河川デジタルツインを活用した次世代風水害HM（確率可視化）の開発
い が ら したく みほりたかなりあそかつし

や ま の いかずき

おおいし五十嵐 拓実1・堀 孝成1・阿曽 克司1・山野井 一輝2・大石

さとる

哲3

1NiX JAPAN（株）本社（〒930-0857 富山県富山市奥田新町1番23号）
2京都大学防災研究所気象・流域災害研究部門（〒612-8235 京都府京都市伏見区横大路下三栖東ノ口）
3神戸大学都市安全研究センター （〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1−1）

自然災害の頻発化・激甚化などリスクポテンシャルの増大が顕著な我が国において，従来の限界を克服する物理シミュレーション駆動型の「防災デジタルツイン」構築を都市全体で実行可能にするデジタルツイン生成の自動化と，これを活用したハザードマップの高度化が求められている．本報告は，河川デジタルツイン技術を活用し，従来の最大包絡のハザードマップではなく，新たな避難計画等の策定及び住民の行動変容に繋がる，確率で可視化した次世代のハザードマップ（以下，確率HMと称する）を開発した．確率HMは，場所毎の浸水しやすさを評価することが可能であり，避難場所・避難ルートの選定や防災機能強化の優先度を判断する上で有益な情報を提供できることが示唆された．
Key Words : 洪水HM，水害リスクマップ，確率HM，河川デジタルツイン，DRSRIS

水想定区域図を重ね合わせて表示したものであり，年超過確率毎の浸水区域を把握することが可能である．しかし，同マップは洪水HMと同様に想定最大規模又は計画規模の降雨時における想定浸水区域は広自然災害の頻発化・激甚化などリスクポテンシャ範囲に及び，場所毎の相対的な浸水しやすさを把握
ルの増大が顕著な我が国において，従来の限界を克することはできない．
服する物理シミュレーション駆動型の「防災デジタこれらの課題解決のため，本研究ではデジタルツルツイン」構築を都市全体で実行可能にするデジタインの特徴を活用し，複数のシナリオを想定した浸ルツイン生成の自動化と，これを活用したハザード
水解析から得られる浸水深を確率処理し，大規模のマップの高度化が求められている．これに対し，戦水害が発生した際に，高確率で被災する領域と低確略的イノベーション創造プログラム（第3期SIP）研究開発のテーマ「スマート防災ネットワークの構築」 率で被災する領域を区別する確率HMを構築した．本研究では兵庫県の二級河川武庫川を対象に浸水解析の中で構築した河川デジタルツイン技術を活用し，を実施して，確率HMを作成した．なお，武庫川では従来の最大包絡のハザードマップではなく，新たな従来型の洪水HMが既に公表済みである．
避難計画等の策定及び住民の行動変容に繋がる，確率で可視化した次世代のハザードマップ（以下，確率HMと称する）の開発を行った．
2．確率HMを用いた浸水リスクの評価
従来型の洪水HMは対象とする河川に複数の破堤地点を想定し，浸水解析を想定した破堤地点毎に実行(1) 浸水解析モデルと解析条件して得られた浸水深を最大包絡した結果を提示して浸水解析モデルには山野井ら 2) が開発した降雨いる．そのため，一般的に想定される浸水区域が広データを入力条件に，地表面の降雨流出解析と河道範囲になり，住民が洪水時の避難場所・避難ルート部の洪水流解析及び氾濫域の氾濫流解析を一体的に等の避難計画を検討する際に活用するのは困難であ解析可能なDRSRISを用いた．同モデルは土地利用をることが多い．洪水HMの他に水災害のハザード情報
森林部，河道部，都市部の3種類を考え，河道部及としては，水害リスクマップ 1) が挙げられる．同
び都市部では浅水流方程式に基づく平面二次元の表
マップは中高頻度規模の年超過確率毎の多段階の浸面流を解析し，森林部ではダルシー則に基づく地中１．はじめに流 と 浅 水流 方 程 式 に 基づく 地 表 面 流 を diffusivewave近似して解析するものである．また，本研究では土砂輸送は解析の対象外とした．
降雨外力は従来型の確率HMの作成時と同様に想定最大規模降雨を対象に入力条件として与えた．浸水
解析の地形モデルは，河道地形モデルを武庫川の定期横断測量データを基に作成し，これを国土地理院のDEMより作成した地形モデルの河道部に内挿することにより，河道と氾濫原の地形モデルを作成した．
なお，計算格子は従来型の洪水HM作成時に使用されている25m解像度の矩形格子よりも細かい，5m解像度の矩形格子とした．また，都市域に流入した水を河川に戻す下水道の働きを疑似的に再現するために，土地利用が「都市」である計算格子上の水を近傍河川に50mm/hで排水する処理を取り入れている．

述べるが，本研究では簡単のために多田 3) と同様𝑝 = 1/𝑛とした．

(3) 浸水リスクの評価作成した確率HMを用いて浸水リスクの評価を行う．
本研究では従来型の洪水HMとの比較を行うために，公表済みの武庫川の洪水HM（想定最大規模），水害リスクマップを使用する．水害リスクマップは浸水深毎に作成されているため，本研究では，一般的に徒歩による避難行動が不可とされている浸水深0.5m以上4)を対象とした水害リスクマップ及び確率HMを作成した．また，浸水リスクと避難施設の関係を把握するために，国土数値情報の避難施設データ5)を用いて，各マップに武庫川流域における避難施設の位置情報を示した（丸印記号）．
図-1の左図に従来型の洪水HM（想定最大規模）を(2) 確率HMの構築示す．0.5m以上の浸水想定区域が広範囲に及んでお確率HMの構築領域は人口と資産が集中する武庫川
り，多くの避難施設が0.5m以上の浸水区域に存在しの仁川合流点(8.8k)より下流側を対象とした．本研ていることが分かる．武庫川右岸河口部付近におい究では破堤の位置による不確実性を反映した確率をては浸水深が0.5m以上の浸水想定区域が存在し，そ評価するものとし，破堤位置を武庫川右岸の36か所の中に避難施設が存在していることが分かる．
選定し，合計36ケースの浸水解析を実施した．なお，
図-1の中図に水害リスクマップ（浸水深0.5m以上）
堤防の破堤の発生時刻は，予備計算で得た洪水ピーを示す．水害リスクマップにおいても想定最大規模ク時刻をもとに決定し，緩和時間を設けて堤防の天及び計画規模における浸水区域が広範囲に及び，多端高を高水敷の位置まで低下させた． 各計算格子
くの避難施設が浸水想定区域に存在している．従っにおいて時間最大浸水深ℎが𝑥以上となる確率𝑃(ℎ ≥て，両マップともに氾濫後には徒歩による避難施設𝑥)は次のように表現できる．
への避難行動が広範囲において困難であることを示している．
1 (ℎ ≥ 𝑥)
𝑃(ℎ > 𝑥) =𝑝 ∙ 𝑓(ℎ, 𝑥) , 𝑓(ℎ) =図-1の右図に確率HM（浸水深0.5m以上）を示す．
0 (ℎ < 𝑥)
浸水想定区域は従来と同様に広範囲に及んでいるが，ここで，添え字𝑖は破堤地点を表し，𝑝 は地点𝑖で破浸水想定区域内における場所毎の浸水確率は異なる堤が生起する確率（以下，破堤確率と称する）を表ことが分かる．武庫川右岸の海岸付近においては浸す．破堤確率𝑝 は土質強度や周辺の流れ場，越流水水確率が高く，武庫川右岸の4.0k～8.0kにおいては深や越流時間等の影響を受けると考えられ，浸水確浸水確率が低いことを示している．武庫川右岸の海率に影響する．浸水確率への影響は最終章において岸付近は地形標高が低く，上流側の破堤地点からの図-1

武庫川の対象マップ

氾濫流が流下して最終的に到達するため，浸水確率が高いことを示している．一方，武庫川右岸の4.0k～8.0kにおいては各破堤地点からの氾濫流が拡散して氾濫原を流下するため，武庫川本川付近から離れるにつれて，浸水確率が相対的に低い傾向を示している．なお，今回の浸水解析に用いたDRSRISは，氾濫原においても降雨を与えているため，武庫川本川から離れた位置においても浸水が発生している点に注意が必要である．
図-2に武庫川右岸5.0k付近における洪水HM，確率HM及び標高図を示す．上段の洪水HMにおいては同区域内のほぼ全ての範囲が浸水深0.5m以上を示している．一方，武庫川右岸の4.0k～6.0kにおいては，上流側からの氾濫流はJRの盛土により遮られるため，JRの盛土の上流側は浸水確率が高い傾向を示しているが，JRの盛土の下流側においては浸水確率が低い傾向を示している．また，JRの盛土と県道340号の盛土に挟まれている地域は周辺の地域に比べて浸水確率が低い傾向にある．この理由については，この地域の浸水はJRと県道340号の間の破堤地点（4.6k～5.0k）からの破堤氾濫による浸水現象となるため，浸水確率が低い傾向となっている．

図-2

武庫川右岸の対象マップ及び標高図

武庫川右岸地域は，複数の破堤地点からの浸水により0.5m以上の浸水は広範囲において発生しているが，地形的な特徴により浸水確率が場所毎に異なる．
このように従来型の洪水HMでは同じ浸水深として扱われていた場所においても，確率HMにおいては場所毎に浸水確率が異なることが示された．
(4)破堤確率の導入
従来型の洪水HMでは河道内水位が計画高水位に到達した地点は全て破堤する条件としている．しかし，実際の現象としては河道内水位が計画高水位に到達しても堤体の土質条件や護岸整備状況などの種々の要因により破堤しない場合もあるため，浸水リスクを過大に評価していることになる．菊地・野村6)は福岡・田端7) が提案した破堤確率の算出方法を用いて，浸水リスク評価を行い，破堤確率の導入により地形的要因だけでは判断できない浸水リスクの評価が可能であることを示している．よって，今後の研究においては破堤確率の効果を導入した確率HMの作成を計画している．
本研究で実施した浸水解析では，例えば，図-3の上図に武庫川右岸4.6kの破堤ありの場合の確率HM，図-3 武庫川右岸4.6k付近の対象マップ及び航空写真(国土地理院)

中図に武庫川右岸4.6kの破堤無しの場合の確率HMを示す．同図より避難施設があるA地点周辺の浸水は，4.6kからの破堤氾濫のみによるものであるが，4.6kは護岸及び高水敷が整備され，下図の航空写真より右岸側の内岸には砂州の形成が確認されるため，他の区間に比べて相対的に破堤のリスクは低いことが予想される．破堤ありの場合におけるA地点の浸水確率は10％以下であるが，破堤確率の導入後の浸水解析では，4.6kにおいては破堤が生じにくいことが予想され，浸水確率がさらに低い結果になることが予想される．また，上流側の浸水確率は破堤地点数が少なくなるため，上流側における破堤しやすい条件にある堤防付近の浸水確率が相対的に低くなる課題が残されている．破堤確率の導入により場所毎の堤防の破堤しやすさを定量的に評価することが可能となることにより，上流側において破堤しやすい堤防付近の浸水確率は，本研究の確率HMが示す浸水確率よりも高い確率を示すことが予想される．
(5)確率HMの活用方法
上述した結果から，確率HMを作成することにより場所毎の浸水しやすさを評価することが可能となる．これにより，従来型の洪水HMにおいて，多くの避難場所が浸水想定区域に含まれていた地域においても，実際には避難場所毎に浸水しやすさが異なるため，一次避難場所や避難ルートの優先度を判断するための情報となる．また，避難場所の耐水化，建屋嵩上げ，電源設備の嵩上げ等の機能補強を実施していく際に，その優先度の判断にも活用できる．
よって，確率HMは地域の防災計画を策定する上で有益な情報を提供することが示唆される．

3.今後の課題と展望③④⑤⑥⑦⑧

堤防破壊確率の導入
様々なシミュレーターの選択的適用
内水外水分離，連成（貯留機能等を考慮した下水道ネットワークとの連成解析）
多くのシナリオ解析（外力シナリオ，モデルシナリオ，防災シナリオ）
地震後の状況を反映したハザード重畳解析人工衛星画像データを利用した被災状況の可視化
GIS, メタバース空間（PLATEAU等）でのハザードの可視化，ハザード重畳の解析結果の可視化

河川デジタルツインの活用により，従来の破堤地点毎の浸水シナリオだけではなく，降雨シナリオや，地震による堤防・地盤沈下による被害状況等の不確実性をはらむ多くの要素を反映することにより，多様な性質の確率HMの作成が可能となる．また，浸水確率の可視化により，避難計画等の住民の行動変容に資する防災情報の提供が可能となる．さらに，行政側も防災の観点から，地域防災拠点や避難場所等の機能強化やリダンダンシー確保への活用の可能性が広がる．河川デジタルツインがあれば行動変容の啓蒙活動に有効なメタバース空間へのハザード情報のダイナミック表示（ダイナミックHM）も容易に可能となり，このような形態を含めて次世代HMの社会実装に向けて研究開発を進めていく予定である．
謝辞：本研究は，内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）第3 期「スマート防災ネットワークの構築」
課題番号：23820891（研究推進法人：防災科学技術研究所）によって実施されました．ここに記して感謝申し上げます．

参考文献
1) 多段階の浸水想定図及び水害リスクマップの検(1)今後の課題
討・作成に関するガイドライン, 国土交通省水管本研究で提案した確率HMは段階的開発の初期段階であるため，今後の課題としては破堤確率を導入し， 理・国土保全局，R5.1.
2) 山野井一輝, 大谷英之, 陳健, 大石哲, 堀宗朗:
浸水リスク評価の精緻化を図る．破堤確率の反映方
水-土砂の流出氾濫統合モデルの構築とHPCによる朝法としては，破堤確率を従来の1/𝑛から堤防周辺の倉市杷木地区への適用, 土木学会論文集B1(水工学),水深・流速や土質条件等の関数として時間変化させる．また，モンテカルロシミュレーションを用いて， Vol.74,No.5,I_889-I_894,2018.
3) 多田毅:浸水確率の空間分布を考慮した浸水リス
洪水期間中に時間変化する破堤確率を反映できるよ
ク マ ッ プ の 提 案 , 土 木 学 会 論 文 集 B1( 水 工 学 ),うにする．これにより，複数地点の破堤現象も考慮
Vol.72,No.4I_1339-I_1344,2016.
することが可能となる．
4) 水害ハザードマップ作成の手引き：国土交通省
本研究では武庫川流域を対象としたが，今後の研水管理・国土保全局，R5.5.
究では構築するモデルのV&Vを氾濫実績のある河川
5) 基 盤 地 図 情 報 ダ ウ ン ロ ー ド サ ー ビ ス
を対象に実施していく予定である．
（https://fgd.gsi.go.jp/download/menu.php）
6) 菊地暁，野村拓馬：破堤確率を導入して物理リ(2)今後の展望
ス クの 精 緻 化を 試 みる， SUMITOMO MITSUI TRUST
今後の展望としては，河川デジタルツインを構RESEARCH INSTITUTE REPORT，2023.4.
成・活用することにより以下の事項を可能とする．
7) 福岡捷二，田端幸輔：堤防破壊危険確率と堤防【河川デジタルツインで可能とする事項】
脆弱性指標に基づく堤防破壊危険タイムラインを用① 従来の解析条件の再現解析
いた被災プロセスに見える化，第4回河川堤防技術② 高解像度解析（メッシュ５m，スパコン利用）
シンポジウム講演概要集，2016.