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確率的経験的負荷希釈モデル（SELDM）[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]は、雨水水質モデルです。SELDMは、複雑な科学データを、流出水が受水域に及ぼす悪影響のリスク、緩和策の必要性、およびこれらのリスクを軽減するための管理策の有効性に関する有意義な情報に変換するように設計されています。米国地質調査所は、連邦道路局と協力してSELDMを開発し、対象地点および上流流域からの雨水におけるイベント平均濃度、流量、負荷の計画レベルの推定値の作成を支援しています。SELDMは、高速道路地点、関連する受水域、降雨イベント、雨水流量、水質、および緩和策の性能に関する情報を使用して、流出水質変数の確率的母集団を生成します。SELDMは、名目上は高速道路流出モデルですが、他の土地利用区域からの流出水質成分の流量濃度および負荷を推定するためにも使用できます。 SELDM は米国地質調査所によって開発されたため、モデル、ソース コード、および関連するすべてのドキュメントは、米国の著作権法および USGS ソフトウェア ユーザー権利通知に従って、著作権の制限なしに提供されます。SELDM は、緩和策の使用の有無にかかわらず、高速道路、橋、および開発地域からの流出が受水域の水質に及ぼす潜在的な影響を評価するために広く使用されています。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [12 ] [ 13 ]高速道路の流出を評価する雨水管理の実務者は、一般的に SELDM とともに高速道路流出データベース (HRDB) のデータを使用して、流出が受水域に及ぼす悪影響のリスクを評価します。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
SELDM は確率的質量収支モデルです。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]質量収支アプローチ (図 1) は、都市部または高速道路の流出放流口の下流にある受水域の水質成分の濃度と負荷を推定するためによく用いられます。質量収支モデルでは、上流の流域と流出源地域からの負荷を加算して、放流点の下流にある受水域の流量、濃度、負荷を計算します。
SELDMは、河川流域解析と湖沼流域解析を実行できます。河川流域解析では、数百から数千の流出イベントを含む複数年シミュレーションに基づく確率的物質収支解析を使用します。SELDMは、対象地点（高速道路地点）と上流の受水河川の降雨イベント値を生成し、雨水排水口下流の受水河川における流量、濃度、負荷量を計算します。湖沼流域解析もまた、確率的複数年物質収支解析です。湖沼流域解析では、流出期間中に発生する高速道路の負荷量と湖沼流域からの年間総負荷量を使用して、湖への年間負荷量と湖からの年間負荷量を計算します。湖沼流域解析では、湖の容積と汚染物質固有の減衰係数を使用して、年間平均湖沼濃度の母集団を計算します。
SELDMが河川および湖沼解析のために計算する年間流量と負荷量は、対象地点および上流の湖沼流域における総最大日負荷量（TMDL）の推定にも使用できます。 [ 13 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] TMDLは年間負荷量の平均値に基づいて算出できます。平均負荷量に記録年数を乗じたものが、その（シミュレーションされた）記録期間の総負荷量となるためです。年間値の変動性は、TMDL解析における超過リスクと安全マージンを推定するために使用できます。
SELDMは、モンテカルロ法を用いて各構成要素変数の値の確率的母集団を生成するために必要な入力変数値のランダムな組み合わせを生成するため、確率モデルです。 [ 1 ] SELDMは、受水域における流出水の希釈と、それに伴う下流のイベント平均濃度および年間平均湖水濃度を計算します。結果はランク付けされ、プロット位置が計算され、嵐ごとおよび年ごとに、受水域における流出水の濃度、流量、負荷によって引き起こされる悪影響のリスクレベルを示します。決定論的水文モデルとは異なり、SELDMは入力変数の値を過去の記録に合わせるように変更することによって較正されるわけではありません。代わりに、SELDMの入力値は、サイト特性と各水文変数の代表的な統計に基づいています。したがって、SELDMは理論的な物理化学方程式ではなく、データと統計に基づく経験的モデルです。 [ 1 ]
SELDMは、高速道路地点、上流流域、湖流域がそれぞれ単一の均質な単位として表現されるため、集中パラメータモデルです。 [ 1 ]これらの各ソース領域は平均的な流域特性で表現され、SELDMの結果は対象地点の点推定値として計算されます。集中パラメータアプローチを使用することで、利用可能なデータを使用して計画レベルの推定値を作成するためのモデルパラメータを迅速に指定できます。このアプローチにより、モデルへの入力と出力に必要なものが簡潔になり、モデルの使用に柔軟性が生まれます。たとえば、代表的な水質と不浸透率のデータが利用可能であれば、高速道路地点の定義を使用して、さまざまな土地被覆や土地利用からの流出をモデル化するためにSELDMを使用できます。[ 1 ]
SELDM は、シンプルなグラフィカル ユーザー インターフェイスを備え、SELDM を実行するために必要な情報とデータの大部分がモデルに組み込まれているため、使いやすいです。[ 1 ] SELDM は、降水量、降雨前の流量、流出係数、および選択された水質成分の濃度について、国のデータセットから入力統計を提供します。入力統計は、関心のあるサイトと上流の流域の緯度、経度、物理的特性に基づいて選択できます。ユーザーはまた、特定の関心のあるサイトまたは特定のエリアに固有の各変数の統計を導出して入力することもできます。SELDM の使用を容易にするために、全国数百から数千のサイトからの情報とデータが収集されました。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]必要な入力データのほとんどは、関心のあるサイトの位置と 5 つの単純な流域特性を定義することによって取得されます。これらの流域特性は、流域面積、流域長、流域勾配、不浸透率、および流域発達係数である[ 1 ] [ 28 ] [ 29 ]。
SELDM は、構造的および非構造的な最良管理慣行 (BMP) の正味の効果を近似する統計を使用したモンテカルロ法を使用して、緩和策の潜在的な効果をモデル化します。[ 1 ] [ 13 ] [ 30 ] [ 31 ]構造的 BMP は、流出源と雨水排出場所の間の排水経路の構成要素として定義され、流出の量、タイミング、または質に影響を与えます。SELDM は、BMP パフォーマンスの単純な確率的統計モデルを使用して、流出イベント特性の計画レベルの推定値を作成します。この統計的アプローチは、単一の BMP または BMP の集合を表すために使用できます。SELDM の BMP 処理モジュールには、3 つの雨水処理 (水量削減、ハイドログラフ拡張、水質処理) の確率的モデリングのための機能があります。SELDM では、これら 3 つの処理変数は、台形分布[ 32 ]と関連する高速道路流出変数との順位相関[ 33 ]を使用してモデル化されます。このレポートでは、構造的な雨水管理ベストプラクティス（BMP）による水量削減、ハイドログラフ拡張、水質処理の確率モデル化のための台形分布統計量と順位相関係数の計算方法について説明し、これらの変数の計算値を示します。これらの統計量は、BMPを特徴付けたり比較したりするために一般的に使用される統計量とは異なります。これらは、一連の降雨イベントに関連する流入値に基づいて、BMP流出水の量、期間、および質を近似するための確率的伝達関数を提供するように設計されています。[ 1 ]
SELDMは、シンプルなグラフィカルユーザーインターフェイス（GUI）を使用して水文データセットの保存、処理、使用を容易にするために、Microsoft Access®データベースソフトウェアアプリケーションとして開発されました。 [ 1 ]このプログラムのメニュー駆動型GUIは、標準のMicrosoft Visual Basic for Applications®（VBA）インターフェイスコントロールを使用して、データの入力、処理、出力を容易にします。SELDMマニュアル[ 1 ]の付録4には、GUIの使用方法に関する詳細な手順が記載されています。
SELDM ユーザーインターフェースには、ドキュメント、サイトおよび地域情報、水文統計、水質データという 4 つのカテゴリの入力データを入力するために使用される 1 つ以上の GUI フォームがあります。ドキュメントデータには、アナリスト、プロジェクト、および分析に関する情報が含まれます。サイトおよび地域データには、高速道路サイト特性、生態地域、上流流域特性、および湖沼分析が選択されている場合は湖沼流域特性が含まれます。水文データには、降水量、河川流量、および流出係数統計が含まれます。水質データには、高速道路流出水質統計、上流水質統計、下流水質定義、および BMP パフォーマンス統計が含まれます。モデルを実行して、個別の出力ファイルセットにアクセスするための GUI フォームもあります。SELDM インターフェースは、分析用のデータと統計をデータベースに格納し、SELDM の実行時にプログラムがデータベースを照会するために使用するインデックス変数を指定するように設計されています。分析を実行するたびに、入力フォームを順に進める必要があります。[ 1 ]
SELDM の各解析結果は、解析仕様プロセスで選択されたオプションに応じて、5 ～ 10 個の出力ファイルに書き込まれます。モデル実行ごとに作成される 5 つの出力ファイルは、出力ドキュメント、高速道路流出水質、年間高速道路流出量、降雨イベント、および暴風雨流量ファイルです。ストリーム流域またはストリームおよび湖流域の出力オプションが選択されている場合、暴風雨前の河川流量ファイルと希釈係数ファイルも作成されます。これら 2 つの出力オプションが選択され、さらに水質メニューを使用して 1 つ以上の下流水質ペアが定義されている場合、上流水質および下流水質出力ファイルも SELDM によって作成されます。ストリームおよび湖流域出力または湖流域出力オプションが選択され、水質メニューを使用して 1 つ以上の下流水質ペアが定義されている場合、湖流域解析の実行時に湖解析出力ファイルが作成されます。出力ファイルは、多くのソフトウェアパッケージにインポートできるリレーショナルデータベース(RDB) 形式のタブ区切りASCIIテキストファイルとして書き込まれます。この出力は、モデリング後の分析と結果の提示を容易にするように設計されています。[ 1 ]
モンテカルロ解析の利点は、入力統計の不確実性を低減することではなく、水質逸脱の潜在的なリスクを決定する変数のさまざまな組み合わせを表現することです。SELDMは、流出プロセスから生じる可能性のある長期的な結果と、さまざまな緩和策の潜在的な影響を表す値の集合をもたらす水文変数（異なる確率分布を持つ）間の相互作用をモデル化するため、そうでなければ入手が困難または不可能な情報を迅速に評価する方法を提供します。SELDMはまた、さまざまな入力仮定が水質逸脱のリスクに及ぼす潜在的な影響を判断するための感度分析を迅速に行う手段も提供します。SELDMは、水質逸脱の潜在的な頻度、規模、および期間に関する疑問に対処するために、嵐イベントと年間値の集合を生成します。出力は、時系列ではなく、ランダムなイベントの集合を表します。SELDMで生成される各嵐は、シーケンス番号と年間負荷計算年によって識別されます。モデルは各嵐をランダムに生成します。系列相関はなく、嵐の順序は季節パターンを反映しません。年間負荷計算年は、嵐の間隔時間の合計が1年以下となるように生成されたイベントのランダムな集合であり、TMDL分析および湖沼流域分析のための年間高速道路流量と負荷を生成するために使用されます。[ 1 ]
2019年、USGSはSELDMシミュレーションの結果の分析とグラフ化を容易にするために、SELDM用のモデル後処理ツールを開発しました。InterpretSELDMとして知られるこのソフトウェアは、USGS ScienceBaseサイトで公開されています。[ 34 ]
SELDM は 2010 年から 2013 年にかけて開発され、2013 年 3 月にバージョン 1.0.0 として公開されました。上流および湖盆輸送曲線を計算するために使用されるアルゴリズムに小さな問題が発見され、2013 年 7 月にバージョン 1.0.1 がリリースされました。2016 年 6 月にバージョン 1.0.2 がリリースされ、すべての出力ファイルに Cunnane プロット位置式が使用されるようになりました。2018 年 7 月にバージョン 1.0.3 がリリースされ、ナノグラム/リットルまたはピコグラム/リットルの濃度を持つ成分の負荷計算の問題に対処し、その他の雑多な問題に対処しました。2021 年 5 月にバージョン 1.1.0 がリリースされ、バッチ処理が追加され、上流輸送曲線に使用される高速道路流出期間が、BMP ごとに異なる可能性のある放流量期間から流出同時期間と量に変更され、ユーザーが説明変数なしで湖沼分析で従属変数をシミュレートでき、エラーが発生する問題を修正しました。 SELDM を 32 ビット版と 64 ビット版の Microsoft Office と互換性を持たせるために、バージョン 1.1.1 が 2022 年 12 月にリリースされました。このバージョンでは、マイクロプラスチック、PFAS/PFOS (パーフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質、パーフルオロオクタンスルホン酸を参照)、タイヤ化学物質 (タイヤ製造、ゴム汚染、6PPDを参照) などの新興汚染物質をシミュレートできます。SELDM のコードはオープンソースでパブリック ドメインのコードであり、SELDM ソフトウェア サポート ページからダウンロードできます。[ 35 ]
この記事には、米国地質調査所のウェブサイトや文書からのパブリックドメインの資料が含まれています。