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氾濫原管理のための氾濫解析手法の精度向上と応用 に関する研究

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九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

氾濫原管理のための氾濫解析手法の精度向上と応用 に関する研究

末次, 忠司

https://doi.org/10.11501/3150968

出版情報:Kyushu University, 1998, 博士(工学), 論文博士 バージョン:

権利関係:

(2)

氾濫原管理のための氾濫解析手法の 精度向上と応用に関する研究

平成10年11月

末 次 忠 司

(3)

目 次

成的構

目び

と及景容背内のの究文研論論本本序献

1 章 2文

考・

第 111参

第2章酒販管理の必要性.• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 7 2. 1 戦後の水害被害の変遷 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 2. 1. 1 死者・行方不明者数 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 2. 1. 2 水害被害額 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . • • • • . . . . . . . • • • • . . . . 12 2. 1. 3 被災家屋数 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . 12 2.1.4 被災状況の国際比較 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 14 2. 1. 5 ダメージ・ポテンシャルの増大 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 15

2. 2 歴史的に見た流域治水 . . . . • • . • . . . . . . • . • . . . . . • • • . • • . . . . • . • . . . . . . . . . • • • • • • . . . . 18

2. 3 アメリカにおける氾濫原管理 • • . . . . . . . . • . • . . . . . • • . . . • . . . . • . . • • • . . . . . • • • • • . . .. . . 23 2.3. 1 治水を取り巻く環境 . . . . • • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . • • • . . . • • . . • • • . . . . . • • • • • • • . . . • 23 2.3.2 氾濫原管理の実現へ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 25 2.3.3 ミシシッピ川水害に見る氾濫原管理 . • • . • . . . . . . . • • • • . . . . . . . . • . . . . . . • . • . . . . . . . • 26

2. 4 氾濫原管理のあり方 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . . • • . . . . . . . • • • • • . . . . . . . • • . . . . . . • • • . • . . . . . • 31

2. 5 まとめ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 33

参考文献 . • • • • • • • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . • • . . . . . • • • • • . . . . . . . • • • . . . • 33

第3章泊霊実粉、ら見た氾濫解析手法 • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • 35 3. 1 氾濫現象の分析 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 35 3. 1. 1 小貝川水害調査 . . . • . . . • • • • • . . . . • . • • • • . . . . . . • • • • . • . . . • • • • • • • . . . . . . . . • • . . . . . • 35 3. 1. 2 破堤箇所・形状の分析 . . . .. . . .. .. . . ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 38 3. 2 地形特性と氾濫形態 . . . . . . • • • . . . . . . • • . • • . . . . . • • • . • . • • . . • • • • • • • . . . • . • • . • • . . . . . • 43 3. 3 氾濫解析モデル ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . • • • . . . . . • . • • • . . . . . • 50 3.3. 1 氾濫解析モデルの分類 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . • • • . . . . . • . . • • • . . . . . . • . • • • . . . . . • • • . . . . .... 50 3.3.2 越流ポンドモデル ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . . • • • . • • . . . . . . . • . . . . • . . . • 51 3.3.3 氾濫ポンドモデル ... . . .... . ... . . . ........ . ..... . . .... .... . . . ..... . . ・ 51 3.3.4 開水路ポンドモデル . . . • • . • . . . . . • . . . . . . . . . . • • • . . • . . . . • • . . • • . . . . • . . . • • • . . . . . • 52 3.3.5 二次元不定流モデル . . . . • . . • . . . . • . . . • . . . . . . • • . . . • . . . . • • • . . . . . . . • . . • . • • . . . . . • 52 3. 4 氾濫解析手法 • • • • • • • . . . . • . . . . . . . . • • . • . . . . . . . • • . . . • . . . . • • • • . • . . . . • . • . . . • . . . . .. 54 3.4. 1 盛土・排水施設等がある場合の流量算定 . . . . . • . . • . . . . . . • • • • • • . . . . • . • . . . • . . . . .. 54 3.4.2 二次元氾濫モデルにおけるメッシュ分割 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 58 3. 5 まとめ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ - ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ .. • • • • . . . . • • • • • • . . . . . • • 63 参考文献 . • • • • • . . . . • • • • • • . • • . . . • • • • • • . . . • • • • • • • . . . . . . . • • • • . . . . . • • • • • . . . . • • • • • • • . . . • • • 63

- -

(4)

第4章オd郡美型撲験による沼監解析モデルの精関紅上 . 65

4. 1 氾濫水理模型実験 .. .. . . . . .. . . . .. .. . .. . . .. . . .. . . . . . . . . . . . 65

4. 1. 1 実験の概要 .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . 65

4. 1. 2 氾滋流況の概要 .. . .. . .. . ... . .. . . 65

4. 1.3 合成粗度係数式の提案 68 4.1.4 実験の再現計算結果 . . . . . . ... . . .. . . 73

4. 2 氾濫解析モデルに関する検討 74 4.2.1 実験スケールでの氾濫解析に関する検討 .. . . . . . 74

4. 2. 2 次元不定流モデルの各項目の影響 . . . . . . . .. . . .. . . . . . .. . . 75

4. 3 まとめ 80 参与文献 . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 80

第5章新たな氾濫解析手法悦鍍検証及E腐紛析.. . . . . 81

5. 1 新手法の精度検証 5. 2 新手法の感度分析 5. 3 まとめ . .. 88 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. .. 88

第6章 氾濫解析側四国京管理への適用 .. . . 89

6. 1 河川ネットワークへの適用 . .. . . . . . . .. . . . . . . 89

6. 1. 1 氾君主解析の概要 . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . .. . . . . . . . . 89

6. 1. 2 ネットワークが氾濫水の挙動に与える影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6. l. 3 ネットワークによる浸水排除効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6. 2 防災樹林帯への適用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.2. 1 水理模型実験の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.2.2 防災樹林帯による氾濫流制御効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.2.3 氾濫解析による再現計算 . . . . . 105

6. 2. 4 モデル流域における防災樹林帯の効果 . . . .. .. .. . . 114

6. 3 ハザード・ シミュレータへの適用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.3. 1 シミュレータの概要 119 6.3.2 シミュレータによる計算結果の表示 . . . . . . . . . . .. . .. . .. . .. . .. .. . .. . 120

6.3.3 許都圏内の河川への適用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6. 4 まとめ . . . . . . . . . . 125

参15-文献 . . . . . 126

第7章 結論 127 謝辞 本論文rtlに使用した記号の説明 . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

図表リスト . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

参考1 1水害被害ー覧表 . .. . . . . .. .. .. . . . .. . . . 137

参考II 1 自然災害、水害、JJLノドによる死亡に関する分析 . . . . . . . . . 139

』参考m�差分に伴う数値粘性項の発生について . . . 145

(5)

第1章 序論

1. 1 本研究の背景と目的

水害被害は近年減少しており、もはや洪水対策は必要ないのではなL、か ということが3われる場合が あるの確かに、治水施設の整備やきめ細かな気象情報の伝達などにより、}j(�t�に伴う死身・行方不明者数や 被災家屋数は減少している。しかし、水害被害額は経年的に見てほぼ横ノ〈イで、ここ30年来国民所得との比 で見ても漸減している程度である一庁、 人rl・資産の集積した大都市部で-は内水被官が以前にも増して頻発 するなど、水害が姿を変えて出現しているとJえる。また治水安全性の[L1J.Lは裏返せば堤防白の増大といっ たダメージ・ポテンシャルを増加させ、一旦大規模な破堤が発生すれば、1995年の阪神大混災に見られるよ うに、家屋・ビルだけでなく、ライフラインなど都市は壊滅的な被害を被るliJ能性がある。そうした危機を 回避するための治水対策が望まれる。

従来より総合治水対策により流域まで含めた面的対策がとられているが、この対策 は都市化に治水対策が 追いつけない都市河川での緊急避難的な対応であり、あくまでも事前対応で氾濫被宵を積極的に料滅するた めの緊急時対応まで含むものではない。時に著:�-はアメリカにおける氾濫原管理及びそれが実践されたミシ シッピ川水害(1993年)をアメリカ滞在中に見聞し、こうした手法を日本に導入できないものかと思案して きたl)O阪神大震災後、地震発生後のサバイバル技術をマニュアル化した「都市増大震災対策マニュアノレ2) J や「大震災サパイパル・マニュアル3)Jが発表されるなど、危機管理の考え万が一般住民にも普及し、また

「水と緑のネットワーク整備事業」など面的な河川・水路機能の見直しが進んできた今[1、アメリカにおけ

る手法を参考にしつつ、日本への適用について考える時期が来たと言える。

すなわち、本研究が目指している最終的な目標は危機的な洪水が発生した場合、氾濫原管理により水害被 害を最小限に抑えることにある。従って、アメリカにおける氾濫原管理手法を参考にしながら、 日本に適し た氾濫原管理手法に改良を行い、有効な手法を提案することが必要である口そのためには、氾濫原における 氾濫水の挙動を正確に把握する必要がある。著者らは従来より氾濫解析に関する研究のノウハウを持ってお り、この技術を応用することを考えた。応用にあたっては、先ず氾滋解析モデルの精度を向上させると同時 に破堤箇所、破堤幅などの想定手法を確立する必要がある。

氾濫解析手法については、高橋ら4)は家屋の影響を流量フラックスを補正することにより考慮、したり、大 久保ら5)はメッシュサイズにより数値・水平粘性及び粗度係数が変化することを明らかにしている。また、

佐藤ら6)は抗力の式より粗度係数を算出した他、流体よjにより家屋被害を分類している。松永ら7)は直交座 標系ではなく、一般座標系を用いて密集市街地において、特に道路に配慮、した氾濫解析を試みている。しか しながら、何れの研究もまだ体系的に手法を改良するには宅っていない。

従って、本研究において著者は既存の破堤・越水データを整理・分析し、また実際の氾濫現象を分析する とともに、氾濫水理模型実験・氾髭計算により現象の解明、想定手法の確立、 ;次元不定流モテソレの改良を 行うことにより、更に精度が高く、水防災業務に応用可能な氾濫解析手法の開発を行う。一連の研究成果は 氾濫シミュレーション・マニュアル引の作成、ハザード・シミュレータの開発、洪水ノ\ザードマップへの応

-1-

(6)

JTJ、河川|砂防技術基準(案)及びノk理公式集といった各種基準類などに活用されている円

1. 2 本論文の内容及び構成

本研究は、図 1. 1にノJミした研充プロセスに従って笑泊するc研究は吋初IJ1.K主被'Hの文j忠誠在、地形特性か ら見た氾j監形態の分析という現象論的考察から始まり、地形特性との対応からはた�l!.ilii�解析モデルの検討を 1fっている内 モデルの適則性については、 可初採用していた開水路ポンドモデルがxん・1(IJとyんIÎ1Jの水町現 象を独立に計算しているため、H.-!it.水の伝播状況を表示する場合などに 、(.:J.水深の横断的変化を的確にR�は できない場合があることが分かったので、IIrt1:精度が高い:抄くl乙ィ、'AË流モデルを採川することにしている。

第2l��では、 何故m濫原管理が必要なのかー について、戦後の1.1<咋被:号、治水行政及びそれに影響を及

ぼした社会経済的要国をレビューしくその概要を凶 1.2にボす)灯 、その変選を踏まえて危機特f'RのIlt:要性 を指摘している。その際、従来の流域治水と総合治水の相違点も明らかにしている」またアメリカにおける 氾濫原告理手法及びミシシッピ川水古における対応等を参考にしながら、11小:に泊ーした�l!.?f位以竹flH fitに改 良し、有効性のある手法を提案している【

tfs 3章では、小貝川水害などの氾濫現象を分析し、ll!.濫1.Kの挙動、破犯形状の1]然をfj-うとともに、?l!.fm�

形態と地形特性との対応について検討しているrまた氾i�原官.vnT法の検,;ÆにÆ法�jJflJ+Jí f äを.@川するにあ たって、二次元不定流モデル、その他解析に必要な計算・想定fÛç (盛土・樋ド1] . カルパート・水路・ド水 道の流下量、メッシュの分割〉を提ぶしている それまでに収集した破堤及び越水データを分析し、ι紅形 態と地形特性との対応を調べ、またモデル[�休の改良を行っている。

第4立では、 モデルの改良に際して一番問題となる氾濫原組度係数について氾慌流丈験/1<.路を川いてti:Ul された粗度係数より逆算した結果、建物群による平均的な抗)]係数c[) 3.83を得ているひ この結果と各L地 利用毎の粗度係数の結果を用いて、新たな合成粗皮係数式を提案している。また1mrI j域において卓越すると

予想されるモテソレ中のJ.K手粘性項及び数値粘性項を含む拡散項の取扱いについては実験・,i!'努|判l白より検d を行い、オーダー的に大きな影響をおよぼさないことを明らかにし、通常の解析では拡散項を1]'},叡しないで

ょいとしている1 0)。

第5章では、このようにして改良された:次元不定流モデルが実際に精度向上したかどうかを1953年の筑 後川における氾濫を対象に検証を行っている。検証には流域内5地点の故高以水位、2地点の破綻時点:lJを川 い、氾濫流況の再現性が良くなった結果、特に破堤時刻の再現性が高くなるという粘�を得ているιまた改 良を行った項目のうち、氾濫原粗度係数、分割メッシュ、破堤脳、破堤幅の時間的変化の4項目について、

鶴見川流域を対象にパラメータによる感度分析を行っている口その結果、鶴見川の場合には氾濫山相u立係数 以外はあまり氾濫流況に影響をおよぼさないこと、氾濫原粗皮係数を過切にJ安定すれば、Æ温tk&の内現性 カ〈よくなることを明らかにしている。

最後に第6章では、改良された新モデル等を氾濫原管理手法のーつであるがj川ネットワーク及ひ防災樹林 帯に適用した事例について検討している門河川ネットワークで・は水路臼体もメッシュ分割し、正確な氾理主流 況を表現するという、これまででもっとも紡織な解析を試み、その被官軽減効果を立証している,防災樹林 併についても樹林待の奥行き長さを長くしたり、樹林椛度をI匂くすることによりト枕側の流体力軽減が凶れ るということを計算上で確認しているつまた氾濫解析技術jを集大成し、去ぷプログラムと結合させた防災G

1 Sとしてのハザード・ シミュレータを作成している。このンステムは全体的な氾直流出のよ/向ことどまら

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