リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「データ寡少な東南アジア流域の利水・治水の課題解決に向けた多目的貯水池の最適操作規則の提案」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

データ寡少な東南アジア流域の利水・治水の課題解決に向けた多目的貯水池の最適操作規則の提案

髙田, 亜沙里 TAKADA, Asari タカダ, アサリ 九州大学

2021.03.24

概要

東南アジア新興諸国では,人口増加や経済発展により様々な利用目的に対する需要水量が増加しており,必要水量の確保と効率的かつ適切な水供給が,持続可能な水資源管理のための重要な課題となっている.一方で,雨季の洪水による浸水被害が深刻な問題となっており,気候変動に伴う集中豪雨や海水面上昇による浸水被害の増加が懸念されている.このように,東南アジア新興諸国の水管理においては,利水と治水のトレードオフ問題が顕在化しており,その効果的な解決策の提案が急務である.本研究は,統合的な流域水管理のために最も効率的なツールの一つである貯水池に焦点を当て,その操作規則であるルールカーブの最適化手法の開発,および最適化計算に不可欠な貯水池流入量を計算する分布型降雨流出モデルの開発を目的とした.解析対象はベトナム南部に位置するDau Tieng貯水池とした.同貯水池は,Ho Chi Minh市の洪水防除と様々な需要に対する水供給を担う多目的貯水池であり,貯水位操作を規定したルールカーブをもとに放流・貯水操作が行われている.

 まず,東南アジア流域のデータ寡少性の問題を克服しつつ,短時間で流出計算が可能な分布型長期流出モデルの開発を行った.地域開発に伴う土地利用変化や,熱帯地域特有の降雨の空間的不均一性にも対応可能とするため,流域を矩形メッシュの集合体で表現した分布型降雨流出モデルを構築した.入手した90mメッシュの各種データを4500mメッシュに粗視化することで計算時間を大幅に短縮させた.その一方で,流域内の土地利用状況を的確に表現するため,各メッシュに主要な土地利用である森林,水田,畑地,市街地における流出特性を表現可能なタンクモデルを配置した.さらに,時間的に安定した基底流成分を表現する流域地下水タンクモデルを設定した.実測データが入手できた1999年から2009年で日単位の流域流出量を計算した結果,各年の再現精度に差が確認されたものの,期間全体としても流域流出量を十分な精度で再現できた.本モデルは,適用性の高いモデルとして知られるタンクモデルを各土地利用からの流出計算に用いているため,既往研究を参考にパラメータ値が推定し易く,東南アジア新興諸国におけるデータ寡少性が問題となる流域に対しても適用可能性が高い.また,大域的最適化のような計算時間の短縮が必須な事例にも有効なモデルである.

 次に,①洪水制御,②生活用水,③工業用水,④環境用水,⑤農業用水の供給を担うDau Tieng貯水池を対象に,下流域の渇水軽減と洪水防除の両目的を最も効果的に両立可能なルールカーブの最適化手法の開発を行った.Dau Tieng貯水池のルールカーブは,貯水池操作における5つの基準水位である排除水位,上位水位,下位水位,限界水位,死水位から成る.また,各基準水位は需要水量や雨季・乾季を考慮して定められており,1月から12月までの毎月1日の基準水位12点で構成されている.その時々の貯水位が各基準水位を超過するか否かで,各用水項目に対する給水量,および洪水吐からの放流量が決定される.本研究では,長期間スケールの問題である渇水,および短期間スケールの問題である洪水を効果的に考慮するため,1日単位ステップで貯水池の放流量・貯水量の計算を行い,ルールカーブを最適化した.最適化手法には,他の手法よりも強力な大域的探索能力を有するSCE-UA法を採用した.現行ルールカーブでの充足率が十分に満たされていない,環境用水と農業用水の水不足量の最小化を目指した2種類のサブ目的関数,および下流域の洪水防除と渇水軽減を目指した6種類のペナルティ関数を,各目的の重要性を示す重み係数を用いて単一の目的関数として定式化した.得られた最適ルールカーブでは,工業用水と環境用水の充足率が100%,農業用水の充足率が79.1%となった.これは現行ルールカーブの充足率に対して,工業用水が+2.7ポイント,環境用水が+7.6ポイント,農業用水が+12.7ポイントの増加であり,各用水項目の充足率が大きく改善された.また,最適ルールカーブを用いると,工業用水,環境用水,農業用水に対する供給の制限日数が現行ルールカーブの場合より少なくなり,渇水に効果的であることが示された.また,洪水吐からの放流を行う日数が減少しており,下流の洪水防除に有効であることも示された.

 以上,本研究では,Dau Tieng貯水池の下流域における渇水軽減と洪水防除の両目的を最も効果的に両立可能なルールカーブの最適化手法,および計算時間やデータ寡少性の問題を克服できる分布型長期流出モデルを開発できた.データ寡少性の問題を考慮した本手法は,他流域にも適用可能性が高く,東南アジア新興諸国の水管理における利水・治水のトレードオフ問題の解決に資することが期待できる.

この論文で使われている画像

参考文献

敖 天其,石平 博,竹内邦良(1999):ブロック型TOPMODEL 及びΜ-C追跡法による分布型流出解析モデルの検討,水工 学論文集,43, 7-12.

Be, T.T., Sinh, B. T. and Miller, F. (2007): Challenges to sustainable development in the Mekong Delta: regional and national policy issues and research needs: literature analysis. The Sustainable Mekong Research Network (SUMERNET).

Beven, K.J., Kirkby, M.J., Schofield, N. and Tagg, A.F.(1 984): Testing a physically-based flood forecasting model (TOPMODEL) for three U.K. catchments, Journal of Hydrology. 69(1), 1 19-143.

Chang, F.J., Chen, L. and Chang, L.C. (2005): Optimizing the reservoir operating rule curves by genetic algorithms, Hydrological Processes.19(1 1), 2277-2289.

Chang, L.C. (2008): Guiding rational reservoir flood operation using penalty-type genetic algorithm, Journal of Hydrology, 354(1), 65-74.

Chen, L. (2003): Real coded genetic algorithm optimization of long term reservoir operation, Journal of the American Water Resources Association. 39(5), 1157-1165.

Chen, L., McPhee, J. and Yeh, W.W.G. (2007): A diversified multiobj ective GA for optimizing reservoir rule curves, Advances in Water Resources, 30(5), 1082-1093.

Chow, V. T.(197 3): Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, 108-114.

土木学会応用力学委員会逆問題小委員会(2000):土木工学における逆問題入門,土木学会,105-117.

Duan, Q., Sorooshian, S. and Gupta, V.K.(1992): Effective and efficient global optimization for conceptual rainfall-runoff models, Water Resources Research. 28(4), 1015-103 1.

Duan, Q., Sorooshian, S. and Gupta, V.K.(1994): Optimal use of the SCE-UA global optimization method for calibrating watershed models, Journal of Hydrology.158(3), 265-284.

Eckhardt, K. and Arnold, J.G. (2001):Automatic calibration of a distributed catchment model, Journal of Hydrology. 251(1), 103-109.

George, B. A., Malano, H.M., Tri, V.K. and Turral,H. (2004): Using modelling to improve operational performance in the Cu Chi irrigation system, Vietnam, Irrigation and Drainage. 53(3), 237-249.

Goldberg, D.E.(1989): Genetic algorithms in search, optimization, and machine learning. Addison Wesley Publishing Co. Inc.

Guariso, G., Rinaldi, S. and Soncini-Sessa, R.(1986): The management of Lake Como: a multiobjective analysis, Water Resources Research. 22(2), 109-120.

樋口克宏,益永八尋,渡邊博,宮里哲郎(2010):地球温暖化に伴うタイ国チャオプラヤ川流域の水資源減少量の予測, 平成22年度農業農村工学会大会講演会講演要旨集, 264-265.

平岡透,幸弘美,陸旻皎(2012):分布型洪水流出モデルのための土地利用からの最大貯水能力及び最終浸透能の設定,土木学会論文集B1(水工学), 68(2), 103-108.

Holland, J.(1975): Adaptation in natural and artificial systems: an introductory analysis with application to biology, control and artificial intelligence. University of Michigan Press.

Hsu, N. S. and Wei, C. C. (2007): A multipurpose reservoir real-time operation model for flood control during typhoon invasion, Journal of Hydrology. 336(3), 282-293.

市川 温,村上将道,立川康人,椎葉充晴(2001):流域地形の新たな数理表現形式に基づく流域流出系シミュレーションシステムの開発,土木学会論文集,691, 43-52.

角屋睦(1979): 流出解析手法(その1)雨水流出現象とその計測・解析, 農業土木学会誌, 47(10), 63-73.

風間聡, NMMSバンダラナワラトナ, 沢本正樹(2003): 灌漑と貯留施設を考慮したメコン河中流域の可能水資源量推定, 水工学論文集, 47, 187-192.

小尻利治,東海明宏,木内陽一(1998): シミュレーションモデルでの流域環境評価手順の開発,京都大学防災研究所年報, 41(B-2), 119-134.

近藤昭彦(1994): 複数の手法によるモンスーンアジアの蒸発散量推定値の比較, 日本水文科学会誌, 24(1), 11-30.

Li, X., Guo, S., Liu, Ρ. and Chen, G. (2010): Dynamic control of flood limited water level for reservoir operation by considering inflow uncertainty, Journal of Hydrology. 391(1), 124-132.

陸旻皎, 小池俊雄, 早川典生(1989): 分布型水文情報に対応する流出モデルの開発, 土木学会論文集, 411, 135-142.

Madsen, Η. (2000): Automatic calibration of a conceptual rainfall-runoff model using multiple objectives, Journal of Hydrology. 235(3), 276-288.

Madsen, H. (2003): Parameter estimation in distributed hydrological catchment modelling using automatic calibration with multiple objectives, Advances in Water Resources. 26(2), 205-216.

三浦健志, 奥野林太郎(1993): ペンマン式による蒸発散位計算方法の詳細, 農業土木学会論文集, 164, 157-163.

宮本守, 松本和宏, 津田守正, 山影譲, 岩見洋一, 穴井宏和(2015): 複数の洪水イベントにおける分布型流出モデルの最適パラメータの推定, 土木学会論文集B1(水工学), 71(4), 1271-1276.

Moriasi, D.N., Arnold, J.G., Van Liew, M.W., Bingner, R.L., Harmel,R. D. and Veith, T. L. (2007): Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations, Trans actions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, 50(3), 885-900.

中桐貴生, 渡辺紹裕, 堀野治彦, 丸山利輔(1998): 紀の川流域における流域水循環モデルの開発一流域水循環モデルによる農業用水利用の分析(I)一, 農土論集, 198, 1-11.

Nash, J.E. and Sutcliffe, J.V.(1970): River flow forecasting through conceptual models part I - A discussion of principles, Journal of Hydrology,10(3), 282-290.

Nelder, J.A. and Mead, R.(1965): A simplex method for function minimization, The Computer Journal. 7(4), 3 08-3 13.

Ngo, L.L., Madsen, H. and Rosbjerg, D. (2007): Simulation and optimisation modelling approach for operation of the Hoa Binh reservoir, Vietnam, Journal of Hydrology, 336(3), 269-28 1.

Nguyen, K.Q., Le, B.X., Le, T.T. and Trieu, N.A. (2015): Flood control measures in the lower Dong Nai - Sai Gon river basin, Proceedings of the annual conference on waier resources. ISBN: 978-604-82 1710-5, 13-26.

朴珍赫, 小尻利治, 友杉邦雄(2003): 流域環境評価のためのGISベース分布型流出モデルの展開, 水文・水資源学会誌, 16(5), 541-555.

Powell,M. J.D.(1964): An efficient method for finding the minimum of a function of several variables without calculating derivatives, The Computer Journal. 7(2), 15 5-162.

Raj e, D. and Mujumdar, P.P. (2010): Reservoir performance under uncertainty in hydrologic impacts of climate change, Advances in Water Resources, 33(3), 3 12-326.

Reddy, M. J. and Nagesh Kumar, D. (2007): Multi-obj ective particle swarm optimization for generating optimal trade-offs in reservoir operation, Hydrological Processes. 21(21), 2897-2909.

佐山敬洋, 立川康人, 寶馨, 市川温(2005): 広域分布型流出予測システムの開発とダム群治水効果の評価, 土木学会論文集, 803, 13-27.

佐山敬洋, 寶馨(2003): 斜面侵食を対象とする分布型土砂流出モデル, 土木学会論文集, 726, 1-9.

Shenava, N. and Shourian, Μ. (2018): Optimal reservoir operation with water supply enhancement and flood mitigation objectives using an optimization-simulation approach, Water Resources Management. 32(13), 4393-4407.

清水裕太, 小野寺真一, 松森堅治(2014): 水文流出モデルを用いた流域からの窒素流出量推定一現状と課題一, 日本水文科学会誌, 44(4), 207-223.

Sorooshian, S., Duan, Q. and Gupta, V.K.(1993): Calibration of rainfall-runoff models: application of global optimization to the Sacramento Soil Moisture Accounting Model, Water Resources Research. 29(4), 1 185-1 194.

Takada, A., Hiramatsu, K., Trieu, N. A., Harada, M. and Tabata, T. (2017): Development of a Grid-based Distributed Runoff Model and Flood Scenario Analyses in Dau Tieng river watershed, Vietnam, Journal of Rainwater Catchment Systems. 22(2), 9-17.

Takeuchi, K., Ao, T. and Ishidaira, H.(1999): Introduction of block-wise use of TOPMODEL and Muskingum-Cunge method for the hydroenvironmental simulation of a large ungauged basin, Hydrological Sciences Journal. 44(4), 633-646.

田中丸治哉(1995):タンクモデル定数の大域的探索, 農業土木学会論文集, 178, 503-5 12.

The Vietnamese Prime Minister of Government (2016): Issuance of the operation policy in Dong Nai river basin (in Vietnamese).

Thornthwaite, C. W.(1948): An approach toward a rational classification of climate, Geographical Review. 38(1), 5 5-94.

Thu, V.T.H., Tabata, T., Hiramatsu, K., Trieu, A.N. and Harada, M. (2019): Impact of gate operating modes of sea dikes on hydrodynamic regime and inundated area in Can Gio Bay, Coastal Engineering Journal. 61(2), 171-186.

Trieu, N.A., Hiramatsu, K. and Harada, M. (2013): Optimizing parameters for two conceptual hydrological models using a genetic algorithm: a case study in the Dau Tieng river watershed, Vietnam, Japan Agricultural Research Quarterly: JARQ,47(1), 85-96.

Trieu, N.A., Hiramatsu, K. and Harada, M. (2014): Optimizing the rule curves of multi-use reservoir operation using a genetic algorithm with a penalty strategy, Paddy and Water Environment.12(1), 125-137.

Wurbs, R. A. (1993): Reservoir-system simulation and optimization models, Journal of Water Resources Planning and Management.119(4), 455-472.

Yeh, W. W.G.(1985): Reservoir management and operations models: a state-of-the-art review, Water Resources Research. 21(12), 1797-1 818.

Zhou, Y. and Guo, S. (2013): Incorporating ecological requirement into multipurpose reservoir operating rule curves for adaptation to climate change, Journal of Hydrology. 498, 153-164.

参考文献をもっと見る