水工学論文集,第50巻,2006年2月

ダム操作過程を導入した広域分布型流出予測システムによる淀川流域の治水安全度評価
                                    

佐山敬洋・菅野浩樹・立川康人・寶 馨       

 

正会員 修 工 京都大学防災研究所助手 社会防災研究部門 〒  宇治市五ヶ庄
学生会員 学 工 京都大学大学院工学研究科 都市環境工学専攻 〒  京都市左京区吉田本町

正会員 博 工 京都大学防災研究所助教授 社会防災研究部門 〒  宇治市五ヶ庄

フェロー会員 工博 京都大学防災研究所教授 社会防災研究部門 〒  宇治市五ヶ庄                    
     ! "                        #    ! $                
   %       &   
 #    ! "      #  #          
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      ! "                 #    #   ( '         !

          

はじめに   かにし，超過洪水対策を考える指針を与えなければならない．

 年は新潟・福島豪雨，福井豪雨，台風  号による由良川，円山川の洪水など，中小河川における洪水災害が頻発した．一連の災害は，未だ河川の整備水準が低いことが要因のひとつではあるが，計画で想定した自然外力を超える豪雨が発生したことも大きな要因である  ．これまでの河川整備は，計画規模に応じた基本高水を設定し，計画高水流量を決定して，その流量を安全に流下できるように河道を整備するという方針で行ってきた．しかし，河川整備には費用と時間がかか

筆者らはこれまで，ダムの流況制御の影響を考慮し中小河川も含めて洪水流出を予測することが可能なシステムを淀川流域を対象にして開発してきた ．本論はこのシステムを用いて，淀川流域の複数の地点で既存の治水施設と河道の整備状況にもとづいた現在の治水安全度の評価を行うことを目的とする．また，どのような規模の洪水に対してダムが機能を発揮しなくなるのかを分析するとともに，そうしたダムの治水効果が流域内の地点間でどのように異なるのかを分析する．

り，実際にはほとんどの河川が整備途上である．また，将来にわたって気象外力の発生頻度が同一であるとは

治水安全度の評価方法いえず，同じ治水施設であっても，最近数十年の気象条件と将来の気象条件とではそれが同じ治水安全度を異なる確率規模の降雨を流出予測システムに入力し，有するとはいえなくなってきている．こうした状況下ダム群が存在しないと仮定する場合の河川流量の計算

では，既存の治水施設の効果と現状の河道の整備状況結果とダム群を考慮する場合の河川流量の計算結果をに応じて河川が現在どの程度の治水安全度を有するのもとに治水安全度の評価を行う．計画論的立場から，ダかを評価することが極めて重要であり，そういった情ム群の影響を考慮して同様の手法で治水安全度を評価し報に応じて対策を講じなければならない．また，計画た研究はこれまでもいくつかなされているが  ，本を超える自然外力に対して，既存の施設がどのように研究ではダム群の操作過程を詳細に再現する広域分布機能を発揮し，また機能を発揮しなくなるのかを明ら型流出予測システムを用いて，淀川流域の現状の治水- 601 -ᐕ㨪ᐕߩ࿾ὐ᷹ⷰᣣ㔎㊂࠺࡯࠲ᐕ㨪ᐕߩ࿾ὐ᷹ⷰ
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ᐕᐕᐕᐕߦ⋧ᒰߔࠆࠃ߁
ᒁ߈િ߫ߒߚ㒠㔎ࠗࡌࡦ࠻図  ダム要素モデルで考慮する六段階の操作過程と基準となる水位．

࠳ࡓࠍ⠨ᘦߒߥ޿႐วߩࡇ࡯ࠢᵹ㊂⟲㧔⥄ὼᵹ㊂㧕
࠳ࡓࠍ⠨ᘦߔࠆ႐วߩࡇ࡯ࠢᵹ㊂⟲㧔೙ᓮᵹ㊂㧕

ルを選択する．なお，プロッティングポジション公式にᴦ᳓቟ోᐲはカナンの式を用いた ．
上述の基準で水文頻度解析を実行した結果，評価の図  治水安全度評価の流れ．

対象とする - 地点の上流域のうち，桂上流域以外では&%'() 分布を，桂上流域では &*+ 分布を採用するこ安全度を評価する．ととなった．

図  の左上に示すように，より長期間の観測データが得られる日雨量を用いて評価対象地点の上流域にお

入力降雨の作成

ける確率雨量を求める．つぎに，図  の右上に示すよ治水安全度評価を行うための入力降雨は，過去  年

対象地点の上流域で  時間雨量の多い順に  パター雨量をもとに作成した．まず，国土交通省 !旧建設省"，

ンの降雨分布を得る．この降雨分布を複数の確率雨量

気象台，アメダスの時間雨量データを最近隣法で空間うに，過去  年間に観測された時間雨量の中から評価

間 !  年〜 年" に淀川流域内で観測された時間分布させ，空間分解能 #$ %，時間分解能  時間の降に相当するように引き伸ばして入力降雨とする．

雨分布を淀川流域全域で作成する．つぎに各対象地点
確率雨量の設定

確率雨量の計算には，過去年間 !  年〜

 年"

上流域の流域平均雨量の時系列を計算し，それぞれの年で流域平均雨量が最大となる  時間を抽出する．そに淀川流域内で観測された旧建設省，気象台，アメダの中から  時間雨量の多い順に  降雨イベントを抽スの日雨量データを用いる．まず淀川流域を覆う領域出し，これを引き伸ばすもとの降雨分布とする．ここ用いて地点雨量から空間分布雨量を作成する．作成しおおよその時空間パターンをカバーできること，それに空間分解能 #$ % のグリッドを設定し，最近隣法をで，上位  イベントを採用した理由は， イベントでた空間分布雨量から対象流域ごとに面積雨量を計算し，以上選択すると引き伸ばし率が  を超え非現実的な入年間分の流域平均日雨量系列を得る．つぎに，この力降雨を作成することになるためである．対象地点ご系列をもとに年最大二日雨量を計算し，以下に示す方とに選択した  種類の降雨イベントを流域平均二日雨法で水文頻度解析を実行する．本論では流域平均二日量のリターンピリオドが $ 年， 年，$ 年， 年

雨量を基準に確率雨量を計算するが，これは淀川水系に相当するように引き伸ばして入力降雨とした．

工事実施基本計画において枚方，加茂，羽束師，天ヶ瀬の地点がいずれも計画雨量の継続時間を二日間としていることによる．



ダム群の操作過程を考慮した流出計算

上述の手法で得た評価対象地点上流域における  種

水文頻度解析には !財" 国土技術研究センターで開発

類 ! イベントをそれぞれを  つの確率雨量に対応して極値理論に基づく &%'() 分布と &*+ 分布を基本的な考慮する広域分布型流出予測システムに入力する．予された水文統計ユーティリティー を用いた．本論では，水文頻度解析モデルとし，両方のモデルがともに ,

# 以下，相関係数 #以上の場合にはより適合度の高い方を，どちらか一方のモデルがこの基準を満たしている場合はより適合度の高いモデルを選択した．も引き伸ばした降雨群" の降雨分布を，ダムの操作過程を測システムの構成や再現結果の詳細については文献 を参照されたい．ここでは，その概要と本論の分析に重要なダムの要素モデルについて示す．
淀川流域の流出予測システムは，オブジェクト指向し，&%'() 分布と &*+ 分布の両方がこの基準を満たの水文モデリングシステムである 

していなければその他の分布で最も適合度の高いモデて開発しており，河道要素モデル，部分流域要素モデ- 602 -.  を利用し

2000018000
16000

Discharge [m3/s]

14000
12000
10000
8000
6000
Ave. without dam
without dam
Ave. with dams
with dams
Designed capacity
Current capacity

4000
2000
050

100
150
Return period [year]200

図  枚方地点 流域面積 ) *+& ,  における流域平均二日雨量と自然ピーク流量・制御ピーク流量との関係

図  淀川流域におけるダムと評価対象地点の位置関係．

ル，湖沼要素モデル，ダム要素モデルで構成している．

として洪水を追跡し，ダム制御なしの条件化でのピー

国土数値情報の河道データ，湖岸線データ，および，標ク流量を自然ピーク流量，ダム制御ありの条件下での高データ（空間分解能 / $ %）をもとに地形情報を加工し  ，河道内の洪水追跡にはキネマティックウェーブ

ピーク流量を制御流量と呼ぶことにする．図  には淀川流域のダムと本論の評価対象地点の位置関係を示す．

モデルを，山腹斜面からの降雨流出計算には不飽和・飽

図  は流域下流の枚方地点 !流域面積 / 0  % "和中間流・表面流モデル  を適用する．モデルパラメタにおける分析結果であり，横軸に流域平均二日雨量のは

0 年の洪水イベントで同定したものを使用した．

リターンピリオドを，縦軸に流出予測システムで計算

ダム要素モデルは，ダムの操作規定と意思決定を定したピーク流量をとる．丸印は自然ピーク流量を，四式化することにより，流況制御の過程を再現するモデ

角印は制御ピーク流量の計算結果である．同じリター

ルである

 ．モデルの入力情報は，ダム貯水池への流ンピリオドでそれぞれ  個の計算結果があるのは，

入量，ダム上流域の平均雨量，および，連携操作の対種類の異なる降雨イベントを引き伸ばして入力降雨を象となるダムの操作過程であり，ダム要素モデルの予作成し，これらのすべてを用いて流出計算を行ったた

測情報はダムからの放流量とダム貯水池の水位である．

めである．また，図中の点線と実線はそれぞれ自然ピー

図  はダム要素モデルが考慮する操作過程と移行のク流量と制御ピーク流量の平均である．

形式で定式化する．ダム要素モデルのパラメタのほとピーク流量の平均値と枚方地点の流下能力  $$% 3!図中の青実線" とを比較すると，上流のダム群がなければリターンピリオドが  年の降雨で流下能力んどは操作規定より決定することができる．一時間あを超過してしまうのに対し，ダム群が治水効果を発揮順序，および操作規定で定められた水位を示す．各操作過程での操作方法と，操作過程の移行条件を 12(たり最大の放流増加量を規定するパラメタに関しては，

 0 年の洪水イベントを対象に同定したものを使用すすることによりリターンピリオドが  年の降雨でも枚方地点の流下能力を超過しなくなることがわかる．たる．また，モデルの初期水位は操作規定で定められただし，流域平均二日雨量が同じであっても降雨の時空制限水位とする．

年の降雨では，ダム群を考慮しても  回中  回は流下

淀川流域における治水安全度の評価

能力を超過していることに注意する必要がある．



二日雨量を基準にした治水安全度評価

間分布によってピーク流量は異なっている．例えば 

淀川流域内部の他の地点においても，上流域の平均淀川流域は主要な  基のダムによって高度に流況が制御されている．表  に主要  基のダムの諸元を示す．

二日雨量から確率雨量を求めて同様の分析を行ったところ，自然ピーク流量と制御ピーク流量がともに大きくばらついた．これは，上流域の面積が比較的小さく，淀川流域内の主要な計画対象地点である枚方，加茂，ピーク流量が二日間より短期間の降雨量に依存するた

し，計算のピーク流量と河川の流下能力 !平成  年現度の評価を行うためには，二日雨量の生起確率を基準

納所，桂，向島，家野の - 地点を対象に数値実験を実行
在" とを比較する．計算上は河川で溢水氾濫はないものめである．流域面積が数千 % 以下の地点で治水安全にするのは妥当ではないと考え， 時間雨量を基準に- 603 -表  淀川流域主要  ダムの諸元ダム

運用開始年

集水面積

4% 5

-$

0$
0

 $
 -
 0
 0
  

瀬田川洗堰
天ヶ瀬ダム
高山ダム
青蓮寺ダム
室生ダム
布目ダム
日吉ダム
比奈知ダム

総貯水容量

洪水調節容量4  % 52
-#
$-#
0#
-#
0#
--#
#

4  % 5#
#
$#
#
0#
-#
#
#



Return period [year]
100 150 200
5014000

Without dam
With dams(emergency operation)
10000 Designed flow capacity
Current flow capacity

8000

Discharge [m3/s]

Discharge [m3/s]

7000

8000
6000

6000

予備放流

一定量

なし

一定量

あり

一定量一定率

なし

一定量

あり

一定量あり

一定量一定率

なし

一定量

なし

一定量

なし

Return period [year]
100 150 200
50900012000

洪水調節方式Without dam
With dams(emergency operation)
Designed flow capacity
Current flow capacity

5000
4000
3000

4000
2000

2000
01501000

200250300
Rainfall in 24 hrs [mm]0150350200250300
Rainfall in 24 hrs [mm]350400図  加茂地点 流域面積 ) +-. ,  における流域平均 &時間雨量と自然ピーク流量・制御ピーク流量との関係．

図  桂地点 流域面積 ) // ,  における流域平均 &- 時
間雨量と自然ピーク流量・制御ピーク流量との関係．

した分析を以下のように実施した．

 つは  - 年の降雨イベントを引き伸ばして入力した流出計算結果である．降雨のピークが二日間にわたって 時間雨量を基準にした治水安全度評価

洪水ピーク流量の計算結果を計算期間中の  時間雨量の最大値を基準に整理し直した．図  は横軸に  時
間雨量を，縦軸にピーク流量をとり，木津川流域の加茂地点 !流域面積 /  -% " を対象とした場合の自然ピーク流量 !図中の○" と制御ピーク流量 !図中の■"を示している．また，図中の□の印は上流のダムがただし書き操作を行ったことを意味する．図中の上横軸には加茂地点上流域の流域平均  時間雨量のリターンピリオドを示しいる．

図  の結果から，加茂の上流域において  時間に$ %% 以上の雨が降る場合にダムはシミュレーション上でただし書き操作を行うケースが現れ，その結果，
計画高水流量 -  % 3!図中の青点線" を超過するこ

二回現れるイベントであるため， 時間雨量はその他のイベントと比べて大きくないが，二回目の降雨のピークにともなって自然流量，制御流量ともに   % 3

を超過した． - 年のケースを除外して評価すれば，加茂上流域の  時間雨量が $ %% 以上となる場合に洪水流量は現状の流下能力を超えることが多く，この雨量のリターンピリオドは  年に相当することから，加茂の現状の治水安全度は  年程度であると言える．

図 は同様の検討を桂川流域の桂地点 !流域面積 / % " で行った結果である．桂の上流域において 
時間に約  %% 以上の雨が降る場合に制御流量のピー
クは流下能力を超過することが多く，この雨量のリターンピリオドが $ 年に相当することから，桂地点の現状の治水安全度は $ 年程度と推定できる．とがわかる．一方，それ以下の場合では概ね現状の流下能力である   $ % 3 程度 !図中の青実線" まで制
御流量は低減している．

 時間雨量が  %% から  %% の間で制御流量が   % 3 を超過するケースが  つ見られる．この

ダム治水効果に関する流域間の比較

本節では木津川流域の加茂地点と桂川流域の桂地点に着目し，それぞれの上流に位置するダムの配置や規- 604 -10000

1982
1983
1986
1990
1992
1994
1995
1997
2000
2001
Designed
capacity

12000
10000
8000
6000

Sim. peak discharge with dams [m3/s]

Sim. peak discharge with dams [m3/s]

14000

4000
2000

1982
1983
1988
1989
1992
1995
1996
1998
1999
2000
Designed
capacity

8000

6000

4000

2000

000

2000

4000

6000

8000 10000 12000 14000

0Sim. peak discharge without dam [m 3/s]

2000

4000

6000

8000

10000

Sim. peak discharge without dam [m3/s]

図  加茂地点 流域面積 ) +-. ,  におけるダムの治水
効果：自然ピーク流量と制御ピーク流量との比較．

桂地点 流域面積 ) // ,  におけるダムの治水効
果：自然ピーク流量と制御ピーク流量との比較．

図図

模が治水効果に及ぼす影響を分析する．

は桂地点における同様の分析結果である．日吉ダムがシミュレーション上でただし書き操作を行った


木津川流域と桂川流域のダムの配置と規模の違い

高山ダムは木津川流域に位置し， $ 万 % の洪水調節容量を持つ．流入量が   % 3 を超えた時点で  年や  - 年の場合を除いては，ほぼ一様に  % 3 程度ピーク流量が低減しており，加茂の地点とはピーク低減効果の傾向が異なる．以下にその理由を考

洪水調節を開始し，流入量に応じて   % 3 以下で察する．

放流量を制限しながら一定量一定率方式で洪水調節を

ムへの流入量は本論の数値実験では約   % 3 から行う．高山ダムの上流には比較的規模の小さい青蓮寺
ダム，室生ダム，日奈知ダムが存在する．高山ダムの集水面積は -$ % であり，加茂上流域における高山ダム流域の占める割合は  6である．一方，日吉ダムは桂川流域に位置し，  万 % の洪水調節容量を持

高山ダムは集水面積が日吉ダムに比べて大きく，ダ-  % 3 の範囲にある．高山ダムへの流入量の変動幅が大きいのは集水面積が大きいことに加え，上流に存在する  つのダムが流入量を制御していることに依存しており，流入量が約 -  % 3 となる場合には上流域

つ．流入量が $ % 3 を超えると一定量方式で洪水調のダムはシミュレーション上ただし書き操作を行ってい節を行う．日吉ダムの上流には主要なダムは存在しな節を開始し，流入量に応じて   % を上限として放い．日吉ダムの集水面積は   % であり，桂上流域における日吉ダム流域の占める割合は $ 6である．

図

 % 3 程度" に達する場合に   % 3

以上のピーク低減効果を発揮する．しかし，ダムへの流入量がそれより大きい場合はただし書き操作を行うたは，横軸に自然ピーク流量を，縦軸に制御ピーク流量をとり，加茂地点の計算結果を示したものである．図中に示した傾き  の直線上から下側にプロットがずれる場合に，その差分だけダム貯水池によるピーク流量低減効果があることになる．この図からわかることを以下に示す．

# ダム群による治水効果が有効に機能する自然ピーク流量の範囲が存在する．加茂の地点では自然ピーク流量が約 0  % 3 から流を行うので流入量が   % 3 程度 !加茂地点の自然流量が自然ピーク流量と制御ピーク流量との関係

る．高山ダムは流入量が   % 3 を超えると洪水調

 % 3 の範囲で
め低減量は小さくなる．高山ダムが治水効果を有効に発揮する自然流量の範囲が存在するのはそのためである．一方，日吉ダムは集水面積が小さく上流にダムが存在しないため，高山ダムに比べて流入量の変動幅が小さく，本論の数値実験では，  年のケースで流入量のピークが   % 3 を超えた以外は，流入量のピークが  $ % 3 程度であった．日吉ダムは $ % 3

で一定放流を行うので，桂地点の自然流量に関わらずほぼ   % 3 程度のピーク低減効果を発揮する．

最も有効にピーク流量の低減効果が現れる．

# 上記の範囲の自然ピーク流量は，ほぼ計画高水流量 -  % 3 にまで低減される．
# 上記の範囲を超える自然ピーク流量に対しては，ダムはピーク流量低減効果を発揮しない場合がある．

図操作ルール変更の効果に関する考察
は加茂の地点を対象に 0 年の降雨イベントを年超過確率 3 の規模まで引き伸ばして入力した結果であり，自然流量と制御流量，および高山ダムの- 605 -Rainfall [mm/h]加する比率を小さくすれば，洪水の立ち上がりを遅ら
0510010203040202530354045

せる効果は小さくなるが，加茂地点でのピーク流量をさらに低減することはできる．一方，日吉ダムは，流域面積が小さい割には洪水調節容量が大きいため，現Discharge at Kamo without dam
Discharge at Kamo with dams
Inflow at Takayama dam
Outflow at Takayama dam

12000
10000

在でも $ % 3 に放流量を制限できており，操作ルール変更に伴う効果はあまり期待できない．これらの分

3Discharge [m /s]

15

8000

析の結果から，高山ダムは目的に応じて操作ルールを6000

変更することにより流量制御の方法を改善できる可能4000性があるが，日吉ダムは現状でも効果が発揮されてお2000

り，改善の余地は少ないことがわかる．

0051015202530354045

Time [h]図

加茂地点の自然流量・制御流量と高山ダムの流入量と放流量ハイドログラフ． ..* 年の降雨イベントを二日雨量が  年確率に相当するよう引き伸ばして入力．

おわりに

現状の治水施設・河道整備状況にもとづいた淀川流域の治水安全度評価を行い，枚方地点，加茂地点，桂Rainfall [mm/h]

地点の治水安全度ががれぞれ 3，3，3$ 程度
05103202530354045であることを明らかにした．また，高山ダムと日吉ダ0ムの治水効果の違いを定量的に分析するとともに，超4080

過洪水に対して両ダムがどのように機能するかを分析

Discharge at Katsura without dam
Discharge at Katsura with dams

10000

Discharge [m /s]

15し，操作ルール変更の効果の違いを考察した．

Inflow at Hiyoshi dam
Outflow at Hiyoshi dam

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参考文献

45Time [h]図 

桂地点の自然流量・制御流量と日吉ダムの流入量と放流量ハイドログラフ． ... 年の降雨イベントを二日雨量が  年確率に相当するよう引き伸ばして入力．流入量と放流量を示している．図  は桂の地点を対象に

科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業!* " !代表：寶 馨"，および，科学研究費補助金 基
盤研究 !"-$-$ !代表：立川康人" の補助を受けた．

年の降雨イベントを 3 まで引き伸ばして入力した結果であり，日吉ダムの流入量と放流量をあわせて示している．

 社会資本整備審議会河川分科会 豪雨災害対策総合政策委員会 ) 総合的な豪雨災害対策の推進について 提言+       + &!
& 佐山敬洋・立川康人・寶 馨・市川 温 ) 広域分布型流出予測システムの開発とダム群治水効果の評価+ 土木学会論文! /&*+ &!
集+ 0 ! / 1 $$*/+/ 望月邦夫 ) 淀川の治水計画とそのシステム工学的研究+ 京都大学博士論文+ .*!
- 堀 智晴・池淵周一・小尻利治 ) 氾濫確率を計画安全度指標とした治水システムの策定法+ 第 / 回水理講演会論文! &-*&&+ .*!
集+
 笠 崎 伸 一 郎 )水 文 統 計 ユ ー ティリ ティの 開 発+      !

加茂地点では，高山ダムへの流入量が上流ダムのただし書き操作に伴って増大し，高山ダムがただし書き操作を行うことにより，加茂地点での制御流量が計画
高水流量 -  % 3 を超える．ただし，洪水流量の増大を  時間程度遅らせる効果が現れている．一方，桂地点では日吉ダムは洪水イベントがほぼ終了する  時間 寶 馨 ) 水文頻度解析の進歩と将来展望+ 水文・水資源学! *-*+ ..!
会誌+ 2 ! + 0 ! *+* 高棹琢馬・椎葉充晴・市川 温 ) 構造的モデリングシステムを用いた流出シミュレーション+ 水工学論文集+ 第 /. 巻+! --+ ..!
 市川 温・村上将道・立川康人・椎葉充晴 ) 流域地形の新た目まではただし書き操作を行わず  -- % 3 から $% 3 までピーク流量を低減している．しかし，残流域からの流入量が大きいために計画高水流量を超過しており，洪水立ち上がり時の流量低減効果が小さい．これらの違いは，高山ダムの流域面積が大きく，かつ上流に複数のダムを擁することによる．

な数理表現形式に基づく流域流出系シミュレーションシス! -&&+テムの開発+ 土木学会論文集+ 0 ! . 1 $$*+&!
. 立川康人・永谷 言・寶 馨 ) 飽和・不飽和流れの機構を導入した流量流積関係式の開発+ 水工学論文集+ 第 - 巻+! *&+ &-!
 市川 温・平野一志・椎葉充晴・寶 馨・立川康人 ) 構造的モデル化法によるダムモデルの構築+ 土木学会第 - 回年! .&./+ ...!
次学術講演会講演概要集+ 第 & 部+

こうした超過洪水に対し，高山ダムは操作ルールを変更することにより，異なる治水効果を期待できる．例
えば，洪水調節を開始する流量を大きくし放流量を増- 606 -受付