報告書番号

SS26002

タイトル（和文）

貯水池水質モデルの更新・改良および他の数値モデルとの比較による性能評価

タイトル（英文）

Improvement of reservoir water quality simulation models and performance evaluation by comparison with a different model (CE-QUAL-W2)

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
貯水池内の水質は、流入水の水質だけでなく、取放水の水深や放流の継続時間などの運用条件に大きく影響を受ける。また、調整力としての価値が高まってきた揚水発電の運用変更・新規開発や気候変動にともなう流量の変化などは、貯水池の運用に影響を与える可能性がある。そのため、将来の貯水池水質予測においては、貯水池運用の変化が水質に与える影響を精度よく評価できる数値モデルが求められる。
目　　的
既開発の鉛直一次元および鉛直二次元貯水池水質モデル[1][2]を更新・改良し、従来のモデル[2]との解析精度の比較を行う。また、海外の貯水池において多数の実績を有するCE-QUAL-W2（参照2Dモデル）注1）と比較し、その性能について評価する。
主な成果
1. 鉛直一次元および鉛直二次元貯水池水質モデルの更新と改良
新たに構築した鉛直一次元水質モデル（新1Dモデル）と鉛直二次元水質モデル（新2Dモデル）では、離散化手法を差分法から有限体積法に変更し、大規模出水や流下方向に川幅が急変する場合でも、物質量を適切に保存することを可能とした。
井野場・宮永（2001）[2]が検討対象としたA貯水池について、従来の鉛直二次元水質モデル（旧2Dモデル）と比較を行った。その結果、新2Dモデルは、水位変化や各種水質項目について、旧2Dモデルと同等の再現性を有しており、特に溶存酸素（DO）濃度や植物プランクトンの代替指数であるクロロフィルa（Chl-a）濃度の再現性が向上したことを確認した（図1）。また、新1Dモデルと新2Dモデル、参照2Dモデルと比較した結果、いずれも実測値を概ね再現することを確認した。
2. 新2Dモデルの性能評価
A貯水池に加え、複数の貯水池（B～E貯水池）を対象に、新2Dモデルと参照2Dモデルを用いて、年間を通じた水位の再現性について検討した。また、貯水池の物理的・化学的・生物的な変化に与える影響が最も大きい水温を対象とした性能評価を行った。
その結果、新2Dモデルは、貯水池の水位をよく再現する一方で、参照2Dモデルは、国内の中規模貯水池において、貯水位の誤差が生じやすいことも示された。また、水温の再現性に関する性能評価には、最表層水温と最底層水温とともに貯水池の物理的な特徴となる成層の強さを表すSchmidt stability index（SSI）を用いた。その結果、最表層水温・最底層水温の平均絶対誤差とSSIの平均絶対誤差は、参照2Dモデルと同程度かそれを下回った（図2）。そのため、新2Dモデルは、貯水池の物理的な特徴を適切に評価できることが示された。
今後の展開
揚水発電所を有する貯水池を対象としたモデルの現地適用を通じ、揚水発電が貯水池水質に与える影響について明らかにする。また、既に顕在化しつつある気象・気候の極端化への適応に向け、気候変動が貯水池水質に与える影響についての検討も進める。

概要 （英文）

Water quality problems in dam reservoirs are diverse and often remain challenging to resolve. Numerical models are essential tools for predicting reservoir water quality, evaluating underlying mechanisms, and assessing the effectiveness of management measures. In our in-house vertically one-dimensional and two-dimensional water quality models, the discretization method was changed from a finite difference scheme to a finite volume scheme. As a result, conservation of physical quantities can be maintained even during large flood events and in reaches where the channel width changes abruptly in the longitudinal direction. Furthermore, the model was updated to a modern programming language to ensure long-term maintainability.
Application of these models to previously studied reservoirs showed comparable reproducibility for most water quality variables relative to the conventional models, with improvements observed in dissolved oxygen and chlorophyll-a. Comparison among the new vertically one-dimensional model, the new vertically two-dimensional model, and CE-QUAL-W2 indicated that all models reproduced observed values well. The new vertically two-dimensional model and CE-QUAL-W2 were also applied to multiple reservoirs to evaluate the reproducibility of water level and water temperature throughout the year. For medium-sized reservoirs in Japan, CE-QUAL-W2 showed a tendency to produce water-level discrepancies in long-term simulations and during large flood events, whereas the new vertically two-dimensional model reproduced water levels with higher stability. Evaluation using surface and bottom water temperatures and the Schmidt stability index showed that the mean absolute errors of these variables were comparable to or smaller than those of CE-QUAL-W2. These findings demonstrate that the new model attains physical reproducibility comparable to that of CE-QUAL-W2.

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