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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

長殿天然ダムにおける水位予測の精度向上について
一般財団法人日本気象協会 ○内田良始，坂井紀之，宗近夏美，田中剛，川本一樹
エイト日本技術開発株式会社 海原荘一，只熊典子
1.はじめに

表－１ 降雨事例

平成 23 年 9 月の台風 12 号では，総雨量 1,000mm をは

事例開始

事例

事例終了

降雨継 総雨量

雨量

総雨量

降雨

順位

要因

るかに超過する降雨により奈良県南部や和歌山県内で多年数の深層崩壊が発生し，多量の崩壊土砂によって天然ダ12013 09 15 01 2013 09 16 13

37332.5

32.0

7

台風

22014 08 08 19 2014 08 11 04

58438.0

33.0

4

台風

ムが形成されたほか，直接的に多数の人的被害が生じる

3

2015 07 15 22 2015 07 17 1744473.5

39.0

1

台風

42017 08 06 22 2017 08 08 0229230.529.5

10台風

52017 10 20 10 2017 10 23 08

71340.0

25.0

6台風

62018 06 19 15 2018 06 21 00

34243.0

34.0

9梅雨前線

72018 08 23 03 2018 08 24 1335387.5

57.5

5

台風

流浸食のリスクが高く，降雨予測によって下流域へ越流

82018 09 03 23 2018 09 05 02

28289.5

40.5

8

台風

92019 08 13 07 2019 08 16 09

75439.027.53台風の危険性を伝達するなどの危機管理を行っている．

102020 07 05 18 2020 07 11 21148

449.5

38.0

2

梅雨前線

等，周辺地域に多大な被害を及ぼした．奈良県十津川村
長殿地区に形成された天然ダムは依然として降雨時に越

月 日 時

月 日 時 続時間 (mm)

最大時間No.

年(mm)

本研究では，運用中の長殿天然ダム水位予測の課題を抽出するとともに，天然ダム水位予測精度向上を図るこ

3.運用中の水位予測手法と予測精度とを目的として実施した．

運用中の水位予測は，貯留関数法による流出モデルに，2.対象地域および降雨事例漏水量算出モデルが組み込まれたモデルを採用している．

図－１に対象地域を示す．長殿天然ダム集水域は，紀貯留関数パラメータ等を表－２に示す．

2

伊半島のほぼ中央部に位置し，集水面積は約 4.3km でコナラやスズダケ，ブナの天然林が主体の植生に覆われている．

表－２ 貯留関数パラメータ
漏水量算出

y=0.0101x-4.5271（令和 2 年 7 月実績

モデル

ダム水位より推定した式）
貯留関数パラメータ

K82

Tl0P

0.33

Rsa550f0.76

qb

0.0065水位予測モデルの精度評価を行うため，表－１の降雨事例を対象に，実況雨量（国土交通省解析雨量）を入力値とした水位計算を行い，実況の水位変化との比較検証を行った．検証指標は，相関係数，RMSE，回帰係数，ピーク誤差，ピーク時刻差とした．表－３に各事例の精度指標の一覧を，図－２に代表事例として時間雨量が最も多い事例 7 の実況とモデル計算の比較図を示す．

図－1 対象地域

表－３ 運用中の水位予測精度検証結果
事例

相関係数

RMSE

回帰係数

ピーク水位差ピーク時間差10.909

2.953

0.597

＋6.250m

観測水位－2 時間

20.8251.956

0.836＋7.130m

観測水位－23 時間

雨（12 時間無降雨で区切る）の総雨量の上位 10 事例を

30.9143.286

0.631＋3.540m

観測水位－2 時間

40.949

1.674

0.534

＋4.210m

観測水位±0 時間抽出した（表－１）．10 事例中 8 事例が台風による降雨50.9382.2550.692＋4.010m

観測水位±0 時間

60.9301.998

0.585＋3.970m

観測水位±0 時間

70.982

4.265

0.496

＋7.510m

観測水位＋1 時間

80.975

2.402

0.604

＋3.772m

観測水位＋1 時間

90.9411.1210.899＋5.620m

観測水位±0 時間

100.879

0.624

1.216

－0.980m

観測水位－1 時間

平均0.924

2.253

0.709

＋4.503m

観測水位－2.6 時間

検討対象事例として，天然ダム形成後の平成 25 年に現地に設置された地上雨量計による降雨事例のうち，ひとで，2 事例が梅雨前線による降雨であった．多くの降雨事
例で総雨量は 250mm 以上，30mm/h 程度以上の最大時間雨量を記録している．

－ 553 －

0ーク水位差が－0.980m と他事例に比べ小さい値であっ492

20たものの，他事例では特にピーク水位差が 3.5m 以上，48440RMSE が 1.1 以上と，予測誤差が大きかった．以上の結

476

解析雨量

60

パラメータ4

果から，現行の水位予測は，降雨に伴う水位の立ち上が468

りが遅く，ピーク水位は過大傾向になる傾向がみられ，

460
18/8/23 4h

貯留関数

流域平均雨量(mm)

500

水位(m)

これらの結果から，事例 10 では RMSE が 0.624，ピ80

観測100
18/8/23 16h

18/8/24 4h

18/8/24 16h

18/8/25 4h

18/8/25 16h

図－３ 現行水位予測の予測精度（事例 7）観測水位に対して予測誤差が大きいことがわかる．

5.アンサンブル水位予測の有効性
水位予測は降雨予測の精度に依存するため，変動幅を考慮した予測の把握が重要となってくる．ECMWF アン
サンブル予報（3 時間雨量 20km 格子，51 メンバー）をAI によりダウンスケーリングした JWA アンサンブル（1時間雨量 5km 格子）を用いて，令和 3 年 8 月豪雨を対

図－２ 現行水位予測の予測精度（事例 7）

象にアンサンブル水位予測の有効性について検討を行っ

4.新たな水位予測手法の検討た．なお，アンサンブル情報として，各メンバーに加え水位予測の精度向上のため，モデル内で漏水量を考慮しやすい 3 段タンクモデルの検討を行った．

上位・中位・下位の 3 つに集約した場合を追加した．
アンサンブル予測結果を図―4 に示す．再現計算結果

タンクモデルパラメータ最適化には SCE-UA 法を用い，パラメータが物理的に不都合な値とならない制約条はアンサンブル上位と中位の間に位置しており，各メンバーの最高水位も 465～482m にばらついていた．

件を設定したうえで，収束判定条件を誤差評価関数(RMSE)が 0.0（mm/h）とし，繰り返し計算回数が 10 万回に達した時点で計算を打ち切るようにした．
検討ケースとして，全事例対象，50mm 以上を対象，200mm 以上を対象の 3 パターンについて，それぞれペナルティの有無を考慮した全 6 ケースを設定した．
検討ケース毎の精度検証結果を表―４に示す．新規に同定したモデルでは相関係数が 0.90 を上回るものが多数を占め，良い相関を示している．総合的にはパラメー
タ 4 が最適であった．

図－４ アンサンブル水位予測結果

表－４ 検討ケース毎の精度検証結果
10事例平均相関係数 RMSE

パラメータ10.930

1.291

回帰係数 ピーク水位差(m)1.086-0.540ピーク時間差1.3

パラメータ20.932

1.168

0.870

1.952

0.7

パラメータ30.932

0.935

1.105

-0.8220.7

パラメータ40.939

1.056

0.977

-0.1840.7

パラメータ50.933

0.933

1.059

-0.2940.7

パラメータ60.936

1.028

0.949

0.617

0.7

貯留関数

0.924

2.253

0.709

4.503

-2.6

アンサンブル予測を活用することで，早い段階から最悪ケースを想定できるとともに，越流の可能性を確率値として把握することが可能であることわかる．今後は，アンサンブルによる確率情報をタイムラインに応じてどのように活用していくのか運用体制を検討しておくことが必要である．

表－１の事例７にパラメータ４を適用した水位計算結果を図―３に示す．現行（点線）に比べて，新たな水位6.おわりに予測（破線）が実測（実線）に近い波形であり，現行の本研究は，国土交通省近畿地方整備局紀伊山系砂防事

過大傾向や立ち上がりのタイミングが大きく改善した．

務所発注の長殿降雨予測システム作成業務の成果に基づいている．

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