(57)【要約】【課題】  水文域及び対象地盤の水の収支に関する評価を迅速かつ正確に行うことが可能となる水文域評価装置を提案することを課題とする。【解決手段】  解析対象領域複合データを作成するための各種データ等を記憶しデータ管理手段を介して所望のデータを抽出可能となっているデータベース１０と、操作者に対して各種の入力作業を要求する役割を果たす入力要求部２０と、上記データベース１０と入力データを利用して水収支機能評価に必要なデータの作成を行う分析データ作成部３０と、水収支機能評価に必要な計算を行う演算部４０と、解析結果表示部５０と、制御部６０と、記憶部７０と、を主要部とする水文域評価装置。【選択図】      図１
2005030108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法を用いて、評価対象である水文域の水の収支を算出して前記水文域を評価するための装置であって、
水系位置情報を含む３次元地形データと、
地質分布データ、当該地質分布データに対応する地盤特性値データ及び地下水系位置データとを含み前記３次元地形データと関連づけられて記憶されている地盤性状データ群と、
前記３次元地形データと関連づけられて記憶されている降雨量データを含む気象データ群と、を備えるデータベースと、
前記水文域の条件の入力を要求する入力要求部と、
前記データベースにおける前記３次元地形データから、前記水文域の上流領域を抽出して解析対象領域を決定する流域抽出手段と、
前記抽出された解析対象領域の３次元地形データに、前記水文域の条件と、前記解析対象領域の地盤性状データ群とを組み込むことにより解析対象領域複合データ群を作成する解析対象領域複合データ群作成手段と、
前記解析対象領域において、前記有限要素法により解析される複数の分割領域を作成する分割領域作成手段と、
所定の初期条件及び境界条件の下で、前記解析対象領域複合データ群を用い前記有限要素法により、前記分割領域間において流入水量と流出水量から水収支の算出を行い、前記水文域における水の収支を算出する水収支算出手段と、を備えることを特徴とする水文域評価装置。
【請求項２】
前記水収支算出手段は、
地表水流の運動方程式と、地下水流の運動方程式と、
前記各分割領域間において、降雨量と、隣接する前記分割領域間における地表水の純増量及び周辺地下水の純増量とが保存されることを示す地表水の質量保存式と、
前記各分割領域間において、地下水涵養量と、隣接する前記分割領域間における地下水の純増量と地表水の純増量とが保存されることを示す地下水の質量保存式と、
から構成される支配方程式について、有限要素法による数値解析を用いて繰り返し計算を行い、
前記各分割領域間の前記地表水量と前記地下水量が所定の平衡状態となった場合において、その値をもって前記各分割領域における地表水量及び地下水量として決定すること、を特徴とする請求項１に記載の水文域評価装置。
【請求項３】
貯水施設を有する前記水文域について、貯水池への流入水量と貯水池からの流出水量を算出して前記貯水施設の貯水機能の評価を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水文域評価装置。
【請求項４】
前記入力要求部は、前記貯水施設の周辺で施工される止水対策工法の施工領域及び前記止水対策工法の施工領域における改良された地盤特性値データを含む止水対策工法条件データの入力要求手段を備えており、
前記解析対象領域複合データ作成手段は、前記入力要求手段により入力された前記止水対策工法条件データを前記解析対象地盤に組み込むことにより前記解析対象領域複合データを作成可能となるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水文域評価装置。
【請求項５】
前記入力要求部は、前記貯水施設の施工費用及び前記止水対策工法の施工費用の入力が可能となるように構成されており、
前記水収支算出手段により算出された前記貯水施設における貯水量と、前記入力要求部により入力された前記貯水施設の施工費用及び前記止水対策工法の施工費用の少なくとも一方とから投資対効果指標を算出する投資対効果指標算出手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の水文域評価装置。
【請求項６】
前記水収支算出手段により算出された水収支の算出結果を表示する解析結果表示手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水文域評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水文域の水収支機能を評価するための水文域評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダムや貯水池等の貯水施設の検討には、タンクモデルに代表される集約型モデルによる降雨流出解析手法及び地下水の流動解析に主眼を置いた浸透流解析手法が用いられている（例えば、非特許文献１又は非特許文献２参照）。
【非特許文献１】菅原正巳，「続・流出解析法」，共立出版株式会社，１９７９年２月，ｐ．２６９
【非特許文献２】建設省河川局，「多目的ダムの建設」，財団法人全国建設研修センター，昭和５５年６月，第１巻，ｐ．２３９−２７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、近年、貯水施設の建設においては、地形的・地質的にみて、必要となる貯水機能を確保するために技術的課題の多い地盤が増えつつあり、対象地盤の止水性評価や効果的な止水対策工法の選定を迅速かつ正確に行うことが求められている。そのためには、貯水施設へ流入する流入水量（地表水や地下水の涵養量等）と、対象地盤から貯水施設の下流側に流出する流出水量（浸透量等）の収支を定量的に把握して、その評価を行うという、対象地盤の貯水機能評価を行うことが重要である。
【０００４】
しかし、前記手法では、三次元的な地質分布や貯水施設周辺の地形の影響を充分に考慮することはできず、過去に観測データ（河川流量や地下水位等の長期観測データ）が存在している、限られた地点に対してのみ適用できるに過ぎなかった。また、止水対策工法の実施や地表面の改変などによる施工条件の変化による貯水機能の変化を予測することができないため、定量的な指標に基づいて、貯水施設の止水対策工法の経済的評価を行う合理的な手法が確立していなかった。
さらに、降雨の貯水施設への直接流入や地形と地質による地下水涵養量の分布を同時かつ定量的に評価することができないことから、対象地盤における貯水機能評価を正確に行うことが難しかった。
【０００５】
また、貯水機能評価を行うための各種データ（地形データ、地質データ、気象データ、水文データ等）が一元管理されていないため、データ収集及び解析用データの作成に時間がかかってしまうとともに、調査開始から着工までに長期間を要することが多く、その間に収集したデータが散逸してしまい、解析に支障が生じる場合があった。
【０００６】
本発明は、前記各問題点を解決することを目的とするものであり、水文域及び対象地盤の水の収支に関する評価を迅速かつ正確に行うことが可能となる水文域評価装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の水文域評価装置は、有限要素法を用いて、評価対象である水文域の水の収支を算出して前記水文域を評価するための装置であって、水系位置情報を含む３次元地形データと、地質分布データ、当該地質分布データに対応する地盤特性値データ及び地下水系位置データとを含み前記３次元地形データと関連づけられて記憶されている地盤性状データ群と、前記３次元地形データと関連づけられて記憶されている降雨量データを含む気象データ群と、を備えるデータベースと、前記水文域の条件の入力を要求する入力要求部と、前記データベースにおける前記３次元地形データから、前記水文域の上流領域を抽出して解析対象領域を決定する流域抽出手段と、前記抽出された解析対象領域の３次元地形データに、前記水文域の条件と、前記解析対象領域の地盤性状データ群とを組み込むことにより解析対象領域複合データ群を作成する解析対象領域複合データ群作成手段と、前記解析対象領域において、前記有限要素法により解析される複数の分割領域を作成する分割領域作成手段と、所定の初期条件及び境界条件の下で、前記解析対象領域複合データ群を用い前記有限要素法により、前記分割領域間において流入水量と流出水量から水収支の算出を行い、前記水文域における水の収支を算出する水収支算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、水文域とは、河川、湖沼、地下水流等の自然界に存在するあらゆる水域や、貯水施設（ダム、貯水池等）、水路、池等の人工的に構築される水関連施設等あらゆる水域に関する水系及びその周辺の地盤や各種施設等を示す。
本発明によれば、水収支算出手段により、有限要素法を用いて、評価対象領域内での流入水量と流出水量から水収支の算出を行い、正確かつ簡易に、水文域の水収支評価を行うことが可能となる。従って、水域に応じて、施設の構築の要否の判定や、適切な施設の構築を行うための計画作成を効率的に支援することが可能となる。
【０００９】
また、前記水文域評価装置において、前記水収支算出手段は、地表水流の運動方程式と、地下水流の運動方程式と、前記各分割領域間において、降雨量と、隣接する前記分割領域間における地表水の純増量及び周辺地下水の純増量とが保存されることを示す地表水の質量保存式と、前記各分割領域間において、地下水涵養量と、隣接する前記分割領域間における地下水の純増量と地表水の純増量とが保存されることを示す地下水の質量保存式と、から構成される支配方程式について、有限要素法による数値解析を用いて繰り返し計算を行い、前記各分割領域間の前記地表水量と前記地下水量が所定の平衡状態となった場合において、その値をもって前記各分割領域における地表水量及び地下水量として決定することを特徴とする。
【００１０】
ここで、地下水流は、地下水位より上部の不飽和地下水と、当該地下水位より下部の飽和地下水にわけて、別々の運動方程式を設定することが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、地表水流と地下水流とを統合して解析することができるため、より正確に水収支を算出することができる。
【００１２】
また、前記水文域評価装置は、貯水施設を有する前記水文域について、貯水池への流入水量と貯水池からの流出水量を算出して前記貯水施設の貯水機能の評価を行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、水収支算出手段により、有限要素法を用いて、分割領域間で流入水量と流出水量から水収支の算出を行い、貯水施設における貯水量を算出することで、正確かつ簡易に、貯水施設を構築する対象地盤の貯水性機能評価を行うことが可能となる。従って、対象地盤に応じて、適切な貯水施設の構築を行うための計画作成を効率的に支援することが可能となる。
【００１４】
また、前記水文域評価装置において、前記入力要求部は、前記貯水施設の周辺で施工させる止水対策工法の施工領域及び前記止水対策工法の施工領域における改良された地盤特性値データを含む止水対策工法条件データの入力要求手段を備えており、前記解析対象領域複合データ作成手段は、前記入力要求手段により入力された前記止水対策工法条件データを前記解析対象地盤に組み込むことにより前記解析対象領域複合データを作成可能となるように構成されているものであってもよい。
【００１５】
本発明によれば、貯水施設の構築場所に止水対策工法を行った場合の貯水施設における貯水量を算出することができるため、容易に止水対策工法の評価を行うことが可能となる。
【００１６】
また、前記水文域評価装置において、前記入力要求部は、前記貯水施設の施工費用及び前記止水対策工法の施工費用の入力が可能となるように構成されており、前記水収支算出手段により算出された前記貯水施設における貯水量と、前記入力要求部により入力された前記貯水施設の施工費用及び前記止水対策工法の施工費用の少なくとも一方とから投資対効果指標を算出する投資対効果指標算出手段を備えるものであってもよい。
【００１７】
本発明によれば、算出された貯水施設における貯水量と、当該貯水施設の施工費用及び止水対策工法の施工費用の少なくとも一方から投資対効果指標を算出することができるため、当該投資対効果指標を対比することにより、容易に代替案の比較評価を行うことが可能となる。
【００１８】
さらに、前記水文域評価装置において、前記水収支算出手段により算出された水収支の算出結果を表示する解析結果表示手段を備えるものであってもよい。
【００１９】
本発明は、解析結果表示手段を備えているため、水収支算出手段により算出された水収支の算出結果と解析結果を画面上で視認して、容易にその判断等を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水文域評価装置によれば、水文域の水収支機能評価を迅速かつ正確に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の一形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態は、図３に示すように、複数の沢が合流してなる水域に貯水施設Ｄを構築する場合において、その貯水施設Ｄと貯水施設Ｄを構築する対象地盤の貯水機能評価に、本発明による水文域評価装置を使用した態様である。
【００２２】
＜水文域評価装置の構成＞
図１に示すように、本発明の水文域評価装置Ｔは、コンピュータから構成される装置本体１と、入力手段２と、出力手段３とを主要部として構成されている。
【００２３】
入力手段２は、装置本体１における入力要求部２０から要求される各種操作に対する指示情報を入力する役割を果たし、キーボード２ａ、マウス２ｂ及び記録媒体読込装置２ｃ等を備えている。
また、出力手段３は、各種演算結果やデータ等を出力させるための役割を果たし、ディスプレイ３ａ、プリンタ３ｂ及び記録媒体書込装置３ｃ等を備えている。
【００２４】
［装置本体］
装置本体１は、データベース１０と、入力要求部２０と、分析データ作成部３０と、演算部４０と、解析結果表示部５０と、制御部６０と、記憶部７０と、を主要部としている。
【００２５】
（１）データベース
データベース１０は、解析対象領域複合データを作成するための各種データ等を記憶する役割を果たすものであり、３次元地形情報データベース１１と、地盤性状情報データベース１２と、気象情報データベース１３と、水文情報データベース１４と、解析モデル情報データベース１５と、を備えており、当該各データベースに記憶されているデータは、図示しないデータ管理手段を介して所望のデータを抽出可能となっている。
【００２６】
［３次元地形情報データベース］
３次元地形情報データベース１１は、広域（例えば、日本全土）における平面位置及び標高の情報（以下、「３次元地形情報」という場合がある）を有する電子地図データが記憶されている手段であり、河川、沢、湖沼、貯水施設等の水系の位置情報、道路網及び鉄道網等の位置情報、土地利用状況データ等も含まれている。
【００２７】
［地盤性状情報データベース］
地盤性状情報データベース１２は、地質データ（各地点における地層厚データ（各地質に対応した各種地盤物性値データ（例えば、水理物性値である透水係数、貯留係数、空隙率、粗度係数、水浸透率等）を含む））、植生データ、並びに、所定の調査地点におけるボーリングデータ等の各種地盤性状に関するデータが３次元地形情報と関連づけられた状態で記憶されている手段である。
【００２８】
なお、地質データは、３次元地形情報に関連づけて、表層部の地質構造（例えば、火山性堆積層、花崗岩層等）及び断層位置を表示した地質分布図が電子データ化（以下、「表層部地質データ」という）されているとともに、各地質構造の種別毎に地盤物性値データが関連づけられて格納されているものである。
また、植生データは、植生の種別（例えば、単純人工林、混交人工林、落葉広葉樹等）を表示した植生図が、３次元地形情報に関連づけられて電子データ化されているものである。
【００２９】
さらに、ボーリングデータは、所定の調査地点でボーリング調査を行った結果を電子データ化したものであり、３次元地形データの平面座標に関連づけられ、調査地点の深さ方向の地質構造のデータ（（地層厚、地下水位、各種地盤物性値データ等）以下、「深さ方向地質データ」という）として格納されている。
【００３０】
［気象情報データベース］
気象情報データベース１３は、所定領域で区分された各地域の降雨量、気温、蒸発水量等の各種気象に関するデータ（以下「気象データ」という）が３次元地形情報と関連づけられた状態で記憶されている手段である。
【００３１】
［水文情報データベース］
水文情報データベース１４は、各河川及び湖沼等に関する河川流量及び貯水量等の各種水文に関するデータが３次元地形情報と関連づけられて記憶されている手段である。
【００３２】
［解析モデル情報データベース］
解析モデル情報データベース１５は、後記水収支算出手段４１で使用されるモデル式及び当該モデル式で使用される各種パラメータが記憶されている手段である。
【００３３】
（２）入力要求部
入力要求部２０は、操作者に対して各種の入力作業を要求する役割を果たすものであり、概略地域入力要求手段２１と、貯水施設条件入力要求手段２２と、止水対策工法条件入力要求手段２３と、解析条件入力要求手段２４と、操作入力要求手段２５とを備えている。
【００３４】
［概略地域入力要求手段］
概略地域入力要求手段２１は、評価対象領域を含む概略地域を広域の3次元地形情報から選択するための手段である。
この概略地域入力要求手段２１は、図２に示すように、所定の縮尺で広域の３次元地形情報が表示されているディスプレイ３ａ上において、貯水施設Ｄの概略位置（例えば、都道府県の所定エリア）の入力を要求することになり、作業者が入力手段２を用いて画面上の位置を指示することによって、概略地域Ｍａが決定され、当該画面上に表示されるように構成されている。
【００３５】
［貯水施設条件入力要求手段］
貯水施設条件入力要求手段２２は、対象とする貯水施設Ｄの構築位置、構造条件及び施工費用等の貯水施設Ｄに関する各種設計条件等の入力を要求する手段である。
例えば、この貯水施設条件入力要求手段２２は、図３に示すように、ディスプレイ３ａに表示された概略地域Ｍａ上において、貯水施設Ｄの構築位置の入力を要求することになり、作業者が入力手段２を用いて画面上の位置を指示することによってその構築位置が決定され、後記貯水施設条件設定手段３３を介して、その３次元位置が貯水施設位置データとして認識されることになる。
【００３６】
また、この貯水施設条件入力要求手段２２は、ディスプレイ３ａに表示された操作画面上において、貯水施設Ｄの構造条件及び施工費用の入力を要求することになり、作業者が入力手段２を用いて、所定の情報を指示することによって、貯水施設条件設定手段３３を介して記憶部７０にデータが格納されることになる。
【００３７】
［止水対策工法条件入力要求手段］
止水対策工法条件入力要求手段２３は、止水対策工法の施工領域及び当該止水対策工法の施工領域における改良された地質データ、施工費用等を含む、各種止水対策工法の施工条件等の入力を要求する手段である。
例えば、この止水対策工法条件入力要求手段２３は、ディスプレイ３ａに表示された解析対象地域Ｍｂ上において、止水対策工法の施工領域を要求することになり、作業者は、入力手段２を用いて画面上の位置を指示することによってその施工位置が決定され、後記止水対策工法条件設定手段３４を介して、その３次元位置が認識されることになる。
【００３８】
また、この止水対策工法条件入力要求手段２３は、ディスプレイ３ａに表示された操作画面上において、止水対策工法の施工領域における改良後の地盤特性値データ、施工費用等の入力を要求することになり、作業者は、入力手段２を用いて、所定の情報を指示することによって、後記止水対策工法条件設定手段３４を介して記憶部７０にデータが格納されることになる。
【００３９】
［解析条件入力要求手段］
解析条件入力要求手段２４は、有限要素法（以下、「ＦＥＭ」という）により水収支の算出を行うために必要となる各種の解析条件の入力を要求する手段である。
この解析条件入力要求手段２４は、ディスプレイ３ａに表示された操作画面上において、分割領域のメッシュ総数、ＦＥＭを実施する際の初期条件、境界条件及び分割領域数など解析に必要な各種条件の入力を要求することになり、作業者は、入力手段２を用いて、所定の情報を指示することによって、後記解析条件設定手段３７を介して記憶部７０にデータが格納されることになる。
【００４０】
また、操作入力要求手段２５は、作業者に、装置全体の各種操作を要求する役割を果たすための要素である。
【００４１】
（３）分析データ作成部
分析データ作成部３０は、流域抽出手段３１と、地質分布作成手段３２と、貯水施設条件設定手段３３と、止水対策工法条件設定手段３４と、解析対象領域複合データ群作成手段３５と、分割領域作成手段３６と、解析条件設定手段３７と、を備えている。
【００４２】
［流域抽出手段］
流域抽出手段３１は、３次元地形情報データベース１１に記憶されている広域の３次元地形情報から、貯水施設Ｄの上流流域を抽出して解析対象領域Ｍｂを決定する手段である。この流域抽出手段３１は、以下の作業を行うことができるように構成されている。すなわち、評価対象領域を小区域（例えば５０ｍ角、以下「セル」という）に分ける。次に、３次元地形情報データベース１１に格納している標高データから各セルの傾斜方向を計算し、地表水の流下方向を計算する。下流側の流出セル（作業者が任意に選択）から上流側のセルを順次抽出することにより上流側の流域である解析対象流域Ｍｂを抽出する。また、各セルの上流側にあるセルの累積数がある閾値以上の値のものを抽出することにより水系図を得ることができるように構成されている（図４参照）。
【００４３】
なお、貯水施設Ｄの３次元位置座標は、後記貯水施設条件設定手段３３により解析可能なデータに変換されて認識されることになる。また、分水境界で囲まれた領域は、標高データを主な指標として、貯水施設Ｄよりも標高が高い領域を抽出することにより、解析対象領域Ｍｂを決定するものである。
【００４４】
［地質分布作成手段］
地質分布作成手段３２は、必要に応じて、地盤性状情報データベース１２に格納されている地質データとボーリングデータとを用いて、解析対象領域Ｍｂにおける深さ方向の３次元地層分布データを修正して、より正確な３次元地層分布データを作成する手段である。
【００４５】
この地質分布作成手段３２は、地盤性状情報データベース１２に記憶されている地質データにおける各点の地層厚データと、所定の各調査地点におけるボーリングデータである深さ方向の地質データから、地質統計手法などを用いて、任意の地点における地層厚を推定することができるように構成されている。地質統計手法は、種々の公知の方法を用いることができるが、例えば、隣接する各ボーリング調査の調査点における地層厚から任意の点の地層厚を内挿補間する方法であるクリッキング法を用いることができる。また、近傍にボーリング調査等による地質データがない場合は、格子状の仮想のボーリングを配置し、想定される地層深度を入力することにより、地質境界を３次元的に構成することもできる。
このようにして推定された各地点における地層厚データは、３次元の電子地図データとして、記憶部７０に記憶されることになる。
【００４６】
［貯水施設条件設定手段］
貯水施設条件設定手段３３は、貯水施設Ｄの各種設計条件等を設定するための手段であり、貯水施設条件入力要求手段２２の要求により、入力手段２を介してディスプレイ３ａ上で入力された貯水施設Ｄの３次元位置を３次元地形情報に対応するデータとして認識させるとともに、貯水施設Ｄの構造条件と、施工費用を関連づけて、記憶部７０に記憶させることができるように構成されている。
【００４７】
［止水対策工法条件設定手段］
止水対策工法条件設定手段３４は、止水対策工法の各種施工条件等を設定するための手段であり、止水対策工法条件入力要求手段２３の要求により、入力手段２を介してディスプレイ３ａ上で入力された止水対策工法を行う領域を３次元地形情報に対応するデータとして認識させるとともに、止水対策工法の施工領域における改良後の地質データ及び施工費用等を関連づけて、記憶部７０に記憶させることができるように構成されている。
【００４８】
［解析対象領域複合データ群作成手段］
解析対象領域複合データ群作成手段３５は、抽出された解析対象領域Ｍｂの３次元地形情報のデータに、当該３次元地形情報に合致するように、解析対象領域Ｍｂの各地点における地質データと、貯水施設位置データ群と、気象データ群とを結合させることにより、解析対象領域複合データ群を作成し、記憶部７０に記憶させるための手段である。
【００４９】
［分割領域作成手段］
分割領域作成手段３６は、解析対象領域Ｍｂにおいて、ＦＥＭの解析対象である分割領域を作成する手段である。
この分割領域作成手段３６は、予め定められている分割領域寸法（若しくは、総分割数）となるように、解析対象領域Ｍｂを、平面方向及び高さ方向について、同寸法の網目状微小領域である３次元の分割領域（メッシュ）に分割し、各分割領域の３次元位置座標の境界値が設定されて、記憶部７０に記憶させることができるように構成されている。（図５参照）
【００５０】
［解析条件設定手段］
解析条件設定手段３７は、ＦＥＭによる水収支の解析を行う解析条件（初期条件、境界条件等）を設定するための手段であり、解析条件入力要求手段２４の要求により、入力手段２を介してディスプレイ３ａ上で入力された解析条件を解析可能なデータに変換させて認識させ、記憶部７０に記憶させることができるように構成されている。
入力される境界条件、初期条件は、各分割領域における経時的な降雨量分布、境界水位、流量境界（不透水境界含む）、初期地表水位、初期地下水位、である。
【００５１】
（４）演算部
演算部４０は、水収支算出手段４１と、投資対効果指標算出手段４２とを備えている。
【００５２】
［水収支算出手段］
水収支算出手段４１は、ＦＥＭを用い、各分割領域間の相互の地表水及び地下水の流入量と流出量を求め、貯水施設Ｄの貯水量及び漏水量を算出する手段である。
【００５３】
図６は支配方程式の考え方をモデル化した概念図であり、分割領域における代表点を模式的に示したものであり、地表面ＧＬを流れる地表水と、地表面ＧＬ以下を流れる地下水と、降雨Ｒ等との関係を示している。
当該モデルでは、降雨Ｒが、地表に到達して地表面を流れる地表水の流れ（以下「地表水流」という）Ｗと、地中に浸透して地中を流れる地下水の流れ（以下「地下水流」という）ＧＷとに分割されるものとした。さらに、地下水流ＧＷは、地下水位ＧＷＬより上部では、パイプ要素Ｐを介して地表水から地下水への流入と地下水から地表水への流出をする２次元的な流れ（不飽和地下水流）ＧＷ１とし、地下水位ＧＷＬより下部では、ソリッド要素Ｓの地層全般に地下水が浸透する３次元的な流れ（飽和地下水流）ＧＷ２としてモデル化した。
前記水収支算出手段４１は、地表水流Ｗと、地下水流ＧＷを統合して、その水収支を算出することができるようになっており、地表水流Ｗの運動方程式と、地下水流ＧＷの運動方程式と、地表水と地下水相互間の水のやりとりを考慮した質量保存式から構成される支配方程式について、各分割領域間で有限要素法による数値解析を用いて繰り返し計算を行うことができるように構成されている（図６参照）。
【００５４】
地表水流Ｗとしては、地表面、河川、沢等の水流を考え、その運動方程式は、開水路流れに対するマニングの式、Ｃｈｅｚｙ公式、或いは、Ｄａｒｃｙ−Ｗｅｉｓｗａｃｈ式等を用いることができ、本実施形態ではマニングの式（ａ）を用いている。
【００５５】
【数１】
2005030108.tif 000003
【００５６】
一方、地下水流ＧＷは、地下水位ＧＷＬより上部の不飽和地下水と、当該地下水位ＧＷＬより下部の飽和地下水に分けて、別々の運動方程式を設定している。
本実施形態では、飽和部および不飽和部の地下流の運動方程式として、浸透量が透水係数とポテンシャル勾配に比例するというダルシーの式（ｂ）を用いている。なお、不飽和部の透水係数は、地盤の飽和度（体積含水率）の関数と考える。
【００５７】
【数２】
2005030108.tif 000004
【００５８】
そして、質量保存式（ｃ）、（ｄ）は、基本的には、サンブナン方程式を用い、降雨量Ｒ、地表水流Ｗ及び地下水流ＧＷのやりとりを考慮して定式化されている。
地表水の質量保存式
降雨量＋［地表面における地表水の流入量−地表面における地表水の流出量］（地表水の純増量）＋［地表水から地下水への流入量−地下水から地表水への流出量］（地下水の純増量）＝一定          （ｃ）
【００５９】
不飽和地下水（飽和地下水）の質量保存式
地下水涵養量＋［地表水から地下水への流入量−地下水から地表水の流出量］（地表水の純増量）＋［地中における地下水の流入量−地中における地下水の流出量］（地下水の純増量）＝一定          （ｄ）
【００６０】
なお、地表水から地下水への流入量ＷＩ又は地下水から地表水の流出量ＷＯは、地表水と地下水のポテンシャル差と流入・流出係数の積として式（ｅ）により定式化される。
【００６１】
【数３】
2005030108.tif 000005
【００６２】
そして、水収支算出手段４１は、前記境界条件、初期条件を満足するように、公知のＦＥＭ（例えば、重み付き残差法の一つであるガラーキン法によるＦＥＭ等）を用いて数値解析を行い、前記各分割領域間の前記地表水量と前記地下水量が所定の平衡状態となった場合において、その値をもって前記各分割領域における地表水量Ｗ及び地下水量ＧＷとして決定することができるように構成されている。
【００６３】
そして、貯水施設Ｄに対応する総ての分割領域について、地表水量Ｗの総和及び地下水の流出量の総和（漏水量に対応）を算出することができるようになっている。
なお、その他の演算結果として得られるのは、地表水位、地表水の流速ベクトル、河川水位、河川流量、地下水涵養量、飽和度等である。
【００６４】
［投資対効果指標算出手段］
投資対効果指標算出手段４２は、水収支算出手段４１により算出された複数ケースの貯水量等の算出結果と、貯水施設Ｄの施工費用又は貯水施設Ｄの周辺地盤に止水対策工法を行った場合にはその施工費用から投資対効果指標を算出する手段である。
投資対効果指標としては、種々の指標を算出することができるが、例えば、下式（ｆ）及び（ｇ）に示すように、基準となる標準的な貯水施設Ｄを構築（又は、止水対策工施工）した場合（以下、「基準ケース」という場合がある）の貯水施設Ｄからの漏水量と、比較対照を行う際の貯水施設Ｄを構築（又は、止水対策工施工）した場合（以下、「比較ケース」という場合がある）の貯水施設Ｄからの漏水量を、各種の施工費用で除した指標等を用いることができ、投資対効果指標算出手段４２は、これらの各種指標を算出することができるように構成されている。
【００６５】
貯水施設投資対効果指標
＝（比較ケース漏水量−基準ケース漏水量）×基準貯水施設施工費用
／（基準ケース漏水量×対象貯水施設施工費用）×１００（％）        （ｆ）
止水工法投資対効果指標
＝（比較ケース漏水量−基準ケース漏水量）×基準ケース止水工法施工費用
／（基準ケース漏水量×対象ケース止水工法施工費用）×１００（％）  （ｇ）
【００６６】
（５）解析結果表示部
解析結果表示部５０は、水収支算出手段４１により算出された水収支の算出結果（例えば、算出された地表水や地下水の流れ等）、記憶部７０に記憶されている各種データ、解析対象領域複合データ群における３次元地形情報の所定項目のデータ（地形図、鳥瞰図、地層厚分布等）及び分割領域の分布、を出力手段３に表示させる手段である。
この解析結果表示部５０は、解析対象領域を示す出力原図上にその位置関係に対応づけて、各種データを表示させることができるように構成されている。
【００６７】
（６）その他
装置本体１は、各手段（入力手段２及び出力手段３も含む）を制御するための制御部６０と、解析対象領域複合データ及び演算結果等を記憶するための記憶部７０とを備えている。
【００６８】
＜水文域評価装置の使用方法＞
本発明の水文域評価装置Ｔの動作について、図７を参照して説明する。
【００６９】
［概略地域入力Ｓ１］
水文域評価装置Ｔを起動させると、図２に示すような広域の３次元地形情報Ｍがディスプレイ３ａに表示されるとともに、操作者に対して、概略地域入力要求手段２１が解析を行う概略地域Ｍａの入力を要求する。操作者は、ディスプレイ３ａ上において、入力手段２により所望の位置を指示する作業を行うと、入力信号が受信されることで概略地域Ｍａが決定されて、図３のように当該ディスプレイ３ａ上に表示される。
【００７０】
［貯水施設位置入力Ｓ２］
続いて、貯水施設条件入力要求手段２２が、貯水施設Ｄの位置の入力を要求するため、操作者は、ディスプレイ３ａに表示された概略地域Ｍａ上において、入力手段２により所望の位置を指示する。すると、入力信号が受信されて貯水施設条件設定手段３３により、入力された貯水施設Ｄの３次元位置が地図データ上の位置として認識されるともに、その位置が概略地域Ｍａ上に表示される（図４参照）。
【００７１】
［貯水施設等の構造入力Ｓ３］
また、貯水施設条件入力要求手段２２が貯水施設Ｄの構造条件及び施工費用の入力を要求するため、操作者は、入力手段２により各データを入力する。すると、入力信号が受信されて貯水施設条件設定手段３３により、入力された貯水施設Ｄの構造が解析対象領域Ｍｂ内のデータとして認識されるともに、その構造物が概略地域Ｍａ上に表示される（図４参照）。
【００７２】
続いて、止水対策工法条件入力要求手段２３が、止水対策工法の有無、施工領域及び当該止水対策工法の施工領域における改良された地質データ、施工費用等を含む、各種止水対策工法の施工条件等の入力を要求するため、入力手段２により各データを入力する。すると、入力信号が受信されて止水対策工法条件設定手段３４により、入力された貯水施設Ｄの構造が解析対象領域Ｍｂ内のデータとして認識されるともに、その構造が概略地域Ｍａ上に表示される。
【００７３】
［解析対象領域決定Ｓ４］
そして、流域抽出手段３１が、３次元地形情報データベース１１に記憶されている３次元地形情報Ｍから、位置が特定された前記貯水施設Ｄに流入する総ての河川を抽出し、当該貯水施設Ｄの上流であり、前記各河川に流れ込む分水境界で囲まれた領域を抽出することにより、解析対象領域Ｍｂが決定される。
【００７４】
続いて、解析対象領域複合データ群作成手段３５が作動して抽出された解析対象領域Ｍｂの３次元地形情報のデータについて、地質データ、貯水施設条件データ、気象データ等を結合し、解析対象領域複合データ群を作成し、記憶部７０に記憶させる。
【００７５】
［解析条件入力Ｓ５］
続いて、分割領域作成手段３６が、予め定められているメッシュ寸法及び分割領域総数となるように、解析対象領域Ｍｂを、平面方向及び高さ方向について、３次元の分割領域に分割する。（図５参照）
【００７６】
そして、解析条件入力要求手段２４の要求により、入力手段２を介してディスプレイ３ａ上で所定の初期条件及び境界条件（各分割領域における系時的な降雨量分布Ｒ、初期地表水位ＷＬ及び初期地下水位ＧＷＬ、初期地表水量及び初期地中水量）を入力すると、解析条件設定手段３７によりその値が認識され、水収支算出部４１に受け渡される。
【００７７】
［ＦＥＭ解析Ｓ６及び解析結果表示Ｓ８］
そして、水収支算出手段４１が、ＦＥＭによって、前記各分割領域間の相互の地表水流Ｗ及び地下水流ＧＷ、地表水から地下水への流入量ＷＩ及び地下水から地表水への流出量ＷＯを求め、貯水施設Ｄの貯水量及び漏水量を算出するとともに、解析結果表示部５０の動作により、ディスプレイ３ａにその結果が表示される。
【００７８】
［貯水施設投資対効果指標等算出Ｓ７及び解析結果表示Ｓ８］
さらに、投資対効果指標算出手段４２が、水収支算出手段４１により算出された貯水量及び漏水量と、貯水施設Ｄの施工費用等から貯水施設投資対効果指標を算出して、解析結果表示部５０の動作により、ディスプレイ３ａにその結果が表示されることになる。
また、止水対策工法を行った場合には、投資対効果指標算出手段４２が、水収支算出手段４１により算出された貯水量と、止水対策工法の施工費用から止水工法投資対効果指標を算出して、解析結果表示部５０の動作により、ディスプレイ３ａにその結果が表示されることになる。
【００７９】
このとき、貯水施設Ｄの構築位置や、貯水施設Ｄの構造を選択して、前記と同様の一連の処理を行い、投資対効果指標を算出することにより、容易に代替案の比較評価を行うことが可能となる。
【００８０】
このように、本発明によれば、水収支算出手段４１により、貯水施設Ｄへの地表水の流入量及び地下水の涵養量と、前記貯水施設Ｄの下流側に浸透する浸透量の水収支をＦＥＭを使用して算出することで、正確かつ簡易に、貯水施設Ｄを構築する対象地盤の貯水性機能評価を行うことが可能となる。従って、解析対象領域の地質に応じて、適切な貯水施設Ｄの構築を行うことが可能となる。
【００８１】
また、水文域評価装置Ｔは、解析結果表示部５０を備えているため、解析結果を画面上で視認して、容易にその判断等を行うことが可能となる。
【００８２】
また、貯水施設Ｄの概略計画を策定する際において、同一の貯水施設Ｄを他の場所に配置する場合や、仕様を変更した場合において、貯水機能や経済性の評価を容易に比較することができることから、当該貯水施設Ｄの適否を簡易かつ迅速に判断することができる。
【００８３】
以上、本発明について、好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は当該実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
特に、本発明による水文域評価装置を貯水施設に使用するものとしたが、これに限られるものではなく、雨水浸透施設の配置検討、地下水の最適揚水計画検討、集中豪雨による河川の流量予測、地下水・湧水保全対策検討、トンネル施工による地表水や地下水への影響評価などの、水文全般に用いることができる。
また、貯水施設は、ダムに限られるものではなく、雨水調整池等の各種施設に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の水文域評価装置を示す構成図である。
【図２】３次元地形情報がディスプレイに表示された状態を示す図（平面図）である。
【図３】概略地域がディスプレイに表示された状態を示す図（平面図）である。
【図４】解析対象領域がディスプレイに表示された状態を示す領域（斜視）図である。
【図５】解析対象領域における分割領域がディスプレイに表示された状態を示す領域（断面）図である。
【図６】支配方程式の考え方を示す概念図である。
【図７】貯水施設評価方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００８５】
１      装置本体
２      入力手段
３      出力手段
１０    データベース
２０    入力要求部
３０    分析データ作成部
４０    演算部
５０    解析結果表示部
Ｔ      水文域評価装置
【図１】
2005030108.tif 000006
【図２】
2005030108.tif 000007
【図３】
2005030108.tif 000008
【図４】
2005030108.tif 000009
【図５】
2005030108.tif 000010
【図６】
2005030108.tif 000011
【図７】
2005030108.tif 000012