技術報告集 第 37 号 令和 5 年 3 月 AWSCJ

リアルタイム流出解析を用いたポンプ運転支援による浸水被害軽減及び省エネ効果の検討事例
株式会社ＮＪＳ ○荻島晃、松村直人、中園翔太
近年、計画降雨を超過した豪雨による災害が増加しており、浸水被害軽減を目的としたソフト対策の一つとして、リアルタイム流出解析によるポンプ運転支援がある。本稿では、
XRAIN 予測精度を確認するとともに、XRAIN 降雨による管内水位情報を活用した浸水被害軽減の対策効果を評価した。ただし、浸水対策のためにポンプの起動水位を下げた場合、ポンプの運転時間が長くなり、省エネ及び CO2 排出量の観点からは不利に働く。そのため、
XRAIN 予測精度を踏まえつつ、降雨終了後のポンプの早期停止による省エネ効果及び、CO2排出量削減効果についても検討を行った。

Key Words ： 下水管路内水位、XRAIN、浸水予測、ポンプ運転支援、省エネ
１.はじめに近年、計画降雨を大幅に超過した集中豪雨による災害が増加するなか、下水道事業の財政が厳しいために、都市浸水の被害軽減を目的とした管渠、ポンプ施設、貯留施設等による早急なハード対策は難しい現状にある。ソフト対策の一つとしては、リアルタイム流出解析（図-1）を用いたポンプ運転支援がある。
XRAIN は、高性能気象レーダを用いたリアルタイム雨量観測システムであり、実況雨量情報は 1 分毎に配信されている。予測雨量情報は、1 時間先までの情報（5 分間の平均雨量強度の情報が 12 個）が 5 分毎に一般財団法人日本気象協会から提供されている。このような XRAIN 実況・予測雨量情報及び、下水道管路内や雨水ポンプ井に設置した水位計の水位計測値を使用して、管内水位や浸水深等を解析（シミュレーション）する。
扱う情報は、雨量、下水管路内水位、浸水予測等に関する計測値、予測値、解析値であ10

タイムで施設管理者等へ提実績降雨量
1分毎の配信情報0

予測降雨量
5分毎の配信情報

192プを現状よりも効率的効果6的に運用して、浸水被害軽減5たものである。

予測水位

時々刻々
計測水位収集シミュレーションによる解析情報

567

図-1- 43 -リアルタイム流出解析の概念図

1:55
2:00

1:50

1:45

1:40

1:35

1:30

1:25

1:20

1:15

81:10

1:05

1:00

0:55

0:50

0:45

0:40

0:35

0:30

0:25

0:20

0:15

現在時刻
0:10

及び省エネの効果を検討し

4

実績水位

70:05

情報を提供し、既存雨水ポン

3

80:00

ムを構築し、ポンプ運転支援

水位［m］供することができるシステ

雨量［mm/10分］る。こういった情報をリアル

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２.検討方法【水位・雨量計測】

2-1 検討対象地区
クラウド環境検討対象地区の面積

役所環境

幹線水位計No.1(下水管内水位情報)

は約 3,200ha で、約 8割が合流区域である。
近年は 60 分間雨量が 20～ 50mm の 降 雨 で 床上・床下浸水、道路冠水、解析サーバ

CSV
幹線水位計No.2(下水管内水位情報)

フ
ァイアウ
ォ
ール

水位観測システム
雨量情報
変換ツール

幹線水位計No.3(下水管内水位情報)【情報収集・伝達】流出解析システム【シミュレーション】

ポンプの運転支援

半地下浸水などの浸水被害が発生している。

CSV【情報へアクセス】
XRAIN(実況・予測雨量情報)

職員PC

2-1 リアルタイム浸水
図-2

予測システムの概要

リアルタイム浸水予測システムの概要

本検討では、図-2 に示すように XRAIN 雨量情報（高頻度、高分解能でリアルタイムに配信される平面的な雨量情報/約 250m メッシュ）に基づいた高速浸水予測シミュレーションを行い、シミュレーション結果を受けてポンプを早期起動・停止する運転支援を想定したオフラインモデルを構築した。
2-2 検討対象のポンプ場の概要

2番機
15.5m3/s

1番機
15.5m3/s

検討対象の A ポンプ場には、雨水を▽-3.90▽-4.60

排水するためのポンプが 4 台整備され▽-5.103番機
15.5m3/s

4番機
15.5m3/s▽-3.60▽-3.30▽-4.90▽-4.70ている（Φ2600×4 台、1 台あたり吐▽-6.00

出量 15.5m3/s、総吐出量 62.0m3/s）。

雨水ポンプ井 -10.10ｍ

各ポンプの起動・停止水位は図-3 のと図-3

現状の雨水ポンプの起動・停止水位

おりであり、自動運転となっている。
表-1
2-3 水位計測地点
水位計測地点は、A ポンプ場のポンプ井 1 箇所に加えて、幹線水位 2 箇所及び、浸水実績地区 1 箇所、計 4 箇所を選定した。
2-4 構築モデルの概要
構築した流出解析モデルの項目

構築モデルの概要

内容

備考

流出解析ソフト InfoWorksICM
面積約3,200ha

ノード（人孔）約24,300

リンク（管渠）約25,400

地表面モデル

合流区域約2,450ha、分流区域約600ha、区域外流入約150ha
整備水準：約35mm/hr（10年確率）
整備率：約100％（一部能力不足あり）

5～10mﾒｯｼｭ相当 TIN。1ﾒｯｼｭ25～100m2、ﾒｯｼｭ数約372,000個

解析時間

1～3分

XRAIN実況1時間、予測1時間、計2時間

概要を表-1 に示す。なお、キャリブレーションは XRAIN 実況降雨データを用い、3 降雨、3 箇所の水位、ポンプ吐出量で行った。解析時間は 2 時間の降雨で 1～3 分である。

- 44 -

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３.結果と考察3-1 XRAIN 予測精度の確認
XRAIN 予測精度の確認に当たり、XRAIN 実況・予測雨量と地上雨量計の比較を行った。
具体的には、地上雨量計設置地点のメッシュの XRAIN 実況雨量と検討対象地区周辺の地上雨量計 4 地点の比較及び、流域平均の XRAIN 実況雨量と XRAIN 予測雨量の比較を行った。
なお、図-4 に示すように XRAIN 実項目

況と地上雨量の比較は累積雨量で、5分後

XRAIN実況雨量と地上雨量の比較

10分後15分後・・・

15分間の累積雨量で比較【メッシュと地上雨量計設置地点】

XRAIN 実況と XRAIN 予測の比較は

XRAIN実況雨量とXRAIN予測雨量の比較

5 分間雨量で比較した。

5分間の雨量で比較【流域平均雨量】

図-4

比較の結果、XRAIN 実況と地上雨雨量比較のイメージ

量の累積雨量との相関係数 R は、図-5 に示すように降雨状況に関係なく、1.000いずれのタイミングにおいても 0.9

0.800

い雨量であった。

0.600

0.500
0.400

地点10.300

地点20.200

地点30.100地点4

すように遠い時間帯ほど下がるが、

図-5

60分間雨量

55分間雨量

50分間雨量

45分間雨量

40分間雨量

35分間雨量

30分間雨量

間雨量との相関係数 R は、図-6 に示

25分間雨量

5分間雨量

XRAIN 実況と XRAIN 予測の 5 分

20分間雨量0.000
15分間雨量況雨量は、地上雨量の 1 割程度大き0.70010分間雨量ことが確認された。また、XRAIN 実

相関係数R［－］を上回っており、高い相関関係がある

0.900

XRAIN 実況雨量と地上雨量の相関関係

15 分先までは、一般的に相関が高いとされる 0.8 以上あることが確認さ1れた。また、XRAIN 予測雨量は、

0.6
0.5
0.4

0.3

は地上雨量を用いた計算水位よりも0.2低め（危険側）になる可能性がある

0流域平均予測を用いてポンプの早期起動・停図-655～60分先

50～55分先

45～50分先

40～45分先

35～40分先

30～35分先

25～30分先ため、本検討においては、15 分前の20～25分先とともに、予測精度が落ちる。この15～20分先

0～5分先

0.1

10～15分先

以上より、15 分以上先の予測水位

0.7

5～10分先回る結果となった。

0.8

相関係数R［－］15 分以上先になると地上雨量を下0.9

XRAIN 実況雨量と XRAIN 予測雨量の相関関係止を行うことを想定した。
3-2 浸水被害軽減効果(1) 早期運転のポンプ起動条件
前項で示したように 15 分前の予測で一定程度の精度が確認されたため、ポンプの起動判- 45 -

技術報告集 第 37 号 令和 5 年 3 月 AWSCJ

断を通常起動時の 15 分前に行うことを想定した。このため、ポンプの揚水開始時刻は図-7に示すように起動判断から約 5 分間の待機時間を考慮して現状起動時の 10 分前とした。このように 1 番機から 4 番機まですべての雨水ポンプを早期起動することを想定して浸水被害の軽減効果を確認した。
は水位計測地点（4 箇所）で設定し-4.5た。現状のポンプ起動条件はポン-5【現状】
15分後の 【早期起動】
ポンプ起動
ポンプ起動
予測情報
待機時間【現状】起動水位【早期起動】起動水位-5.5-6(2) 浸水被害軽減効果

5年確率

7年確率

10年確率

20年確率

30年確率

50年確率

L1'降雨

L2降雨

1番機起動

1番機停止

図-7

起動

1分前

3分前

3年確率

2分前

5分前

4分前

7分前

6分前

9分前

8分前

10分前

12分前

11分前

14分前

13分前

16分前

運転を行うことができる。

15分前

-7

18分前

域の集中豪雨にも対応したポンプ

停止水位

20分前

これにより、ポンプ場から遠い地

-6.5

17分前

管内水位もポンプ起動条件となる。

19分前

プ井 1 箇所の水位によるものだが、T.P［m］

ポンプの起動に関わる水位情報-4

ポンプの早期起動のイメージ図

中央集中型降雨における運転支援導入前後の浸水面積の比較を図-8 に示す。これによると、浸水面積の削減効果が最も期待できる降雨規模は 20 年確率降雨で、降雨規模が大きくなるにつれて削減効果が減少している。これは降雨規模が大きくなるにつれて、浸水要因の大部分がポンプの能力不足から管路施設の能力不足に変わっていくためである。一方、10 年確率降雨で浸水面積の削減効
果が小さいのは、浸水要因のほとんどが枝線管渠の能力不足によるものであり、ポンプの早期起動によるポンプ井の水位低下が浸水要因の改善にはつながらなかったためである。
なお、L2（想定最大）降雨に250ついても検討したが、浸水面浸水深200め、ここでは割愛する。

150

これらの検討結果から、リアルタイム流出解析による運浸水面積［ha］積削減効果が 0％であったた

1cm未満
10cm以上20cm未満
45cm以上1m未満

含む 10～50 年確率降雨において、1～10％の浸水被害（面5%削減
3%削減

6%削減
10010%削減
50

1%削減

転支援システムを導入することで L1’（既往最大）降雨を

1cm以上10cm未満
20cm以上45cm未満
1m以上

010年確率 10年確率 20年確率 20年確率 30年確率 30年確率 50年確率 50年確率 L1’降雨 L1’降雨
現状
早期起動
現状
早期起動
現状
早期起動
現状
早期起動
現状
早期起動

図-8

対策前後の浸水面積の比較（中央集中型降雨）積）の削減効果が期待できる。
(3) 費用便益分析
システム導入の概算費用は、初期費用として約 100 百万円、ランニングコストとしては約 12 百万円となった。降雨条件によって異なるが、浸水被害軽減効果とシステムの費用か- 46 -

技術報告集 第 37 号 令和 5 年 3 月 AWSCJら費用便益比 B/C を算出すると 1.9～2.6 程度となり、費用対効果が得られる。
3-3 省エネ効果(1) ポンプの早期停止条件
A ポンプ場では、現状、ポンプ井の水位がポンプ停止水位を下回っても、その後の水位上昇及びポンプ稼働に備え、15 分間の後方待機運転を行っている。この時間帯を短くすることができれば、エンジンの燃料消費量を減らすことができる。そこで、図-9 に示すとおり、ポンプ早期起動と同様、管内予測水位情報によりポンプの停止判断を現状の 15 分前に行うことができる状況を想定した。

停止水位

ポンプ停止

つまり、ポンプ井の水位が停後方待機運転（15分間）
ポンプ稼働
15分後の予測情報
ポンプ停止

【現状】

止水位を下回ると同時に後方待機運転をせずにポンプを停【早期停止①】 ポンプ稼働止する状況を想定する（早期停止①）。予測情報を受け取るタ

15分後の予測情報
ポンプ停止【早期停止②】 ポンプ稼働

後方待機運転イミングや予測水位によっては、後方待機運転を行う時間帯15分後の予測情報
ポンプ停止
後方待機運転【早期停止③】 ポンプ稼働が生じる（早期停止②、③）。
図-9

ポンプ早期停止のイメージ図(2) 省エネ効果
省エネ効果は、年間のポンプ起動回数を用いて試算した。2021 年度におけるポンプ起動回数は年間シミュレーションの結果合計 41 回となり、これより表-2 に示すように最大で合計 615 分の運転時間の削減が期待できる。これを A 重油の燃料消費量に換算すると年間7,175L の削減となる。これより、リアルタイム流出解析による運転支援システムを導入することで年間約 866 千円の維持管表-2

省エネ効果の試算結果
値

項目
ポンプ起動回数
削減運転時間
定格出力

備考

41 回

1番機～4番機合計

615 分

15分/回×41回

3,370 PS
180 ｇ/PS・hr

理費を削減することができる。 燃料消費率

699 L/hr

また、19.44 t-CO2 の CO2 排出

1回あたり後方待機量削減効果（杉の木 71 本が 1

維持管理費削減効果

866 千円/年

R4.3のA重油平均価格120.75円を適用

CO2排出係数2.71 ｔ-CO2/kL

A重油

CO2排出量削減効果

19.44 ｔ-CO2/年

年 で 吸 収 す る CO2 量 が 1

A重油省エネ効果

175 L/15分
7,175 L/年

t-CO2）が期待できる。
４.結論
結論①15 分先までは、水位予測情報の精度が一定程度確保される。
結論②リアルタイム流出解析によるポンプ運転支援システムの導入により、浸水被害軽減
効果として最大 10％程度の浸水面積の削減が期待できる。システムの費用便益比- 47 -

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B/C=1.9～2.6 である。
結論③システムの導入により、省エネ効果として維持管理費が 866 千円/年、CO2 排出量は19.44 t-CO2/年の削減が期待できる。
５.おわりに本検討では、システム導入による定量的な効果を示したが、他にも様々な定性的効果も考えられる。以下に定性的な効果を整理する。
【システム導入の定性的効果】①レーダ雨量、管内水位、浸水予測、浸水の危険を知らせるアラートなど様々な情報が現場作業員の補助となり、リスクの少ない施設運転が可能となる。
②様々な情報をポンプ場、処理場、庁舎の職員の間で共有することで、迅速で的確なリスク対応が可能となる。
③現場の熟練運転員の経験に基づいた運転技術を、見える形で経験の浅い技術者に継承し技術を向上することができ、長期的に安定的な施設運転ができるようになる。
④住民に対して、浸水予測などの防災情報を配信することにより、避難行動や被害を軽減する活動、住民同士の呼びかけ等の自助・共助の活動を促進する。
⑤将来的にポンプ運転支援から自動運転まで発展させることができれば、職員減少による技術力の低下、技術継承等の課題に対する解決方策の一つとして期待できる。
今後、生産年齢人口の減少、災害の激甚化など様々な社会的・経済的課題が見込まれる中で、ICT を活用した課題解決が必須であると考える。
【参考文献】
1)国土交通省 国土技術政策総合研究所（2016）：国土技術政策総合研究所資料 第 940 号
2)国土交通省 国土技術政策総合研究所（2018）：国土技術政策総合研究所資料 第 998 号【論文投稿連名者】 頴原宇一郎- 48 -