沖縄における降雨特性と都市河川の流出特性に関する研究
ー沖縄県安里川を対象としてー

沖縄県庁土木建築部
琉球大学工学部

岩田将弥
小野尋子

1. 研究の背景と目的
近年の気候変動に伴い局地的集中豪雨の増加により、「治水上の問題」として揚げられる。
河川の流出特性解析は、高強度降雨時の治水対策を目的とした流出特性解析と平常時の流出解明では異なる。
工学的に治水対策を目的とした場合、主に明らかにすべき事象は降雨に対して「水位のピークの高さや経過時間が合うこと」の予測が可能となることが重要。
しかし、その一方で、応答モデルでは、流域土地利用の変化による影響を内在化することができないという課題が残る。
発生源的対処方法として求められる基礎的知見を得るために、流域の土地利用が流出にどのように影響を与えるか、流出特性を明らかにすることを目的とする。

2. 研究方法と対象河川概要
研究の方法①沖縄県が管理している雨量観測所の 9 ヶ月間分の雨量データ(10 分間値 ) を用いて、雨の降り始めから降り終わりまでの降雨現象をまとめ、クラスター分析により降雨のパターンを類型化する。
②①で類型化した降雨パターンと雨量観測所とセットにされて対象河川と被害状況

安里川は、流路延長 13.60km、流路面積 13.17 ㎢の二級河川であり、蛇行が激しく、流域は都市化し、両岸とも既設護岸いっぱいまで民家が建ち並び、河積が狭小なため、台風や梅雨時には豪雨による洪水被害に見舞われており、多大な被害を被っている事もあり、流出特性の把握と対応が求められる。安里川の地質は、下流から中流にかけての一帯が沖積層となり、真嘉比川流域及び安里川上流域には島尻層群の泥岩を主体とする地層が広がる。また、首里城跡周辺には琉球石灰岩が見られ、数多くの湧水地が分布する。観測の基準点は、水位高を連続計測しているひめゆり観測所を基準とした。降雨が流下し河川に流れ込む範囲を集水域と呼び、Arc GIS を用いて安里川周辺の集水域を抽出することができる。流域面積は 5m×5m メッシュで 4.24 ㎢となった。流域内の土地利用は航空写真をベースに用途別に面積を計測す
ると、建物用地と幹線交通用地の合計で 80.1% となる都市河川であることがわかる。

いる水位観測所のデータ (10 分間値 ) を用いて、都市中心部に位置する河川の水位を抽出及び比較し、流出特性の実態把握する。

1）Type6：極小時間スポット降雨型
Type6 に分類されたのは 36 事例あり、全てが 10 分間値観測で 0 ミリ -1 ミリ -0 ミリもしくは、0-2-0、0-4-0 でその後 220 分間降雨減少が記録されていないものである。極小時間スポット降雨型は、全事例の 32％を占め、亜熱帯海洋性気候で最も多い降雨特性となっている。
2）Type1：極小時間弱雨型 (1-1) 及び極小時間局地的大雨型 (1-2)
Type1 に分類されたのは 33 事例あり、全事例の 29％を占める。1 回の降雨イベントの総雨量に対する 10 分間ピーク雨量の比が 50% 以上で構成され、時にスコールの様に 1 回の降雨イベントの中で極小時間内にまとまって雨が降るタイプ
安里川近隣のひめゆり観測所 9 ヶ月分の雨量データの 10 分間値を基に降 が類型化された。降雨強度を表現するために、10 分間雨量の値を振りはじめからの 1 時間毎の値として整理した。気象庁の表現に合わせると総雨量が 5 ㎜以下のサンプルは 4 ㎜ /h 以下の「弱い雨」となり、総雨量が 5 ㎜を超えると 6 ㎜ /h
雨の降り始めから降り終わりまでのデータ を一つの降雨イベントのセット 〜最大で 19mm/h の「やや強い雨」となっており、細分類では 2 つに分類することができる。総雨量が 5 ㎜以下を極小
時間弱雨型とし、10 分間値でも数十ミリを超えるものが含まれるため総雨量が 5 ㎜を超える場合を極小時間局地的大雨として収集したデータから、型とする。以上、Type6 と Type1 で合わせて全事例の 62％が 10 分間という極小時間に雨がまとまって降るという亜熱帯特有と思われる特性が確認された。
①1 降雨イベント内の総雨量、
3）Type2：通常降雨型
Type2 に分類されたのは 20 事例あり、全事例の 28％を占める。Type2 と Type3 を分けたのは、総雨量である。1 回の②総雨量に対するピークとなる 10 分間雨量の比、降雨イベントにおける総雨量が 12 ㎜以下のものは Type2 に類型化された。総雨量のタイプ平均は 6.4 ㎜となる。継続時間は Type1 よりもやや長い。10 分間値のピーク雨量が占める比率は最大で 42.9％(4 ㎜ )、タイプ平均で 30％となる。
③振り始めから振り終わりまでの降雨継続期間内の 10 分間値推移、降り始めから 1 時間毎の値に整理した降雨量は 1-8 ㎜ /h の値となり、「弱い雨〜（弱いとも強いとも形容のつかない通常の）雨」の強度が確認された。の 3 つの指標を用いて、階層型クラスター分析により類型化を行った。
4）Type3：スコール含有型
Type3 に分類されたのは 11 事例あり、全事例の 10％を占める。総雨量は最大で 28 ㎜、タイプ平均で 23 ㎜となった。
10 分間値のピーク雨量が占める比率は最大で 34.6％(9 ㎜ )、タイプ平均で 21.3％となる。10 分間値で 1-9 ㎜までとなる。1 時間値として整理をすると、1-19 ㎜ /h となり「やや強い雨」を含みながら降雨に大きなピークを含まないことが収集した降雨イベントは総計 114 回となり、デンドログラムの樹形距離 わかり、ピークを有する Type1-2( 極小時間スコール型 ) と異なることが分かった。
5）Type4：局地的大雨型
より、一番大きな距離を持つものとしては同質性から 3 群に別れた。3 つ Type4 に分類されたのは 13 事例あり、全事例の 11％を占める。総雨量が 35 ㎜から 61 ㎜までの範囲で、タイプ別平均で 45 ㎜、かつ降雨の継続時間が 3 時間以上となった。10 分間値ピーク雨量が占める割合は最大で 35％(14 ㎜ )、最少での群の類似性をデータから見ると、降雨イベントの継続時間が一番上位の 5.6％、タイプ平均で 17.6％となる。1 時間値に整理した値では、数十ミリを含み最大 33 ㎜ /h となり、「強い雨〜激しい雨」を含むため､局地的大雨型とした。
階層を分けるものとして識別された。10 分間のみの短時間の降雨が 1 度 6）Type5: 集中豪雨型
Type5 に分類されたのは 1 事例のみであり、全事例の 1％である。他のタイプとは特異な傾向として、降雨の継続時間が確認されたのみの降雨イベントが Type6、中程度の継続時間の降雨イベ 長く、総雨量も 108 ㎜と 100 ㎜を超える。一方で 10 分間値のピーク雨量は 5 ㎜と少なく、1 時間値でも 1 ㎜から最大でも 17 ㎜ /h となる。Type1-2 や Type4
10 分間値のピークや 1 時間値で高く、それらと比較すると長時間にわたって降雨が継続し、結果として総雨量が増えていることから、気象庁の定義に沿っ
ントは Type1、Type2、Type3、長時間継続する降雨イベントは Type4、 の方がて「集中豪雨型」とした。

4. 降雨特性の類型化

降雨特性の類型化方法

階層型クラスター分析による降雨特性の類型化

Type5 となった。各タイプの日付を付してあるが、Type 間に季節性がな以上から、亜熱帯海洋性気候の沖縄本島での降雨特性としては 10 分単位の雨が観測される極小時間型の事象が 6 割を占め、その降雨強度は小雨程度から局地的大いことは亜熱帯海洋性気候の一つの特徴と言えるかもしれない。本研究で 雨といわれるものまでが含まれる事が沖縄本島中南部の降雨特性として整理できた。これらは、上昇気流とともに大小様々な単独の積乱雲が発生しやすい亜熱帯特有の気候特徴を反映していると考えられる。
は、降雨イベントのタイプ別に河川の流出特性との関係性を整理するため、また、一般的には「集中豪雨」として定義される Type5 のような『同じような場所で数時間にわたり強く降り、100mm から数百 mm の雨量をもたらす雨』は発生頻度が少なく、それよりも数時間という比較的短時間に「激しい雨」を伴う Type4 のような局地的大雨型が多く確認された。局地的な大雨は河川や水路等が短時間降雨特性はさらに 2 階層下の 6 つの Type で整理した。に増水する等、急激な下水道の増水による河川の流量状況の変化や、低地の浸水を引き起こしやすく注意が必要である。亜熱帯海洋性気候の沖縄本島では、防災対策として検討する場合の想定する降雨現象では、総降雨量型ではなく、短時間豪雨型の方へ対応が求められることが明らかとなった。

5. 単時間降雨時の流出特性実測によるマニング 式の流出係数の検討と検証
安里川の９ヶ月分の雨量データの 10 分間値を基に降雨の降り始めから降り終わりまでのデータを使用し、流出量を算定する。算定方法としては、降雨の降り始め 20 分前から降雨後 8 時間分の水位データをとり 、マニング式により降雨の降り始め 20 分前から降雨後 8 時間までの流量を算定した。表面土地利用別の流出係数から求められる流出量を「想定表面流出量」とする。対象箇所は、3 面張りの連接ブロックで護岸整備されているため、マニング式の粗度係数は 0.027 が基準となる。しかし、現地の河道断面で草等が生えている部分があるため、係数の妥当性について最初に検証を行なった。流量計測器を設置して、対象地の単位時間流量及び断面形状を計測し、そこから粗度係数の妥当性を 0.027〜0.030 の間で検証した。結果、粗度係数について 0.027 で算出される流量と、実測流量をベースにした流量の適合性が最も高いことから、水位による観測値の推計は 0.027 を使って以降の分析手法と比較を行った。降雨イベントとして観測された 113 回のうち、水位の観測データの欠損値などを抜くと 111 回の水位観測データが得られた。また観測地は感潮域から外れているが、潮位と水位の関係も確認した。

土地利用別表面流出係数の妥当性の検証
土地利用別表面流出係数については日本下水道学会などにより幅を持って指定されている。なぜなら、その場所の地質や傾斜などにより大きく貯留傾向が異なるからである。沖縄本島中南部の表面流出係数の妥当性については、地下水涵養を目的としているため栄野川・小野 (2017) で設定されている値 を初期値の参考とし、想定表面流出量を求めた。次に、111 回分の降雨イベント時の水位の時間変化のデータを用いて、マニング式から求めた総流量を求め、総雨量別に想定表面流出量に対する実際の総流量を「流出率」として整理した。総雨量 1mm では流出率が 0〜0.2 が多いものの、0〜13.1 までと大きくばらついている。総雨量 2mm
ではばらつきがあるものの流出率が 0.3〜0.5 で多くなる。総雨量 4mm から 17mm では流出率が 0.4〜0.7 で記録され、総雨量 18mm から 25mm では流出率が 0.5〜0.9 に分布し、さらに総雨量が増えると流出率が 0.7-0.8 に収束している。総雨量が増えることにより流出率が増加し、ばらつきも小さくなることが確認された。
この要因としては、総雨量が少ない降雨イベントでは、流域に対する雨雲の形成が弱くそれにより流域内の雨雲の密度にばらつきが生じ、流域内で均一な降雨現象とならないためであると想定される。総雨量が増えるにつれて、継続した雨量を得るための雨雲が流域内で面的に均質性を持って得られたと考えられる。
総雨量の増加に伴い流出率が 1.0 ではなく、0.7-0.8 の値に収束することは、実態に即して考えて流域全域が均一の雨雲で 100％覆われる事はないであろうことを想定すると妥当な値への収束となっている。つまり、本研究で設定した流域の土地利用別流出係数が短時間の表面流出を扱うのときに妥当な係数設定であることが確認された。

単位流量の分析方法

土地利用別の表面流出係数の妥当性が確認されたことから、表面流出係数を用いた想定表面流出量と各降雨特性別の流出特性について傾向を把握する。
流域土地利用を考慮しながら降雨に対する河川の流出予測を行う場合、累積雨量の変化により流域内の降雨貯留が変化し同一土地利用でも流出特性が刻々と変化する不確実性があるため、累積降雨量によって変わる流域の貯留能を一つのモデルで示すことは難しい。そこで、基礎的知見を得るために、単位図法を用いて、単位時間にある雨量が降った場合の流出量を、累積降雨毎に段階的に流量を整理した。極小時間スポット降雨型 (Type6) のデータと同日同時刻の水位データを用いて流量を解析した。流量がマイナスになる等観測誤差と思われるものを除き、降雨 1 ㎜（32 事例）、2 ㎜（2 事例）、4 ㎜（1 事例）のデータを抽出し、総降雨量毎の降雨後 10 分時間毎の流量平均値をマニング式により算出し、それぞれの流出量（以下「単位流量」とする）とした。次に、算出した 1,2,4mm の単位流量のデータを単位図法に展開し、1,2,4mm の 10 分間降雨量とそれ以外の降雨量を併せ持つ降雨イベントから、その他の 3mm 及び 5mm 以上の降雨時に流出したと想定される単位流量のデータを算出した。さらに、安里川の集水域と流出係数から推計される総流出量を算定し、単位流量のデータと比較及び検討を行った。

10 分間の極小時間スポット降雨時の流出特性降雨特性に対する流出特性を調べるに当たり、最も単純な形となる単時間の降雨を対象に流出特性を整理する。これにより、3.2 で整理した降雨特性の類型別の流出特性を把握する際の要素を整理するためである。極小時間スポット降雨型と単位図法により算出した結果、1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、8mm の単位流量を得た。
①総雨量 1mm に対する単位流量は 8 つの極小時間スポット降雨型データの ④総雨量 4mm に対する単位流量は 1 事例の小時間スポット降雨型データより求めた。
平均値より求めた。総流量は 892 ㎥であった。これは Table2 で算出した 総流量は 10,253 ㎥で、想定表面流出量 19,286 ㎥に対する流出率は 0.53 となった。
流域の表面土地利用別表面流出で想定される 4,821 ㎥に対する流出率は総雨量 4mm 以降では降雨後の時間別河川流量の水位では、降雨直後の流量増加の0.19 の値となる。
後に、時間を置いてもう一度流量が増加する現象が確認された。
②総雨量 2mm に対する単位流量は 2 つの極小時間スポット降雨型データの⑤総雨量 6mm では、単位図法を用いて単位流量を算出した。算出した総流量は平均値より求めた。総流量は 3,525 ㎥で、想定表面流出量 9642 ㎥に対す28,213 ㎥となり、想定表面流出量 28,929 ㎥に対する流出率は 0.98 となった。
る流出率は 0.37 となった。
③総雨量 3mm では単位図法を用いて単位流量を算出した。総流量は 7,515 ⑥総雨量 8mm では、単位図法を用いて単位流量を算出した。総流量が 40,639 ㎥となり、想定表面流出量 38,572 ㎥に対する流出率は 1.05 となった。
㎥で、想定表面流出量 14,464 ㎥に対する流出率は 0.52 となった。

6. 今後の展望
亜熱帯海洋性気候の沖縄では、極小的に大小様々な積乱雲による降雨の現象がもっとも多く確認され一般に温帯性気候よりも流域単位での流出解析が困難であることが示唆された。
また、表面流出係数に対する流出率で整理すると総雨量の増加とともに流出率が 0.7〜0.8 に収束していくことが確認された。
つまり、沖縄本当での流出解析を行うには雨雲の均一性に関する不確実性、貯留能力の逐次変化をプログラミングにしていくことが今後の課題である。