研究

水害から人を守る

―衛星によるピンポイント降水予測、防災と環境保全を融合させる研究―

河川の氾濫から人を守る―ダムや堤防だけに頼らない解決策とは?―河川の氾濫から人を守る―ダムや堤防だけに頼らない解決策とは?―

地球温暖化に伴う気候変動の影響は、森林火災や干ばつなど多岐にわたるが、中でも重大な自然災害の1つが、洪水による水害だ。実際、2019年秋には、台風15号と台風19号という2つの超大型台風が次々と日本を直撃し、各地に甚大な被害をもたらした。
そこで今回は、水害に対する防災・減災を研究している2人の若き研究者に、ダムや堤防などのインフラをより効果的に活用する新たな取り組みについて聞いた。
環境・社会理工学院 土木・環境工学系の瀬戸里枝助教は、“雲”に着目した降水予報の精度を高める研究に取り組み、同学院 融合理工学系の厳島怜助教は、歴史的な治水システムや微地形の認識を踏まえた水害対策に関する研究の意義を強調している。

※微地形:5万分の1や2万5000分の1縮尺の地形図上には明瞭に表現されない小規模で微細な起伏をもつ地形。

(対談日:2020年3月4日)

昨今の大規模水害に対する課題は?

瀬戸助教
瀬戸助教

―ここ数年、日本でも台風やゲリラ豪雨に伴う大規模水害が急増しています。まずは現在の課題を聞かせて下さい。

瀬戸これまで水害に対しては、ダムの貯水池に降雨をためる、堤防を作って洪水を防ぐといったインフラ面での対策が取られ、着実に効果を上げてきました。しかし近年、想定を上回る規模の台風や豪雨が頻発しており、既存のダムや堤防では水害を防ぎきれなくなってきています。とはいえ、新たにダムや堤防を建設するには莫大な費用や期間がかかりますし、そもそも都心にはそのような場所は残されておらず、現実的な解決策ではありません。

一方で、既存のダムに関しては、その機能がフルに発揮されていないと考えています。特に、利水や治水の機能を兼ね備えた多目的ダムに関しては、台風や豪雨が発生する前に、たまっている水を放流するなど、予め水量を調整しておくことができれば、非常に有効です。それにより、下流の河川の氾濫を抑えられる可能性が高くなるからです。それは、2019年10月に台風19号が上陸した際、利根川支流に建設中の八ッ場ダムが実験貯水段階だったため、ほとんど空の状態であり、そこに降雨が貯水されたことが利根川の洪水を防いだことからも明らかです。

現在、ダムの治水機能をフル活用できていない最大の理由は、台風や豪雨の降水予測の精度にあります。台風や豪雨に備えて、ダムの水を事前に放流しておくためには、「いつ」「どこで」「どれくらいの量」の降水があるかを、高精度で予測する必要があります。事前に放流したものの、降水量が予測を下回った場合、利水や発電に大きな影響を及ぼしてしまいます。中でも「どこで」という位置の予測が重要です。雨が河川の流域内で降るか、流域外で降るかによって、ダムへの貯水量は大きく異なってくるからです。ところが、これまでは降水“量”の予測が中心で、“どこで”というピンポイントの降水位置の予測はあまり進んでいませんでした。そこで私は、降水位置の予測精度を高めるための研究に注力しています。

洪水リスク
洪水リスクは、雨が河川流域外で降るか(左)、流域内で降るか(右)で大きく異なるため、瀬戸助教は、降水位置の予測精度を高める研究を進めている。

厳島瀬戸先生がおっしゃるように、日本では明治時代以降、主にダムや連続堤防を整備することで、水害に備えてきました。それにより、昔に比べて、浸水頻度や洪水時の氾濫範囲は確実に減っています。また、河川が氾濫した際に浸水する可能性の高い低地のことを「氾濫原」といいますが、ダムや堤防のおかげで、我々は、以前であれば洪水が頻繁に発生するため、住めなかった氾濫原のような場所にも住むことができるようになりました。しかし、それは良い面ばかりではありません。想定を超える大規模水害に対しては、かえってリスクが高まっているからです。また、水害の被災者が減ったことで、水害に対する危機意識も薄れていきました。周囲に被災者がほとんどいないため、水害経験の伝承もされなくなってきています。

厳島助教
厳島助教

2015年の関東・東北豪雨、2017年の九州北部豪雨、2019年の台風19号による被災など、ここ数年、大きな水害が頻発し、既存のダムや堤防では対応し切れなくなってきている現状があります。とはいえ、たとえ、150年や200年に1度の大規模水害に対応可能なダムや堤防を建設したとしても、それを上回る水害は将来的に発生します。瀬戸先生がおっしゃるように、新たなダムや堤防の建設だけでは十分な対策とはいえません。

そこで、私が取り組んでいるのは、河川からの氾濫を伴う大規模水害が発生した際に、氾濫原での被害を減少させることを目的とした研究です。なかでも歴史的な治水システムや微地形の認識を踏まえた水害対策に着目しています。大河川に堤防やダムを建設する技術がなかった時代は、人々は洪水が発生しても被害が少ない場所に住んでいました。氾濫した場合には流れを制御し、氾濫流の勢いを減少させる工夫を行い、被害の軽減を図っていたのです。こうした構造物や工夫は、近代的な治水対策によって浸水被害が軽減し、土地利用が高度化するとともに消滅、減少していますが、歴史的な治水システムを見直し、明治時代以降の近代的な治水対策と融合させ、氾濫原における大規模水害を低減しようという研究です。こうした対策は、大規模水害の低減だけでなく、自然環境の再生や保全にもつながると考えています。

人為の影響
人の手があまり加わっていない河川(左)と人為的な影響を強く受けている河川(右)。
厳島助教は、自然環境の再生・保全を包含した水災害対策に関する研究を進めている。

気象予測に雲の情報をプラス!

―まずは瀬戸先生から、詳しい研究内容を聞かせて下さい。

瀬戸私が降水位置の予測精度を高めるために行っていることは、人工衛星を使った「雲水量(くもみずりょう)」の観測と、それによるコンピュータシミュレーションの精度の向上です。「雲水量」とは、雲の中に含まれる水の量のことです。

気象予測の基となるデータに、「大気場」があります。大気場とは風速、気温、気圧のことです。大気場の状態の不安定性に応じて大気の運動が生じ、雲が形成されて発達し、雨が降ります。気象予測には、「気象モデル」と呼ばれる数値モデルが使われていますが、従来の気象モデルでは、大気場と降水の再現性が着目され、その間の雲はあまり重視されてきませんでした。そのため、雲が含む水量を、モデルがどの程度正確に表現しているのかはほとんどわかっていません。また、それを正確に観測する手段も限られていました。

「雲」の水分量の精度に着目「雲」の水分量の精度に着目
従来の気象モデルは「大気場」と「降水」の再現性が重視されてきたが、
瀬戸助教は、それらをつなぐ「雲」の水分量の精度に着目。

―雲水量の観測がむずかしい理由を教えて下さい。

瀬戸普段空を眺めているとわかるように、雲は非常に不均一に分布しています。そのため、雲水量の分布を知るためには、ある一か所や、一時点だけでなく、できるだけ広範囲に、かつ頻繁に観測する必要があります。そのため、雲水量の観測には人工衛星を使った方法が適しています。最も広く行われているのは「受動的衛星マイクロ波観測」と呼ばれる方法で、人工衛星で雲から放射されるマイクロ波を受信することで、水分量を推定するものです。しかしながら、雲の中には、大小さまざまな雲粒や雨粒、氷、雪が混在し、複雑に分布していますので、衛星でそれらを推定することは容易ではありません。それに加えて、特に私たちの住む陸域の雲水量の観測には大きな障壁があります。マイクロ波は、雲の下にある地表面からも放射されています。海上の場合はある程度、均一ですが、陸地の場合は、森や都市もあれば河川もあり、地表面の温度も水分量も不均一ですので、陸面からのマイクロ波の放射が雲からのシグナルをかき乱してしまいます。そのため陸域の雲水量を高精度に観測するには、陸面の状態がよく分からないといけないのです。これには、それなりの技術が必要で簡単なことではありません。「陸と雲を、同時にきちんと測る」、この点が私の研究で特に注力している部分です。

数時間~数日程度の短期の気象予測では、気象モデルに与える初期値によって予測精度が大きく異なってきます。その初期値に人工衛星による雲水量の観測データを入力することで、降水位置を高精度で予測しようというのが、私のアプローチです。現在のところ、予測した降水位置と実際の降水位置がほぼ一致しているので、今後は降水位置の精度を保ったまま、予測のリードタイムを延ばすことを目指して、精度の向上に努めていきます。

雲水量の観測を活用した予測
雲水量の観測を活用した予測。実際の降水の状況(左)。雲の情報がない場合(中央上)では、予測されなかった降水を予測した(右上)。従来の現業予測モデル(中央下)では、位置がずれて予測されていた豪雨を適切な位置で予測した(右下)。

洪水を水害にしない治水対策

―次に、厳島先生の詳しい研究内容を聞かせて下さい。

厳島そもそも洪水と水害という言葉は混同されがちですが、洪水とは大雨により河川から水が溢れる自然現象のことで、それによる被害が水害です。重要なことは、洪水を水害にしないということです。

明治時代以降の近代的な治水対策により、氾濫原の浸水頻度が減少したことで、土地の利用が大きく変わり、氾濫原に構築されていた治水システムは消失の過程にあります。それによって、逆に、大規模水害時の被災ポテンシャルが高まっている地域があります。私は、過去の地形図や航空写真、文献を用いて、消失してしまった治水構造物や土地利用の変化について調査しました。

治水地形分類図治水地形分類図
平野に分布する地形の持つ性質・条件(地盤の高さや土質など)を示した「治水地形分類図」。土地の標高や過去の洪水の様子を知ることができる。オレンジ色は標高の高い台地、黄色は河川によって運ばれてきた土砂が河岸に盛り上がってできたやや高めの自然堤防、水色は洪水時に浸水する氾濫原、緑色は常に水たまりができやすい後背湿地、青色は昔、河川が流れていた旧河道を示す。
ある駅前の土地利用を表した治水地形分類図について、1904年のものと2007年のものを比較。すると、1904年では、市街地は台地に集中しており、洪水が発生しやすい氾濫原や後背湿地は基本的に荒れ地や田んぼで人は住んでいないが、2007年には、氾濫原や後背湿地を含め、全ての地形で開発が進んでいることがわかる。(国土地理院治水地形分類図を基に作成)

伝統的な治水技術として知られる霞堤の仕組み
伝統的な治水技術として知られる霞堤の仕組み
(国土技術政策総合研究所ホームページより引用)

現在は都市部を中心に堤防のほとんどは連続していますが、昔の堤防は、局所的な防御を行うための不連続堤防や、意図的に開口部を設置していました。また、川沿いだけでなく氾濫原にも、洪水を制御するための不連続堤防が多く設置されており、代表的なものは「霞堤(かすみてい)」と呼ばれるものです。右を上流、左を下流とします。洪水により河川の水位が上がると、霞堤の開口部から水が逆流します。さらに、水位が下がってくると、溢れ出た水が開口部から戻ってくるので、洪水による浸水も解消されるというわけです。それによって下流にいく水量が減るため、水害が抑えられるというしくみです。

伝統的な治水技術として知られる霞堤の仕組み
伝統的な治水技術として知られる霞堤の仕組み
(国土技術政策総合研究所ホームページより引用)

仮に、水をまったく溢れさせないようにするには、川幅を広くとらなければならず、山間部などの狭い地域では、その分、耕作地が狭められます。それに対し、霞堤は下流を水害から守るだけでなく、耕作地を狭めず洪水に対応する技術です。現在は、連続堤防がほとんどですが、私が研究している茨城県の久慈川では、今でも霞堤が残っています。

さらに、霞堤などの不連続堤防が、大規模水害が起きた際にどのように機能するのかを定量的に検証するため、連続堤防が整備された現在と、不連続堤防が多く整備された過去の氾濫の様子をコンピュータシミュレーションによって再現しました。その結果、連続堤防の場合、氾濫範囲は小さいですが、一旦氾濫すると氾濫した洪水が川に戻る場所がないため、局所的に洪水が集まりやすい場所ができてしまいます。一方、不連続な堤防が設置された過去の状態では、氾濫範囲は大きいものの、浸水箇所は分散しており、氾濫した洪水の水位や流速も小さいことを確認しました。

―古い治水構造物には先人の知恵が詰まっているのですね。まさに温故知新ですね。

厳島はい。これらの研究結果を踏まえ、現在整備が進められている堤防やダムといった河川整備を補完する技術として、歴史的な治水システムをうまく組み合わせることで、氾濫原における大規模水害の被害を低減できるのではないかと考えています。

加えて、氾濫することを許容する水害対策は、環境問題と水害問題の両方を解決できるのではないかとも思っています。日本では、氾濫環境に適応した生物が多く存在していますが、氾濫原の浸水頻度が減少した現在では絶滅の危機に瀕している生物も多くみられます。ナマズやフナなどは、洪水時に河川から水田等に利用されていた後背湿地や旧河道に侵入し、そこで産卵していたのです。現在のように、連続堤防により氾濫原と河川を完全に分断してしまうと、そういった河川の生息場が減少し、生き物が減ってしまうのです。したがって、自然や生態系を維持する上でも、旧河道や後背湿地を洪水の貯留空間として活用することや、浸水許容の治水対策を行うことは有意義だと考えています。

産卵など生活史で氾濫原を利用する生き物産卵など生活史で氾濫原を利用する生き物
河川改修、圃場整備、宅地開発により、氾濫原と河川の連続性が分断されることで氾濫原生態系が消滅。

研究を始めたきっかけ

―研究を始められたきっかけを聞かせて下さい。

瀬戸教授

瀬戸私は小さい頃から、空や雲を眺めるのが大好きで、自然現象に対して疑問を持つと自分で調べずにはいられない子供でした。そのため、おぼろげながら自然現象に関する研究者になりたいと思っていました。天文や物理に興味を持った時期もありましたが、一方で、環境問題への貢献を通じて社会の役に立ちたいという気持ちも強く持っていました。大学では社会基盤学の分野に進むことを選び、自然と社会の両方にこだわりたいという希望を満たしてくれたのが、現在の研究テーマです。

厳島助教

厳島私の出身地は、千葉県船橋市の郊外で比較的多く自然が残っているところでした。幼少期には谷地と呼ばれる湿地や川が遊び場でしたが、私が小学校高学年の頃、鉄道建設や宅地開発によってそのような場が徐々に失われていきました。自身の成長とともに、子どもの頃遊んだ自然あふれる場が消えつつあることに寂しさを覚え、環境問題や遊び場であった川に関する分野に興味を持ち、大学では河川の環境保全について学びました。大学院修了後に国土交通省に入省し、水災害に関する業務に従事しました。それが、現在の氾濫原での水害対策に関する研究につながっています。災害や環境に関する課題は河川内で解決できないことも多く、流域を対象とする必要があります。より広い視野で河川の問題を考えたいと思ったのが研究者になったきっかけです。

私たちにできることを考えよう

―最後に、今後起こるかもしれない水害に、私たち一人ひとりがどのような対策を講じたらよいかアドバイスをお願いします。

瀬戸まずは、自分の身に起こりうる危険を洗いざらい考えておくことが大切です。これは平時にしかできないことですので、すぐにでも始めましょう。具体的には、ハザードマップを見て、現在、自分が住んでいるところがどれくらい浸水するリスクがあるのかを確認するとよいでしょう。私は多摩川の近くに住んでいるのですが、昨年の台風19号のときも、ハザードマップを見て、自分が住んでいる場所が浸水する可能性の有無を確認していたので、慌てずにすみました。ハザードマップから、自分が住んでいる地域が水害リスクが高い地域だとわかったら、早めに避難することが大事です。一方、土砂災害に関しては、ハザードマップの危険エリアは広範囲にわたりますし、いつどこで発生するかわからないので、むずかしい判断を強いられますが、とにかく、自分が住んでいる地域がどういうところかを知っておくことが、災害対策の第一歩です。もう一点重要なことは気象庁等からの予報や警報情報をタイムリーに把握することです。先ほど述べたように、降水の位置など、細かいスケールでは精度が十分ではないとはいえ、近年、予報の精度は著しく向上してきています。これまでの自身の経験から何となく大丈夫だろうと判断するのではなく、予報に基づく警報や注意報に対してきちんと対応することが自分を守ることにつながります。

厳島私も、まずは自分が住んでいる地域に興味を持つことがすごく大事だと思っています。例えば、地名は過去の災害の歴史を反映していると言われていますので、自分が住んでいる地域の歴史を調べてみるのも対策を立てる参考になると思います。
また、私は多摩川に注ぐ五反田川の近くに住んでいるのですが、五反田川はコンクリート張りの典型的な都市の河川です。ところが、先日、そんな五反田川でカワセミを見つけて、非常にうれしくなりました。皆さんも、野鳥や魚の観察など、日頃から、自分が住んでいる地域の河川の自然環境にも少しでも興味をもっていただきたいと思います。

厳島助教と瀬戸教授

瀬戸里枝

戸里枝

東京工業大学 環境・社会理工学院 土木・環境工学系 助教

  • 2010年 東京大学 工学部 社会基盤学科 卒業
  • 2012年 東京大学大学院 工学系研究科 社会基盤学専攻 修士課程修了
  • 2015年 東京大学大学院 工学系研究科 社会基盤学専攻 博士課程修了(博士(工学)取得)
  • 2012年 日本学術振興会 特別研究員(DC1)
  • 2015年 東京大学地球観測データ統融合連携研究機構 特任研究員
  • 2016年 東京大学工学系研究科附属総合研究機構 特任研究員
  • 2017年より現職

人工衛星と数値モデルを活用した陸域の雲降水現象の測定・理解・予測を通じて、気候変動問題や水害対策に貢献することを目指し、水文気象、水工学に関する研究を行っている

厳島怜

厳島

東京工業大学 環境・社会理工学院 融合理工学系 助教

  • 2007年 九州大学 工学部 地球環境工学科 卒業
  • 2009年 九州大学大学院都市環境システム工学専攻修了
  • 2013年 博士(工学)取得
  • 2009年 国土交通省にて治水事業の設計・施工、防災に関する海外プロジェクトの推進、河川計画の策定に関する業務に従事
  • 2014年 九州大学 助教
  • 2019年より現職

自然環境と人間社会が調和した国土構築に貢献するため、源流から沿岸域に至る流域圏をフィールドとし、水災害、河川地形、河川生態系に関する研究を行っている。

まだある、東工大の自然災害対策の研究

NEXT generation

「NEXT generation」は、次世代を担う若手研究者が取り組む最先端研究や、その未来社会へのインパクトを共に考えていく新たなシリーズです。

SPECIAL TOPICS

スペシャルトピックスでは本学の教育研究の取組や人物、ニュース、イベントなど旬な話題を定期的な読み物としてピックアップしています。SPECIAL TOPICS GALLERY から過去のすべての記事をご覧いただけます。

2020年5月掲載