| 研究課題/領域番号 |
22K05896
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分41030:地域環境工学および農村計画学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 |
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研究代表者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 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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| 研究開始時の研究の概要 |
農業用水を排水路から反復利用する地区では、降雨や流出トレンドの変化のために、臨機応変な排水機場や堰上げゲートなどの水利施設の操作が求められている。本研究では、排水施設の操作タイミングを、排水路あるいは排水河川の過去の時系列水位データを使って推定する時系列解析手法を確立する。時系列解析モデルを用いて水位のトレンド変化点を検出し、水利施設の操作タイミングとの対応関係から、ポンプの起動やゲートの開閉タイミングを決定するトリガーとなる水位や雨量の閾値を逆推定する。それにより、利水管理と洪水リスク管理の両立を図る排水施設の最適な運用タイミングの探索手段の構築を図る。
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| 研究実績の概要 |
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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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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| 今後の研究の推進方策 |
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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