マルチスケール法による 土壌水分変化からの 水分特性パラメータの推定
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2014年農業農村工学会で発表したスライドです。その後、Geoderma に論文が掲載されました。
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マルチスケール法による 土壌水分変化からの 水分特性パラメータの推定
- 1. マルチスケール法による 土壌水分変化からの 水分特性パラメータの推定 東洋大学経営学部 ○関 勝寿 ストラスブール大学 Philippe Ackerer 土壌水文化学研究室 François Lehmann
- 2. このスライドについて • 2014年の農業農村工学会全国大会で発表した時の スライドです。講演要旨はこちらです。 http://bit.ly/16ZI5S2 • その後、この研究内容が論文として掲載されました。 Seki et al. (2015) Sequential estimation of hydraulic parameters in layered soil using limited data. Geoderma 247: 117-128. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.02.013
- 3. はじめに • 研究の動機：自然状態における土壌水分 変化のデータから、土壌水分特性パラ メータを推定したい。 • 土壌水分モニタリングデータはたくさんあ るので、うまくできれば有用。 • 自然の土壌水分の流れは不均一である ため、精度良い推定は難しい (Vereecken et al., 2008)。 • 精度は低くてもいいから、とりあえずやっ てみよう。
- 4. やったこと • 現場データからの数値計算による水分特性 パラメータの推定 • 現場データ (Seki et al., 2010) インドネシアの熱帯雨林で測定された土壌水 分変化と降水量 • 数値計算手法 (Hayek et al. ,2008) 一次元有限要素法逆解析における マルチスケール法 (adaptive multi-scale parameterization method)
- 5. 調査地 (Seki et al., 2010) • インドネシア・カリマンタン島の熱帯雨林森林土壌 HD区 K区 20 cm (砂) 30 cm (砂壌土) 土壌水分測定 FDRプローブ ECH2O, EC-10 10 cm 20 cm
- 6. 解析 • Richards式による一次元有限要素法 • 深さ100 cm、上部50cmが0.5cm刻み、下部 50cmが1cm刻みのメッシュ • 水分特性パラメータを逆解析で推定 • 順解析：2005年10月1日から75日間の降水量 • 目的関数：30～75日の土壌水分量
- 7. 初期条件と境界条件 • 初期条件 圧力水頭： -10000 cm • 境界条件 – 上部境界条件 • 設定フラックス：実測降水量と可能蒸発速度 3.7 mm/day （Penman-Monteith 式から） • 最小圧力水頭 -105 cm 以下は圧力一定 – 下部境界条件 • ゼロ圧力勾配 ∂h/ ∂z = 0
- 8. 土壌水分特性モデル • 土壌水分特性モデルは、Brooks and Corey - Mualem 式を採用した。 • パラメータの初期値は、不撹乱試料から測定 した水分特性曲線を用いた。 • 比較のために、4種類のPTF (PedoTransfer Function) から推定したパラメータを初期値と して計算した。PTF 推定の初期値は、実測値 とは大きく乖離していた。
- 9. マルチスケール法 (Hayek et al, 2008) (1) Homogeneous (2) 2 zones 1st discontinuity 不連続深さ (3) 3 zones 2nddiscontinuity 均一土壌から、順次成層を増やしてパラメータを決定
- 10. マルチスケール法 • 最初は全層が均一の条件でパラメータを最適化 する。 • 不連続深さを決めるために、深さごとに改良指 数 (refinement indicator) を計算。 • 改良指数が一定値以上の深さを不連続深さの 候補とする。 • 順次不連続深さを決定して2成層、3成層、と成 層を増やす。 • パラメータの自由度を段階的に上げることで、推 定の安定性を上げている。
- 11. 改良指数の計算方法 この領域のパ ラメータ変化 に対する、目 的関数変化の 微分係数から、 改良指数を計 算する。 厳密な定義は Hayek et al. (2008) を参照
- 12. モデルの改良 • 土性が上層と下層で大きく異なるHD区では、 最初の均一土壌における推定を、上層の水 分量のみを用いた。 • パラメータ (Ks, θs, θr, α, n, λ) ごとの改良指数 を用いて、自由度の増加をさらにゆっくりとさ せた。すなわち、改良指数が大きいパラメー タから順番に最適化した。
- 13. 結果：改良指数 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 深さ(cm) 改良指数 K区 HD区 不連続 深さ
- 14. 結果：HD区 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 30 40 50 60 70 Watercontent Time (days) 上層（20cm 砂） 下層（30cm 砂壌土）測定値 計算値
- 15. 水分特性曲線の推定値と実測値 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 10 100 1000 10000 Waterconent Matric suction (cm) 測定値 実測初期値 PTF初期値1 PTF初期値2 PTF初期値3 PTF初期値4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 10 100 1000 10000 Matric suction (cm) HD上層 HD下層 初期値の選び方に対して、それなりに頑強であった。
- 16. 結果：K区 上層（10cm） 下層（20cm） 0.2 0.25 0.3 0.35 30 40 50 60 70 Watercontent 測定値 計算値 0.2 0.25 0.3 0.35 30 40 50 60 70 Watercontent Time (days) 撥水性による 不均一流の 影響？
- 17. 水分特性曲線の推定値と実測値 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1 10 100 1000 10000 Waterconent Matric suction (cm) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1 10 100 1000 10000 Matric suction (cm) K上層 K下層 頑強さは、HD区と比べると劣った。