(57)【要約】【課題】高精度で技術者の個人差による影響をできるだけ排除することが可能であり、実現象に近い氾濫の最大範囲や時間的な推移を予想することが可能であると共に、実現象に近い砂防施設等の効果を評価することも可能である土砂災害の氾濫解析システムを提供する。【解決手段】土砂災害の氾濫解析システムは、地形データの作成・入力の第１ステップ１と、清水と土砂の流量ハイドログラフの作成・入力の第２ステップ２と、土砂氾濫の種類の選択の第３ステップ３と、物理的パラメータ、プロセス条件データの入力設定の第４ステップ４と、氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップ５と、解析結果の出力の第６ステップ６と、から成る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地形データの作成・入力の第１ステップと、清水と土砂の流量ハイドログラフの作成・入力の第２ステップと、土砂氾濫の種類の選択の第３ステップと、物理的パラメータ、プロセス条件データの入力設定の第４ステップと、氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップと、解析結果の出力の第６ステップと、から成ることを特徴とする土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項２】
上記第１ステップにおける地形データが、検討に必要な範囲の地形図を数値化した三次元数値地形データと、縦横断図・設計図などより作成された該検討範囲における砂防施設等の三次元数値地形データなどを用いて、作成された三次元数値地形データであることを特徴とする請求項１に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項３】
上記第２ステップの清水と土砂の流量ハイドログラフが、過去の災害事例や雨量観測データや流量観測データを解析・検討して作成することを特徴とする請求項１または２に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項４】
上記第２ステップにおいて、検討範囲における土砂氾濫の最上流の流入境界地点や、土砂氾濫の合流点の支川からの流入境界地点などの解析に必要とされる土砂の流入開始点を設定し、該流入開始点より、上記清水と土砂の流量ハイドログラフを入力することを特徴とする請求項３に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項５】
上記第３ステップにおいて、土石流（又は土砂流）、泥流、の２種類の土砂氾濫現象から、検討対象の土砂氾濫に適切な流体の基礎方程式の構成則を選択することを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項６】
上記第４ステップにおける物理的パラメータが、運動量補正係数、カルマン定数、砂礫の密度、泥水の密度、土砂堆積層の砂礫の堆積濃度、砂礫の内部摩擦角、運動に起因する砂礫粒子間のエネルギー散逸に関する経験定数、砂礫粒子の反発係数、砂礫の代表粒径、マニングの粗度係数、水平渦動粘性係数、空気密度、砂礫の密度、流体の密度、平均粒径限界掃流力、砂礫の間隙率、砂礫交換層の厚さ、砂礫の粒度分布、砂礫の内部摩擦角、側岸侵食時の砂礫の内部摩擦角、側岸侵食量に係る係数、二次流を考慮する場合の砂礫の摩擦係数、二次流を考慮する場合の係数、から選択されることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項７】
上記第４ステップにおけるプロセス条件が、停止判定条件、解析時間刻み、出力データ形式、出力データタイミング、であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項８】
上記第５ステップにおいて、対象とする現象を表現するために構築された支配方程式系を用い、数値解析技術により作成されたコンピュータプログラムにしたがって、検討範囲の土砂氾濫について時々刻々と変化する水と土砂の運動を追跡し数値解析を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【請求項９】
上記第５ステップにおいて、砂防施設等の効果を評価する方法として、解析対象の質量が保存されるように連続条件を満足しつつ、特殊な境界条件を用いて砂防施設等の効果を再現させることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の土砂災害の氾濫解析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土砂災害の氾濫解析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
豪雨や地震、火山噴火等によって地山が崩壊し、または、土砂が移動することによって、土石流・地すべり・がけ崩れ等による土砂氾濫が発生して、その氾濫地域の人命や財産などに多大な被害を与える。この土砂氾濫による災害を予想して、その災害予想を地域住民に情報提供し、災害に対する地域住民の認識や避難に役立てることが重要である。一般に、災害予想は、土砂移動予測図などをもとに作成されるハザードマップによって提供される。
【０００３】
従来、土砂移動現象に伴う災害のハザードマップ（災害予想区域図）を作ろうとした場合、まず、災害を引き起こすであろうと予想される現象が及ぼす影響範囲を検討し、現象別の土砂移動予測図を作成する。その場合、
１）地形図を用いて土砂災害の発生地点や、扇状地頂部などの土砂氾濫の開始点の検討を行い、そこから下流へ向けて土砂の氾濫範囲を予想する。
２）さらに、上記氾濫範囲の予想に加えて、現地の微地形を考慮し土砂移動図予測図が作成されてきた。
３）その予想に際して、従来は、地形標高と砂防施設の標高情報とを組み合わせた数値地形データを用い、平面二次元的な数値解析（例えば、三宅島土砂氾濫解析プログラム（Ｊ−ＳＡＳ）：プログラム著作物登録番号  Ｐ第  ７５７５−１など）を用いて解析が行われてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の土砂移動予測図の作成作業においては、砂防施設等の効果を評価する際の方法として、その効果量をあらかじめ推定し、清水と土砂の流量ハイドログラフからその効果量を差引いて検討するなどの便宜的な取り扱い方が主流であり、土砂の氾濫に対して実現象に近い砂防施設等の効果を解析することで、その効果を評価することが困難であるといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高精度で技術者の個人差による影響をできるだけ排除することが可能であり、実現象に近い氾濫の最大範囲や時間的な推移を予想することが可能であると共に、実現象に近い砂防施設等の効果を評価することも可能である土砂災害の氾濫解析システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の土砂災害における土砂氾濫範囲の解析システムは、地形データの作成・入力の第１ステップと、清水と土砂の流量ハイドログラフの作成・入力の第２ステップと、土砂氾濫の種類の選択の第３ステップと、物理的パラメータ、プロセス条件データの入力設定の第４ステップと、氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップと、解析結果の出力の第６ステップと、から成ることを特徴とする。また、上記第１ステップにおける地形データが、検討に必要な範囲の地形図を数値化した三次元数値地形データと、縦横断図・設計図などより作成された該検討範囲における砂防施設の三次元数値地形データなどを用いて、作成された三次元数値地形データであることを特徴とする。さらに、上記第２ステップの清水と土砂の流量ハイドログラフが、過去の災害事例や雨量観測データや流量観測データを解析・検討して作成されることを特徴とする。又更に、上記第２ステップにおいて、検討範囲における土砂氾濫の最上流の流入境界地点や、土砂氾濫の合流点の支川からの流入境界地点などの解析に必要とされる土砂の流入開始点を設定し、該流入開始点より、上記清水と土砂の流量ハイドログラフを入力することを特徴とする。
上記第３ステップにおいて、土石流（又は土砂流）、泥流、の２種類の土砂氾濫現象から、検討対象の土砂氾濫に適切な流体の基礎方程式の構成則を選択することを特徴とする。更にまた、上記第４ステップにおける物理的パラメータが、運動量補正係数、カルマン定数、砂礫の密度、泥水の密度、土砂堆積層の砂礫の堆積濃度、砂礫の内部摩擦角、運動に起因する砂礫粒子間のエネルギー散逸に関する経験定数、砂礫粒子の反発係数、砂礫の代表粒径、マニングの粗度係数、水平渦動粘性係数、空気密度、砂礫の密度、流体の密度、平均粒径限界掃流力、砂礫の間隙率、砂礫交換層の厚さ、砂礫の粒度分布、砂礫の内部摩擦角、側岸侵食時の砂礫の内部摩擦角、側岸侵食量に係る係数、二次流を考慮する場合の砂礫の摩擦係数、二次流を考慮する場合の係数、から選択されることを特徴とする。また、上記第４ステップにおけるプロセス条件が、停止判定条件、解析時間刻み、出力データ形式、出力データタイミング、であることを特徴とする。さらに、上記第５ステップにおいて、対象とする現象を表すために構築された支配方程式系を用い、数値解析技術により作成されたコンピュータプログラムにしたがって、検討範囲の土砂氾濫について時々刻々と変化する水と土砂の運動を追跡し数値解析を行うことを特徴とする。又更に、上記第５ステップにおいて、砂防施設等の効果を評価する方法として、解析対象の質量が保存されるように連続条件を満足しつつ、特殊な境界条件を用いることにより砂防施設等が土砂氾濫、それに基づく河床変動に与える影響を考慮することにより実現象に近い砂防施設等の効果を再現させることを特徴とするものである。又更に、第５ステップにおいて、対象とする現象を表すために構築された支配方程式系を用い、数値解析技術により作成されたコンピュータプログラムにしたがって、検討範囲の土砂氾濫の流体力についても求めることが可能であることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明方法の一実施例を示すフロー図であって、第１ステップ１は地形データの作成・入力、第２ステップ２は清水と土砂の流量ハイドログラフの作成・入力、第３ステップ３は土砂氾濫の種類の選択、第４ステップ４は物理的パラメータ・プロセス条件データの入力設定、第５ステップ５は氾濫土砂の流速・流動深解析、第６ステップ６は解析結果の出力、第７ステップ７は解析終了の判定を示す。
【０００８】
上記地形データの作成・入力の第１ステップ１では、検討に必要な範囲の地形図を数値化した三次元数値地形データと、縦横断図・設計図などより作成された該検討範囲における砂防施設の三次元数値地形データなどを用いて、検討に用いる三次元数値地形データを作成し、これを入力する。上記砂防施設には、砂防堰堤、床固め工、帯工、遊砂地、護岸工、山腹工などが含まれる。図２は、三次元数値地形データの一つの表示例であり、ＸＹ座標毎の標高値の３セットの数字の組を１つのデータ組として、図中の任意の接点毎にデータ化しておき、これを立体的に表示した例である。上記砂防施設のデータとして、施設の設計図などから標高値を読み取って、その設置点の標高データとしてもよい。
【０００９】
清水と土砂の流量ハイドログラフの作成・入力の第２ステップ２では、過去の災害事例や雨量観測データや流量観測データを解析・検討して、検討対象の清水と土砂の流量ハイドログラフ（清水と土砂の流量時系列グラフ）を作成すると共に、検討範囲における土砂氾濫の最上流の流入境界地点や、土砂氾濫の合流点の支川からの流入境界地点などの解析に必要とされる清水と土砂の流入開始点を設定し、該流入開始点より、上記清水と土砂の流量ハイドログラフを入力する。図３は、土砂の流量ハイドログラフの一例を示すもので、土砂の流入境界の一地点における土砂の流量の時間的変化を示す図である。
【００１０】
土砂氾濫の種類を選択する第３ステップ３では、土石流（又は土砂流）、泥流の２種類の土砂氾濫現象から、検討対象の土砂氾濫に適切な流体の基礎方程式系及び構成則を選択する。ここに、構成則とは、土石流などの土砂の運動を流体の運動とみなした場合の応力とひずみの関係をいう。
【００１１】
物理的パラメータ・プロセス条件データの入力設定の第４ステップ４では、上記２種類の土砂氾濫現象から選択した、検討対象の土砂氾濫を検討するために適切な物理的パラメータやプロセス条件を入力する。物理的パラメータとしては、土石流用データとして、内部摩擦角、れき（礫）の反発係数、平均粒径、運動量補正係数、流体の密度、砂礫の密度などである。また、プロセス条件としては、土石流の場合には、停止判定流動深などを入力する。これらは、過去の関係する調査事業事例や、学会等への報告などを参考に検討し入力される。
【００１２】
氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップ５では、コンピュータプログラムにしたがって、検討範囲の土砂氾濫について時々刻々と変化する土砂の運動を追跡し土砂氾濫の数値解析を行う。土砂の氾濫過程の解析については、流体の基礎方程式系を、例えば、差分法や有限体積法、有限要素法などを用いて時間方向、空間方向に離散化された、離散化方程式を用いる。
【００１３】
氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップ５では、砂防施設等の効果を評価する方法として、解析対象の質量が保存されるように連続条件を満足しつつ、数値解析のメッシュ上に特殊な境界条件を組み込むことによって、実現象に近い砂防施設等の効果を評価することを可能とした。特殊な境界条件とは、時間ステップ毎に任意のメッシュ単位での水と土砂の水深と流量の関係を与えることが可能であり、同時に、時間ステップ毎に任意のメッシュ単位での河床位の変化を、湧き出しと吸い込みを考慮して質量保存が保たれる条件で与えることが可能な特殊壁のことである。この特殊壁を用いて土砂の流下範囲に存在する砂防施設等が土砂氾濫や河床変動に与える影響を時間ステップ毎に任意のメッシュ単位で取り扱うことを可能とした。
【００１４】
氾濫土砂の運動を数値解析する第５ステップ５では、対象とする現象を表すために構築された支配方程式系を用い、数値解析技術により作成されたコンピュータプログラムにしたがって、検討範囲の土砂氾濫について時間ステップ毎の任意のメッシュでの水深と河床位を解析し、この解析解を用いて流耐力も算出可能とした。
【００１５】
解析結果の出力の第６ステップ６では、数値解析の結果は、氾濫土砂の等流動深図などとして、解析対象時間内の任意の時刻における、任意の解析範囲の氾濫土砂の流速や流動深（土砂の移動水深）を出力できるものであり、それをコンピュータプログラムとし、コンピュータプログラムを記憶した記録媒体を用いて数値解析結果の出力が可能である。図４は、土砂氾濫の解析結果図を示すもので、（Ａ）は施設なしの地形のみの解析１０分後の河床変動量を示し、（Ｂ）は（Ａ）の時の氾濫中央付近の河床位縦断図（図中ピンクの破線上の縦断図）を示し、（Ｃ）は砂防施設等の例として砂防堰堤が存在すると仮定し、構造物の効果を取り入れた場合の解析１０分後の河床変動量を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の時の砂防堰堤近傍の河床位縦断図（図中ピンクの破線上の縦断図）を示す図である。
【００１６】
【発明の効果】
１）従来技術と同じように氾濫開始点の予測を行った上で、土砂の流下範囲を含む地形の標高情報を数値地図に再現して入力データとし、土砂の氾濫過程については、予想される土砂氾濫の種類に応じた数理的な氾濫モデルを数値計算法を用いて解き、その過程に施設の効果を考慮することによって土砂水理学的な実現象に近い氾濫過程、氾濫範囲の予測が可能となった。
２）精度の高いハザードマップを作成するための土砂移動実績図の作成が容易となった。
３）技術者の個人差による影響をできるだけ排除するころが可能となった。
４）土砂氾濫範囲の時間的な推移や最大の土砂氾濫範囲を予測することが可能となった。
５）砂防施設等などの影響を考慮した土砂氾濫範囲を予測することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の一実施例を示すフロー図である。
【図２】三次元数値地形データの表示例である。
【図３】土砂の流入境界の一地点における土砂流量の時間的変化を示す土砂の流量ハイドログラフである。
【図４】土砂氾濫の解析結果例である。
【符号の説明】
１  第１ステップ
２  第２ステップ
３  第３ステップ
４  第４ステップ
５  第５ステップ
６  第６ステップ
７  第７ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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