[A-GE34] 地質媒体における流体移動、物質移行及び環境評価

[AGE34-04] パラメータ最適化を活用した土壌凍結過程の数値シミュレーションの開発

*菊地 駿¹、斎藤 広隆¹、大石 雅人²、渡辺 晋生³、藪内 友佑³ (1.東京農工大学、2.株式会社精研、3.三重大学)

キーワード：土壌凍結、数値計算、パラメータ推定、モデル妥当性検証

土壌凍結・融解過程における水分移動は熱の供与源となり，凍土形成に強い影響を及ぼす．特に，凍結や融解，地下水流れに起因する水分移動は熱の移動と密接に関係し，その結果として温度場や含水率，含氷率分布が変化する．この現象は，寒冷地域のインフラ設計や農業環境に深く関係しており，道路の凍害や建築物の基礎構造の安定性に影響を及ぼす．寒冷地の道路や鉄道の維持管理には，凍結・融解の物理メカニズムの理解が不可欠である．
また，農業分野においても土壌凍結は作物の根圏環境を左右し，特に冬季における作物の越冬や早春の生育に大きな影響を与える．また，森林や生態系への影響も無視できず，凍結・融解が土壌の水分供給や排水特性を変化させることで，植物の成長や地下水涵養にも影響を及ぼす．このように，土壌凍結・融解過程の解明は，広範な分野において必要とされる．
土壌凍結・融解過程の数値計算手法としては，支配方程式として凍結を考慮した熱移流拡散方程式とリチャーズ式を連成したモデルが広く用いられている．これらの支配方程式を数値的に解くために，一般化クラウジウス・クラペイロン（Generalized Clausius–Clapeyron, GCC）式と水分保持関数を組み合わせ，温度と不凍水量の関係式を得る．GCC式は，液相と氷相の平衡に基づき，凍結土壌内の不凍水圧力を精度良く記述する手法である．経験則的な式とは異なり物理的な背景を持つため，適用範囲が広く，異なる土壌に対しても水分保持関数のパラメータのみで解析が可能なため，拡張性が高い手法といえる．
本研究では，水分移動が顕著な凍結過程に適応した熱・水分移動の連成解析ソルバーをGCC式を用いて実装し，その妥当性検証に取り組んだ．また，鳥取砂丘砂を対象とした室内実験によって得られた温度データを用いて，PEST（Parameter ESTimation）を利用し数値モデルのパラメータ推定を行った．実験データに基づいて最適化されたパラメータとGCC式を用いることで，より現実的な物理特性を考慮した数値解析を目指した．ここでPESTは，数値モデルのパラメータ推定に広く用いられている最適化アプリケーションの一つである．
本研究では，推定したパラメータを用いた数値計算により，室内実験で得られた温度変化を高精度に再現できることを確認した．さらに，PESTを導入することで，数値モデルのパラメータ推定を効率化し，凍結過程の水分移動や熱伝導特性を詳細に再現することが可能となった．これにより，開発した数値計算ソルバーが土壌凍結に関する熱移動の予測に有効であることが示された．この成果は，寒冷地における土壌凍結解析やインフラ設計のためのシミュレーション技術の高度化に貢献するものである．