JP5654147B1

JP5654147B1 - 水位予測システム

Info

Publication number: JP5654147B1
Application number: JP2014001490A
Authority: JP
Inventors: 明本島; 昌雄拝崎
Original assignee: ASSIST COMPUTER SYSTEM CO., LTD.
Current assignee: ASSIST COMPUTER SYSTEM CO., LTD.
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP2015129689A

Abstract

【課題】水無川等で突発水流が生じる可能性を予測できるようにする。【解決手段】標高ＤＢ２は監視対象地域の複数の区画それぞれの標高を区画に対応付けて記憶しており、貯水量演算部１２は区画それぞれの降雨量及び流入量に基づき、推定貯水高を演算する。流出量・方向演算部１１は、区画毎の標高と推定貯水高との和を仮想水面として演算し、各区画を取り巻く複数の区画の仮想水面の内の最も低い仮想水面を有する区画を、該中心の区画から水が流出する方向として水の流出方向を決定し、かつ、各区画の貯水量及び降雨量に基づいて各区画から該区画の流出方向への流出量を演算する。水位演算部１３は決定された流出方向及び流出量、並びに水流経路の断面形状に基づいて該経路の水位を演算する。これにより、水無川等に突発水流が生じる可能性及びその水位を推定することができる。【選択図】図１

Description

本出願は、コンピュータを用いて、河川等の水位を予測する水位予測システムに関する。

近年、集中豪雨や長雨による気象災害が増大し、多くの被害が生じている。河川からの氾濫のみならず、普段は水が流れていない沢等からの突然の氾濫により、避難する間もなく災害に巻き込まれる事例も見られる。このような水位上昇による気象災害に巻き込まれることを未然に防止するために、所定地域の水位予測を行って災害危険度を推定するシステムが種々提案されている。

このようなシステムとして、以下の特許文献１には、河川流域の複数の観測地点にカメラを配置し、得られた画像を通信回線を介して演算装置に送信し、演算装置において、送信された画像と予め取得された参照画像とを対比して、それぞれの観測地点での水位を表す水位データを得、得られた水位データを処理することにより、氾濫の可能性がある下流流域等の所定の監視地点の水位を予測することができるようにしたシステムが提案されている。

また、複数の観測地点に水位計を配置し、水位計により得られた水位データを演算装置に送信して、所定の監視地点の水位を予測することができるようにしたシステムも提案されている。

特開2008-57994号公報

しかしながら、上記した従来例の水位予測システムにおいては、河川の監視地点の水位を予測できるようにしているものの、水無川（河川ではない沢を含む）で突発水流が生じる可能性があることを予測することができるものではないため、近年の集中豪雨等による水無川等の突発水流を予測することができるものではない。

また、従来例の水位を予測するシステムにおいては、複数の観測地点にカメラ又は水位計を設置する必要があるため、複数の観測地点へのカメラ又は水位計の設置及びメンテナンスに多大の作業時間がかかり、観測地点が多くなるほどそれが増大する。また、植生の状態等の現地情報を取得するために航空写真又は衛星写真を利用することが考えられるが、通常、真上から見た写真であるため、植生の位置関係はわかりやすいが、植生の種類等の判断が困難である。そのため、水無川に突発水流が生じる場合の水の流れやすさを把握することができず、突発水流の流量の推定が困難である。

本発明は、従来例のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、水無川等で突発水流が生じる可能性を予測することができる水位予測システムを提供することである。また、本発明の第２の目的は、航空写真を用いて現地情報を取得する際に、植生の種類等の詳細な情報を得て突発水流の水量を推定することができるようにすることである。

上記した目的を達成するために、本発明に係る、コンピュータを用いて水位を予測する水位予測システムは、
監視対象地域を分割することにより得られた複数の区画それぞれの標高を区画に対応付けて記憶している標高データベースと、
所定のインターバルで、これら区画それぞれの降雨量及び流入量に基づき、推定貯水高を演算する貯水高演算手段と、
所定のインターバルで、区画毎に標高と推定貯水高との和を仮想水面として演算し、各区画を取り巻く複数の区画の仮想水面の内の最も低い仮想水面を有する区画を、中心の区画から水が流出する方向として、水の流出方向を決定する流出方向決定手段と、
所定のインターバルで、各区画の貯水量及び降雨量に基づいて、各区画から該区画の流出方向への流出量を演算する流出量演算手段と、
決定された流出方向及び流出量、並びに水流経路の断面形状に基づいて、該経路の水位を演算する水位演算手段と
を備えていることを特徴としている。

上記した本発明に係る水位予測システムにおいて、該システムはさらに、河川が含まれていない区画それぞれを真上から撮像した真上写真及び斜め方向から撮像した斜め写真に基づき、河川が含まれていない区画の植生の状態を決定する手段であって、植生が含まれている区画について、真上写真に基づいて植生の座標を決定し、斜め写真のRGB画素値に基づいて植生の種類を決定する植生状態決定手段を備え、流出量演算手段は、貯水量及び降雨量に加えて、植生状態決定手段により決定された植生の種類に基づいて、流出方向への流出量を演算するよう構成されていることが好ましい。さらに、植生状態決定手段は、植生の種類が針葉樹林、広葉樹林、芝地・牧草地のいずれかであるかを決定し、かつ、これら種類毎の植生及び岩盤が１区画内で占める割合を該区画の植生状態として決定するよう構成されており、植生状態決定手段により決定された植生状態が、流量演算手段の流量の計算に反映されることが好ましい。これにより、流出量をより正確に推定することができる。

また、上記した本発明に係る水位予測システムにおいて、流出量演算手段はさらに、所定のインターバルで、流出方向演算手段により決定された流出方向の流出速度を演算し、各区画の貯水量及び降雨量に加えて、決定された流出速度に基づいて、流出方向の区画の所定のインターバルにおける等価的な流入量を演算するよう構成されていることが好ましい。さらに、水位予測システムは、水位演算手段によって得られた水位が所定の危険水位に到達するか否かを判定し、危険水位に達する地区及びその時刻を表示する手段を備えていることが好ましい。

本発明に係る水位予測システムの構成を示すブロック図である。図１に示したシステムの植生登録部の構成を示すブロック図である。図２に示した植生登録部において、斜め写真の画素座標と地表上の位置座標とを対応させる処理を説明するための図である。図２に示した植生登録部において、植生領域に複数の代表点を設定する処理を説明するための図である。図２に示した植生登録部において生成される植生マスタに格納されるRGB値の例を示す図である。図１に示したシステムの流出量・方向演算部において、標高＋貯水高に基づいて流出方向を決定する処理を説明するための図である。図１示したシステムの流出量・方向演算部において、流速に依存して流出量を演算する処理を説明するための図である。図１に示したシステムの流出量・方向演算部において、河川が存在する場合の流出方向を決定する処理を説明するための図である。図１に示したシステムの流出量・方向演算部において用いる、土壌中を流れる水を演算するための既知のタンクモデルを説明するための図である。図１に示したシステムの流出量・方向演算部において演算される、降雨量と流出量及び方向との関係を示した図である。図１に示したシステムの水位演算部において水位演算のために用いられる河川モデルを示す図である。

図１は、本発明に係る水位予測システムの構成を示す概略図である。図１において、１は処理サーバであり、２〜８はデータベース（ＤＢ）であって、２は標高データを格納する標高ＤＢ、３は降雨データを格納する降雨ＤＢ、４は現地情報を格納する現地情報ＤＢ、５は処理サーバにより演算された予測水位等の演算結果を格納する演算結果ＤＢ、６は斜めから撮影した航空写真又は衛星写真の撮影位置及び姿勢を格納する撮影位置・姿勢ＤＢ、７は斜め写真に座標を対応付けて記憶した斜め写真対応付ＤＢ、８は植生の種類とＲＧＢ画素値との対応関係を記憶したＤＢである。処理サーバ１は、流出量・方向演算部１１、貯水量演算部１２、水位演算部１３、危険流域推定部１４、及び植生登録部１５で構成されている。

本発明においては、観測地域をメッシュ状（格子状）に複数の区画に分割し、標高ＤＢ２に記憶される標高データは該区画ごとの「標高値」を表し、降雨ＤＢ３に記憶される降雨データも区画毎の「降雨量の実測値」及び「降雨量の予報値」を表している。区画は、目的とする領域の広さや要求される水位測定の精度等により変更されるが、通常、５〜５０００ｍ平方である。標高データは、地形を表す一般的なデータ形式であり、予め測定又は入手されて標高ＤＢ２に記憶されている。一実施形態では、標高データとして、国土地理院等から入手することができるメッシュすなわち各区画の中心点の高さを採用している。降雨量の実測値及び予報値は、気象庁等の既存の団体から入手することができるデータであり、該団体から周期的に入手して降雨ＤＢ３に格納する。

現地情報ＤＢ４に記憶される「現地情報」は、予め所定の複数の観測地域の「河川の形状」、「河床の状態」、「土地の状態」（すなわち「植生の状態」）を予め調査することによって得られたデータを含んでいるとともに、現地の「危険水位」のデータを記憶している。「河川の形状」及び「河床の状態」は、これらに関する各種資料又は現地調査によって予め入手されているものであり、「河川の形状」は河川の「下底」、「上底」、「通常水位（季節毎の下底からの水の高さ）」等のデータを含んでいる。なお、「河川の形状」及び「河床の状態」の詳細な属性は、河川水位を予測する従来のシミュレーションシステムにおいて用いられているデータと同様である。また、「植生の状態」は、植生登録部１５によって、航空機等による真上からの写真（真上写真）及び斜め方向から写真（斜め写真）に基づいて、植生の種類が決定されて、現地情報ＤＢ４に予め記憶されている。

ここで、図２を参照して、植生登録部１５によって処理される「植生の状態」データの取得及び現地情報ＤＢ４への登録について、詳細に説明する。まず、複数の所定の監視地域を真上から及び斜め方向から撮影して真上写真及び斜め写真を予め得て、これら写真の撮影位置及び斜め写真の撮影姿勢（撮影角度）を、撮影位置・姿勢ＤＢ６に記憶する。真上写真は、地形の高低の影響により位置の歪みが生じるため、ステップＳ１において、位置が正しく配置されるオルソ画像に変換される。なお、オルソ画像への変換は既知の手法により行うことができ、また、撮影時期が近似する既存のオルソ画像が存在する場合には、それを利用すればよいので、真上写真を撮る必要がない。

一方、ステップＳ２において、標高ＤＢ２を参照して、オルソ画像の作成と同様な原理で斜め写真の各画素に対応する現地座標の計算を行い、撮影位置・姿勢ＤＢ６に記憶された斜め写真の撮影位置及び姿勢に基づいて、斜め写真上の各ピクセル座標に現地の座標を対応付け、それを斜め写真対応付ＤＢ７に格納する。

斜め写真と現地座標の対応付について、図３を参照してより詳細に説明する。地表上の点Ｐを含んだ領域を所定の姿勢（すなわち、傾き）で撮影した斜め写真の場合、地表上の点Ｐに対応する斜め写真上の点をＰ’とすると、撮影中心Ｏと点Ｐ’とから点Ｐが点Ｏと点Ｐ’とを結んだ線Ｌ１上に存在するので、標高ＤＢ２を参照して、線Ｌ１の水平面上の位置座標の標高をそれぞれ取得し、図３の下段に示すような、線Ｌ１の通過位置の縦断面図を生成する。また、撮影中心Ｏを基準面(標高ゼロ)上に投影した点をＣとすると、撮影時の姿勢に基づいて∠ＰＯＣを得ることができ、これを線Ｌ１の鉛直面での傾きとして決定する。次いで、得られた縦断面図と∠ＰＯＣとを対比して、点Ｐの位置座標を決定し、このようにして斜め写真の上の位置を地表上の２次元位置座標に対応付けることができる。各斜め写真は、該写真の撮影範囲の複数の位置(輪郭を含む)の２次元位置座標とともに、斜め写真対応付ＤＢ７に格納される。なお、斜め写真上の各ピクセル座標に現地の位置座標を対応付ける代わりに、計算のために参照する所定の位置座標のみを記憶してもよい。これにより、データ量を低減させることができる。また、斜め写真の撮影範囲は、土地の起伏等により実際には複雑な形状となるが、調査対象の画像を絞り込むためのものであるから、撮影位置と視野角に基づいて平面的な計算によって２次元の位置座標を決定すればよい。

次いで、ステップＳ３において、所定の監視地域の植生領域の代表点を作成する。この代表点の作成は、図４に示すように、真上写真から得られたオルソ画像上に、オペレータが判断して決定した植生領域を入力し、かつ、該植生領域に外接する矩形区画を作成し、それを例えば５×５に分割し、得られた各小区分について、植生領域内の1つの点を代表点として設定する。代表点は、小区分内の植生領域の平均座標とするが、平均座標が植生領域外となる場合（植生領域が入り組んでいる場合等）、その位置を植生領域内にずらす。分割された小区分に植生領域が全く存在しない場合には、「代表点なし」とする。

なお、オルソ画像から植生領域を正確に把握することが肝要であるが、例えば、植生領域がメッシュ状の区画のサイズよりも小さい場合、及び、植生領域が区画のサイズよりも大きいが植生領域中に岩盤がまばらに存在して植生に粗密がある場合、植生領域中の植生の割合（％）がどの程度であるかを、オペレータが入力する。

そして、ステップＳ４において、斜め写真対応付ＤＢ７に格納されている現地座標に対応付けられた斜め写真と植生マスタ８とを参照して、植生の種類を決定する。植生マスタ８は、植生の状態と標準的なＲＧＢ画素値との対応関係を格納しており、該植生マスタは、過去の様々な場所の季節毎の斜め写真に基づいて、植生とその標準的なＲＧＢ画素値との関係を取得することによって得ることができる。植生マスタは、例えば図４５示されるように、標準的なＲＧＢ値の組み合わせに応じて「針葉樹林」であるか、「広葉樹林」であるか、又は「芝地・牧草地」であるか、等が決定されて、予め登録される。なお、植生マスタ８の記憶データが現状に合致しないと判断した場合等、図２に示すように、最新の斜め写真を用いて、標準的なＲＧＢ画素値を決定し、それに基づいて植生マスタ８を更新することができる。

ステップＳ４では、斜め写真対応付ＤＢを参照して、代表点の座標が映り込んでいる斜め写真を特定し、該斜め写真上の代表点のＲＧＢ画素値を測定する。複数の斜め写真が該当する場合には、すべてを以降の処理の対象とする。そして、代表点のＲＧＢ画素値と植生マスタ８に記憶されている標準的なＲＧＢ画素値とを対比し、最も類似度の高い植生を代表点の植生であると判定する。

ＲＧＢ画素値の類似度は、以下の計算により求める。
Ｐ＝|(MR-R)|＋|(MG-G)|＋|MB-B)|
ただし、P：類似度
MR、MG、MB：植生マスタのRGB値
R、G、B：代表点のRGB値
このようにして、すべての代表点の植生を決定し、最も該当件数の多い植生を、その植生領域の植生として決定する。ただし、類似度の１位と２位との差が例えば２０％未満の場合には、オペレータが、斜め写真を見て植生を判断して入力する。

代表点なしの小区分は、「芝地・牧草地」として設定する。

これにより、植生領域の「植生の状態」が植生マスタ登録された「針葉樹」、「広葉樹」、「芝地・牧草地」のいずれであるかが決定され、その後の水位推定処理において利用される。

また、植生領域が区画のサイズよりも大きくて複数の区画に跨がっている場合、ステップＳ４において、区画毎に植生が占める面積の割合を決定し、決定された植生の種類とともに、当該区画に対応付けて現地情報ＤＢ４に記憶する。１つの区画に複数種の植生が存在する場合、種類毎にその割合も記憶する。このような植生の種類及びその割合を区画毎に得ることにより、以降で説明するように、水の流れやすさを示す流出係数及び粗度係数を算出することができる。

流出量・方向演算部１１は、各区画から該区画を取り巻く８つの区画への流出量及び方向をシミュレーション演算する。該流出量には、表面（河川及び土壌表面）を流れる流出量と、土壌中を通って流れる流出量とが含まれる。流出量・方向演算部１１は、流出方向を決定するために、標高ＤＢ２に記憶された標高及び演算結果ＤＢ５に記憶された貯水量に基づいて推定貯水高を演算し、「標高＋推定貯水高」が最も高い区画を源流区画として特定し、そして、該源流区画を取り巻く８区画の標高＋推定貯水高を対比し、８区画の内の最も低い標高＋推定貯水高の区画に源流区画から水が流れるものとして、２番目の区画を特定する。最も低い標高＋推定貯水高の区画が複数存在する場合、流出水量を等分する。以下同様にして、３番目、４番目・・・の区画を特定することにより、水の流れる方向を決定する。なお、貯水量は、以降で説明するように、貯水量演算部１２によって区画毎に演算されて現地情報ＤＢ４に格納されており、該区画毎の貯水量を区画の面積で除算することにより、推定貯水高が求められる。

図６は、このような水の流れる方向を示しており、図６において、区画内の数値は該区画の標高＋推定貯水高を表しており、該標高＋推定貯水高に基づいて決定された各区画から水の流れる方向を矢印で示している。その結果、水の流れる経路を推定することができ、また、水の流れる方向に見た標高＋推定貯水高の差に基づき水の流れる勾配を推定することができる。決定された流出方向は、演算結果ＤＢ５に区画に対付けて記憶される。

流出量・方向演算部１１はさらに、決定された方向に流れる流出量を計算してその結果を演算結果ＤＢ５に記憶する。該流出量の計算手法として、例えば、以下に説明するように合理式を用いることができる。なお、流出量の計算としていくつかの方法が知られており、本発明における流出量の計算では、合理式を用いる手法に限らず、現地での実際の観測結果と計算結果とを対比し、既知の計算方法の中から適切なものを選択する。また、以下の計算手法では、流出量の単位はm³／秒であり、一方、本発明においては３０秒等の時間での流出量を計算しているため、該時間を乗じる必要がある。

合理式は以下の通りである。
Q＝1／3.6・f・r・A
ただし、Q: 流出量(m³／秒)
f: 流出係数
r: 雨量(mm／時)
A: 流域面積(km²)
雨量rは、降雨ＤＢ３に格納された気象庁等からの実測データ及び予測データに基づいている。

流出係数fは、土地の特性を考慮した流れやすさを表す係数であり、例えば、
急峻な山地の場合、f＝0.75〜0.9
起伏のある土地及び樹林の場合、f＝0.5〜0.75
平坦な耕地の場合、f＝0.45〜0.6
山地河川の場合、f＝0.75〜0.85
である。

なお、本発明の一実施例においては、広葉樹林及び針葉樹林それぞれの流出係数を0.60、岩盤の流出係数を0.80、芝地・牧草地の流出係数を0.50に設定し、監視地域毎に、これらの流出係数をシミュレーション結果に基づいて修正する。そして、ある１つの区画において、例えば、広葉樹林20％、針葉樹林5％、岩盤15％、芝地・牧草地60％である場合、当該区画の流出係数ｆは、上記したそれぞれの流出係数を用いると、以下のように計算される。
ｆ＝0.60(広葉樹林)×0.2＋0.60(針葉樹林)×0.05
＋0.8０(岩盤)×0.15＋0.50(芝地・牧草地)×0.6
＝0.57
なお、流速によっては、３０秒以内に隣接する区画よりも先の区画に水が流れ出る場合もあるため、流出量Qの決定には流速をも考慮する。例えば、図７に示すように、３０秒以内に区画１から流出した水が区画２〜４を通って区画５まで到達することが考えられるが、これら区画２〜５への等価的な流入量（すなわち、３０秒間の流入量−流出量）は、以下の手順により求める。

まず、マニングの公式により各区画の流速を計算し、各区画の通過に要する時間を区画サイズ（ｍ）／流速により計算する。

マニングの公式は以下の通りであり、該公式から理解されるように、流速は、それぞれの区画に貯留されている水量、隣接する区画への経路の幅（河川の幅）、植生の状態による流れにくさに基づいて決定される。
v＝1／n・R^2/3・I^1/2
ただし、v: 流速(m／秒)
n: 粗度係数
R: 径深（流積／潤辺）
I: 勾配
「粗度係数」は、水の流れやすさ、すなわち河床の状態及び地表の状態を表しているものであり、本発明の一実施例においては、広葉樹林の粗度係数を0.60、針葉樹林の粗度係数を0.80、岩盤の粗度係数を0.02、芝地・牧草地の粗度係数を0.20と設定し、監視地域毎に、これらの粗度係数をシミュレーション結果に基づいて修正する。そして、例えば、上記に例示したように、広葉樹林20％、針葉樹林5％、岩盤15％、芝地・牧草地60％である区画の場合、該区画の粗度係数ｎは、上記したそれぞれの粗度係数を用いると、以下のように計算される。
ｎ＝0.60(広葉樹林)×0.2＋0.80(針葉樹林)×0.05
＋0.02(岩盤)×0.15＋0.20(芝地・牧草地)×0.6
＝0.283
また、「流積」とは、断面積であり、「潤辺」とは、水路断面において水が周囲の壁や底と接する長さである。流速の計算に用いる勾配として、流出開始時点での仮想水面の勾配を用いる。

そして、求められた流速を用いて、流出元である区画１から流出した水が３０秒の間にたどり着く流出先の区画をもとめる。図７の例では、区画２〜５である。３０秒間に流出した水量は、通過にかかる時間に応じて配分されているものとして算出する。すなわち、
区画１から区画２への流出水量＝60m³×8s／30s＝16m³
区画１から区画３への流出水量＝60m³×5s／30s＝10m³
区画１から区画４への流出水量＝60m³×10s／30s＝20m³
区画１から区画５への流出水量＝60m³×7s／30s＝14m³
ただし、区画５への流出量は、３０秒以内に流れた時間は７秒だけであるため、８秒ではなく７秒を用いて計算する。最後の流出先である区画５への流出量は、区画１からの流出量６０m³から、区画２〜４への流出量を減算することによって算出してもよい。

また、登録された河川が通過する区画は「河川区画」として取り扱う。「河川区画」では、流出量の計算に用いる流出係数を、より流れやすさを示す値に変更し、また、流速計算では、河川データとして登録されている断面や粗度係数を使用する。また、河川区画以外の区画すなわち「通常区画」からの水は、河川区画が存在する場合には河川区画に流出するものとし、したがって、水無川は河川区画に流れ込むまでとなって、登録された河川は水無川と重なることはない。

例えば、図８に示すように、河川区画と通常区画とが存在する場合、標高＋貯水高に応じて水の流出方向が決定され、河川区画に流出した後は、すべてが河川を流れるものとする。

また、降った雨は土壌中を通って流れ出る場合もあるが、その場合は図８に示されているようなタンクモデルを用いてモデル化する。タンクモデルのパラメータは、図９に示した数値を標準とするが、以下に説明する流出量の計算値と現場での観測値との対比により、標準パラメータを修正して使用する。

各タンクモデルの時点t＋Δtにおける貯留高(Si)は、以下の計算式から求める。
S1(t+Δt)＝(1-β1Δt)・S1(t)−q1(t)・Δt＋R
S2(t+Δt)＝(1-β2Δt)・S2(t)−q2(t)・Δt＋β1・S1(t)・Δt
S3(t+Δt)＝(1-β3Δt)・S3(t)−q3(t)・Δt＋β2・S2(t)・Δt
ただし、S1(t)、S2(t)、S3(t)：時点tにおけるそれぞれのタンクの貯留高
β1、β2 、β3：各タンクの浸透流出孔の浸透係数
q1(t)、q2(t)、q3(t)：時点tにおけるそれぞれのタンクの側面孔からの流出量
また、各タンクモデルの側面孔からの流出量は以下の計算式から求める。
q1(t)＝α1{S1(t)−L1}＋α2{S1(t)−L2}
q2(t)＝α3{S2(t)−L3}
q3(t)＝α4{S3(t)−L4}
ただし、α1、α2、α3、α4：各流出孔の流出係数
L1、L2、L3、L4：各流出孔の高さ
このようにしてタンクモデルにより得られた流出量、すなわち土壌を通って隣接する区画に流れ出る流出量も、それぞれの区画の河川水位の推定に用いられる。

貯水量演算部１２は、各区画に留まっている水量である貯水量を以下の式に基づいてシミュレーション演算し、その結果を演算結果ＤＢ５に記憶する。本発明においては、貯水量とは各区画に留まっている水量、流入量とは各区画に他の区画から流れ込む水量、流出量とは各区画からの他の区画に流れ出る水量、損失量とは、各区画において地下への浸透や蒸発等の作用によって流出しない水量である。

貯水量（各区画に留まっている水量）
＝前回処理終了時の貯水量＋時間当たりの貯水量の増加
時間当たりの貯水量の増加
＝時間当たりの降雨量＋時間当たりの流入量
−時間当たりの流出量−時間当たりの損失量
単位時間は、例えば３０秒である。

降雨量は、降雨ＤＢ３に格納された気象庁等からの実測データ及び予測データに基づき、例えば３０秒当たりの雨量に換算する。区画から他の区画への流出量は、上記したように、流出量・方向演算部１１により３０秒の時間毎に演算され、貯水量演算部１２は、それにより得られた流出量を利用する。一方、得られた貯水量は、流出量・方向演算部１１において、上記したように推定貯水高を計算するために利用されるとともに、流出量の計算においてタンクモデルの貯水高の計算に用いられる。また、以下に説明するように、水位演算部１３において用いられる。

貯水量の計算は、上記に限ることなく種々の既知の方法を採用することができる。

図１０は、図６に示した標高＋推定貯水高の区画において、降水量との関係で各区画の貯水量及び流出量がどの程度となるかを、時点ｔ_i、ｔ_i+1(=t_i+30秒)、ｔ_i+2(=t_i+1+30秒)毎に示した模式的な説明図である。（図１０においては、ｔ_i＝10:00:00）上段に示した区画には、それぞれの時点までの３０秒間に降った降水量（ｍｍ/３０秒）が示されており、中段に示した区画には、降水量を前回までの貯水量（１０^−３ｍ^３）（＝貯留量）に加算した結果を示しており、下段に示した区画には、各区画における流出量（１０^−３ｍ^３）を、図６に示した流出方向の矢印と共に示している。ただし、説明の簡略化のため、降水はすべて地下に浸透せずに表面流出するものと仮定している。

水位演算部１３は、河川等の観察地点の水位をシミュレーション演算し、その結果を演算結果ＤＢ５に記憶する。シミュレーション演算においては、水位演算部１３は、標高ＤＢ２、降雨ＤＢ３、現地情報ＤＢ４に予め記憶されている標高データ、降雨データ及び現地情報、並びに流出量・方向演算部１１により演算された流出量に基づいて、河川の水位を演算する。現地情報として、河川の横断形状及び河川の状態を用いる。河川の横断形状及び河川状態は、予め現地調査により測定して登録しておく。予め現地調査が不可能な場合や普段は水の流れない沢等の場合は、幅Nmの矩形水路を仮定して計算を行う。

河川形状が登録されている場合、河川は１つの区画では形状が変化しないと仮定し、例えば、１区画のサイズを１０ｍとした場合一定形状が１０ｍの連続している水路を想定し、流出量を当てはめて水位を計算する。例えば、図１１に示した形状の場合、水の流積の断面積は台形であって、
下底＝5ｍ
上底＝5＋2H／10＋２H／10＝5＋2H／5
であるから、
流積＝H²／5＋5H
となる。したがって、10mの水路での水の体積は、
体積＝流積×流水距離
＝（H²／5＋5H）×10
＝2H²＋50H
得られた水路の体積と貯水量とを一致させる方程式を解くことにより、水位(H)を求めることができる。

河川形状が登録されていない場合には、上記したように幅Nmの矩形水路を想定する。そして、上述の河川形状が登録されている場合と同様に、体積を表す式と流量とを等しいとする方程式を解くことにより、水位を計算することができる。そして、水位の計算値と観測結果とを対比して水路幅の調整を行う。

危険流域推定部１４は、水位に基づいて、氾濫が生じる可能性がある地域を特定する。これにより、そのような地域に警報を発することができる。より詳細には、危険流域推定部１４は、水位演算部１３により演算された監視地域の３０秒毎の予測水位が、現地情報ＤＢ４に記憶されている当該地域の危険水位に達するかどうかを監視し、予測水位が危険水位に達する場合には、その時刻を地図上の該監視地域の近傍に表示するとともに、その地域を赤色等でハイライト付けして表示する。

本発明は以上のように構成されているので、普段は水が流れない沢等の水無川であって、集中豪雨等により水が突然流れ出す河川については、図１０に関連して説明したように、所定の地域をメッシュ状に分割した区画毎の他の区画への流出量及びその方向を推定することにより、水位を推定することができる。すなわち、区画毎の降水量及び貯水量に基づき、各区画からそれに隣接する区画への流出量を推定することにより、流出方向及びその流出量を推定することができるので、河川が存在していない場合であっても、水が流れる方向及び水量を推定することができ、よって、突発性の水流発生が生じるかどうかを推定することができる。

また、本発明は、斜め方向から撮影した写真を利用して、監視領域に含まれる植生の種類を特定することができるので、植生の種類に応じた流出係数及び粗度係数を選択することができ、これにより流出量の推定がより正確となり、もって、水位をより正確に推定することができる。

Claims

コンピュータを用いて水位を予測する水位予測システムであって、
監視対象地域を分割することにより得られた複数の区画それぞれの標高を区画に対応付けて記憶している標高データベースと、
所定のインターバルで、これら区画それぞれの降雨量及び流入量に基づき、推定貯水高を演算する貯水高演算手段と、
所定のインターバルで、区画毎に標高と推定貯水高との和を仮想水面として演算し、各区画を取り巻く複数の区画の仮想水面の内の最も低い仮想水面を有する区画を、中心に位置する当該各区画から水が流出する方向として、水の流出方向を決定する流出方向決定手段と、
所定のインターバルで、各区画の貯水量及び降雨量に基づいて、各区画から該区画の流出方向への流出量を演算する流出量演算手段と、
決定された流出方向及び流出量、並びに水流経路の断面形状に基づいて、該経路の水位を演算する水位演算手段と
を備えていることを特徴とする水位予測システム。
請求項１記載の水位予測システムにおいて、
該システムはさらに、河川が含まれていない区画それぞれを真上から撮像した真上写真及び斜め方向から撮像した斜め写真に基づき、河川が含まれていない区画の植生の状態を決定する手段であって、植生が含まれている区画について、真上写真に基づいて植生の座標を決定し、斜め写真のRGB画素値に基づいて植生の種類を決定する植生状態決定手段を備え、
流出量演算手段は、貯水量及び降雨量に加えて、植生状態決定手段により決定された植生の種類に基づいて、流出方向への流出量を演算するよう構成されている
ことを特徴とする水位予測システム。
請求項２記載の水位予測システムにおいて、植生状態決定手段は、植生の種類が針葉樹林、広葉樹林、芝地・牧草地のいずれかであるかを決定し、かつ、これら種類毎の植生及び岩盤が１区画内で占める割合を該区画の植生状態として決定するよう構成されており、植生状態決定手段により決定された植生状態が、流量演算手段の流量の計算に反映されることを特徴とする水位予測システム。
請求項１〜３いずれかに記載の水位予測システムにおいて、流出量演算手段はさらに、所定のインターバルで、流出方向演算手段により決定された流出方向の流出速度を演算し、各区画の貯水量及び降雨量に加えて、決定された流出速度に基づいて、流出方向の区画の所定のインターバルにおける等価的な流入量を演算するよう構成されていることを特徴とする水位予測システム。
請求項１〜４いずれかに記載の水位予測システムにおいて、該システムはさらに、水位演算手段によって得られた水位が所定の危険水位に到達するか否かを判定し、危険水位に達する地区及びその時刻を表示する手段を備えていることを特徴とする水位予測システム。