屋上貯留の流出抑制効果と熱環境緩和効果

修士論文要旨(2011 年度)

屋上貯留の流出抑制効果と熱環境緩和効果

A STUDY ON RUNOFF SUPPRESSANT AND HEAT ENVIRONMENT MITIGATION EFFECTS BY RAINFALL HERVESTING SYSTEM INSTALLED AT THE TOP OF BUILDINGS

土木工学専攻 5 号 礒貝 二郎 ISOGAI Jiro １．はじめに

近年，都市域の水災害は局所的な集中豪雨に伴う内水 氾濫による被害が非常に多くを占めている

．既往の研 究

では雨水排水対策として管渠布設替え，ポンプ場の 新設および地下貯留施設の新設を提案し，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 象流域においては地下貯留施設の新設が効果的であるこ とを示した．しかし，都市域において地下貯留施設の新 設は空間的・費用的に困難である．そこで本研究では既 存の建物の屋上に雨水を一時的に貯留する屋上貯留を提 案する．また，屋上貯留には雨水を貯留することによる 流出抑制効果の他に，晴天時に貯めこんだ雨水が蒸発す る際の気化熱による熱環境緩和効果も期待できる．屋上 貯留のこれらの効果を検証するために実証実験・熱収支 解析並びに氾濫シミュレーションを行う．

２．実証実験 ２－１．実験概要

観測場所は東京都港区にある 9 階 建ての建物の屋上で，2010 年 7 月 下旬から熱観測と水収支観測を行 っている．本稿では 2011 年 8 月 24 日から 9 月 27 日を対象期間とする．

熱観測では軽石状のセラミックス と芝生を 5.0m×10m 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．水収支観測は軽石状のセ ラミックス，平板状のセラミックス，

円柱状のセラミックス，ブロック状 のセラミックス，芝生を 40cm 四方 に敷設し，深さ 60mm の 40cm 四方 の水タンクと比較を行った．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．水収支は質量計を用いて重量 を測定することにより，貯留量及び蒸発量を算出した．

また芝生は毎日午前 6 時に 5mm 程度自動灌水を行って いる．

２－２．実験結果 ２－２－１．表面温度

図-1 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を示す．芝生は敷設なしの場 合と比較して常に表面温度が低くなっている．これは芝 生には自動灌水が行われているため常に水を含んでいる 状態にあるためである．それに対しセラミックスは，降 雨後 5 日程度は敷設なしの場合と比較して表面温度が低 くなっており，温度低減効果を示している．しかし，降 雨後 5 日以上経過すると敷設なしの場合と比較して同程

図-1 対象期間中の降雨量・日射量・表面温度の時系列

修士論文要旨(2011 年度)

度の表面温度またはそれ以上に高い表 面温度になっている．これは，降雨後 5 日程度はセラミックスに貯めこまれ た雨水が蒸発する際の気化熱による影 響があるためと思われる．降雨直後に 着目してみると，セラミックスと芝生 共に敷設なしの場合と比較して，表面 温度が約 15℃低くなっており，熱環境 緩和効果があることがわかる．

また， 図-2 に水収支観測の容器に設 置した各種素材の表面温度を示す．芝 生と水タンクの表面温度が各種セラミ ックスの表面温度と比較して低いこと がわかる．また，降雨中と降雨直後に 関しては各種セラミックスと芝生と水 タンクの表面温度に差はないが，降雨 から時間が経過するにつれて各種セラ ミックスと芝生，水タンクの表面温度 の差が大きくなっていくことがわかる．

このことから貯めこんでいる水が表面 温度に影響を及ぼしていることが考え られる．芝生は自動灌水により常時水 を含んでおり，水タンクに関しても常 に表面上に水がさらされているので，

雨水が蒸発していき表面が次第に乾燥 する各種セラミックスと比較して，表 面温度が低くなっていると思われる．

２－２－２．降雨に対する貯留量 図-3 に対象期間中の各種セラミック スと芝生とタンクの雨水の貯留量を示 す．降雨に対して貯留量が上昇している ことから各種セラミックス，芝生，タン

ク全てが降雨に対して雨水を貯留していることがわかる．

9 月 8 日にあった総降雨量 99.8mm の降雨に対する各種 素材の貯留量は，軽石状のセラミックスは約 18mm，平 板状のセラミックスは約 10mm，円柱状のセラミックス は約 12mm，ブロック状のセラミックスは約 10mm，芝 生は約 6mm，水タンクは約 30mm であった．芝生は自 動灌水を行っている影響で常時水分を含んでおり，その ため各種セラミックスと比較して雨量に対する貯留量は

少ない結果となっている．また，9 月上旬に貯め込んだ 雨水や 9 月 17 日の降雨の際に貯め込んだ雨水が，完全 に蒸発していないため，各種素材においても乾燥した状 態に比べ貯留量が少なくなっている．

２－２－３．蒸発量

図-4 に 9 月 7 日の降雨後からの各種セラミックス，芝 生，水タンクの 1 日当たりの蒸発量を示す．各種セラミ ックスにおいては 1 日当たり 1mm から 5mm 程度の雨 図-2 対象期間中の降雨量・日射量・水収支容器の表面温度の時系列

図-3 対象期間中の降雨量・日射量・貯留高の時系列

修士論文要旨(2011 年度)

水を蒸発させており，芝生においては 7mm から 8mm 程度の雨水を蒸発させており，水タンクにお いては 3mm から 5mm 程度の雨水を蒸発させてい る． 図-4 から蒸発速度に着目してみると芝生が最も 速く，次に水タンクが速くなっている．各種セラミ ックスが降雨から日にちが経過するにつれ蒸発量が 減少していくのに対し，芝生と水タンクは降雨から 日にちが経過しても蒸発量は一定している．これは 芝生が自動灌水により常時水を含んでおり，水タン クに関しても常に表面上に水がさらされているため，

雨水が各種セラミックスと比較して蒸発し易いため と考えられる．各種セラミックスで比較すると軽石 状セラミックスが最も蒸発速度が速く，ブロック状 セラミックスが最も蒸発速度が遅くなっている．

３．熱収支解析 ３－１．解析手法

ヒートアイランド抑制効果を検証するため，熱収 支解析を行った．素材表面における熱収支式は(1)と なる．

表面熱収支： Rn = H + lE + G ･･･(1)

伝導熱フラックスは熱流計の測定値と蓄熱量により(2)

～(3)式を用いて算出する．

蓄熱量: ∆ S = Cb ⋅ ρ ⋅ V × ( Tb

− Tb

) ^{･･･ (2)} 伝導熱フラックス： G = G

+ ∆ S ･･･(3)

潜熱フラックスは水の潜熱と蒸発量から(4)式を用いて 算出する． 敷設なしの場合は潜熱フラックスを 0 とする．

蒸発量は重量変化より算出する．

潜熱フラックス： lE = l × E ･･･(4)

放射収支計を用いて正味放射量を測定しているため，顕 熱フラックスは熱収支式の残差により算出することがで きる．

３－２．解析結果

対象期間中におけるセラミックスと芝生と敷設なしの 顕熱フラックスを 図-5 に示す．セラミックスと芝生共に 敷設なしと比較して顕熱が小さくなっていることがわか る．このことから，セラミックスと芝生は大気を直接加 熱する熱量である顕熱が小さいのでヒートアイランド緩 和効果が大きいことがわかる．これはセラミックスと芝 生が水を溜め込んでいるためと思われる．

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 東京都の降雨強度 60mm/hr 対応の降雨強度式を用いた．

さらに降雨外力を 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．

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，

屋上貯留の氾濫シミュレーションを行い，比較検討を行 った．屋上貯留は対象流域にある屋上に対して 100%，

75%，50%， 25%， 10%に敷設し，敷設の厚さは 30mm

～180mm，実質 10mm～60mm 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(B/C から見た屋上貯留の効果) 図-4 降雨後からの各種素材の 1 日当たりの蒸発量

図-5 降雨後の顕熱 FLUX の時系列

修士論文要旨(2011 年度)

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．

各整備対策に対して基準降雨を i=1，1 割増加降雨を i=2， 2 割増加降雨を i=3， 3 割増加降雨を i=4， 4 割増加 降雨を i=5，5 割増加降雨を i=6 とする．強度別に被害 軽減額 D

を（整備前の被害額-整備後の被害額）で算出 する．被害額は単位面積当たりの資産価値×浸水深ラン ク別被害率×湛水面積により算出する．なお，単位面積 当たりの資産価値及び浸水深ランク別被害率は国土交通 省河川局出典の「治水経済調査マニュアル」

を参考に した．各降雨強度の年平均超過確率を N

とすると降雨強 度 i 以 上 (i+1) 未 満 の 年 平 均 被 害 軽 減 額 は

( D

+ D

) ² × (

−

) で計算できる．これを累計し年平 均被害軽減期待額を算定する．これに評価対象年数(ここ では整備施設の耐用年数として 50 年を設定した)をかけ て評価期間における被害軽減期待額 B を算出する．すな わち， ∑ { ( ) ( ) }

=

+

+

× −

+

×

=

5

1

1

1

2

50

i

i i i

i

D

D

B である．総費用

C は整備費用と評価期間中の維持管理費用の合計値で算 出する．整備費用は表-1 に示す． 1 年当たりの維持管理 費用は整備費用の 0.5%で設定した． これにより算出され た各種整備対策の費用対効果を 図-6 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．雨水貯 留は排水対策として非常に効果的である上，地下貯留施 設の新設は用地代を含んでおらず，セラミックスは非常 に安価であるため，費用対効果が大きくなっている．

５．まとめ

本研究では，屋上貯留を提案し，実証実験及び流出氾 濫解析により効果を検証した．以下に得られた知見を述 べる.

1)実証実験より屋上貯留に用いたセラミックスと芝生共 に雨水流出抑制，熱環境緩和両方に効果があることを示 した．

2)各種セラミックスにおいては 1 日当たり 1mm から 5mm 程度の雨水を蒸発させており，芝生においては

7mm から 8mm 程度の雨水を蒸発させており，水タン クにおいては 3mm から 5mm 程度の雨水を蒸発させて いることを示した．

3)熱収支解析より，セラミックスと芝生共に敷設なしの 場合と比較し，顕熱が小さくなっているため熱環境緩和 効果があることを示した．

4)屋上貯留を行った際の氾濫シミュレーションにより費 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：本実験は，

「雨水流出抑制・ヒートアイランド緩和に 係る研究の有識者委員会」の活動として実施し， （財）河川 環境管理財団の補助金を受けて行った．また，森ビル㈱よ り試験場所を提供いただいた．ここに記して感謝の意を表 す．現在，この研究結果を基に東京都と墨田区が実用化に 向けて動いています．

参考文献

1)国土交通省ホームページ: 水害対策を考える

2)荒川貴志, 石塚丈晴, 此島健男子, 呉修一, 山田正: 都 市流域における効果的な雨水排水計画の提案,土木学会 第64回年次講演会講演概要集, CS11-017, pp.423-424, 2009

3)国土交通省河川局：治水経済調査マニュアル，2005 表-1 各種対策の整備費用

5[千円/㎡]×敷設面積[㎡]

屋上貯留 (雨水30mm貯留)

3.3[億円]

地下貯留施設の新設

12[億円]

ポンプ場の新設

3.12[千万円]

管渠布設替え

整備費用 整備費用 整備費用 整備費用 整備メニュー

整備メニュー整備メニュー 整備メニュー

5[千円/㎡]×敷設面積[㎡]

屋上貯留 (雨水30mm貯留)

3.3[億円]

地下貯留施設の新設

12[億円]

ポンプ場の新設

3.12[千万円]

管渠布設替え

整備費用 整備費用 整備費用 整備費用 整備メニュー

整備メニュー整備メニュー 整備メニュー

0 2 4 6 8 10

費用対効果　

B /C (

5 0

)

ポンプ 管渠

＋ ポンプ

管渠 地下

貯留

＋ ポンプ

地下 貯留

＋ 管渠

＋ ポンプ

地下 貯留

＋ 管渠 地下

貯留 100％75％50％25％10％

屋上貯留

整備項目

：60mm ：30mm

：50mm

：40mm

：20mm

：10mm

図-6 各種整備対策の費用対効果