再現できるように流出モデルをチューニングする方法として用いられる。 It is necessary to give four model constants (c 1 , c 2 , c 3 , c 4 ) to calculate the outflow amount by this storage function method. This combination of model constant values is desirably one type in consideration of snowmelt runoff prediction. In general, since the model constant takes a different value for each water discharge, it is often difficult to determine a representative value of the model constant from a plurality of water discharge examples. Therefore, in the present embodiment, the model constant is determined by searching for the optimum value for one water discharge of a relatively large scale, instead of identifying the model constant from a plurality of water discharge cases. Note that Newton's method was used to search for the optimum value of the model constant (Non-Patent Document 11). The validity of this simple optimal identification method was confirmed by demonstrating the high reproducibility of a multi-year flood hydrograph with a set of model constants, as described below. Note that the Newton method here is used as a method of tuning the outflow model so that the outflow phenomenon can be well reproduced.

出力装置400は、データ収集装置200によって収集されたデータ(入力データ加工部210によって得られたメッシュデータを含む)およびデータ演算装置300によって得られたデータを所定の形態で外部に出力する。出力装置400は、例えば、ディスプレイやプリンタ、通信手段などで構成されている。   The output device 400 outputs the data collected by the data collection device 200 (including mesh data obtained by the input data processing unit 210) and the data obtained by the data operation device 300 to the outside in a predetermined form. The output device 400 includes, for example, a display, a printer, a communication unit, and the like.

出力装置400がディスプレイの場合は、例えば、一例として、図3に示すように、データ収集装置200の収集結果として、テレメータ実況値表示画面、ダム実況値の最新データ・過去データ表示画面、長期融雪傾向検討画面が表示され、予測メッシュデータとして、降水量メッシュ予測画面が表示され、積雪計算部310の計算結果として、積雪分布画面、積雪深および積雪密度の最新データ・過去データ表示画面が表示され、融雪計算部320の計算結果として、融雪予測画面、土壌供給水量の最新データ・過去データ表示画面、流出計算部330の計算結果として、予測ダム流入量の最新データ・過去データ表示画面、融雪ダム流入量画面が表示される。   When the output device 400 is a display, for example, as shown in FIG. 3, as a collection result of the data collection device 200, a telemeter actual value display screen, a dam actual value latest data / past data display screen, a long-term snow melting The trend study screen is displayed, the precipitation mesh prediction screen is displayed as the predicted mesh data, and the snow distribution screen, the latest data / past data display screen of the snow depth and snow density are displayed as the calculation result of the snow calculation unit 310. As the calculation result of the snow melting calculation unit 320, the snow melting prediction screen, the latest data / past data display screen of the soil supply water amount, the latest data / past data display screen of the predicted dam inflow amount as the calculation result of the runoff calculation unit 330, the snow melting dam The inflow screen is displayed.

次いで、上記構成を有する融雪出水予測システム100の動作について、図8〜図12に示すフローチャートを用いて説明する。図8は、融雪出水予測システム100の全体動作を示すメインフローチャートである。図9は、図8の融雪計算処理(S1400)の内容を示すフローチャートである。図10は、図9の融雪量算出処理(S1410)の内容を示すフローチャートである。図11は、図9の土壌供給水量算出処理(S1420)の内容を示すフローチャートである。図12は、図8の流出計算処理(S1500)の内容を示すフローチャートである。なお、図8〜図12に示すフローチャートは、コンピュータのROMなどに制御プログラムとして記憶されており、CPUによって実行される。   Next, the operation of the snowmelt runoff prediction system 100 having the above configuration will be described using the flowcharts shown in FIGS. FIG. 8 is a main flowchart showing the overall operation of the snowmelt water discharge prediction system 100. FIG. 9 is a flowchart showing the contents of the snow melting calculation process (S1400) of FIG. FIG. 10 is a flowchart showing the contents of the snow melting amount calculation process (S1410) of FIG. FIG. 11 is a flowchart showing the contents of the soil supply water amount calculation process (S1420) of FIG. FIG. 12 is a flowchart showing the contents of the outflow calculation process (S1500) of FIG. Note that the flowcharts shown in FIGS. 8 to 12 are stored as a control program in a ROM of a computer or the like and executed by the CPU.

まず、ステップS1000では、データ収集装置200で、融雪出水予測演算に必要なデータを入力し収集する。具体的には、例えば、上記のように、ダム実況データ、ダム流域内地形データ、気象庁アメダスデータ、気象庁レーダーデータ、気象庁降水予測メッシュ、およびGPVデータを入力する。   First, in step S1000, the data collection device 200 inputs and collects data necessary for snowmelt runoff prediction calculation. Specifically, for example, as described above, dam actual condition data, terrain data in the dam basin, JMA AMeDAS data, JMA radar data, JMA precipitation forecast mesh, and GPV data are input.

そして、ステップS1100では、データ収集装置200内の入力データ加工部210で、入力データ加工処理を行う。具体的には、ステップS1000で入力した所定のデータに対して、実測値によるキャリブレーションと1kmメッシュ化を行うとともに、実況気象データの1kmメッシュ化を行う。例えば、上記のように、実測値によるキャリブレーションと1kmメッシュ化では、気象庁降水予測メッシュおよびGPVデータの予測データを、気象庁アメダスデータおよび気象庁レーダーデータの実測データによって補正(キャリブレーション)し、さらに1kmメッシュに展開することにより(1kmメッシュ化)、予測メッシュデータを得る。また、実況気象データの1kmメッシュ化では、ダム実況データ(特に気象データ)およびダム流域内地形データを用いて、気象データを1kmメッシュに展開することにより(1kmメッシュ化)、実況メッシュデータを得る。   In step S1100, the input data processing unit 210 in the data collection device 200 performs input data processing. Specifically, the predetermined data input in step S1000 is calibrated with actual measurement values and converted into a 1 km mesh, and the actual weather data is converted into a 1 km mesh. For example, as described above, in the calibration with the actual measurement value and the 1 km mesh, the prediction data of the Meteorological Agency precipitation prediction mesh and GPV data is corrected (calibrated) by the meteorological agency AMeDAS data and the actual measurement data of the JMA radar data, and further 1 km By developing the mesh (1 km mesh), predicted mesh data is obtained. In addition, in the production of 1km mesh of live weather data, live weather mesh data is obtained by expanding the weather data into 1km mesh (1km mesh) using dam live data (especially weather data) and topographic data in the dam basin. .

そして、ステップS1200では、データ演算装置300で、積雪計算を実行するか否かを判断する。上記のように積雪計算部310の処理は日単位で行うため、このステップS1200によって、積雪計算を実行するタイミングか否かを判断する。この判断の結果として、積雪計算を実行する場合は(S1200:YES)、ステップS1300に進み、積雪計算を実行しない場合は(S1200:NO)、直ちにステップS1400に進む。   In step S1200, the data calculation device 300 determines whether or not to perform snow cover calculation. As described above, since the process of the snow cover calculation unit 310 is performed on a daily basis, it is determined whether or not it is time to execute the snow cover calculation in step S1200. As a result of this determination, if snow calculation is to be executed (S1200: YES), the process proceeds to step S1300, and if snow calculation is not to be executed (S1200: NO), the process immediately proceeds to step S1400.

ステップS1300では、データ演算装置300内の積雪計算部310で、積雪計算を行う。具体的には、ステップS1100で得た実況メッシュデータに基づいて、上記の式(1)〜式(5)を用いて、積雪相当水量推定モデルによって積雪相当水量を算出するとともに、積雪モデルによって積雪深および積雪密度を算出する。   In step S1300, the snow calculation unit 310 in the data arithmetic device 300 performs snow calculation. Specifically, based on the live mesh data obtained in step S1100, using the above equations (1) to (5), the snow equivalent water amount is calculated by the snow equivalent water amount estimation model, and the snow accumulation by the snow model is calculated. Calculate depth and snow density.

そして、ステップS1400では、データ演算装置300内の融雪計算部320で、融雪計算処理を行う。この融雪計算処理は、図9のフローチャートに示す手順に従って行われる。   In step S1400, the snow melting calculation unit 320 in the data arithmetic device 300 performs snow melting calculation processing. This snow melting calculation process is performed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.

まず、ステップS1410では、融雪計算部320内の融雪モデル部322で、融雪量算出処理を行う。この融雪量算出処理は、図10のフローチャートに示す手順に従って行われる。   First, in step S1410, the snow melting model unit 322 in the snow melting calculation unit 320 performs a snow melting amount calculation process. This snow melting amount calculation processing is performed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.

まず、ステップS1411では、ステップS1100で得た予測メッシュデータおよび実況メッシュデータの気象データ、ステップS1000で得たダム流域内地形データ、ならびに記憶部340に格納されている所定の定数を、融雪モデルによる計算に必要な情報として取り込む。   First, in step S1411, the meteorological data of the predicted mesh data and the live mesh data obtained in step S1100, the terrain data in the dam basin obtained in step S1000, and the predetermined constant stored in the storage unit 340 are obtained by the snow melting model. Import as necessary information for calculation.

そして、ステップS1412では、変数の算出を行う。具体的には、ステップS1411で取り込んだ情報を用いて、透過率、アルベドα、水蒸気圧、空気の密度、比湿を算出する。例えば、透過率は、上記の式(9)によって計算される。また、アルベドαは、日平均気温を用いた実験式によって与えられる。また、水蒸気圧、空気の密度、および比湿は、一般に使用される周知の式によってそれぞれ計算される。   In step S1412, a variable is calculated. Specifically, the transmittance, albedo α, water vapor pressure, air density, and specific humidity are calculated using the information captured in step S1411. For example, the transmittance is calculated by the above equation (9). Moreover, albedo (alpha) is given by the empirical formula using daily average temperature. Further, the water vapor pressure, the air density, and the specific humidity are calculated by well-known formulas that are generally used.

そして、ステップS1413では、1次パラメータの算出を行う。具体的には、ステップS1411で取り込んだ情報およびステップS1412で算出した変数を用いて、上記の式(6)および式(7)における各項(1次パラメータ)を算出する。1次パラメータは、下向き長波放射量L下向き矢印、顕熱H、潜熱lE、および積雪が受けるエネルギーGである。上記のように、下向き長波放射量L下向き矢印は、近藤の方法(非特許文献5、pp.90-91)によって与えられる。また、顕熱Hおよび潜熱lEは、上記の式(8)によって与えられる。また、積雪が受けるエネルギーGは、上記の式(10)によって与えられる。   In step S1413, primary parameters are calculated. Specifically, the terms (primary parameters) in the above formulas (6) and (7) are calculated using the information captured in step S1411 and the variables calculated in step S1412. The primary parameters are the downward long wave radiation amount L downward arrow, the sensible heat H, the latent heat 1E, and the energy G received by the snow cover. As described above, the downward long wave radiation amount L downward arrow is given by Kondo's method (Non-Patent Document 5, pp. 90-91). Further, the sensible heat H and the latent heat 1E are given by the above equation (8). The energy G received by the snow cover is given by the above equation (10).

そして、ステップS1414では、2次パラメータの算出を行う。具体的には、ステップS1411で取り込んだ情報およびステップS1413で算出した1次パラメータを用いて、上記の式(6)および式(7)を解いて、2次パラメータを算出する。2次パラメータは、融雪熱M、雪温Tsn、および凍結深Zである。 In step S1414, a secondary parameter is calculated. Specifically, using the information captured in step S1411 and the primary parameter calculated in step S1413, the above equation (6) and equation (7) are solved to calculate the secondary parameter. Secondary parameters are snow melting heat M 0 , snow temperature T sn , and freezing depth Z n .

そして、ステップS1415では、融雪量の算出を行う。具体的には、ステップS1411で取り込んだ情報およびステップS1414で算出した融雪熱Mを用いて、上記の式(11)によって、融雪量qrm(mm/h)を算出する。 In step S1415, the amount of snow melt is calculated. Specifically, the amount of snow melting q rm (mm / h) is calculated by the above equation (11) using the information captured in step S1411 and the snow melting heat M 0 calculated in step S1414.

そして、ステップS1416では、ステップS1415で算出した融雪量を、図示しないメモリに一時格納した後、図9のフローチャートにリターンする。   In step S1416, the amount of snow melt calculated in step S1415 is temporarily stored in a memory (not shown), and the process returns to the flowchart of FIG.

そして、図9のステップS1420では、融雪計算部320内の積雪浸透モデル部324で、土壌供給水量算出処理を行う。具体的には、ステップS1000で入力した所定の情報(雨量)、ステップS1410で算出した融雪量、ステップS1300で算出した積雪深、および記憶部340に格納されている所定の定数を用いて、図4の積雪浸透モデル(修正法)によって土壌供給水量を算出する。この土壌供給水量算出処理は、図11のフローチャートに示す手順に従って行われる。   And in step S1420 of FIG. 9, the snow supply infiltration model part 324 in the snow melting calculation part 320 performs a soil supply water amount calculation process. Specifically, using the predetermined information (rainfall amount) input in step S1000, the snowmelt amount calculated in step S1410, the snow depth calculated in step S1300, and the predetermined constant stored in the storage unit 340, FIG. The amount of soil supply water is calculated by the snow infiltration model (correction method) of No. 4. This soil supply water amount calculation process is performed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.

まず、ステップS1421では、ステップS1000で入力した情報の中から、図2の積雪浸透モデル(修正法)による計算に必要な情報(具体的には、雨量)を取り込むとともに、ステップS1410で算出した融雪量、ステップS1300で算出した積雪深、および記憶部340に格納されている所定の定数(具体的には、係数k01、k02)を取り込む。 First, in step S1421, the information (specifically, rainfall) necessary for calculation by the snow infiltration model (correction method) in FIG. 2 is taken from the information input in step S1000, and the snow melting calculated in step S1410 is performed. The amount, the snow depth calculated in step S1300, and predetermined constants (specifically, coefficients k 01 and k 02 ) stored in the storage unit 340 are taken in.

そして、ステップS1422では、積雪の貯留係数の決定を行う。具体的には、ステップS1421で取り込んだ積雪深Hおよび係数k01、k02を用いて、上記の式(13)によって、積雪の貯留係数kを決定する。 In step S1422, a snow storage coefficient is determined. Specifically, the snow storage coefficient k s is determined by the above equation (13) using the snow depth H s and the coefficients k 01 and k 02 taken in step S1421.

そして、ステップS1423では、土壌に到達する融雪量の算出を行う。具体的には、ステップS1410で算出した融雪量qrmおよびステップS1422で決定した積雪の貯留係数kを用いて、上記の式(12)によって、積雪浸透により土壌に到達する融雪量qを算出する。 In step S1423, the amount of snow melting that reaches the soil is calculated. Specifically, by using the snow melting amount q rm calculated in step S1410 and the snow accumulation coefficient k s determined in step S1422, the snow melting amount q s reaching the soil by snow infiltration is calculated by the above equation (12). calculate.

そして、ステップS1424では、土壌供給水量の算出を行う。具体的には、ステップS1421で取り込んだ雨量と、ステップS1423で算出した土壌に到達する融雪量qとを合計して、土壌供給水量を算出する。 In step S1424, the amount of soil supply water is calculated. Specifically, the rainfall captured in step S1421, by summing up the snow melting amount q s reaching the soil calculated in step S 1423, to calculate the soil supply amount of water.

そして、ステップS1425では、ステップS1424で算出した土壌供給水量を、図示しないメモリに一時格納した後、図9のフローチャートにリターンする。   In step S1425, the soil supply water amount calculated in step S1424 is temporarily stored in a memory (not shown), and the process returns to the flowchart of FIG.

そして、図9のステップS1430では、融雪計算部320内の流域平均化部326で、流域平均化処理を行う。具体的には、ステップS1420で算出したメッシュ毎の土壌供給水量を流域全体にわたってランピングして(流域平均化)、流域平均土壌供給水量を求める。   In step S1430 of FIG. 9, the basin averaging unit 326 in the snow melting calculation unit 320 performs the basin averaging process. Specifically, the soil supply water amount for each mesh calculated in step S1420 is ramped over the entire basin (basin averaging) to obtain the basin average soil supply water amount.

そして、ステップS1440では、ステップS1430で得た流域平均土壌供給水量を、図示しないメモリに一時格納した後、図8のフローチャートにリターンする。   In step S1440, the basin average soil water supply obtained in step S1430 is temporarily stored in a memory (not shown), and the process returns to the flowchart of FIG.

なお、ステップS1400における融雪計算処理は、ステップS1100で得た予測メッシュデータおよび実況メッシュデータの気象データに対して別々に行われる。例えば、図3において、実況メッシュデータの気象データ(観測された最新の気象データ)に対する処理の流れは実線で示し、予測メッシュデータの気象データ(予測気象データ)に対する処理の流れは太線で示している。   Note that the snow melting calculation process in step S1400 is performed separately on the weather data of the predicted mesh data and the live mesh data obtained in step S1100. For example, in FIG. 3, the flow of processing for the weather data of the live mesh data (the latest observed weather data) is indicated by a solid line, and the flow of the processing for the weather data of the predicted mesh data (predicted weather data) is indicated by a bold line. Yes.

そして、図8のステップS1500では、データ演算装置300内の流出計算部330で、流出計算処理を行う。この流出計算処理は、図12のフローチャートに示す手順に従って行われる。   In step S1500 of FIG. 8, the outflow calculation unit 330 in the data arithmetic device 300 performs outflow calculation processing. This outflow calculation process is performed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.

まず、ステップS1510では、ステップS1400で算出した2種類の流域平均土壌供給水量、つまり、観測された最新の気象データに基づく流域平均土壌供給水量および予測気象データに基づく流域平均土壌供給水量を取り込む。また、ステップS1000で入力したダム実況データのうち、ダム流入量データを取り込む。   First, in step S1510, the two types of basin average soil supply water calculated in step S1400, that is, the basin average soil supply water based on the latest observed weather data and the basin average soil supply water based on the predicted weather data are captured. In addition, the dam inflow data is fetched from the dam actual condition data input in step S1000.

そして、ステップS1520では、流出計算部330内の流出モデル部332で、ステップS1510で取り込んだ2種類の流域平均土壌供給水量のうち、観測された最新の気象データに基づく流域平均土壌供給水量を用いて、流出モデル(2段タンク型貯留関数モデル)によって、ダム流入量の再現値(再現ダム流入量)を算出する。   In step S1520, the outflow model unit 332 in the outflow calculation unit 330 uses the basin average soil supply water amount based on the latest observed weather data among the two types of basin average soil supply water amount captured in step S1510. Then, the dam inflow reproducible value (reproduced dam inflow amount) is calculated by the outflow model (two-stage tank type storage function model).

そして、ステップS1530では、流出計算部330内の流出モデル定数更新部334で、ステップS1510で取り込んだ実測ダム流入量とステップS1520で算出した再現ダム流入量とを比較して、カルマンフィルタ理論に基づいて、流出モデル定数を更新(修正)する。   In step S1530, the outflow model constant update unit 334 in the outflow calculation unit 330 compares the measured dam inflow amount acquired in step S1510 with the reproduced dam inflow amount calculated in step S1520, and based on the Kalman filter theory. Update (correct) outflow model constants.

そして、ステップS1540では、再び流出計算部330内の流出モデル部332で、ステップS1530で更新した流出モデル定数を用いて、ステップS1510で取り込んだ2種類の流域平均土壌供給水量のうち、予測気象データに基づく流域平均土壌供給水量に基づいて、流出モデル(2段タンク型貯留関数モデル)によって、ダム流入量の予測値(予測ダム流入量)を算出する。   In step S1540, the outflow model unit 332 in the outflow calculation unit 330 again uses the outflow model constant updated in step S1530, and the predicted meteorological data out of the two types of basin average soil supply water amount captured in step S1510. Based on the average basin soil water supply based on the basin, the predicted value of dam inflow (predicted dam inflow) is calculated by the runoff model (two-stage tank type storage function model).

そして、ステップS1550では、ステップS1540で算出した予測ダム流入量を、図示しないメモリに一時格納した後、図8のフローチャートにリターンする。   In step S1550, the predicted dam inflow amount calculated in step S1540 is temporarily stored in a memory (not shown), and the process returns to the flowchart of FIG.

そして、図8のステップS1600では、出力装置400で、出力処理を行う。具体的には、ステップS1000で収集したデータ、ステップS1100で得たメッシュデータ、ステップS1300で得た計算結果、ステップS1400で得た計算結果、ステップS1500で得た計算結果を、情報の種類毎に、用途に応じてあらかじめ設定された形態で、ディスプレイに表示したり、プリンタで印刷したり、あるいは、通信手段によって外部に送信(配信)したりする。   In step S1600 of FIG. 8, the output device 400 performs output processing. Specifically, the data collected in step S1000, the mesh data obtained in step S1100, the calculation result obtained in step S1300, the calculation result obtained in step S1400, and the calculation result obtained in step S1500 for each type of information. They are displayed on a display in a form set in advance according to the application, printed by a printer, or transmitted (distributed) to the outside by a communication means.

このように、本実施の形態によれば、積雪浸透モデルにおいて、融雪水は積雪層を通し、一方、降雨は量にかかわらず直接土壌に到達させるため、融雪期のハイドログラフを再現した場合、その誤差(実測値と計算値の差)が小さくなり、土壌供給水量の予測精度を向上することができる。したがって、積雪浸透モデルを組み込んだ融雪流出モデルの精度が向上し、融雪出水の予測精度を向上することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the snow infiltration model, the snow melt passes through the snow layer, while the rain directly reaches the soil regardless of the amount. The error (difference between the measured value and the calculated value) is reduced, and the prediction accuracy of the amount of water supplied to the soil can be improved. Therefore, the accuracy of the snowmelt runoff model incorporating the snow penetration model can be improved, and the prediction accuracy of snowmelt runoff can be improved.

本発明者は、上記の効果を実証するために、積雪寒冷地のダム流域(豊平峡ダムと定山渓ダム)を解析対象地点として、積雪層の貯留効果を考慮した融雪流出モデルの再現性を検証した。検証では、融雪期における大雨時の雨量とダム流入量の相互関係を分析し、融雪期の流出量を推定する場合、大雨に対しては積雪層の貯留効果はないと考えた方が合理的であることを確認した。   In order to verify the above effect, the present inventors verified the reproducibility of the snowmelt runoff model considering the storage effect of the snow layer with the dam basin (Toyohirakyo Dam and Jozankei Dam) in the snowy cold region as the analysis target point. . In the verification, when analyzing the interrelationship between rainfall during heavy rain and snow inflow during the snow melting season and estimating runoff during the snow melting season, it is more reasonable to think that there is no storage effect of the snow layer for heavy rain It was confirmed that.

図13は、検証に用いた融雪流出モデルの構成を示す概略図である。   FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of a snowmelt runoff model used for verification.

図13に示すように、検証に用いた融雪流出モデルは、融雪・積雪浸透・流出の3種類のサブモデルから構成される。この融雪流出モデルによる計算は、まず、融雪モデルおよび積雪浸透モデルを約1km四方のメッシュに適用して、気象・地形因子からメッシュ毎の土壌供給水量を推定する。次に、メッシュ毎の土壌供給水量を流域全体にわたってランピングし、得られた値を流出モデルへの入力値とする。最後に、この値を流出モデルに入力して、流出量(ダム流入量)を算定する。なお、融雪流出モデルについては、上述のとおりであるため、その説明を省略する。   As shown in FIG. 13, the snowmelt runoff model used for the verification is composed of three types of submodels: snowmelt, snow infiltration and runoff. In the calculation based on the snowmelt runoff model, first, the snowmelt model and the snow infiltration model are applied to a mesh of about 1 km square, and the soil water supply amount for each mesh is estimated from meteorological / terrain factors. Next, the soil water supply amount for each mesh is ramped over the entire basin, and the obtained value is used as an input value to the runoff model. Finally, this value is input to the runoff model to calculate the runoff (dam inflow). In addition, since it is as above-mentioned about the snowmelt outflow model, the description is abbreviate | omitted.

対象流域と解析データ
図14は、解析対象流域を示す図である。
Target Basin and Analysis Data FIG. 14 is a diagram showing an analysis target basin.

解析対象流域は、図14に示すように、北海道札幌市の南部に位置する豊平峡ダム流域(流域面積:134km)と、その南約10kmにある定山渓ダム流域(流域面積:104km)とした。流域の標高分布は、両ダムとも400〜1300mで、全体の50%は700〜900mの範囲にある。 As shown in FIG. 14, the analysis target basin was the Hoheikyo dam basin (basin area: 134 km 2 ) located in the southern part of Sapporo, Hokkaido, and the Jozankei dam basin (basin area: 104 km 2 ) located about 10 km south. . The elevation distribution of the basin is 400 to 1300 m for both dams, and 50% of the total is in the range of 700 to 900 m.

積雪期間は11月下旬から翌年5月中旬の約6ヶ月間で、融雪に伴う増水は4月中旬から5月下旬に見られる。降雪量(雨量に換算した値)は、豊平峡ダムが1000mm、定山渓ダムが1200mmで、年間降水量の約50%を降雪が占める。   The snow cover period lasts for about 6 months from late November to mid-May, and the increase in water accompanying snow melting is seen from mid-April to late May. The amount of snowfall (value converted to rainfall) is 1000 mm for Toyohirakyo Dam and 1200 mm for Jozankei Dam, and snowfall accounts for about 50% of annual precipitation.

図15は、豊平峡ダムおよび定山渓ダムにおける気象観測項目を示す表である。   FIG. 15 is a table showing meteorological observation items in the Toyohirakyo Dam and Jozankei Dam.

それぞれのダムでは、ダム管理所(図14参照)においてダム流入量と気象要素(図15参照)が観測されている。本検証では、観測データが1時間毎に整理されているものを用いた。解析対象期間は、1996年から2000年とした。降水量を除く気象要素は、ダム管理所で観測された値であるため、それらを融雪流出モデルに入力するにはダム管理所で観測されたデータからメッシュ値を作成する必要がある。   In each dam, the dam inflow and meteorological elements (see FIG. 15) are observed at the dam management office (see FIG. 14). In this verification, the observation data is arranged every hour. The analysis period was from 1996 to 2000. Since meteorological elements other than precipitation are values observed at the dam management office, mesh values need to be created from data observed at the dam management office in order to input them into the snowmelt runoff model.

気温に関しては、気温減率(0.65℃/100m)を仮定し、ダム管理所の気温を標高で補正してメッシュ値を作成した。各メッシュの標高は、石狩川流域ランドスケープ情報(財団法人北海道河川防災研究センター編集・発行(1998))を活用した。日射量は、メッシュの傾きによってダム管理所の観測値を補正した値を用いた。その他の気象要素については、ダム流域の面積が小さいことから、観測値をそのままメッシュの値として扱うことにした。なお、流域内の積雪深分布は、中津川らの報告(非特許文献12)に基づいて推定した。   Regarding the temperature, assuming a temperature decrease rate (0.65 ° C./100 m), the temperature of the dam management station was corrected with the altitude, and a mesh value was created. The elevation of each mesh used the Ishikari River basin landscape information (edited and published by Hokkaido River Disaster Prevention Research Center (1998)). As the amount of solar radiation, the value obtained by correcting the observation value of the dam management office by the inclination of the mesh was used. As for other meteorological elements, the observation values were treated as mesh values because the area of the dam basin was small. The snow depth distribution in the basin was estimated based on a report by Nakatsugawa et al. (Non-Patent Document 12).

豊平峡ダム流域への適用
ここでは、融雪モデルと積雪浸透モデルを用いて土壌供給水量を推定し、積雪浸透モデルが大雨においても適切な土壌供給水量を算定しているか否かを調べた。
Application to the Toyohira Gorge Basin Here, we estimated the amount of soil supply using a snowmelt model and a snow infiltration model, and investigated whether the snow infiltration model calculated an appropriate amount of soil supply even in heavy rain.

図16は、豊平峡ダムにおける融雪期の降雨事例(2000年)を示す表である。また、図17は、豊平峡ダム流域における降雨開始日の積雪分布(2000年)を示す図である。なお、図17において、白色の領域は積雪域であり、灰色の領域は無積雪域である。   FIG. 16 is a table showing rainfall cases (2000) during the snowmelt period in Toyohirakyo Dam. Moreover, FIG. 17 is a figure which shows the snow cover distribution (2000) on the rainy start date in the Toyohirakyo dam basin. In FIG. 17, the white area is a snow area and the gray area is a no snow area.

降雨事例として、2000年の融雪期に発生した3度の降雨期間を取り上げた(図16)。いずれの事例も3日間雨量で70mmを超え、降雨規模としては、解析の対象とした1996年から2000年の融雪期の中で上位3事例である。   As an example of rainfall, we picked up three rainy periods that occurred during the 2000 snowmelt season (Fig. 16). In all cases, the rainfall for three days exceeded 70 mm, and the scale of rainfall is the top three cases in the snowmelt season from 1996 to 2000, which was the subject of analysis.

各事例における積雪の分布状況は、4月21日は、流域全体に積雪がある状態であり(図17(A))、5月12日は、標高の低い個所では融雪が進み積雪はないものの、広い範囲で雪はまだ残っている状態である(図17(C))。なお、図17(B)は、中間の5月2日の積雪状態である。   The distribution of snow cover in each case is that there is snow in the entire basin on April 21 (Fig. 17 (A)). On May 12, although snow melts at low altitudes, there is no snow. In a wide range, snow still remains (FIG. 17C). Note that FIG. 17B shows a snow cover state on the middle of May 2.

これらの事例に関して、雪面に供給される水量(雨量と融雪量)、ならびに、算定した土壌供給水量およびダム流入量を、図18〜図20に示す。図18は、2000年4月21日の事例における雪面および土壌に供給される水量の比較を示す図、図19は、2000年5月2日の事例における雪面および土壌に供給される水量の比較を示す図、図20は、2000年5月12日の事例における雪面および土壌に供給される水量の比較を示す図である。各図において、左側には雪面に供給された雨量と融雪量(積雪浸透層を通過する前の水量)を示し(図18(A)、図19(A)、図20(A))、右側には土壌に供給された水量(積雪浸透層を通過した水量:積雪浸透モデルによって算定した値)を示す(図18(B)、図19(B)、図20(B))。ただし、図18〜図20に示す土壌供給水量は、従来の積雪浸透モデル(図5参照)による算定値である。   18 to 20 show the amount of water supplied to the snow surface (rainfall amount and snowmelt amount), and the calculated soil supply water amount and dam inflow amount for these cases. 18 is a diagram showing a comparison of the amount of water supplied to the snow surface and soil in the case of April 21, 2000, and FIG. 19 is the amount of water supplied to the snow surface and soil in the case of May 2, 2000. FIG. 20 is a diagram showing a comparison of the amount of water supplied to the snow surface and soil in the case of May 12, 2000. In each figure, the left side shows the amount of rain and the amount of snow melt (the amount of water before passing through the snow infiltration layer) supplied to the snow surface (FIGS. 18A, 19A, and 20A), The right side shows the amount of water supplied to the soil (the amount of water passing through the snow infiltration layer: a value calculated by the snow infiltration model) (FIGS. 18B, 19B, and 20B). However, the amount of soil supply water shown in FIGS. 18 to 20 is a calculated value based on a conventional snow infiltration model (see FIG. 5).

図18〜図20によれば、次の特徴が把握される。   18 to 20, the following features are grasped.

1)ダム流入量の変動は、雪面に供給される降雨に対して時間遅れを持ちつつよく対応している。特に、第2出水(図19)では、ダム流入ハイドログラフの複数の小さなピークはハイエトグラフのピークに鋭敏に反応している。   1) The fluctuation of dam inflow corresponds well to the rainfall supplied to the snow surface with a time delay. In particular, in the second flood (FIG. 19), a plurality of small peaks in the dam inflow hydrograph are sensitive to the hyetograph peaks.

2)積雪層を流下した土壌供給水量に対してダム流入量の応答はよくない。具体的には、第1出水(図18)では、土壌供給水量はダム流入量と同様な変動を示し、第2出水(図19)では、ダム流入ハイドログラフに見られる複数のピークは土壌供給水量には見られない。   2) The response of the dam inflow to the soil supply water flowing down the snow layer is not good. Specifically, in the first discharge (FIG. 18), the amount of soil supply water shows the same fluctuation as the amount of dam inflow, and in the second discharge (FIG. 19), the multiple peaks seen in the dam inflow hydrograph indicate the soil supply. Not seen in the amount of water.

この考察により、積雪浸透モデルが一種のフィルターの役目を果たし、大雨に対して積雪層の流下を想定すると、過度にスムージングされているものと考えられる。すなわち、大雨に対しては、従来の積雪浸透モデルは適切な値を出力していない。しかし、図19に示すように、雨量とダム流入量の対応関係が極めてよいことに着目すると、降雨を流出モデルに直接入力することで、再現性が向上する可能性が大きいと考えられる。そこで、本実施の形態に係る土壌供給水量予測装置100が採用する修正法(降雨を直接流出モデルに入力する方法)によって融雪ハイドログラフの再現を試みた。   Based on this consideration, the snow infiltration model acts as a kind of filter, and it is considered that the snow layer is over-smoothed when the snow layer flows down against heavy rain. That is, for heavy rain, the conventional snow penetration model does not output an appropriate value. However, as shown in FIG. 19, focusing on the very good correspondence between rainfall and dam inflow, it is considered that reproducibility is likely to be improved by inputting rainfall directly into the runoff model. Therefore, an attempt was made to reproduce the snowmelt hydrograph by a correction method (a method in which rainfall is directly input to the runoff model) employed by the soil water supply amount prediction apparatus 100 according to the present embodiment.

ここで、上記した従来法と修正法の相違点をまとめると、次のとおりである。従来法では、雪面に与えられる雨量と融雪量の総和が積雪層を流下するものとして考え、両者に対して積雪層の浸透を考慮する(図5)。一方、修正法では、降雨と融雪水の流下を別々に扱い、融雪水については、従来法と同様に、浸透を考え、降雨については、浸透を考えずに直接土壌に到達させる(図4)。すなわち、修正法では、融雪水は積雪層を通し、一方、降雨は量にかかわりなく直接土壌に到達させる。これにより、無降雨時の融雪水は積雪層を流下し、一方、大雨は土壌に直接到達することになる。   Here, the differences between the above-described conventional method and the correction method are summarized as follows. In the conventional method, the sum of the amount of rain and the amount of snow melt applied to the snow surface is considered to flow down the snow layer, and the penetration of the snow layer is considered for both (FIG. 5). On the other hand, in the modified method, rainfall and snowmelt water flow are handled separately. For snowmelt water, infiltration is considered in the same way as in the conventional method, and for rainwater, it reaches the soil directly without considering infiltration (Fig. 4). . That is, in the modified method, the snowmelt water passes through the snow layer, while the rainfall reaches the soil directly regardless of the amount. As a result, the snowmelt water during no rain flows down the snow layer, while heavy rain reaches the soil directly.

以下、従来法と修正法の優劣を、流出(ハイドログラフ)の再現性によって検証する。   In the following, the superiority and inferiority of the conventional method and the modified method will be verified by the reproducibility of the outflow (hydrograph).

ここでは、従来法と修正法を用いて土壌供給水量を推定し、それぞれの値から計算されるダム流入量を比較した。これによって、従来法と修正法の優劣を評価した。再現計算に用いるモデル定数は、最大の出水が観測された2000年5月12日〜14日の事例によって最適同定された値である。   Here, the amount of soil water supply was estimated using the conventional method and the modified method, and the dam inflow calculated from each value was compared. This evaluated the superiority or inferiority of the conventional method and the modified method. The model constant used for the reproduction calculation is a value optimally identified by the case from May 12 to 14, 2000 when the maximum water discharge was observed.

最大出水例に対して最適化を行った再現結果を図21に示す。図21は、従来法と修正法の再現性の比較(豊平峡ダム、2000年)を示す図である。なお、図21において、灰色の部分は実測ダム流入量を示し、実線は修正法による再現結果を示し、丸印は従来法による再現結果を示している。図21に示すように、どちらの手法を用いてもほぼ同じダム流入ハイドログラフが得られた。このときのモデル定数と精度評価指標を図22の最適化結果の欄に示す。図22は、モデル定数および再現精度の比較(豊平峡ダム)を示す表である。図22も示すように、修正法と従来法で得たモデル定数(c、c)に違いは見られるものの、精度評価指標の値に関してはほとんど差異はない。 A reproduction result obtained by optimizing the maximum water discharge example is shown in FIG. FIG. 21 is a diagram showing a comparison of reproducibility between the conventional method and the modified method (Toyohirakyo Dam, 2000). In FIG. 21, the gray portion indicates the measured dam inflow, the solid line indicates the reproduction result by the correction method, and the circle indicates the reproduction result by the conventional method. As shown in FIG. 21, the same dam inflow hydrograph was obtained using either method. The model constant and the accuracy evaluation index at this time are shown in the optimization result column of FIG. FIG. 22 is a table showing comparison of model constants and reproduction accuracy (Toyohirakyo Dam). As shown in FIG. 22, although there is a difference between the model constants (c 1 , c 2 ) obtained by the correction method and the conventional method, there is almost no difference with respect to the value of the accuracy evaluation index.

なお、図22に示す精度評価指標は、次の式(18)〜式(20)で計算される。   The accuracy evaluation index shown in FIG. 22 is calculated by the following formulas (18) to (20).

Figure 2008185489
Figure 2008185489

ここで、qoiは観測流量(m/s)、qciは計算流量(m/s)、Nはデータ数である。Nash-Sutcliffe 指標Eは、値が1に近いほど観測値と計算値の適合度が高いことを表し、一般には0.8程度を超えていれば良好な再現結果が得られたものと判断される(非特許文献13)。 Here, q oi is the observed flow rate (m 3 / s), q ci is the calculated flow rate (m 3 / s), and N is the number of data. Nash-Sutcliffe index E i indicates that the closer the value is to 1, the higher the degree of matching between the observed value and the calculated value. Generally, if the value exceeds about 0.8, it is judged that a good reproduction result has been obtained. (Non-patent Document 13).

以上の結果では、1つの大規模出水の再現精度に関しては、修正法と従来法で優劣の差は見られない。この理由は、最適化過程において降雨の違いがモデル定数に反映されたためと考えられる。   From the above results, there is no difference between superiority and inferiority between the correction method and the conventional method with respect to the reproduction accuracy of one large-scale water discharge. The reason is considered that the difference in rainfall was reflected in the model constant during the optimization process.

モデル定数(c、c)は、1段目タンクの貯留係数(k11、k12)を与え、貯留高sの応答を決定付ける(式(14)、式(15)参照)。これらのモデル定数の変化は、貯留高sを変化させ、さらに計算ハイドログラフに対して次の変化をもたらす。 The model constants (c 1 , c 2 ) give the storage coefficients (k 11 , k 12 ) of the first-stage tank, and determine the response of the storage height s 1 (see formulas (14) and (15)). Changes in these model constants change the storage height s 1 and also cause the following changes to the calculated hydrograph.

1)cは、値が小さくなると計算ハイドログラフのピークは大きくなり、同時にピークの出現が早まる。 1) As the value of c 1 decreases, the peak of the calculated hydrograph increases and, at the same time, the peak appears earlier.

2)cは、値の減少に伴って計算ハイドログラフのピークの出現が早まり、その結果、出水が早く終わることになる。 2) c 2 is the appearance of the peak of the computed hydrograph with decreasing values accelerated, resulting in the flooding ends earlier.

このようなモデル定数の特性に基づいて考えると、従来法と修正法で得た最適モデル定数の差は、次のように生じたものと推察される。すなわち、土壌供給水量とハイドログラフのピークの値に着目すると、修正法で算出した土壌供給水量のピークの値は、従来法による値に比べて大きい。このため、修正法による計算ハイドログラフのピークを実測値に適合させるには、従来法のcよりも小さな値をとることになる。これに伴って計算ハイドログラフのピーク出現が遅れ、この遅れを解消するためにcの値を小さくするように最適化がなされる。この結果、修正法のcは従来法の値よりも大きく、また、cは小さな値になったものと考えられる。 Considering based on the characteristics of such model constants, it is assumed that the difference between the optimum model constants obtained by the conventional method and the correction method is caused as follows. That is, paying attention to the amount of soil supply water and the peak value of the hydrograph, the value of the peak of soil supply water amount calculated by the correction method is larger than the value by the conventional method. For this reason, in order to adapt the peak of the hydrograph calculated by the correction method to the actual measurement value, a value smaller than c 1 of the conventional method is taken. Peak appearance of calculation hydrograph is delayed along with this, the optimization is performed so as to reduce the value of c 2 in order to eliminate this delay. As a result, it is considered that c 1 of the correction method is larger than the value of the conventional method, and c 2 is a small value.

次に、この最適モデル定数を用いて全融雪期間のハイドログラフを再現し、修正法と従来法の精度比較を行う。   Next, using this optimal model constant, the hydrograph of the entire snow melting period is reproduced, and the accuracy of the correction method and the conventional method is compared.

図23は、修正法および従来法による再現結果(豊平峡ダム、2000年)を示す図であり、最適モデル定数を用いて、2000年の全融雪期間のダム流入ハイドログラフを再現した結果である。なお、図23において、灰色の部分は実測ダム流入量を示し、実線は修正法による再現結果を示し、丸印は従来法による再現結果を示している。   FIG. 23 is a diagram showing a reproduction result (Toyohira Gorge Dam, 2000) by the correction method and the conventional method, and is a result of reproducing a dam inflow hydrograph for the entire snow melting period of 2000 using the optimum model constant. In FIG. 23, the gray portion indicates the measured dam inflow, the solid line indicates the reproduction result by the correction method, and the circle indicates the reproduction result by the conventional method.

図23によれば、修正法による計算結果は、最大出水では従来法と同程度の再現性を保ちつつ、第1出水および第2出水における適合度が向上していることがわかる。また、図22の再現結果欄に示す精度評価指標を比較すると、修正法では、相対誤差(JRE)は従来法の24%から19%に減少し、また、Nash-Sutcliffe 指標(E)は0.87から0.95に増大している。以上の解析の結果、降雨を流出モデルに直接入力することで、融雪期間全体の再現性が向上することが確認された。 According to FIG. 23, it can be seen that the calculation result by the correction method has improved relevance in the first and second water discharges while maintaining the reproducibility of the same level as the conventional method at the maximum water discharge. Further, when comparing the accuracy evaluation indexes shown in the reproduction result column of FIG. 22, in the correction method, the relative error (J RE ) decreases from 24% of the conventional method to 19%, and the Nash-Sutcliffe index (E i ) Increases from 0.87 to 0.95. As a result of the above analysis, it was confirmed that the reproducibility of the whole snow melting period was improved by inputting the rainfall directly into the runoff model.

修正法の再現性が従来法に比べて良くなった理由の1つとしては、修正法では、大雨の流下形態を変えたためと考えられる。積雪内の水の流下形態は2種類に大別されることが指摘されている(非特許文献14)。その1つは、水が膜となって氷粒を覆いその表面を水が流下する皮膜流下、もう一方は、多量の水が積雪内の間隙を満たしそれらが柱状となって流下する水路流下である。両者の流下速度には差があり、一般には水路流下の速度は皮膜流下に比べて大きい。積雪浸透モデルは、融雪水の流下を対象にしたモデルであり、従来法は、皮膜流下を想定した手法といえる。一方、修正法は、降雨を直接流出モデルに入力することによって、皮膜流下とは異なった速度の大きい流下形態(水路流下)を加味したものと考えられる。修正法は、簡便ではあるものの流下形態の違いを的確に反映しており、このことが再現性を向上させた原因と考えられる。   One of the reasons why the reproducibility of the correction method is better than that of the conventional method is considered that the flow method of heavy rain was changed in the correction method. It has been pointed out that the flow of water in snow is roughly divided into two types (Non-Patent Document 14). One is a film flow in which water forms a film and covers ice particles, and water flows down the surface. The other is a water channel flow in which a large amount of water fills the gaps in the snow and flows down in the form of columns. is there. There is a difference in the flow velocity between the two, and generally the flow velocity in the water channel is larger than that in the film flow. The snow infiltration model is a model for snowmelt water flow, and the conventional method can be said to be a method assuming film flow. On the other hand, it is considered that the correction method takes into account the large flow rate (water channel flow) different from the film flow by inputting rainfall directly into the runoff model. Although the correction method is simple, it accurately reflects the difference in the flow form, and this is considered to be the cause of improving the reproducibility.

次に、上記で求めたモデル定数(修正法)を用いて、1996年から1999年の複数年の融雪期のハイドログラフを再現した。図24は、その再現結果(豊平峡ダム、1996年〜1999年)を示す図である。図24(A)は、1996年のダム流入量の再現結果であり、図24(B)は、1997年のダム流入量の再現結果であり、図24(C)は、1998年のダム流入量の再現結果であり、図24(D)は、1999年のダム流入量の再現結果である。なお、図24において、灰色の部分は実測ダム流入量、実線は計算ダム流入量、黒色の部分は土壌供給水量をそれぞれ表している。   Next, using the model constants (correction method) obtained above, a hydrograph during the snowmelt period from 1996 to 1999 was reproduced. FIG. 24 is a diagram showing the reproduction result (Toyohirakyo Dam, 1996-1999). Fig. 24 (A) is the reproduction result of the dam inflow in 1996, Fig. 24 (B) is the reproduction result of the dam inflow in 1997, and Fig. 24 (C) is the dam inflow in 1998. FIG. 24D shows a reproduction result of the dam inflow amount in 1999. FIG. In FIG. 24, the gray portion represents the measured dam inflow, the solid line represents the calculated dam inflow, and the black portion represents the soil supply water amount.

図24に示すように、いずれの年においても、短期的な出水が的確に再現されているのと同時に、融雪期全体の長期的な流出傾向も良好に再現されている。1996年から1999年の最大誤差は38.06m/s、RMSEは7.91m/sであった。 As shown in FIG. 24, in any year, the short-term water discharge is accurately reproduced, and at the same time, the long-term trend of the entire snowmelt period is well reproduced. The maximum error from 1996 to 1999 was 38.06 m 3 / s and the RMSE was 7.91 m 3 / s.

図24の解析例に示すように、気象条件の異なる複数年にわたって良好な再現ハイドログラフが得られたことは、本発明の融雪流出モデルの妥当性を裏付ける結果と言える。また、出水規模の大きな1事例のみでモデル定数を同定しても、流域を代表するモデル定数が得られることを実証している。すなわち、融雪期の比較的大きな規模の1出水で最適流出モデル定数が得られれば、複数年にわたって融雪全期間のハイドログラフを実用上十分な精度で再現できることがわかった。   As shown in the analysis example of FIG. 24, it can be said that the good reproduction hydrograph was obtained over a plurality of years with different weather conditions, confirming the validity of the snowmelt runoff model of the present invention. In addition, it has been proved that model constants representing watersheds can be obtained even if model constants are identified in only one case with a large flood. In other words, it was found that if the optimal runoff model constant can be obtained with one flood at a relatively large scale during the snowmelt period, the hydrograph for the entire period of snowmelt can be reproduced with sufficient practical accuracy over multiple years.

1つのモデル定数で長期にわたってダム流入量を再現できた理由は、積雪が土壌を覆っていることが挙げられる。融雪期は、少量ではあるものの融雪水が日々土壌に供給され、一方で、積雪は地表からの水分の蒸発を抑制している。これら積雪の効果によって土壌の乾湿状態の変化が抑えられ、その結果、モデル定数を固定してもダムへの流入ハイドログラフが良好に再現できたものと考察される。   The reason why the dam inflow was able to be reproduced for a long time with one model constant is that the snow cover the soil. During the snow melting season, a small amount of snow melting water is supplied to the soil every day, while snow accumulation suppresses evaporation of moisture from the ground surface. It is considered that the hydrograph inflow into the dam could be reproduced well even if the model constants were fixed, as a result of the effects of snow cover to suppress changes in the wet and dry conditions of the soil.

定山渓ダムへの適用
以上、修正された積雪浸透モデルと簡便に流出モデル定数を決定する方法の有効性を検証した。ここでは、修正された融雪流出モデルの汎用性を確認する意味で、解析対象地点を定山渓ダム流域に移し、当該モデルの適用性を検討した。
Above the application to Jozankei Dam, we verified the effectiveness of the modified snow infiltration model and the simple method to determine the runoff model constant. Here, in order to confirm the versatility of the modified snowmelt runoff model, the analysis target was moved to the Jozankei Dam basin and the applicability of the model was examined.

ここでは、まず、出水規模の大きい2000年4月21日〜24日の事例によって流出モデル定数を最適化し、最適値によって同年の融雪期全体を再現した。図25は、この最適化の結果である。図26は、最適モデル定数(修正法)によって2000年のハイドログラフを再現した結果である。図25(B)において、灰色の部分は実測ダム流入量、白丸は計算ダム流入量をそれぞれ表す。また、図25では、修正法と従来法で推定した土壌供給水量を比較して示した。土壌供給水量の縦軸は、修正法では下向きを正とし、従来法では上向きを正としている。図26において、灰色の部分は実測ダム流入量、実線は計算ダム流入量、黒色の部分は土壌供給水量をそれぞれ表す。また、図27は、このときのモデル定数および再現精度の比較を示す表である。   Here, first, the runoff model constant was optimized based on the case of April 21 to 24, 2000, where the flood volume was large, and the entire snow melting period of the same year was reproduced using the optimum value. FIG. 25 shows the result of this optimization. FIG. 26 shows the result of reproducing the 2000 hydrograph using the optimal model constant (correction method). In FIG. 25B, the gray portion represents the measured dam inflow, and the white circle represents the calculated dam inflow. Moreover, in FIG. 25, the soil supply water amount estimated by the correction method and the conventional method was compared and shown. The vertical axis of the amount of water supplied to the soil is positive in the correction method and positive in the conventional method. In FIG. 26, the gray portion represents the measured dam inflow, the solid line represents the calculated dam inflow, and the black portion represents the soil supply water amount. FIG. 27 is a table showing a comparison of model constants and reproduction accuracy at this time.

図25に示すように、修正法では、適合度の高いモデル定数が求まり、図26および図27に示すように、融雪期全体のダム流入ハイドログラフが良好に再現できている。一方、従来法では、解が振動し、最適値は得られていない。最適値が得られなかった理由は、降雨が積雪層のフィルターを流下することによって、降雨波形が平滑化されすぎたためであると考えられる(図25)。上記の豊平峡ダム流域への適用結果と同様に、ここでも降雨の取り扱いは修正法が適切であることが確認された。   As shown in FIG. 25, in the correction method, a model constant having a high degree of fitness is obtained, and as shown in FIGS. 26 and 27, the dam inflow hydrograph of the entire snow melting period can be reproduced well. On the other hand, in the conventional method, the solution vibrates and the optimum value is not obtained. The reason why the optimum value could not be obtained is thought to be that the rainfall waveform was excessively smoothed by the rain flowing down the filter of the snow layer (FIG. 25). Similar to the results of the application to the Toyohira Gorge basin described above, it was confirmed that the modified method is appropriate for handling rainfall.

以上の結果を総合すると、積雪期間に大雨が発生した場合、雪面の水は時間の遅れがなく土壌に到達して河川に流出すると考えた方が合理的であると言える。   To summarize the above results, it can be said that it is more reasonable to think that if heavy rain occurs during the snow cover period, the water on the snow surface will reach the soil without any time delay and will flow into the river.

最後に、1996年から1999年のダム流入ハイドログラフを再現した結果を図28に示す。定山渓ダムにおいても、計算ダム流入量は融雪期全体の長期的な流出状況を良好に再現しており、本発明における融雪流出モデルの妥当性が示された。また、この間の最大誤差は38.25m/s、RMSEは5.96m/sであり、豊平峡ダムにおける解析結果と同様、1つの出水事例のみで最適同定されたモデル定数であっても、複数年のダム流入ハイドログラフを実用上十分な精度で再現できることが検証された。 Finally, the result of reproducing the dam inflow hydrograph from 1996 to 1999 is shown in FIG. In Jozankei Dam, the calculated dam inflow well reproduced the long-term runoff situation of the whole snowmelt season, indicating the validity of the snowmelt runoff model in the present invention. The maximum error during this period is 38.25 m 3 / s and the RMSE is 5.96 m 3 / s. Like the analysis results at Toyohira Gorge Dam, It was verified that multi-year dam inflow hydrographs can be reproduced with sufficient practical accuracy.

以上、本検証では、積雪寒冷地のダム流域(豊平峡ダムと定山渓ダム)を解析対象地点として、積雪貯留を考慮した融雪流出モデルの再現性を検証した。その結果、まとめとして、次の知見が得られた。   As mentioned above, in this verification, the reproducibility of the snowmelt runoff model considering snow storage was verified using the dam basin (Toyohirakyo Dam and Jozankei Dam) in the cold snowy region as the analysis target point. As a result, the following findings were obtained as a summary.

1)既往の研究成果によれば、積雪層における融雪水の流下形態には皮膜流下と水路流下に分類されることが指摘されている。本検証の解析結果として、融雪期に集中豪雨が発生する場合は、水路流下と考えるのが合理的であり、降雨を直接流出モデルに入力した方が、ダム流入ハイドログラフの再現精度がより向上することが確認された。   1) According to past research results, it is pointed out that the flow form of snowmelt water in the snow layer is classified into film flow and water flow. As a result of this analysis, if concentrated heavy rain occurs during the snowmelt season, it is reasonable to consider it as a channel flow, and it is better to input the rainfall directly into the runoff model to improve the reproducibility of the dam inflow hydrograph. Confirmed to do.

2)流出モデル定数を簡便かつ客観的に探索するために、数学的最適化手法(ニュートン法)を用いて、出水規模の大きい1事例のみでモデル定数を同定し、融雪全期間のダム流入量を再現した。その結果、わずか1事例で求められたモデル定数であっても、実用上十分な再現精度が得られることがわかった。   2) In order to easily and objectively search the runoff model constant, the model constant is identified in only one case with a large flooding scale using a mathematical optimization method (Newton method), and the dam inflow during the entire period of snow melting. Was reproduced. As a result, it was found that even with a model constant obtained in only one example, a sufficient reproduction accuracy was obtained in practical use.

3)上記の1)および2)の検討結果を踏まえ、複数年にわたる融雪期のダム流入ハイドログラフを推定した。その結果、解析対象とした2つの流域とも、短期的な出水および融雪期全体の長期的な流出状況も良好に再現することができた。   3) Based on the results of 1) and 2) above, a dam inflow hydrograph during the snowmelt period over several years was estimated. As a result, in the two catchment areas analyzed, the short-term water discharge and the long-term runoff situation of the whole snowmelt period were successfully reproduced.

本検証では、修正した融雪流出モデルの流出モデル定数を1つに固定しても十分な再現精度が得られることを実証した。このことは、洪水毎にモデル定数を変更する必要がないことを示しており、実際の洪水予測においては大きなメリットとなる。   In this verification, it was proved that sufficient reproducibility could be obtained even if the runoff model constant of the modified snowmelt runoff model was fixed to one. This indicates that it is not necessary to change the model constant for each flood, which is a great advantage in actual flood forecasting.

なお、本実施の形態では、流出モデルとして2段タンク型貯留関数モデルを用いているが、これに限定されるわけではない。流出モデルとしては、2段タンク型貯留関数モデルのほかに、例えば、有効雨量を用いた貯留関数法(いわゆる一般化貯留関数モデル)や損失項を含む貯留関数法(いわゆる1段タンク型貯留関数モデル)などが知られている(例えば、非特許文献8)。そこで、例えば、図29に示すように、これらの流出モデルを組み合わせて使用し、予測誤差の値が最も小さい流出モデルを最適モデルとして自動選択し、選択した最適モデルを用いて予測ダム流入量を算出するようにしてもよい。   In this embodiment, the two-stage tank type storage function model is used as the outflow model, but the present invention is not limited to this. As an outflow model, in addition to a two-stage tank type storage function model, for example, a storage function method using effective rainfall (a so-called generalized storage function model) or a storage function method including a loss term (a so-called one-stage tank type storage function) Model) and the like are known (for example, Non-Patent Document 8). Therefore, for example, as shown in FIG. 29, these runoff models are used in combination, the runoff model having the smallest prediction error value is automatically selected as the optimum model, and the predicted dam inflow amount is calculated using the selected optimum model. You may make it calculate.

本発明に係る融雪出水予測システムは、融雪出水の予測精度を向上することができる融雪出水予測システムとして有用である。   The snowmelt runoff prediction system according to the present invention is useful as a snowmelt runoff prediction system that can improve the prediction accuracy of snowmelt runoff.

本発明の一実施の形態に係る融雪出水予測システムの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the snowmelt runoff prediction system which concerns on one embodiment of this invention. 図1の融雪出水予測システムの各部の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of each part of the snowmelt runoff prediction system of FIG. 図1の融雪出水予測システムで用いられるデータの種類と流れを示す概略図Schematic diagram showing the type and flow of data used in the snowmelt runoff prediction system of FIG. 本実施の形態における積雪浸透モデルの構成を示す図The figure which shows the structure of the snow-cover infiltration model in this Embodiment 従来の積雪浸透モデルの構成を示す図Diagram showing the structure of a conventional snow penetration model 貯留係数kと積雪深Hの関係を示す図The figure which shows the relationship between the storage coefficient k s and snow depth H s 本実施の形態における流出モデルの構成を示す図The figure which shows the structure of the outflow model in this Embodiment 図1の融雪出水予測システムの全体動作を示すメインフローチャートThe main flowchart which shows the whole operation | movement of the snowmelt runoff prediction system of FIG. 図8の融雪計算処理(S1400)の内容を示すフローチャートThe flowchart which shows the content of the snow melting calculation process (S1400) of FIG. 図9の融雪量算出処理(S1410)の内容を示すフローチャートThe flowchart which shows the content of the snowmelt amount calculation process (S1410) of FIG. 図9の土壌供給水量算出処理(S1420)の内容を示すフローチャートThe flowchart which shows the content of the soil water supply amount calculation process (S1420) of FIG. 図8の流出計算処理(S1500)の内容を示すフローチャートThe flowchart which shows the content of the outflow calculation process (S1500) of FIG. 検証に用いた融雪流出モデルの構成を示す概略図Schematic showing the configuration of the snowmelt runoff model used for verification 解析対象流域を示す図Diagram showing analysis target basin 豊平峡ダムおよび定山渓ダムにおける気象観測項目を示す表Table showing meteorological observation items at Toyohirakyo Dam and Jozankei Dam 豊平峡ダムにおける融雪期の降雨事例(2000年)を示す表Table showing examples of rainfall during the snowmelt period (2000) at Toyohirakyo Dam 豊平峡ダム流域における降雨開始日の積雪分布(2000年)を示す図Figure showing the snow distribution (2000) on the rainy start date in the Toyohira Gorge basin 雪面および土壌に供給される水量の比較の一例(2000年4月21日)を示す図The figure which shows an example (April 21, 2000) of the comparison of the amount of water supplied to the snow surface and soil 雪面および土壌に供給される水量の比較の他の例(2000年5月2日)を示す図The figure which shows the other example (May 2, 2000) of the comparison of the amount of water supplied to the snow surface and the soil 雪面および土壌に供給される水量の比較のさらに他の例(2000年5月12日)を示す図The figure which shows the further another example (May 12, 2000) of the comparison of the amount of water supplied to the snow surface and soil 豊平峡ダムにおける従来法と修正法の再現性の比較(2000年)を示す図Figure showing the comparison (2000) of the reproducibility of the conventional method and the modified method at Toyohirakyo Dam 豊平峡ダムにおけるモデル定数および再現精度の比較を示す表Table showing comparison of model constants and reproduction accuracy at Toyohirakyo Dam 豊平峡ダムにおける修正法および従来法による再現結果(2000年)を示す図The figure which shows the reproduction result (2000) by the correction method and the conventional method in Toyohirakyo Dam 豊平峡ダムにおける複数年の融雪期のダム流入量の再現結果(1996年〜1999年)を示す図Figure showing the results (1996-1999) of the dam inflow during the multi-year snowmelt period at Toyohirakyo Dam 定山渓ダムにおける最適モデル定数による再現比較(2000年)を示す図The figure which shows the reproduction comparison (2000) by the optimal model constant in Jozankei Dam 定山渓ダムにおける最適モデル定数(修正法)による再現結果(2000年)を示す図The figure which shows the reproduction result (2000) by the optimal model constant (correction method) in Jozankei Dam 定山渓ダムにおけるモデル定数および再現精度の比較を示す表Table showing comparison of model constants and reproduction accuracy at Jozankei Dam 定山渓ダムにおける複数年の融雪期のダム流入量の再現結果(1996年〜1999年)を示す図Figure showing the reproduction results (1996-1999) of the dam inflow during the multi-year snowmelt period at Jozankei Dam 本実施の形態の一変更例を示す図The figure which shows the example of a change of this Embodiment

符号の説明Explanation of symbols

100 融雪出水予測システム
200 データ収集装置
210 入力データ加工部
300 データ演算装置
310 積雪計算部
312 積雪相当水量推定モデル
314 積雪モデル部
320 融雪計算部
322 融雪モデル部
324 積雪浸透モデル部
326 流域平均化部
330 流出計算部
332 流出モデル部
334 流出モデル定数更新部
340 記憶部
400 出力装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Snow melting runoff prediction system 200 Data collection device 210 Input data processing part 300 Data operation part 310 Snow calculation part 312 Snow equivalent water amount estimation model 314 Snow model part 320 Snow melting calculation part 322 Snow melting model part 324 Snow accumulation infiltration model part 326 Watershed average part 330 Outflow Calculation Unit 332 Outflow Model Unit 334 Outflow Model Constant Update Unit 340 Storage Unit 400 Output Device

Claims (10)

融雪に伴う出水を予測する融雪出水予測システムであって、
雨量データを含む対象流域の現況以前の実測気象データおよび以降の予測気象データからなる気象データを入力するデータ入力部と、
入力された気象データに基づいて、雪面から積雪層を流下して土壌に供給される水量を算出する土壌供給水量算出部と、
算出された土壌供給水量に基づいて、所定の流出モデルを用いて、予測流出量を算出する流出量算出部と、を有し、
前記土壌供給水量算出部は、
融雪水は積雪層を浸透し、降雨は積雪層を浸透せずに土壌に直接到達するものとして、与えられた融雪量および入力された雨量に基づいて、土壌に供給される水量を算出する、
融雪出水予測システム。
A snowmelt runoff prediction system for predicting runoff due to snowmelt,
A data input unit for inputting meteorological data including actual meteorological data before the present state of the target basin including rainfall data and predicted meteorological data thereafter;
A soil supply water amount calculation unit that calculates the amount of water supplied to the soil by flowing down the snow layer from the snow surface based on the input weather data,
An outflow amount calculation unit that calculates a predicted outflow amount using a predetermined outflow model based on the calculated soil supply water amount,
The soil supply water amount calculation unit
The amount of water supplied to the soil is calculated based on the given amount of snow melting and the amount of rain input, assuming that the snow melting water penetrates the snow layer and the rain reaches the soil directly without penetrating the snow layer.
Snowmelt runoff prediction system.
前記土壌供給水量算出部は、
積雪層の貯留効果を貯留関数法によってモデル化した積雪浸透モデルを含む積雪浸透モデル部を有し、
融雪水に対しては前記積雪浸透モデルを適用し、降雨に対しては前記積雪浸透モデルを適用せずに土壌に直接到達させるものとして、与えられた融雪量および入力された雨量に基づいて、土壌に供給される水量を算出する、
請求項1記載の融雪出水予測システム。
The soil supply water amount calculation unit
It has a snow infiltration model part including a snow infiltration model in which the storage effect of the snow layer is modeled by the storage function method,
Applying the snow infiltration model to snowmelt water, and to reach the soil directly without applying the snow infiltration model for rainfall, based on the amount of snowmelt given and the input rainfall, Calculate the amount of water supplied to the soil,
The snowmelt runoff prediction system according to claim 1.
前記土壌供給水量算出部は、
積雪層の貯留効果を貯留関数法によってモデル化した積雪浸透モデルを含む積雪浸透モデル部を有し、
与えられた融雪量に対しては、前記積雪浸透モデルを適用して、積雪層を浸透して土壌に到達する融雪量を算出し、入力された雨量に対しては、前記積雪浸透モデルを適用せずに、土壌に直接到達させるものとし、算出された土壌到達融雪量と入力された雨量とを加算して、土壌に供給される水量を算出する、
請求項1記載の融雪出水予測システム。
The soil supply water amount calculation unit
It has a snow infiltration model part including a snow infiltration model in which the storage effect of the snow layer is modeled by the storage function method,
For the given amount of snowmelt, the snowmelt infiltration model is applied to calculate the amount of snowmelt that penetrates the snow layer and reaches the soil, and for the input rainfall, the snow accumulation infiltration model is applied. Without calculating, the amount of water supplied to the soil is calculated by adding the calculated amount of snow melting to the soil and the amount of rain that has been input.
The snowmelt runoff prediction system according to claim 1.
前記土壌供給水量算出部は、
入力された気象データおよび与えられた地形データに基づいて、所定の融雪モデルを用いて、雪面の融雪量を算出する融雪モデル部、をさらに有し、
前記積雪浸透モデル部は、
前記融雪モデル部によって算出された融雪量を入力する、
請求項2または請求項3記載の融雪出水予測システム。
The soil supply water amount calculation unit
A snow melting model unit that calculates the amount of snow melting on the snow surface using a predetermined snow melting model based on the input weather data and the given terrain data;
The snow penetration model part is
Input the amount of snowmelt calculated by the snowmelt model unit,
The snowmelt runoff prediction system according to claim 2 or 3.
前記融雪モデルは、熱収支法の原理を基本とし、植生の影響を考慮した熱収支式からなる、請求項4記載の融雪出水予測システム。   5. The snowmelt runoff prediction system according to claim 4, wherein the snowmelt model is based on a principle of a heat balance method and is composed of a heat balance equation that considers the influence of vegetation. 前記データ入力部は、
入力された気象データを所定のメッシュ単位に加工する手段を有し、
加工されたメッシュ単位の気象データを前記融雪モデル部に提供し、
前記融雪モデル部および前記積雪浸透モデル部は、
所定のメッシュ単位で融雪量の算出および土壌供給水量の算出をそれぞれ行い、
前記土壌供給水量算出部は、
算出されたメッシュ単位の土壌供給水量を対象流域で平均化して流域平均土壌供給水量を算出する流域平均化部、をさらに有し、
前記流出量算出部は、
算出された流域平均土壌供給水量に基づいて、予測流出量の算出を行う、
請求項4または請求項5記載の融雪出水予測システム。
The data input unit includes:
A means for processing the input weather data into a predetermined mesh unit,
Providing processed mesh unit weather data to the snowmelt model part,
The snow melting model part and the snow accumulation infiltration model part are:
Calculate the amount of snowmelt and the amount of soil supply water in a predetermined mesh unit,
The soil supply water amount calculation unit
A basin averaging unit that calculates the basin average soil supply water amount by averaging the calculated mesh unit soil supply water amount in the target basin, and
The outflow amount calculation unit
Based on the calculated basin average soil water supply, calculate the predicted runoff.
The snowmelt runoff prediction system according to claim 4 or 5.
前記流出モデルは、地下流出成分を含む2段タンク型貯留関数モデルである、請求項1から請求項6のいずれかに記載の融雪出水予測システム。   The snowmelt runoff prediction system according to any one of claims 1 to 6, wherein the runoff model is a two-stage tank type storage function model including an underground runoff component. 前記流出量算出部は、
前記流出モデルとして、有効雨量を用いた一般化貯留関数モデル、損失項を含む1段タンク型貯留関数モデル、および地下流出成分を含む2段タンク型貯留関数モデルを有し、これら3つの貯留関数モデルのうち最適なモデルを用いて、予測流出量の算出を行う、
請求項1から請求項6のいずれかに記載の融雪出水予測システム。
The outflow amount calculation unit
The runoff model includes a generalized storage function model using effective rainfall, a one-stage tank type storage function model including a loss term, and a two-stage tank type storage function model including an underground runoff component. These three storage functions Use the most appropriate model to calculate the predicted runoff amount.
The snowmelt runoff prediction system according to any one of claims 1 to 6.
前記流出量算出部は、
前記流出モデルにカルマンフィルタを適用して、予測流出量の算出を行う、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の融雪出水予測システム。
The outflow amount calculation unit
Applying a Kalman filter to the outflow model to calculate the predicted outflow amount,
The snowmelt runoff prediction system according to any one of claims 1 to 8.
融雪に伴う出水を予測する融雪出水予測方法であって、
雨量データを含む対象流域の現況以前の実測気象データおよび以降の予測気象データからなる気象データを入力するデータ入力ステップと、
入力した気象データに基づいて、雪面から積雪層を流下して土壌に供給される水量を算出する土壌供給水量算出ステップと、
算出した壌供給水量に基づいて、所定の流出モデルを用いて、予測流出量を算出する流出量算出ステップと、を有し、
前記土壌供給水量算出ステップは、
融雪水は積雪層を浸透し、降雨は積雪層を浸透せずに土壌に直接到達するものとして、与えられた融雪量および入力した雨量に基づいて、土壌に供給される水量を算出する、
融雪出水予測方法。
A snowmelt runoff prediction method for predicting runoff due to snowmelt,
A data input step for inputting meteorological data including actual meteorological data before the present state of the target basin including rainfall data and predicted meteorological data thereafter;
A soil supply water amount calculating step for calculating the amount of water supplied to the soil by flowing down the snow layer from the snow surface based on the input weather data;
A runoff amount calculating step for calculating a predicted runoff amount using a predetermined runoff model based on the calculated amount of lodge water supply,
The soil supply water amount calculating step includes:
The amount of water supplied to the soil is calculated based on the given amount of snowmelt and the amount of rain input, assuming that the snowmelt water penetrates the snow layer and the rain reaches the soil directly without penetrating the snow layer.
Snowmelt runoff prediction method.
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