ため池の豪雨対策の効果を評価する～水位の上昇を防ぐ対策の評価～

2022-03-16 農研機構

ポイント

ため池は、豪雨時の流入によって水位が高くなりすぎると決壊するおそれが生じます。農研機構は、ため池の水位の上昇を防ぐ対策の効果を可視化する手法を開発しました。この手法は、豪雨の前の貯水の放流や、日ごろから水位を下げるような対策を行った場合に、豪雨時の水位の上昇をどのくらい抑えられるのかをグラフで示すものです。ため池ごとに考えられる対策について効果を可視化することで、各ため池における最適な対策を選択することができます。

概要

ため池は、水位が高くなりすぎると決壊するおそれが生じます。このため、多くのため池には、水位が上がり過ぎないよう一定水位(常時満水位)で放流する施設である洪水吐を設けています。しかし、洪水吐の規模が小さいため池では、豪雨時に決壊のおそれがある危険な水位まで、一時的に水位が上がることがあります。

このため、豪雨の前に貯水を放流したり、洪水吐の一部にスリット(切欠き)を入れたりして、豪雨の前に水位を下げる対策を行うことがあります。しかし、その効果を定量的に評価し、可視化する手法がありませんでした。そこで、水位を下げる対策を行った場合に、ため池の水位上昇をどのくらいまで抑えられるのかを評価して可視化する手法を開発しました。

ため池と洪水吐(兵庫県下のため池)

水位が上昇して堤体が崩壊する仕組み

豪雨によるため池の水位の上昇は、雨の強さや降雨時間の長さといった豪雨のパターンによって異なります。開発した手法では、様々な豪雨のパターンを入力条件として与え、対策の有無に対するそれぞれの水位を計算し、水位の最高値、注意が必要となる時間の長さ、およびその発生確率を求め、結果をグラフ(散布図)で示します。この手法を用いることで、放流する水位の設定などの具体的な対策と水位の上昇を抑える効果の関係を可視化して把握することができます。

詳細情報

開発の社会的背景

全国に約15万箇所存在するため池は、その約7割が江戸時代以前に築造(ないしは築造年代不明)とされています。古い時代に築造されたため池は近代的な土木技術に基づいて設計・施工されておらず、築造当時の経験的な技術により造られています。また、土で作られているため池の堤体は、貯水の浸透等により劣化が進んでいる場合もあります。

古い時代に築造され、劣化、地震または豪雨による決壊の危険性がある防災重点農業用ため池については、「防災重点農業用ため池に係る防災工事等の推進に関する特別措置法」に基づき、計画的に防災工事が進められています。しかし、防災工事は計画から工事の完了までには時間を要します。このため、豪雨時の被災が懸念されるため池においては、喫緊の減災対策として豪雨の前に事前放流¹⁾や低水位管理²⁾で空き容量³⁾を確保し、豪雨時の水位上昇を抑制する減災対策が求められます。

研究の経緯

「ため池管理マニュアル」(農林水産省農村振興局整備部防災課)では、「大雨・洪水時や地震時の対応ポイント」の一つとして、降雨前に空き容量を確保することで下流の浸水被害の軽減とともに、ため池の決壊を防止する効果も期待できるとされています。また、大雨に対する対策として、事前放流や低水位管理の取組みが示されています。

空き容量の確保による効果は、空き容量の大きさや降雨規模(総雨量、時間当たり雨量)とともに、降雨特性(降雨継続時間、一番雨が強い時間帯)が大きく影響します。しかし、今まで降雨特性と降雨規模を一体的に扱い評価し、可視化する手法は提案されていませんでした。

研究の内容・意義

１．水位上昇の抑制効果は、計算モデルで求めた一連降雨⁴⁾における「ピーク水位⁵⁾」、ならびに水位が設定した基準水位(被災リスク発生の目安の水位)を超えている時間である「超過時間⁶⁾」を指標とし、指標値の出現頻度に基づいて評価を行います。

２．計算モデル(図1)では、まず空き容量に対応した降雨前の貯水位を計算の出発値として設定します。次に、時系列の時間当たり雨量を入力値として、洪水流出モデル⁷⁾により流域からの流出量を求め、ため池への流入量とします。また、堰の公式により洪水吐やスリットからの放流量を求め、必要に応じ他の放流量と合わせてため池からの流出量とし、両者の収支から貯水量を計算します(図1)。貯水位は貯水量Vと貯水位Hの関係式(V-H式)により貯水量から計算し、「ピーク水位」と「超過時間」を求めます(図2)。

３．評価の指標値は、「ピーク水位」と「超過時間」の年最大値とします。指標値は値の大きさで順位付けした上で、出現頻度を発生確率⁸⁾として求めます。指標値と発生確率の関係は、指標ごとに散布図を作成して把握します(図3、図4)。

４．計算モデルに入力する雨量データは、10年に1回の確率など、求める最大の発生確率に対応した年数分のデータとし、ため池近隣での観測値から、一連降雨ごとに時系列のデータとして作成します。

５．本手法では、取水施設⁹⁾の操作により事前放流を行った場合や、洪水吐に設置されたスリットから事前放流に続いて降雨中も放流を行った場合など、対策時と無対策時の指標値を同一の散布図上に表示することで、対策を行った場合による水位上昇の抑制効果(図3)や基準水位を超える時間の短縮効果(図4)についても、視覚的かつ定量的に比較できます。

今後の予定・期待

空き容量の確保によるため池の下流水路の溢水抑止や下流河川に対する流域治水の効果の評価手法についても、開発を進めています。

用語の解説

１）事前放流: 降雨予測(天気予報)で大雨が予想される場合において、ため池の貯水をあらかじめ放流し、貯水位を下げておくこと。洪水吐に設けるスリット(切欠き:洪水吐の一部を切り欠いて洪水吐の底面(敷高)よりも低い位置に設けた水路。角落し(堰板:止水板のこと)を設置すれば、洪水吐敷高まで貯水できる)のような専用施設を利用して放流する場合、ならびに取水施設を操作し、かんがい用水の放流と同じ方法で放流する場合がある。
２）低水位管理: 期間毎に常時満水位よりも低い貯水位を定め、期間を通じてこの貯水位を超えないように貯水位を管理すること。非かんがい期においては、完全に落水する場合もある。
３）空き容量: 降雨前に常時満水位(洪水吐の敷高(底面)と等しい貯水位)よりも水位が下がっている場合において、常時満水位と現在の貯水位との水位差に対応する貯水量のこと。
４）一連降雨: 連続して降り続く、一続きの降雨。
５）ピーク水位: 一連降雨に伴って出現するため池の最高水位のこと。
６）超過時間: 一連降雨に対応した水位の上下変化において、設定した基準水位を超えている時間(総時間数)のこと。基準水位は想定した豪雨において、この水位を超えて水位が上昇した際に、決壊等の被災リスクが生じる目安の水位であり、ため池ごとに技術者が施設の整備水準や劣化の状態を踏まえた上で設定する。
７）洪水流出モデル: 時間単位の降雨データを入力し、流域からの流出量をコンピュータにより時系列で求める計算モデルのうち、一連降雨に対応した流出等の短期間の流出を対象とした計算モデルのこと。
８）発生確率: 降雨や水位などの発生頻度において、ある値を超える確率のこと。例えば、ある地点において観測雨量が10年に1回の頻度で1時間当たり50mmを超える場合、1時間当たり50mmの雨量の発生確率は0.1(=1/10)となる。専門的には超過確率という。
９）取水施設: ため池の貯水をかんがい用水として取り出すための施設。ため池によって構造は異なるが、バルブや栓を開閉して貯水を放流する方式の施設が主。

発表論文

吉迫宏、正田大輔、小嶋創、竹村武士(2020):降雨特性を織り込んだため池の減災対策効果の評価、農業農村工学会誌、88(9)、15-18

参考図

※1図3、図4とも、兵庫県高砂市A池における検討事例。
※2降雨データは気象庁姫路特別地域気象観測所における1950～2018年の観測データより作成。
※3「事前放流(降雨中も放流を行う場合)」は洪水吐に設置されたスリット(切欠き:幅0.5m×深さ0.5m)により降雨前に常時満水位-0.5mまで水位を下げて空き容量を設けた場合。降雨中もスリットから放流を継続。