JAPIC 水循環委員会 シンポジウム 2022.4.11

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長時間アンサンブル降雨予測で見える世界－ダム操作をどう変えるか？
京都大学防災研究所 角 哲也
• SIP「国家レジリエンス（防災・減災）の強化
テーマⅥ：スーパー台風被害予測システムの開発（河川・ダムの長時間洪水予測・防災支援システム）• ダム操作のパラダイムシフト（治水・利水のWINーWINに向けて）• 今後に向けて／JAPIC提言を踏まえて
長時間アンサンブル降雨予測

NHK 時論公論

治水・利水のWINーWIN

SIP「国家レジリエンス（防災・減災）の強化」Ⅵ.スーパー台風被害予測システム開発 2
統合ダム防災支援システム開発（京都大学，（独）水資源機構，（一財）日本気象協会）●長時間アンサンブル予測を提供することで、ダムの事前放流を早期に開始●利水効果を高め（無効放流の低減=発電効率化）、治水効果を最大化●全国の新成羽川ダム（中国電力）、河本ダム（岡山県）、一庫ダム・木津川ダム群（水資源機構）など、50ダム以上にプロトタイプモデルを提供●木津川ダム・荒川ダム群では、ダム群連携最適操作シミュ
レータ開発(量子アニーリング)●R1東日本台風を例に利根川上流ダムで事前放流効果を検証（ダム工学会論文賞）●発電ダムの１週間単位の最適発電運用操作にも活用可能（３電力会社と連携）

NHK時論公論2021.10.13で紹介アンサンブル予報による台風の進路予報例

3●欧州中期予報センター（ECMWF）による2019年台風第19号に対する進路予報
出典：ECMWF全球アンサンブル予報GPVアンサンブル降雨予測• 複数の予報値を得ることで最悪のケースや予測の不確実性等を考慮できる• 事前放流への応用が期待されている（出典 : 気象庁予報部数値予報課）

４つの技術的挑戦

長時間アンサンブル予測・降雨高解像度化① 早期の事前放流開始

コア技術：アンサンブル気象予測を利用した長時間リードタイムの確保 (1-3日前 → 5-7日前)

アンサンブル予報 ECMWF（欧州中期予報センター）の51メンバ－・15日先まで

4② ダム流域への正確な流入量予測

コア技術：降雨予測の高解像度化（20km → 1km）AIを用いたダウンスケーリング技術
深層学習等により過去10年分の解析雨量を学習
25km格子・3時間雨量のECMWFデータを、1km格子・1時間雨量に変換
20km格子

日本では地形性降雨の精度向上が必須
メンバー毎に、降雨の強さ・分布・ピーク時刻などが異なっている

ダム流域200km2程度

ダム流入量予測
ダム貯水量（×106m3)

長時間アンサンブル降雨予測
降雨－流出モデルを用いて、ダム流入量を予測

ダム貯水量（×106m3)

流域平均雨量（mm)

台風19号予測(10/10-14, 84hr)

 アンサンブル上位で事前放流必要性を判断 アンサンブル下位で回復可能量を判断 4長時間アンサンブル予測の有効性
GSMガイダンス予測
雨量(mm)
０

1日先

2日先

3日先

長時間アンサンブル予測(15日間）

5

予測は2日～3日先まで予測値は１つ
予測更新時に大きく変動
降雨の規模感（総降雨量、ダムへの総流入量）が把握しにくい
ダム管理者の安心感アップ！
 予測は15日先まで
 予測は51個（貯水量が回復しないリスク・洪水リスクを考慮）
 予測更新時に変動が少ない
 長時間アンサンブル予測により、洪水の「その先」が見える＝ ダムへの総流入量が把握可能（次の洪水への備えも可能） 事前放流の必要性を判断し、早期開始を可能に！

上位予測
中位予測
下位予測

０

1日先

2日先

3日先

7日先

15日先

51メンバ

5

2017年台風21号時の再現による予測結果の検証

6

長時間アンサンブル予測(15日間）

GSMガイダンス予測

10/9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

14日前から降雨を確認（準備開始）

10月9日（14日前）
洪水はまだ見えない

9日前から降雨予測が増加

10月14日（9日前）

５日前には、全貌が見えた

10月18日（5日前）

After
降雨が見えるのはこのタイミングからBefore

10月20日（3日前）

10月22日（1日前）

タイミング、流入量ともに、ほぼ正確に予測
台風後のダムの運用も効率化

2017年台風21号時の再現による予測結果の検証

7

4～7日先の間の最大48時間降雨が200mmを超える確率はほぼ50%。
420mmを超える可能性も。

10月18日（5日前）

4～7日先の間の最大流入量が300m3/sを超える確率はほぼ20%。

制限水位より0.8m低下させても100%回復可能見込み。

雨量分布図の出力も可能（どこで大雨が降るか？）

85kmメッシュ情報
は全国をカバー
日雨量100mm以上となる確率

8

ダム事前放流への適用性検証（東日本台風の事例）

9

アンサンブル上位予測を用いて、より早くから事前放流開始可能
アンサンブル下位予測を用いて、水位低下させる量を段階的にステップアップ可能
予測情報の変化も逐次更新してアップデート、次の洪水にも備えることが可能
台風19号 実績降雨
事前放流開始（SIP） 降雨開始4.5日前（見逃しリスクの最小化）

降雨開始

リードタイムの確保

実績513mm

基準雨量

事前放流開始（ガイドライン）降雨開始1.5日前
2019/10/1

234

予測降雨量の上昇＝事前放流準備開始

567891011

水位低下可能量を段階的にステップアップ（空振りリスクの最小化）

121314

４つの技術的挑戦

アンサンブル事前放流■ ダム事前放流への適用性検証 2019年台風19号の事例

利根川水系Aダム

ダム流入量（×106m3)

流域平均雨量（mm)

ダム流域降雨予測

ダム流入量予測

上位予測で事前放流で確保すべき容量

洪水調節容量を超える流入分

異常洪水時防災操作の可能性発生（台風上陸5日前）※アンサンブル上位；総雨量上位5メンバー(1-5位)平均
アンサンブル下位；総雨量下位5メンバー(47-51位)平均(※事前放流ガイドラインでは3日前から判断)

アンサンブル事前放流の4つの効果

下位予測でも回復可能な貯水量

10

キラーコンテンツ
アンサンブル事前放流
長時間アンサンブル降雨
予測を利用
上位予測：事前放流必要性
下位予測：低下可能な容量を予測し、早期に事前放流をスタート
水力発電利用も可能
治水と発電のWIN-WINの実現③洪水調節能力の最大化かつ発電量の増大

コア技術：アンサンブル流入量予測による予測幅の獲得(1本の予測 → 51本の予測(上位/下位予測))
発電効果最大化

治水リスク回避[草木ダム(R1T19)での試算]事前放流の早期化（台風上陸1日前→4日前(10/8)）、発電しながら事前放流（1,500万m3）可能→ 発電量増加により最大2,500万円の増収アンサンブル予測とダム管理の高度化

11

NHK時論公論2021.10.13
大きく事前放流

小さく事前放流

高い水位で維持

しばらく台風が来ない場合

https://www.nhk.or.jp/kaisetsu-blog/100/455613.html

利水メリット（３つの視点）●事前放流における発電最大活用
多目的ダム、利水ダムの事前放流を発電放流設備を使用して早期に開始しゆっくり水位低下を行い、電力エネルギーの有効活用が可能。短期間の貯水位低下では無効放流が増大する可能性。
●後期放流における発電最大活用
洪水調節後の後期放流（水位低下）において、その後の降雨が予測されない場合に発電放流設備をフルに活用してゆっくり水位低下を行い、電力エネルギーの有効活用が可能。
●平常時の管理水位引き上げ（弾力的管理）
１週間程度先までの洪水の発生の有無を見通した上で、多目的ダムや大型利水ダムの平常時の管理水位を引き上げ、平常時の水力発電計画における、水力発電価値（フロー（流量）、ストック（水頭）、調整力（貯水量（ΔkW)））の最大化を実現。降雨が予測される場合は早期に速やかに事前放流を実施し、防災効果の最大化を実現。管理水位の弾力的な引き上げと多段階の事前放流をシームレスに実施し、限られたダムの貯水容量を最大限に活用。

12アンサンブル予測を活用した３段階の水位低下イメージ

13

１段階目：従来の弾力的管理の事前放流相当（発電最大放流量で水位低下）
２段階目：出水に備えた予備的な空き容量確保（発電最大放流量で水位低下）
３段階目：事前放流ガイドライン相当
京都大学防災研究所 令和2年度第2回水資源セミナー2021年1月22日「降雨予測情報を用いたダムの多面的な操作の高度化」

長時間アンサンブル降雨予測を用いた発電ダムの利水高度運用と治水機能強化のシームレスな結合

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 長時間アンサンブル降雨予測により、防災効果と水力発電価値向上を結合する。
１）事前放流による水位低下時の発電エネルギー利用の最大化のための早期かつ段階的な事前放流手法の検討①（事前放流に伴う発電損失の減少（増電））
２）１週間程度先までの洪水の発生の有無を見通した上で、平常時の水力発電計画における、水力発電価値（フロー（流量）、ストック（水頭））の最大化と、防災効果の最大化を実現する手法の検討②（平常時の発電高度運用に伴う水力発電価値向上（増電））
発電ダム最大活用プロトタイプモデル
目指す技術開発のポイント：
事前放流を行わなければならない大規模洪水前後のみならず、平常時においても利水ダム（発電ダム）の「発電目的の最大化」のためにＳＩＰ技術を積極的に活用する
その延長として備えるべき
大規模洪水時の防災に貢献

洪水モード
平常時モード
洪水モード
シームレスな結合（365日のダム管理）

長時間アンサンブル予測の実例（R３年８月豪雨(中国電力・新成羽川ダム）

15①何をおこなったか；
台風9号および後続の前線性豪雨を対象に長時間アンサンブル降雨予測を実施し、データ提供②上手く行ったこと；
新成羽川ダムでは、8/2（5日前）に8/8-9の台風9号、その先の前線性降雨を同時に予測③次への課題として残したこと；
前線性降雨では大規模降雨を良好に予測（上位予測）、引き続き精度向上が必要④どこにデータを提供して、どう使われたか； 検証中の新成羽川ダム、一庫ダム、木津川ダム群、荒川ダム群、黒部川、大井川、耳川などにアンサンブル予測データを提供し、事前放流実施判断に活用。

台風9号

雨量(mm)
2520151050

前線性降雨

8/2予測
8/1234前線性降雨

25201510505678

台風9号

91011121314151617

実績72mm/39hr

8/6予測
8/567

実績240mm/39hr

82520151050

910111213

14151617181920

211819 1520

21

基準雨量
110mm/39hr

8/10予測8/9 101112131415161722232425

統合ダム防災支援システム：社会実装と今後の展開
4/24
SIPの背景と目的
今後の展開
ダムの分類(1)多目的ダム
容量大国・水機構他(2)多目的ダム容量小(3)利水ダム
地方自治体
容量大電力系貯水池(4)利水ダム
容量小農水・水道系
電力系調整地

近年の豪雨災害（西日本豪雨，台風19号，R2年7月豪雨など）
降雨予測・流出予測の高度化
大型ダムでも貯留機能増強へ

首相官邸政策会議(事前放流)

アンサンブル事前放流
技術の開発

16

ダム統合管理へ
流域内ダムの総動員
事前放流からシームレス（ダム操作全体）へ
治水の最大化
発電量の増大・流域内ダムの適材・適所・治水に貢献可能な（多目的・利水（発電））ダムに最高レベルの予測情報提供

最新情報：全国50ダム以上にプロトタイプモデルを提供

17• 事前放流について– 実施対象ダムを選別すべき（相当雨量，流域面積支配率）– 放流設備の強化（水位低下および低水位維持機能）は重要– 縦列ダムの影響を考慮し，具体的な洪水調節ルールの検討が必要– 過剰な水位低下（放流設備が伴わない）は、放流開始時のリスクあり– 堆砂移動には要注意– ダム通砂操作（耳川など）との組合せ（長時間アンサンブル予測活用）も考慮• 社会実装に向けて– 長時間アンサンブル予測を活用したダム操作へのルールづくり– 特に、発電ダムの場合• 事前放流：早期にスタートする、中小規模洪水を効果的に貯留するのは 現行ルールでも可能• 洪水調節：遅らせ操作に対して、一定量放流を行うなど、いくつかの放流パターンを予め準備できないか（型紙方式）• 後期放流：貯留水を有効活用してゆっくり低下（洪水警戒体制解除の条件、予測情報の考え方の革新が必要）← 長時間アンサンブルで次の洪水リスクの可視化が可能

18
JCOLD既設ダムの合理的な活用・運用方策検討分科会
事前放流点検の進め方（案）
ダム地点での洪水貯留ポテンシャル（ダムの洪水貯留能力の評価）

出典：電源開発

出典：農研機構

水系全体での洪水貯留ポテンシャル（ダムの洪水貯留が水系全体に与える効果）

ダム地点の洪水貯留ポテンシャル（相当雨量）50mm程度以上は欲しい
この程度あれば，放流量ピークカット率がある程度期待できる
総雨量が大きくなるとカット率低下

大井川水系の利水ダムの直轄基準点への効果の相関性19【神座基準点上流域に対する占有率とダム上流域面積あたりの調節可能容量の関係】【可能容量相当での放流能力と設計洪水流量の関係】

140

3.0

長島ダム
120
100100mm

Aダム

Bダム

8060

調節効果
期待できる領域40
200.2500.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
長島ダム
ダム流域面積/神座上流域面積
水系基準点に対するダム流域の割合

長島ダム

計画高水流量に対するダム放流可能量の割合
設計洪水流量/計画高水流量

ダム地点での洪水貯留ポテンシャル
洪水調節可能容量/ダム上流域面積(mm）（相当雨量(mm))

出典：国土交通省（資料に加筆）
神座基準地点への調節効果がある利水ダムを選別する指標として、①ダム地点での流域面積あたりの洪水調節可能容量、②基準点上流域に対するダム流域の面積占有率、③各ダムの放流施設能力を設定①の指標では100mm以上、②の指標では25％以上のダムが、調節効果が期待できる利水ダムの選定基準と考えらえる。
また、③の放流施設能力の評価は、Aダム、Bダムは、事前放流、及び、洪水調節で必要な放流量に対し放流施設能力が劣っており、改良による効果が見込まれる。

2.5

2.0

1.5

放流設備改良の方向性

1.00.5Aダム

0.00.0Bダム

0.51.0

放流施設能力が不足
1.5

2.0

2.5

3.0

長島ダム
可能容量相当での放流能力/洪水量
洪水量に対する水位低下時の可能放流量の割合

大井川水系の縦列ダムの事前放流と洪水調節効果（中部電力・国土交通省）
 分布型降雨流出氾濫解析（RRI）モデルに事前放流～洪水調節～後期放流を行うダムを縦列に組込み
 前期降雨があると縦列ダム（畑薙第一，井川ダム）の事前放流が不完全になる 7日前から発電最大使用水量で事前放流(7-100)すれば大きな貯水量確保可能 その結果，3日前からの事前放流よりも各ダムでピーク放流量が減少し，長島ダムの異常洪水時防災操作を回避 無効放流量も最大10%低減

降雨波形：2018年台風24号をベースにしたアンサン
ブル降雨波形から複数抽出
して引伸（500mm/48hr）

井川ダム

長島ダム

異常洪水時
防災操作を回避20

長時間アンサンブル予測のダム通砂操作への活用

21

降雨イベントQinflow

ダム通砂操作

WL
水位低下

水位回復

通砂操作

水位回復操作Morris and Fan (1998),
Reservoir Sedimentation
Handbook長時間アンサンブル予測の国際展開(フィリピン・Magatダム（Cagayan川）） 22
JASTIP：日ASEAN科学技術イノベーション共同研究拠点－WP4 防災・減災分野 (フィリピン台風Ulysses災害緊急調査)

2020年11月にルソン島を襲った台風Ulyssesでは、Cagayan川のMagatダムにおいて、洪水に備えた事前放流が不十分であったために緊急放流が発生し大きな社会問題化

数日～１週間程度前からの事前放流を実現し、洪水貯留機能を拡大

SIPによる貢献：長時間アンサンブル降雨予測

台風上陸の約５日前の11/7に11/12の降雨が予測可能

23• ダムサイトは資源（有限）→世代を超えて有効活用• 治水／利水の観点から最適配置（再開発／再編）• 治水価値– ダム流域面積に対する洪水貯留の実力（相当雨量（mm））→ ダム地点の洪水カット率– 下流基準点に対する貢献度（流域面積支配率）→ 基準地点の洪水カット率• 発電価値– ベースロード価値(kwh)，調整力価値(kw)，危機管理価値(Δkw)– 水量およびその安定度×落差– いかに溢水（発電機を通らない無効放流）を減らすか• 今後の方向性– 第一幕（流域治水：多目的ダム＋利水ダムによる洪水貯留最大化）– 第二幕（流域マネジメント：複数ダムの組合せ最適化（ソフト／ハード）
治水(win)、エネルギー(win)、地域活性化（win）（留意点） 持続可能なシステムを目指す（堆砂対策が最優先）
気候変動への適応（治水のみならず、利水（発電含む）影響も）
異常渇水、積雪量減少（豪雪（ドカ雪）／少雪の変動性増加）→ 適応策としてのダム貯水量の確保（嵩上げなど拡大策，堆砂対策）

気候変動に伴う水力発電への影響

24

氷河・積雪減少

欧州アルプスにおける検討事例（出典：角 哲也，ダム管理の新たな展開，河川844, 2016.11）
60

流況変動増大調節機能増強

(m)

50
奥只 40
見ダ 30
ム
貯水 20
位
10(m 3/s)

120

100
奥只見 80
ダム 60
月
別40
流
入量 2001981年 1982年 1983年 1984年 1985年 1986年 1987年 1988年 1989年 1990年 1991年 1992年 1993年 1994年 1995年
現在気候
将来気候±0
将来気候+1
将来気候+2

夏期に向けて貯水位を十分に回復させることができない年が増加
経年貯留戦略が必要
冬季の流入量が増加、融雪期の流入量が減少
0

1月

2月 3月
現在気候

4月 5月 6月
将来気候±07月 8月 9月 10月 11月 12月
将来気候+1
将来気候+2

再生可能エネルギーの導入増大に応える
貯水池・調整池式水力発電の機能強化

・天気の変動大・夕方に急激に発電量減少
California（Duck Chart）
九州では同様な現象がすでに始まっている

25

・風の変動大太陽光発電導入の進むカリフォ
ルニアでは昼間の発電必要量が減り、夕方に急激に増加（+13,000MW）
この受給ギャップに水力発電は大きな機動力を発揮
貯水池・調整池式、揚水式水力発電の再評価・再投資（出典：California ISO)

26

九州電力の揚水発電所の活躍（小丸川発電所など）（資源ｴﾈﾙｷﾞｰ庁）

揚水式水力の貢献

貯水池式・調整池式
水力の貢献

欧州諸国（スイス、オーストリアなどでは、同じ理由で揚水発電所の新設ビジネス）

27

治水
利水（上水・農水・工水・発電等）
ダムは水を貯める器
社会のニーズに応じて適応・再編可能
水利権・コスト
アロケーション
利水ダムの治水貢献(事前放流)

社会的適合性

構造的安定性

ダム本体
コンクリート・ロックフィル
ゲート設備（鋼構造物）
機械設備（開閉装置）
電気設備（ダムコン）

持続可能なダムの条件
環境適合性

ダム堆砂
ダム湖水質
生物の縦断連続性

ダムの体力（外力増大に対する耐力（気候変動・地震）)
ダムの健康度（経年劣化（ダム堆砂など））

ダムのアセットマネジメント