都市・施設・道路・ため池などのための簡便な浸水・冠水の予測技術

東京電機大学 総合研究所
教授 小林 亘2023年10月26日

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概要• 浸水等を検出し送信する水検知器（浸水センサ・冠水センサ）と降雨予測を用い、都市・施設・道路・ため池での浸水・冠水・越水（それらの水位）を予測する。
• 水検知器は水位計に比べてコストやスペースを大幅に削減できる。
• 地形や土地利用の事前調査が不要で、小規模な浸水・冠水に備えることが容易となる。

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浸水予測の背景と動向
気候変動、都市化の進展により、排水しきれない雨水による都市・施設・道路・ため池などの浸水・冠水・越水（以下、まとめて「浸水」という）が懸念されている。
浸水を把握するために、小型の水検知器（浸水センサ、冠水センサ）が開発され、これを用いる国土交通省ワンコインセンサ実証実験が2021年から始められている。
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浸水予測の背景と動向

出典：国土交通省ワンコイン浸水センサ実証実験
https://www.mlit.go.jp/river/gijutsu/wankoinsensa/index.html
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浸水予測の背景と動向

さいたま市北稜高校前の設置例

電極部分

電極位置に水が現れたとき、電極位置の水が無くなったときに信号を発する。

水検知器（浸水センサ、冠水センサ）の例
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浸水予測が期待される用途• 避難、止水板設置の適切なタイミングを得る（水防法「避難確保浸水防止計画」の行動の目安）。
• 重要な資産を水害から退避させるためのリードタイムを得る（防災計画、 BCP（事業継続計画）の行動の目安）。
• 道路冠水による通行規制開始と解除の円滑化、冠水を避ける避難路の選択。
• ため池からの越水の予測と避難。
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本資料で例示した地点

2021年7月30日

2023年6月3日• さいたま市北稜高校前の6月2日～4日の事例• 3個の水検知器を設置（スライド4写真）• 国土交通省XRAINにて雨量を取得• 検証にさいたま市水位情報システムの水位を利用

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降雨と水位水位計では連続的に水位が得られ、同じ時刻の降雨と対応付けられる。
8降雨と水位のデータ
観測時刻

10分間降雨量[mm]水位[m]--06-02 16:00
06-02 16:10
06-02 16:20
06-02 16:30
06-02 16:40
06-02 16:50
06-02 17:00-----3.47
1.79
3.15
5.50
4.79
3.45
0.97
---

--0.18
0.19
0.19
0.23
0.26
0.3
0.32
---

同じ時刻の降雨と水位のデータセットを利用して、例えば、機械学習によって水位予測モデルを作成し、降雨から水位を予測できる。
9水検知器から得られる情報

水検知部（電極）

通信部

電極部分

高さ３
高さ２
高さ１

水検知の高さを変えたセンサ設置例

高さの異なる水検知部のそれぞれで水を検出した時点、それぞれから水が消失した時点に状態の変化を送信する。
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降雨と水検知

水位を把握できる時刻は、グラフ中の赤丸時のみ。水位変化の全体像はわからない。
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水検知器から得られるデータ
観測時刻

検知情報

水位[m]

2023-06-02 14:09
2023-06-02 17:15
2023-06-02 23:27
2023-06-03 11:26
2023-06-03 17:16
2023-06-04 07:14

高さ１水検出高さ２水検出高さ３水検出高さ３水消失高さ２水消失高さ１水消失

0.03
0.35
0.52
0.52
0.35
0.03

水検知器では限られた水位しか得られないた
め、水位計による連続水位を前提とした手法
では、水位の予測はできない。

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水検知の水位予測(新技術)
場所毎に降雨の一定割合の有効雨量が場所毎に一定時間遅れて流入する

流入した雨水に比例して水位が上昇する

冠水地点

場所毎に時間当たり一定量の水が排出され、時間当たり一定の水位低下が生ずる検知器(高さ ｊ )

雨水の流入検知器(高さ ｉ )

雨水の排出

水検知器からの限られた情報でも予測できる
よう、上の仮定をおくこととする。
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水検知の水位予測(新技術)
場所毎に降雨の一定割合の有効雨量が場所毎に一定時間遅れて流入する

流入した雨水に比例して水位が上昇する

冠水地点

場所毎に時間当たり一定量の水が排出され、時間当たり一定の水位低下が生ずる検知器(高さ ｊ )

雨水の流入検知器(高さ ｉ )

雨水の排出

時刻iに高さiであった水位が時刻jに高さjへ上昇したとき、時刻j－時刻iに流入した雨水とその間の排水が高さj－高さiの差となった。
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水検知の水位予測(新技術)
場所毎に降雨の一定割合の有効雨量が場所毎に一定時間遅れて流入する

流入した雨水に比例して水位が上昇する

冠水地点

場所毎に時間当たり一定量の水が排出され、時間当たり一定の水位低下が生ずる検知器(高さ ｊ )

雨水の流入検知器(高さ ｉ )

雨水の排出

流入した雨水に対応する降雨は（時刻iに遅れ分を遡った時刻）から（時刻jに遅れ分を遡った時刻）までの降雨の合計となる。
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水検知の水位予測(新技術)
高さ𝑗𝑗 − 高さ𝑖𝑖
= 雨量係数 × 雨量（時刻𝑖𝑖 − 遅れ～時刻𝑗𝑗 − 遅れ）+ 排出係数 × 時刻𝑗𝑗 − 時刻𝑖𝑖

雨量係数 : 降雨のうち有効雨量となる割合と流入する雨水による水位上昇の比率
排出係数 :排水により単位時間当たりに低下する水位

16遅れ：雨が水位上昇に至る時間• 雨の観測時刻から直ちに水位が上昇するとは限らないため、雨が水位上昇に至るまでの遅れを決めなければならない。
• 地形等から決定するほか、複数の遅れ時間による予測を行い、最も適合する遅れ時間を採用するといった方法が考えられる。重回帰分析の場合には決定係数が予測と観測の当てはまりの良さを示す指標となる。

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予測方法
高さ𝑗𝑗 − 高さ𝑖𝑖
= 雨量係数 × 雨量（時刻𝑖𝑖 − 遅れ～時刻𝑗𝑗 − 遅れ）+ 排出係数 × 時刻𝑗𝑗 − 時刻𝑖𝑖• 水検知器の発報と雨量を収集し、上式の雨量係数、排出係数、降雨から水位上昇までの遅れを決定する（モデル作成）• 観測または予測される降雨とその時点で得られている水位をモデルに投入して求める時刻の水位予測を行う（予測）。
18本手法による予測例

低位置、高位置の2つの水検知と降雨から予測を行った例（北稜高校前）19

道路通行規制の利用例

2023-06-02 12:00• 降雨、浸水センサ観測、予測を可視化した画面【謝辞】
下記助成を受けたことについて、感謝申し上げます。
・冠水のモニタリング について（一般財団法人）河川情報センター
・予測 について（一般財団法人）日本建設情報総合センター• 降雨強度• センサの凡例

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道路通行規制の利用例

2023-06-02 14:30• 馬込アンダー地点で低位置センサが発報、冠水を予測している
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道路通行規制の利用例
2023-06-02 15:00• 馬込アンダー地点で予測のとおり規制値以上のセンサが発報し、冠水を観測した（マークが！へ）22道路通行規制の利用例
2023-06-02 16:10• 20mm/h、30mm/h以上の降雨により、冠水が予測される地点が増加し、北稜高校前も規制値以上を予測。

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道路通行規制の利用例
2023-06-03 00:00• 深夜0時において、20mm/h前後の降雨により、冠水を予測した地点で冠水の確認地点が増加。

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従来技術との比較• 水検知器による水位予測を本技術によって可能とすることができた。
• 水位予測のために連続式水位計を導入する
場合に比較して、本技術は、大幅なコスト縮減、工期縮減、スペース軽減を実現できる。
• 流出解析で必要となる地形や土地利用のデータが不要で、手軽に予測を始められる。

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想定する導入箇所• 水位計の設置がコスト、スペース、電源などの制約から難しい，市街地、施設（避難施設、要援護者施設、地下施設等）の周辺，道路，ため池での水害の回避、軽減を想定している。
• リアルタイムでの利用以外に排水施設や水害対応施設の整備計画、その効果測定の利用も期待される。

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留意点
• 比較的小さなエリアで繰り返し内水氾濫が生ずる場所での検証を行い、そのような状況を想定している。
• 外水氾濫（河川の諸条件を要す）、高潮（天文潮位と気圧）、人工的な排水（水門、ポンプの稼働状況）のように降雨以外の要因で急激な水位変動が生ずるものに対して適切な予測を行うことはできない。

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企業への期待• 導入する地点を増やして、適用範囲や精度について、より知見を増やしていくことが重要と考えている。それに一緒に取り組めるとありがたい。
• 社会実装のためビジネス化を目指してもらいたいが、防災に関する情報提供には社会的な責任が伴うため、研究からビジネスへと移行する段階ではシステムを運用する体制を備えた企業・団体の参画を希望する。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：モデル生成装置、水位予測装置、モデル生成方法、モデル生成プログラム、水位予測方法、水位予測プログラム、水位予測システム、及び学習済みモデル• 出願番号 ：特願2023-150385• 出願人：東京電機大学• 発明者：小林亘29

お問い合わせ先
東京電機大学研究推進社会連携センター 産官学連携担当
ＴＥＬ 03－5284 － 5225
ＦＡＸ 03－5284 － 5242
e-mail crc＠jim.dendai.ac.jp30