Dynamic Flood Routing in Sediment-Affected Reservoirs Using Satellite- Derived Area-Elevation Curves: A Case Study of Golestan Dam, Iran

ダムは、川を制御しようとする人類の最も野心的な試みの一つであり、下流の町や農地を守るために、急激な増水を吸収する巨大なスポンジのような役割を果たしています。これを安全に行うために、エンジニアはダムの形状、すなわち、ある特定の高さにおいてどれだけの水量を保持できるかという根本的な理解に依拠しています。この関係性は「面積・標高曲線」として知られ、通常、ダムが最初に建設された際、その設計対象となった清浄で空っぽの谷の形状に基づいて作成されます。数十年にわたり、洪水安全管理における標準的な慣行は、この形状が変わらないと仮定することでした。その論理は単純です。バケツにどれだけの水が入るかを知っていれば、嵐が襲った際にどれだけの水が上部から溢れ出すかを正確に予測できるというものです。しかし、この仮定は、あらゆる貯水池の形状を時間の経過とともに変えてしまう、緩やかで執拗な力、すなわち「堆積物」を無視しています。川は砂、シルト、泥を運び、それらが貯水池に入って流れが緩やかになると、これらの物質は底に沈殿します。年月を経て、この蓄積は貯水池の底面を押し上げ、実質的に「バケツ」を縮小させ、多くの場合、地表からは確認が困難な方法でその形状を変化させます。

イラン北部のゴレスタン・ダムに焦点を当てた最近の研究において、研究者たちは、「バケツのサイズが変わらない」という仮定を捨てた場合に何が起こるかを検証することを目的としました。ゴルガン農業科学自然資源大学およびスルタン・カブース大学のエンジニアらによるチームは、貯水池が堆積物で徐々に埋まっていくことが、洪水の挙動をどのように変化させるかを調査しました。彼らがゴレスタン・ダムを選んだ理由は、このダムが激しい降雨や鉄砲水に見舞われやすい地域に位置しており、正確な洪水予測が公衆衛生上の安全問題に直結するためです。1999年に完成したこのダムは、特定の水量を保持するように設計されていましたが、2015年までに実施された水路測量（本質的には貯水池の底の水中地図）により、劇的な変化が明らかになりました。堆積物によって貯水池の底面が5メートル以上上昇し、余水吐レベルでの総貯蔵容量が40パーセント近く減少していたのです。これは、貯水池が当初の設計図が示唆していたよりも大幅に浅くなり、保持できる水量が減少していることを意味していました。

この物理的な変化が洪水の安全性にどのように影響するかを理解するために、研究者たちは、高価で頻度の低い水中測量を回避できる現代的なツール、すなわち衛星画像を利用しました。Google Earth Engineという、膨大なデータを処理できる強力なクラウドベースのシステムを用い、チームは2015年から2025年の間にSentinel-2衛星によって撮影された100枚以上の画像を分析しました。これらの衛星は、車一台程度の詳細まで識別できる解像度で、数日おきに地球の写真を撮影します。水と陸を区別する特定の色彩分析技術を適用することで、研究者たちは異なる水位における貯水池の正確な輪郭を辿ることができました。これにより、現在の貯水池の形状を再構築し、あらゆる高さにおいてどれだけの水が入るかを示す新しい更新版のマップを作成することができました。つまり、25年前の設計図ではなく、衛星が実際に捉えたデータに基づいて、バケツの寸法を更新したのです。

次に、チームはこれら2つの異なるバージョンの貯水池の形状を、洪水ルーティング（洪水波がダムを通過し、流出していく過程を追跡するプロセス）をシミュレートするように設計されたコンピュータモデルに入力しました。彼らは、一般的な25年確率の降雨イベントから、稀で壊滅的な200年確率の洪水に至るまで、4種類の異なる嵐のシナリオに対してシミュレーションを実行しました。各シナリオにおいて、彼らは「貯水池が空で水を受け入れる準備ができている状態」と、「すでに満水である状態」の2つの条件をテストしました。結果は、古い静的な視点と新しい動的な現実との間の深刻な差異を浮き彫りにしました。更新された堆積物を含む形状を用いた場合、シミュレーションでは、ダムが以前の計算よりも大幅に多くの水を放出することが示されました。大規模な200年確率の洪水の場合、更新されたモデルは、旧モデルが示唆した量よりも約1,200万立方メートル多い水を放出すると予測しました。これは、オリンピックサイズのスイミングプール4,000杯分に相当する水量です。

この余剰水の含意は、下流に住む人々にとって重大です。研究によれば、堆積物による貯蔵スペースの喪失は、エンジニアがかつて信じていたほどには、貯水池が洪水のピークを食い止めることができないことを意味します。シミュレーションにおいて、堆積物を考慮した場合、ダムから流れ出る水のピーク流量はより高く、洪水波の総量もより大きくなりました。この効果は、貯水池が空の状態から始まった場合に最も顕著でした。これは、ダムが最高のパフォーマンスを発揮すると期待される条件です。それにもかかわらず、堆積物で目詰まりした貯水池は、洪水の衝撃を吸収するためのスペースが少なく、結果として、より速く、より強力な水の放出を招きました。また、研究者たちは、更新されたモデルにおいて、貯水池の水位が予想よりも高く上昇し、ダムの壁面に近づいていることも観察しました。土砂や岩を固めて作られたアースダムであるゴレスタン・ダムにとって、水位が天端（てんばん）に接近しすぎることは、深刻な安全上のリスクをもたらします。

この研究はまた、私たちが伝統的に貯水池を測定する方法における、微細ながらも重要な欠陥を浮き彫りにしました。研究者が衛星由来のマップと2015年の水中測量を比較したところ、中程度の水位範囲では両方の手法はよく一致していましたが、極端な条件下では大きく乖離していることが分かりました。非常に低い水位では、衛星は、水中測量船が航行できなかったであろう浅い窪みに存在する小さな水溜まりを検知していました。一方、余水吐に近い最上部付近では、水中測量は直線的な推定に基づいているようで、貯水池の複雑で湾曲した現実の形状とは一致していませんでした。これは、伝統的な測量も価値はあるものの、特に形状が変化している場合、貯水池の真の幾何学的構造の詳細を見落とす可能性があることを示唆しています。対照的に、衛星によるアプローチは、ある特定の日に存在する実際の水面を捉えるため、現在の貯水池の容量についてより現実的な姿を提供します。

結局のところ、この研究は、変化する環境において、ダムの当初の設計に頼ることはもはや不十分であることを証明しています。貯水池に蓄積する堆積物は、単に水量を減少させる厄沢ではありません。それはシステム全体の水理学的挙動を根本的に変えてしまうのです。これらの変化を無視することは、エンジニアや安全当局が、ダムが実際には保持できる以上に水を保持できると誤認し、洪水の危険性を過小評価してしまうことにつながります。本研究は、衛星画像を用いて定期的に貯水池の形状を更新することが、洪水モデルの精度を維持するための実用的かつ費用対効果の高い方法であることを提案しています。新たな水中測量を行うために何十年も待つ代わりに、当局は絶え間なく流れてくる衛星データを利用して、貯水池がどのように進化しているかを確認し、それに応じて安全計画を調整することができるのです。ゴレスタン・ダム、そして世界中の数え切れないほどのダムにとって、過去の静的な視点から現在の動的な視点への転換は、管理された洪水となるか、あるいは災害となるかの分かれ目となるかもしれません。