2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of rainfall-runoff and flood inundation integrated analysis model and parameter optimization method for basinwide comprehensive flood disaster prevention
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21K04277
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
重枝 未玲 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70380730)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 流域治水 / 降雨流出・洪水氾濫一体解析モデル / パラメータ最適化 / 令和2年7月豪雨 / 球磨川流域 / 実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，記録的な豪雨による水害が頻発している．その対策として流域全体で持続可能な治水を行うための流域治水が求められている．流域治水では流域全体での雨水の挙動を把握し，各支川流域での対策の効果を見積もることが不可欠である．本研究は，降雨を外力として，地中・地表面流から河道や氾濫原での洪水流・氾濫流を一体的に取り扱うことで流域全体での雨水の挙動を把握し，流域治水に供する「降雨流出・洪水氾濫一体解析モデル」の開発を目的としている．当該年度では，以下の(1)～(4)を実施した．
(1)降雨流出・洪水氾濫一体解析モデルの開発：地表面流，洪水・氾濫流をdynamic waveモデルで扱う自由表面流モデルに，飽和・不飽和流をdiffusion wave モデルで扱う地中流モデルを導入することで，「降雨流出・洪水氾濫一体解析モデル」を構築した．
(2)解析パラメータの効率的最適法の検討：ベイズ最適化法に基づくパラメータ最適化法を検討した．双子実験に基づき，同手法による解析パラメータと設定パラメータの再現性を確認することで，同手法の有効性を検討した．さらに，目的関数に2乗誤差やNash-Sutcliffe 係数等を用いた解析を実施し，目的関数がパラメータの収束性に及ぼす影響や，複数パラメータの最適化時の収束を検討した．
(3)分流・横越流の実験結果の取得：水位情報に基づくパラメータ最適化手法の検証のための実験データの取得を目的に，分流・築堤河道での実験を行い，水面形，分流部での分流流量，堤防からの越流流量のデータを取得した．
(4)実流域への適用：令和2年7月豪雨時の球磨川流域を対象に，現地データを収集・整理し，球磨川流域の解析データを作成した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度では，(1)降雨流出・洪水氾濫一体解析モデルの開発，(2)パラメータ最適化法の開発，(3)実験結果に基づく(2)の検証，(4)球磨川流域の現地データの収集を行う予定であった．
(1)については，自由表面流モデルに飽和・不飽和流を考慮した流積流量関数とdiffusion wave モデルを用いた地中流モデルを導入し，新たな「降雨流出・洪水氾濫一体解析モデル」を構築した．自由表面流モデルには，ドライ・ウェット状態となる地表面の取り扱いの改良を加えることで安定した解析を実施できるように改良を加えた．なお，中央演算処理装置による並列化は実装が終了しており計算効率は向上したが，画像演算装置による並列計算については，ソースコードの全てを見直す必要が出てきたことから予想以上に時間を要している．
(2)については，双子実験により，同手法による解析パラメータは設定パラメータに近づくが，最適化を実施するパラメータが複数ある場合には解析数が数多く必要であり，計算効率の向上が必須であること，目的関数の影響は小さいことが確認された．
(3)については，水位情報に基づくパラメータ最適化手法の検証のための実験データの取得を目的に，分流・築堤河道での実験を行い，水面形，分流部での分流流量，堤防からの越流流量のデータを取得した．(1)の計算速度向上が実施できれば，最適化手法の検証も実施できる状況にある．
(4)については，令和2年7月豪雨時の球磨川流域を対象に，現地データを収集・整理し，人吉市街地での市街地構造を除いた，球磨川流域の解析データを作成した．
このように，研究(1)の画像処理装置による並列計算には若干遅れが生じているが，他については概ね計画通りに，また，現地データの収集や解析データの作成については若干早く実施されており，本研究の進捗状況は概ね順調である．
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度に構築した「降雨流出・洪水氾濫一体解析モデル」の計算効率の向上を目的に，中央演算処理装置と画像演算装置による並列計算が可能とするように，ソースコードの見直しを実施する．CUDAやMETAL等の画像演算装置によるプログラム言語に関する資料とそのコーディング方法については準備が終了しており，現在，ソースコードの改良に取り組んでいる状況である．この計算効率を向上させた同モデルに基づき，モデルパラメータの最適手法の開発とその検証を引き続き実施する．
最適化手法については，河道の抵抗に関するパラメータだけでなく流域のパラメータについても，水位を境界条件とした解析より得られる流量ハイドログラフ，または観測水位ハイドログラフなどの水位情報に基づく手法を検討する．最適化を実施するパラメータが複数ある場合については，支配的なパラメータの抽出とその効率的な最適化手順について検討し，効率的な最適化法を検討する．河道の抵抗に関するパラメータについては，昨年度取得した実験データに基づき，地中流に関するパラメータ最適化については，今年度実施予定のモデル土壌での浸透流，飽和・不飽和側方流・表面流の実験結果に基づき，モデルの予測精度と最適化法の効率手について検証する．
実流域の適用については，国土地理院の道路線形等のデータを用いた氾濫原の市街構造を考慮でき，かつ作成効率と計算効率の高い解析データ作成の方法を検討する．
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| Causes of Carryover |
今年度，画像演算装置による並列計算については，ソースコードを改良する予定であったが，画像演算装置による計算法による資料が少なく，また，ソースコードの全てを見直す必要があることから，予想以上に時間が必要となった．そのため，同結果の発表を次年度行うこととし，次年度使用額が生じた．
未使用額については，中央演算処理装置と画像演算装置を用いた解析手法の開発とその検証に関する論文投稿料に充てる予定である．
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