修士論文要旨(2009 年度)
雨水流出抑制対策の水文学的特性と効果
HYDROLOGICAL CHARACTERISTICS AND EFFECTS OF SOME COUNTERMEASURES AGAINST STORMWATER RUNOFF CONTROL
土木工学専攻 8 号 石塚 丈晴 ISHIZUKA Takeharu １．はじめに
近年，都市域における内水氾濫被害が多く報告されて おり，雨水排水対策が急務である． 図-1 に示すように都 市域に降った雨水は地表面や下水管を流下するとともに，
管渠，貯留施設およびポンプ排水などの影響を受け，非 常に複雑な流出経路をたどる．既往の研究では，管渠布 設替え，ポンプ場の新設および地下貯留施設の新設整備 とそれらの組み合わせの整備を行った場合の氾濫シミュ レーションを行い，費用対効果を算出した. その結果，
対象流域においては貯留施設の新設が最も雨水排水対策 に効果的であることを明らかにした。しかし，現実では 新規の地下貯留施設の建設は時間・空間的に非常に困難 であるといえる.そこで， 既存の建物屋上に雨水を一時的 に貯留することで流出抑制を行い,氾濫被害を軽減でき るかを検討する.したがって，本稿では屋上での現地実 験・観測，並びに流出氾濫解析を行うことにより,屋上貯 留が効果的であるかを評価することを目的としている.
２．屋上貯留 2-1 貯留方法
屋上貯留の方法としては従来から数多く利用されて いる植物を用いて緑化するといった方法がある.しかし この場合,外来種の植物が在来種を駆逐する恐れや, 植物の生育には土壌やそれに付随する施設の設置, 定期的な水やりや刈りといったメンテナンスが必要 である.そこで本研究では,保水蒸発機能が優れたメ ンテナンスフリーの多孔質セラミックスを屋上に一 定量敷設することで雨水流出抑制を行う.
2-2 ヒートアイランドの抑制効果
屋上貯留で用いるセラミックスには,流出抑制効 果の他にも貯めこんだ雨水を蒸発する際の気化熱に より熱緩和効果もあるため,都市域のもう一つの問 題であるヒートアイランドの抑制効果も期待され る.
下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 屋上貯留
下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 屋上貯留
下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 屋上貯留
下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 下水道
貯留施設 吐口
河川 ポンプ場
外水門 屋上貯留
図-1 都市域における水循環プロセス概念図
-敷設なし
-セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
2009/11/10~11/16
10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
貯留量 セラミックス：約30mm 芝生：約25mm
約12℃の差 -敷設なし -セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量
[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡] 10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量
[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡] 10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
貯留量 セラミックス：約30mm 芝生：約25mm
約12℃の差
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
2009/10/28~11/23
-敷設なし
-セラミックス -芝
時刻
–10
0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
時刻
–10
0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
2009/11/10~11/16
10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
貯留量 セラミックス：約30mm 芝生：約25mm
約12℃の差 -敷設なし -セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量
[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡] 10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
11/10 0:00 11/12 0:00 11/14 0:00 11/16 0:00
重量
[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡] 10
分間降雨量[mm/ 1 0 m in .]
総降雨量：83.5mm ピーク降雨量：9.0mm
時刻
貯留量 セラミックス：約30mm 芝生：約25mm
約12℃の差
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
2009/10/28~11/23
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
時刻
–10
0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
10 5 0
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
10/28 10:00 11/4 10:00 11/11 10:00 11/18 10:00
重量[k g ]
表面温度[
℃]
日射量[W /
㎡]
-敷設なし
-セラミックス -芝
-敷設なし
-セラミックス -芝
時刻
–10
0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
–10 0 10 0 10 20 30 0 200 400 600
10 5 0
10 5 0
図-2 日射量,降雨量,表面温度,水収支模型の重量
修士論文要旨(2009 年度)
３．実験・観測
3-1 現地実験・観測概要
観測場所は東京都江戸川区にある新左近川水門監視 所屋上で,2009 年 8 月中旬から熱観測と水収支観測を行 っている.本稿では 10 月 23 日から 11 月 23 日を対象期間 とする.熱観測ではセラミックスと芝生を 2.5m 四方に敷 設し,セラミックスと芝生と敷設なしで比較を行った.水 収支観測はセラミックスと芝生を 1m 四方に敷設し,比較 を行った.測定項目は気象データ（気温・降雨量・風向風 速・日射量）および表面温度,各種気温,重量であり,それ ぞれ 10 秒間隔で観測を行った.表面温度と各種気温につ いては T 型熱電対を用いて,表面温度と鉛直上空 1cm,5cm,10cm,30cm,50cm の気温を測定した.水収支は張 力計を用いて,重量を測定することにより貯留量を算出 した.
3-2 降雨・日射量に対する表面温度・水収支結果 図-2 に対象期間中の降雨量,日射量,セラミックスと 芝生と敷設なしの表面温度,セラミックスと芝生の水収 支模型の重量を示す.セラミックスと芝生は敷設なしと 比較して,表面温度が低くなっている.また,日射の強い 昼間は芝生の方がセラミックスに比べ,表面温度が低く
なっているのに対して,日射のない夜間はセラミックス の方が芝生に比べ,表面温度が低くなっている.セラミッ クスと芝生を比較すると芝生の方が,表面温度の低減効 果が持続していることがわかる.水収支模型の重量から セラミックスと芝生共に雨水貯留効果があることがわか る.芝生の方がセラミックスに比べて蒸発が遅いため,表 面温度低減効果の持続性に影響を与えていると考えられ る.さらに,降雨があり表面温度に顕著な差が出ている 11 月 10 日から 11 月 15 日までを事例として取り上げる.
この期間の降雨量,日射,表面温度,水収支模型の重量を 図-2 に示す.強い降雨があったのは 11 月 11 日から 11 日 12 日にかけてだったが,翌日 11 月 13 日は日射がほとん どなかったため敷設なしの場合とセラミックスと芝生の 表面温度にほとんど差がなかった.
11 月15 日に強い日射があり,そこで降雨後初めて表面 温度に顕著な差があった.11 月15 日の表面温度について は,敷設なしの場合と比較してセラミックスと芝生は約 12℃低くなっていて,貯留量に関しては,総降雨量 83.5mm の雨に対して,セラミックスが約 30mm,芝生は約 25mm 貯留している.
10 15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50
6:00 10:008:00 12:00 14:00 16:00 18:00
敷設なし
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
10 15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50
6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
芝生
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
10 15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50
6:00 10:008:00 12:00 14:00 16:00 18:00 セラミックス
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
図-3 降雨前の気温鉛直分布
5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40 50
6:008:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
敷設なし
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40 50
6:00 10:008:00 12:00 14:00 16:00 18:00 セラミックス
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
5 10 15 20 25 30
0 10 20 30 40 50
6:00 10:008:00 12:00 14:00 16:00 18:00
芝生
表面温度・気温[℃]
鉛直高さ[cm]
図-4 降雨後の気温鉛直分布
修士論文要旨(2009 年度) 3-3 気温の鉛直分布結果
降雨前の 11 月 9 日,降雨後の 11 月 15 日の 2 時間毎の 気温の鉛直分布を図-3,4 に示す.降雨前も降雨後も鉛直 上空 5cm 以上の高さでは気温に大きな差は見られないが, 日射が強くなる午前10時から午後4時までは敷設なしの 場合は鉛直上空 1cm の気温より表面温度が高くなってい るのに比べセラミックスと芝生は鉛直上空 1cm の気温に 比べ,表面温度が低くなっているが,芝生は鉛直上空 1cm の気温だけが高くなっている.これは芝生が 1cm 以上に 伸びて,風が通らなくなっているためと思われる.降雨前 後で比較すると,敷設なしの場合と芝生は降雨前後共に 表面温度が鉛直上空 1cm の気温に比べ低くなっているが, セラミックスは降雨前の表面温度が鉛直上空 1cm の気温 に比べ高くなっているのに対して,降雨後は表面温度の 方が低くなっている.これからも芝生の方がセラミック スに比べ蒸発が遅いことがわかる.
3-4 風洞実験
セラミックスの蒸発量に関して風のみの要因による 影響を計測するために風洞実験を行った.体積 40cm×
35cm×5cm の水分を含ませた重量 7kg のセラミックスを 風速 6m/s,12m/s それぞれ一定量の風を流し,完全に乾燥 した状態である4kgまでの重量変化を15分毎で計測した.
実験結果を図-5 に示す.
４．流出・氾濫シミュレーション 4-1 計算条件
対象流域は江戸川区に隣接する千葉県浦安市の当代 島第 2 排水区とする.この流域は流域面積 10.27ha,人口 867 人の都市流域であり,地盤沈下の影響で，正常な排水 処理をできない現状にある．計算に想定した降雨は時間 降雨強度 60mm/hr の降雨を基準とした．また，将来，地 球温暖化に伴い降雨規模が増大したときに設定した雨水 排水対策が有効であるかどうかを評価するために設定し た降雨外力を 1.1 倍，1.2 倍，1.3 倍，1.4 倍，1.5 倍と 増加した場合においても氾濫シミュレーションを行った．
これら降雨は浦安市において降雨確率年 8 年，12 年，20 年，35 年，50 年，75 年に相当する．降雨流出計算には 地表面流出計算，管路流計算および氾濫計算の 3 段階を 統合し，土地利用形態ごとに初期損失量及び地表面粗度 係数を変えることにより，土地利用形態ごとの流量を算 出している.
4-2 各種整備対策案の比較検討
対象流域において管渠布設替え，ポンプ場の新設およ び地下貯留施設の新設整備とそれらの組み合わせの整備, 屋上貯留(セラミックスの敷設)の氾濫シミュレーション を行い，どの対策が最も雨水排水対策に効果的であるか 比較検討を行った．屋上貯留は流域内にある屋根に対し て 100％,75％,50％,25％に敷設し,屋上の積載荷重を考 慮し敷設の厚さは 30mm〜180mm,実質 10mm〜50mm の降雨 を貯留できるという条件で,それぞれ各種対策前後の氾 濫浸水面積を算出した．
4-3 費用対効果の算出
各降雨規模における各種整備対策の被害額の結果を図 -6 に，被害額と整備前の被害額から整備後の被害額を差
0 5 10 15 20
被害額
[
億円]
降雨強度
●：現況の管路網 ：管渠布設替え ：ポンプ場の新設 ：貯留施設の新設
▲
▼
◆
：管渠＋ポンプ整備
：管渠＋ポンプ ＋貯留施設整備
：管渠＋貯留施設整備
：ポンプ＋貯留施設
（基準降雨：
r）
r 1.1r 1.2r 1.3r 1.4r 1.5r
●：セラミックス（ 100％）
図-6 降雨規模別の被害額
4000 5000 6000 7000
0 12 24
[hour]
[kg]
7
6
5
4
●●：12m/s
： 6m/s
4000 5000 6000 7000
0 12 24
[hour]
[kg]
7
6
5
4
●●：12m/s
： 6m/s
図-5 風洞実験結果
修士論文要旨(2009 年度)
し引いた被害軽減額と降雨の確率年の結果を図-7 に示 す．ここで，どの対策が最も有効であるかを評価するた め，各種整備対策の費用対効果を算出した．B/C の算出 方法は以下の通りである．
B＝｛(Σ（整備前の被害額−整備後の被害額）×降雨の 生起確率)×評価対象期間（年） ｝
C＝整備費用＋維持管理費
つまり B は，Σ（整備前の被害額−整備後の被害額）×
降雨の生起確率)の算出により年平均被害軽減期待額を 算出している．これに評価対象期間（整備施設の耐用年 数）を乗じることで対象期間の被害軽減期待額が算出さ れる．C の整備費用は表-1 に示す通りである.尚，被害額 の算出方法は国土交通省河川局出典の「治水経済調査マ ニュアル」を参考にした．これにより算出された各種整 備対策の費用対効果を図-8 に示す．この結果より，効果 的に排水対策をするためには雨水の貯留が有効であり, 屋上貯留に関していえば敷設方法によっては地下貯留ほ どの効果を上げることを明らかにした．
５．まとめ
本論文では，内水氾濫被害が多い都市流域での内水氾 濫被害軽減のため,一時的な雨水の屋上貯留を提案し,現 地実験・観測及び流出氾濫解析により評価をした. 現地 実験より屋上貯留に用いたセラミックスには芝生と同様 に雨水貯留,熱環境緩和両方に効果があることを示した.
芝生とセラミックスを比較した場合,蒸発速度の違いか らセラミックスは雨水貯留により優れ,芝生は熱環境緩 和により優れていることを明らかにした.また屋上貯留 を行った際の氾濫シミュレーションより費用対効果を算 出し,他の整備項目と比較することによって ,屋上貯留が 非常に効果的であることを示した.
謝辞:本研究の遂行にあたり,現地実験場所である新左近川水門監 視所利用に際して,江戸川区の協力を得た.ここに記して謝意を表 す.
参考文献
1)呉修一，山田正，吉川秀夫：表面流の発生機構を考慮した斜面多 層降雨流出計算手法に関する研究，土木学会水工学論文集，
Vol.49,pp.169-174,2005
2)土屋修一，土肥学，海野修司，山田正：管路網水理解析による都 市洪水流出特性に関する研究，土木学会水工学論文集，
Vol.46,pp.259-264,2002.
3)土屋修一，加藤拓磨,手計太一,山田正：打ち水による市街地の熱 環境緩和効果，土木学会水工学論文集,Vol.49,pp.367-372,2005.
4)国土交通省河川局：治水経済調査マニュアル，2005
被害軽減額[億円]
降雨強度 ：管渠布設替え ：ポンプ場の新設 ：貯留施設の新設
▲
▼
◆
：管渠＋ポンプ整備
：管渠＋ポンプ ＋貯留施設整備
：管渠＋貯留施設整備
：ポンプ＋貯留施設
（確率年）
（整備前の被害額–整備後の被害額）
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10
0 5
●：セラミックス 30mm(100 ％)
図-7 降雨規模別の被害軽減額
整備項目
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留 貯留 地下
100％ 屋上 +
+
+
+ +
ポンプ ポンプ
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留
地下 地下
地下 75％ 50％ 25％
0 10 20 30
費用対効果B/C(評価対象期間50年)
▲：50mm
■: 40mm
●：30mm
▼: 20mm
◆: 10mm
整備項目
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留 貯留 地下
100％ 屋上 +
+
+
+ +
ポンプ ポンプ
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留
地下 地下
地下 75％ 50％ 25％
0 10 20 30
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留 貯留 地下
100％ 屋上 +
+
+
+ +
ポンプ ポンプ
ポンプ 管渠 管渠
貯留 貯留
地下 地下
地下 75％ 50％ 25％
0 10 20 30
費用対効果B/C(評価対象期間50年)
▲：50mm
■: 40mm
●：30mm
▼: 20mm
◆: 10mm
▲：50mm
■: 40mm
●：30mm
▼: 20mm
◆: 10mm
