2023 Fiscal Year Research-status Report
Optimal approach with inverse estimated algorithm for irrigation and drainage facilities control
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22K05896
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| Research Institution | National Agriculture and Food Research Organization |
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Principal Investigator |
中田 達 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 主任研究員 (10584336)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 灌漑排水 / 時系列応答解析 / 排水路 / 水利施設 / 反復利用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
農業排水路をゲートで堰上げ、そこからの水を農業用水として反復利用している茨城県南部の低平水田地帯を対象地区として、農業排水路の堰上げゲートの上流および下流に水位計を設置し、灌漑期間中の水位の時系列データを収集した。観測結果から、対象地区は灌漑期にできるだけ高い水位を維持する方策を取っており、日常的な降雨量であっても溢水を防ぐために数cm程度の少量のゲート操作がなされていたことがわかった。その場合、時系列解析モデルでは小さなゲート開閉量を抽出することは容易ではない。そこで、地区の排水解析モデルを構築し、仮想の降雨イベントと任意のタイミングにおけるゲート開閉を与えて、ゲートの完全開閉を前提とした水位変動データを多量に生成することとした。
水理解析モデルの構築においては、排水ブロックから河道・排水路への流出量をタンクモデルを用いて計算し、河道・排水路の流れは1次元非定常流計算を用いて降雨イベントを再現した。堰上げゲートの制御は内部境界条件として与えられる。ゲートの操作タイミングを変えたシナリオ分析からは、①ある閾値の雨量におさまることが判明した場合はゲートを開放しなくても溢水のリスクは低いこと、②実際に行われた操作より早いタイミングで開放操作をしても水位の回復に影響はほとんどないこと、③ゲートの閉鎖タイミングが遅くなった場合には利水に支障がでる可能性があることが分かった。ゲート操作の省力化や夜間時の操作事故リスクの低減のためには、元圦取水の有無を含む実時間観測網から得られる情報をもとにモデルシミュレーションを行うことで降雨に対する適切な操作を提示できることが示唆された。
時系列解析の一種であるARIMAXモデルに、物理モデルによるシナリオ分析から得られる時系列水位データ、および外力項として、雨量ならびに元圦取水の有無を入力し、ゲートの開放タイミングを抽出する解析に着手した。
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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
対象地区を選定し、灌漑期間中に農業排水路の堰上げゲートの上流および下流に水位計を設置し、水位の時系列データを収集を継続中である。ただし頻繁に数cm程度の少量のゲート操作がなされていたことがわかり、生データを時系列解析ARIMAXモデルへの入力としてゲートの開放タイミングを抽出する解析することには適用上の限界があることが判明した。そのため、1次元非定常流水利解析モデルを構築して降雨イベントを再現し、水位等の時系列データを生成する手法に転換した。現在までに、物理モデルによるシナリオ分析から必要な時系列水位データを蓄積でき、時系列解析に着手できていることから、進捗状況としてはおおむね順調であると言える。
また、雨量や水位のリアルタイム情報に加えて、元圦取水の有無よいった情報が降雨に対する適切な操作に重要であることをモデルシミュレーションによって提示することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
時系列解析による施設操作の運転トリガー閾値の学習では、物理モデルによって得られた時系列水位データ、および外力項として、雨量ならびに元圦取水の有無を入力し、ゲートの開放タイミングのトリガーとなる閾値を推定する解析を進める。ゲートの開閉を閾値で表現する制御アルゴリズムを水理モデル解析の内部境界条件として組み込み、現況の水理現象の再現性にかかるアルゴリズムの適正度の検証を行う。アルゴリズムのトリガー閾値や制御レンジを様々に変えて水理モデル解析による渇水・洪水リスクのシナリオ分析を行うことで、現況の流況特性に合致した最適な運用方法を提案する。
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| Causes of Carryover |
時系列解析モデルの解析についても23年度にアウトソーシングを予定していたが、水理モデルとあわせて網羅的に解析をすることで効率化を図ることとし、24年に計上を予定している。
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