JP7348429B2 - 浸りｄａｓ（水害危険区域表示手法） - Google Patents

Description

水害（内水氾濫、洪水氾濫、高潮、津波）に対する、任意の時空間分布の降雨に対する地域の水害危険区域及び想定浸水深を時系列に示し、地域の避難計画、避難訓練や、水害対策（宅地、地下空間等への浸水対策）を行う為の基礎資料とする。

また、リアルタイムで得られる、地域の必要な情報（雨量、河川水位、津波予測、高潮予測）を収集・統合し、水害危険区域の配信を行うことで、地域の水害に対する防災・減災に供するデータ配信システムと出来る。

水害に関する被害想定（水害ハザードマップ等）については、行政機関が「想定しうる最大規模」とする一定の降雨外力等による詳細な水理的解析（２次元氾濫不定流解析等）を用いて行われており、その時系列の浸水深の最大値を洪水、水害ハザードマップ等として地域住民に示されている。これらは、河川管理者（国、都道府県）、下水道管理者（市町村）等から各々の設定規模にて提供されており、想定するシチュエーションの同時に生起される事象は示されていない。

想定される最大の水害氾濫がくる以前に、市民の減災行動（避難行動や地下空間侵入水対策等）を行うべき時点の下水道内水氾濫、農業用排水路等の氾濫（以下内水氾濫等という）状況は示されていない。

大河川による洪水氾濫の想定は、それより流下能力の相対的に低い上流や支川での氾濫を想定することは困難であり、また破堤地点も２００ｍおきの測点毎に破堤、氾濫計算を行ったうえでの最大水深を包絡したものであり、リアルタイムで破堤地点、それによる氾濫域の予測は不可能である。

また中小河川や下水道については、その氾濫現象が相互に関連するとともに、合理式で想定される河川流量を「降雨の到達時間内は一定の降雨強度が継続する」という仮定とする合理式を用いており、局所的短時間の豪雨と比較的広域長時間の台風性豪雨との差異、つまり降雨要因による時空間分布は再現されない。

また、全国各地で毎年のように既往最大となるような豪雨が発生しており、その豪雨が自地域に降った場合の浸水想定区域を算定することや、地域市民の要望による任意の設定規模や降雨要因による特徴をもつ豪雨に対する浸水想定区域を表示するには、現在では下水道等の仔細な水理解析及び地表面の氾濫不定流解析など、多大な解析費用と難解な解析モデル開発、その人員を要しており、容易ではなく、平成２７年水防法改正により内水氾濫想定を示すこととなっているが、財源や技術力の乏しい地方自治体では困難であり、市町村管理の下水道氾濫、内水ハザードマップですら、全国的に殆ど市民に示されていない現状がある。

さらに内水氾濫、中小河川洪水氾濫等については、［図１］における［一般的な解析］のように、仔細な下水道施設等の詳細なモデル化、水理的演算を介することにより、膨大な演算時間、詳細な水理モデル構築や解析費用を必要とし、避難時や内水氾濫流による侵入水対策時等に想定するべく設定する降雨外力による水害状況のイメージ把握や、水害危険区域のリアルタイム浸水危険区域情報提供には適さない。

その詳細な水理解析モデルにおいては、下水道の水位記録や水害における浸水深の記録が得られ難いことから、実績の氾濫事象による検証はなされておらず、様々な水理学的仮定の上であり、その誤差要因と解析結果の因果関係を解明することは困難であり、水害実態との乖離も否めない。

先行特許文献につき無し

谷岡 康、学位論文「都市中小河川における降雨と洪水特性に関する研究」、平成１０年３月

谷岡ら、「降雨分布を用いた中小河川及び内水危険個所の即時評定方法の検討」、土木学会河川技術論文集 第１１巻、２００５年６月

大沼ら、「高速演算モデルを使った浸水予測情報配信システムの構築」、河川技術論文集、第２３巻、ｐｐ１０３－１０８、２０１７年６月

谷岡ら、「都市中小河川・下水道の連携した治水計画―台地部規制市街地を対象として」、土木学会論文集Ｎｏ．７３３／ＩＩ－６３，２１－３５，２００３．５

山田ら、「合成合理式の理論的導出」、土木学会論文集Ｂ１（水工学）Ｖｏｌ６８，Ｎｏ４，Ｉ＿４９９－Ｉ＿５０４， ２０１２．

一般に水害（特に内水氾濫）の浸水危険区域の解析は、［図１］における［一般的な解析］のように、下水道の仔細な水理計算や氾濫不定流計算を介することで、［非特許文献３］のように、高速演算モデルを用いるなど、多大な演算時間やモデル構築費用を要しており、その精度も不確かなうえ、誤差の要因も多様多岐にわたる為、水害実績値による検証やモデル更生の方法も複雑で困難である。

水害（内水、洪水、高潮、津波）から避難する場合、あるいは家屋や地下空間への浸水対策等を行う場合には、その時点の下水道、農業用排水路等の内水氾濫などの水害危険区域を想定する必要がある。

このため、避難時等に、想定するべき降雨規模やその時空間分布による、水害危険区域の経時変化を示すことは、避難するタイミングやルート選定、避難計画、や地下空間等への侵入水対策を行う等の防災、減災活動上で必要であるとともに、地域市民等の危機意識啓発、地区防災計画策定の上で重要である。

また、リアルタイムで水害危険区域を示すことで、避難や地下空間浸水等の水害対策を早期に促し、その情報を地域住民や他地域からの来訪者にも広く示すことで、危険区域を回避する行動や地域の水害に対する自助、共助意識を醸成し、重要な防災・減災に資する防災情報の一つとなる。

［非特許文献２］では、短時間降雨による浸水危険区域を、ある一定距離範囲内での水平面に対する相対的低さ（窪地率）とその地域の降雨強度で評定することとしたが、水害危険区域の水深の想定までは至らず、また降雨量と浸水危険区域の氾濫容量の関係が組み込まれていない。

［非特許文献１］では、地上の累積雨量として最も確かである地上雨量計による短時間雨量の移動平均降雨強度を用いた合成合理式（［非特許文献４，５］参照）による流出計算が短時間集中豪雨などの気象学でいうメソβ～メソγスケールの事象が、地上雨量計観測値と流域を細かに細分化した「合成合理式」を用いた流出現象との間に、直接的関係をもつことを立証している。

この関係を利用することで、内水（下水道等）氾濫を主に、水害に関する危険区域を算出できる手法を発明した。

配信される降雨量（降雨強度）の空間分布より、小排水区内平均降雨強度は５分毎に、排水区（流域）内にある格子点の最確値をアンサンブル平均とする。

求められた、排水区流達時間内平均降雨強度は、時間ステップ５分は、排水区（流域）のステップ毎の平均値をその流達時間により按分する。

水害の内、内水氾濫危険区域の解析手法を以下に示す。

流出計算は、下水道については計画排水区（流域）、農業用排水路、小排水路については地形を見込んだ０．５ｋｍ^２程度に集水区域を区切り、合成合理式を用いる。

本来、合理式は次式で示すように、下水道排水区のピーク流出量を用いる為の算定式であるが、時間ごとの流量ハイドログラフを算出するためには下水道施設計画においては「合理式の合成法」が一般的に用いられている。

Ｑ＝１／３．６・ｆ・ｒ・ａ
ここに ３．６：単位を合わせる係数
ｆ ：流出係数
ｒ ：流達時間内降雨強度（ｍｍ／ｈｒ）
ａ ：排水区面積（ｋｍ^２）

発明者は、［非特許論文１］の中で、短時間雨量の時々刻々の排水区内平均降雨量（降雨強度）の時間軸における排水区流達時間内移動平均降雨強度により、細分化した単流域の流出ハイドログラフを求め、さらに流路の流達時間（流下時間）で時間移相させて下流域の流出量を合成することで、実績流出量との適合性を立証し、これを「合成合理式」として扱って来た。

「合成合理式」とは、下水道や都市中小河川の流出実態を再現するための手法としたものであり、下水道計画で用いる従来の「合理式の合成法」とは根本的に異なるもので、混同されている例がよく見られるので、ここで明確に定義しておく。（［図２］参照）

本手法では下水道雨水排水計画において排水区の上流端を０．５ｋｍ^２で到達時間５分としていることから、その時空間スケール（メソβ～γ）の気象、流出、氾濫現象を再現するため、同程度の排水区域分割（下水道計画がある場合にはその排水区域分割）を要するものとする。

氾濫容量、下流流下量の算定は、排水区の下流端の流下能力を下水道等の計画における流量（余裕代を期待しない）を流域末端の流下能力として設定しそれを超える流出量の累積を氾濫容量とし、流下能力以上の流出が無い場合には氾濫容量が０になるまで排水されるものとする。（［図３］［図４］参照）

通常下水道計画においては、その施設断面に１～２割の余裕をもって設計されるが、下水道管のなかでの波立ち等による乱れなどにより満管や天端に着く状況となると負圧を生ずる等、流下能力は極端に低下することもあり未解明かつ偶発性が高い点は多々含まれるため、飽くまで「計画能力以上の流量では氾濫が生じる」、「余裕高には期待しない」という危険側の設定値として与えるものであり、水害実績が得られれば、その流下能力は、後述する手法にて補正・更新していくものとする。

農業用排水路、小水路については、その微地形から流域を分割し流末の水路流下能力を等流計算などにより求めておく。

各排水区に、設定された到達時間内降雨強度を与え合成合理式により得られた流出量の時系列により、小流域の下流端流下能力を超える量を氾濫容量として算出する。流下能力以下の流出量に関しては下流へ流下時間だけ移相し下流流出量と合成する。（［図５］参照）

氾濫容量は先ず、排水区内の地盤高郡による回帰斜面に平行に湛水するものとする。（［図６］［図７］［図８］参照）

排水区の回帰斜面 ｚ（ｘ，ｙ）を求めるには、 ｚ（ｘ，ｙ）＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ とおき、ここに、ｚ（ｘ，ｙ）を排水区（流域）内での座標（ｘ，ｙ）における地盤高とすればａ，ｂ，ｃは、回帰平面を表す係数であり、重回帰分析により求める。

独立変数をｘ，ｙとして、残差の二乗総和Ｑは次式で表される。

これより、以下３式が導かれる。

ここで、ｘ，ｙ，ｚの平均値をｘ’，ｙ’，ｚ’と表す時、前述の第三式を－２ｎで除すことで、次式 ｃ＝ｚ’－ａｘ’－ｂｙ’を得、これを前述の残り２式に代入し整理することで、次の連立方程式が導ける。

ａσ（ｘ）＋ｂσ（ｘ，ｙ）＝σ（ｘ，ｚ）
ａσ（ｙ，ｘ）＋ｂσ（ｙ）＝σ（ｙ，ｚ）
ここにσ（ｘ）はｘの分散、σ（ｘ，ｙ）はｘとｙの共分散を示し、この連立方程式を解くことで、ａ，ｂが求められる。

この回帰面につき、排水区内の最低地盤高まで平行移動した面を浸水容量が０であることとし、単位水深ずつ平行移動したときの回帰面と地盤高さの差分を累積した容量をもとめておき、（浸水深、浸水域）と（氾濫容量）との関係を予め求めておく。（［図８］参照）

この回帰平面から各メッシュの地盤高の差を求め、排水区（流域）内で最も低い地盤高さまで鉛直に移動した平面を浸水（＝０）の基準面とする。

この基準面から、Δｈ毎の鉛直方向に移動し、その時の地盤高さとの差分を各地盤メッシュの浸水深としメッシュの面積を乗じたものをメッシュの氾濫容量として総累計することで、傾斜面最低地盤高からの水深Ｈと氾濫容量Ｖの関係が事前に得られ、氾濫容量Ｖと平行移動した回帰斜面と各メッシュ地盤高との差分を浸水深とし、浸水深が正の値の範囲を氾濫危険区域とする。

浸水危険区域、想定浸水深の算定手法は、５分毎に、次の４段階の計算を繰り返すこととする。
（ア）氾濫容量が排水区の平均的な回帰斜面に平行に滞留するとして現時刻危険区域を表示する。
（イ）排水区周辺と水深の段差がある場合には排水区の氾濫容量の流出、流入容量を換算 する。
（ウ）排水区内の回帰斜面に湛水した総容量を排水区の標高の最も低い地点（大方は排水路下流端）からの水平湛水とする。
（エ）５分後までの流出計算を行い、氾濫容量を算定する。（［図９］参照）

ただし、▲３▼で湛水した水面に関しては、排水区を分割して流出係数を流出係数ｆ＝１．０として算定する。氾濫容量は水平湛水面と斜面が混在する場合には、水平面湛水面積氾濫容量と回帰斜面氾濫容量とに分けて、水平面及び回帰斜面のそれぞれの水深と氾濫容量、氾濫区域の関係に当てはめて、水害危険区域とする。

前述の▲１▼段階（初期段階）においては、排水区全体の地盤高を平均的な斜面として扱い、その斜面の傾きに沿って鉛直方向に水深が増していくものとし、静的な水平に湛水する状況より、斜面に沿って滞留している瞬間の状況を想定する。

前述の▲２▼段階においては、排水区の外縁で浸水深が現れる場合には、その地点の地盤高さ、若しくは外縁地点の接する隣接排水区地点の地盤高と浸水深のいずれか高い標高まで、次の時間ステップまでに排水（隣接排水区への流入）されるものとして排水区の氾濫容量の総量が合致するよう調整する。

前述のような排水区外縁において浸水深が０でないメッシュが複数現れる場合には、隣接排水区との容量の出入りがあるため、浸水位の高いメッシュから順に前期演算処理を行うものとして、次時刻の隣接排水区への流
入容量として付加するものとし、逐次計算を行う。

前述の▲３▼段階では、排水区内の内水の浸水においては、浸水初期には斜面を想定した浸水深を想定したが、次のステップにおいては、前ステップ時刻の氾濫総容量が水平に湛水するものとしている状況を初期として扱う。

外水（洪水、高潮、津波）による水害危険域の評定手法を以下に記す。

河川については、観測される（又は想定、予測される）河川水位と同等の標高までは浸水するものとしてその区域や浸水深を表示するものとする。（［図１２］参照］

これは、破堤した場合にもその水位程度までの浸水が想定されることと、内水の流出があれば、河川水位まではいずれ湛水する危険性があることによる。

洪水氾濫の水面形は、水位計観測値を河川法線（中心線）に鉛直に延長した側線上で十分離れた（洪水ハザードマップの及ぶ範囲）地点を設定し、隣り合う水位計の２点及び堤内地２点での矩形により仮想水面の内挿計算（降雨分布の内挿計算と同様の手法）を行い、地盤高との比較により水害危険区域を内水による水害危険区域とは表示方法を変えて示す。

ただし河川の縦断的不連続点（床止め工、固定堰、落差工等）を含む場合には、水位計観測値を基に、計画高水位と並行に河川水位縦断形を設定する。

高潮については、リアルタイムでは潮位観測値を基に、河川水位と同等に沿岸水位を河川洪水外水における水害危険区域表示を行う。

津波に関しては、リアルタイムで扱う場合には気象庁による津波高さ情報により外水の設定をおこなう。また静的に想定する場合は津波のハザードマップに従う。この場合、津波被害が起きる程の地震と豪雨による水害の同時生起は極めて希な事象と考えてよい。

水門、樋門、排水樋管、排水ポンプ場、調節池、貯留池などのモデリング手法につき記述する。

水門、樋門、排水樋管については、河川水位と内水氾濫域流末水位が逆転する場合には、内水流末の排水能力Ｑａを０として扱う。また施設開閉の操作ルールがある場合にはそれに従う。オンラインで施設開閉状況のデータが得られる場合にはそれを入力とする。

排水ポンプ場については▲１▼の水門等操作以降は計画排水量を内水域流末の流下能力Ｑａをポンプ排水量とする。

調節池、貯留池がある場合、横越流型調節池では計画流量配分と流入開始流量を直線補完し、その関係式に基づき貯留し、また全量調節型は洪水初期から流下能力を上限とした流量を調節し、その容量が満杯となれば、調節効果は無くなるものとする。（［図１０］［図１１］参照）

水害実績により、モデル定数を更新する手法について以下に記す。

水害発生時の一連の降雨資料を用いて、前述手法により解析しメッシュごとの浸水深の最大値を算定し、例えば浸水深０～２０ｃｍまでは浸水無し、床下浸水は２０～５０ｃｍ未満、床上浸水は５０ｃｍ以上として、実績浸水被害の分布パターンと適合（包絡）するよう、前述の回帰平面係数を調整する。ただし、地上雨量計より離れた排水区の浸水については相当の誤差が発生することも考慮する。

排水区（流域）内氾濫容量の調整については、その排水区流末の計画流量（または流下能力）であるＱａの調整を行う。
排水口の詰まり状況や様々な水流のヘッドロス、また道路上の薄い流れも含めた流下能力とする。

浸水区域の分布状況によるモデルの更新方法は、排水区（小流域）毎に、総体的には排水区（流域）回帰面傾斜角の調整、地盤高情報は航空測量により行われているため、家屋、ビル、樹木等により測定不能な地点については何らかの手法（著作権上明らかにされていない）によりスムージング、平均化がなされており、局部的には宅地造成、盛土や嵩上げなどにより水害の発生状況が異なる場合があるので、現地確認の上、地盤高を調整するか検討する。

様々な降雨規模や降雨パターンによって、降雨量と水害危険区域の直接的関係（中小河川・下水道施設計画や現況流下能力と整合し、水害実績を反映する）を用いることで莫大な費用、時間をかけずに、市民の外水位設定による［避難時水害危険区域図］等を作成し、住民自ら避難時危険個所や避難路を定め避難計画策定、有事の際の避難訓練に反映する。

この手法を用いて、リアルタイムで得られる雨量情報から降雨の時空間分布を作成、表示し、河川流域や下水道排水区内の到達時間内平均降雨量を逐次算定し、外水位（観測あるいは予測の河川洪水位、潮位、津波高）等の情報を入力として、リアルタイムで水害危険区域を表示できる。

情報システムによる浸水危険区域のリアルタイム情報は地域住民の理解を得たうえで、インターネット、スマートフォン、エリアメール、地域ケーブルテレビ、自動車ナビゲーション等、あらゆる手段をもって配信し、地域住民のみならず、地域来訪者にも情報が共有できる。

一般の内水氾濫解析手法と［浸りＤＡＳ］の比較 「合理式の合成法」と「合成合理式」の定義のイメージ 合成合理式による内水氾濫容量の算定イメージ 下水道排水区から下水道施設による排水のイメージ 複数排水区の合成合理式による氾濫容量算定のイメージ 排水区回帰斜面のイメージ 排水区回帰斜面と地盤高の断面イメージ 排水区回帰斜面を基準とした浸水深と氾濫容量のイメージ 排水区の短時間（５分間）氾濫容量と水害危険区域の算定手法イメージ 横越流型調節池、貯留池等の演算手法のイメージ 全量調節型調節池、貯留池等の演算手法のイメージ 洪水氾濫（外水）による水害危険区域の算定イメージ

氾濫容量に直結する地上雨量計観測値（累計値）に重点を置いた降雨分布の算定するための手法により、これまでより地域ごとの雨量、小排水区の平均降雨量を算定し、水害危険区域（主に内水）算定に用いる。また短時間降雨量の分布をリアルタイムで表示し市民の危機回避行動を促すとともに、他地域での著名豪雨実績での降雨量時空間分布を自地域に生起した場合の水害危険区域を想定できる。

地域市民の要望する降雨規模による内水氾濫を含めた水害危険区域の経時変化（動的情報）を表示し、自治会、自主防災組織の防災計画、地区防災計画策定等に反映することが出来る。

またリアルタイムで水害危険区域を表示することで、避難行動の安全化、浸水対策活動の促進につながる。地域行政災害対策室や、大規模地下空間管理者、要配慮者施設、要避難援護者のみならず、広く一般に広報できるよう、ＰＣや、スマートフォンのＧＰＳ機能を用いたナビゲーションアプリケーションとするなどで広く活用できる。

全てイメージ図につき図中に直接記載している。

Claims (1)

1. 水害（内水、洪水、高潮、津波）の内、内水氾濫（下水道等氾濫）について、下水道等排水区内の地盤高群による回帰斜面を単位水深ずつ平行移動したときの回帰斜面と地盤高さの差分を累積した容量を求め、これにより［浸水深、浸水域］と［氾濫容量］との関係を予め求めておき、小流域の流達時間内降雨強度から合成合理式を用いて得た流出量が、小流域の下流端流下能力を超える量を氾濫容量として算出し、氾濫容量が排水区の平均的な回帰斜面に平行に氾濫するとして、以下の（ア）～（エ）を含み、
   （ア）氾濫容量が排水区の平均的な回帰斜面に平行に氾濫、滞留するとして現時刻内水氾濫危険区域を表示する。
   （イ）排水区周囲と水位の段差がある場合には排水区の氾濫容量の流出、流入容量を換算する。
   （ウ）排水区内の回帰斜面に氾濫した総容量を排水区の標高の最も低い地点（大方は排水路下流端）からの水平湛水とする。
   （エ）５分後まで流出計算を行い、氾濫容量を算定する。
   以上の４段階の計算を５分毎に繰り返すことにより、時々刻々の内水危険区域、想定浸水深の経時変化を解析し、一方で外水（洪水、高潮、津波）に関しては、破堤を前提にし、観測（予測・想定）される外水位を堤内地へ水平に引き延ばし、その到達する範囲を外水氾濫危険区域とし、又その水平面と地盤高の差分を浸水想定深さとして、内水氾濫危険区域と合わせて表示する解析手法。」