水文輸送モデル

水文輸送モデルは、河川や小川の流れ、地下水の動き、または排水前線の変位をシミュレートし、水質パラメータを計算するために使用される数学モデルです。これらのモデルは、水質と排水の数値予測の需要が環境法によって推進され、同じ時期に強力なコンピュータパワーが広く利用可能になった1960年代と1970年代に一般的に使用されるようになりました。元のモデル開発の多くは米国と英国で行われましたが、今日ではこれらのモデルは改良され、世界中で使用されています。

輸送モデルにはさまざまな種類があり、一般的には、対象となる汚染物質、汚染源の複雑さ、モデルが定常状態か動的か、モデル化される期間によって分類できます。もう 1 つの重要な指定は、モデルが分散型 (つまり、川内の複数のポイントを予測できる) か、集中型かということです。たとえば、基本的なモデルでは、受水域への単純なポイント排出から 1 つの汚染物質のみが対象となります。最も複雑なモデルでは、表面流出からのさまざまな線状ソース入力が複数のポイントソースに追加され、垂直方向の河川成層や河川内生物と汚染物質の相互作用などの動的環境で、さまざまな化学物質と堆積物が処理されます。さらに、流域の地下水も含まれる場合があります。モデルのパラメータを現場で測定できる場合、そのモデルは「物理ベース」と呼ばれます。

多くの場合、モデルには、シミュレーションプロセスの個々のステップに対応する個別のモジュールがあります。最も一般的なモジュールは、土地利用タイプ、地形、土壌タイプ、植生被覆、降水量、土地管理慣行 (肥料の散布率など) の変化を考慮した表面流出を計算するサブルーチンです。水文学的モデリングの概念は、海洋などの他の環境に拡張できますが、最も一般的には (この記事でも)、河川流域が対象となります。

歴史

1850年、TJ マルバニーは、化学は関係なかったものの、おそらく河川水文学の文脈で数学モデルを使用した最初の研究者でした。^[1] 1892年までに、ME インボーは、やはり化学は関係せずに、流出とピーク降雨量を関連付けるイベントモデルを考案しました。 ^[2] ロバート E. ホートンの表面流出に関する独創的な研究^[3]と、侵食の定量的処理を組み合わせた^{[4] は、}現代の化学輸送水文学の基礎を築きました。

種類

物理ベースモデル

物理ベースのモデル（決定論的モデル、包括的モデル、プロセスベースモデルとも呼ばれる）は、現実世界で観察される物理プロセスを表現しようとします。通常、このようなモデルには、表面流出、地下水流、蒸発散、水路流の表現が含まれますが、はるかに複雑になることもあります。「ミズーリ川本流の貯水池管理のために、1953 年に米国陸軍工兵隊によって大規模なシミュレーション実験が開始されました。」これと^[5]ナイル川^[6]^[7]およびコロンビア川^[8]を扱ったその他の初期の研究は、ハーバード水資源セミナーが発行した本でより広い文脈で議論されており、その本には先ほど引用した文章が含まれています。^[9]流域の化学水文学の多くのサブモデルを統合した別の初期のモデルは、スタンフォード流域モデル（SWM）でした。^[10] SWMM（Storm Water Management Model）、HSPF（Hydrological Simulation Program – FORTRAN）およびその他の現代のアメリカの派生モデルは、この初期の研究の後継です。

ヨーロッパでは、Systeme Hydrologique Européen (SHE) ^[11]^{[12]という包括的なモデルが好まれており、これは}MIKE SHEとSHETRANに引き継がれています。MIKE SHEは、水の流れと堆積物の輸送に関する流域規模の物理ベースの空間分散モデルです。流れと輸送のプロセスは、偏微分方程式の有限差分表現または導出された経験式によって表されます。次の主要なサブモデルが含まれます。

蒸発散量：ペンマン・モンティス形式
侵食：雨滴と地表流の剥離方程式
陸上および水路の流れ: 連続性と運動量のサン・ヴナン方程式
地表流土砂輸送: 2D 総土砂負荷保存方程式
不飽和流:リチャーズ方程式
飽和流:ダルシーの法則と2D 層流の質量保存則
チャネル堆積物輸送 1D 質量保存方程式。

このモデルは、地下水との相互作用を考慮しながら、土地利用と気候変動が河川内の水質に与える影響を分析できます。

世界中で数多くの流域モデルが開発されており、その中には RORB (オーストラリア)、Xinanjiang (中国)、Tank モデル (日本)、ARNO (イタリア)、TOPMODEL (ヨーロッパ)、UBC (カナダ)、HBV (スカンジナビア)、MOHID Land (ポルトガル) などがあります。ただし、これらのモデルのすべてに化学コンポーネントがあるわけではありません。一般的に、SWM、SHE、および TOPMODEL は最も包括的な河川化学処理を備えており、リモートセンシングや地理情報システムデータなどの最新のデータソースに対応するように進化しています。

米国では、陸軍工兵隊のエンジニア研究開発センターが、いくつかの大学の研究者と共同で、グリッド化された表面/地下水文解析GSSHAモデルを開発しました。^[13]^[14]^[15] GSSHAは、複雑な工学設計における流れ、水位、分散侵食、堆積物の分配を計算するために、米国陸軍工兵隊の地区や大手コンサルティング会社による研究と分析に広く使用されています。分散した栄養素と汚染物質の運命と輸送コンポーネントはテスト中です。GSSHAの入出力処理とGISとのインターフェースは、流域モデリングシステム（WMS）によって促進されます。^[16]

米国および世界中で使用されている別のモデルは、Vieux & Associates, Inc.によって開発された物理ベースの分散型水文モデルであるV flo^{です。 [17]} V floは、レーダー降雨量とGISデータを使用して、空間的に分散した地表流と水路流を計算します。蒸発散、浸水、浸透、および雪解けのモデリング機能が含まれています。アプリケーションには、土木インフラの運用と保守、雨水予測と緊急管理、土壌水分監視、土地利用計画、水質監視などがあります。

確率モデル

データに基づくこれらのモデルはブラックボックスシステムであり、数学的および統計的概念を使用して特定の入力 (降雨量など) をモデル出力 (流出量など) にリンクします。一般的に使用される手法は、回帰、伝達関数、ニューラルネットワーク、およびシステム識別です。これらのモデルは、確率的水文学モデルとして知られています。データに基づくモデルは、水文学において、降雨量と流出量の関係をシミュレートし、先行する水分の影響を表し、システムをリアルタイムで制御するために使用されています。

モデルコンポーネント

表面流出モデリング

水文学的輸送モデルの重要な要素は表面流出要素であり、これにより堆積物、肥料、農薬、その他の化学汚染物質の評価が可能になります。Hortonの研究を基に、単位ハイドログラフ理論が1959年にDoogeによって開発されました。^{[18]水の化学を水文学モデルプロトコルに統合する推進力を提供するために、}国家環境政策法と類似の他の国内法の存在が必要でした。1970年代初頭、米国環境保護庁（EPA）は、水質浄化法に応えて一連の水質モデルを後援し始めました。これらの取り組みの一例は、Southeast Water Laboratoryで開発されました。^[19]これは、さまざまな化学汚染物質の現場データを使用して表面流出モデルを較正する最初の試みの1つです。

表面流出汚染物質モデルは、河川流入汚染物質データの生成に役割を果たしているにもかかわらず、純粋な水文学モデルほど注目されていません。米国では、EPAは^{[20]多様な独自の汚染物質モデルの解釈に苦労しており、}洪水予測に焦点を当て、共通の流域モデルの中心点をより多く持っていた従来の資源機関よりも頻繁に独自のモデルを開発する必要があります。^[21]

アプリケーション例

Liden は、HBV モデルを適用して、窒素、リン、浮遊土砂^[22]の 3 つの異なる物質の河川輸送を、スウェーデン、エストニア、ボリビア、ジンバブエの 4 つの異なる国で推定しました。内部水文学モデル変数と栄養塩輸送の関係を評価しました。窒素源のモデルが開発され、統計的手法と比較して分析されました。熱帯および半乾燥地域の浮遊土砂輸送モデルが開発され、テストされました。河川の総窒素は北欧気候で適切にシミュレートされ、河川の浮遊土砂負荷は熱帯および半乾燥気候でかなり適切に推定できることが示されました。物質輸送の HBV モデルは、一般に物質輸送負荷を適切に推定しました。この研究の主な結論は、HBV モデルは定常状態の流域規模で物質輸送を予測するために使用できるが、特に較正されていない地域には簡単に一般化することはできないというものでした。別の研究では、Castanendo らが、河川の窒素とリンの輸送を予測するために HBV モデルを使用できることを明らかにしました。進化的アルゴリズムを流域モデルの自動較正に適用した。^[23]

米国環境保護庁は、トラッキー川流域（ネバダ州リノ市、スパークス市、タホ湖流域を含む地域）における土地利用と廃水管理の決定による水質への影響を分析するために、DSSAM モデルを開発した。このモデル^[24]は、川の栄養分、堆積物、溶存酸素のパラメータを満足のいく形で予測した。このモデルは、「最大総日負荷量」（TMDL）と呼ばれる汚染物質負荷測定基準に基づいている。このモデルの成功は、米国の多くの河川システムの管理に関する EPA の国家政策において、基礎となる TMDL プロトコルの使用を約束する EPA の取り組みに貢献した。^[25]

DSSAM モデルは、ほとんどの汚染物質の動的減衰を可能にするように構築されています。たとえば、窒素とリンの総量は各時間ステップで底生藻類によって消費され、藻類群集には各河川区間で個別の個体群動態が与えられます (たとえば、河川温度に基づきます)。ワショー郡の雨水流出に関しては、新しいゼリスケープ条例内の特定の要素が、モデルを使用して有効性について分析されました。流域のさまざまな農業用途については、主な影響源を理解するためにモデルが実行され、河川内の汚染を減らすための管理方法が開発されました。モデルの使用は、トラッキー川とピラミッド湖に生息する2 種類の絶滅危惧種、クイウイ・サッカーフィッシュ (1967 年に絶滅危惧) とラホンタン・カットスロート・トラウト(1970 年に絶滅危惧) の生存を分析するために特に実施されました。

参照

参考文献

^ Mulvany, TJ (1850). 「自動記録雨量計と流量計の使用について」Proc. Institute Civ. Eng. 4 (2): 1–8.
^ ME Imbeau、(1892)ラ・デュランス：体制。クルーと浸水、アン。ポン・ショース・メム。博士。サー。 3(I) 5–18
^ Horton, RE (1933). 「水循環における浸透の役割」. Trans. Am. Geophys. Union . 145 (1): 446–460. Bibcode :1933TrAGU..14..446H. doi :10.1029/TR014i001p00446.
^ Horton, RE (1945). 「河川とその流域の侵食発達: 定量的地形学への水文学的アプローチ」Bull. Geol. Soc. Am. 56 (3): 275–330. doi :10.1130/0016-7606(1945)56[275:edosat]2.0.co;2. S2CID 129509551.
^ 貯水池操作の統合のための電子コンピュータの使用に関する報告書、第 1 巻、DATAmatic Corporation 技術レポート、レイセオン製造会社と共同で作成、米国陸軍工兵隊ミズーリ川支部向け、1957 年 1 月
^ MPBarnett、「ナイル川流域の計算に関するコメント」、王立統計学会誌、シリーズ B、第 19 巻、223、1957 年
^ HAW Morrice と WN Allan、「ナイル渓谷の究極の水力開発計画」、土木学会紀要、14、101、1959 年、
^ FSブラウン、「水資源開発 - コロンビア川流域」、オレゴン州ポートランドのコロンビア川流域機関間委員会会議報告書、1958年12月
^ DF Manzer および MP Barnett、「シミュレーションによる分析: 高速デジタルコンピュータのプログラミング手法」、Arthur Maas他著『水資源システムの設計』、pp. 324–390、Harvard University Press、マサチューセッツ州ケンブリッジ、1962 年。
^ NH Crawford および RK Linsley.水文学におけるデジタルシミュレーション: スタンフォード流域モデル IV、技術レポート No.39スタンフォード大学、パロアルト、カリフォルニア州 (1966)
^ Abbott, PEO'Connell; Bathurst, JC; Cunge, JA; Rasmussen, J. (1986). 「ヨーロッパシステム入門：ヨーロッパ水文学システム（SHE）」. Journal of Hydrology . 87 (1–2): 61–77. doi :10.1016/0022-1694(86)90115-0.
^ Vijay P. Singh、「流域水文学のコンピュータモデル」、Water Resource Publications、563-594 ページ (1995)
^ Downer, CW、および FL Ogden、2006、「Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) ユーザーズマニュアル、バージョン 1.43、Watershed Modeling System 6.1、System Wide Water Resources Program、Coastal and Hydraulics Laboratory、米国陸軍工兵隊、エンジニア研究開発センター、ERDC/CHL SR-06-1、207 ページ」。
^ Downer, CW; Ogden, FL (2004). 「GSSHA: 多様な水流生成プロセスをシミュレートするモデル」. Journal of Hydraulic Engineering . 9 (3): 161–174. doi :10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161).
^ Downer, CW, FL Ogden, JM Niedzialek、および S. Liu (2006)、「Gridded Surface/Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) Model: A Model for Simulating Diverse Streamflow Producing Processes」、pp. 131–159、Watershed Models、VP Singh および D. Frevert 編、Taylor and Francis Group、CRC Press、637 pp。
^ 「Watershed Modeling System」 Aquaveo . 2016年2月19日閲覧。
^ Vieuxinc.com
^ JCI Dooge、「水文学的プロセスのパラメータ化」、大気大循環モデルにおける陸面プロセスに関するJSC研究会議、243–284（1959）
^ CM Hogan、Leda Patmore、Gary Latshaw、Harry Seidman 他「土壌中の農薬輸送のコンピューターモデル化、5 つの計測流域」、米国環境保護庁南東水研究所、ジョージア州アセンズ、 ESL Inc.、カリフォルニア州サニーベール (1973)
^ Steven Grant、IK Iskandar、汚染水文学、CRC Press (2000) ISBN 1-56670-476-6
^ベンソン、 リードD.（1996）。「流域問題：北西川流域管理における河川流量保護の役割」環境法。26 （1）：175–224。ISSN 0046-2276。JSTOR 43266471 。
^ Richard Liden、物質輸送推定のための概念的流出モデル、博士論文、ルンド大学、ルンド、スウェーデン (2000)
^ Castanedo, F.; Patricio, MA; Molina, JM (2006). 「スペイン流域の HSPF モデルキャリブレーションに適用された進化的計算手法」。インテリジェントデータエンジニアリングと自動学習 – IDEAL 2006。コンピュータサイエンスの講義ノート。2006 年第 2 巻。216 ～ 223 ページ。CiteSeerX 10.1.1.497.5100。doi : 10.1007 / 11875581_26。ISBN 978-3-540-45485-4。 {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
^ トラッキー川の動的水質シミュレーションモデルの開発、アースメトリクス社、環境保護庁技術シリーズ、ワシントン DC (1987)
^ USEPA. 1991.水質に基づく決定のためのガイダンス: TMDL プロセス、EPA 440/4-91-001。米国環境保護庁、水局、ワシントン DC。

外部リンク

ライン川流域の気候変動に適用された HBV モデル^{[リンク切れ‍ ]}
TOPMODEL の特性とパラメータ
新安江モデルと中国北部におけるその応用
スペインの流域における HSPF モデルのキャリブレーションに適用される進化的計算手法

[1] Mulvany, TJ (1850). 「自動記録雨量計と流量計の使用について」Proc. Institute Civ. Eng. 4 (2): 1–8.

[2] ME Imbeau、(1892)ラ・デュランス：体制。クルーと浸水、アン。ポン・ショース・メム。博士。サー。 3(I) 5–18

[3] Horton, RE (1933). 「水循環における浸透の役割」. Trans. Am. Geophys. Union . 145 (1): 446–460. Bibcode :1933TrAGU..14..446H. doi :10.1029/TR014i001p00446.

[4] Horton, RE (1945). 「河川とその流域の侵食発達: 定量的地形学への水文学的アプローチ」Bull. Geol. Soc. Am. 56 (3): 275–330. doi :10.1130/0016-7606(1945)56[275:edosat]2.0.co;2. S2CID 129509551.

[5] 貯水池操作の統合のための電子コンピュータの使用に関する報告書、第 1 巻、DATAmatic Corporation 技術レポート、レイセオン製造会社と共同で作成、米国陸軍工兵隊ミズーリ川支部向け、1957 年 1 月

[6] MPBarnett、「ナイル川流域の計算に関するコメント」、王立統計学会誌、シリーズ B、第 19 巻、223、1957 年

[7] HAW Morrice と WN Allan、「ナイル渓谷の究極の水力開発計画」、土木学会紀要、14、101、1959 年、

[8] FSブラウン、「水資源開発 - コロンビア川流域」、オレゴン州ポートランドのコロンビア川流域機関間委員会会議報告書、1958年12月

[9] DF Manzer および MP Barnett、「シミュレーションによる分析: 高速デジタルコンピュータのプログラミング手法」、Arthur Maas他著『水資源システムの設計』、pp. 324–390、Harvard University Press、マサチューセッツ州ケンブリッジ、1962 年。

[10] NH Crawford および RK Linsley.水文学におけるデジタルシミュレーション: スタンフォード流域モデル IV、技術レポート No.39スタンフォード大学、パロアルト、カリフォルニア州 (1966)

[11] Abbott, PEO'Connell; Bathurst, JC; Cunge, JA; Rasmussen, J. (1986). 「ヨーロッパシステム入門：ヨーロッパ水文学システム（SHE）」. Journal of Hydrology . 87 (1–2): 61–77. doi :10.1016/0022-1694(86)90115-0.

[12] Vijay P. Singh、「流域水文学のコンピュータモデル」、Water Resource Publications、563-594 ページ (1995)

[13] Downer, CW、および FL Ogden、2006、「Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) ユーザーズマニュアル、バージョン 1.43、Watershed Modeling System 6.1、System Wide Water Resources Program、Coastal and Hydraulics Laboratory、米国陸軍工兵隊、エンジニア研究開発センター、ERDC/CHL SR-06-1、207 ページ」。

[14] Downer, CW; Ogden, FL (2004). 「GSSHA: 多様な水流生成プロセスをシミュレートするモデル」. Journal of Hydraulic Engineering . 9 (3): 161–174. doi :10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161).

[15] Downer, CW, FL Ogden, JM Niedzialek、および S. Liu (2006)、「Gridded Surface/Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) Model: A Model for Simulating Diverse Streamflow Producing Processes」、pp. 131–159、Watershed Models、VP Singh および D. Frevert 編、Taylor and Francis Group、CRC Press、637 pp。

[16] 「Watershed Modeling System」 Aquaveo . 2016年2月19日閲覧。

[17] Vieuxinc.com

[18] JCI Dooge、「水文学的プロセスのパラメータ化」、大気大循環モデルにおける陸面プロセスに関するJSC研究会議、243–284（1959）

[19] CM Hogan、Leda Patmore、Gary Latshaw、Harry Seidman 他「土壌中の農薬輸送のコンピューターモデル化、5 つの計測流域」、米国環境保護庁南東水研究所、ジョージア州アセンズ、 ESL Inc.、カリフォルニア州サニーベール (1973)

[20] Steven Grant、IK Iskandar、汚染水文学、CRC Press (2000) ISBN 1-56670-476-6

[21] ^ベンソン、 リードD.（1996）。「流域問題：北西川流域管理における河川流量保護の役割」環境法。26 （1）：175–224。ISSN 0046-2276。JSTOR 43266471 。

[22] Richard Liden、物質輸送推定のための概念的流出モデル、博士論文、ルンド大学、ルンド、スウェーデン (2000)

[23] Castanedo, F.; Patricio, MA; Molina, JM (2006). 「スペイン流域の HSPF モデルキャリブレーションに適用された進化的計算手法」。インテリジェントデータエンジニアリングと自動学習 – IDEAL 2006。コンピュータサイエンスの講義ノート。2006 年第 2 巻。216 ～ 223 ページ。CiteSeerX 10.1.1.497.5100。doi : 10.1007 / 11875581_26。ISBN 978-3-540-45485-4。 {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)

[24] トラッキー川の動的水質シミュレーションモデルの開発、アースメトリクス社、環境保護庁技術シリーズ、ワシントン DC (1987)

[25] USEPA. 1991.水質に基づく決定のためのガイダンス: TMDL プロセス、EPA 440/4-91-001。米国環境保護庁、水局、ワシントン DC。