JP6207889B2 - 浸水予測システム、浸水予測方法およびプログラム - Google Patents
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Description
都市全体での浸水リスクを評価するための技術として、分布型流出解析手法が広く用いられている。分布型流出解析は、ある地域の土地利用形態、標高などの地形情報、下水管路の敷設状況などの土木情報を用いて、水文学的なモデルと水理学的なモデル(サン・ブナン方程式など)を適宜併用した流出解析により降雨の流れを追跡する方法である。分布型流出解析の汎用解析ソフトも広く使われており、代表的なものとして、デンマークのMOUSE、イギリスのInfoworks、アメリカのSWMM、などと呼ばれる商用パッケージソフトが利用されている。
以下、図面を参照して、第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態による浸水予測システム40と外部システムとの接続関係を示す概略ブロック図である。本実施形態による浸水予測システム40は、降雨レーダシステム10、下水道管理台帳DB(Data Base)20、GIS情報DB30と接続される。なお、浸水予測システム40は、これらのシステムと専用の通信回線で接続されてもよいし、インターネットなどの汎用の通信回線で接続されてもよい。
Rai=A×bi×Ri ・・・(1)
上述したように、Riは、降水量であり、Aは、仮想タンクの底面積であり、biは、地表面から管路への雨水の流出係数である。
Vij=kij×(Hi−Hj)n ・・・(2)
ここで、Hi、Hjは、標高基準点H0を基準とした仮想タンクTiと仮想タンクTjの水位であり、Hi=Hdi+HLi、Hj=Hdj+HLjである。kijは、上述した結合パラメータである。nは指数パラメータである。nはベルヌーイの法則に基づくとn=1/2であり、水文学で用いられるダルシー則の場合はn=1となる。本実施形態では、説明を簡易にするためn=1を用いるが、必要に応じてn=1/2を用いてもよい。
Voi=kouti×Hdi ・・・(3)
Hdiは、仮想タンク底面からの水位である。koutiは、上述した排水パラメータである。
A×dH1/dt=A×b1×R1−k12×(H1−H2) ・・・(4−1)
A×dH2/dt=A×b2×R2−k12×(H2−H1)−kout2×Hd2 ・・・(4−2)
Smaxi=A×(HUi−HLi) ・・・(5)
仮想タンク情報計算部403は、総容量Smaxiに加えて、上述の仮想タンク底面積Aと、仮想タンク底面の標高HLiと、式(5)の関係とを用いて、溢水標高HUiを算出する。
kij=kmax×(Dij/Dmax)2×(Iij/Imax)1/2 ・・・(6)
kmax、Dmax、Imaxは、仮想タンク情報計算部403が予め記憶していた結合パラメータと管径と勾配の組み合わせである。これらの算出方法は、後述する。なお、流速が、管路の断面積に比例するのは、断面積が大きいほど、流速が大きくなることに基づき、勾配のルートに比例することは、マニング式(V=n−1R2/3I1/2)に基づく。マニング式において、Vは流速であり、nは粗度であり、Rは径深であり、Iは勾配である。
また、流出係数計算部405は、細かい土地利用形態の情報が得られない場合には、対象地域をおおまかに山林部、田畑部、都市部などと分類し、これに対して流出係数を与え、それを各メッシュに割り当てるようにしてもよい。
流出係数記憶部406は、流出係数計算部405が計算した各メッシュの流出係数を記憶する。
H2(t+1)= H2(t)+(Δt/A)(A×b2×R2(t)−k12(H2(t)−H1(t))−kout2×Hd2(t)) ・・・(7−2)
本変変形例では、第1の実施形態に加えて、初期降雨の損失を考慮する。図5は、本変形例における仮想タンクのモデルを示す概念図である。本変形例では、仮想タンク間の結合部が仮想タンク底面HLiよりある高さHTiだけ高い位置に設置されていることにより、初期降雨の損失を表現する。ここで、初期降雨の損失とは、雨の降り始めにおいて、地表面における蒸発や浸透などにより、管路への流出が少なくなることである。
また、流出係数の代わりにHTiを定める様にしてもよい。この場合、浸水予測システム40は、流出係数計算部405、流出係数記憶部406を有しない。
以下、図面を参照して、第2の実施形態について説明する。第1の実施形態では、下水道管理台帳DB20から仮想タンク情報および結合パラメータを計算したが、本実施形態では、これらの計算した仮想タンク情報および結合パラメータを、流量や浸水の実績情報を用いて、更新する。
なお、対応する降雨と流量が適合する様に、流量の実績値が得られているメッシュ近傍の結合パラメータのみを調整するようにしてもよい。
以下、図面を参照して、第3の実施形態について説明する。図8は、本実施形態における浸水予測システム40bの構成を示す概略ブロック図である。同図において、図3の各部に対応する部分には同一の符号(20、30、401〜404、409〜411)を付し、説明を省略する。浸水予測システム40bは、図3の浸水予測システム40と同様の構成であるが、流出係数計算部405、流出係数記憶部406、管路流出・水位予測部407、水位記憶部408に変えて、流出係数計算部405b、流出係数記憶部406b、流出・水位予測部407b、水位記憶部408bを有する点が異なる。
流出・水位予測部407bは、管路流出・水位予測部407と同様に、各メッシュの管路内の水位を予測するとともに、各メッシュの地表面の雨水の量についても予測する。流出・水位予測部407bは、地表面の雨水の量についても、タンクモデルを用いる。本実施形態では、管路に関する仮想タンクを、管路タンク、地表面に関する仮想タンクを、地表面タンクという。
以下、図面を参照して、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、降雨レーダシステム10におけるメッシュサイズよりも細かいサイズのメッシュで、浸水予測を行う。本実施形態における浸水予測システム40は、図3に示す浸水予測システム40と同様の構成であるが、降雨分布取得部401の動作が異なる。降雨分布取得部401は、取得したメッシュ状の降雨量の分布を、さらに細かいメッシュサイズのメッシュ状の降雨量の分布に変換し、変換した降雨量の分布を、予測降雨分布計算部402および管路流出・水位予測部407に入力する。なお、降雨分布取得部401以外の各部は、降雨分布取得部401が変換した細かいサイズのメッシュを、対象のメッシュとするため、メッシュのサイズに依存する部分以外は、第1の実施形態と同様に動作する。メッシュのサイズに依存する部分としては、例えば、演算式中の面積Aの値や、仮想タンク情報や流出係数の個数などがある。
R’(x−1,y−1)=(R(x−1,y−1)+R(x,y−1)+R(x−1,y)+R(x,y))/4 ・・・(8)
R’(x−1,y)=(R(x−1,y)+R(x,y))/2 ・・・(9)
R’(x,y)=R(x,y) ・・・(10)
また、上述の各実施形態において、仮想タンクの溢水標高HUを、該メッシュの地面の標高の代表値(平均値、最低値など)とし、底面積Aを、下記式(11)のように、容量Smaxを、溢水標高HUと仮想タンク底面の標高HLとの差で割った値としてもよい。この場合、Smax、HU、HLともに、メッシュによって異なった値となるので、底面積Aもメッシュによって異なった値となる。
A=Smax/(HU−HL) ・・・(11)
また、上述の各実施形態において、メッシュは、全て同じ大きさの矩形であるが、同じ大きさでなくてもよいし、矩形でなくてもよい。
20…下水道管理台帳DB
30…GIS情報DB
40、40a、40b…浸水予測システム
50…降雨・流量実績DB
60…浸水実績DB
401…降雨分布取得部
402…予測降雨分布計算部
403…仮想タンク情報計算部
404…仮想タンク情報記憶部
405、405b…流出係数計算部
406、406b…流出係数記憶部
407、407b…管路流出・水位予測部
408、408b…水位記憶部
409…浸水予測部
410…浸水情報記憶部
411…結果表示部
412…結合パラメータ適応部
413…仮想タンク情報適応部
Claims (13)
- 管路が設けられた対象地域を分割した領域各々の降雨量を取得する降雨分布取得部と、
前記対象地域の前記管路に関する情報を取得し、前記領域各々毎の仮想の貯留タンクである仮想タンクの標高を表す値と、前記領域各々の前記仮想タンクの容量を表す値とを、前記仮想タンクの溢水標高および容量として算出する仮想タンク情報計算部と、
前記取得した降雨量を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクにおける水位を算出する管路流出・水位予測部と、
算出した前記仮想タンクの溢水標高および容量と、前記仮想タンクにおける水位と、を表す値を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクからの溢水による浸水の有無を判定する浸水予測部と、
前記浸水の有無の判定結果を、浸水の実績と比較し、前記実績との差が小さくなるように、前記領域各々について、前記仮想タンクの溢水標高および容量を更新する仮想タンク情報適応部と、
を有することを特徴とする浸水予測システム。 - 管路が設けられた対象地域を分割した領域各々の降雨量を取得する降雨分布取得部と、
前記対象地域の前記管路に関する情報を取得し、前記領域各々毎の仮想の貯留タンクである仮想タンクの標高を表す値と、前記領域各々の前記仮想タンクの容量を表す値とを、前記仮想タンクの溢水標高および容量として算出する仮想タンク情報計算部と、
前記取得した降雨量を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクにおける水位を算出する管路流出・水位予測部と、
算出した前記仮想タンクの溢水標高および容量と、前記仮想タンクにおける水位と、を表す値を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクからの溢水による浸水の有無を判定する浸水予測部と、
前記浸水の有無の判定結果を、浸水の実績と比較し、前記実績との差が小さくなるように、前記領域各々について、前記仮想タンクの溢水標高および容量を更新する仮想タンク情報適応部と、
前記領域各々について、前記領域の土地利用形態を用いて、前記降雨量のうち、前記管路に流出する割合を示す値を算出する流出係数計算部と、
を有する浸水予測システムであって、
前記管路流出・水位予測部は、前記領域各々について水位を算出する際に、前記領域の仮想タンクに流出する雨水の量を、前記取得した降雨量と、前記仮想タンクに流出する割合を示す値とを用いて算出する浸水予測システム。 - 管路が設けられた対象地域を分割した領域各々の降雨量を取得する降雨分布取得部と、
前記対象地域の前記管路に関する情報を取得し、前記領域各々毎の仮想の貯留タンクである仮想タンクの標高を表す値と、前記領域各々の前記仮想タンクの容量を表す値とを、前記仮想タンクの溢水標高および容量として算出する仮想タンク情報計算部と、
前記取得した降雨量を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクにおける水位を算出する管路流出・水位予測部と、
算出した前記仮想タンクの溢水標高および容量と、前記仮想タンクにおける水位と、を表す値を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクからの溢水による浸水の有無を判定する浸水予測部と、
前記浸水の有無の判定結果を、浸水の実績と比較し、前記実績との差が小さくなるように、前記領域各々について、前記仮想タンクの溢水標高および容量を更新する仮想タンク情報適応部と、
を有する浸水予測システムであって、
前記降雨分布取得部は、所定の大きさの矩形領域毎の降雨量を、nを正の整数として、前記矩形領域の1/4nの面積の矩形領域毎の降雨量に変換し、
前記所定の大きさの矩形領域の頂点が、前記変換した矩形領域のうちのいずれかの中心と一致し、
前記領域は、前記変換した矩形領域である浸水予測システム。 - 前記管路流出・水位予測部は、前記領域各々の前記仮想タンクの水位を表す値を、前記領域に隣接する領域の仮想タンクとの間の流量と、前記領域の降雨量とを用いて算出することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の浸水予測システム。
- 前記管路流出・水位予測部は、第1の領域の仮想タンクと、第2の領域の仮想タンクとの間の前記流量を、前記第1の領域の仮想タンクの水位と、前記第2の領域の仮想タンクの水位との差を用いて算出すること
を特徴とする請求項4に記載の浸水予測システム。 - 前記流量を、実績値と比較し、前記実績値との差が小さくなるように、前記領域各々について、隣接する領域各々との間の管路の水の流れやすさを表す結合パラメータを決定する結合パラメータ適応部を有し、
前記管路流出・水位予測部は、前記流量を算出する際に、前記結合パラメータを用いる、
請求項4に記載の浸水予測システム。 - 前記管路流出・水位予測部は、第1の領域の仮想タンクから隣接する領域の仮想タンクへの流量を、前記第1の領域の水位が所定の高さよりも小さいときは、ゼロとする、請求項4に記載の浸水予測システム。
- 前記浸水予測部は、前記領域各々の仮想タンクの容量を表す値を用いて、前記領域各々に対して、複数の閾値を算出し、前記算出した水位を表す値と、前記複数の閾値とを比較し、前記領域各々の浸水の発生危険度を決定する、請求項1から3のいずれか一項に記載の浸水予測システム。
- 前記降雨分布取得部が取得した降雨量を用いて、降雨量が取得できている時刻よりも将来の降雨量を算出する予測降雨分布取得部を有し、
前記管路流出・水位予測部は、前記算出した将来の降雨量を用いて、前記水位を表す値を算出する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の浸水予測システム。 - 前記管路流出・水位予測部は、前記領域各々について、前記仮想タンクの水位に加えて、地表面の雨水の量についても算出する、請求項1から3のいずれか一項に記載の浸水予測システム。
- 前記降雨量の分布と、前記管路の水位の分布と、前記浸水の有無の判定結果の分布とを並列に表示する結果表示部を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の浸水予測システム。
- 管路が設けられた対象地域を分割した領域各々の降雨量を取得する第1の過程と、
前記対象地域の前記管路に関する情報を取得し、前記領域各々各々の前記仮想タンクの標高を表す値と、前記領域各々の前記仮想タンクの容量を表す値とを、前記仮想タンクの溢水標高および容量として算出する第3の過程と、
前記取得した降雨量を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクにおける水位を算出する第4の過程と、
算出した前記仮想タンクの溢水標高および容量と、前記仮想タンクにおける水位と、を表す値を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクからの溢水による浸水の有無を判定する第5の過程と、
前記浸水の有無の判定結果を、浸水の実績と比較し、前記実績との差が小さくなるように、前記領域各々について、前記仮想タンクの溢水標高および容量を更新する第6の過程と、
を有する浸水予測方法。 - コンピュータを、
管路が設けられた対象地域を分割した領域各々の降雨量を取得する降雨分布取得部、
前記対象地域の前記管路に関する情報を取得し、前記領域各々毎の前記仮想タンクの標高を表す値と、前記領域各々の前記仮想タンクの容量を表す値とを、前記仮想タンクの溢水標高および容量として算出する仮想タンク情報計算部、
前記取得した降雨量を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクにおける水位を算出する管路流出・水位予測部、
算出した前記仮想タンクの溢水標高および容量と、前記仮想タンクにおける水位と、を表す値を用いて、前記領域各々の前記仮想タンクからの溢水による浸水の有無を判定する浸水予測部、
前記浸水の有無の判定結果を、浸水の実績と比較し、前記実績との差が小さくなるように、前記領域各々について、前記仮想タンクの溢水標高および容量を更新する仮想タンク情報適応部、
として機能させるためのプログラム。
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