(57)【要約】【課題】水の流出量をわずかな計算機リソースで迅速に予測する。【解決手段】洪水予測システムは、水位計１とサーバ装置２とを備え、サーバ装置２は、評価対象の河川をこの河川の中心線に対して垂直な方向を分割線として、所定の指標で複数のセグメントに分割し、このセグメント毎に河川を中心とする所定の領域を集水域として抽出する集水域抽出手段と、短時間降雨予測値をオンラインで取得する手段と、短時間降雨予測値に基づいて集水域毎に降水量を予測する降水量予測手段と、集水域毎に予測した降水量を基に集水域から河川に流出する水の流出量を集水域毎に予測する流出量予測手段とを備える。【選択図】  図２
2008050903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＰＵと記憶装置とを備えたコンピュータにおいて、洪水を予測する洪水予測方法であって、
地図情報に基づいて評価対象の河川の流域をこの河川の中心線に対して垂直な方向を分割線として、所定の指標で複数のセグメントにデータ上で分割する分割ステップと、
前記セグメント毎に前記河川を中心とする所定の領域を集水域として抽出する集水域抽出ステップと、
外部から入力される短時間降雨予測値に基づいて前記集水域毎に降水量を予測する降水量予測ステップと、
前記集水域毎に予測した降水量を基に集水域から前記河川に流出する水の流出量を前記集水域毎に予測する流出量予測ステップとを、前記記憶装置に記憶されたプログラムに従って前記ＣＰＵに実行させることを特徴とする洪水予測方法。
【請求項２】
請求項１記載の洪水予測方法において、
前記集水域抽出ステップは、
地形及び土地の利用形態と前記集水域を抽出する距離の参照値Ｌｒｅｆとを予め対応付けて記憶する類型化表、並びに前記セグメントとその近傍の地形及び土地の利用形態から前記参照値Ｌｒｅｆを前記セグメント毎に決定する参照値決定ステップと、
前記セグメントにおける川幅をＷとしたとき、このセグメントについて前記集水域を抽出する距離Ｌを、Ｌ＝Ｌｒｅｆ＋Ｗ／２として前記セグメント毎に決定する距離決定ステップと、
河川の中心線から両側にそれぞれＬの距離内にある領域を前記集水域として前記セグメント毎に抽出する抽出ステップとを含むことを特徴とする洪水予測方法。
【請求項３】
請求項１記載の洪水予測方法において、
前記河川は、雨水用の下水路を含むことを特徴とする洪水予測方法。
【請求項４】
請求項１記載の洪水予測方法において、
前記流出量予測ステップは、集水域毎に予測した降水量を基にタンクモデルを用いて水の流出量を集水域毎に予測することを特徴とする洪水予測方法。
【請求項５】
請求項１記載の洪水予測方法において、
さらに、前記セグメントの数をｎ（ｎは２以上の整数）、時刻ｔにおける降雨由来の河川の水位増加の予測量をΔＨ（ｔ）、時刻ｔ’（ｔ’＜ｔ）における降雨由来の河川の水位増加の予測量をΔＨ（ｔ’）、ｉ（ｉは１〜ｎの整数）番目の集水域から水位観測地点までの平均流達遅延時間をΔＴ（ｉ）、時刻（ｔ−ΔＴ（ｉ））においてｉ番目の集水域から河川に流出する水の流出量をＶ（ｉ，ｔ−ΔＴ（ｉ））、基準水位をＨ０、時刻ｔ’において水位観測地点で観測された河川の水位をＨｏｂｓ（ｔ’）、所定のパラメータをα，βとしたとき、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）を、
Ｈ（ｔ）＝Ｈ０＋ΔＨ（ｔ）
【数１】
2008050903.tif 000007
あるいは
Ｈ（ｔ）＝Ｈｏｂｓ（ｔ’）＋β×（ΔＨ（ｔ）−ΔＨ（ｔ’））
【数２】
2008050903.tif 000008
【数３】
2008050903.tif 000009
により予測する水位予測ステップを備えることを特徴とする洪水予測方法。
【請求項６】
請求項５記載の洪水予測方法において、
さらに、前記水位予測ステップで求めた水位予測値が通知すべき閾値以上かどうかを判定する判定ステップと、
前記水位予測値が該閾値以上と判定した場合に、前記河川の水位が該閾値を超える可能性があることを所定の通知先に通知する通知ステップとを備えることを特徴とする洪水予測方法。
【請求項７】
評価対象の河川の水位観測地点に設置され、前記河川の水位を計測する水位計と、
地図情報に基づいて前記河川の流域をこの河川の中心線に対して垂直な方向を分割線として、所定の指標で複数のセグメントにデータ上で分割し、このセグメント毎に前記河川を中心とする所定の領域を集水域として抽出する集水域抽出手段と、
短時間降雨予測値をオンラインで取得する手段と、
前記短時間降雨予測値に基づいて前記集水域毎に降水量を予測する降水量予測手段と、
前記集水域毎に予測した降水量を基に集水域から前記河川に流出する水の流出量を前記集水域毎に予測する流出量予測手段とを備えることを特徴とする洪水予測システム。
【請求項８】
請求項７記載の洪水予測システムにおいて、
さらに、前記セグメントの数をｎ（ｎは２以上の整数）、時刻ｔにおける降雨由来の河川の水位増加の予測量をΔＨ（ｔ）、時刻ｔ’（ｔ’＜ｔ）における降雨由来の河川の水位増加の予測量をΔＨ（ｔ’）、ｉ（ｉは１〜ｎの整数）番目の集水域から水位観測地点までの平均流達遅延時間をΔＴ（ｉ）、時刻（ｔ−ΔＴ（ｉ））においてｉ番目の集水域から河川に流出する水の流出量をＶ（ｉ，ｔ−ΔＴ（ｉ））、基準水位をＨ０、時刻ｔ’（ｔ’＜ｔ）において水位観測地点で観測された河川の水位をＨｏｂｓ（ｔ’）、所定のパラメータをα，βとしたとき、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）を、
Ｈ（ｔ）＝Ｈ０＋ΔＨ（ｔ）
【数４】
2008050903.tif 000010
あるいは
Ｈ（ｔ）＝Ｈｏｂｓ（ｔ’）＋β×（ΔＨ（ｔ）−ΔＨ（ｔ’））
【数５】
2008050903.tif 000011
【数６】
2008050903.tif 000012
により予測する水位予測手段を備えることを特徴とする洪水予測システム。
【請求項９】
請求項８記載の洪水予測システムにおいて、
さらに、前記水位予測手段が求めた水位予測値が通知すべき閾値以上かどうかを判定する判定手段と、
前記水位予測値が該閾値以上と判定された場合に、前記河川の水位が該閾値を超える可能性があることを所定の通知先に通知する発信手段とを備えることを特徴とする洪水予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる中小河川の洪水予測に適した洪水予測方法および洪水予測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中小河川という言葉には厳密な定義は無いものの、通常は流域面積が８００ｋｍ2程度以下の河川を指し、これよりも大きなものが大河川となる。従来の洪水予測技術は主として大河川のダムや堤防等の河川整備計画を目的として利用されてきた技術であり、その代表的な手順は分布型の洪水流出解析方法である（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
この洪水流出解析方法は、（I）標高データに基づいて分水嶺を決め、（II）分水嶺を境界として流域を決定し、（III）流域内部を１ｋｍ程度のメッシュに分割し、（IV）降雨による集水をメッシュ毎に計算すると共に標高差に基づいたメッシュ間の流出も併せて計算し、（V）河川への流出を算出し、（VI）河川に流出してからは河道の移流計算を行って水位を予測する、というような多大なプロセスを経て行うものであった。
【０００４】
また最近では、ハザードマップの作成を目的として、河川破堤時に河川近隣がいかに浸水するか、という浸水領域評価方法も提案されている（例えば、非特許文献３参照）。
また、洪水情報の提供手段については、コンピュータや携帯端末等の操作者による要求によって画面上に表示するシステムが提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
【０００５】
【非特許文献１】三堀恵他，「ＧＩＳを活用した分布型流出モデルの海老川流域への適用」，２００３年，法政大学計算科学研究センター，インターネット，＜http://www.cms.k.hosei.ac.jp/pdf＿vol16＿28.pdf＞
【非特許文献２】増田心吾他，「関川流域における分布型流出モデルを用いた洪水流出解析」，２００１年，長岡技術科学大学，インターネット，＜http://globe.nagaokaut.ac.jp/yoshisyu/2001/kankyo/taiki/kan02108.pdf＞
【非特許文献３】門澤秀斗他，「中小河川における洪水浸水域の予測〜登別市幌別地区の事例解析〜」，２００５年，室蘭工業大学，＜http://www.muroran-it.ac.jp/cea/jabee/thesis2005/09.pdf＞
【非特許文献４】「都道府県河川情報システム」，２００３年，財団法人河川情報センター，＜http://www.river.or.jp/pref/pamphlet.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１，２に開示された洪水流出解析方法は、通常は河川に沿った詳細な標高や河道断面のデータ等の詳細条件の設定を必要とするため、大規模な計算にならざるを得ず、したがって降水から洪水発生までの時間が短い中小河川の洪水予測に適したものではないという問題点があった。
また、非特許文献３に開示された浸水領域評価方法は、精度の高い標高データに基づいて浸水領域を評価する処に特徴がある技術であって、簡便かつリアルタイムの水位予測の技術を提供するものではなかった。
また、非特許文献４に開示された河川情報システムには、予め設定された通知先に対して、水位の閾値を判定して速やかにかつ自動的に情報を送信する仕組みはなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、中小河川への適用を容易にするために、水の流出量及び河川の水位をわずかな計算機リソースで迅速に予測することができる洪水予測方法および洪水予測システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、予測水位が危険水位を超える場合には、水害に対する回避行動や準備行動を促すために、すみかやに関係者に通知することができる洪水予測方法および洪水予測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＣＰＵと記憶装置とを備えたコンピュータにおいて、洪水を予測する洪水予測方法であって、地図情報に基づいて評価対象の河川の流域をこの河川の中心線に対して垂直な方向を分割線として、所定の指標で複数のセグメントにデータ上で分割する分割ステップと、前記セグメント毎に前記河川を中心とする所定の領域を集水域として抽出する集水域抽出ステップと、外部から入力される短時間降雨予測値に基づいて前記集水域毎に降水量を予測する降水量予測ステップと、前記集水域毎に予測した降水量を基に集水域から前記河川に流出する水の流出量を前記集水域毎に予測する流出量予測ステップとを、前記記憶装置に記憶されたプログラムに従って前記ＣＰＵに実行させるようにしたものである。
中小河川の洪水は、集中豪雨によって短時間の内に水位が上昇し起ることが一つの特徴であり、迅速な水位予測と、その情報の活用が重要とされている。本発明は、この水位予測を行う際に、プログラミング規模が小さく、自動化しやすい簡便な評価方法を提供するものであり、集水域を河川に沿ったバッファリング操作で求め、そこに降る降水の予測量を基にして、流出量を予測することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の洪水予測方法の１構成例において、前記集水域抽出ステップは、地形及び土地の利用形態と前記集水域を抽出する距離の参照値Ｌｒｅｆとを予め対応付けて記憶する類型化表、並びに前記セグメントとその近傍の地形及び土地の利用形態から前記参照値Ｌｒｅｆを前記セグメント毎に決定する参照値決定ステップと、前記セグメントにおける川幅をＷとしたとき、このセグメントについて前記集水域を抽出する距離Ｌを、Ｌ＝Ｌｒｅｆ＋Ｗ／２として前記セグメント毎に決定する距離決定ステップと、河川の中心線から両側にそれぞれＬの距離内にある領域を前記集水域として前記セグメント毎に抽出する抽出ステップとを含むものである。
また、本発明の洪水予測方法の１構成例において、前記河川は、雨水用の下水路を含むものである。
また、本発明の洪水予測方法の１構成例において、前記流出量予測ステップは、集水域毎に予測した降水量を基にタンクモデルを用いて水の流出量を集水域毎に予測するようにしたものである。
また、本発明の洪水予測方法の１構成例は、さらに、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）を予測する水位予測ステップを備えるものである。
また、本発明の洪水予測方法の１構成例は、さらに、前記水位予測ステップで求めた水位予測値が通知すべき閾値以上かどうかを判定する判定ステップと、前記水位予測値が該閾値以上と判定した場合に、前記河川の水位が該閾値を超える可能性があることを所定の通知先に通知するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明の洪水予測システムは、評価対象の河川の水位観測地点に設置され、前記河川の水位を計測する水位計と、地図情報に基づいて前記河川の流域をこの河川の中心線に対して垂直な方向を分割線として、所定の指標で複数のセグメントにデータ上で分割し、このセグメント毎に前記河川を中心とする所定の領域を集水域として抽出する集水域抽出手段と、短時間降雨予測値をオンラインで取得する手段と、前記短時間降雨予測値に基づいて前記集水域毎に降水量を予測する降水量予測手段と、前記集水域毎に予測した降水量を基に集水域から前記河川に流出する水の流出量を前記集水域毎に予測する流出量予測手段とを備えるものである。
また、本発明の洪水予測システムの１構成例は、さらに、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）を予測する水位予測手段を備えるものである。
また、本発明の洪水予測システムの１構成例は、さらに、前記水位予測手段が求めた水位予測値が通知すべき閾値以上かどうかを判定する判定手段と、前記水位予測値が該閾値以上と判定された場合に、前記河川の水位が該閾値を超える可能性があることを所定の通知先に通知する発信手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水の流出量の予測を極めて簡易に行えるために、低コストで実装することが可能である。また、本発明では、簡易な計算で実現できるために、流出量をリアルタイムに予測することができる。したがって、本発明によれば、水の流出量をわずかな計算機リソースで迅速に予測することができるので、日本の国内に存在する約９００もの中小河川への適用を容易にすることができる。
【００１２】
また、本発明によれば、河川の水位をわずかな計算機リソースで迅速に予測することができるので、日本の国内に存在する約９００もの中小河川への適用を容易にすることができる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、降雨から洪水発生までの時間が短い中小河川の管理者や現場担当者等の関係者に対して、迅速かつ正確な情報を提供することができるので、水害対策や避難等の準備行動のために必要な時間を関係者に与えることができ、極めて有用である。また、本発明では、情報の通知先を携帯電話機とすれば、相手が情報を受信したか否かの有無を容易に把握することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、まず集水域の抽処理から説明する。従来の流域の決定においては、標高データを基にして分水嶺を決め、流域としていたが、中小河川の洪水は河川長も短く、降雨から洪水が始まるまでの時間が短いため、広範囲の流域を評価対象とするのは必ずしも良いこととは限らない。水の流出計算にはタンクモデルを用いることが多いが、評価対象の領域が広いと、流出計算を行う際に相対的に間接流出や地下水流出の寄与分や大きくなりがちで、洪水に直接関係する直接流出が過小評価されやすい面があるからである。特に中小河川の洪水の場合には、降雨から洪水発生までの時間が短いことから、河川近傍で起きる直接流出を中心にモデルを組む方が単純であり、かつ現象の本質を捉えることになる。
【００１５】
そこで、本実施の形態は、集水域を分水嶺で評価するのではなく、河川からの適当な距離Ｌで抽出した領域を集水域とすることを第１の特徴としている。図１は河川の周辺の集水域を抽出する処理を模式的に示した図である。図１において、１００は河川、１０１は海、１０２は抽出した集水域である。
【００１６】
集水域１０２の抽出処理は、汎用のＧＩＳ（地理情報システム）に一般的に搭載されている地図情報処理機能を用いることで容易に実施可能である。本実施の形態の場合には、河川１００の中心線から両側にそれぞれ一定の距離内にある領域を集水域１０２として抽出すればよい。その際に、河川１００の中心線からの距離Ｌは、川幅をＷとすると、次式のようになる。
Ｌ＝Ｌｒｅｆ＋Ｗ／２                                            ・・・（１）
ここで、Ｌｒｅｆは、地形や土地利用に応じて類型化され予め設定された参照値である。川幅Ｗは、河川中心線の属性値として、河川のセグメント毎に予め登録しておくと有用である。
【００１７】
なお、距離Ｌによって抽出した領域が重なったり、近隣の別の河川から抽出した領域と重なったりする場合には、その重なり部分を等分に分割すると良い。また、尾根近傍などで、流域の範囲外に抽出領域がはみ出す場合には、そのはみ出した領域を削除することも、より精度を高めるために好ましい処理である。
【００１８】
一般に、山間部の降雨では、急斜面によって幅広い範囲から谷間の河川に直接流となって雨水が流れ込みやすい性質がある。一方、平野部の降雨では、標高差による集水作用が山間部に比較して弱いため、直接流はせいぜい河川の近傍からしかない。これらは標高や地形による現象である。一方、土地利用に関しては、例えば平野部でも水田は雨水の地下への浸透が弱く、雨水が河川へ流れ込みやすい。また、アスファルトや建物等で被覆される率の高い人口密集部でも雨水の河川への流れ込みが起きやすい。しかし、畑や果樹園などでは雨水が地下へ浸透しやすく、河川へ流れ込む率は小さい。
【００１９】
本実施の形態では、以上の雨水の流出特性を類型化して、地形や土地の利用形態に応じた参照値Ｌｒｅｆを予め設定し、地形や土地の利用形態毎の参照値Ｌｒｅｆを類型化表の形式で保持しておくことを特徴とする。類型化表を作成するには、国土交通省から提供されている国土数値情報（http://w3land.mlit.go.jp/ksj/参照）を用いるのが有用である。地形や土質、土地の利用形態などに関して、国土数値情報には、標高・傾斜度メッシュ、土地利用分類メッシュ、土地利用メッシュ等があるので、これらの分類の指標の組合せから類型化を行うと、類型化表の作成処理を容易化することができる。ただし、類型化表における項目や数値自体はいくらでも細分化や変更可能な性格のものであることから、本実施の形態は類型化表を一意に限定するものではない。
【００２０】
通常、河川の洪水予測を行う場合には、よほど小さい河川でない限り、流達の遅延を考慮するために河川をセグメントに分割する。その分割したセグメントでの代表的な参照値Ｌｒｅｆを決定する。具体的には、類型化表に登録されている参照値Ｌｒｅｆの最大値以上の距離で河川から大まかな領域を抽出し、この領域について、国土数値情報を用いて例えば標準３次メッシュ（１ｋｍメッシュ）毎に距離Ｌを評価し、その平均値を求める。あるいは、河川セグメント中央に隣接する標準３次メッシュのみを考慮するという方法もありうる。本実施の形態は評価のルールを定めることに特徴を持つのであって、これら具体的な手法には拘泥しない。
【００２１】
評価対象の河川を分割して個々の集水域を得る方法としては、本川と支川の分岐点で集水域を分割する方法や、降雨等で河川が増水した際の平均的な流速の逆数、すなわち１時間あたりの雨水の移動距離を基に集水域を分割する方法などがある。集水域の分割は、一つの指標として、予測のリーディングタイムとして３時間程度を見込んでおきたいという現場の希望から、それ以下の時間粒度で行うべきである。例えば増水時の平均流速が仮に１ｍ／ｓｅｃ程度とすれば、雨水の３時間の移動距離は１ｍ／ｓｅｃ×３６００×３＝約１０ｋｍとなるため、分割する集水域としてはそれ以下の細かさが必要となる。したがって、河川に沿った距離若しくは流達時間を指標として河川を分割することになる。
【００２２】
次に、分割した各集水域の降水予測量には、気象庁発表の短時間降雨予測値を用いることが有用である。短時間降雨予測値はメッシュ値で与えられるため、短時間降雨予測値と集水域の面積との論理和をとることで、集水域内の降水量を算出することができる。あるいは、集水域の単位が比較的細かいことから降水量分布は一様と見なして、単純に集水域内の代表点の降水量に、その集水域の面積を乗じることで、集水域の降水量を算出しても差し支えない。
【００２３】
本実施の形態は、河川近傍から流入する直接流に重点を置いて水の流出計算を行おうとするものであるから、河川近傍の雨水の下水への流入も評価することが好ましい。特にアスファルト等の非浸透性の被覆地面の率が高い市街地では、雨水が地下へあまり浸透せずに下水路を通して河川に流入するため、下水網も河川と同様と見なして集水域を抽出することが好ましい。
【００２４】
分割した各集水域での流出量計算には様々な方法があるが、本実施の形態では周知のタンクモデル法を好ましい算出方法として用いる。タンクモデル法は、水の流出機構をいくつかの貯留型タンクの組合せによってモデル化したものである。使用するタンクモデルとしては、２タンクモデルでも差し支えないが、発明者らの検討の結果では３タンクモデルの方がより精度の高い計算結果が得られたことから、３タンクモデルを好適なモデルとして用いる。
【００２５】
次に、河川の水位の評価は、予め定められた観測地点において行うものとする。本実施の形態では、ある時刻ｔにおける河川の水位Ｈ（ｔ）を予測する一つの算出方法として以下の式（２）、式（３）を用いる。
Ｈ（ｔ）＝Ｈ０＋ΔＨ（ｔ）                                      ・・・（２）
【００２６】
【数１】
2008050903.tif 000003
【００２７】
ここで、ΔＨ（ｔ）は時刻ｔにおける降雨由来の河川の水位増加の予測量、αは水の流入量を河川の水位に変換する予め定められたフィッティングパラメータ、ΔＴ（ｉ）はｉ番目の集水域から水位観測地点までの平均流達遅延時間（雨水が集水域から水位観測地点まで到達するのに要する時間）、Ｖ（ｉ，ｔ−ΔＴ（ｉ））は、時刻（ｔ−ΔＴ（ｉ））においてｉ番目の集水域から河川に流出する水の流出量、Ｈ０は所定の基準水位である。
【００２８】
式（２）、式（３）を用いる算出方法は、渇水期などに観測される河川の最小水位をＨ０として用い、降水が比較的短時間のうちに河川に流出することによって生じる河川の水位増加量をΔＨ（ｔ）として基準水位Ｈ０に加算することにより、時刻ｔの水位Ｈ（ｔ）を得るようにしたものである。この算出方法は、時定数の長い地下水の流出や河川における浸透など、長期間を通してほぼ一様な影響しか与えない要素については、基準水位Ｈ０を構成する要素と見なしてモデル化を省略していることが特徴である。
【００２９】
水位の他の算出方法としては、基準水位に固定値を用いるのではなく、直前の観測水位を用いる方法がある。この場合は、上記の式（３）と以下の式（４）〜式（６）で水位Ｈ（ｔ）を算出する。
Ｈ（ｔ）＝Ｈｏｂｓ（ｔ’）＋β×ΔＨ’（ｔ）                    ・・・（４）
ΔＨ’（ｔ）＝ΔＨ（ｔ）−ΔＨ（ｔ’）                          ・・・（５）
【００３０】
【数２】
2008050903.tif 000004
【００３１】
ここで、ΔＨ’（ｔ）は時刻ｔ’から時刻ｔになる際の河川の水位変動の予測量、ΔＨ（ｔ’）は時刻ｔ’における降雨由来の河川の水位増加の予測量、Ｈｏｂｓ（ｔ’）は時刻ｔ’において水位観測地点で観測された河川の水位、βは予め定められたフィッティングパラメータである。
【００３２】
式（３）〜式（６）を用いる算出方法は、観測水位が変動するために、水位変化の変動予測量をΔＨ’（ｔ）として観測水位Ｈｏｂｓ（ｔ’）に加算することにより、時刻ｔの水位Ｈ（ｔ）を得るようにしたものである。この算出方法は、堰の調整や放水等の突発的なイベントが発生しても、このイベントの要素は水位Ｈｏｂｓ（ｔ’）に含まれるため、時刻ｔ’から（ｔ−ｔ’）時間が経過した後には予測の中にイベントが反映されることになり、水位の予測精度が高くなるという利点がある。
【００３３】
以下、本実施の形態についてより詳細に説明する。本実施の形態では、単独でコンピュータに演算させて水位予測を行い、画面上に予測結果を表示させたり、インターネットを使ってネットワーク上で予測結果で閲覧できるようにしたりすることでも差し支えない。しかし、より好ましくは、水位計とサーバが連携するシステム構成とし、一定時間毎に観測する水位をオンラインでサーバに引き渡し、またサーバは気象庁の短時間降雨予測値をオンラインで取得し、これらのデータを利用して観測水位と予測水位を同時に評価するシステムとして構築することが好ましい。
【００３４】
さらに、本実施の形態では、予測水位が予め設定する通知すべき閾値を超えた場合には、流域管理者や消防署などの現場担当部署等々の予め設定された通知先に対して、自動的に情報を送信する機能を持つことが好ましい。特に、通知先としては携帯電話機が、勤務時間等に関わらずに情報を伝達する手段として好ましく、その際に観測水位と予測水位をグラフィクスで表示すると、誤差も直感的に把握できるため、危険度が判りやすく好都合である。
【００３５】
図２は本発明の実施の形態に係る洪水予測システムの構成例を示すブロック図である。１は所定の水位観測地点に設置され、河川の水位を計測する水位計、２は河川の水位を予測して予測水位が通知すべき閾値を超えるかどうかを判定するサーバ装置、３はネットワーク４を介してサーバ装置２と接続される気象庁のサーバ装置、５はサーバ装置２に対してパラメータ等を入力するための入力装置、６はサーバ装置２の予測結果を表示する表示装置、７は予測水位が該閾値以上と判定された場合に、河川の水位が該閾値を超える可能性があることを所定の通知先に通知する発信装置である。
【００３６】
図３はサーバ装置２の構成例を示すブロック図である。サーバ装置２は、集水域抽出手段２０と、降水量予測手段２１と、流出量予測手段２２と、水位予測手段２３と、判定手段２４と、記憶手段２５とを有する。
【００３７】
図４は本実施の形態の洪水予測システムの動作を示すフローチャートである。まず、サーバ装置２の集水域抽出手段２０は、予め登録されている地図データに基づいて、評価対象となる河川の流域をセグメントに分割する（図４ステップＳ１００）。本実施の形態では、水位の予測に必要な時間を３時間として、その３時間の雨水の移動距離を５〜１０Ｋｍとし、評価対象の河川の流域を、河川の中心線に沿って５ｋｍ〜１０ｋｍ程度毎に分割する。ここでは、河川の流域をｎ（ｎは２以上の整数）個に分割するものとし、分割したｎ個のセグメントをＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）と記すものとする。
【００３８】
続いて、集水域抽出手段２０は、分割した河川のセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に集水域を抽出する（図４ステップＳ１０１）。本実施の形態では、セグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に集水域を抽出するための距離Ｌを求める際に、標準３次メッシュで与えられる国土数値情報の土地利用メッシュを用いる。
【００３９】
国土交通省から提供される国土数値情報の土地利用メッシュには、「田」、「畑」、「果樹園」、「その他樹木畑」、「森林」、「荒野」、「建物用地Ａ」、「建物用地Ｂ」、「幹線交通用地」、「その他の用地」、「湖沼」、「河川地Ａ」、「河川地Ｂ」、「海浜」、「不明」などの分類があり、各々の面積が掲載されている。洪水予測システムの設計者は、これらの情報を使って、表１の類型化表を作成し、サーバ装置２の記憶手段２５に予め登録しておく。表１に示すように、類型化表は、地形と土地の利用形態と、参照値Ｌｒｅｆとを対応付けて記憶するものである。
【００４０】
【表１】
2008050903.tif 000005
【００４１】
なお、類型化表に登録された地形と土地の利用形態の「山間部・森林他」は、土地利用メッシュの分類の「森林」と「荒野」とを含むものとし、類型化表の「水田」は、土地利用メッシュの分類の「田」に相当するものとし、類型化表の「畑・果樹園」は、土地利用メッシュの分類の「畑」と「果樹園」と「その他樹木畑」とを含むものとし、類型化表の「都市部」は、土地利用メッシュの分類の「建物用地Ａ」と「建物用地Ｂ」と「幹線用地」と「その他の用地」とを含むものとした。
【００４２】
図５は集水域抽出手段２０の動作を示すフローチャートである。集水域抽出手段２０は、まず第１の抽出処理として、記憶手段２５に登録されている類型化表を参照し、参照値Ｌｒｅｆの最大値以上の距離で、集水域を含む大まかな領域を抽出する（図５ステップＳ２００）。図６は集水域抽出手段２０の第１の抽出処理を説明するための図である。図６の例では、セグメントＲＶ（ｉ）における河川の幅をＷ（ｉ）とし、河川の中心線Ｃから両側にそれぞれＷ（ｉ）＋２ｋｍの距離内にある領域ＡＲ（ｉ）を大まかに抽出する。集水域抽出手段２０は、このような領域抽出をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。河幅Ｗは、セグメント毎に記憶手段２５に予め登録されている。
【００４３】
続いて、集水域抽出手段２０は、抽出した領域ＡＲ（ｉ）について、該当する領域の土地利用メッシュを参照して、類型化表に登録されている地形と土地の利用形態の項目毎に面積を算出する（図５ステップＳ２０１）。集水域抽出手段２０は、このような面積の算出をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。
【００４４】
そして、集水域抽出手段２０は、領域ＡＲ（ｉ）について地形と土地の利用形態の項目毎に算出した面積のうち最大のものを特定し、面積が最大となった項目の参照値Ｌｒｅｆを、領域ＡＲ（ｉ）の代表値Ｌｒｅｆ（ｉ）として決定する（図５ステップＳ２０２）。集水域抽出手段２０は、このような参照値Ｌｒｅｆ（ｉ）の決定をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。こうして、集水域抽出手段２０は、セグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎の参照値Ｌｒｅｆ（１）〜Ｌｒｅｆ（ｎ）を決定する。
【００４５】
なお、集水域抽出手段２０は、類型化表に登録されている地形と土地の利用形態の項目毎の各参照値Ｌｒｅｆに対して、それぞれ項目毎に算出した面積比の分率を掛けて参照値Ｌｒｅｆの平均化を行うことにより、実効的な参照値Ｌｒｅｆ（ｉ）を算出するようにしてもよい。
【００４６】
次に、集水域抽出手段２０は、セグメントＲＶ（ｉ）について集水域を抽出する距離Ｌ（ｉ）を次式のように決定する（図５ステップＳ２０３）。
Ｌ（ｉ）＝Ｌｒｅｆ（ｉ）＋Ｗ（ｉ）／２                          ・・・（７）
集水域抽出手段２０は、このような距離Ｌ（ｉ）の決定をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。
【００４７】
そして、集水域抽出手段２０は、セグメントＲＶ（ｉ）について河川の中心線Ｃから両側にそれぞれＬ（ｉ）の距離内にある領域を集水域として抽出する（図５ステップＳ２０４）。前述のとおり、この集水域の抽出処理は、汎用のＧＩＳに搭載されている地図情報処理機能を用いることで実現できる。集水域抽出手段２０は、このような集水域の抽出をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。
【００４８】
最後に、集水域抽出手段２０は、セグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に抽出した各集水域についてその面積Ｓ（ｉ）を算出する（図５ステップＳ２０５）。以上で、集水域抽出手段２０の処理（ステップＳ１０１）が終了する。
【００４９】
次に、降水量予測手段２１は、集水域抽出手段２０が抽出した各集水域の降水量を予測する（図４ステップＳ１０２）。降水量予測手段２１は、降水量を予測するために、集水域抽出手段２０が分割したセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）において中央近傍の地点を求め、その地点を含む短時間降雨予測のメッシュの座標値を予め求めておく。
【００５０】
短時間降雨予測値は、気象庁より３０分毎に発表され、１時間値を用いて６時間先まで予測が行われている。短時間降雨予測値の解像度はおおよそ１ｋｍ程度である。降水量予測手段２１は、短時間降雨予測値が発表される度に、この予測値を気象庁のサーバ装置３から取り込んで、記憶手段２５に格納する。
【００５１】
そして、降水量予測手段２１は、記憶手段２５に格納した短時間降雨予測のデータの中から予め決めておいたメッシュの座標値を用いて、セグメントＲＶ（ｉ）の中央地点を含むメッシュの時刻ｔにおける降雨量を抽出し、この降雨量にセグメントＲＶ（ｉ）の集水域の面積Ｓ（ｉ）を乗じて、集水域ｉの降水量Ｒ（ｔ）を算出する。降水量予測手段２１は、このような降水量の予測をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。以上で、降水量予測手段２１の処理（ステップＳ１０２）が終了する。なお、ここでの時刻ｔとは、現在より先の時刻を意味する。また、前述のとおり、短時間降雨予測値は６時間先の予測値まで提供されるので、降水量の予測は現在の時刻から例えば６時間先まで行われる。
【００５２】
次に、各集水域において流出量の計算を行う。流出量予測手段２２は、降水量Ｒ（ｔ）を入力値として３タンクモデルを用いて、時刻ｔ＋ΔｔにおいてセグメントＲＶ（ｉ）の集水域から河川に流出する水の流出量Ｖ（ｔ＋Δｔ）を予測する（図４ステップＳ１０３）。本実施の形態で用いた３タンクモデルを図７に示す。
【００５３】
また、流出量予測手段２２は、漸化式として、以下の式を用いる。
Ｔ１（ｔ＋Δｔ）＝Ｔ１（ｔ）＋Ｒ（ｔ）−Ｅ１（ｔ）−Ｅ２（ｔ）−Ｅ４（ｔ）
・・・（８）
Ｔ２（ｔ＋Δｔ）＝Ｔ２（ｔ）＋Ｅ２（ｔ）−Ｅ３（ｔ）−Ｅ５（ｔ）・・（９）
Ｔ３（ｔ＋Δｔ）＝Ｔ３（ｔ）＋Ｅ４（ｔ）＋Ｅ５（ｔ）−Ｅ６（ｔ）−Ｅ７（ｔ）
・・・（１０）
Ｖ（ｔ＋Δｔ）＝Ｅ１（ｔ）＋Ｅ３（ｔ）＋Ｅ６（ｔ）            ・・・（１１）
Ｅ１（ｔ）＝ａ１×Ｔ１（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１２）
Ｅ２（ｔ）＝ａ２×Ｔ１（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１３）
Ｅ３（ｔ）＝ａ３×Ｔ２（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１４）
Ｅ４（ｔ）＝ａ４×Ｔ１（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１５）
Ｅ５（ｔ）＝ａ５×Ｔ２（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１６）
Ｅ６（ｔ）＝ａ６×Ｔ３（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１７）
Ｅ７（ｔ）＝ａ７×Ｔ３（ｔ）×Δｔ                            ・・・（１８）
【００５４】
式（８）〜式（１８）において、Ｔ１（ｔ）は時刻ｔにおけるタンクＴＡ１の貯留量、Ｔ２（ｔ）は時刻ｔにおけるタンクＴＡ２の貯留量、Ｔ３（ｔ）は時刻ｔにおけるタンクＴＡ３の貯留量、Ｅ１（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ１から排水溝などを通じて河川に直接流出する流出量、Ｅ２（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ１からタンクＴＡ２に流出する流出量、Ｅ３（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ２から地面の表層を伝わって河川に流出する流出量、Ｅ４（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ１からタンクＴＡ３に流出する流出量、Ｅ５（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ２からタンクＴＡ３に流出する流出量、Ｅ６（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ３から、地面から深さ１ｍ程度の中間層を通じて河川に流出する流出量、Ｅ７（ｔ）は時刻ｔにおいてタンクＴＡ３から地下水の水脈へ流出する流出量、ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７は予め記憶手段２５に登録されているフィッティングパラメータ、Δｔは微小な計算ステップ時間である。
【００５５】
ここでは、単純なものとするために、時定数の長い、地下水から河川への流出の過程を無視しているが、タンクの設計は様々な変形が可能であり、例えば、流出孔を多段にしたり、閾値以上をオーバーフローしたりして何ら差し支えない。
こうして、流出量予測手段２２は、式（８）〜式（１８）を用いて、流出量Ｖ（ｔ＋Δｔ）を算出する。流出量予測手段２２は、このような流出量の算出をセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に行う。以上で、流出量予測手段２２の処理（ステップＳ１０３）が終了する。前述のとおり、短時間降雨予測値は６時間先の予測値まで提供されるので、流出量の予測は現在の時刻から例えば６時間先まで行われる。
【００５６】
次に、水位予測手段２３は、ＲＶ（ｉ）で算出した流出量Ｖ（ｔ）をＶ（ｉ、ｔ）として入力し、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）を予測する（図４ステップＳ１０４）。まず、水位予測手段２３は、河川へ流出する水を等流と仮定することで、時刻ｔにおける水位観測地点での流出量の合計値ＳＶ（ｔ）を以下のように計算する。
【００５７】
【数３】
2008050903.tif 000006
【００５８】
前述のとおり、ΔＴ（ｉ）はセグメントＲＶ（ｉ）の集水域から水位観測地点までの平均流達遅延時間であり、予めセグメントＲＶ（１）〜ＲＶ（ｎ）毎に記憶手段２５に登録されている。
【００５９】
そして、水位予測手段２３は、以下の式により流出量の合計値ＳＶ（ｔ）を、時刻ｔにおける水位観測地点の水位Ｈ（ｔ）に変換する。
Ｈ（ｔ）＝Ｈ０＋ΔＨ（ｔ）                                    ・・・（２０）
ΔＨ（ｔ）＝α×ＳＶ（ｔ）                                    ・・・（２１）
αは記憶手段２５に予め登録されているフィッティングパラメータ、Ｈ０は所定の基準水位である。
【００６０】
式（８）〜式（２１）の予測式で計算する水位の値と十分な量の実観測データとの比較により、誤差を最小化するΔＴ（ｉ）、α、ａ１〜ａ７等のフィッティングパラメータを決定しておき、サーバ装置２の記憶手段２５に予め登録しておく。以後は、サーバ装置２は、記憶手段２５に登録されているフィッティングパラメータを用いて水位予測を行う。気象庁発表の短時間降雨予測値は、現況、６時間先までの値が発表されることから、本実施の形態の水位予測も６時間先まで可能である。以上で、水位予測手段２３の処理（ステップＳ１０４）が終了する。
なお、式（１９）〜式（２１）の代わりに、式（３）〜式（６）を用いて水位を予測するようにしてもよい。
【００６１】
次に、判定手段２４は、水位予測手段２３が計算した水位予測値が予め設定された通知すべき閾値以上かどうかを判定し（図４ステップＳ１０５）、水位予測値が該閾値より低い場合は、ステップＳ１０２に戻る。閾値には、例えば水防法で定義される危険水位、警戒水位、指定水位などがありうる。しかし、中小河川ではこれらが必ずしも明確に指定されているとは限らないため、管理者や権限者の判断によって任意に決められた閾値であって差し支えない。また、閾値は複数あっても差し支えない。降水量予測手段２１、流出量予測手段２２、水位予測手段２３および判定手段２４は、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理を一定時間ごとに繰り返す。
【００６２】
そして、判定手段２４は、ステップＳ１０５において水位予測値が該閾値以上と判定した場合、河川の水位が該閾値を超える可能性があることを発信装置７を通じて所定の通知先に通知する（図４ステップＳ１０６）。発信装置７は、予め番号が登録されている携帯電話機を通知先とし、この携帯電話機に対して、メール若しくは音声通話で通知を行う。このとき、水位計１で計測された現在の水位と、水位予測値も通知先に送信することが望ましい。通常、洪水の警報発令を行うことのできる権限者は、計測データと予測データの両者を基にして警報を発令することから、現在の水位計測値も同時に必要となるためである。
【００６３】
以上のように、本実施の形態では、流出量および水位の予測を極めて簡易に行えるために、低コストで実装することが可能である。また、本実施の形態によれば、簡易な計算で実現できるために、流出量および水位をリアルタイムに予測することができる。さらに、水位計と連携した本実施の形態の洪水予測システムは、降雨から洪水発生までの時間が短い中小河川の管理者や現場担当者に対して、迅速かつ正確な情報を提供することができるので、水害対策や避難等の準備行動のために必要な時間を与えることができ、極めて有用である。
【００６４】
次に、本実施の形態の効果をデータを用いて説明する。香川県の土器川を評価対象として、約３０ｋｍ弱の河川を４分割し、本実施の形態の洪水予測システムにより水位を予測した結果を図８に示す。図８の例では、誤差を含む短時間降雨予測データを用いるのではなく、降水量の観測値（アメダスデータ）を入力値として用いてパラメータを最適化した結果であるが、基準水位Ｈ０として渇水期の１．５７ｍという固定値を用いた場合、１時間値データの１年間分において、予測水位と観測水位の相関はＲ＝０．８４、標準偏差＝０．１３ｍとなり、かなり精度の良い結果が得られた。この事実は、中小河川の洪水予測の場合には、本実施の形態の集水過程や水位予測のモデルが、適切であることを示している。
【００６５】
また、基準水位として水位観測値Ｈｏｂｓを用いた場合、６時間先の予測を模擬するために、６時間の先のアメダス観測値を用いてパラメータを最適化した場合には図９のようになり、１時間値データの１年間分において、予測水位と観測水位の相関はＲ＝０．９７、標準偏差＝０．０５ｍとなり、非常に良い結果が得られた。これは、本実施の形態において単純化したモデルが含む誤差が水位の観測値によって吸収され、６時間程度先の予測には河川近傍の集水量だけで考えて良いことを示すものである。
【００６６】
なお、本実施の形態のサーバ装置２は、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータにおいて、本発明の洪水予測システムを実現させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、記録媒体から読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、プログラムに従って前述の処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、中小河川の洪水予測に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】河川の周辺の集水域を抽出する処理を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る洪水予測システムの構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態の洪水予測システムにおけるサーバ装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態の洪水予測システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】図３のサーバ装置における集水域抽出手段の動作を示すフローチャートである。
【図６】図３のサーバ装置における集水域抽出手段の第１の抽出処理を説明するための図である。
【図７】図３のサーバ装置における流出量予測手段が用いる３タンクモデルを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の洪水予測システムにおいて固定の基準水位を用いた場合の予測水位と観測水位の１例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の洪水予測システムにおいて基準水位に観測値を用いた場合の予測水位と観測水位の１例を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…水位計、２，３…サーバ装置、４…ネットワーク、５…入力装置、６…表示装置、７…発信装置、２０…集水域抽出手段、２１…降水量予測手段、２２…流出量予測手段、２３…水位予測手段、２４…判定手段、２５…記憶手段。
【図１】
2008050903.tif 000013
【図２】
2008050903.tif 000014
【図３】
2008050903.tif 000015
【図４】
2008050903.tif 000016
【図５】
2008050903.tif 000017
【図６】
2008050903.tif 000018
【図７】
2008050903.tif 000019
【図８】
2008050903.tif 000020
【図９】
2008050903.tif 000021