5.1
長時間アンサンブル降雨予測活用のためのダム操作に関する研究
研 究 年 度：令和 4 年度
研 究 分 野：ダム操作に関する研究
調 査 研 究 名：ダム操作に関する検討
研 究 者 名：梅園拓磨 * 、箱石憲昭、杉澤亘【要約】
近年、豪雨災害が頻発化し、治水を目的とするダムでは洪水調節容量を使い切り、異常洪水時防災操作へ移行する事例が増えている。このため、国土交通省はその対策の一環として事前放流ガイドラインを令和 2 年 4 月に策定した。これは、治水目的のダムのみならず利水ダムも含めて既存ダムの有効貯水容量を洪水調節に最大限活用できるようにしたものである。しかしながら、事前放流の実施判断の基礎となる降雨予測には不確実性が含まれているため、実施判断が 3 日前までに限られており、豪雨が襲来するまでに必要な調節容量を確保できない可能性がある。また、利水面では降雨予測の不確実性による空振りのために利水容量の回復が困難になる可能性がある。
そこで本研究では、これらの課題に対応するために、近年の気象予測技術の進展により現業の気象予報に導入されている長時間アンサンブル降雨予測をダム操作に活用することを目標に、社会実装にあたって必要となる現行操作ルール等における課題を整理するとともに、操作ルール等への反映方法について検討を行った。本報文は、その成果について報告するものである。
【キーワード】
長時間アンサンブル降雨予測、ダム操作、不確実性、空振り、見逃し【背景・目的】近年、毎年のように日本各地で豪雨災害が発生しており、治水目的を有するダムにおいては洪水調節容量を使い切り異常洪水時防災操作に移行するダムもあるなど、大規模な洪水の頻発に備える必要性に迫られている。
国土交通省はその対策の一環として、既存ダムの有効貯水容量を洪水調節に最大限活用できるようにするため、国土交通省所管ダム及び河川法第 26 条の許可を受けて設置された利水ダムを対象に、事前放流を実施するにあたっての基本的事項を定めた事前放流ガイドラインを令和 2 年 4 月に策定した。
しかしながら、この事前放流ガイドラインでは、事前放流の実施判断の基礎となる降雨予測に不確実性が含まれるため、事前放流の実施判断は 3 日前から行うことを基本としており、有効貯水容量の洪水調節への活用が限定的になり目標とする事前放流水位に到達できなかったり、発電使用水量を超える無効放流を発生させる懸念がある。
また、ガイドラインに基づいて事前放流を行った後に低下させた貯水位が回復せず、ダムからの補給による水利用が困難となり、利水者に特別な負担が生じた場合には損失補填制度により補填することとしており、事前放流の空振りによる利水面への影響に懸念が残されている。
近年、気象予測技術の進展により従前よりも降雨予測精度が向上し、ダム操作への活用に期待が持てるようになってきた。
そこで本研究では、従来の短時間の予測情報を用いたダム運用に対して、長時間アンサンブル降雨予測を活用 1)したより確実なダム事前放流操作とあわせて利水（発電）の増大を図るダムの高度化運用 2)について検討を行った(表-1 参照)。

表-1 長時間アンサンブル降雨予測を活用したダム操作が目指す治水対策と水利用
長時間アンサンブル降雨予測
現状
平常時
洪水予測時
平常時
洪水予測時

5-1

測を活用したダム運用操作による早期の事前放流を行う「アンサンブル事前放流」の第 2 段階、さらにはそれより以前の平常時に貯水位を高く維持して「弾力的管理」を行う第 1 段階、さらに洪水調節後に緩やかに貯水位を低下させる「後期放流」の第5 段階を設定している。これらの各段階の操作ルールについて、各種の放流シミュレーション事例の分析を行った (表-3,図-2,3 参照)。
なお、事例分析では長時間アンサンブル降雨予測を活用したダム操作を導入した際に想定されるメリットについて仮説を立て、シミュレーション事例により検証を行った(表-4 参照)。

【研究内容】(1) 長時間アンサンブル降雨予測
降雨予測には不確実性（誤差）があることから、ダム管理者が降雨予測の不確実性の程度を踏まえてダム操作に活用するには不確実性の定量化が必要であり、ダム流入量の予測のためには更なる降雨予測精度の向上が不可欠である。
長時間アンサンブル降雨予測は、「不確実性の定量化」を図ることができる特徴を有しており、従来技術との比較は図-1,表-2 のとおりである。

(3) 活用対象ダムの選定方法
洪水時における異常洪水時防災操作の実態や事前放流点検結果（治水ポテンシャルに対する貯水位低下や下流河川への効果）3)を踏まえ、①相当雨量、②流域面積支配率、③放流能力等の観点から、長時間アンサンブル降雨予測を活用するダム選定の考え方の整理を行った。
以下に示すダム選定の目安値は、事前放流を改善可能なダムとして、確実な貯水位低下と治水効果を確保できるダム、発電効果（増電）が得られるダムを対象としている。

図-1 2019 年台風 19 号時の台風経路予測 2)表-2 従来技術と長時間アンサンブル降雨予測
技術との比較表
従 来 技 術

① 多目的ダム（制限水位方式）

長時間アンサンブル降雨
※1

予測 技術

評価指標

目安値

1-3 日前

最大 15 日前

相当雨量

現行治水容量＋事前放流による確保容量：100mm 以上

予測量の20km メッシュ

1km メッシュの降雨分布

支配率 25～40%以上

解像度の降雨分布

1 時間の雨量の時間解像度

流域面積支配率（下流基準点）

3 時間の雨量のAI を用いた時空間ダウン

放流能力

目標水位時の放流能力＞洪水量

時間解像度

スケーリング※2

1 本の予測51 本の予測(ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ平均、値を用いて多数の予測を行い、実際の現象がその予測の以上の評価指標のうちいずれかが該当する場合を対象ダムの目安とする。
②利水ダム（主としてⅠ類ダムとするが、今後放流管増設や嵩上げ等を行うダムは、Ⅰ類ダムに限定しないものとする） ※揚水発電ダムは要検討

幅の中で納まるシナリオを表示する手法。

評価指標

目安値

相当雨量

事前放流による確保容量：50～100mm 以上

流域面積支配率（下流基準点）

支配率 25～40%以上

放流能力

目標水位時の放流能力＞洪水量

確保容量

数百万 m3 以上
相当雨量が小さくても確保容量が大きく、利水メリットと合わせて評価(GSM,MSM)
事前放流開始計画

予測量の幅上位/中位/下位予測)等※1 アンサンブル予測：わずかなばらつきのある複数の初期※2 ダウンスケーリング：予測データを、時間的・空間的により細かく表現する手法。

(2) ダム操作への活用検証
長時間アンサンブル降雨予測を活用したダム操作については、表－3 と図‐2、－3 に示すように、降雨前の平常時から、事前放流開始後貯水位が回復するまでの間を 5 つの段階に整理している。従来の洪水処理操作は第 4 段階、現在の事前放流ガイドラインによる事前放流は第 3 段階であり、これらに加えて、今回の研究では、長時間アンサンブル降雨予5-2以上の評価指標のうちいずれかが該当する場合を対象ダムの目安とする。

表-3 ダム操作の各段階と長時間アンサンブル降雨予測の活用イメージ
平常時は、長時間アンサンブル降雨予測の活用により弾力的運用を行い、貯水位を高く維持して発電量を増大と確実な水位低下を行う
降雨の１週間程度前から、長時間アンサンブル降雨予測の活用により、事前放流を可能とし、治水機能の強化と無効放流の低減(緩やかな水位低下)により発電量を増大させて、確実な貯水位低下と予測空振りの影響を低減する
事前放流ガイドラインに基づく水位低下を行う
洪水時の操作規則(操作規程)に基づく洪水処理操作(異常洪水時防災操作、特別防災操作を含む)を行う
後期放流時に、長時間アンサンブル降雨予測の活用により、緩やかに貯水位を低下させて無効放流を低減させることによる発電量増大を行う

第 1 段階第 2 段階第 3 段階第 4 段階第 5 段階

BeforeMSM,LFM(0.52⽇先予測)

After

MSM,LFM(0.52⽇先予測)GSM(3.5⽇先予測)GSM(3.5⽇先予測)

アンサンブル降⾬予測(15⽇先予測)

3⽇前

5 7⽇前

降⾬

事前放流

通常運⽤

第3段階

▼洪⽔時最⾼⽔位(サーチャージ⽔位)
一般に、洪水期は制限水位を上限として貯水位を管理する。

洪⽔調節

後期放流

第4段階

▼⽬標⽔位

第5段階

洪⽔調節

後期放流

基準降雨量を超えている場合、GSM予測或いはアンサンブル予測による水位低下

確実に目標水位に水位を低下させ、治水容量を確保することが可能

時間

流⼊量

凡例
貯⽔位
流⼊量
発電放流量
ゲート放流量

洪水後期放流時の水位低下
操作時の発電最大使用水量を上回るゲート放流により、無効放流が生じる。

ダム操作方法

第4段階

事前放流

▼⽬標⽔位

流量流量

ゲート放流量

第3段階水位低下判断がBeforより早いため制限水位より高い活用水位にて貯水池運用が可能となる（弾力的管理運用が可能）

⽔位時間

流⼊量
水位低下操作時に、発電最大使用水量を上回るゲート放流が必要な場合もあり、無効放流が生じる。

基準降雨量を超えない場
合、水位低下は活用水位

第2段階▼洪⽔貯留準備⽔位(制限⽔位)

GSMの予測不安定要因や、ダム放流能力、水位低下速度条
件から目標水位に到達できないダムも想定される。

アンサンブル降⾬予測(15⽇先予測)

降⾬

基準降雨量を超えている場合、目標水位に向けて水位低下

第1段階

▼活⽤⽔位

▼洪⽔貯留準備⽔位(制限⽔位)

凡例
貯⽔位
流⼊量
発電放流量
ゲート放流量

最大15日前の予想結果より、制限水位まで水位低下▼洪⽔時最⾼⽔位(サーチャージ⽔位)

GSMの予測雨量に基づき事前放流を開始する。

現在の運⽤⽔位

3⽇前

5 7⽇前

10 15⽇前
貯⽔位

貯⽔位

10 15⽇前

放流操作継続中に、予測が変化し、基準降雨量を下回った場合、アンサンブル事前放流は中断

ゲート放流量

ダム操作方法洪⽔量

操作上の課題洪⽔量

SIP操作効果

発電最大使用水量の安定的な利用が可能となり、増電に寄与する発電最⼤使⽤⽔量

発電最⼤使⽤⽔量
時間

時間

図-2 多目的ダム(制限水位方式)のダム操作概要(Before：ガイドライン予測を用いた事前放流
After：長時間アンサンブル降雨予測を活用した事前放流)

BeforeAfter

MSM,LFM(0.52⽇先予測)MSM,LFM(0.52⽇先予測)GSM(3.5⽇先予測)GSM(3.5⽇先予測)

5 7⽇前

アンサンブル降⾬予測(15⽇先予測)

3⽇前
事前放流

第3段階

▼常時満⽔位▼予備放流⽔位

貯⽔ 位

貯⽔位

10 15⽇前

⾼⽔位運⽤

第4段階
ゲート放流操作により速やかに予備放流水位に低下させる。

運用制限水位による発電により、取水位が低いため、発生電力量は、フル発電とはならない。

10 15⽇前

⾼⽔位運⽤

事前放流

第2段階

最大15日前の予想結果より、目標水位に向けて段階的に水位低下させる。

アンサンブル降⾬予測(15⽇先予測)

3⽇前

先回り放⽔

第1段階

▼常時溝⽔位

第3段階

第4段階

第5段階
基準降雨量を超えない場合、水位低下は予備放流水位に緩やかにすりつける

基準降雨量を超えている場合、GSM予測雨量或いはアンサンブル予測による水位低下▼予備放流⽔位▼運⽤制限⽔位（現）緩やかに水位を低下させる
ことで、無効放流が減少▼運⽤制限⽔位（現）現在の運⽤⽔位Beforeより高い取水位

⽔位

▼⽬標⽔位

▼⽬標⽔位
流⼊量

時間

流量

流量

凡例
貯⽔位
流⼊量
発電放流量
ゲート放流量
ダム操作方法ゲート放流量

時間

凡例
貯⽔位
流⼊量
発電放流量
ゲート放流量
ダム操作方法事前放流時の放流量（最大使用水量）を活用してフル発電する

SIP操作効果

ゲート放流量

発電最⼤使⽤⽔量

フル発電

通常運⽤

発電放流量
時間

発電最⼤使⽤⽔量
増量

流⼊量

水位低下時の放流増分を用いて、また需給状況、下流利水補給条件に応じて発電（増電）洪⽔量

操作上の課題

通常運⽤

5 7⽇前

増量

水位低下を緩やかにすることで無効放流が」減少（増電）

洪⽔量
フル発電
発電放流量

時間

図-3 利水ダム(電力)のダム操作概要(Before：ガイドライン予測を用いた事前放流
After：長時間アンサンブル降雨予測を活用した事前放流)

5-3

表-4

想定されるメリットと事例・検証結果想定される仮説
事前放流のBefore

空振り(単独ダム)

After
Before

After
シリーズダ
ムへの影響
(水系一貫)

BeforeAfter

連続(二山)

Before

洪水水位低下速度制限(単独ダム)

After

アンサンブ
ル予測によ

Beforeる一連のダ
ム操作(単独ダム)(水系一貫)

After

事例・検証結果

・ 検証ダム 28(多目的ダム 24)において実績(解析
予測精度により事前放流の空振りが発生雨量)と上位予測、下位予測の散布図を作成
・
その結果、下位予測（5 日間）と実績（10 日間）の下位予測を事前放流開始判断基準にする
総降雨量の比較から回復可能性を確認ことで、空振りが軽減◆大雨事例における事前放流の評価
・ 1 水系ダム群(4 ダム)を対象に、大雨事例と予測
空振り事例で事前放流シミュレーション実施
早い段階から事前放流をするため、利水放流による水位低下が可能となり、下流 ・ その結果、事前放流を利水放流でゆっくり落とす
ことで、無効放流を抑制可能であることを確認
発電所が増電急激な事前放流により無効放流が発生◆空振事例における事前放流の評価
ガイドライン予測による事前放流時間が ・ 1 水系単独ダムにおいて、大雨事例と予測空振り短い。
事例で事前放流シミュレーションを実施
・ その結果、ゲート放流の場合必然的に事前放流量が長時間アンサンブル降雨予測による事前大きくなる。利水放流だけでは水位の低下に時間が放流時間が長くなることから、水位低下量かかるが、長時間アンサンブル降雨予測を使うことが増加で時間を確保できることを確認
二山洪水では事前放流が不連続になり、 ・ 1 水系単独ダムにおいて、二山洪水の大雨事例と予測が空振りの事例で水位低下速度制限を設定し水位低下速度に制限がある場合に水位事前放流シミュレーションを実施
低下量が抑制され治水効果が減少
・ その結果、二山洪水であっても長時間アンサンブル
予測は、リードタイムが長いため事前放流が中断
事前放流がシームレスに継続されることされることなく継続し、ガイドライン予測より水位で水位低下量が増加し、治水効果が増大低下量が増大することを確認
時間を空けた連続した出水に対し、従前の ・ 1 水系単独ダムにおいて、大雨事例と予測が空振りの事例で事前放流シミュレーションを行った
ガイドライン予測では次の出水を予測
その結果アンサンブル予測のみを利用した場合、・するタイミングが遅れ急激な事前放流と長時間でゆっくり操作することが可能となり、治水なると利水の両面のリスクにバランスよく対応できる
長時間アンサンブル降雨予測による事前ことを確認
放流では次の出水をシームレスに予測し、・ 最初の洪水と次の洪水のための水位低下操作が急激な事前放流を解消適切に対応できるようになる

Before：ガイドライン予測を用いた事前放流
After：長時間アンサンブル降雨予測を活用した事前放流(4) 社会実装に向けての課題【参考文献】
ダムの洪水調節方法を変更する場合は、ダムから
1）角哲也、加納茂紀、道広有理：長時間アンサンの放流による河川管理上の責任を明確にすることがブル降雨予測を用いたダム操作のパラダイム特に重要であり、そのためには、操作規則・細則、シフト、河川 January 2021 No.894
操作規程等への反映が必須である。既存の操作規2) 内閣府 戦略的イノベーション創造プログラム
則・細則、操作規程等は、長時間アンサンブル降雨(SIP) 国家レジリエンス(防災・減災)の強化
予測を活用したものとなっていないため、社会実装
テーマⅥ スーパー台風被害予測システムのにあたってはこれらを改正する必要がある。
開発 令和 5 年 3 月 1 日
長時間アンサンブル降雨予測の試行ダムにおいて、 3) JAPIC 水循環委員会シンポジウム(激化する気候
長時間アンサンブル降雨予測を活用したダム操作の変動に備える治水対策と水力発電の強化)効果検証等を実施する必要がある。また、対象ダム「長時間アンサンブル降雨予測で見える世界の目安値についても、今後の継続的な検証結果によ－ダム操作をどう変えるか？」（発表者：京都り見直し修正が必要である。
大学防災研究所 角教授）2022.4.11
実装ダムでの効果検証、フォローアップ、他ダムへの水平展開を今後検討していく必要がある。

5-4