JP2021075872A

JP2021075872A - 水位予測方法および水位予測システム

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Publication number: JP2021075872A
Application number: JP2019202163A
Authority: JP
Inventors: 明本島; Akira Motojima; 昌雄拝崎; Masao Haizaki
Original assignee: ACS KK
Current assignee: ACS KK
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: JP6739117B1

Abstract

【課題】河川の水位を正確に予測する。【解決手段】水位予測方法は、河川に設けられた水位計からの水位計データを取得するステップと、前記河川に関連する降水量データを取得するステップと、前記河川に関連する地形データを取得するステップと、前記水位計データ、前記降水量データ、及び前記地形データに基づいて前記河川の各地点における水位を計算するステップと、前記計算された各地点の水位から、前記河川の本川と支川との合流点における前記本川の水位及び前記支川の水位を特定するステップと、前記合流点における前記本川の水位と前記支川の水位との比較に基づいて、前記支川から前記本川への流出水量、及び前記支川から前記本川へ流出できずに前記支川に貯留される貯留水量を決定するステップと、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、水位予測方法および水位予測システムに関する。

本川と支川の水位が高い時間が重なった場合、支川から本川へ水が流れにくくなることが知られている。この現象はバックウォーターと呼ばれている。

国や都道府県の管理する一級河川、二級河川は水位計設置などの方法で氾濫の危険度が監視されており、その状況は国（気象庁、国土交通省）や都道府県から提供されている。一方で、中小河川の管理、監視は市町村の業務となっているが、対象河川数も多く、管理、監視は十分には行き届いていない。そこで、計算により中小河川の状態を監視する方法（例えば、特許文献１参照）なども考えられている。

特許第５６５４１４７号公報

しかし、中小河川単独の流量計算であれば「氾濫しない」と予測される水量の場合でも、合流地点の本川の水位によってはバックウォーターが発生し、中小河川の氾濫が発生する場合がある。本発明は、河川の水位を正確に予測することを目的の１つとする。

上述した課題を解決するために、以下の態様が開示される。

本発明の一態様は、河川に設けられた水位計からの水位計データを取得するステップと、前記河川に関連する降水量データを取得するステップと、前記河川に関連する地形データを取得するステップと、前記水位計データ、前記降水量データ、及び前記地形データに基づいて前記河川の各地点における水位を計算するステップと、前記計算された各地点の水位から、前記河川の本川と支川との合流点における前記本川の水位及び前記支川の水位を特定するステップと、前記合流点における前記本川の水位と前記支川の水位との比較に基づいて、前記支川から前記本川への流出水量、及び前記支川から前記本川へ流出できずに前記支川に貯留される貯留水量を決定するステップと、を含む水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記決定するステップにおいて、前記合流点における前記本川の水位が、前記合流点における前記支川の河床よりも高く前記支川の水位よりも低い場合、前記支川を流れる水量のうち、前記支川の流れに垂直な断面において前記本川の水面と前記支川の河床との間の断面積に比例する水量を、前記貯留水量と決定する、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記決定するステップにおいて、前記支川を流れる水量のうち、前記支川の流れに垂直な前記断面において前記支川の水面と前記本川の水面との間の断面積に比例する水量を、前記流出水量と決定する、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記決定するステップにおいて、前記合流点における前記本川の水位が、前記合流点における前記支川の水位よりも高い場合、前記支川を流れる水量と、前記支川の流れに垂直な前記断面において前記本川の水面と前記支川の水面との間の断面積に比例する水量との和を、前記貯留水量と決定する、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記決定するステップにおいて、前記流出水量はゼロである、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記決定された前記貯留水量を用いて前記支川の水位を再計算するステップを更に含む、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様において、前記再計算された前記支川の水位に基づいて前記支川からの浸水を予測するステップを更に含む、水位予測方法である。

また、本発明の一態様は、上記態様による方法を実施するためのプログラムを格納するメモリと、前記メモリから前記プログラムを読み出して実行するように構成されたプロセッサと、を備える水位予測システムである。

本発明によれば、バックウォーター現象を反映した正確な河川の水位予測を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る水位予測システムの構成図である。水位予測の対象である河川を示す平面模式図である。本発明の一実施形態に係る水位予測方法を示すフローチャートである。合流点における本川と支川の位置関係を示す断面模式図である。合流点における本川と支川の位置関係を示す断面模式図である。合流点における本川と支川の位置関係を示す断面模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水位予測システム１００の構成図である。水位予測システム１００は、情報処理能力を有するコンピュータとして構成される。水位予測システム１００は、プロセッサ１１０、メモリ１２０、通信インターフェイス１３０、および地形情報データベース１４０を備える。

メモリ１２０には、水位予測方法を実施するためのコンピュータプログラム１２２が格納されている。プロセッサ１１０は、このコンピュータプログラム１２２をメモリ１２０から読み出し、実行する。これにより、水位予測システム１００は、コンピュータプログラム１２２に従った情報処理を実施することで、河川の水位を予測するように動作する。

水位予測システム１００は、通信インターフェイス１３０を介して、河川水位サーバ６００、および降水量サーバ７００と接続されている。

河川水位サーバ６００は、河川の水位のデータを配信するサーバである。河川水位サーバ６００が配信する河川水位のデータは、各河川の所定の地点に設けられた複数の水位計から定期的に収集されて、河川水位サーバ６００に蓄積される。水位予測システム１００は、河川水位サーバ６００から、各河川の水位計によって観測された水位のデータを取得することができる。

降水量サーバ７００は、所定の複数の観測地点において観測された降水量のデータを配信するサーバである。水位予測システム１００は、降水量サーバ７００から、各観測地点の降水量のデータを取得することができる。

水位予測システム１００の地形情報データベース１４０は、水位予測の対象である河川を含む所定地域の各種の地形情報を記憶したデータベースである。地形情報は、河川の周辺地域における各地点の標高、土地利用状況（例えば住宅地、農地、林等）、植生、土壌種別等に関するデータ、および河川の各地点における河床の標高、河岸の形状、堤防の位置・高さ等に関するデータを含む。

図２は、水位予測の対象である河川を示す平面模式図である。図示されるように、河川２００は本川２０２および支川２０４を含み、支川２０４は合流点２０６において本川２０２と合流する。本明細書およびクレームにおいて、「本川」と「支川」の関係は相対的であり、本川よりも通常時における水量が少ない河川を支川と定義する。例えば大雨時などに本川２０２の水位が上昇した場合、支川２０４から本川２０２へ水流が流れ込むことが妨げられることで支川２０４の水位が上昇するバックウォーター現象が発生することがある。バックウォーター現象が発生することで、支川２０４が氾濫し支川２０４に隣接する地域２０８が浸水被害を受けることもある。

図３は、本発明の一実施形態に係る水位予測方法３００を示すフローチャートである。水位予測システム１００のメモリ１２０に格納されているコンピュータプログラム１２２は、このフローチャートに基づいている。以下、このフローチャートに基づくコンピュータプログラム１２２が実行されることによる水位予測システム１００の動作を説明する。

ステップ３０２において、水位予測システム１００は、河川水位サーバ６００から、水位予測（特に、バックウォーター現象の発生の予測）の対象である河川の複数地点において水位計により観測された水位のデータを取得する。以下、この河川を監視対象河川と呼ぶ。

次にステップ３０４において、水位予測システム１００は、降水量サーバ７００から、監視対象河川の周辺地域の各観測地点において観測された降水量のデータを取得する。

次にステップ３０６において、水位予測システム１００は、地形情報データベース１４０から、監視対象河川に関連する地形情報を取得する。具体的に、水位予測システム１００は、地形情報として、監視対象河川の周辺地域における各地点の標高、土地利用状況、植生、土壌種別等に関するデータ、および監視対象河川の各地点における河床の標高、河岸の形状、堤防の位置・高さ等に関するデータを地形情報データベース１４０から取得する。

次にステップ３０８において、水位予測システム１００は、上記のステップ３０２〜ステップ３０６で取得した水位データ、降水量データ、および地形情報に基づいて、監視対象河川の任意の各地点における水位を計算する。計算方法として、例えば、特許第５６５４１４７号に記載された水位予測方法を適用することができる。この計算により、監視対象河川に設置されている水位計の配置間隔よりも細かい間隔で任意の地点における水位を得ることができる。また、水位の計算は、現在時刻における任意の地点の水位を求めるものであってもよいし、あるいは数十分〜数時間後の水位を予測するものであってもよい。また、未来の水位を予測する場合において、定期的にステップ３０２およびステップ３０４を再実施して最新の水位の観測データと降水量データを取得し、随時これら最新のデータを用いてステップ３０８の水位の計算を実施することで、計算誤差の累積による水位計算の精度低下を抑えることができる。

次にステップ３１０において、水位予測システム１００は、ステップ３０８の水位の計算結果から、監視対象河川の本川（例えば図２の本川２０２）と支川（例えば図２の支川２０４）との合流点（例えば図２の合流点２０６）における、本川の水位ｈ１と支川の水位ｈ２を特定する。

図４は、本川２０２と支川２０４との合流点２０６における本川２０２と支川２０４の位置関係を示す断面模式図である。なお同図は、本川２０２と支川２０４のいずれも増水していない平常時の状況を表したものである。図示されるように、合流点２０６において本川２０２の河床Ａから水位ｈ１だけ上に本川２０２の水面Ｂがあり、支川２０４の河床Ｃから水位ｈ２だけ上に支川２０４の水面Ｄがある。また、この例では、支川２０４の河床Ｃは、平常時における本川２０２の水面Ｂよりも上に位置している。

次にステップ３１２において、水位予測システム１００は、合流点において支川から本川へ流出する水量と、合流点において支川から本川へ流出できずに支川に貯留される水量とを決定する。以下、支川を流れる水量をＱ_０、支川から本川への流出水量をＱ_Ｃ、支川から本川へ流出できない支川の貯留水量をＱ_Ｓと表記する。支川を流れる水量は、次式
Ｑ_０＝支川の流水断面積×支川の流速
で表すことができる。なお、流水断面積は、河川の流れに垂直な断面において当該河川の水面と河床との間の断面積として定義するものとする。支川から本川への流出水量Ｑ_Ｃおよび支川の貯留水量Ｑ_Ｓは、本川の水面Ｂの位置に応じて変化する。以下、場合分けして説明する。

まず、図４のように本川の水面Ｂが支川の河床Ｃよりも低い場合、支川を流れる水は本川の影響を受けないため、支川を流れる水量Ｑ_０の全量が本川に流出することが可能である。したがって、この場合、水位予測システム１００は、支川から本川への流出水量Ｑ_Ｃと支川の貯留水量Ｑ_Ｓを次のように決定する。
Ｑ_Ｃ＝Ｑ_０
Ｑ_Ｓ＝０

次に、図５に示されるように、本川の水面Ｂが支川の河床Ｃよりも高く、支川の水面Ｄよりも低い場合は、支川を流れる水のうち、本川の水面Ｂよりも下の部分は本川の流れに妨げられて本川へ流出することができず、本川の水面Ｂよりも上の部分のみが、本川へ流出することが可能である。また、本川へ流出できなかった水量は、支川内に貯留される。したがって、この場合、水位予測システム１００は、支川から本川への流出水量Ｑ_Ｃと支川の貯留水量Ｑ_Ｓを次式のように決定する。ただし、支川の流水断面積のうち本川の水面Ｂよりも上の部分の面積をＳ_１とし、本川の水面Ｂよりも下の部分の面積をＳ_２とする。
Ｑ_Ｃ＝Ｑ_０×Ｓ_１／（Ｓ_１＋Ｓ_２）
Ｑ_Ｓ＝Ｑ_０×Ｓ_２／（Ｓ_１＋Ｓ_２）＝Ｑ_０−Ｑ_Ｃ

次に、図６に示されるように、本川の水面Ｂが支川の水面Ｄよりも高くなった場合には、支川を流れる水全体が本川の流れに妨げられ、その全量が本川に流出不可能となる。よって、支川を流れる水量の全量が、支川内に貯留される。更に、本川の水面Ｂが支川の水面Ｄより高いため、支川の流れに垂直な断面において支川の水面Ｄと本川の水面Ｂと支川の両岸とによって囲まれた部分（断面積Ｓ_３）に相当する本川の流れの一部が、支川へと逆流する。したがって、この場合、水位予測システム１００は、支川から本川への流出水量Ｑ_Ｃと支川の貯留水量Ｑ_Ｓを次のように決定する。
Ｑ_Ｃ＝０
Ｑ_Ｓ＝Ｑ_０＋Ｓ_３×本川の流速

このように、本川の水面Ｂが支川の河床Ｃよりも高く、支川の水面Ｄよりも低い場合（図５）、および本川の水面Ｂが支川の水面Ｄよりも高い場合（図６）に、本川と支川の合流点におけるバックウォーター現象を考慮した支川の流出水量Ｑ_Ｃと貯留水量Ｑ_Ｓを得ることができる。

次にステップ３１４において、水位予測システム１００は、本川と支川の合流点におけるバックウォーター現象による支川の貯留水量Ｑ_Ｓを反映するように、支川の各地点における水位を再計算する。これにより、バックウォーター現象を考慮せずに計算した支川の水位（例えばステップ３０８において計算された支川の水位）に比べて、バックウォーター現象による支川の貯留水量Ｑ_Ｓの分だけ高い支川の水位を求めることができる。

次にステップ３１６において、水位予測システム１００は、ステップ３１４で再計算された支川の各地点の水位に基づいて、支川からの浸水を予測する。浸水の予測には、ステップ３０６で地形情報データベース１４０から取り出した、堤防の位置および高さや地上の各地点の標高などの地形情報を用いることができる。具体的に、水位予測システム１００は、再計算された支川の水位が、支川の堤防の各位置において堤防の高さを上回っているか否かを判定し、判定の結果上回っていた場合、堤防のその位置から支川が越水し浸水が発生すると判断する。また、水位予測システム１００は、例えば、越水地点における支川の水位（堤防を上回っている高さ）と地上の各地点の標高とに基づいて、浸水エリアおよび浸水深さを決定してもよい。なお、浸水の予測方法はこれに限られず、他の方法によってもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

１００水位予測システム
１１０プロセッサ
１２０メモリ
１２２コンピュータプログラム
１３０通信インターフェイス
１４０地形情報データベース
６００河川水位サーバ
７００降水量サーバ

Claims

河川に設けられた水位計からの水位計データを取得するステップと、
前記河川に関連する降水量データを取得するステップと、
前記河川に関連する地形データを取得するステップと、
前記水位計データ、前記降水量データ、及び前記地形データに基づいて前記河川の各地点における水位を計算するステップと、
前記計算された各地点の水位から、前記河川の本川と支川との合流点における前記本川の水位及び前記支川の水位を特定するステップと、
前記合流点における前記本川の水位と前記支川の水位との比較に基づいて、前記支川から前記本川への流出水量、及び前記支川から前記本川へ流出できずに前記支川に貯留される貯留水量を決定するステップと、
を含む水位予測方法。
前記決定するステップにおいて、前記合流点における前記本川の水位が、前記合流点における前記支川の河床よりも高く前記支川の水位よりも低い場合、前記支川を流れる水量のうち、前記支川の流れに垂直な断面において前記本川の水面と前記支川の河床との間の断面積に比例する水量を、前記貯留水量と決定する、請求項１に記載の水位予測方法。
前記決定するステップにおいて、前記支川を流れる水量のうち、前記支川の流れに垂直な前記断面において前記支川の水面と前記本川の水面との間の断面積に比例する水量を、前記流出水量と決定する、請求項２に記載の水位予測方法。
前記決定するステップにおいて、前記合流点における前記本川の水位が、前記合流点における前記支川の水位よりも高い場合、前記支川を流れる水量と、前記支川の流れに垂直な前記断面において前記本川の水面と前記支川の水面との間の断面積に比例する水量との和を、前記貯留水量と決定する、請求項１に記載の水位予測方法。
前記決定するステップにおいて、前記流出水量はゼロである、請求項４に記載の水位予測方法。
前記決定された前記貯留水量を用いて前記支川の水位を再計算するステップを更に含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の水位予測方法。
前記再計算された前記支川の水位に基づいて前記支川からの浸水を予測するステップを更に含む、請求項６に記載の水位予測方法。
請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を実施するためのプログラムを格納するメモリと、
前記メモリから前記プログラムを読み出して実行するように構成されたプロセッサと、
を備える水位予測システム。