樹冠遮断モデルの適用などによる洪水予測モデルの精度向上
つちだひろきむらかみのりたかは せ が わ けんいち

やまなか た け し

さ と う だいすけ

土田拓輝1・村上宗隆1・長谷川健一1・山中威士1・佐藤大介1
1三井共同建設コンサルタント（株）中部支社（〒460-0002 愛知県名古屋市中区丸の内3-20-3）

近年,激甚化・頻発化している洪水氾濫による被害を防止・軽減するためには迅速な避難行動が不可欠であり,そのためには的確な洪水予報をリアルタイムで行うことが重要である.本検討
では,河川水位予測システムの改良にあたり,適切な流出量を得るために樹冠遮断モデルを適用したRRIモデルを構築し,さらに氾濫による流量低減を考慮しうる一次元不定流モデルの構築とそれらの検証を行った.
Key Words : 洪水予測モデル,RRI,樹冠遮断,流量低減

１．はじめに
近年,気候変動の影響により全国的に豪雨による洪水氾濫が激甚化・頻発化しており,甚大な浸水被害等が増加している.このような洪水氾濫に対応するためには,ハード対策だけでは十分でない場合が多いため,洪水の危険度情報を早期かつ的確に発信し,的確な水防活動や住民の迅速な避難を促すことが求められている.そのため,災害の切迫感を分かりやすく伝える目的で,国土交通省や自治体等で洪水予測を行い,現時刻及び将来予測の河川水位状況を住民等にリアルタイムで提供するシステムが構築されている.
本検討では,国土交通省中部地方整備局三重河川国道事務所の管轄である雲出川水系を対象とした（図-1）.雲出川水系は三重県の中部に位置しており,幹川流路延長55km,流域面積550km2 の一級河川である.流域内の土地利用は市街地が約7％,農地が約13％,山地が約80％であり,山地域が支配的である.
また,下流部には無堤部が複数存在しており,大規模な洪水が発生した際に開口部から堤内地へ洪水が流入することで洪水ピークの低減に寄与していると考えられる.
雲出川水系の直轄水位観測所では2021年までの17年間で,計画高水位超過は4回,氾濫危険水位超過は16回,避難判断水位超過は35回と,大規模な洪水が度々発生しており 1),今後は気候変動の影響によりさらに大規模な洪水が発生する恐れがある.
こうした背景を踏まえ,本検討では降雨流出現象だけでなく洪水氾濫を同時に精度よく表現できるモデルとしてRRIモデルを構築し,樹木による損失を表現することで山地域における流出量の精度向上を図った.また,河道一次元不定流モデルについては洪水氾濫による流量低減を表現できるように改良することで,縦断的な水位の予測精度向上を図った.その上で,RRIモデルによる流出解析と河道一次元不定流モデルを組み合わせることで河川水位予測システムを構築した.

２．課題(1) RRIモデルにおける有効降雨の考慮
RRI モ デ ル は オ ー プ ン ソ ー ス で , 土 木 研 究 所
ICHARM2)によって開発・公開されており,降雨を凡例
水位観測所(直轄)
不定流モデル化区間

図-1

雲出川流域図入力条件として河道流出から洪水氾濫までを一体的に解析できるモデルである.なお,RRIモデルの構築においては,1秒（約30m）メッシュデータである「 日 本 域 表 面 流 向 マ ッ プ /Japan Flow DirectionMap 」 3) を 用 い て 地 盤 高 ,流 下 方 向 , 上 流 集 水 メ ッ
シュ数データを作成し,土地利用は「国土数値情報土地利用細分メッシュデータ」 4)を使用した.また,1秒メッシュでは計算時間が膨大となり,洪水予報をリアルタイムで実施することが困難であるため,8秒メッシュにスケールアップを行った.
通常,山地に降った雨は蒸発散による損失や土壌の保水機能により,一時的に貯留される.この森林による降雨の貯留機能を考慮することは,降雨流出解析を実施する上で重要であるが,RRIモデルにおいて降雨は斜面に直接到達するため,樹木による損失を的確に考慮できない.つまり,RRIモデルはわが国のように山地が支配的な河川では流出量を過大に算定することが懸念される.
対象河川である雲出川は,山地域が流域の8割程度を占める典型的な山地河川である（図-2）.このような河川では,実現象に即した流出現象を表現する
うえで樹木による降雨損失は無視できない.よって,樹木による貯留機能を表現できるモデルを構築することが,予測精度向上において重要な課題の一つである.

対応すること,モデルパラメータが明確であることからSuzuki (1980)5)を適用した.同手法は,葉における貯水を表現する樹冠タンクと,枝や幹における貯水を表現する樹幹タンクの2段構成となっており,それ ぞ れ の タ ン ク が 満 水 に な る と 溢 れ る モ デル となっている.降雨はまず,樹冠タンクに貯水され,樹冠タンクが満水になると地面に直接到達する樹冠通過雨量（Throughfall）と樹幹タンクに分水される.
樹幹タンクは樹冠タンクからの供給のみであり,樹幹タンクが満水になると溢れた水は地面に到達する樹幹流下量（Stemflow）となる.この樹冠通過雨量と樹幹流下量を合算し,有効雨量を求めることとした（図-3）.また,蒸発散量をそれぞれのタンクから一様に差し引くことで,システム実装後も連続的に解析できる.
樹冠遮断モデルの適用性を検証するため,大規模洪水である2014年8月9日洪水を対象に再現計算を行った.ここでは代表として,雲出川最下流の雲出橋水位観測所における流量ハイドログラフで比較を行った.その結果,樹冠遮断モデルを適用することで過大であった流量が抑制され,精度向上を見込めることが確認できた（図-4）.なお,支川を含む他観測所においても同様の検証を実施し,過大傾向であった流出量が抑制されることを確認している.
凡例
水田
畑地
山地
都市
水域

(2) 外水氾濫による予測精度の低下
本検討ではRRIモデルで算定した流出量を境界条件とし,河川水位は一次元不定流モデルを用いて算定している.現行の雲出川河川水位予測システムにおいては,外水氾濫による流量低減は考慮していない.そのため,外水氾濫が発生するような大規模な洪水に対して予測計算を実施すると,氾濫が発生した地点より下流では予測水位が過大に算定されることによる予測精度の低下が懸念されることとなる.一方,雲出川では,過去の大規模洪水においても下流部の無堤部へ流入した事例は多く,氾濫による予測精度の低下が生じていることが推察される.よって,激甚化する豪雨災害に対して精度の高い洪水予報ができるよう,外水氾濫等による流量低減を表現できる一次元不定流モデルへの改良が必要である.

図-2

流域内土地利用分布図

３．解決方法(1) 樹冠遮断モデルの適用
一般的に,山地に降った雨はまず樹木の葉である樹冠に到達した後,地面に直接到達するものと,枝を伝わり樹幹を通って地面に到達するものに分類される.この過程においては,蒸発散等により損失が生じるため,流域の多くを山地域が占める雲出川においてはこの損失を正確に表現することが必要となる.
本検討では,構築したRRIモデルに樹冠遮断モデルを結合することで有効降雨を表現することとした.本検討においてはリアルタイムでの洪水予報に

図-3

樹冠遮断モデル（Suzuki,1980に加筆）

図-4

樹冠遮断モデル適用による効果(2) 外水氾濫モデルの適用
現行河川水位予測システムでは,一次元不定流モデルにおいて外水氾濫を考慮していない.このため,河道から外水氾濫が生じた場合には,その地点より下流における予測水位の精度を低下させる恐れがある.今後は,気候変動の影響から,さらに大規模な洪水が多発することが懸念され,このような洪水に対しても的確な洪水予報を行うため,本検討では河道からの溢水氾濫を考慮した一次元不定流モデルを構築した.その際,洪水浸水想定区域図等を参考に氾濫形態を「流下型」「貯留型」「拡散型」に分類し（図-5）,各氾濫形態の特性に応じたモデルを構築した.
a) 流下型氾濫のモデル化
流下型氾濫は,河道からの氾濫流が河道沿いを流れる氾濫形態であり,雲出川では主に山間部を流下する区間に設定した.手法としては,河道不定流モデ
ルの測線地点における氾濫原横断データを作成し,これを河道モデルの堤内側に接続することで河道と氾濫 原が一体となったモデル を構 築 した （図6）.なお,氾濫原の横断データは「基盤地図情報数値標高モデル」6)を用いて作成した.
b) 貯留型氾濫のモデル化
貯留型氾濫は,堤防から越流した氾濫水が一時的に貯留され,洪水後に河道へ排水される氾濫形態である.雲出川では主に,無堤部を含め中流部に設定した.手法としては,氾濫原を池モデルとして設定し,河川水位と氾濫原の水位差により,氾濫原と河道間の流入出量を算定する.なお,池モデルは「基盤地図情報数値標高モデル」 6) を用いて,氾濫原の浸水位と氾濫ボリュームを示すH-V関係を作成した.
c) 拡散型氾濫のモデル化
拡散型氾濫は,堤防から越水した氾濫水が河道に戻ることなく地形沿いに拡散する氾濫形態であり,氾濫水が河道へ戻ることはない.よって,貯留型氾濫と同様に池モデルを接続するが,氾濫原から河道への流出はさせないこととした.
d) 河道不定流モデルの検証
改良した河道一次元不定流モデルについて,2014
年8月9日洪水における観測流量を境界条件として設定し,池モデル適用による効果を検証した.ここでは,雲出川本川の直轄区間について検証結果を示す.
検証の結果,河道ピーク水位の低減が確認でき,最大図-5

各氾濫形態のイメージ図

図-6

流下型氾濫モデル化概念図

図-7

一次元不定流計算結果

で約1.5mの水位低減効果がみられた（図-7）.また,当該洪水では無堤部への流入実績があり,検証計算においても氾濫水が無堤部へ流入していることを確認できた.
(3) 河川水位予測システムによる検証構築したRRIモデルと河道一次元不定流モデルを用いて河川水位予測システムを構築し,2012年9月30日 洪 水 を 用 い て 36 時 間 先 ま で の 予 測 シ ミ ュレ ーションを実施した.現時刻までの雨量には国交省C
バンドオンラインキャリブレーション雨量,予測雨量には気象庁降水短時間予報及びMSMを用いた.また,データ同化手法は粒子フィルタを採用し,フィルタリング条件として,水位観測所では河川水位,ダム地点では流入量で同化した.
また,河川水位予測システムには,多地点の観測水位を同化させる手法としてカスケード同化を採用した.この手法は,同化地点毎に流域や河道区間を分割し,上流から順次カスケード区間毎に粒子フィルタにより同化計算を行うものである（図-8）.なお,

図-8

図-9

カスケード同化モデル図

同化計算の基本ユニットイメージ

デルを組み合わせることで河川水位予測システムを構築した.RRIモデルにおいては,山地域が支配的な雲出川流域の流出特性を考慮するために,樹冠遮断モデルを結合することで有効降雨を表現した.また,
河道一次元不定流モデルにおいては,氾濫形態ごとにモデル化の手法を区別し,洪水氾濫における流量低減を表現した.これにより精度の高い洪水予報が可能となり,的確な水防活動や住民の迅速な避難に資する課題解決策であることが示唆された.
今後は予測精度を継続的に確認し,必要に応じてRRIモデルパラメータの調整や河道横断測量による河道断面の更新等を実施していくことで,更なる予測精度向上が期待される.
謝辞：本論文は,国土交通省中部地方整備局三重河川国道事務所の「令和4年度 三重河川洪水予報システム改良検討業務」の成果である.ここに記して,関係各位に謝意を表します.

図-10

予測シミュレーション結果

カスケードモデル分割の基本ユニットは,境界条件となる上流端と下流端で同化対象となる観測所地点を挟む形で設定する（図-9）.
雲出橋水位観測所における予測シミュレーションの結果を示す（図-10）.洪水の立ち上がり部やピーク部等,予測水位が実績水位を精度良く捉えていることが確認できた.しかし,予測先行時間が長くなると予測精度が低下する傾向も確認できた.これは,予測雨量が過小評価されたことが影響していると考えられる.

４．まとめ
リアルタイムで実施される洪水予測においては,計算コストを抑えつつ予測精度を確保することが求められる.そのような制約の中で,本検討では実現象に即して改良したRRIモデルと河道一次元不定流モ

参考文献
1) 水文水質データベース,http://www1.river.go.jp/,2024.7.23
現在
2) 国立研究開発法人 土木研究所 水災害・リスクマネジメント国際センター
3) 日 本 域 表 面 流 向 マ ッ プ , http://hydro.iis.u-tokyo.ac.jp/~yamadai/JapanDir/,2024.7.23現在
4) 国 土 数 値 情 報 土 地 利 用 細 分 メ ッ シ ュ デ ー タ ,https://nlftp.mlit.go.jp/ksj/gml/datalist/KsjTmplt-L03b.html,2024.7.23現在
5) Masakazu Suzuki: Evapotranspiration from a Small
Catchment in Hilly Mountains (I) Seasonal Variations
in Evapotranspiration, Rainfall Interception andTranspiration, The Japanese Forest Society, Vol. 62, pp.
46-53, 1980.
6) 基 盤 地 図 情 報 数 値 標 高 モ デ ル 5mDEM, https://fgd.gsi.go.jp/download/mapGis.php?tab=dem,2024.7.23現在
7) 水管理・国土保全局河川環境課水防企画室,国土技術政策総合研究所河川研究部水害研究室,小規模河川の氾濫推定図作成の手引き,令和2年6月