3

海外の水理･水文･水質シミュレーションモデルの開発･運用体制

3.1 欧州における水理・水文・水質シミュレーションモデルの概要
3.1.1 デンマーク水理・環境研究所
デンマークの DHI Water & Environment 社（デンマーク水理・環境研究所、以下 DHI と表記）のインターフェース及びプログラム構成について整理する。
（1） DHI ソフトウェアの概要
以下に、DHI の主なソフトウェアを整理する。DHI のソフトウェアは全て有償である。
表 3-1 河川下水道分野における DHI Water & Environment 社の主なソフトウェア
分野

ソフトウェア
名称

機能概要

河川を対象とした水文・水理・水質・土砂解析統合ソフト。
水文解析：降雨解析、確率統計解析（EVA :Extreme Value Analysis）、
流出解析、洪水予測
MIKE11
水理解析：１次元流れの不等流計算・不定流計算
土砂解析：均一粒径や混合粒径の土砂を対象とした河床変動解析
水質解析：BOD、DO、クロロフィル a、栄養塩、重金属等を対象
MIKE21２次元流れの水理・水質・土砂解析統合ソフト
MIKE3
３次元流れの水理・水質・土砂解析統合ソフト
河川
MIKE BASIN 流域の利水問題検討ソフト
流域水循環解析統合ソフト（分布型流出解析・地下水解析（２次元又はMIKE SHE
３次元）、物質の拡散・移流解析）
MIKE
洪水氾濫解析ソフト（１次元と２次元の統合）（MIKE11 と MIKE21 の
FLOOD
統合）
MIKE12（１次元の二層密度流）、MIKE Reservoir（１次元の多層密度流）、MIKE11 GIS（MIKE11 のため GIS インターフェース）、MIKE21C
その他（直交曲線座標系での２次元河床変動解析）、FLOOD WATCH（実時間
洪水予測）等
MOUSE
下水道を対象とした水文・水理・水質解析統合ソフト
同上
MIKE
米 国 環 境 保 護 庁 （ USEPA ） の 開 発 し た SWMM （ Storm Water
雨水排除 SWMM
Management Model）と DHI のインターフェースの統合ソフト
・下水道
機能は MOUSE と同様、相違点は解析エンジン
MOUSE RTC（リアルタイムコントロール）、MOUSE GIS（MOUSE
その他のための GIS インターフェース）、
都市域氾濫計算（MOUSE と MIKE21
の統合）

3-1

図 3-1 MIKE11 のインターフェースイメージ
また、DHI ソフトウェアの課題として以下の点が挙げられる。
・ ソフトウェア購入費用が高い。
・ ソースコードは非公開である。
・ 商業ベースなので、広く認知される技術しか取り込んでいない。
（最先端の技術を取り込んでいるわけではない）・ 平面 2 次元モデルは、直角座標系や直交座標系である。
・ 一般座標系や非構造格子には対応していない。
（2） DHI におけるインターフェースの標準化
DHI のモデリング群の特徴は以下の通りであり、共通のプラットフォーム MIKEZero を有している。
これにより、以下のことが可能となっている。
9 ソフトウェアの品質確保・向上
9 ソフトウェア同士の容易なカップリング
例： MIKE11+MIKE21、MOUSE+MIKE21、MIKE11+MIKE SHE 等
9 ユーザーが OS に対して多くを知る必要がなく、どのソフトウェアも容易に取り扱うことが可能以下に、MIKEZero におけるインターフェース標準化の具体例を示す。
■MIKE シリーズの共通インターフェース
・ 全モデリングパッケージに対し、共通のインターフェースを構築しており、ユーザーは一つのインターフェースから任意のモデル(ソフトウェア)を組み合わせることが可能である。
・ また、どのモデルも同形式のモデル作成メニューとなっている。これによりユーザーは一つのモデルの使用方法を理解すれば、容易に他のモデルへも移行が可能である。
・ 更に、時系列データ（0 次元、1 次元、2 次元）、グリッドデータなどは、全モデル共通の形式となっており、モデルを超えてこれらを共有化することができる。
3-2

図 3-2 MIKE シリーズの共通インターフェース(1) （モデル選択メニュー）■MIKE シリーズの共通モデル構成
各モデリングパッケージは、以下に示す 6 つのメニューから構成され、ユーザーは容易にモデル構成を理解、構築することが可能である。
・ シミュレーション制御
・ 平面情報(ネットワーク等)入力・編集
・ 地形データ(横断データ、地盤データ等)入力・編集
・ 境界条件入力・編集
・ 計算パラメータデータ入力・編集
・ 結果表示3-3

MIKE21モデルの選択

MIKE SHE
MIKE11

0次元の
時系列デ
ータ

2次元の
時系列デ
ータ

図 3-3 MIKE シリーズの共通インターフェース(2)3-4（3） MIKE11 のプログラム構成
流出、水理、水質、河床変動計算など全ての計算が連結しており、同一パッケージ内で任意の処理できるよう構造化されている。
(全体構成)
Rainfall-Runoff 雨水流出

Hydrodynamic
河川及び管渠の水理

Advection-Dispersion
移流・拡散Real time control
リアルタイムコントロール

Sediment Transport
河床変動

Water Quality
水質(降雨流出解析、水理解析の詳細構成)

降雨解析

降雨流出
解析

損失
モデル

流出解析

MIKE11

流域流出

河道追跡

洪水調節

水理解析

流域分割
相関解析＆欠測補填
日雨量による時間雨量データ補正
最大雨量の抽出ティーセン分割
等雨量線作成平均雨量の計算
有効雨量解析
一定損失
比例損失
SCS法
NAMモデル（タンクモデルの一種）
単位図（SCS三角形、SCS無次元、ユーザ定義）
SMAPモデル
日本の流出解析手法 流域流出（貯留関数、準線形貯水池モデル、中安法、合理式、特性曲線法(矩形斜面モデル、斜面長分布モデル)）
都市流出モデル(タイムエリア法、Kinematic wave法、仏の非線形貯水池モデル、独の非線形貯水池モデル)FEHモデル（開発中）
DRiFtモデル（開発中）
貯留関数法
キネマティックウェーブ
Muskingum法
Muskingum－Cunge法
遅れモデル（逓減なし）
定率定量洪水調節
H－Q／H－Vカーブ
オリフィス洪水調節
分流

不等流（１次元、準２次
元）
流下能力計算不定流

Kinematic wave法
Diffusive wave法
Dynamic wave法

図 3-4 MIKE11 のプログラム構成(1)3-5(入・出力データとサブモデルの関係)
サブモデル

入力データ

（表示に必要な入力データの移動）

時系列データ
・雨量波形
・流量波形
・水位波形

・蒸発散量波形・その他

降雨解析

ネットワークのデータ

（構造物）
・堰
・橋等
（河道追跡）・河道追跡・洪水調節等（他モデルとの結合）
・流出モデル

流出解析
横断のデータ
水理定数のデータ
・洪水痕跡データ等

境界条件のデータ

流域のデータ（RR）（降雨解析用）・流域形状データ
・観測所の位置、名前・欠測観測所・ティーセン係数の期間
設定

時系列データ・ネットワーク形状
・ブランチの名前
・構造物の位置、名前等

ネットワークのデータ
・背景図（ネットワーク）・点・ブランチ（名前、測量ID）・法線
・ブランチ接続関係

出力データ（流出解析用）・流域名、ID番号
・流域面積
・使用流出モデル
・流出モデルの定数・面積調整係数・降雨引きのばし率

水理解析

・環境の水位・流量データ（新たな入力データ）
・縦断図での特定地点名
・表示項目
・表示仕様（字、線の種類、太さ、色）・誤差計算方法の指定
・流下能力算定

横断のデータ（出力）（ネットワークとの結合用）
・ブランチ名・抵抗タイプ
・測量ID
・基準高
・累加距離
・X, Z座標
（断面）
・マーク
・断面ID
・ゾーンのタイプ
・断面タイプ・樹木の高さと密度・径深タイプ・水平分割（河床変動解析）

降雨解析
・流域平均雨量波形
・ティーセン係数
・等雨線分布図・有効降雨モデルの定数

流出解析

境界条件のデータ(基本)・降雨量、流量(追加)・損失量、有効雨量(読み込み)
・実績流量

・境界条件の種類（点、線、閉、開等）
・境界データ項目（H, Q, Q-h等）
・ブランチ名、累加距離
・境界ID

水理定数のデータ（ＨＤ）

水理解析

・計算手法（KW, Diff, DW等）
・計算定数（許容誤差、α、β等）
・河床抵抗、氾濫原の粗度係数
・混合係数
・HWLや洪水痕跡等(基本)・水位、流量(追加)・流積、径深、粗度係数
・Froude数等シミュレーションのデータ
・対象サブモデルの指定・使用データファイルの指定・計算期間と計算時間間隔
・出力ファイルの指定（各サブモデル共通使用）

図 3-5 MIKE11 のプログラム構成(2)3-63.1.2 OpenMI の概要
欧州における水理解析のフレームワークである OpenMI（Open Modeling Interface andEnvironment）に関して、その概要と機能について、現時点で把握できている内容を整理する。
OpenMI とは、ヨーロッパ各国の組織と EU の出資で作成された水工系解析ソフトウェア統合イン
ターフェースである。既存のソフトウェアを OpenMI 対応とすることにより、OpenMI 対応ソフト
ウェア同士であれば、ソフトウェア相互にデータを連携しながら解析を進めることができるものである。
あくまでデータ交換のためのインターフェースであり、OpenMI そのものに数値解析を行うソフ
トウェアは持たされていない。
（1） OpenMI のコンセプトと目的
OpenMI の目的は、物理・社会経済プロセスのモデルがお互いに他のデータソースと同期するメ
カニズムを与えることにより、一つのソフトウェアでは実現できない現象をシミュレーションすることである。
異なる領域からのモデル（水理学、水文学、環境学、水質、経済学など）と環境（気象、淡水、海洋、都市、農村など）

異なるモデリングの概念に基づくモデル（決定論、統計論など）



異なる次元のモデル（0,1,2,3 次元）異なるスケールのモデル（例えば局地的な気象モデルを流域の流出モデルへ）

異なる一時的な分解能でのモデル操作（例えば 1 時間から月単位や年単位まで）



異なる空間表現におけるモデルの操作（例えばネットワーク、グリッド、ポリゴン）



異なる計画、単位ユニットや領域に使うモデル



ほかのデータソースへリンクするモデル（例えばデータベース、ユーザーインターフェー
ス、インストゥルメント）異なるプラットフォームで計算するモデル（例えば Windows、Unix、Linux）



オープンであること。
（仕様がパブリックドメインであること）



少なくとも、C 言語、C#、C++、Fortran、Delphi、Java、Visual Basic でコンポーネントが開発できる。

（2） OpenMI が必要な理由
既に OpenMI を採用した、もしくは採用を検討している組織が OpenMI を必要としたのは、以下の理由からとされている。
 モデル開発における現存の投資の保護および増進(モデルをOpenMI Compliantにするために完全に書き直す必要はない)
 モデル統合過程の簡易化、モデルプロセスの相互作用能力の向上
 適切なモデルの組み合わせおよび同じ過程に対する異なるモデルの交換の能力は、感度分
析と他社製品を研究して自社製品の性能を高めることを促進する
3-7 開発時間の短縮、およびそれによる意思決定システムへのコスト縮小
 異なるソースから‘調和し合う’モデルが使用可能となるようにユーザーの選択肢を増やす
 モデル開発者に対して、フレームワークの開発により、個々のモデルがよりよく売れるよ
うな機会を増やす 専門部門において Small and Medium Enterprises (SME)の創造の機会を増やす
 EU 政策の実現および発展に寄与する機会を増やす
 例えば GUI や事前事後処理ツール等の OpenMI Compliant ツールを購入できるので、モデル開発者に彼らのコアな仕事に集中することができる
 モデル組み込みやリンク、結合されたモデルが動くように観察する為の OpenMI
Environment ツールがある 流域全体を対象としたようなモデルについて既存モデルを再開発するコストと比べて変換コストが少ない
 他組織の I/O 処理を理解する必要はない
 結合プロセスやインターフェースに影響を与えないモデルコードの仕様（3） OpenMI から提供されるもの
OpenMI からは以下のものが提供されており、すべて OpenMI ホームページから無償で入手することができる。
The OpenMI standard interface specification


The OpenMI EnvironmentOpenMI の仕様書
OpenMI の実行環境。OpenMI のソフトウェアといえる。

The OpenMI documentation


OpenMI に関する各種のドキュメントz

A. Scope¾

OpenMI の概要

zB. GuidelineszC. org.OpenMI.Standard interface specificationz

D. org.OpenMI.Backbone technical documentationz

E. org.OpenMI.Development Support technical documentationz

F. org.OpenMI.Utilities technical documentationz

G. org.OpenMI.Configuration technical documentationz

H. Additional designs for OpenMI tools（4） OpenMI 利用のイメージ
OpenMI は既に販売流通している水理解析ソフトウェア同士でデータ連携をしながら解析を進めるためのフレームワークである。図 3-7 にそのイメージ図を示す。

3-8

OpenMI メインプログラム
OpenMI対応入出力

Engine Engine Engine

MIKE11

インプット
データ

OpenMI対応入出力

OpenMI対応入出力

EngineEngineEngineInfoWorks

アウトプット
データ

インプット
データ

アウトプット
データ

Engine新規ソフト

Engine

インプット
データ

アウトプットデータ

図 3-6 OpenMI のイメージ
上図のように、OpenMI は例えば、DHI の MIKE11 と Wallingford の InfoWorks を接続し、タイムステップごとに同期を取りながら解析をすすめるデータ交換・計算制御インターフェースである。上図に示す MIKE11 や InfoWorks は直接的にデータを授受するのではなく、いったん OpenMIにデータを預け、OpenMI が各ソフトウェアとデータのやりとりを行う。この際、MIKE11 や
InfoWorks は OpenMI で利用できるようカスタマイズされている必要がある。
なお、OpenMI そのものは解析ソフトウェアではなく、MIKE11 や InfoWorks が OpenMI の要素モデルに相当する。
（5） ソフトウェアに OpenMI を実装する
OpenMI は水理解析ソフトウェア間のデータを通信し、計算を制御するプログラムであることは前述の通りだが、OHyMoS のようにプログラムレベルでデータを通信するのではなく、OpenMIを介してソフトウェア間の同期をとり、解析を進めるものである。言ってみれば、データインター
フェースであるといえる。ただし、OpenMI を介した解析を行うためには、OpenMI 対応のソフト
ウェアがなければならない。
1） OpenMI Compliant とはOpenMI Compliant とは、OpenMI で利用できるソフトウェアの総称である。OpenMI
Compliant とするには、OpenMI の仕様をソフトウェアに実装しなければならない。その実装仕様はホームページによって公開されているものの、仕様に則り実装することは、水工系の解析者にとっては、容易なことでないと考えられる。
2） OpenMI Compliant の実装作業
この実装作業はプログラマかシステムエンジニアレベルの技術が必要である可能性が高いと考えられる。仕様自体は公開されているが、これを C#もしくは Java を用いて実装に落とし込む作業には一定水準以上のプログラミングスキルが必要と考えられる。
従って、あるソフトウェアを OpenMI Compliant にしようと考えたときは、必然的にそのソフトウェアを開発したベンダーが実装することになる。
3-9

（6） OpenMI を利用する
OpenMI から提供されるものは(3)で挙げたが、エンドユーザーが OpenMI を利用する場合は、OpenMI の実行環境である OpenMI Environment をダウンロードし、インストールする必要がある。
1） OpenMI の利用制限
OpenMI の利用に関しては、基本的に誰でも制限なく利用することができる。商用利用も可能である。OpenMI Environment は OpenMI のホームページ（http://www.openmi.org）
からダウンロードすることができる。ダウンロードし、インストールすることにより OpenMIが利用可能となるが、Microsoft が開発したプログラム実行環境である.NET Framework を利用しているため、.NET Framework の環境が整っていなければ、OpenMI を動かすことはできない。もしくは、Java バージョンを利用する場合は Java の環境を整えておく必要がある。
2） GUI を利用する
OpenMI Environment をインストールすると、OpenMI Configuration Editor と呼ばれるアプリケーション（GUI）を立ち上げることができる。OpenMI はこの GUI を利用して、モデル同士の接合や、通信の仕方、計算の制御などを設定することができる。

図 3-7 OpenMI Configuration Editor の GUI イメージ
（7） OpenMI の機能
1） モデルの接続
OpenMI では複数のモデルを接続して解析することができ、そのためには各 OpenMI Compliant
3-10の接続関係を定義する必要がある。ここでいう接続関係の定義とは、OpenMI を介してモデル間で交換するデータを関係付けることである。モデルの単位は OHyMoS のようにプログラムではなく、完成されたソフトウェアが必要となる。
あるユーザーが保持している解析モデルと他のユーザーが保持しているプログラムを接続しようとする場合、両方のプログラムを OpenMI Compliant となるよう実装しなければならず、事実上
エンドユーザーレベルでは対応することはできない。
2） 交換できる要素の単位
前述の通り、OpenMI の要素の単位はソフトウェアとなる。たとえば、ソフトウェア A で考える。
ソフトウェア A は OpenMI Compliant として実装されており、OpenMI で利用することは可能である。しかし、ここで計算できる内容はソフトウェア A の機能の範囲内である。言い換えると、ソフトウェア A に含まれている計算エンジンを他の解析方法と交換したいと考えたとしても、ソフト
ウェアA自体は単独のソフトウェアであるので、そのソフトウェアそのものの修正はこれまで通り、
エンドユーザーではすることができない。

OpenMI メインプログラム
OpenMI対応入出力

Engine Engine Engine

ソフトウェアA

インプット
データ

アウトプット
データ

Engine

図 3-8 要素の単位
3） ラッピングの仕様が含まれている
OpenMI では、ラッピングに関する仕様がマニュアルの中に記述されており、OpenMI の機能としてラッピングを可能にするクラスが実装されている。
4） 要素間の反復計算
要素間の反復計算は反復計算コントローラという機能を使うことにより実行することができる。
反復計算コントローラとは、反復計算を行う要素間に入り、値の収束などをコントロールする機能である。反復計算の設定などは、OpenMI の GUI を用いて行うことができる。

3-11

3.1.3 OHyMoS と OpenMI に関する機能の比較（1） アプリケーション実行に関する比較
1） OpenMI
OpenMI Environment をインストールすることにより、OpenMI アプリケーションを実行 する ことが でき る。ま た、 C#で プロ グラミ ング されて いる ため、 Microsoft .NET
Framework の環境を整える必要がある。Java で実装された OpenMI を利用する場合はJava の環境が必要である。
2） OHyMoS
OHyMoS はソフトウェアではなく、プログラムソースの提供であるため、実行するにはプログラムをコンパイルする必要がある。よって、C++もしくは Java のコンパイラが必要となる。ただし、（新たに要素モデルを加えることはせず）提供されている実行ファイルを利用するだけなら、コンパイラは必要ない。
（2） 要素モデルの利用に関する比較
1） OpenMI
OpenMI Compliant として実装済みのソフトウェアを GUI 上で接続する。そのためには利用するソフトウェアを持っていなければならない。
2） OHyMoS
プログラムソースに要素モデルの接続関係をコーディングするか、構造定義ファイルを用いて接続関係を定義する。要素モデルはプログラムである。
（3） 要素モデルの実装
1） OpenMI
既存のソフトウェアを OpenMI で利用できるようにカスタマイズしなければならない。
ソフトウェア内部のソースコードを直接再プログラミングする必要があり、C#もしくはJava を実装する。ただし、元々のエンジン部分のプログラムは書き換えることなく、ラッ
ピングを用いて実装することもできる。実装に必要な技術レベルはソフトウェア開発が可能なプログラマレベルの技術が必要と考えられる。エンドユーザーレベルでは新規に要素モデルを開発することは極めて難しいと考えられる。
2） OHyMoS
要素モデルとなるプログラムソースをユーザーがコーディングする。基本型要素モデルと呼ばれるクラスを継承してプログラミングすればよい。また、既存の要素モデルのソースコードをコピーすることにより、解析の計算式部分、パラメータ・初期状態に関する変数など
を書き換えることでも作成できるため、河川技術者のプログラミング技術でも十分作成可能である。他言語で書かれたソースをラッピングするなどそのまま利用することはできないた
め、C++か Java で実装しなければならない。
3-12

（4） データの入出力
1） OpenMI
OpenMI では、ソフトウェアそのものが要素モデルとなるので、要素モデルにインプット
するデータは、OpenMI を介したデータ入力ではなく、ソフトウェアごとに入力するものと考えられる。
OpenMI の働きはソフトウェア間のデータ通信の仲介者的な役割であり、エンジン部分であるソフトウェアに入力するデータに関しては、OpenMI 側では干渉せず、ソフトウェアごとのデータフォーマットで入力すると予想される。同様に、アウトプットデータはそれぞれのソフトウェアから出力されると考えられ、このフォーマットは各ソフトウェア独自のフォーマットであると予想される。
2） OHyMoS
一方 OHyMoS では、要素モデルにデータを入力する際は、OHyMoS のシステムを介して入力される。要素モデルごとに自由な入力フォーマットではなく、OHyMoS として決められたデータフォーマットで入力データをインプットする必要がある。入力データは
OHyMoS の入力端子と呼ばれるオブジェクトの機能で、各要素モデルにデータが入力される。同様に出力データに関しても OHyMoS システムを介してアウトプットされ、データフォーマットは OHyMoS で決められたフォーマットである。また、出力データは出力端子というオブジェクトの機能で出力される。

OpenMI メインプログラム
OpenMI対応入出力

Engine Engine Engine

MIKE11

インプット
データ

OpenMI対応入出力

EngineEngineEngineInfoWorks

アウトプット
データ

ソフトウェア
で取り込む

OpenMI対応入出力

インプット
データ

アウトプットデータ

新規ソフト

Engineインプット
データ

ソフトウェアから吐き出す図 3-9 OpenMI のデータ入出力イメージ

3-13

Engine

アウトプット
データ

OHyMoS（C++）
河道計算Engine（C++）

入れ替え可能貯留関数法Engine
（C++）

OK

特性曲線法Engine
（C++）

C++
氾濫計算Engine（C++）

特性曲線法Engine（Fortran）

新規追加可能OHyMoSに氾濫計算Engine
取り込む
（C++）

インプット
データ

アウトプット
データ

OHyMoSから吐き出す図 3-10 OHyMoS のデータ入出力イメージ（5） 解析エンジンの単位
1） OpenMI
OpenMI では、ソフトウェアそのものが要素モデルであるので、ユーザーが交換や追加できるエンジンの単位も当然ソフトウェア単位となる。細かい部分でのエンジンの交換や、部
分的な要素の追加（例えば、局所流のプログラムを挿入する）などの詳細なモデルの組み替
えには向かないと考えられる。
2） OHyMoS
OHyMoS では、プログラムがエンジンの単位となる。また、モデルの組み立て方はユー
ザーによって自由であり、例えば、図 3-12 の通り、図上方のように河川を地区毎に分断してそれぞれ別のエンジンで計算することもできるし、図下方のように河川は一つのエンジン
で解くこともできる。
flow

3

氾濫

ダム

3

河道

モデルごとに要素モデ
ルを区切る

5

遊水池

flow



4
分流

7

地理的な条件で要素モ
デルを区切る

6

8
2



10

河道
1

遊水池

1
2
4

氾濫

図 3-11 OHyMoS のエンジン単位
3-14（6） 計算の制御
1） OpenMI
計算順序などの計算の制御は OpenMI で設定することができる。ただし、エンジンの単位より細かいレベルでの制御はすることができない。タイムステップごとに同時平行で計算を進めることができる。
2） OHyMoS
OHyMoS では計算の順序そのもの決めることはできない。基本的に計算できる要素モデ
ルから計算を順次していく。タイムステップごとに同時並行的に計算を進めるためには、その秒数をユーザーが設定する。
（7） ラッピング
1） OpenMI
OpenMI では、前述の通りラッピングの機能がフレームワークの一部として実装されている。具体的には、ラッピングするために必要な機能が実装されたクラスが含まれている。ラ
ッピングの機能はいくつかのクラスで構成されている。
2） OHyMoS
OHyMoS では他言語を取り込むラッピングの機能はない。C++もしくは Java で要素モデルを実装しなければならない。
（8） 反復計算
1） OpenMI
反復計算コントローラを用いることにより、GUI 上で反復計算の設定を行うことができる。
2） OHyMoS
反復計算を行うことはできるが、要素モデルは独立しているという OHyMoS の基本コンセプトからは若干はずれたプログラミングが必要になる。どの要素モデルでも反復計算ができるというわけではなく、予め反復計算を行うことを前提とし、どの要素モデルと反復計算を行うかも記述したプログラミングが必要となる。収束計算の条件などもプログラミングする必要がある。ただし、接続自体は構造定義ファイルを用いて行うことができる。

3-15

3.1.4 OHyMoS と欧米のシミュレーションモデルとの比較
図 3-12 および図 3-13 に、OHyMoS と欧米開発のフレームワーク、ソフトウェア、データモデ
ルの関係・位置づけをシミュレーションモデル、データ交換・連携インターフェース、データの構造化という枠組みで整理したイメージを示す。

シミュレーションモデル
個別モデル

データ交換・
連携インタ
フェース

単独
HEC
MIKE

OpenMI汎用（HamonIT）

OHyMoS

データの構造化
MIKE-ZEROョンMMS
HEC-DSS
シ
ー
ス
OMS
ケ
ー
リ
ェ 密な
ArcHydro
アプ ンタフ 結合
利用
川
河 準イ
水路網
HLA
標
データモデル
疎な結合管理

全体モデルのブラックボックス化防止による精度保証の仕組みの整備

図 3-12 解析モデル、フレームワークの関係

データ構造
を重視
詳細を規
定

水路網
データモデル

大枠を規定

ArcHydro

構造化するというルールのみ決める

HEC-DSSGEOLEMMMS

OMS

OHyMoS

OpenMI
河川アプリケーション
標準インタフェース

規定しな
い

HLA

現状（単独）
規定しない

時間軸上で定義される状態量の伝達

時空間軸上で定インタフェー
義される状態量のスを重視
伝達モデル資産・ノウハウの総合的活用の促進

図 3-13 解析モデル、フレームワークの位置づけ

3-16

3.2 米国における水理・水文・水質シミュレーションモデルの開発体制等に関する現地調
査
3.2.1 調査の背景と目的
河川局では「水情報国土」に関わる活動として、平成 14 年（2002）よりデータの提供、データ構造化の推進、インターフェース標準化の推進、ソフト標準化の推進が行ってきた。さらに、それと平行して、関連する海外動向調査が文献調査を中心として行ってきた。
一方で、水文・水資源学会が中心となり、国総研も積極的に参画して、2003 年にはシンポジウム「水のモデリングとインターフェイス」、2004 年、2005 年の２カ年にわたって「流域水物質循環モ
デル・ソフトウェア博覧会」を開催してきた（1 章参照）
。さらに、米国陸軍工兵隊水文工学センターで長年にわたってソフトウェア開発に関わってきたアーレン・フェルドマン氏の講演会が 2005
年 3 月に実施された（4 章参照）。
本調査は、これらの既往の調査とそこで得られた知見を背景とし、河川および流域の水文、水理機構の解明に関する共通利用ソフトとデータに関して、その開発と運営、ならびに利用に関する有効性がどのように保たれているかを米国の先進事例から学ぶことを目的として、実際に米国の関連諸機関を訪問することにより、ソフトウェア開発者・使用者といった種々の立場からみたデータ、
ソフトウェアのあり方に関する情報収集と意見交換を行うものである。
3.2.2 調査行程
本調査は、平成 17 年 11 月 13 日（日）～19 日（土）にわたって実施され、訪問した機関は下記の 7 機関である。

1)
2)

米国工兵隊

Hydrologic

水文工学センター本部(HEC), USACE

米国工兵隊
サクラメント現地事務所

3)

統合管理センター

4)

カルフォルニア州

5)

Sacramento District Office, USACE

水資源局

California

7)

米国農務省

Department

of

Water

Resources
California Water Science Center,
U.S. Geological Survey (USGS)

カルフォルニア水科学センター
米国地質調査所

Center

The Joint Operations Center

米国地質調査所

6)

Engineering

デンバー

農業研究部

U.S. Geological Survey in Denver
Agricultural Research Service, U.S.
Department of Agriculture (USDA)

今回訪問した機関は、1)～5)はカルフォルニア州サクラメント周辺、6)、7)についてはコロ
ラド州デンバーおよびフォートコリンズに位置している。

3-17

3.2.3 訪問機関ごとの調査の着眼点
今回の調査の着眼点は大きく次の 3 つのグループに分類される。
 HEC（工兵隊水文工学センター）ソフトウェアの実態
 HEC ソフトウェアは、よく使われている理由。その戦略と実態を知りたい。
 HEC ソフトウェアの開発と、その運営方法。
 HEC ソフトウェアの設計思想と、今後の展望。
 CWMS（工兵隊水管理システム）によるデータの収集、管理、利用の実態と、運営上の課題
 サクラメント現地事務所、統合管理センター、カルフォルニア州水資源局におけるソフ
ト活用の実態 USGS（地質調査所）カルフォルニア水科学センターにおけるデータ管理の実態
 データ収集、集約、公開の実態
 リアルタイムデータ収集の体制、異常値への対応など
 USGS（地質調査所）、USDA（農務省）における流域水循環解析モデルフレームワーク開発の実態
 フレームワーク開発の実態（開発の進捗、開発体制、・・・） フレームワーク上で動作する要素モデルの開発の状況
 実務への活用の確認（研究開発にとどまっているのか、実務にまで応用されているのか？）
3.2.4 調査概要
（1） 米国工兵隊 水文工学センター本部 (Hydrologic Engineering Center, USACE)
米国工兵隊 水文工学センターの調査結果の要点を下記に示す。


HEC ソフトウェアは全米で広く使われてきた結果、水計算ソフトウェアのデファクトスタ
ンダードとしての位置を獲得している。その理由は、¾

計算スキーム・基礎式が確立されたもの。

¾

現場事務所の要望を一般化された形で取り込んでいる。

¾

工兵隊内部からのフィードバック・維持管理の体制が整っている。

¾

息の長いリーダーが存在している。職員も長期間勤務してきている。



HEC ソフトウェアは“Public Domain”。



35 年の歴史とユーザーサポートの充実が広く使われている理由。



学会等である程度認知されたモデルを導入。制度保証の仕組みがあるわけではない。新モデルの導入にあたっては、従来モデルとの結果比較により検証は実施している。



HEC の責任はソフトウェアの供給であり、それをどのように使うか（データ入力、モデル
選択、パラメータ設定）はユーザーの責任。ただし、モデル選択、パラメータ設定等の参考となるマニュアルは発行（Web サイト）している。



HEC 単体ソフトウェアの組み合わせ利用は、CWMS（工兵隊水管理システム＝工兵隊独自のインターフェースにより、ソフトを相互接続する仕組み）を活用。CWMS の活用により、
3-18

リアルタイム予測等の活用が可能となる。外部データの取り込みや HEC ソフトウェア間の接続は HEC-DSS を介して行う。


現在のところ、海外ソフトとの連携は視野には入れていない模様。



HEC へは、韓国から研修・トレーニングに参加している模様。

1） HEC サービスの 3 本柱
HEC における活動の基本としては、技術支援(Technical Assistance)、研究開発(Research andDevelopment)、研修およびサポート(Training and Software Support)となっている。研究開発は、
主に HEC ソフトウェアを対象としている。技術支援、研修およびサポートは、HEC ソフトウェア
に関し、工兵隊各現地事務所に対して実施している（図 3-14 参照）
。

技術支援

研修および
サポート

研究開発

図 3-14 HEC サービスの３本柱
2） HEC のソフトウェア
米国工兵隊水文工学センター（HEC）のソフトウェアは、原則として無償で公開しており、Websiteからダウンロードできる主なソフトウェアは下記の通りである。なお、他にも専門家に使用されているソフトは、90 以上にも上る。
表 3-2：HEC の主なソフトウェア
名 称

概 要

HEC-RAS1 次元水理解析モデル

HEC-GeoRAS

HEC-RAS の GIS コンポーネント

HEC-HMS

降雨・流出解析（水文）モデル

HEC-GeoHMS

HEC-HMS の GIS コンポーネント

HEC-ResSim

貯水システム解析モデル

HEC-FDA

洪水被害解析モデル

HEC-DSS

データベースシステム

例えば、近年開発されてきた水文ソフトウェアパッケージ HEC-HMS の計算モジュール構成は下図に示すとおりである。
3-19

要素（流域、河道など）作成
要素の結合

モデル構築

実績降雨法
仮想降雨法

降雨波形作成モデル

H
E
C
｜
H
M
S
モ
デ
ル

初期損失＆一定損失法
SCS曲線法
メッシュ用SCS曲線法
Green & Ampt 法
土壌水分法

損失モデル

単位図法（Clark法、Snyder法、SCS法）
ユーザ作成単位図法
修正Clark法（準分布型単位図、メッシュ降雨データ用
Kinematic wave 法（斜面・河道）

流域流出計算モデル

一定量流量、月別流量、指数低減流量、線形貯水池

基底流量モデル

遅れモデル（逓減なし）
Muskingum 法
修正 Puls 法
Kinematic wave 法
Muskingum - Cunge 法河道洪水追跡モデル

水制御施設モデル

自動化、４種の評価関数

モデル定数同定

自動化、４種の評価関数

図 3-15：HEC-HMS のモジュール構成
3） HEC ソフトを活用している現地事務所
工兵隊における現地事務所（Regional Office）の総数は 42 に上る。特に、各事務所で HEC ソフトの使用を義務付けているわけではないが、そのうちほとんどすべての事務所で HEC ソフトが活用されている（図 3-16 参照）
。

河道・水理

水文

洪水被害

洪水頻度

貯水池

データベース

図 3-16 HEC ソフトウェアを活用している事務所の数
4） HEC ソフトの活用状況
HEC ソフトウェアは、工兵隊内部のみならず米国内、海外においても幅広く認知され、活用されている。図 3-17 に、過去 1 年間に HEC サイトを閲覧した機関、国を示す。この図から米国内からのアクセスが比較的多いことが理解される。国としては、イタリアからのアクセスの多さが特徴的である。なお、日本からのアクセスは、30,000 前後となっている。
ソフトウェア別のダウンロード状況は、HEC-RAS（約 6,500 ダウンロード/月）、HEC-HMS（約3-203,100 ダウンロード/月）となっている。

教育関係者

米軍関係者
イタリア
米国政府関係者
米国
日本（20番目）

図 3-17 HEC の Web サイトを閲覧した機関および国 (2004 年)

HEC-RAS

HEC-HMS

HEC-ResSim
HEC-DSS
Legarcy Software
DSS Utilities
HEC-FDA

図 3-18 HEC ソフトウェア一ヶ月当たりのダウンロード数

3-21

5） HEC ソフトウェアに関わる関係機関（図 3-19 参照）
HEC では、開発したソフトウェアへのサポートは、工兵隊内部と工兵隊外部に対しては方針が区別されている。工兵隊内部に対しては、ソフトウェアの提供、メンテナンス、各種サポートがなされている。工兵隊ではない一般ユーザーに対しては、HEC の Web サイトからソフトウェア、マニュアルがダウンロードできる以外は、サポートは提供されていない。ただし、ソフトウェアのバグに起因する障害と思われる質問に対しては、対応をしている。また、一般ユーザーに対するサポートに関しては、HEC ソフトウェアのベンダーが実施している。
HEC ソフトウェアの開発に関しては、HEC が中心的な役割を果たしているが、適宜民間企業への外注も行っている模様である。また、大学・研究機関と連携して開発を実施している。

図 3-19 HEC ソフトウェア関係機関の関係図
6） HEC-DSS
DSS は、Data Storage System の略称であり、HEC ソフトウェアの入出力データを管理（データ共有、データ操作、視覚化機能等）するための機能がある。HEC ソフトウェア間の入出力デー
タの共有の一例として、HEC-HMS（水文ソフト）と HEC-RAS（１次元水理ソフト）の入出力データの例を紹介する（図 3-20 参照）。
１． 先ず、HEC-HMS のアウトプット（流出量）データを先ず、HEC-DSS に取り込む。
２． 上記、１．の HEC-DSS のデータは、HEC-RAS にインプットデータとして、取り込みをする。
３． HEC-RAS のアウトプットデータ（水位）は、HEC-DSS に取り込みが出来るようにな
っている。
3-22

このようにデータベースを介した形で、複数のソフトウェア間の入出力データの互換性を図っている。このシステムでは、時系列データだけではなく、河道断面などのデータも保存できるようになっている。ただし、OHyMoS のように、異なるソフトウェア間のカップリング（同期をとりな
がら反復計算）する機能は無い。なお、HEC-DSS には、図 3-22、図 3-23 に示すようにデータの視覚化やデータ同士の加減乗除や複雑な計算をサポートする機能も付加されている。

HECソフト間のデータ互換性はHEC-DSSを介する。
 DSSは、Data Storage System（データ保管システム）の略 例えば、HEC-HMS（水文ソフト）とHEC-RAS（1次元水理ソフト）間のデータ互換性のイメージ


1.流出量のデータ
ファイルを取り込む。

Q: 流量データ

HEC-HMS
水文ソフト

Out

2.HEC-RASに
HEC-DSSのデータをインポートする。

Q: 流量データ

HEC-DSS
データベースシステム

In

HEC-RAS
1次元水理ソフト

H: 水位データ

3.HEC-RAS の出力データ（水位）は、DSSに取り込むことが出来る。

図 3-20 HEC-DSS を介したソフトウェア間のデータ互換

図 3-21：HEC-DSS のデータ視覚化ツール

3-23

図 3-22：HEC-DSS の算術計算ツール
7） CWMS（工兵隊水管理システム）
HEC では、HEC-RAS、HEC-HMS、HEC-ResSim、HEC-FDA、HEC-DSS の他にも工兵隊の現地事務所の管轄の水管理（統合水資源管理、リアルタイムデータ監視）のため、CWMS（Corps
Water Management System: 工兵隊水管理システム）を開発してきている。

工兵隊水管理システムCWMS(Corps Water
Management System)は、工兵隊の現地事
務所の管轄の水管理（統合水資源管理、リアルタイムデータ監視）のためのソフトウェ
アである。
GIS：氾濫域などの可視化

HEC-HMS 降
雨-流出解析(水文)モデル

HEC-ResSim
貯水システム解析モデル

HEC-RAS 1次
元水理解析モデル

図 3-23 CWMS の概要図

3-24

HEC-FDA 洪水
被害解析モデル（2） 米国工兵隊 サクラメント現地事務所(Sacramento District Office, USACE)
米国工兵隊 サクラメント現地事務所の調査結果の要点を下記に示す。


一般的な工兵隊の水管理と NWS（気象局）との業務区分¾

洪水のデータを提供するまでが、NWS の責務となっている。洪水への対処をどうするかまでは、責務ではない。

¾

このうち、工兵隊ダムの実管理とダムに関わる洪水警報は、工兵隊が実施する。

¾

一般的には、工兵隊のデータを NWS が利用する仕組みにはなっていない。

例外的にユバ川プロジェクトでは、工兵隊と気象局の連携が実現：CWMS（工兵隊水管理システム）を用いた HEC ソフトウェアの活用がなされている。



HEC ソフトウェアそのものの活用方法¾

水理、水文解析関連業務は、工兵隊職員が自らプロジェクトをマネージメントし、その中で HEC ソフトウェアを動かしているなど、基本的に全部直営で処理する。

¾


外注はモデル構築業務程度。

工兵隊での改善提案（HEC へのフィードバック）は、直営で実施することによる情報把握によるもの

以下、サクラメント現地事務所における HEC ソフトウェア活用の事例について紹介する。
1） ユバ川プロジェクト
サクラメント川支流であるユバ川流域には、ニューブラーズバーダムおよびオロビルダムがあり、これらのダムの下流域における治水計画の改善を目的にしたユバ川プロジェクトが、カルフォルニ
ア州水資源局、ユバ郡の水局、国立気象局、工兵隊の連携体制のもとに実施されている。

サクラメント事務所におけるHECソフトウェア活用事例～サクラメント川支流のユバ川プロジェクト (1)～サクラメント川支流のユバ川プロジェクトには、
加州水資源局、ユバ郡の水局、国立気象局、工兵隊が参加している。
この流域にある2つのダム（ニューブラーズ
バーダム、オロビルダム）の下流域における治水計画の改善が目的である。

図 3-24 ユバ川プロジェクト

3-25

豪雨の際、貯水池の水を的確に放流するために、HEC ソフトウェア（HEC-ResSim）を活用している。貯水池に流入する流量、水位は気象局（NWS）の River Forecast Center（河川予測センター）によって、リアルタイムにされている。そのデータを HEC-ResSim に取り込み、そのデー
タをダムのゲート操作の検討に活かすこととしている（図 3-25 参照）。
サクラメント事務所におけるHECソフトウェア活用事例～サクラメント川支流のユバ川プロジェクト (2)～豪雨の際、貯水池の水を的確に放流するため（ピークを早くする）、新規ゲージの設置、関係機関の連絡体制の整備を図る必要がある。
この検討のために、HECソフ
トウェア（HEC-ResSim）を活用した。
貯水池に流入する流量、水位は気象局（NWS）のRiver
Forecast Center（河川予測センター）によって、リアルタイムにされる。
そのデータをHEC-ResSimに取り込む。それをダムのゲー
ト操作の検討に活かす。

赤線は改善前、青線は改善した後の流量

図 3-25 ユバ川プロジェクトの HEC ソフトウェア活用
2） トラッキー草地洪水制御プロジェクト
ネバダ州 Pyramid Lake からリノ市に至るエリアにおける洪水被害軽減と河川生態系の回復を主目的にトラッキー草地洪水制御プロジェクトが実施されている。このプロジェクトでは、図 3-29に示すようにモデル対象地域を 4 区間に分割し、それぞれの区間の目的に応じて HEC ソフトウェ
アの適用（組み合わせ）をしている。

サクラメント事務所におけるHECソフトウェア活用事例～トラッキー草地洪水制御プロジェクト(1)～

このプロジェクトでは、モデル
対象地域を4区間に分割し、それぞれの区間の目的に応じてHECソフトウェアの適用（組み合わせ）をしている。

Wadsworth to
Pyramid Lake
高水敷を拡幅し、生態系の保護が目的

Downtown
商業地域の保護が目的

主目的は、洪水制御による被害軽減と河川生態系の回復にある。
4つの適用区間・Downtown
・Meadows
・Vista to Wadsworth・Wadsworth to Pyramid Lake

Vista toWadsworth
Meadows
高水敷を拡幅し、生態系の保護が目的

高水敷を拡幅し、生態系の保護が目的

図 3-26 トラッキー草地洪水制御プロジェクトの HEC ソフトウェア活用(1)3-26例えば、Downtown を対象にしたエリアに対しては、HEC-RAS（河道モデル）、FLO-2D（2 次元氾濫モデル）、HEC-FDA（氾濫被害解析）、HEC-DSS（データベース）の組み合わせのモデルを活用している。

サクラメント事務所におけるHECソフトウェア活用事例～トラッキー草地洪水制御プロジェクト(2)～←HEC-RASによるモデル
構築
モデル計算結果の可視化（氾濫域）↓

サクラメント事務所では、HECが開発している単体ソフトウェアを組み合わせて活用している。
•例えば、HEC-RAS（河道モデル）、
FLO‐2D（2次元氾濫モデル）、HEC-FDA（氾濫被害解析）、HEC-DSS（データベース）の組み合わせ※FLO-2Dは、工兵隊で開発したソフトではない。

図 3-27 トラッキー草地洪水制御プロジェクトの HEC ソフトウェア活用(2)（3） 統合管理センター (The Joint Operations Center)
統合管理センターの調査結果の要点を下記に示す。


統合管理センターは、カルフォルニア州内の水管理の関係機関（米国開拓局、米国海洋大気庁等）から構成されている組織である。



統合管理センターは、組織的に統合して水管理を実施する組織とはなっていない。技術・研究的には様々なノウハウを共有できる場にはなっている。
¾

Community Hydrologic Prediction System（コミュニティ水文予測システム）という関連機関からの情報を統合した水文予報プロジェクトが進行中である。



米国開拓局（BOR：Bureau of Reclamation）では、独自のソフトウェアを使っている。HEC
ソフトウェアの活用はほとんどない。



米国海洋大気庁（NOAA：National Oceanic & Atmospheric Administration）の気象局（NWS：カルフォルニア州＆ネバダ州）では、気象予報とともに、独自の流出解析モデル
を用いて水文予報（流量、水位）を行っている。水文予報には、短期（決定論的予報）、中期（アンサンブル平均予報）、長期（統計的予報）がある。



HEC ソフトウェアは、異なる水文システムで万能に使えるというわけではない（長年、開発に従事してきた OB の感想）。

3-27

1） カルフォルニアデータ交換センター（California Data Exchange Cemter :CDEC）
統合管理センター内には、カルフォルニアデータ交換センター（CDEC）が運営されている。これにより、カルフォルニア州内の水文（河川＆貯水池）
・気象のリアルタイムデータの共有が可能となっている。CDEC の Web サイトによって、これらのデータが公開されている。なお、サクラメ
ント川に関するデータもほとんどこのサイトから閲覧することが可能である。
協力機関は、
工兵隊、気象局、開拓局、地質調査所、カルフォルニア州水資源局等から構成される。砂漠研究所、米海軍、
カルフォルニア州交通局、リノ市水管理事務所等には、CDEC から直接リアルタイムデータを送信している。

図 3-28 カルフォルニアデータ交換センターの Web サイト
2） コミュニティ水文予測システム（Community Hydrologic Prediction System）
統合管理センターにおいては、コミュニティ水文予測システムという関連機関（連邦政府機関、
州政府、地方、大学、民間等）からの情報を統合した水文予測プロジェクトが進行中である。
情報を統合
水文予報
ク
進行中 あ 。

図 3-29 コミュニティ水文予測システム
3-28

（4） カルフォルニア州 水資源局(California Department of Water Resources)
カルフォルニア州 水資源局の調査結果の要点を下記に示す。


カルフォルニア州水資源局では、独自の水管理ソフトウェアを開発して、それを活用している。これらのモデルは、カルフォルニア州の必要性に応じて作りこんだ独自のソフトウェア
である。
（カルフォルニア州としては、HEC ソフトウェアは利用していない。
）¾

州全体の水収支モデル（CALSIM）


カルフォルニア州は、北部の水資源を南部へアクアダクト（用水路）を通じて、水供給している。

¾

デルタシミュレーションモデル(DSM2)¾


複数のモデルから構成されている。
z

1 次元河川ネットワークモデル(HYDRO)：サクラメントデルタ地区

z

3 次元汽水域モデル(PTM)：魚の動態モデル、温度、食物連鎖もカバーz

1 次元水質モデル（QUAL）：リン、塩分、塩素、酸素等

地下水・表流水モデル（IGSM2）

豊富な資金、人材によるソフト開発を実施している。
¾

水資源局のスタッフは、2500 名でうち、技術者は 300 名。

¾

モデル構築の部局（Modeling Support Branch）には約 50 名が在籍する。
※ カルフォルニア州は、独立国とすれば世界第 5 位の GDP に相当する



データユニットという部署を作り、10 年間かけて独自にデータベースを構築し、管理している。データ構造は、特に系統立てて構築しているわけではなく、常に変化している。

1） カルフォルニアシミュレーションモデル（CALSIM: California Simulation Model）
カルフォルニア州水資源局と開拓局により、CALSIM と呼ばれるカルフォルニア州全体の水収支モデルを独自に開発し、州内の水管理（貯水池の新設検討、貯水容量の増強の検討等）に活用してきている。
2） デルタシミュレーションモデル（DSM2）
DSM2 (Delta Simulation Model2) は、HYDRO（1 次元河道モデル：流量、水位、流速、水深）、
QUAL（1 次元水質モデル：リン、塩分、塩素、酸素等）、PTM（準 3 次元浮遊性粒子移動モデル：
魚類の動態、水温、食物連鎖までカバー）から成り立っており、サクラメント川からサンフランシ
スコ湾への流入、サンフランシスコ湾の潮汐、ポンプ配水によるカルフォルニア州南部への配水に起因する魚類生態への影響、灌漑用水供給の水質保全等を目的として、適用されてきている（図3-31 参照）。

3-29

カルフォルニア州全体の水収支モデル（CALSIM）のネット
ワーク図

Statewide CVP & SWP
Water Allocation Model
CALSIM

State Water ProjectCentral Valley Project (Federal)Local

図 3-30 CALSIM ネットワーク図

DSM2: Delta Simulation Model 2
HYDRO
HYDRO

1-Dflow,
flow,velocity,
velocity,
1-D
depth,andandwaterwater
depth,
surfaceelevations
elevations
surface

QUAL
QUAL

PTM
PTM

1-Dfatefateandandtransporttransport
1-D
ofconservative
conservativeandandof
non-conservative
non-conservative
constituents
constituents

Quasi3-D
3-DtransporttransportofofQuasi
neutrallybuoyant
buoyant
neutrally
particles
particles

図 3-31 DSM2 の構成
3） 地下水および表流水統合モデル（IGSM2: Integrated Groundwater and Surface water
Model2）
地下水および表流水統合モデル（IGSM2）は、準 3 次元地下水モデルおよび 1 次元表流水モデルの統合モデルである。基本は、Finite Element モデルである。IGSM2 は、地下水、表流水＆河口域のモデリングが可能となっている。このモデルの構築には、マサチューセッツ工科大学、カルフ
ォルニア大学バークレー校およびコーネル大学出身の職員が関わっている。なお、カルフォルニア
3-30

州全体の水需要のうち、30％を地下水に頼っている。

CVGSM Subregions
N
W

E
S

LEGENDCVGSM subregions
CVGSM subregion elements
100

State of California

0

100 Miles

図 3-32 IGSM のイメージ図（5） 米国地質調査所 カルフォルニア水科学センター(California Water Science Center, U.S.
Geological Survey)
米国地質調査所 カルフォルニア水科学センターの調査結果の要点を下記に示す。
 USGS は、NWIS（National Water Information System）と呼ばれる水情報システム、収集貯蔵、アーカイブを保有し、データを収集、公開している。
¾

USGS では、自前の観測網から得られる水位、水質などを蓄積データ、リアルタイムデー
タとして、全米に公開、提供している。

¾

USGS のデータを工兵隊やカルフォルニア州水資源局が使用することはあっても、USGS
が外部からのデータを入手してそれを使用・公開する仕組みは持っていない。

¾

カルフォルニア水科学センターは、州内の NWIS を取り扱っている。各州にも同じような部署がある。

¾

各州の NWIS システムのソフトウェアは、（ヘッドクオーター）USGS 本部から配布される。

¾

州毎に、NWIS システムの中の構造、組織、資金元は異なる。


以前は、集中管理型の一つのシステムがあったが、地方のサイバー同士の通信に問題があった。

 USGS は、公開している各データに対しては、独自のチェック体制を敷いている。
¾

例えば、水位データは、リアルタイムのデータも公開しているが、履歴データとして公開する際には、スクリーニングをかけ、チェックしてから公開している。

¾

USGS が EPA （環境保護局）にデータを提供している。

¾

EPA は、SurfYourWatershed で、ポータルサイトの役割を果たしている。が、EPA はデータの妥当性をチェックしていない（データの責任を負っていない）
。
3-31



予算
¾

USGS 全体として、活動のカテゴリは下記の 4 つから構成される。
Geology地質:

マップ: Geography

生物:

Biology



水:

Water

¾

それぞれのカテゴリによって、資金の入り方が違う。

¾

水のカテゴリに関しては、政府機構（地方（District）、州、連邦など）から拠出されている。

¾

さらに、ナショナルプログラムの資金枠かあり、その一つにデータマネジメントがある。

NWIS の全体概要を図 3-34 に示す。サイトのデータは、現場まで観測者が出向いて観測を実施する方法、観測所に設置されているパソコン等から自動転送する方法などがある。ADAPS と呼ばれる表流水の時系列データを 15 分間隔でリアルタイムデータを収集している。データを転送する
方法には、衛星通信、通常の電話回線、携帯電話回線などがある。州内に 700 の観測所があり、うち 440 箇所は自動化されている。
収集されたデータは、NWIS data server あるいは、NWIS applications servers に転送され、USGS カルフォルニア水科学センターでデータのチェックを実施している。データチェックの後、Web Server に転送し、一般に公開する流れになっている。

図 3-33 米国地質調査所の水情報システム
上記の NWIS サーバーは、各州に一台ずつ配備されており、それぞれの州の USGS 水科学セン
ターが責任を持って管理している。図 3-34 に示すように、それぞれの州のサーバーが青線で繋がっているが、実はそれぞれのサーバー同士の相互接続はできていない。すなわち、自動的に、他の州のサーバーからデータを自動的に入手することはできない状況である。目下、一般開放している
Web サイトの情報しか入手できない状況である。NWIS システム自体は、ソフトウェアが HQ（ヘ3-32

ッドクオーター）から配布されるが、州ごとに中の構造も異なっている。この NWIS システム以前
は、セントラルシステムが整備されていたが、地方のサーバー同士の通信にも、一旦中央を通さなければならないという手間のかかる通信問題が発生したため、各州でサーバーを配備した経緯がある。

図 3-34 各州に配備された NWIS サーバー
（6） 米国地質調査所 デンバー(U.S. Geological Survey in Denver)
米国地質調査所 デンバーの調査結果の要点を下記に示す。


米国地質調査所 デンバーにおいては、MMS と呼ばれるモデルフレームワークを開発している。
¾

MMS (Modular Modeling System)とは、
USGS 開発のモデルフレームワークである。
（オブジェクト指向ではない）



MMS は、水だけでなく、自然現象、社会現象に幅広く適用できる。



MMS 内部のデータは標準化されている。



モデル構築モジュール（OHyMoS の構造定義ファイルの自動生成機能に近い）によって、各計算モジュールの計算順序、繰り返し計算命令等を自動化する仕組みを有している。

¾

外部データを MMS データ構造に変換するモジュールを作れば、外部データとのやり取りが可能である。

¾

研究者を中心に使用されているが、実務でも活用されている。


PRMS（流出モデル）
3-33

¾



TOPModel（流出モデル）



コロラド州グニソン川流域のリアルタイム水管理システム：開拓局



地下水モデル（MODFLOW）と表面流モデルの結合モデルを開発中

MMS 自身はある程度完成しており、安定的に動作する。今後 OMS に移行するので、これ以上の機能向上はしない。

¾

MMS のモジュールにラッパーをかけて、OMS のコンポーネント化を進めている。しかし、この手法では、計算時間がかかるため、今後 10 年程度かけて、MMS のモジュールを JAVA で書き直すことにより OMS のコンポーネント化を図る予定。当面は、MMS と OMS の共存だが、最終的には OMS に移行する。

Object User Interface（OUI）

¾

JAVA で開発した MMS の新しいユーザーインターフェース。

¾

外部データの取り込み、MMS で構築したモデルの実行、解析結果の表示等を行える。

¾

OMS 等の他のモデルフレームワークでも使用可能とのこと。

¾

調査時点ではベータ版。マニュアルが整備され次第、一般公開される。

1） MMS の開発、サポート体制等
MMS 開発は、1989 年 9 月からが始まり、当初は 3 ヵ年計画であった。Web サイトにおいては、
2000 年 7 月に Current Stable Version（安定動作バージョン、動作テスト済み）および Bleeding
Edge Version（最先端バージョン）をリリースしている。開発体制は下記の通りである。


開発者（2 機関）① 米国地質調査所（USGS）② コロラド大学水環境システム意思決定支援センター（CADSWES）



協力機関 （10 機関）① 開拓局（USBR）② 農務省林野部（U.S. Forest Service）③ 航空宇宙局（NASA）④ 農業研究事業団（Agricultural Research Service）⑤ 陸地生態研究分析研究所(TERRA)⑥ Deutscheforschungsgemeinschaft(DFG)⑦ Rhinish-Westralische Technische Hochschule in Aachen⑧ University of Bonn
⑨ Friedrisch Schiller University⑩ Potsdam Institute for Climate Impact Analysis

その他① MMS の開発・管理スタッフは、現在 5 名。
② サポートとして、ホームページの開設や問い合わせへの回答は行うが、それ専用の部署があるわけではない。
③ MMS は“Public Domain”に属する。
3-34

④ USGS 以外でも広く使われることを想定している（USGS は他省庁のコンサルタント的な立場との認識）。
⑤ ユーザー管理やユーザーによって作成されたモジュール管理は、USGS との共同研究の場合は管理対象とし、MMS 上で動くその他のモジュールについては USGS の管理対象外となる。
2） MMS のシステム
図 3-35 に MMS のシステム全体像を示す。MMS は、大きく分けて、1) 前処理コンポーネント、
2) モデルコンポーネント、3) 後処理コンポーネントから構成され、それらが MMS 独自のフォー
マットで定義されたデータストレージを介して結合している。

MMSの主要コンポーネント
前処理コンポーネント

モデルコンポーネント

後処理コンポーネント

ＧＵＩ

ＧＵＩ

ＧＵＩ

データ収集

Modular Model
モジュールライブラ
リの要素モデルを選択して、互いにリ
ンクさせる

ＤＭＩ

意思決定システム
地理情報システム

モデル構築
インターフェース

ＤＭＩ

水

ＤＭＩ

モジュール
エネルギー ライブラリ

視覚化機能
統計計算

生態系

エネルギー

地理情報
システム

MMS仕様によるモジュール（要素モデル）間の接続

化学

水

ＤＭＩ

化学

※DMI: Desktop
Management
Interface

生態系

データ ストレージ※この図は、MMSユーザーマニュアル(1998年)を参考に作成したものである。

ファイルによる外部とのデータ交換

図 3-35 MMS のシステム
図 3-36 に MMS のモデルコンポーネントを構成するモジュール内部の基本構造を示す。モジュールは、5 つのサブモジュールから構成される。


Main Function¾

MMS run controller とモジュールを繋ぐ部分を言い、モジュール内のシステムに命令を与える。

¾

MMS からの全ての命令（Declare,Initialize,Run,Cleanup）は、一度モジュール内のMain 関数に届けられる。

Declare Function¾



Initialize Function¾



内部パラメータと変数を宣言する。
内部パラメータと変数を初期化する。

Run Function¾

シミュレーションするプロセスのアルゴリズムを含む。
3-35



¾

シミュレーション計算の際には、タイムステップごとに call される。

¾

Run 関数は、C か FORTRAN のサブルーチンで構成される。

Cleanup Function¾

メモリに残っているデータを消去する。

なお、MMS では、トップダウン式に MMS 中央司令塔から各モジュールに命令を出しており、OHyMoS のように各要素モデルが自律的に計算順序を判断して動くわけではない。

モジュール内部
DeclareFunction
Initialize
Function
Main Function

Run Controller

MMS

各モジュールに命令を出す中央司令
塔の役割

パラメータと変数を初期化
シミュレーションのプロセスのアルゴリズムを含む

Subroutine A
Run
Function

Subroutine B
・・・

MMS Run Controllerとモジュールを繋ぐ役割

パラメータと変数を宣言

FORTRANあるいは C言語

CleanupFunction

MMS Run Controller
からの命令は、必ずここに届く

Subroutine N
メモリ内のデータを消去※この図は、MMSユーザーマニュアル(1998年)を参考に作成したものである。

図 3-36 MMS のモジュール内部の基本構造
3） MMS のユーザーインターフェース（OUI）
MMS のツールとしては、Object User Interface（OUI）と呼ばれる JAVA で開発した MMS の
新しいユーザーインターフェースが準備されている。


OUI を用いることにより、容易に外部データの取り込み、MMS で構築したモデルの実行、
解析結果の表示等を行える。

OUI は、OMS 等の他のモデルフレームワークでも使用可能である。

OUI が現在はベータ版であり、マニュアルが整備され次第一般公開される予定である。

調査時点では、MMS のホームページから OUI をダウンロードすることはできない。
（7） 米国農務省 農業研究部(Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture)
米国農務省(USDA)農業研究部の調査結果の要点を下記に示す。


米国農務省 農業研究部においては、OMS と呼ばれるモデルフレームワークを開発している。Object Modeling System (OMS)とは、USDA-ARS で開発中の MMS 後継のオブジェク
ト指向のモデリングフレームワークである。

オリジナルは、ドイツのフリードリッヒ大学で開発された。



JAVA の総合開発環境である NetBeans 上で動作するシステムであり、プロジェクト管理、
3-36モデルコンポーネントの管理（ソースコードの修正、コンパイル、登録等）、モデル構築、モデル実行、解析結果の表示が可能である。


過去の資産（Fortran や C）を活かす仕組みがある（JAVA のラッパーの活用）。



MMS モジュールを OMS 上に移植する作業（ラッピング）が USGS で行われた。



OHyMoS と異なる事項¾

OMS の各コンポーネントは、内部にモデル接続に関する関数を持たない。

¾

コンポーネントの接続関係、受け渡す変数、受け渡しの方向（1 方向もしくは 2 方向）、
繰り返し計算の必要性などの情報は別途記述し、その情報に基づき、OMS 上でのモデル構築画面上で、計算順序などを半自動的に決定できる。

1） OMS の開発、管理体制等
OMS の開発は、1996 年ドイツの Friedrich Schiller 大学において、開始された。2000 年 10 月に、米国農務省（USDA）、米国地質調査所（USGS）を含んだ省庁間プロジェクトへと展開してきている。開発体制は、下記の通りである。




開発機関
¾

米国地質調査所（USGS）¾

米国農務省（USDA）¾

ドイツ Friedrich Schiller 大学

開発のロードマップ¾

Ver.1.2 (Oct 05)


¾

¾

¾

調査時点（当時）の最新バージョン

Ver.2.0 (Jan 06)


NetBeans 5.0 に対応

コンポーネントテストフレームワーク



シナリオ管理

包括的なエンティティをサポート



モデル接続

Ver.2.1 (Apr 06)


空間的可視化

自動パラメータ設定

FORTRAN 95 への対応

Ver.2.1 完成後


GEOLEM（Geological Object Library For Environment Modeling、環境モデリ
ングのための地理空間オブジェクトライブラリを構築するプロジェクト）の取り込
み、データモデリング、データ解析、ClusterRT¾

外部との共同研究体制


マルチメディア環境モデルに関する関係省庁間の委員会
z

原子力規制委員会 、環境保護局、工兵隊、エネルギー省、地質調査所、農務
3-37

省、自然資源保全局 、海洋大気庁、開拓局¾




GEOLEM

豪州農業生産システム研究ユニット

中国の地理情報関係機関に OMS 関係者が中国に赴いて説明した模様。

その他¾

OMS 上で動作する数々のコンポーネント（要素モデル）の精度管理や責任のあり方等の管理手法については現在（調査当時）検討中である。

¾

2005 年 10 月に Ver.1.2 が公開された。2006 年 6 月に Ver2.1 完成を目指している（調査時点における直近の目標）。

¾

USDA の CoLab というプロジェクトトラッキングシステムで管理されている。

¾

CoLab は、ソフトウェアの資産（ソース、ドキュメント、開発者の意見）を皆でより有効に活用していく仕組み。

¾

結果的には、良いコンポーネントのみが勝ち残っていく仕組み。

¾

OMS 本体の主開発者は 2 名。コンポーネントの開発は外部に多数。

2） OMS のシステム概要
OMS に関するホームページを参照して作成した OMS の全体像を図 3-38 に示す。OMS は
種々の科学計算、データベースコンポーネントからなるモデルフレームワークであり、GUI
モジュール、ユーティリティモジュール（データ検索・ストレージ、GIS、統計処理、可視化パッケージ）が揃っている。また、XML を用いたデータベースマネジメントシステムとWeb ベースのモデルリングリソース共有システムを基礎としている。
実行モデルの構築・テスト
モジュール接続
状態の確認

計算制御
既存のモデル

データタイプ情報の管理

データアクセス

モジュール
ライブラリ

OMSフレームワーク
図 3-37 OMS の全体像

3-38

ディクショナリ診断

モデルビルディング
コンポーネントモジュールビルディング
コンポーネント

ユーティリティ

ユーザーインタフェース

既存のモデル

科学計算エンジン

科学者

協力機関

利害関係者

他の研究者
ユーザー

モデル開発

OMS Toolbox
OMS モデル インタフェース
OMS model A

OMS model B

OMS model C

作物生育
モジュール 1

PS2

PS1

PS1

作物生育
モジュール 2

作物生育モジュール 1

水文モジュール 1
養分
モジュール

水文モジュール 2

水文モジュール 2
風モジュール

浸出モジュール 1

侵食モジュール

OMS モデル エンジン
科学モジュール

データ集積
土壌

水文モジュール
侵食モジュール

作物
気候・・・

その他
モジュール

作物生育モジュール

図 3-38 OMS の概要説明図
図 3-39 は OMS のワークフローを示している。コンポーネント開発、開発したコンポーネントライブラリ管理、コンポーネントの統合によるモデル作成と解析実施、さらに解析結果の表示という一連の流れが、OMS の統合開発環境で実施可能である。

コンポーネント
ビルダー
公開

モデル
ビルダー
統合

結果解析
実行

コンポーネント
ライブラリ

解析

モデル
実行

データ解析
モデルアプリケーション
コンポーネント統合
コンポーネントライブラリ管理
コンポーネント開発

図 3-39 OMS のワークフロー
OMS は、JAVA の統合開発環境である NetBeans 上に構築されているため、要素モデルのソースコードの修正、登録、バージョン管理が容易にできる。また、全体系モデル構築についても、要素モデル自体とは別個に記述されたモデル接続関係をもとに、OMS の GUI 上で
3-39

半自動的に構築できる。図 3-40 に OMS の統合開発環境を示す。

コンポーネント
エディター

モデリング
プロジェクト

結果の解析

コンポーネント
ライブラリ

パラメータ
エディター

統合化されたモデル

図 3-40 OMS の統合開発環境
3） モデリング活動のトラッキングと管理システム（CoLab）
OMS は、USDA が管理している CoLab と呼ばれるモデリング活動のトラッキングと管理システ
ム によって管理されている。CoLab におけるトラッキングおよびバージョン管理システムは次の機能を持つ。
¾

コードの欠陥から要求にいたる各種問題を追跡、管理する¾

プロジェクト管理のためのリアルタイムのタスク、バグレポート¾

ドキュメントの共有と版管理¾

議論のためのフォーラム¾

ソフトウェアの構築とリリース、ダウンロードに関するレポートを e-mail により得る¾

ソースコードの履歴管理と共同開発

図 3-41 に CoLab における OMS 管理画面を示す。なお、この画面は、USDA のユーザーアカウ
ントを得ないと見ることはできない。

3-40

図 3-41 CoLab における OMS 管理画面

3-41