多地点高密度水位観測を活かした洪水 予報用力学的内外挿法の開 … ·...
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多地点高密度水位観測を活かした洪水
予報用力学的内外挿法の開発・応用
FRICS 平成２９年度研究助成 成果報告会 2019.5.23 @いきいきプラザ一番町
東京理科大学 二瓶泰雄
パシフィックコンサルタンツ 柏田仁，尾ノ井龍仁
背景
・洪水氾濫を未然に防ぐ対策・危機管理型ハード対策
・リスク情報の周知 ・事前の避難計画・訓練・避難行動のための情報のリアルタイム提供
朝日新聞より引用 産経新聞より引用 国土地理院より引用
H27関東・東北豪雨（鬼怒川決壊）
H28台風10号（空知川決壊）
H29九州北部豪雨（赤谷川他氾濫）
適切な対策実現には充実した河川モニタリングが必須
流量・水位 他
水防法等の一部を改正する法律逃げ遅れゼロ・社会経済被害の最小化
水防災意識社会再構築ビジョン「施設では防ぎきれない大洪水は必ず発生するもの」へと意識を変革
背景｜水位モニタリングの実態
水位観測 堤防越水10km間隔程度 数m～数百m
検知・予測が困難
2017年以前
2017年12月
福岡県朝倉市・赤谷川
現況・将来の「線」水位データ
本研究の目的
水位に特化したデータ同化手法を開発し、
流速計測
「点」流速データ
流量算出
「面」流速・流量データ
.obsη標高
.calη
x
.obsη
標高
x
.obsQ
水位計測
「点」水位データ
水位縦断分布算定
現在時刻の「点」→「線」水位内外挿法 将来時刻の「線」水位予測法 を開発・応用
流量用DIEX法（DIEX法）
洪水予測用DIEX法
（DIEX-Flood）
DIEX-Floodのコンセプト
「水位」に特化した新しいデータ同化手法に基づいて
Step1 現在時刻の「点」→「線」水位内外挿法（Nowcast）Step2 将来時刻の「線」水位予測法（Forecast）
が可能な洪水予測手法（DIEX-Flood） を開発・応用
現況・将来の「線」水位データ
.obsη標高
.calη
x
.obsη
標高
x
.obsQ
水位計測
「点」水位データ
水位縦断分布算定Dynamic Interpolation and EXtrapolation method for Flood prediction
DIEX-Floodの概要｜概念図
事前計算
x
n
.obsη標高
.calη
x
Fa
Fa
Fa cal.
x
x
Fa
Fa
.obsη標高
x
.obsQ
Eq. 5
Eq. 5
Eq. 3Eq. 4
：最新の河道・水理条件に基づいた洪水予報
収束
：データ同化による水位縦断分布算定Nowcast
Forecast
Moving average
計算パラメータに使用
標高
x
痕跡水位Qpeak
痕跡水位が存在する場合
Eq. 2
一様内外挿
DIEX-Floodの概要｜基礎方程式系
02342
2
3
2
2 =+∂∂
+∂∂
−∂∂
RAQQn
xxA
gAQ
xQ
gAQ η運動方程式
Eq.1
データ同化Eq.2
∂∂
+∂∂
−∂∂
−=xx
AgAQ
xQ
gAQ
QQARn η
3
2
2
234 2
021342
2
3
2
2 =++∂∂
+∂∂
−∂∂
+∂∂
aFRA
QQnxx
AgAQ
xQ
gAQ
tQ
gAη
+
∂∂
+∂∂
−∂∂
+∂∂
−= 342
2
3
2
221
RAQQn
xxA
gAQ
xQ
gAQ
tQ
gAFa
η
連続式Eq.3
運動方程式Eq.4
データ同化Eq.5
付加項
定常
非定常
0A Qt x
∂ ∂+ =
∂ ∂
江戸川への適用
イベント 台風0709号計算期間 2007/09/05 - 11ピーク流量 1459m3/s
東京都
千葉県
茨城県
埼玉県
西関宿（河口から58.41km）
東金野井（46.05km）
野田（39.03km）
流山（27.68km）
松戸（19.58km）
市川（13.75km）
約45km
東京湾
実河川洪水流の計算範囲
河川名称 江戸川計算区間 44.6km断面形 複断面
境界条件
上流端 H-ADCP流量観測システム@野田地点を時間差考慮
下流端 市川地点水位格子間隔 約100m
同化データ 松戸～西関宿の5地点，60分間隔
行徳可動堰江戸川水閘門
事前計算結果
ηmark （台風0709号痕跡水位）ηcal. （本手法）
0.00
0.030.040.050.060.070.08
2468
10121416
河口からの距離 [km]
水位
[Y.P
.m]
粗度係数
n[m
-1/3
s]
0.020.01
ncal.nsmoothed
60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
江戸川
Nowcast｜水位縦断分布 の時間変化
ηobs.
ηcal. 計算値
観測値
痕跡水位
時々刻々の水位観測値のデータ同化に成功本手法によりスムースに内外挿可能
ηmark
江戸川
Nowcast｜水位縦断分布 の時間変化
ηmarkηobs. Maxηcal. Max
60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10-0.6-0.4-0.20.0
+0.2+0.4+0.6
2
4
6
8
10
12
14
16
河口からの距離 [km]
最高水位
[Y.P
.m]
Err η
[m]
(ηca
l. m
ax–η
mar
k)
西関
宿
東金
野井
野田 流山
松戸
市川
推定水位の最高値は，痕跡水位と良好に一致時々刻々の推定水位縦断分布も高精度と推察される
痕跡水位水位計による観測値本手法による計算値
江戸川
Nowcast｜Faの効果
痕跡水位 水位観測値 水位計算値江戸川
江戸川
Forecast｜計算ケースについて
Case境界条件
FaQ η
1 観測値 観測値 最新時刻Fa一定
2 予測値（下記）
観測値 最新時刻Fa一定
東京都
千葉県
茨城県
埼玉県
西関宿（河口から58.41km）
東金野井（46.05km）
野田（39.03km）
流山（27.68km）
松戸（19.58km）
市川（13.75km）
約45km
東京湾
栗橋 3時間のリードタイム
-2 0 2 4 6 8 10-202468
10
3時間
後西関宿水位（m）
-2 0 2 4 6 8 10-202468
10
4時間
後西関宿水位（m）
栗橋水位（m） 栗橋水位（m）
1999-2015の水位データ
西関宿水位を水位相関＆スライド補正で予測→予測水位に合致する上流端流量を設定
行徳可動堰江戸川水閘門
江戸川
Forecast｜Case1
2
4
6
8
10
12
14
16
Wat
er-le
vel [
Y.P.
m]
15
13
11
9
7
5
3
10 Time[hour]
境界条件誤差なし の計算結果，最新時刻Faを使用
西関宿
東金野井
野田
流山
松戸
市川
予測開始時の水位
6時間先の予測水位
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
江戸川
Forecast｜Case2
境界条件誤差あり の計算結果，最新時刻Faを使用
2
4
6
8
10
12
14
16
Wat
er-le
vel [
Y.P.
m]
15
13
11
9
7
5
3
10 Time[hour]
西関宿
東金野井
野田
流山
松戸
市川
予測開始時の水位
6時間先の予測水位
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
江戸川
0.2
0.4ErrRMS [m]
0.3
0.1
0.0
西関宿 東金野井 野田 流山 松戸
予測時間[hr]
Faの時間変化に起因する誤差
境界条件設定に起因する誤差
境界条件誤差なし(Case1)では，全川で高精度
境界条件誤差あり(Case2)でも，洪水伝播のリードタイムによって，概ね全川で高精度
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
Forecast｜水位予測誤差のRMS値 江戸川
鬼怒川への適用
鬼怒川
茨城県埼玉県
栃木県
福島県
群馬県
川島（45k）
平方（37k）鎌庭（27k）
水海道（11k）
決壊（21k）
H27関東・東北豪雨の例
イベント 平成27年関東・東北豪雨計算期間 2015/09/09 – 11ピーク流量 4099m3/s
河川名称 鬼怒川計算区間 約64km断面形 複断面
境界条件
上流端 石井地点のHQ流量データ（国土交通省）
下流端 水海道地点水位（同）格子間隔 80m程度
同化データ 鎌庭～石井の4地点，60分間隔
64km
石井（75k）
Nowcast｜水位縦断分布の時間変化
急流部や頭首工・堰における射流区間も含めてNowcast可能
堤防高（理科大観測）
鬼怒川
まとめ
「点」水位データから， を
予測するための
を開発し，江戸川・鬼怒川にて検証
「点」水位データから， し，本手法の「線」水位最高値は
江戸川では が可能であったが，鬼怒川では誤差が大きかった．
であった．
様々な河川への適用・検証により，適用範囲の明確化が必要