(57)【要約】【課題】複数の貯水池の連鎖決壊によって生じる氾濫解析を可能とする。【解決手段】上池流出量演算部３１で演算された流出量の内、地形情報入力部１２で取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算するための下池流入量演算部３２と、下池流入量演算部３２で演算された下池流入量から、池情報入力部１１から入力された下池情報に基づき、該下池の貯水量を演算する下池貯水量演算部３４と、該下池から下流に流出する下池流出量を演算する下池流出量演算部３６とを備えており、下池流出量演算部３６は、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池決壊前の演算アルゴリズムと下池決壊後の演算アルゴリズムを有しており、下池貯水量演算部３４内の下池水位演算部３５で演算された水位が、池情報入力部１１で取得した放流部深さに至ったとき下池決壊後の演算アルゴリズムに変更して下池流出量を演算する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側に位置する上池と、上池よりも下流側に位置する下池を含む複数の貯水池が連鎖的に決壊する氾濫解析を行うための複数貯水池氾濫解析装置であって、
上池の情報、及び下池の情報を取得するための池情報入力部と、
氾濫解析の対象となる地域の地形データを取得するための地形情報入力部と、
前記池情報入力部から入力された上池情報に基づき、該上池から流出される水の流出量を演算する上池流出量演算部と、
前記上池流出量演算部で演算された流出量の内、前記地形情報入力部で取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算するための下池流入量演算部と、
前記下池流入量演算部で演算された下池流入量から、前記池情報入力部から入力された下池情報に基づき、該下池の貯水量を演算する下池貯水量演算部と、
該下池から下流に流出する下池流出量を演算する下池流出量演算部と、
を備えており、
前記下池流出量演算部は、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池決壊前の演算アルゴリズムと下池決壊後の演算アルゴリズムを有しており、前記下池貯水量演算部で演算された下池の貯水量が、予め与えられたアルゴリズム切り替え条件に至ったとき、下池決壊後の演算アルゴリズムに変更して下池流出量を演算してなる複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記下池貯水量演算部が、下池の水位を演算する下池水位演算部を含む複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記池情報入力部が、下池が有する放流部深さの情報を取得可能に構成されており、
アルゴリズム切り替え条件を、下池の水位が、前記池情報入力部で取得した放流部深さに至ったタイミングとしてなる複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項４】
請求項３に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、さらに、
上池の破堤時からの流出量の時間変化を示すハイドログラフを表示させるための表示部を備えてなる複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記上池流出量演算部が、
前記池情報入力部から入力された上池情報に基づき、該上池が前記複数貯水池氾濫解析装置による解析を開始した解析開始時刻に、決壊すると想定し、
上池流出量を演算するアルゴリズムを、以下の計算式で規定される水量が流出するモデルとしてなる複数貯水池氾濫解析装置。
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（上式において、Ｖmaxは総貯水量［ｍ3］、Ａは満水面積［ｍ2］、ｈkは越流総水頭［ｍ］、ｑl（ｔ）は時刻ｔにおける下池流出量［ｍ3／ｓ］、Ｖlは下池貯水量［×１０6ｍ3］、Ｈlは下池堤高（ｍ）、ｔは下池決壊した時刻からの時間［ｓｅｃ］、ｔlは下池決壊時刻［ｓｅｃ］、ｑl_inは下池決壊後に下池に流入した水量［ｍ3／ｓ］である。）
【請求項６】
請求項４又は５に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記下池流出量演算部が、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、越流総水頭が放流部の深さより低い水位である場合、下池の放流部から下流に流出すると想定し、下流に放流される流量を
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で演算し、
貯水池の初期貯水量を、放流部の下端まで水位があると仮定して
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で演算してなる複数貯水池氾濫解析装置。
（Ｑは流量［ｍ3／ｓ］、Ｃは流量係数、Ｂは水路幅［ｍ］、ｈkは越流総水頭［ｍ］、Ｖmaxは総貯水量［ｍ3］）
【請求項７】
請求項６に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記下池貯水量演算部が、越流総水頭が放流部の深さを超えると、貯水池が決壊すると想定して、下池の貯水量を
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として演算し、
かつ前記下池流出量演算部が、決壊以降に下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池流出箇所から下流への流出量の時間変化を次式で演算するよう切り替えてなる複数貯水池氾濫解析装置。
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（ｑl（ｔ）は時刻ｔにおける下池流出量［ｍ3／ｓ］、Ｖlは下池貯水量［×１０6ｍ3］、Ｈlは下池堤高（ｍ）、ｔは下池決壊した時刻からの時間［ｓｅｃ］、ｔlは下池決壊時刻［ｓｅｃ］、ｑl_inは下池決壊後に下池に流入した水量［ｍ3／ｓ］）
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、さらに、
前記地表面レイヤーに、降雨量を付加するための降雨量設定部を備える複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、さらに、
時間によって変動する潮位を演算するための潮位演算部を備える複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、さらに、
上池の氾濫解析によって計算される下池に流入する流量を、下池の水位に変換する水位変換部を備える複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複数貯水池氾濫解析装置であって、
前記池情報入力部が、ため池データベースを入力するよう構成してなる複数貯水池氾濫解析装置。
【請求項１２】
上流側に位置する上池と、上池よりも下流側に位置する下池を含む複数の貯水池が連鎖的に決壊する氾濫解析を行うための複数貯水池氾濫解析方法であって、
上池及び下池の情報、並びに氾濫解析の対象となる地域の地形データを取得する工程と、
前記取得された上池情報に基づき、該上池から流出される水の流出量を演算する工程と、
演算された流出量の内、前記取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算する工程と、
前記演算された下池流入量から、前記取得された下池情報に基づき、該下池の水位と、該下池から下流に流出する下池流出量を演算する工程と
を含み、
前記下池流出量を演算する工程において、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池決壊前の演算アルゴリズムと下池決壊後の演算アルゴリズムを有しており、
下池の水位が、
初期水位から、越流総水頭までの間は、下池決壊前の演算アルゴリズムを用い、
下池の情報として取得した放流部深さに至った以降は、下池決壊後の演算アルゴリズムを用いるように下池流出量の演算アルゴリズムを切り替えてなる複数貯水池氾濫解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数貯水池氾濫解析装置、複数貯水池氾濫解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の異常気象等に起因すると思われるゲリラ豪雨や地震、津波といった自然災害により、ため池やダムといった貯水池の決壊時の氾濫解析が求められている。例えば、天然ダムの越流決壊による下流域の洪水流量の増減を、地理的および時系列的に数値シミュレーションする洪水流量推定システムが提案されている（特許文献１）。ただ、従来よりダムのような設備は、決壊しないように設計されているとの前提に立ち、決壊時の氾濫解析はあまり注目されてこなかった。
【０００３】
しかしながら、２０１１年３月１１日に発生した東日本大震災によって福島県須賀川市の藤沼貯水池が決壊し、多くの被害が発生した。今後も南海トラフ等の地震や豪雨により貯水池が被害を受ける可能性がある。
【０００４】
このような背景の中、防災・減災等の観点から、ため池の決壊による氾濫解析にも注目が集まるようになった。特にため池については、江戸時代より以前に存在する古いものが多くあることから、決壊のリスクを考慮する必要がある。
【０００５】
上述の通り貯水池の氾濫解析について注目が集まるようになっている。貯水池の決壊は従来あまり想定されていなかった。しかし近年では、１０００年に一度、未曾有の大災害といった、想定を越える災害が頻発するようになり、このような決壊を想定した防災を検討する必要性が叫ばれている。
【０００６】
また、複数の貯水池が存在する地域においては、これらが連鎖的に決壊することも考えられ、このような連鎖決壊については殆ど検討されておらず、その氾濫解析も取り組まれていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６００５０７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「平成２５年度豪雨による決壊ため池の氾濫解析検証」農村工学研究所技報第２１５号ｐｐ９１−１０１，２０１４
【非特許文献２】Costa, J., Floods from Dam Failure, Flood Geomorphology, 436-439 (1988).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような背景に鑑みて、本発明はなされたものであり、その目的の一は、複数の貯水池の連鎖決壊によって生じる氾濫解析を可能とした複数貯水池氾濫解析装置、複数貯水池氾濫解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上流側に位置する上池と、上池よりも下流側に位置する下池を含む複数の貯水池が連鎖的に決壊する氾濫解析を行うための複数貯水池氾濫解析装置であって、上池の情報、及び下池の情報を取得するための池情報入力部と、氾濫解析の対象となる地域の地形データを取得するための地形情報入力部と、前記池情報入力部から入力された上池情報に基づき、該上池から流出される水の流出量を演算する上池流出量演算部と、前記上池流出量演算部で演算された流出量の内、前記地形情報入力部で取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算するための下池流入量演算部と、前記下池流入量演算部で演算された下池流入量から、前記池情報入力部から入力された下池情報に基づき、該下池の貯水量を演算する下池貯水量演算部と、該下池から下流に流出する下池流出量を演算する下池流出量演算部とを備えており、前記下池流出量演算部は、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池決壊前の演算アルゴリズムと下池決壊後の演算アルゴリズムを有しており、前記下池貯水量演算部で演算された下池の貯水量が、予め与えられたアルゴリズム切り替え条件に至ったとき、下池決壊後の演算アルゴリズムに変更して下池流出量を演算することができる。上記構成により、上池と下池の連鎖決壊後の氾濫解析を行うことが可能となる。
【００１１】
また、第２の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記構成に加えて、前記下池貯水量演算部が、下池の水位を演算する下池水位演算部を含むことができる。
【００１２】
さらに、第３の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記池情報入力部が、下池が有する放流部深さの情報を取得可能に構成されており、アルゴリズム切り替え条件を、下池の水位が、前記池情報入力部で取得した放流部深さに至ったタイミングとすることができる。上記構成により、下池水位演算部は、下池の水位が、初期水位から越流総水頭までの間と、前記池情報入力部で取得した放流部深さに至った以降とで、下池流出量の演算アルゴリズムを切り替えることができる。
【００１３】
さらにまた、第４の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、上池の破堤時からの流出量の時間変化を示すハイドログラフを表示させるための表示部を備えることができる。
【００１４】
さらにまた、第５の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記上池流出量演算部が、前記池情報入力部から入力された上池情報に基づき、該上池が前記複数貯水池氾濫解析装置による解析を開始した解析開始時刻に、決壊すると想定し、上池流出量を演算するアルゴリズムを、以下の計算式で規定される水量が流出するモデルとできる。
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【００１５】
上式において、Ｖmaxは総貯水量［ｍ3］、Ａは満水面積［ｍ2］、ｈkは越流総水頭［ｍ］、ｑl（ｔ）は時刻ｔにおける下池流出量［ｍ3／ｓ］、Ｖlは下池貯水量［×１０6ｍ3］、Ｈlは下池堤高（ｍ）、ｔは下池決壊した時刻からの時間［ｓｅｃ］、ｔlは下池決壊時刻［ｓｅｃ］、ｑl_inは下池決壊後に下池に流入した水量［ｍ3／ｓ］である。
【００１６】
さらにまた、第６の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記下池流出量演算部が、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、越流総水頭が放流部の深さより小さな水深である場合、下池の放流部から下流に流出すると想定し、下流に放流される流量を
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で演算し、貯水池の初期貯水量を、放流部の下端まで水位があると仮定して
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で演算することができる。
（Ｑは流量［ｍ3／ｓ］、Ｃは流量係数、Ｂは水路幅［ｍ］、ｈkは越流総水頭［ｍ］、Ｖmaxは総貯水量［ｍ3］）
【００１７】
さらにまた、第７の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記下池貯水量演算部が、越流総水頭が放流部の深さを超えると、貯水池が決壊すると想定して、下池の貯水量を
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として演算し、かつ前記下池流出量演算部が、決壊以降に下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池流出箇所から下流への流出量の時間変化を次式で演算するよう切り替えることができる。
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（ｑl（ｔ）は時刻ｔにおける下池流出量［ｍ3／ｓ］、Ｖlは下池貯水量［×１０6ｍ3］、Ｈlは下池堤高（ｍ）、ｔは下池決壊した時刻からの時間［ｓｅｃ］、ｔlは下池決壊時刻［ｓｅｃ］、ｑl_inは下池決壊後に下池に流入した水量［ｍ3／ｓ］）
【００１８】
さらにまた、第８の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、時間によって変動する潮位を演算するための潮位演算部を備えることができる。上記構成により、下流端条件の水位を、潮位に応じて時間変化させることができる。
【００１９】
さらにまた、第９の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに上池の氾濫解析によって計算される下池に流入する流量を、下池の水位に変換する水位変換部を備えることができる。
【００２０】
さらにまた、第１０の形態に係る複数貯水池氾濫解析装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記池情報入力部が、ため池データベースを入力するよう構成できる。上記構成により、各地の貯水池の現地調査を行うことなく、氾濫解析を行うことが可能となる。
【００２１】
さらにまた、第１１の形態に係る複数貯水池氾濫解析方法によれば、上流側に位置する上池と、上池よりも下流側に位置する下池を含む複数の貯水池が連鎖的に決壊する氾濫解析を行うための複数貯水池氾濫解析方法であって、上池及び下池の情報、並びに氾濫解析の対象となる地域の地形データを取得する工程と、前記取得された上池情報に基づき、該上池から流出される水の流出量を演算する工程と、演算された流出量の内、前記取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算する工程と、前記演算された下池流入量から、前記取得された下池情報に基づき、該下池の水位と、該下池から下流に流出する下池流出量を演算する工程とを含み、前記下池流出量を演算する工程において、下池流出量を演算するアルゴリズムとして、下池決壊前の演算アルゴリズムと下池決壊後の演算アルゴリズムを有しており、下池の水位が、初期水位から、越流総水頭までの間は、下池決壊前の演算アルゴリズムを用い、下池の情報として取得した放流部深さに至った以降は、下池決壊後の演算アルゴリズムを用いるように下池流出量の演算アルゴリズムを切り替えることができる。これにより、上池と下池の連鎖決壊後の氾濫解析を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１Ａ〜図１Ｇは連鎖決壊が生じる流れを示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る複数貯水池氾濫解析装置を示す機能ブロック図である。
【図３】スタガード・構造格子と未知変数の定義点を示す模式平面図である。
【図４】水流が盛土などの凹凸を越流する場合を示す模式断面図である。
【図５】メッシュ間で支配断面が現れる場合を示す模式断面図である。
【図６】排水路の走行方向と流量の定義点を示す模式平面図である。
【図７】地表面レイヤーと下池レイヤーを関連付ける様子を示す模式図である。
【図８】貯水池をモデル化した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２４】
本発明の実施例において使用される複数貯水池氾濫解析装置とこれに接続される操作、制御、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、その他のＮＦＣ等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。なお本明細書において複数貯水池氾濫解析装置とは、複数貯水池氾濫解析装置本体のみならず、これにコンピュータ、外部記憶装置等の周辺機器を組み合わせた浸水度リアルタイム予測システムも含む意味で使用する。
（実施形態１）
【００２５】
本発明の実施形態１に係る複数貯水池氾濫解析装置は、上流側に位置する上池と、この上池よりも下流側に位置する下池を含む複数の貯水池が連鎖的に決壊する氾濫解析を行うための装置である。なお本明細書において貯水池とは、ダムやファームポンドその他の農業用ため池及び調整池、河川、天然ダム等を含む意味で使用する。また、上池決壊には山腹崩壊からの土砂等の流入を含む意味で使用する。
【００２６】
まず、連鎖決壊が生じるプロセスを、図１Ａ〜図１Ｇに基づいて説明する。図１Ａに示すように、傾斜面の上方に上池ＲＳ１が、上池ＲＳ１の下方に下池ＲＳ２が存在する場合を考える。上池ＲＳ１、下池ＲＳ２共、下流側の壁面で水が溢れないように保持しており、逆にいえば湖面の水位が壁面の高さを超えると水が溢れ出し、いわゆる決壊状態となる。そして上池ＲＳ１と下池ＲＳ２で連鎖決壊が生じるには、まず上池ＲＳ１が決壊し、続いて下池ＲＳ２が決壊することが必要となる。なお、以下の例では説明のため上池ＲＳ１と下池ＲＳ２の連鎖決壊について説明するが、本発明は貯水池に限らず、河川や水路、自然ダム、山腹の土砂崩壊など、上側で溜まっている水などの液状物が、下側でたまっている貯水池等に流入する場合にも適用できる。
【００２７】
まず、上池ＲＳ１の決壊を考えると、図１Ｂに示すように上池ＲＳ１から貯水が流れ出して、下流側に流出する。ここではコスタ（Costa）の式を用いて算出されたハイドログラフに従った水量が下流に流出するモデルもしくはアルゴリズムを採用している。なおコスタの式とは、統計的なデータを基に、ダムファクタとするダム高と貯水容量によってピーク流量を算出する回帰式である（非特許文献２参照）。ただ本発明は流量計算の手法をコスタ式に限定するものでなく、他の方法、例えばフローリッヒ式・土地改良事業の費用対効果算定手法・任意ハイドログラフ等も利用できる。
【００２８】
次に下池ＲＳ２の決壊について考える。図１Ｃに示すように、上池ＲＳ１の決壊により、上池ＲＳ１で貯水されていた水が下池ＲＳ２に流入する。ここで、図１Ｄに示すように下池ＲＳ２が満水でない場合と、図１Ｆに示すように満水の場合とに分けて考える。
【００２９】
下池ＲＳ２が満水でない場合は、図１Ｄに示すように上池ＲＳ１から流入した水は下池ＲＳ２に蓄えられ、時間の経過につれて下池ＲＳ２の水位が上昇する。そして下池ＲＳ２の水位が、下池ＲＳ２の壁面に形成された「放流部」を越えると、図１Ｅに示すように放流部から下池ＲＳ２の下流側に流下されていく。この流出量は決壊の場合に比べて少量であり、その計算はＨ−Ｑ式から算出される（詳細は後述）。
【００３０】
一方、図１Ｆに示すように下池ＲＳ２が満水の場合は、下池ＲＳ２が決壊し、図１Ｇに示すように下池ＲＳ２の下流側に多くの水が流出する。この場合の流出量は、コスタ式等が採用される。
（複数貯水池氾濫解析装置１００）
【００３１】
本発明の実施形態１に係る複数貯水池氾濫解析装置を図２に示す。この図に示す複数貯水池氾濫解析装置１００は、入力部１０と、操作部２０と、演算部３０と、表示部４０と、データ記憶部５０を備えている。この複数貯水池氾濫解析装置１００は、専用のハードウェアで構成する他、複数貯水池氾濫解析プログラムを汎用あるいは専用のコンピュータにインストールして構成できる。
（入力部１０）
【００３２】
入力部１０は、外部からのデータ入力を受け付けるための入力インターフェースであり、例えば外部機器との通信等により、外部のデータベースにアクセスするなどして、必要な情報を取得するデータ取得部として機能する。データ取得部は、インターネットなどの汎用ネットワーク回線、あるいは専用線等を介した特定のネットワークに接続するための通信機能を備えている。この入力部１０は、池情報入力部１１と、地形情報入力部１２を備える。
【００３３】
池情報入力部１１は、上池の情報、及び下池の情報を取得するための部材である。池情報入力部１１は、好ましくはため池データベースを入力する。これにより、各地のため池の現地調査を行うことなく、氾濫解析を行うことが可能となる。
【００３４】
地形情報入力部１２は、氾濫解析の対象となる地域の地形データを取得するための部材である。
（操作部２０）
【００３５】
操作部２０は、複数貯水池氾濫解析装置に対する種々の操作や設定を行うための部材であり、マウスやキーボード、コンソール等の入力デバイスが利用できる。この操作部２０は、破堤位置指定部２１と、下池湖面設定部２２と、レイヤー関連付け部２３と、降雨量設定部２４の機能を実現する。
（破堤位置指定部２１）
【００３６】
破堤位置指定部２１は、一箇所以上の下池に対して、下池の破提時に水が流出する破堤位置を指定するための部材である。これにより、破堤位置指定部２１を介してユーザが手動で破堤位置を指定したり、あるいは複数貯水池氾濫解析装置が自動で破堤位置を指定することができる。
【００３７】
この破堤位置指定部２１は、一箇所以上の下池の破堤位置を、この下池が有する放流部の位置に指定することができる。これにより、自動で破堤位置を指定することが可能となる。あるいは、下池の破堤位置が放流部の位置に初期値として指定された状態で、手動で破堤位置を調整可能としてもよい。この場合は、破堤位置を放流部の位置に自動で指定させた上で、必要に応じてユーザが調整することを可能として、下池の状態に応じてより柔軟な設定を行うことが可能となる。
（下池湖面設定部２２）
【００３８】
下池湖面設定部２２は、下池の湖面に該当する領域を指定するための部材である。
（レイヤー関連付け部２３）
【００３９】
レイヤー関連付け部２３は、上池を含む、地表の高低差の情報を有し、上池から流出する不定流を演算する二次元不定流のレイヤーである地表面レイヤーと、下池の満水面積の情報を有する湖面のレイヤーである下池レイヤーとを関連付けるための部材である。このレイヤー関連付け部２３は、地表面レイヤーの内、下池湖面設定部２２により定義された下池湖面に該当する領域に流入する水量を、下池レイヤーの内で、下池湖面に該当する領域に、流入する水量として与え、下池レイヤーにおいて、下池の貯水量などの情報に基づいて、下池から流出する水量を演算し、この演算された下池からの流出水量を、地表面レイヤーの、予め破堤位置指定部２１で指定された下池の破堤位置から流出される水量として与えるように構成できる。
（降雨量設定部２４）
【００４０】
降雨量設定部２４は、地表面レイヤーに、降雨量を付加するための部材である。降雨量設定部２４により、二次元不定流解析の地表面レイヤーに降雨に起因した流れを計算することが可能となる。また、この雨量は時間変化させることができる。そのため、上池の破堤に起因する水量だけでなく、降雨に起因する水量も下池に流入する。降雨を考慮した解析と、降雨を考慮しない解析の結果を比較することにより、降雨が貯水池の破堤に与える影響を検討することが可能である。なお、雨量データは例えば入力部１０が通信ネットワークを介して取得する。これによって、逐次最新の情報に更新することが容易となる。
【００４１】
例えば５ｍメッシュ（一例として国土交通省国土地理院による基盤地図情報数値標高モデル）や２ｍメッシュ（一例として一般財団法人日本地図センターによる２ｍメッシュ標高データ）の詳細な地盤高データが公表、販売されており、このような地盤高データには排水路を地表の起伏として反映されていることがある。
（表示部４０）
【００４２】
表示部４０は、上池や下池を示す地図を表示させたり、ハイドログラフを表示させたり、あるいは必要な設定等を確認するための部材である。この表示部４０は、例えばＬＣＤや有機ＥＬディスプレイ、ＣＲＴ等が利用できる。また表示部にタッチパネルを使用することで、操作部と表示部を一体的に構成することもできる。
【００４３】
表示部４０は、上池の破堤時からの流出量の時間変化を示すハイドログラフを表示させるためのハイドログラフ表示領域を設けている。ハイドログラフとは、時間と洪水水位または洪水流量との関係を表す図である。
（演算部３０）
【００４４】
演算部３０は、下池貯水量演算部で演算された下池の貯水量が、予め与えられた下池が決壊する条件に至ったとき、下池流出量を下池決壊後の流量に変更する。これによって、下池の決壊後の氾濫解析を行うことができる。
【００４５】
この演算部３０は、上池流出量演算部３１と、下池流入量演算部３２と、下池演算部３３と、潮位演算部３７と、水位変換部３８を備える。
【００４６】
上池流出量演算部３１は、池情報入力部１１から入力された上池情報に基づき、この上池から流出される水の流出量を演算する部材である。
【００４７】
下池流入量演算部３２は、上池流出量演算部３１で演算された総流出量の内、地形情報入力部１２で取得された地形データに基づいて、下池に流入される水量を演算するための部材である。
（下池演算部３３）
【００４８】
下池演算部３３は、下池流入量演算部３２で演算された下池流入量から、池情報入力部１１から入力された下池情報に基づき、この下池の貯水量と、この下池から下流に流出する下池流出量を演算するための部材である。下池演算部３３は、下池の水深が、初期水浸から越流総水頭までの間と、放流部深さに至った以降で、流量を演算するアルゴリズムを切り替えるよう構成している。
【００４９】
この下池演算部３３は、下池貯水量演算部３４と、下池流出量演算部３６の機能を実現する。下池貯水量演算部３４は、下池流入量演算部３２で演算された下池流入量から、前記池情報入力部１１から入力された下池情報に基づき、該下池の貯水量を演算するための部材である。下池流出量演算部３６は、この下池から下流に流出する下池流出量を演算するための部材である。
（下池水位演算部３５）
【００５０】
また下池貯水量演算部３４は、下池の水位を演算する下池水位演算部３５の機能を実現することもできる。例えばアルゴリズム切り替え条件を、下池の水位が放流部深さに至ったタイミングとする。下池が有する放流部深さの情報は、予め池情報入力部１１で取得しておく。これにより、下池の水位が、初期水位から越流総水頭までの間（この間は破堤でない）と、放流部深さに至った以降とで、下池流出量の演算アルゴリズムを切り替えることができる。
（潮位演算部３７）
【００５１】
潮位演算部３７は、時間によって変動する潮位を演算するための部材である。潮位演算部３７により、地表面レイヤーの下流端条件の水位を、潮位に応じて時間変化させることができる。また貯水池による氾濫水が海面に流下する箇所では、下流端水位を時間変化を潮位と連動させることにより、満潮時や干潮時における貯水池による浸水状況をシミュレートできる。さらに満潮時や干潮時における解析の結果を比較することにより、潮汐が浸水状況に与える影響を検討することも可能である。
（水位変換部３８）
【００５２】
水位変換部３８は、上池の（下池に流入する）流量を下池の水位に変換するための部材である。
【００５３】
なお上池は、前記複数貯水池氾濫解析装置による解析を開始した解析開始時刻に決壊すると想定する。上池流出箇所と設定したメッシュに対し、コスタ式を用いて算定されたハイドログラフに従った水量が流出する。
（解析モデル）
【００５４】
以下、本実施形態で用いた解析モデルについて説明する。
（地表面上の氾濫水の流れ）
＜基礎式＞
【００５５】
地表面の氾濫流の基礎式としては、以下のような二次元・非定常浅水流の連続式と運動方程式を用いる。
［連続式］
［数１］
2018178544.tif 000013
［ｘ方向運動方程式］
［数２］
2018178544.tif 000014
［ｙ方向運動方程式］
［数３］
2018178544.tif 000015
【００５６】
上式において、ｔは時間；ｘ，ｙは水平二次元座標；ｈは水深；ｕ，ｖはｘ，ｙ方向の流速成分；Ｍ，Ｎはｘ，ｙ方向の流量フラックス（単位幅流量）で、Ｍ＝ｕｈ及びＮ＝ｖｈ；Ｈは水位；ｒ（ｔ）は雨量による供給量；ｑCHANは排水路から地表面上に溢れる、流出する、あるいは地表面上から排水路へ流入する水量、ｇは重力加速度；ρは水の密度；τb,x，τb,yはｘ，ｙ方向の地表面摩擦抵抗応力を、それぞれ示している。なおτb,x，τb,yは次式で表される。
［数４］
2018178544.tif 000016
［数５］
2018178544.tif 000017
【００５７】
上式において、ｎは合成等価粗度係数である。
＜基礎式の離散化＞
【００５８】
氾濫流の数値計算では、数１、数２および数３を、空間的にはスタガード・構造格子について陽的に差分化し、時間的にはｌｅａｐ−ｆｒｏｇ法により、数値解析する。図３にスタガード・構造格子と未知変数の定義点を示す。この図においてｉ，ｊは、それぞれ軸方向の分割番号である。
＜特殊な場合の計算法＞
【００５９】
ここで、特殊な場合の計算方法について検討する。
（盛土等の越流）
【００６０】
まず、図４に示すように盛土などの凹凸を越流する場合を検討する。このように盛土や道路といった帯状の物体が存在する場合には、運動方程式をそのまま適用することはできない。帯状物体の天端高さよりその両側の水位が低い場合には、流量フラックスはゼロとする。そうでない場合には、数６および数７のような本間の越流公式により越流流量フラックスを算出する。
［数６］
2018178544.tif 000018
［数７］
2018178544.tif 000019
【００６１】
上式においてｈ1およびｈ2は、それぞれ帯状の物体の天端からの水位で、高い方をｈ1、低い方をｈ2とする。また、μは流量係数であり、数６ではμ＝０．３５、数７ではμ＝０．９１である。
（メッシュ間で支配断面が現れる場合）
【００６２】
次に、メッシュ間で支配断面が現れる場合について検討する。図５の断面図に示すように、隣接するメッシュ間で標高差が大きく、水面が不連続となる場合や、急激な水位上昇が起こった場合は、支配断面が現れる。この場合は流量フラックスの算出に運動方程式は適用せず、段落ち流れとして計算を行う。ここでは数８、数９のように流量フラックスを与える。
［数８］
2018178544.tif 000020
ただし、
［数９］
2018178544.tif 000021
［数１０］
2018178544.tif 000022
ただし、
［数１１］
2018178544.tif 000023
ｈcxは、地表面流におけるｘ方向の限界水深、ｈcyは、地表面流におけるｙ方向の限界水深、Ｅはエネルギー水頭である。
（２）排水路内の水の流れ
【００６３】
次に、排水路内の水の流れについて検討する。本実施形態においては、図６に示すように、排水路の走行方向と流量の定義点を規定している。このように、排水路は座標軸の方向にのみ位置しているものとみなす。また、設定したメッシュの中心（水深の定義点）を通るものとする。
【００６４】
排水路の流れの基礎式としては、以下のような連続式と運動方程式を用いる。運動方程式は、二次元浅水流れから移流項を省略したものである。
［連続式］
［数１２］
2018178544.tif 000024
［方向運動方程式］
［数１３］
2018178544.tif 000025
［方向運動方程式］
［数１４］
2018178544.tif 000026
【００６５】
上式において、ｈは水深、ｑは排水路内の単位幅流量で流向が座標軸の向きに一致する場合には正値、逆の場合には負値をとるものとする。ｑGROUNDは排水路から地表面上に溢れる、流出する、あるいは地表面上から排水路へ流入する水量である。Ｈは水位、τは摩擦抵抗応力を、それぞれ示している。なお添え字で示すｘ，ｙは、それぞれｘ，ｙ方向に走る排水路に対する式であることを示している。また摩擦抵抗項は、次式のように表される。
［数１５］
2018178544.tif 000027
［数１６］
2018178544.tif 000028
【００６６】
上式においてＲは径深、ｎはマニングの粗度係数である。また添え字のｘ，ｙは、それぞれｘ，ｙ方向に走る排水路に対する式であることを示している。
（３）貯水池の設定
１）上池
【００６７】
上池は、上述の通り前記複数貯水池氾濫解析装置による解析を開始した解析開始時刻に決壊すると想定する。上池流出箇所と設定したメッシュに対し、コスタ式を用いて算定されたハイドログラフに従った水量が流出する。ここでコスタ式を数１７に、流出量の時間変化を数１８に示す。この数１８は、総流出量が貯水量になる、すなわち数１９を満たすように設定されている。
［数１７］
2018178544.tif 000029
［数１８］
2018178544.tif 000030
［数１９］
2018178544.tif 000031
【００６８】
上式において、ｑu（ｔ）は時刻ｔにおける上池流出力［ｍ3／ｓ］；Ｖuは上池貯水量［×１０6ｍ3］；Ｈuは上池堤高［ｍ］；ｔは時間［ｓｅｃ］である。
（２）下池
（下池への流入）
【００６９】
まず、下池湖面を設定する。下池湖面に設定されたメッシュは、常に水深が無い状態となる。そのため、隣接するメッシュから下池湖面と設定されたメッシュに水量が流入する。これが、下池への流入量となる。下池に流入した水量は、図７に示すように地表面モデルから下池モデル（後述）に移行する。そして、後述する数２０、数２３に該当する水量が下池モデルから地表面モデルに移行し、地表面を流下する。
（下池の放流部からの流出）
【００７０】
下池モデルの概念を図８に示す。ここでは、貯水池を直方体に見立てモデル化している。また貯水池の下流側の一部には、蓄えられた水の一部を放流するための放流部を設けている。放流部は、貯水池等の洪水吐けや、河川堤防等の越流部であり、例えばコンクリート製の貯水池の一部を切り込み状に形成して、満水に近い状態となったときに放流部を通じて一部の水が安定的に流下できるように構成されている。放流部の形状は、三角堰や四角堰のような多角形状、矩形状の切り込みが利用できる。図８の例では、矩形状の切り込みを採用している。また本明細書においては、放流部の切り込まれた高さを、放流部の深さと呼ぶ。貯水池の水位が、放流部の深さを超えると、越流すると判定できることができる。越流総水頭が放流部の深さより小さな水深である場合は、放流部から下流に流出すると想定し、数２０のＨ−Ｑ式より下流に放流される。また、貯水池の初期貯水量は、数２１とし、放流部の下端まで水位がある設定としている。
［数２０］
2018178544.tif 000032
［数２１］
2018178544.tif 000033
【００７１】
上式においてＱは流量［ｍ3／ｓ］、Ｃは流量係数、Ｂは水路幅［ｍ］、Ｈmaxは堤高［ｍ］、ｈkは越流総水頭［ｍ］、Ｖmaxは総貯水量［ｍ3］、Ａは満水面積［ｍ2］を、それぞれ示す。
（下池の決壊）
【００７２】
越流総水頭が放流部の深さを超えると、貯水池が決壊すると想定し、コスタ式より下流に流出する。ここでコスタ式を数２３に、流出量の時間変化を数２４に、それぞれ示す。ここで数２３は、上池の総流出量が貯水量になるように、すなわち以下の数２４を満たすように、設定されている。また、下池決壊後も下池への流入が想定されることから、流出量の時間変化（数２３）には、コスタ式に加えて、下池への流入量を、下池流出箇所から流出させる。
［数２２］
2018178544.tif 000034
［数２３］
2018178544.tif 000035
［数２４］
2018178544.tif 000036
［数２５］
2018178544.tif 000037
【００７３】
上式において、ｑl（ｔ）は時刻ｔにおける下池流出量［ｍ3／ｓ］、Ｖlは下池貯水量［×１０6ｍ3］、Ｈlは下池堤高（ｍ）、ｔは下池決壊した時刻からの時間［ｓｅｃ］、ｔlは下池決壊時刻［ｓｅｃ］、ｑl_inは下池決壊後に下池に流入した水量［ｍ3／ｓ］を、それぞれ示している。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の複数貯水池氾濫解析装置及び複数貯水池氾濫解析方法は、複数の貯水池の氾濫解析を行うことができるので、実際の降雨時にリアルタイムで氾濫解析を行ったり、事前に洪水パターンを演算して推測することもでき、過去の氾濫メカニズムの解析や将来の浸水領域の予測、被害予測や避難経路の策定といった防災などに役立てることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１００…複数貯水池氾濫解析装置
１０…入力部
１１…池情報入力部
１２…地形情報入力部
２０…操作部
２１…破堤位置指定部
２２…下池湖面設定部
２３…レイヤー関連付け部
２４…降雨量設定部
３０…演算部
３１…上池流出量演算部
３２…下池流入量演算部
３３…下池演算部
３４…下池貯水量演算部
３５…下池水位演算部
３６…下池流出量演算部
３７…潮位演算部
３８…水位変換部
４０…表示部
５０…データ記憶部
ＲＳ１…上池
ＲＳ２…下池
【図１】
2018178544.tif 000048
【図２】
2018178544.tif 000049
【図３】
2018178544.tif 000050
【図４】
2018178544.tif 000051
【図５】
2018178544.tif 000052
【図６】
2018178544.tif 000053
【図７】
2018178544.tif 000054
【図８】
2018178544.tif 000055