[論文レビュー] HydroPol2D -- Distributed Hydrodynamic and Water Quality Model: Challenges and Opportunities in Poorly-Gauged Catchments

Marcus N. Gomes, César Ambrogi Ferreira Lago+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2023

Hydrology and Watershed Management StudiesEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

HydroPol2D は、データが乏しい都市化流域における雨水流出量および汚染物質の輸送をシミュレートすることを目的とした分散型2次元水理・水質モデルである。グリーン・アントン浸透、堆積物の蓄積と洗い出しプロセス、および運動量に基づく流れのダイナミクスを統合し、1年頻度の降雨イベントにおいて、TSS濃度（456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²）と高い最初のフラッシュ効果（全TSSの89% ± 10% が全流出量の30%に集中して洗い出される）を良好に再現した。

ABSTRACT

Floods are one of the deadliest natural hazards and are fueled by excessive urbanization. Urban development decreases infiltration by reducing pervious areas and increases the accumulation of pollutants during dry weather. During wet weather events, there is an increase in the levels of pollution concentrations and stormwater runoff that eventually reach creeks and rivers. Polluted stormwater runoff may be sources of water supply. Modeling the quantity and quality dynamics of stormwater runoff requires a coupled hydrodynamic module capable of estimating the transport and fate of pollutants. In this paper, we evaluate the applicability of a distributed hydrodynamic model coupled with a water quality model (HydroPol2D). First, the model is compared to GSSHA and WCA2D in the V-Tilted catchment, and the limitation of the critical velocity of WCA2D is investigated. We also applied the model in a laboratory wooden board catchment, focusing on the validation of the numerical approach to simulate water quality dynamics. Then, we apply HydroPol2D in the Tijuco Preto catchment, in Sao Carlos - Brazil, and compare the modeling results with the full momentum solver of the Hydrologic Engineering Center - River System Analysis (HEC-RAS). The model implementation, the governing equations, and the estimation of input data are discussed, indicating the challenges and opportunities of the application of distributed models in poorly-gauged catchments. For a 1-yr return period of rainfall and antecedent dry days and assuming an uncertainty of $40\%$ in the water quality parameters, the results indicate that the maximum concentration of total suspended solids (TSS), the maximum load and the mass of the pollutant washed in $30\%$ of the volume are, $456~\pm~260~\mathrm{mg.L^{-1}.km^{-2}}$, $\mathrm{2.56 \pm 0.4~kg.s^{-1}.km^{-2}}$, and $\mathrm{89\%~\pm~10\%}$, respectively.

研究の動機と目的

• データが乏しい都市化流域に適した分散型水理・水質モデルの開発を目的とする。
• WCA2D などの既存モデルにおける臨界速度制限がシミュレーション精度に与える影響を評価することを目的とする。
• 木製板の流域から得られた実験的データを用いて、水質モジュールの検証を実施することを目的とする。
• 観測データが限られる実際のデータが乏しい都市流域（ブラジル・チウコ・プリュトー）に HydroPol2D を適用することを目的とする。
• 降雨および乾燥日条件の変動に伴う、表面流出の時空間的ダイナミクス、汚染物質濃度および負荷の動態を特定することを目的とする。

提案手法

• 2次元平均水深浅水域方程式の解法に、明示的有限体積法を用いた水理シミュレーションの実装。
• 都市の不透水および透水表面における流出生成をシミュレートするため、グリーン・アントン浸透モデルを統合。
• 実験データに合わせてキャリブレーションされた経験的係数を用いて、全懸濁固形物（TSS）の蓄積と洗い出しモジュールを統合。
• 数値的安定性と複雑な地形における性能向上のため、線形化手法と適応的時間刻み幅を採用。
• 汚染物質パラメータの不確実性を ±40% で定量化し、データが乏しい状況下でのモデルの頑健性を評価。
• ベンチマークケースにおいて HEC-RAS の全運動量ソルバーや GSSHA/WCA2D と比較し、性能と正確性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流れの速度を臨界値に制限することは、洪水シミュレーションにおけるモデル性能にどのように影響するか？
• RQ2 HydroPol2D の水質モジュールは、制御された実験室環境下で TSS の蓄積と洗い出しプロセスを正確に再現できるか？
• RQ3 HydroPol2D は、観測データが限られる実際のデータが乏しい都市流域において、流出量および流出質をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ4 1年頻度の降雨および事前乾燥日が5日である条件下で、主な汚染物質輸送ダイナミクス、特に最初のフラッシュ効果はどのようなものか？
• RQ5 洗い出しパラメータの不確実性は、TSS 負荷および濃度推定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• 流れの速度を臨界値に制限することは、モデル性能を顕著に低下させ、これが正確な洪水シミュレーションには不適切であることを示した。
• HydroPol2D の水質モジュールは、木製板の流域から得られた実験データに基づき、成功裏にキャリブレーションおよび検証され、TSS の蓄積と洗い出しプロセスを再現できる能力を確認した。
• 5日間の事前乾燥日を伴う1年頻度の降雨イベントにおいて、流出断面での最大 TSS 濃度は 456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²（km²あたり正規化）であった。
• 流出断面での最大 TSS 負荷は 2.56 ± 0.4 kg·s⁻¹·km⁻² であり、ピーク流量時に高い汚染物質排出が生じていることを示した。
• 洗い出し比係数は 0.63 ± 0.11 であり、イベント平均濃度（EMC）は 131.59 ± 16 mg·L⁻¹ であった。これは、顕著な汚染物質の移動を示している。
• 全TSS質量の89% ± 10% が、全流出量の30%に集中して洗い出された。これは、チウコ・プリュトー流域で強い最初のフラッシュ現象が発生していることを示している。