背景2023/10/16 ⼤成学術財団 研究成果発表会

⽔位・流量観測の様⼦<上流域での流量観測の現状>
 上流域には多くの⽀流があり、急峻な地形のため、網羅的に⽔⽂観測点を設置することは困難
 洪⽔時に⽋測しやすい

河川流が引き起こす振動に基づく流量測定
澤崎 郁1, Shakti P. C.2

安全に、遠隔から、⽋測なしに、リアルタイムで、流況を観測する⽅法は︖︖︖
 新たな⽔⽂観測網︓財政的に難しい・・・ ⼈⼯衛星画像︓⽇本のような⼩河川では困難・・・
 降⽔分布からのリアルタイム流量シミュレーション︓
上流域の降⽔データ、地形データ等はまだ不⼗分・・・

防災科学技術研究所（1:地震津波防災研究部⾨、2:⽔・⼟砂防災研究部⾨）

謝辞︓本研究課題では2020年度⼤成学術財団研究助成によるご⽀援を頂きました
連絡先︓sawa@bosai.go.jp

地震計記録が使える︖︖

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地震計で記録される「地震以外」の⾃然現象、社会活動
地すべり(Okuwaki et al., 2020)

⽕砕流(⼭⾥他, 1993)2

⾼感度地震観測網「Hi-net」と⽔⽂観測点の分布

交通振動(Brenguier et al., 2019)＜Hi-net＞
 防 災 科 研 が 運 ⽤ す る ⾼ 感 度 地 震 観 測 網 (Aoi et al.
2020).

雪崩(今⻄他, 2004)
⽕球(Yamada andMori, 2012)

爆弾低気圧(Matsuzawaet al., 2012)

防災科研・陸海統合
地震津波⽕⼭観測網「MOWLAS」

 ⽇本の地震活動を網羅的に調べるため、約20km間隔（地殻の厚さ相当）で、全国ほぼ⼀様に設置 （⼭間部も）核実験(Walter et al., 2019) 社会活動起源のノイズを避けるため、深さ100m以深に設置
 インターネットからほぼリアルタイムで無料で取得可能
コロナ禍による社会活動の低下(Nimiya et al., 2021)

3

特に上流域では、平坦な場所が限られるため、Hinet観測点は河川の近くに設置されている場合が多い。これらの上流域の河川には⽔⽂観測点はほとんど設置されていない
4 4

研究のきっかけ
関川流域

RRIモデルに基づく流量計算
Hi-netノイズ振幅と流量の関係

地震観測点の近くでの流量をどのように推定するか

Hi-netの模式図

降⾬流出氾濫（RRI, Sayama et al.,2012）モデルを利⽤ 毎年４－５⽉に流量、ノイズとも増加
 １⽇周期の増減（⼣⽅近くにピーク）
融雪洪⽔による流量変動と、それにより励起された振動が観測される
Sawazaki et al. (2016)▲︓流量観測点★︓Hi-net

ー︓観測流量ー︓RRIモデルによる計算流量

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地震計ノイズ記録の計算流量へのフィッティング

最寄り河川上地点における計算流量とHi-net地震計記録の⽐較

流量(Q) と地震計ノイズパワー(E)の経験式（今回は1-2Hzを使⽤）
𝑄

𝐴 𝐸

𝐸

𝑄

𝑄

𝐸𝐸𝐸𝐸

1

∑ 𝑄

𝑄

∑ 𝑄

𝑄

NSE=0.52

NSE=0.78

NSE=0.91

NSE=0.51

NSE=0.75

NSE=0.93

Q0: 洪⽔前の平均流量
E0︓洪⽔前の平均ノイズパワー

地震計ノイズから推定した流量Qestと、RRIモデルにより計算した最寄り河川上地点の流量QsimのNSE(Nash and Satcliffe, 1970)が最⼤となるように、パラメータ A と b を最適化

𝑁𝑆𝐸

6

NSE>0.6のとき、再現性が「概ね良好」と判断される
ー︓RRIモデルによる計算流量Qsim
ー︓Hi-netノイズから推定した流量Qest

7洪⽔予測において特に重要な、流量のピーク値とタイミングが良く合っている8

洪⽔イベントごとのパラメータの再現性

使⽤したデータ
東⽇本台⾵による積算降⽔量分布 Hi-net︓143点
 ⽔位観測点（国⼟交通省）: 347点
 Hi-net／⽔位観測点ペア: 4302
 解析期間︓2019/10/10-17（12-13⽇に令和元年東⽇本台⾵が上陸）
解析の⼿順
１．地震計ノイズ記録から、ペアを組んだ⽔位記録の再現を⾏う
２．再現性が⾼い（⾼いNSE値）
Hi-net観測点の特徴を調べる
より上流側のN.MGMHで再現性があまりよくない→・計算流量が実際の流量を反映していない・ノイズ―流量関係を単純なべき乗則では説明できない

𝐻𝐴 𝐸𝐻

𝐸𝐻

𝐸

𝐸

𝐸𝐸

910

NSEの観測点間距離依存性、“maxNSE”の空間分布
maxNSE=0.85

NSEの観測点間距離依存性

河川振動励起の物理的背景

maxNSEの空間分布

乱流モデル（Glmbert et al., 2014)に基づく河川振動と⽔位の関係
𝐸 ∝𝐹
振動のパワーは物体に加わる⼒の２乗に⽐例
𝐹∝𝑉
流体中の物体に加わる⼒は流速の２乗に⽐例
1𝑉
𝐻 𝐼 流速は河床勾配の平⽅根に⽐例（マニング則）
𝑛NSE=0.85
NSE=0.74

𝐸 ∝NSE=0.61

NSE=0.63
NSE=0.48

𝐻 𝒔, 𝑡 𝐼 𝒔

𝐺 𝒔𝒔𝑑𝒔Et: 理論上の河川振動のパワー
F: 河川中の物体に加わる⼒
V: 流速
H: 河川の⽔位（矩形断⾯を仮定）
I: 河床勾配n: マニングの粗度係数
C: ⽐例定数
G: グリーン関数 (振動の距離減衰を反映）

 ⼭間部ほど流れが速い
 ⼭間部ほど地震計が河川に近い場所に設置されている
 ⼭間部ほど社会活動起源の振動が少な
い11Glmbert et al. (2014)

 河川振動のパワーは⽔位の8/3乗に⽐例 河川振動のパワーは河床勾配の２乗に⽐例12

べき指数bの推定値

河川振動の感度カーネル

3/8=0.375
𝐸 ∝𝐻 𝒔, 𝑡 𝐼 𝒔

𝐴 𝐸𝐻

𝐸

𝐻𝐺 𝒔𝒔

𝑑𝒔

𝐻𝐸𝐸𝐸

𝐸

KYWH

UMYH

理論的にはb=3/8=0.375
𝐸 ∝𝐻 𝒔, 𝑡 𝐼 𝒔

𝐺 𝒔※表⾯波を仮定 𝐺 𝑟

NSEが⾼い観測点ペアでは、b値は0.3~0.8くらいの値をとる傾向

𝒔𝑑𝒔1∝ 𝑒𝑟 積分核のI2|G|2は、⼭間部が平野部より⼤きい 概ね10km離れると河川振動は検出されない

13

河川振動の「観測しやすさ」指標

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まとめRNO（理論）とmaxNSE（観測）の関係

𝐸 ∝𝐻 𝒔, 𝑡 𝐼 𝒔

𝐺 𝒔𝒔

 河川振動を観測しやすい条件は、
1. 地震計が河川に近い
2. 河床勾配が急峻
3. 河川以外による振動（特に社会活動による振動）が少ない
上流域は下流域よりこれらの条件を満たしやすく、流況観測に適している
 乱流モデルにより、河川振動パワーと流況の関係を定量的に表現可能
 ⽔位観測点がない河川上の地点での流況は、RRIモデルにより推定可能𝑑𝒔

理論上の河川振動の観測しやすさ
River Noise Observability （RNO）
𝑅𝑁𝑂

𝐸 𝐻

1𝑚
𝐸

Et: 理論上の河川振動のパワー
E0: 河川振動以外の振動のパワー

従来の⽔⽂学的⼿法による流況観測が難しい上流域において、地震計ノイズ記録を⽤いた流況推定が可能であることを実証した。

 maxNSE が0.6以上の観測点の割合は、RNOと強い相関がある
 河川振動を計測するには、RNOが⾼い場所に地震計を設置すると良い15

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