MRIによる積雪内選択流の形成理論に基づく新しい浸透計算スキームの開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K04960
• Research Institution: Forest Research and Management Organization
• Principal Investigator: 勝島 隆史 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 等 (00611922)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安達 聖 国立研究開発法人防災科学技術研究所, 雪氷防災研究部門, 特別研究員 (80719146)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: MRI / 選択流 / フィンガー流 / 積雪モデル / 浸透計算 / Invasion percolation

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、春先の急激な融雪や積雪への降雨による雪崩や融雪洪水、地すべりなどの融雪災害の発生メカニズムの解明と予測技術の高精度化のために、独自開発した最新のMRIによる非破壊測定技術を用いて積雪内部の選択的な水の流れ（選択流）の形成過程を解明することと、気象データから積雪の内部構造や積雪底面からの流出を数値再現する積雪モデルにおいて選択流の振る舞いを取り扱う新しい浸透計算スキームを開発することを目的としたものである。
まず選択流の形成過程を解明するために、選択流の広がりと上下の積雪層の毛管力差異の関係を明らかにする浸透実験を行った。浸透実験は、自然積雪から採取した雪試料を対象としてMRIの筐体内において行った。また、雪試料をX線μCTにより3次元撮影し、得られた浸透現象と雪試料の間隙の内部構造とを関連付ける解析を行った。その結果、選択流の広がりは上下の積雪層の毛管力差異に関係し、間隙径の大きな雪ほど層内に生じる毛管力差異が小さいことが明らかにした。
次に、多孔質体中の流体が別の流体に置換する過程をモデル化したインベーションパーコレーションに基づいて、間隙スケールの浸透現象を直接計算する手法を開発した。そして、開発したモデルを用いて、自然積雪から採取した試料を対象としてX線μCTにより取得した雪の3次元構造データに対して浸透のシミュレーションを行った。その結果、同試料に対するMRIを用いた浸透実験により観察された選択流の形成や、選択流の広がりを、計算により概ね再現できることが確認された。
最終年度は、密度が比較的低い雪試料を用いて浸透実験を実施し、浸透現象の事例を追加した。