Development of Scale Invariant Physically Based Hydrological Model: Scale Invariant TOPMODEL

Abstract

粗い分解能の数値標高データを用いてTOPMODELの地形指標分布を求めると，実際の地形が有する地形情報が失われてしまう。この欠点を補うために、本研究ではリゾルーションファクターとフラクタルとを用いて，等高線単位長さ当りの上流面積と勾配に対するスケール効果を取り除く手法を提案する。この手法を用いることにより，粗い分解能を持つ数値標高データを用いた場合も，詳細な標高データを用いた場合と同等の地形指標分布を得ることが可能となる。このダウンスケールされた地形指標をTOPMODELに組み込むことにより，スケール不変TOPMODELを開発する。上椎葉ダム流域(210km2)に本手法を適用し，1000m分解能の標高データから得られる地形指標分布と50m分解能の標高データから得られる地形指標分布とが極めてよく一致することを確認した。また，50m分解能のTOPMODELを用いて同定されるモデルパラメータを，1000m分解能の標高データからダウンスケールして得られるスケール不変TOPMODELに組み込んだところ、ダウンスケールされたスケール不変TOPMODELモデルによる流出計算結果と50m分解能TOPMODELモデルの流出計算結果とが極めてよく一致した。これによりスケール不変TOPMODELを用いることによって，ある空間スケールのTOPMODELモデルによって得られたパラメータ値が，異なる空間スケールのモデルでも利用可能であることを示した。

Higher resolution topographic information contained in the topographic index ofTOPMODEL is lost when a coarse grid resolution DEMs are used. This research hasintroduced a resolution factor and a fractal method for scaled steepest slope in thetopographic index to account for the scale effect in up-slope contributing area per unitcontour length and slopes respectively. The method being successful to derive atopographic index distribution of a fine resolution DEM by using only coarse resolutionDEM, has been coupled with TOPMODEL to develop Scale Invariant TOPMODEL. Thesimulated runoff from the Scale Invariant TOPMODEL applied at 1000m grid resolutionDEM of Kamishiiba catchment (210 km2) in Japan, with the same set of effective parametervalues derived from 50m grid resolution DEM, have matched with the simulated runoff ofthe 50m DEM resolution TOPMODEL.