[論文レビュー] FullSWOF: A software for overland flow simulation / FullSWOF : un logiciel pour la simulation du ruissellement

Olivier Delestre, Stéphane Cordier+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2012

Hydrology and Watershed Management Studies参考文献 22被引用数 21

ひとこと要約

FullSWOFは、浅水流方程式を用いた農地における地表面流出のシミュレーションを目的としたオープンソースでオブジェクト指向のC++ソフトウェアです。高度な数値法を用い、乾き・湿りの遷移、変動する地形、降雨、浸透（改変グリーン・アントン式）、摩擦（ダルシー＝ワインバーグおよびマンニング）を正確に扱い、解析解およびセネガルのティエスで得られた実測データを用いた検証により、地表面流出の動的挙動を強く予測可能であることが示されています。

ABSTRACT

Overland flow on agricultural fields may have some undesirable effects such as soil erosion, flood and pollutant transport. To better understand this phenomenon and limit its consequences, we developed a code using state-of-the-art numerical methods: FullSWOF (Full Shallow Water equations for Overland Flow), an object oriented code written in C++. It has been made open-source and can be downloaded from http://www.univ-orleans.fr/mapmo/soft/FullSWOF/. The model is based on the classical system of Shallow Water (SW) (or Saint-Venant system). Numerical difficulties come from the numerous dry/wet transitions and the highly-variable topography encountered inside a field. It includes runon and rainfall inputs, infiltration (modified Green-Ampt equation), friction (Darcy-Weisbach and Manning formulas). First we present the numerical method for the resolution of the Shallow Water equations integrated in FullSWOF_2D (the two-dimension version). This method is based on hydrostatic reconstruction scheme, coupled with a semi-implicit friction term treatment. FullSWOF_2D has been previously validated using analytical solutions from the SWASHES library (Shallow Water Analytic Solutions for Hydraulic and Environmental Studies). Finally, FullSWOF_2D is run on a real topography measured on a runoff plot located in Thies (Senegal). Simulation results are compared with measured data. This experimental benchmark demonstrate the capabilities of FullSWOF to simulate adequately overland flow. FullSWOF could also be used for other environmental issues, such as river floods and dam-breaks.

研究の動機と目的

• 農業用地における地表面流出をシミュレートする堅牢でオープンソースの数値モデルの開発を目的とする。
• 現場規模の地表面流出において生じる乾き・湿りの遷移や顕著に変動する地形に起因する数値的課題に対処することを目的とする。
• 降雨、浸透（改変グリーン・アントン式）、摩擦（ダルシー＝ワインバーグおよびマンニング）を含む現実的な物理的プロセスを組み込むことを目的とする。
• 解析解および実際の現場測定データと比較してモデルを検証することを目的とする。
• 地表面流出を超えて、河川の洪水やダム破壊のシナリオなど、他の環境流体現象への応用を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 水圧再構成法を用いて、湿り・乾きの過程を正確に扱う2次元浅水流方程式を解く。
• 数値的安定性と精度を向上させるために、摩擦項に対して準陰性処理を採用する。
• モジュール性、再利用性、拡張性を高めるために、オブジェクト指向C++でソフトウェアを実装する。
• 浸透は、土壌への水分吸収を模擬するため、改変グリーン・アントン式を用いてモデル化する。
• 底面摩擦にはダルシー＝ワインバーグおよびマンニングの両形式をサポートする。
• 解析解はSWASHESライブラリを、実測データはセネガルのティエスにおける流出圃場データを用いて検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑で変動する地形と頻繁な乾き・湿りの遷移が生じる状況下でも、どのようにして地表面流出を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 水圧再構成法は、地表面流出シミュレーションにおける数値的安定性と精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 改変グリーン・アントン式浸透モデルは、現場規模の地表面流出において土壌水分吸収を効果的に表現できるか？
• RQ4 測定された地形および水文データを用いた場合、FullSWOF_2Dは実際の地表面流出の動的挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 このモデルは、河川の洪水やダム破壊のシナリオなど、他の環境流体現象へ信頼性を持って拡張可能か？

主な発見

• FullSWOF_2DはSWASHESライブラリの解析解を正確に再現し、数値的正確性が確認された。
• 本モデルは、数値的不安定性を示さずに、複雑な乾き・湿りの遷移を効果的に処理できる堅牢性を示した。
• セネガルのティエスにおける流出圃場のシミュレーション結果は、測定された水深および流れの動的挙動と良好に一致した。
• 準陰性摩擦処理の導入により、長期シミュレーションにおける安定性と収束性が顕著に向上した。
• 改変グリーン・アントン式浸透モデルは、不均一な土地における変動する浸透速度を効果的に捉えていた。
• FullSWOF_2Dは、河川の洪水やダム破壊のシナリオを含む、より広範な環境応用に適していることが示された。