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描绘世界水循环构成的东京大学风险创业

产学研合作系列 2013年07月18日

地球表面存在围绕水圈(海洋）、气圈（大气）及地圈（陆域和其周边的气圈、水圈）展开的水的大循环。

东京大学工学系研究科的登坂博行教授研发出捕捉地圈中水动态的技术“地圈水循环模拟实验软件”，并于2000年成立了大学主办的风险企业“地圈环境科学技术株式会社”。迄今为止总计完成了超过500件的解析工作。

创业和社会需求

地圈环境科学技术株式会社成立于2000年9月。当时，是诸多问题被作为新世纪面临课题的特殊时期，其中水的问题是最重要的课题之一。在这样的背景下，大学研发出了地圈水循环的模拟实验技术，并且已经在多个事例中加以利用。为了不使其关键技术埋没于大学内，得以在社会上推广普及，成为应对水问题的基础为目标进行了创业。

所谓水问题，是指有关生活圈中的水资源、水环境、水灾害等问题，是人类文明持续发展必然随时应对的问题。一直以来，这一问题作为公共事业等由行政机构应对和处理，但是大自然规模庞大，复杂多变，而且相关信息很少，包含各种不确定因素。因此，要想同时观察到整体和局部，实施合适的对策是极其困难的。

我公司成立时确立了以下目标。

·以综合后的陆域水循环解析系统为核心，通过调查、测量、数理模型将客观、定量的自然环境综合评价数据提供给国家、地方政府、企业及个人等。

·地质、水文、水理、计算机的专家相互合作，相互反馈，解析、评价自然信息，由企业将其技术普及到全世界。

自公司成立到现在经过了13年，作为第三方评估组织的体制已经逐渐建立起来，像这样的组织在全世界为数不多，其究竟应该是怎样的形态，很多时候我们也在不断地探索，通过总结失败的经验逐渐成长。

地圈水循环模拟实验技术

地球表面，水环境不断变化（液体、气体及固体），围绕水圈（海洋）、气圈（大气）及地圈有着一个水文大循环。如图所示，地圈水循环模拟实验是捕捉地圈中水等的动态技术。地圈中有土壤、岩石圈、自然的动植物形成的生态系统，以及人类活动创造出的人工造物，大气圈带来的降水蒸发，并且作为河川水流、地下渗透河流、涌出的泉水等进行移动，最终回归到海洋。

这个过程的物理模型，涉及了理、农、工学等广泛领域的各种研究，一直以来其面临的巨大课题是：1）陆域水循环的主体河川和地下水本来是没有中断相互连接，相互作用的，但是由于二者的速度差异较大，因此在解析方面需要分别处理；2）地表和地下同时存在空气和水，但是由于处理上很困难，所以需要忽略空气的存在。

该公司董事长、东京大学工学系研究科登坂博行教授，完全无缝地解析了地表流水和地下水，成功研发出追踪气相和多种污染相动态的实用性地圈水循环模拟实验系统（以下称为“GETFLOWS”）**1。通过该系统，降落到地上的水根据地域的特性浸透、涌出到大自然中，形成河川和地下水，该系统能够从时间上、空间上不中断地追踪这一形成过程。而且，不仅是水的动态，包括空气、油、重金属、有机溶剂等污染物质在内的流体（多相多成分流体）的实时监控全部包含在内。GETFLOWS如图1所示，是将自然的状态尽可能原本的还原成物理模型，并且实现可视化的系统，可以用在表1那样的解析当中。

表1 地圈水循环解析的内容

分类	解析内容
水资源评估	・水资源量解析（地表水流及地下水的贮存位置、贮存量推定）・蓄水及保护计划（大坝建设、地下蓄水、水质保护对策）・恰当利用计划（取水量、抽水量及水井配置）・缺水対策、干旱地等的水資源保障对策的解析等・水力能源贮存量评估
水灾害评估	・河川流出及洪水预测、河川改修计划・泛滥预测及泛滥范围预测、事前对策立案、实时预测・暴雨时滑坡、斜面崩溃的风险评估、泥石流对策・地表下沉、液状化対策・完善灾害预测图等的事前対策
水环境评估	・湖沼富营养化和流域対策・流域内放射性物質的移動解析・地下水汚染、土壌汚染（農薬及肥料等、有机氯元素溶剂）・废弃物处理对策（普通、产业废弃物、放射性废弃物等）・人工物的环境影响（地表及地下设施、抽水及排水、都市热环境等）

在计算机上描绘出另一个自然环境

水循环的模拟实验是将自然的场景（地形、地质、土地利用、气象、人类活动）物理性的在计算机上表现出来（模拟自然环境），这无非是一种再现、预测其表现、动态的技术。

从公司创立到现在，通过GETFLOWS进行的解析事例超过了500例。解析的内容、种类如表1所示。解析规模也从实验室数厘米的实验材料的动态解析，到涉及到70万平方公里的河川、地下水的解析等。

下面，向大家介绍2009年我公司的年轻技术人员提案、实施的日本列岛水、物质循环模型的过程。一般的陆域水循环解析是针对一个河川流域进行的，不过，这个模型是将大多数的流域无缝包含在内进行的。其实用性价值自不必说，恐怕这在日本，甚至是在全世界也是首次尝试。

如图2所示，日本列岛分为6个部分，各个部分为了尽量排除人为的划界条件，将沿岸海域也包含在内。地形用水平分辨率1公里来表示，地下以－10公里的范围为对象，分割成数百万个网格。地质以20万分之1的地质图为基础，区分为地表土、冲积层、洪积层、地基层4个部分，土地利用则从1公里网格的国土数值地图输入。

模拟实验结果的一个实例，就是图3所示的关东、中部区域的地下水流动。根据大地地形形成的水流的形状，与现在的大型水系类似的形式自然地表现出来，大地表面形成了河川网络，而地下比较稳定的地下水位分布则根据地形和地势的状况而形成。现在，利根川的地表水流，在江户时代的东迁工程后从銚子注入太平洋。但是，根据图3的解析结果，地下水沿着利根川本来的路径流向东京湾等，这些在理解水循环方面耐人寻味的问题点也愈加明确了。

像这样的大规模计算，是通过GETFLOWS的无缝解析手法和大规模并列计算的研究开发首次得以实现。今后，期待用更加精细的网格系统真实地再现水系等自然状况，包含地质等的详尽内容在内，使得模型进一步进化，为以县级（相当于中国的省级）单位的水资源评估、灾害评估、以及作为国策的河川管理和全球变暖对策等作出贡献。

该日本列岛全体的水循环的计算结果在我公司的网站上公开。*1.

今后的发展和期待

2011年3月11日的东日本大震灾引发的海啸，从各种意义上来讲，引发了人们对于风险防备的再次思考。自然很可能会造成我们无法预测的结果，现象发生的时间、规模等的预测也面临着很多未知的部分。但是，如果利用计算机上的自然赋予它各种条件，就能够预测出将来可能发生的环境变化和灾害的位置、规模，为建立事前对策提供定量定性资料。