都市洪水リスク解析には、民家や事業所などの建物・施設と内部資産を主な対象とするミクロ解析と流域や排水区単位での洪水リスクを評価するマクロ解析がある。前者は、建物単位や施設単位での被害軽減対策や避難行動計画などを検討するための解析であり、後者は、行政の治水計画や雨水排水対策、流域単位の被害軽減対策のための意思決定支援ツールとして用いる。

ミクロ解析では、建物とその周囲での浸水深や氾濫流の流速、さらには流体圧もふくめて浸水外力を評価する。浸水深については、2次元の浸水氾濫解析モデルを適用するが、マクロ解析にくらべてより詳細なものとなる。すなわち、地表の建物や道路の形状を細かく反映したモデル作成が必要となり、さらに地表面の浸水だけではなく、地下街や地下室などの地下空間の浸水も当然対象となる。地下空間の浸水氾濫解析モデルでは、地下商店街などの浸水被害軽減や地下街利用者の避難誘導計画などを検討することができる。

ミクロ解析では、建物とその周囲での浸水深や氾濫流の流速、さらには流体圧もふくめて浸水外力を評価する。浸水深については、2次元の浸水氾濫解析モデルを適用するが、マクロ解析にくらべてより詳細なものとなる。すなわち、地表の建物や道路の形状を細かく反映したモデル作成が必要となり、さらに地表面の浸水だけではなく、地下街や地下室などの地下空間の浸水も当然対象となる。地下空間の浸水氾濫解析モデルでは、地下商店街などの浸水被害軽減や地下街利用者の避難誘導計画などを検討することができる。

マクロ解析は、流域単位、排水区単位での計算となるため、2次元浸水氾濫解析モデルのメッシュ分割のスケールもミクロ解析より大きくなるが、治水施設や雨水対策施設、さらには宅地化と土地利用の変化など、流域の自然条件、社会条件を良好に反映できるモデルを用いる。さらに公共施設の被害や交通被害なども解析対象に入ってくる。

都市域の流出解析モデルは、概念的な水文モデルから概念的な水理モデルに進展してきたが、1980年代から下水道管渠システムの流れを水理学的に計算するモデルが登場する。下水道管渠内の流れは、通常、開水路の流れであるが、豪雨時には満管状態となり、管水路の流れに変わる。またバックウォーターやマンホールからの噴き上げなど複雑な水理現象をともなう。そのため、従来の概念型のモデルではなく、下水管内の流れそのものを水理解析するモデルが要求されようになったのである。こうして、WASSP[1]、MOUSE[2]、SWMM[3]などの水理モデルを含む流出解析用パッケージが公開、あるいは市販されるようになった。わが国の下水管路水理解析においては、渡辺ら[4]による一連の研究がある。

下水道管路の水理現象を解析するモデルは、その後改良が重ねられ、マンホールから道路への噴き出しと道路からマンホールへの流入を、下水道管路と道路という仮想開水路からなる2条管としてモデル化する浸水氾濫解析モデル（図1）として発展していった。2000年代初頭の段階で、InfoWorks(英国／Wallingford)、MOUSE（デンマーク／Denmark Hydraulic Institute）、xpswmm（オーストラリア／XPSoftware）が、世界的に広く用いられているパッケージ・ソフトウェアとなった。 日本において都市域の浸水氾濫解析モデルは、岩佐ら[6]の2次元不定流の浸水氾濫への適用に始まり、微細な密集市街地の道路や建物の構造を反映する氾濫流のモデル化が研究され[7][8]、さらに相良ら[9]は、2004年、下水道と地表氾濫流との相互作用を扱う詳細な浸水氾濫解析モデルへと発展させた。
		図1　地表流と下水道管渠の流入・流出の2条管によるモデル化のイメージ [5]

同じ2004年、国土技術政策総合研究所は、都市域氾濫解析モデルNILIMを公開ソフトとして発表した^[10]。このモデルは、50ｍメッシュの2次元氾濫流を解析し 、地表氾濫流と下水管路とのやりとりも計算可能としている。

2000年代に入って都市浸水氾濫解析モデルの開発は急速に進み、2005年には、xpswmmが、1D/2Dモデルによる都市浸水氾濫解析モデルを開発し^[11]、InfoWorks、MOUSEも同様のアップデートを行っている。これらの市販ソフトは、グラフィック機能も充実しており、計算結果をアニメーションで見ることもでき、データ入力・出力の操作性においても優れている。市販ソフトとしては、これら３つのパッケージが、世界的に主流のソフトとして現在に至っている。

浸水氾濫解析はハザード解析である。それは浸水氾濫現象の計算、それ自体が目的ではなく、被災対象となるものがどのような外力を受けるかを評価することを第一の課題とする。ここで外力となるハザードとは、浸水深、流速、流体圧、浸水時間である。

浸水氾濫における物理ハザードとして、まず浸水深が第1に挙げられるが、流速もリスク要因として重要である。ただ、Kreibichら^[12]の詳細な検討によると、都市域において流速が被害に強い影響を及ぼすのは道路インフラの構造物被害が主なものであり、民家や事業所の建物や営業活動などの金銭的被害では浸水深が重要な要因であると結論づけている。

都市域における流出解析と浸水氾濫解析モデルについて、これまでの開発の経緯を概観してきたが、行政レベルでこれらのモデルが用いられるとき、そこに“共通言語”としての機能が要求される。ご存知のように、『河川砂防技術基準』では、貯留関数法、タンクモデル、特性曲線法、合理式が国内における基本的なモデルとして扱われている。合理式のような19世紀に開発された手法が、現在においても都市河川や下水道計画において現役で使用されているのも、合理式が、流出係数、洪水到達時間、流域面積という簡易な言葉によって“共通言語”としての機能を同時にもっているからである。“共通言語”としての機能とは、共通したパラメータによるモデル構造の簡明さをもつことである。

都市の洪水リスクマネジメントは、自治体が主体となって、リスクアナリシス、リスクアセスメントによる意思決定を行い、実行と評価を繰り返し、PDSサイクルを回していくプロセスである。そこで適用される浸水氾濫解析モデルには、解の精度と安定性、計算処理の効率性という基本的な機能のみならず、計算の汎用性とユーザー・フレンドリーな操作性、さらに結果をわかりやすく見られるGUI（GraphicalUser Interface）の機能が求められる。その意味で、洪水リスクマネジメントでツールとして用いられる浸水氾濫解析モデルには、研究レベルのモデルとは異なった条件が要求されるのである。

現在主流となっている浸水氾濫解析の市販ソフトであるxpswmm、InfoWorks、MOUSEは、欧米を中心に実務的なレベルで広範に利用されており、モデルそのものの適用性について常にフィードバックと改良が積み重ねられている。そして、さらなる研究成果を組み込みながらより精巧なものにアップデートされている。市販ソフトの性能も、近年ではほとんど差がない状態にあり、ソフト相互のデータの互換性も進んでいる。すでに自治体のハザードマップ作成においては市販ソフトが大きな役割を果たしている。

今後、洪水リスクマネジメントが多くの自治体で実際に進められるようになると、浸水氾濫解析モデルも、計算結果を議論する場において、“共通言語”としての性格がますます求められるようになる。その意味で、国土技術政策総合研究所が開発した都市域氾濫解析モデルNILIMの役割は重要である。公開ソフトとしての条件は維持しながら、操作性とプレゼン能力を向上させ、国内における浸水氾濫解析の“共通言語”としての機能を担うことが今後大いに期待される。

都市域の浸水氾濫解析モデルには、モデル作成において土地利用や建物・道路の状態を反映できること、下水道管路と地表流、下水道と河川の相互作用を計算できること、さらに、すでに述べた“共通言語”としての条件が求められる。その意味で、すでに挙げた市販ソフトは、国内外において使用実績があり、実用的なレベルで都市浸水氾濫解析モデルとして適用可能なものである。

ここではマクロ解析を対象に、都市域の浸水氾濫解析モデルxpswmm（1D／2D）について概要を述べ、東京都の神田川水系・旧桃園川排水区での適用例を紹介する。

xpswmmは都市の雨水排水管理モデルSWMM(Storm Water ManagementModel)に起源をもつ。SWMMは、米国環境保護庁(US EPA)の指導と援助により、フロリダ大学、Metcarf and Eddy社、Water Resources Engineers社の3グループが都市雨水排水の水量・水質を管理するモデルとして、1969〜71年に共同開発したものである。当時、フロリダ大学でこのプロジェクトにかかわっていたW.C.Huber教授は、その後、オレゴン州立大学へ移り、SWMMの改良とアップデートを進めた。

特に、1990年、下水道管渠システムをノードとリンクで表示し、リンクに運動方程式、ノードに連続式を適用してDynamic Wave方程式を解いていくEXTRNモデル[13]は、すでに述べた下水道管路への水理解析の直接的適用として都市雨水排水研究に大きなインパクトを与えた。また、下水道管渠の流れにおける開水路流れから管路流れへの遷移の扱いについては実用的なプライスマン・スロット[14]を採用している。プライスマン・スロットは、図2に示したように、管渠の上部に流量を無視できるくらい狭いスロットを設けることにより、圧力流れを擬似的な開水路流れにすることで同じ方程式によって簡単に計算するものである。 xpswmm(1D/2D）は、SWMMをさらに進化させたモデルとして、この1D水理計算に2D浸水氾濫計算を加えたものであり、都市雨水排水の総合的なモデルとして、米国、カナダを中心に世界各国で広く利用されている。
		図2　プライスマン・スロットを用いた仮想下水管渠モデル

xpswmmのモデル構成と計算フロー また、治水事業が進み、流域の安全度が向上すれば洪水ハザード曲線が低下することにより被害ポテンシャル曲線は下方へシフトし、逆に、都市化が進行して洪水流出が増大するとハザード曲線の上昇により、被害ポテンシャル曲線は上方へシフトする。また、気候変動によって同じ再現期間の計画降雨レベルが高くなると、ハザード曲線の上昇により被害ポテンシャル曲線は上昇する。都市化の進行でも、流域の資産が集中すると流域の物件総評価額を押し上げ、浸水脆弱性が高まり、そのことによって被害ポテンシャルは増加する。このように、浸水ハザード、流域の資産評価額は、被害ポテンシャルとして洪水リスクに影響を与えるのである。それでは洪水リスクはどのように定量化できるのだろうか。 xpswmmは5つのモデルから構成される。(1)降雨損失モデル、(2)地表面流出モデル、(3)管内水理モデル、(4)浸水氾濫解析モデル、(5)汚濁流出モデルである。汚濁流出モデル以外の4つのモデルで浸水氾濫の計算を行う。 まず、(1)降雨損失モデルは、入力した降雨データから窪地貯留損失と浸透損失を計算する。窪地貯留損失のパラメータを与え、浸透損失は、Horton式、あるいはGreen-Ampt式によって降雨から浸透分を差し引き、有効降雨を計算する。有効降雨が素流域から下水道管渠に流れる過程を計算するのが(2)地表面流出モデルである。地表面流出の計算では、キネマティックウェイブ法をはじめ、いくつかの方法を選択して適用する。地表面流出モデルで下水道管渠へ流入するハイドログラフを算出し、つぎに(3)管内水理モデルによって下水道管渠内の流れを水理計算する。ここではSaint-Venant方程式をDynamic Waveモデルによって解いていく。さらに(4)浸水氾濫解析モデルでは、Dynamic Waveによる2次元不定流計算を行うが、下水管からの溢水、溢水した水の下水管への戻りという下水道と地表面との相互作用を扱うため、管内水理解析と地表面の氾濫解析とで解析情報をやりとりしながら逐次計算を進めていく。これらの4つのモデルによる計算をより具体的な作業フローとして示したのが図3である。
		図3　xpswmmによる浸水氾濫計算のフロー

ここで実際に浸水氾濫解析を行い、xpswmmの計算フローをたどることにする。神田川水系の旧桃園川幹線の内水氾濫について、2005年9月の局所的集中豪雨を対象に浸水氾濫解析を行った。解析対象範囲は、図4に示したJR中央線阿佐ヶ谷駅を中心とする排水区である。

図3の作業フローにしたがって、まず、3次元地形データ生成と下水道のリンクパラメータ、下水道のノードパラメータの入力から始める。この入力作業は、背景図・数値地形モデル（DTM）を用いて効率的に進めることができる。図5に国土交通省国土計画局が提供しているオルソ化空中写真ダウンロードシステムによる背景図を示した。オルソ化空中写真には画像データの中に座標データが組み込まれているため、xpswmmで航空写真をインポートする際に、座標データが反映される。

次に、地表面標高データの入力である。xpswmmには、地表面標高をDTMデータとして取り込む機能があり、国土地理院が発行している数値地図5ｍメッシュを用いて標高データを取り入れた。背景図も数値地図もともに平面直角座標で組み入れているため、xpswmm上で航空写真と地表面標高データを重ね合わせることができる。DTMレイヤーは透明度の設定が可能なことから、背景図と重ねて見ることができる（図6）。下水道管渠のデータについては、東京都下水道局の下水道台帳を参考にした。

xpswmmにおいては、下水管をリンク（Link）、マンホールをノード（node）と呼び、これらのリンクとノードのデータを入力しなければならない。ただ、データを入力できる下水管数には限界があるため、管径が60ｃｍに満たない下水管などをひとまとめにして、ランピングによる下水管の省略を行った。下水道台帳には住宅街の道路もある程度記載されているため、図7に示したように、背景図と下水道台帳を照らし合わせることで効率的にリンクとノードのデータ入力が可能である。

ここで実際に浸水氾濫解析を行い、xpswmmの計算フローをたどることにする。神田川水系の旧桃園川幹線の内水氾濫について、2005年9月の局所的集中豪雨を対象に浸水氾濫解析を行った。解析対象範囲は、図4に示したJR中央線阿佐ヶ谷駅を中心とする排水区である。 図3の作業フローにしたがって、まず、3次元地形データ生成と下水道のリンクパラメータ、下水道のノードパラメータの入力から始める。この入力作業は、背景図・数値地形モデル（DTM）を用いて効率的に進めることができる。図5に国土交通省国土計画局が提供しているオルソ化空中写真ダウンロードシステムによる背景図を示した。オルソ化空中写真には画像データの中に座標データが組み込まれているため、xpswmmで航空写真をインポートする際に、座標データが反映される。 次に、地表面標高データの入力である。xpswmmには、地表面標高をDTMデータとして取り込む機能があり、国土地理院が発行している数値地図5ｍメッシュを用いて標高データを取り入れた。背景図も数値地図もともに平面直角座標で組み入れているため、xpswmm上で航空写真と地表面標高データを重ね合わせることができる。DTMレイヤーは透明度の設定が可能なことから、背景図と重ねて見ることができる（図6）。下水道管渠のデータについては、東京都下水道局の下水道台帳を参考にした。 xpswmmにおいては、下水管をリンク（Link）、マンホールをノード（node）と呼び、これらのリンクとノードのデータを入力しなければならない。ただ、データを入力できる下水管数には限界があるため、管径が60ｃｍに満たない下水管などをひとまとめにして、ランピングによる下水管の省略を行った。下水道台帳には住宅街の道路もある程度記載されているため、図7に示したように、背景図と下水道台帳を照らし合わせることで効率的にリンクとノードのデータ入力が可能である。 浸水氾濫解析結果と出力表示 xpswmmによる計算は、図3のとおり、水文解析、水理解析、浸水氾濫解析と順次進めていく。図8には、排水区内のひとつのノードについて水文解析のハイドログラフを示した。ノード235に流入する地表流のハイドログラフである。また、上に示したハイエトグラフは解析対象排水区に近い中野区役所の雨量データである。

図4　xpswmmによる浸水氾濫計算の対象領域 図5　下水道モデルの作成に用いる背景図 図6　背景図とDTMレイヤーを重ねた図 図7　下水道台帳と背景図の重ね合わせによる 　　　 ノードとリンクの設定

排水区の阿佐ヶ谷駅付近では、2005年9月の豪雨によって浸水被害が生じているが、図9は1D／2D解析によって、浸水氾濫状況を2Dアニメーションで表示したものである。画面上で再生ボタンを押すと、解析開始時間から終了時間まで地表面氾濫の様子が、浸水深と流速の変化として再現される。

図8　水文モードによって計算したハイドログラフの 　　　 出力結果	図9　浸水氾濫状況の2Dアニメーション表示

また、2Dアニメーションレイヤーの右側にあるボタンを押すと、解析時間内での最大浸水深が表示される（図10）。浸水深は、床下、床上を考慮して、0.1ｍ、0.2ｍ、0.5ｍ、1.0ｍ、2.0ｍで色わけして示している。全体として、最大浸水深は、0.2〜0.5ｍの範囲が多く、浸水域の中央では0.5〜1.0ｍの床上浸水域が分布している。 以上、降雨を与えて浸水深を表示するまでを示したが、自治体の技術職員が通常の業務としてこのような計算ができるようになれば、浸水氾濫解析のパッケージソフトも洪水リスクマネジメントのツールとして有効に利用されるようになるであろう。

図10　浸水氾濫における最大浸水深の表示

『都市の洪水リスク解析 〜減災からリスクマネジメントへ〜』 洪水リスクアセスメントの考え方について、その基本的な理論や手法から、マクロ・ミクロ解析によるリスク評価への応用、 将来的な展望までをわかりやすく解説。 ■著者 ： 守田 優　(芝浦工業大学 工学部 土木工学科 教授)   ■価格 ： \2,800（税別） ■発行 ： 2014年11月25日   ■出版社 ： フォーラムエイト パブリッシング
目次 第1章　 洪水リスクをめぐって（序論） 第5章　 洪水リスクアセスメントとその応用（マクロ・ミクロ解析） 第2章 都市と洪水流出 第6章 洪水リスクの不確実性 第3章 洪水リスクアセスメントの基本フレーム　　 第7章 洪水リスクのアセスメントとマネジメント〜課題と将来 第4章 洪水リスクアセスメントの手法     ※書籍のご購入は、フォーラムエイト公式サイトまたはAmazon.co.jpで！

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