計画流量・複数流量の水位縦断を確認
一定流量を与えて水面形を計算します。河道の流下能力、橋梁部の背水、断面改修の効果、越水しやすい区間の抽出に向いています。
HEC-RAS 1D Manual
HEC-RAS 1次元解析マニュアル
河道断面を用いた1次元の水位計算を、実務で使える手順として整理します。定常流解析から始め、不定流解析、橋梁・カルバート、較正、成果整理までを図入りで説明します。
このページは、HEC-RAS公式マニュアルを日本語の実務手順として読み替えたガイドです。公式の用語・設定値・詳細計算法は、必ずUSACE HECの公式ドキュメントで確認してください。
Contents
マニュアル構成
初めてのモデル作成から、計算・検証・成果整理までを順番に確認できます。
1. Scope
1次元解析でできること・向いていること
1D解析は、横断面単位で水位・流速・流下能力を確認する方法です。河道改修や橋梁影響評価など、河道内の縦断的な水理検討に適しています。
洪水波の時間変化を確認
流量ハイドログラフや水位ハイドログラフを与え、時系列の水位・流量を計算します。ダム放流、支川合流、横流入、破堤・越流を含む検討へ拡張できます。
橋梁・カルバート・堰の影響を扱う
橋梁開口、橋脚、カルバート、堰、横越流構造物などを設定し、局所的な水位上昇や流下能力への影響を評価します。
横断方向の複雑な流れは2Dへ
氾濫原での流向、道路盛土まわりの迂回流、都市域の複雑な平面流などは、1Dだけでは表現しにくいため、2Dまたは1D/2D結合を検討します。
2. Data preparation
入力データの準備
モデル作成前に、座標系・単位・断面順序・粗度・境界条件をそろえます。ここで整理が甘いと、後工程で警告や不安定の原因になります。
| 分類 | 必要データ | 確認ポイント | 成果物例 |
|---|---|---|---|
| 座標・単位 | 投影座標系、標高基準、m単位 | 平面直角座標系など距離計算に適した座標系。水位・河床高の基準面を統一。 | 座標系メモ、測地系メモ |
| 河道形状 | 河川中心線、横断測線、断面座標 | 断面の向き、上流から下流への順序、断面間距離、断面の重複を確認。 | 断面一覧表、断面図 |
| 粗度係数 | Manningのn、土地利用、河床材料 | 左岸氾濫原・主河道・右岸氾濫原で分ける。実測水位があれば較正対象。 | 粗度設定表 |
| 境界条件 | 流量、水位、等流水深勾配、ハイドログラフ | 定常流では流量プロファイル、不定流では時間間隔とピーク時刻を確認。 | 流量表、DSS、CSV |
| 構造物 | 橋梁、カルバート、堰、樋門、堤防 | 上下流断面位置、開口、天端高、橋脚、越流係数、損失係数を整理。 | 構造物台帳、模式図 |
| 検証データ | 観測水位、流量観測、痕跡水位、浸水範囲 | 較正・検証に使う地点名、時刻、標高基準、観測の信頼性を整理。 | 検証地点一覧 |
3. Geometry
幾何データ作成の手順
1D解析の中心は、River/Reach、Cross Section、Reach Length、Manning n、Bank Station、構造物です。
- Projectを作成
作業フォルダ、単位系、プロジェクト名を決め、地形・断面・境界条件を同じフォルダで管理します。 - River System Schematicを作成
河川名、Reach名、上流・下流方向を明確にし、合流点がある場合はJunctionを作ります。 - Cross Sectionを入力
Station/Elevationデータを入れ、上流側から下流側に断面番号を管理します。 - Reach Lengthを設定
左岸氾濫原、主河道、右岸氾濫原の到達距離を入力します。中心線だけでなく、氾濫原側の距離差も確認します。 - Bank StationとManning nを設定
主河道と氾濫原を分け、河床材料・植生・市街地・水田などに応じて粗度を設定します。 - 構造物・無効流域を追加
橋梁、カルバート、堰、Levee、Ineffective Flow Area、Blocked Obstructionを必要に応じて設定します。
断面作成で特に重要なこと
断面は、流れに対してできるだけ直角に配置します。斜め断面や重複断面があると、断面積や水面幅が過大・過小になりやすく、橋梁部や急拡幅部で不安定になります。
GISから断面を作る場合は、断面線の向き、左右岸の扱い、断面間距離、堤防天端点の有無をチェックしてください。
4. Steady flow
1D定常流解析の実施手順
まずは定常流で河道形状・粗度・境界条件を確認するのがおすすめです。複数流量を一括で計算し、流下能力や余裕高を把握できます。
Steady Flow Dataを作成
Profileごとに流量を入力します。例：平水流量、年超過確率1/10、1/30、1/50、1/100など。支川や横流入がある場合は、Reachごとに流量変化を設定します。
Boundary Conditionsを設定
常流計算では通常、下流端にNormal Depth、Known Water Surface、Rating Curveなどを設定します。射流や混合流では上流側条件も重要です。
Planを作成
Geometry File、Steady Flow File、計算条件、流況区分を組み合わせ、Planとして保存します。比較検討ではPlan名をわかりやすくします。
Computeして警告を確認
計算ログ、警告、エラー、水位縦断を確認します。急激な水位変化や不自然なエネルギー損失があれば、断面・粗度・構造物設定を見直します。
5. Unsteady flow
1D不定流解析の実施手順
不定流では、流量・水位の時間変化を与えます。境界条件だけでなく、初期条件、計算時間刻み、出力間隔、安定性確認が重要です。
| 設定項目 | 内容 | 注意点 |
|---|---|---|
| Boundary Conditions | 上流流量ハイドログラフ、下流水位、Normal Depth、横流入など | 時刻、単位、ピーク時刻、DSSパス名、欠測値を確認します。 |
| Initial Conditions | 初期流量、初期水位、初期貯留状態 | 初期条件が不自然だと、計算開始直後に振動しやすくなります。 |
| Computation Settings | 計算開始・終了時刻、計算時間刻み、マッピング間隔、出力間隔 | 断面間隔・波速・流速に対して時間刻みが大きすぎないか確認します。 |
| Plan | Geometry、Unsteady Flow、計算条件の組み合わせ | 較正前、較正後、ケース別でPlanを分けると管理しやすいです。 |
| Calibration | 観測水位・流量との比較 | ピーク水位、ピーク時刻、立ち上がり、減水部を分けて確認します。 |
6. Bridges and culverts
橋梁・カルバート・構造物の扱い
構造物は水位上昇や計算不安定の原因になりやすいため、断面位置と係数を丁寧に設定します。
橋梁
上流断面、下流断面、橋梁開口、橋脚、デッキ・道路高、低水路と高水敷の扱いを整理します。橋梁前後の断面間隔が粗すぎる場合は補間断面を検討します。
カルバート
管径・形状・本数・入口出口条件・粗度・損失係数・上下流インバート高を確認します。小規模水路では設定値の影響が大きくなります。
堰・横越流
Inline StructureやLateral Structureとして、天端高、越流幅、越流係数、ゲート条件を設定します。越流先を1D/2Dや貯留域へ接続する場合は接続関係を確認します。
Levee / Ineffective Flow
堤防天端や無効流域を設定し、洪水時に実際に流れない領域を表現します。ただし過剰設定すると断面流下能力を小さく見積もることがあります。
Contraction / Expansion
断面の急縮・急拡や橋梁部では損失係数を確認します。標準値をそのまま使う場合も、前後断面の形状と流況を見て妥当性を確認します。
計算警告の確認
橋梁・カルバートの警告は無視せず、断面位置、低桁高、道路越流、開口閉塞、流況遷移、係数の設定を点検します。
7. Calibration
較正・検証の考え方
計算結果が観測値や痕跡と合うように調整します。ただし、粗度だけで全てを合わせようとせず、断面・構造物・境界条件も含めて確認します。
較正対象
水位、流量、ピーク時刻、痕跡水位、浸水範囲、橋梁部水位差などを確認します。水位だけでなく、流量・時刻・縦断傾向を見ることが重要です。
調整パラメータ
Manning n、橋梁・カルバート係数、Ineffective Flow、Levee、横流入、境界条件、断面補間、支川合流条件などを候補にします。
過較正を避ける
1つの洪水だけに合わせすぎると、他の規模の洪水に対して外れやすくなります。可能であれば複数洪水や複数地点で確認します。
記録を残す
変更前後のPlan、変更理由、影響、警告内容を残します。業務成果では、計算条件表と較正履歴が重要になります。
8. Outputs
結果確認・成果整理
HEC-RASでは、断面図、縦断図、時系列、表形式、DSS、GIS出力を組み合わせて結果を確認します。
| 成果 | 確認内容 | 実務での使い方 |
|---|---|---|
| 水位縦断図 | 計算水位、河床高、堤防高、橋梁部背水 | 流下能力評価、越水箇所抽出、改修効果比較 |
| 横断図 | 水面幅、余裕高、左右岸の水位関係 | 主要断面の説明図、断面改修の比較 |
| 時系列 | 水位・流量ハイドログラフ、ピーク時刻 | 不定流解析、観測値との比較、警戒水位との関係 |
| 表形式出力 | 断面ごとの水位、流速、Froude数、エネルギー勾配 | 報告書表、CSV加工、検証資料 |
| GIS成果 | 水位影響範囲、浸水範囲、断面位置図 | QGIS/ArcGISでの図化、説明資料、Web掲載用図 |
9. Troubleshooting
よくあるエラー・警告と対処
警告の意味を理解し、原因を切り分けます。計算が通ることより、水理的に妥当であることが重要です。
断面順序がおかしい
河川距離、断面番号、上流・下流方向を確認します。GISから取り込んだ場合、断面線の向きが逆になっていることがあります。
水位が不自然に跳ねる
断面間隔、急拡幅・急縮、橋梁部、粗度急変、境界条件を確認します。必要に応じて断面補間を行います。
不定流が発散する
時間刻みを小さくし、初期条件、境界条件の急変、支川流入、構造物係数、断面形状を確認します。
橋梁・カルバートで警告が多い
開口形状、道路高、前後断面、損失係数、流況遷移、越流条件を確認します。現地写真や設計図で形状を再確認します。
粗度を上げないと水位が合わない
粗度の前に、断面不足、河床高、境界条件、流量設定、支川流入、橋梁損失を確認します。
成果図と計算表が合わない
Plan、プロファイル、時刻、出力間隔、単位、座標系、GIS出力対象を確認します。計算ケースの取り違えに注意します。
10. Official references
公式資料で確認する章
このサイトは日本語の補助資料です。最終確認は公式マニュアルで行ってください。
HEC-RAS User's Manual
幾何データ、定常流解析、不定流解析、結果表示、DSS、RAS Mapperなどの操作説明。
HEC-RAS Guides and Tutorials - 1D Steady Flow
1D幾何データ作成、定常流モデリング、橋梁、カルバート、較正、トラブルシューティングなど。
Performing a 1D Unsteady Flow Analysis
不定流データ、境界条件、初期条件、計算、較正、安定性・感度の確認。
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual
1D定常流、1D不定流、幾何データ、境界条件、橋梁・カルバートなどの理論的背景。
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