水文学的最適化は、水関連の問題に数理最適化手法（動的計画法、線形計画法、整数計画法、二次計画法など）を適用します。これらの問題は、表層水、地下水、あるいはその両方を対象とします。この研究は学際的であり、水文学者、土木技術者、環境技術者、オペレーションズ・リサーチャーなどが担当します。
シミュレーションと最適化
地下水と地表水の流れは、水文シミュレーションによって研究できます。この研究によく使われるプログラムはMODFLOWです。しかし、シミュレーションは記述的なものであるがゆえに、シミュレーションモデルは管理上の意思決定に容易に役立つわけではありません。シミュレーションは、特定の条件が与えられた場合に何が起こるかを示します。一方、最適化は、特定の条件に対する最適な解を見つけます。最適化モデルは3つの部分から構成されます。
- 「コストを最小化する」などの目標
- 経営に利用可能な選択肢に対応する意思決定変数
- 制約は、オプションに課せられる技術的または物理的な要件を記述します。
水文最適化を行うには、最適化の制約係数を求めるためのシミュレーションを実行します。エンジニアや管理者は、一連の可能な決定に関連するコストや便益を追加し、最適化モデルを解いて最適な解を見つけることができます。
水文学的最適化によって解決される問題の例
- 帯水層における汚染物質の浄化。[ 1 ]意思決定問題は、汚染物質の拡散を防ぐためのコストを最小化するために、井戸をどこに設置し、揚水速度を選択するかである。制約条件は水文地質学的流れに関連する。
- 湿地改善のための水配分。この最適化モデルは、優先鳥類の湿地生息地の改善を目的とした水配分と侵入植生の抑制を推奨する。これらの推奨は、水の利用可能性、空間的連結性、水利インフラの容量、植生の反応、利用可能な財源といった制約の影響を受ける。[ 2 ]
- 環境流量制約のもとで井戸からの水抽出を最大化する。[ 3 ]目標は、各ユーザーの水使用が他のユーザーや環境に与える影響を可能な限り正確に測定し、利用可能な実行可能なソリューションを最適化することである。
- 水質の改善。シンプルな最適化モデルは、流域内の過剰な栄養素を削減するための最良の管理方法の組み合わせをコスト最小化で特定します。 [ 4 ]
PDE制約最適化
偏微分方程式（PDE）は水文学的プロセスを記述するために広く用いられており、水文学的最適化において高い精度を実現するには、PDE制約を最適化に組み込むよう努めるべきであることを示唆しています。水文学において用いられるPDEの一般的な例としては、以下のものがあります。
入力として考慮すべきその他の環境プロセスには次のものがあります。
参照
参考文献
- ^ Ahlfeld, David P.; Mulvey, John M.; Pinder, George F.; Wood, Eric F. (1988). 「シミュレーション、最適化、感度理論を用いた汚染地下水浄化設計：1. モデル開発」.水資源研究. 24 (3): 431– 441. Bibcode : 1988WRR....24..431A . doi : 10.1029/WR024i003p00431 . ISSN 1944-7973 .
- ^ Alminagorta, Omar (2016). 「堤防湿地の水生態学的パフォーマンスを改善するためのシステムモデリング」 .水資源研究. 52 (9): 7070– 7085. Bibcode : 2016WRR....52.7070A . doi : 10.1002/2015WR018105 . S2CID 31097159 .
- ^フェイエン, リュック;ゴレリック, スティーブン M. (2005). 「生態学的に敏感な地域における最適な地下水資源管理のための透水係数データの価値を評価する枠組み」.水資源研究. 41 (3): 03019.書誌コード: 2005WRR....41.3019F . doi : 10.1029/2003WR002901 . S2CID 108490062 .
- ^アルミナゴルタ、オマール；テスファション、ベレケト；ローゼンバーグ、デイビッド・E；ニールソン、ベサニー (2013). 「ユタ州エコー貯水池におけるリン負荷軽減のための最善の管理方法を決定するための簡易最適化手法」 .水資源計画・管理ジャーナル. 139 : 122–125 . doi : 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000224 .
- ^ Santhosh, Apoorva; Farid, Amro M.; Youcef-Toumi, Kamal (2014). 「エネルギー・水ネクサスの供給側におけるリアルタイム経済的ディスパッチ」（PDF） . Applied Energy . 122 : 42– 52. Bibcode : 2014ApEn..122...42S . doi : 10.1016/j.apenergy.2014.01.062 . 2020年9月25日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年8月9日閲覧。
- ^ Dandy, Graeme C.; Simpson, Angus R.; Murphy, Laurence J. (1996). 「パイプネットワーク最適化のための改良遺伝的アルゴリズム」(PDF) .水資源研究. 32 (2): 449– 458. Bibcode : 1996WRR....32..449D . doi : 10.1029/95WR02917 . hdl : 2440/1073 . S2CID 16097463. 2019年8月10日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
さらに読む
- Boyd, Stephen P. ; Vandenberghe, Lieven (2004).凸最適化(PDF). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83378-3。
- Loucks, Daniel P.; van Beek, Eelco (2017) .水資源システムの計画と管理：方法、モデル、およびアプリケーション入門. Springer. ISBN 9783319442327。
- ノセダル、ホルヘ、ライト、スティーブン（2006）「数値最適化」 、シュプリンガー・オペレーションズ・リサーチ・アンド・ファイナンシャル・エンジニアリング・シリーズ、シュプリンガー。ISBN 9780387303031。
- Qin, Youwei; Kavetski, Dmitri; Kuczera, George (2018). 「水文学モデルの最適化のためのロバストなガウス・ニュートン法：業界標準アルゴリズムとのベンチマーク」水資源研究54 ( 11): 9637-9654.
- タイフル、ゴクメン (2017). 「水資源計画、工学、管理における最新の最適化手法」『水資源管理』31 : 3205-3233.
外部リンク
