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2013 Fiscal Year Annual Research Report

水域ネットワークに生じる流動・輸送現象に対する効率的解析手法の開発

Research Project

Project/Area Number 13J02731
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

吉岡 秀和  京都大学, 農学研究科, 特別研究員DC2

Keywords水域ネットワーク / 浅水流理論 / 移流分散現象 / 確率微分方程式 / コルモゴロフ方程式 / 溶質輸送方程式 / 有限要素法 / 有限体積法
Research Abstract

本研究の課題名は「水域ネットワークに生じる流動・輸送現象に対する効率的解析手法の開発」である. 本研究では, 水田や畑地を主とする農地, 農業用排水路網やその下流側接続河川, それらが流入する内湖や湖沼などの閉鎖性水域に存在する地表水の連続的な結合を水域ネットワークと称している. 本研究の主目的は, (1)水域ネットワークに生じる水の流動現象および溶質の輸送現象を合理的に記述する数理モデルの導出, (2)数理モデルに対する精緻かつ効率的な数値解法の開発(3)数理モデルおよび数値解法の実問題への適用である. 上記の目的(1)-(3)を一貫的に実施することにより, 農地を取り巻く水理・水文環境に対する極めて効果的な定量評価手法の確立が実現されるものと考えられる.
本研究では, 水域ネットワークにおける輸送現象を浅水流理論の範疇で記述する, 農業用排水路網や河川における水の流れは卓越した流下方向を有するため, 局所1次元モデルの枠組みで取り扱う. とくに本研究では開水路網を分合流点(0次元)と水路(1次元)から構成される有限連結グラフと同一視する, 一方で, 必ずしも卓越した流下方向を有さない閉鎖性水域における水の流れおよび溶質輸送現象は, 水平2次元モデルの枠組みで取り扱う. 研究初年度である本年度は, 上記の目的(1)および(2)に重点を置きつつ, (3)のためのデータ採取を実施した. 数理モデルとしては, 水の流れを記述する浅水流方程式ならびに溶質輸送現象, とくに移流分散現象を記述するコルモゴロフ方程式系を導出した. 後者の利用が, 既往研究にはない本研究の独創的な点のひとつである. 上記の方程式に数式操作を施すことで, 非古典的な溶質輸送方程式など, 派生する各種方程式をした. 各数理モデルに対しては, 有限要素法や有限体積法を基礎とした数値手法を開発した, また, 研究対象地である滋賀県高島市今津町に存在する農業用排水システムにおいて実測データを採取し, 開発した数理モデルや数値手法の妥当性や有用性の検証を試みた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では, 水域ネットワークを対象として水の流れや各種輸送現象を記述する方程式の導出ならびにその求解のための数値手法の開発, 実問題への適用を行うことを主目的としている. 当初の計画通り, 研究初年度である本年度において数理モデルの開発は概ね完了している. 加えて, それらに対する数値手法の開発に関しても順調に進んでいる. 以上が区分②を選択した理由である.

Strategy for Future Research Activity

初年度に得られた研究成果により, 数理モデルの導出ならびに数値手法の開発は概ね完了した. 今後の主要な研究課題は, これまでに開発した数理モデルや数値手法の妥当性をより詳細に検証するための、研究対象地における実測データ収集である. これは, 初年度に引き続き行うこととなる. また, 開発した数値手法に関しては十分な数値計算精度を有することが既に確認されているが, 計算効率を大きく損なうことのない程度の修正によりさらなる精度向上が実現しうることが示唆されている. そのため, 今後は数値艦法の改良も適宜行う予定である.

  • Research Products

    (21 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (13 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] A simple finite volume model for dam break problems in multiply connected open channel networks2014

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Journal Title

      Theoretical and Applied Mechanics Japan

      Volume: 62 Pages: 131-140

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Internal boundary conditions for solute transport equations in locally one-dimensional open channel networks2014

    • Author(s)
      Yoshioka H., Unatni K., and Fujihara M.
    • Journal Title

      Journal of Rainwater Catchment Systems

      Volume: 19(2) Pages: 1-9

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comparative numerical analysis on momentum flux evaluation schemes for shallow water flows in open channel networks2014

    • Author(s)
      Yoshioka H., Unami K., and Fujihara M.
    • Journal Title

      Journal of Rainwater Catchment Systems

      Volume: 19(2) Pages: 25-33

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Application of two shallow water models to steady flow analysis in a vegetated agricultural drainage canal2014

    • Author(s)
      Yoshioka H., Unami K., Kinjo, N., Wakazono, A., and Fujihara M.
    • Journal Title

      Journal of Rainwater Catchment Systems

      Volume: 19(2) Pages: 35-41

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Friction slope formulae for the two-dimensional shallow water model2014

    • Author(s)
      Yoshioka H., Unami K., and Iujihara M.
    • Journal Title

      J. JSCE, Ser. B1 (Hydraulic Engineering)

      Volume: 71(4) Pages: I_55-I_160

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A finite element/volume method model of the depth averaged horizontally 2-D shallow water equations2014

    • Author(s)
      Yoshioka H., Unami K., and Fulihara M.
    • Journal Title

      International Journal for Numerical Akihods in Fluids

      Volume: 75(1) Pages: 23-41

    • DOI

      10.1002/fld.3882.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 連結グラフ上での非保存型移流拡散方程式に対する画合有限要素法2013

    • Author(s)
      吉岡秀和, 金城信彦、宇波耕一, 藤原正幸
    • Journal Title

      土木学会論文集A2分冊(応用力学)

      Volume: 69(2) Pages: I_59-I_70

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] A hyperbolic longitudinal dispersion model of contaminant in open channel networks2014

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Kinjo, N., Mabaya, G., Unami. K, and Fuiihara, M.
    • Organizer
      The 35^<th> IAHR WORLD CONGRESS
    • Place of Presentation
      Nanyang, Singapore
    • Year and Date
      20140107-09
  • [Presentation] Hyperbolic dual finite volume models for shallow water flows in multiply-connected open channel networks2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Organizer
      第27回数値流体力学シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      20131217-19
  • [Presentation] Relevant internal boundary conditions for the partial differential equations in locally one-dimensional open channel networks (邦題 : 局所1次元開水路網における偏衡分方程式に対する適切な内部境界条件)2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Organizer
      平成25年度農業農村工学会応用水理研究部会
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Year and Date
      20131207-08
  • [Presentation] 水平2次元有限要素体積モデルに基づいた小規模閉鎖性水域の吹送流解析2013

    • Author(s)
      髙木健司, 吉岡秀和, 宇波耕一, 藤原正幸
    • Organizer
      平成25年度農業農村工学会応用水理研究部会
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Year and Date
      20131207-08
  • [Presentation] 大規模降雨時における植生を有する農業用排水路の連成浅水流動解析2013

    • Author(s)
      若園絢香, 吉岡秀和, 金城信彦, 宇波耕一, 藤原正幸
    • Organizer
      平成25年度農業農村工学会応用水理研究部会
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Year and Date
      20131207-08
  • [Presentation] Burgers equation type models on connected graphs and their application to open channel hydraulics(邦題 : 連結グラフ上におけるBurgers方程式型モデルとその開水路水理学への応用)2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Organizer
      RIMS研究集会 : 非線形波動現象の数理と応用
    • Place of Presentation
      京都大学数理解析研究所
    • Year and Date
      20131016-18
  • [Presentation] Application of a conforming Petrov-Galerkin finite element scheme to analysis of longitudinal dispersion phenomena in open channel networks2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Kinjo, N., Unami, K. and Fujihara, M.
    • Organizer
      The 35^<th> IAHR WORLD CONGRESS
    • Place of Presentation
      China, Chengdu
    • Year and Date
      20130908-13
  • [Presentation] Simulation of water flows in an agricultural drainage system with hydraulic structures2013

    • Author(s)
      Kinjo, N., Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Organizer
      The 35^<th> IAHR WORLD CONGRESS
    • Place of Presentation
      China, Chengdu
    • Year and Date
      20130908-13
  • [Presentation] A hyperbolic partial differential equation model for solute transport phenomena in turbulent flows2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fujihara, M.
    • Organizer
      The 35^<th> IAHR WORLD CONGRESS
    • Place of Presentation
      China, Chengdu
    • Year and Date
      20130908-13
  • [Presentation] 選択的集中化アルゴリズムに基づいた高効率浅水流モデル2013

    • Author(s)
      吉岡秀和, 宇波耕一, 藤原正幸
    • Organizer
      平成25年度農業農村工学会大会講演会
    • Place of Presentation
      東京農業大学
    • Year and Date
      20130903-05
  • [Presentation] 有限要素法と有限体積法を併用した水平2次元浅水流モデル2013

    • Author(s)
      吉岡秀和, 宇波耕一, 髙木健司, 藤原正幸
    • Organizer
      第70回農業農村工学会京都支部講演会
    • Place of Presentation
      京都テルサ
    • Year and Date
      2013-11-13
  • [Presentation] 水生植物の繁茂する閉鎖性水域における吹送流解析モデル2013

    • Author(s)
      髙木健司, 吉岡秀和, 宇波耕一, 藤原正幸
    • Organizer
      第70回農業農村工学会京都支部講演会
    • Place of Presentation
      京都テルサ
    • Year and Date
      2013-11-13
  • [Presentation] Singular parabolic equations in environmental hydraulics and their numerical analyses2013

    • Author(s)
      Yoshioka, H., Unami, K., and Fuiihara, M.
    • Organizer
      21^<st> Annual Congress of Japan Rainwater Catchment Systems Association
    • Place of Presentation
      島根大学(優秀発表賞受賞)
    • Year and Date
      2013-11-02
  • [Remarks] 水資源利用工学研究室HP(研究代表者の所属研究室) :

    • URL

      http://www.wre.kais.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2015-07-15  

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