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地表水と地下水を「同時に解く」Tightly Coupled解析
河川、地表流、土壌水分、地下水。 実際の水循環では、これらは互いに影響しながら変化しています。
HydroGeoSphere（HGS）の大きな特長が、 Tightly Coupled（密結合）による統合解析です。
地表水モデルと地下水モデルを別々に計算して結果を受け渡すのではなく、 異なる領域の支配方程式を一つの係数行列に組み込み、 同時に解きます。
これにより、地表と地下の間で発生する水交換を含め、 相互作用を一つの数値モデルとして扱うことができます。
HGSではDual Nodeによる連成も利用でき、 地表・地下など異なるDomain間の水交換を明示的に計算できます。
3D地下水から地表流・河川・井戸まで一つのモデルへ
HGSでは、地下領域を 3次元の変動飽和流として計算します。
Richards' Equationを用いることで、 飽和地下水だけでなく、 地下水面より上の不飽和帯における土壌水分の変化も解析対象となります。
一方、地表領域では 2次元のDiffusive Wave Equationを使用し、 河川や氾濫原などの比較的緩やかな地表流を解析します。
さらに、一つのモデル内に次のようなDomainを組み込むことができます。
- Porous Medium：地下の多孔質媒体
- Surface / Overland Flow：地表水・地表流
- Fracture：亀裂
- Channel：河川・水路
- Well：井戸
- Tile Drain：タイルドレイン・暗渠排水
- Dual Continuum：二重連続体
- Evapotranspiration：蒸発散
「地下水だけ」「河川だけ」と切り分けず、 実際の水循環に近い形で複数の領域をつなげられることが HGSの強みです。
水収支を支えるCVFEMと質量保存
統合水文モデルでは、 水がどこから入り、どこへ移動し、どこから出ていったのかという 水収支が重要になります。
HGSでは、 Control Volume Finite Element Method（CVFEM） を採用しています。
CVFEMは、有限要素法（FEM）が持つ複雑な形状への対応力と、 有限体積法（FVM）の保存性を組み合わせた手法です。
メッシュの各NodeにControl Volumeを設定し、 その領域における質量収支を計算することで、 局所的な質量保存を実現します。
HGSでは各タイムステップにおける詳細なWater Balanceも出力できるため、 モデル全体の水収支を確認しながら解析を進めることができます。
蒸発散・溶質・熱・凍結融解まで含む水循環解析
HGSで扱えるのは、水の流れだけではありません。
蒸発散ではPotential Evapotranspiration（PET）を境界条件として与え、 植生特性、地下の飽和状態、降雨分布などを考慮して Actual Evapotranspiration（AET）を計算します。
AETには、 キャノピー蒸発、地表面蒸発、地下からの蒸発、 地下からの蒸散などが含まれます。
さらに、次のようなプロセスも解析できます。
- Solute Transport（溶質輸送）
- Reactive Transport（反応性輸送）
- Density Dependent Flow（密度依存流）
- Geothermal Energy Transport（地熱エネルギー輸送）
- Snowmelt / Accumulation（積雪・融雪）
- Pore-water Freeze / Thaw（間隙水の凍結・融解）
- Particle Tracing（粒子追跡）
水量だけでなく、 水とともに移動する物質や熱、 季節変化を含む水文プロセスまで 一つの解析環境で扱うことができます。
フィールドから大規模流域まで対応
水文解析では、 農地や施設周辺などの局所的なモデルと、 河川流域などの広域モデルでは 必要となる解析スケールが大きく異なります。
HGSは、フィールドスケールから地域、 サブ流域、主要河川流域、 さらに広域なモデルまで構築できます。
地形、気候、土地被覆、土壌、地質などの空間データを利用し、 解析対象に応じた3次元メッシュを構築できます。
ASCII、GeoTIFF、netCDFなどのラスターデータに加え、 Point、Polyline、Polygon形式のShapefileにも対応しているため、 GISデータを利用したモデル構築も可能です。
解析から3D可視化までのHGSワークフロー
HGSの基本的な解析フローは、 GROK → PHGS → HGS2VTU / HSPLOT → Visualization という構成です。
-
grok.exe
.grokファイルに記述されたメッシュ、材料特性、初期条件、 境界条件などのモデル設定を処理し、 HGSの入力ファイルを生成します。 -
phgs.exe
数値シミュレーションを実行します。 SerialまたはParallelでの計算に対応しています。 -
hgs2vtu.exe / hsplot.exe
シミュレーション結果を、 ParaViewやTecplotで利用できる形式へ変換します。
出力できる情報も、 Hydraulic Head、Saturation、Surface Water Depth、 Groundwater Table、Exchange Flux、Surface Flow Rateなど多岐にわたります。
また、Observation Point、Observation Well、 Surface Flow Hydrograph、Soil Water Balance、 Water Table、Polygon Tracking、Fluid Volumeなどを利用し、 必要な地点や領域だけを追跡することもできます。
まとめ
HydroGeoSphereのポイントは、 地表水と地下水を単に「連携」させるのではなく、 同じ物理システムの中で同時に解析することにあります。
- 地表水と地下水をTightly Coupledで統合
- 3D飽和・不飽和地下水流と2D地表流を連成
- CVFEMによる局所的な質量保存
- 蒸発散、溶質、熱、亀裂、積雪・融雪、凍結融解を解析
- GISデータを利用したモデル構築
- フィールドから大規模流域まで対応
- ParaViewやTecplotによる解析結果の可視化
地表水と地下水の相互作用や、 複雑な水収支を一つのモデルとして評価したい場合、 HGSの完全統合型アプローチは有力な選択肢となります。
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