(57)【要約】【課題】閉鎖性水域の底質改善効果評価モデルを提供する。【解決手段】閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価装置であって、底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析手段を備える評価装置によれば、閉鎖性水域の底質改善効果を評価することができる。【選択図】図１
2009229193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価装置であって、
底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析手段を備えることを特徴とする評価装置。
【請求項２】
上記フロー解析手段は、少なくとも溶存態無機リン（ＤＩＰ）、溶存態有機リン（ＤＯＰ）、粒状態有機リン（ＰＯＰ）、底生微細藻類（ＢＭＡ）、表層堆積物食者（ＤＥＢ）、ろ過摂食者（ＦＩＢ）、溶存酸素（ＤＯ）のコンパートメントを含む数値生態系モデルを用いて、評価対象の閉鎖性水域におけるリン循環のフローを解析するものであることを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
【請求項３】
上記数値生態系モデルは、泥−水境界付近のリン循環を計算するため、底泥として底泥酸化層（ＢＯＸａｅ）と底泥還元層（ＢＯＸａｎ）の上下２層のＢＯＸから構成されるよう設定されており、境界領域として直上水（ＢＯＸｗｂ）と底泥永久堆積層（ＢＯＸｓｂ）との２層のＢＯＸから構成されるよう設定されているものであることを特徴とする請求項２に記載の評価装置。
【請求項４】
上記フロー解析手段は、少なくとも以下に示す(i)〜(iv)の項目を解析するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の評価装置。
(i) 底生微細藻類による底泥の間隙水中の溶存態無機リン（ＤＩＰ）の取り込み
(ii) 底生微細藻類による溶存酸素（ＤＯ）放出
(iii) ろ過摂食者による底生微細藻類の摂食
(iv) 表層堆積物食者による底生微細藻類の摂食
【請求項５】
閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価方法であって、
底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析過程を含むことを特徴とする評価方法。
【請求項６】
上記フロー解析過程は、少なくとも溶存態無機リン（ＤＩＰ）、溶存態有機リン（ＤＯＰ）、粒状態有機リン（ＰＯＰ）、底生微細藻類（ＢＭＡ）、表層堆積物食者（ＤＥＢ）、ろ過摂食者（ＦＩＢ）、溶存酸素（ＤＯ）のコンパートメントを含む数値生態系モデルを用いて、評価対象の閉鎖性水域におけるリン循環のフローを解析する過程であることを特徴とする請求項５に記載の評価方法。
【請求項７】
上記数値生態系モデルは、泥−水境界付近のリン循環を計算するため、底泥として底泥酸化層（ＢＯＸａｅ）と底泥還元層（ＢＯＸａｎ）の上下２層のＢＯＸから構成されるよう設定されており、境界領域として直上水（ＢＯＸｗｂ）と底泥永久堆積層（ＢＯＸｓｂ）との２層のＢＯＸから構成されるよう設定されているものであることを特徴とする請求項６に記載の評価方法。
【請求項８】
上記フロー解析過程は、少なくとも以下に示す(i)〜(iv)の項目を解析することを特徴とする請求項６または７に記載の評価方法。
(i) 底生微細藻類による底泥の間隙水中の溶存態無機リン（ＤＩＰ）の取り込み
(ii) 底生微細藻類による溶存酸素（ＤＯ）放出
(iii) ろ過摂食者による底生微細藻類の摂食
(iv) 表層堆積物食者による底生微細藻類の摂食
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の評価装置を動作させる評価プログラムであって、コンピュータを上記の各手段として機能させるための評価プログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載の評価プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉鎖性水域の底質改善効果の評価モデルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
わが国では経済の発展による臨海地域における産業活動の増大や人口の増加にともない、工場・事業場や家庭排水の流入により、入り江、ダム湖、湖沼、池、堀、魚介類養殖池などの閉鎖性水域の有機汚濁、富栄養化が進行してきた。
【０００３】
このような閉鎖性水域における汚濁等を改善することを目的として、入り江等に蓄積された有機質の底質に対し、改善材等を用いて底質改善が行われている。底質の改善行為を行う場合、一般的には底質の直接的指標である有機物含量、リン・窒素含量、硫化物量、ｐＨ、酸化還元電位等の項目が測定される。
【０００４】
しかしながら、これらの項目が改善材の使用により明らかに改善することはそれほど多くはない。例えば、もともと底泥中に多量に存在する有機物やリン・窒素などの含量が短期間で統計的に有意に減少することは稀である。逆に、急激な改善効果が見られる場合は、改善材が非常に強い酸化剤を含むものであるなど、生態系に悪影響を与える場合も少なくない。
【０００５】
一方、環境にやさしい改善材を用いた場合は、一見有意な改善効果が見られないように思われても、改善前は生物生息がほとんど無かったものが、生物生息が確認されるようになることがある。このような場合に、生物生息量の増加によって改善があったとみなしても良いが、やはり短期間では底質そのものが改善されたと断定することは困難であった。
【０００６】
例えば、特許文献１には、湖沼水、海水、河川水、ダム水などの水圏の汚染を監視する水質汚染監視装置及びその方法に関する技術が開示されているが、本技術では、底質の評価を行うことは困難である。
【特許文献１】特開平６−２７０１４（平成６年２月４日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
底質改善材については、さまざまな材質・性質のものが開発されているが、改善効果についての評価指標はさまざまであり、統一されていなかった。このため、これまで閉鎖性水域についての底質改善効果を評価するモデルは存在しなかった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、閉鎖性水域の底質改善効果評価モデルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、生物の生息によって底泥中での食物連鎖を通した物質循環が加速されたかどうか、という点が最も重要な評価指標になるとの独自の視点に基づき、底質改善効果の評価モデルに関して鋭意検討を行った。その結果、閉鎖性水域の底泥中の食物連鎖構造を再現することにより、通常のモニタリングでは実測できない物質循環のフローを定量化できるモデルを開発し、本願発明を完成させるに至った。本発明は、かかる新規知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
【００１０】
すなわち、本発明に係る評価装置は、閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価装置であって、底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析手段を備えるものである。
【００１１】
また、本発明に係る評価方法は、閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価方法であって、底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析過程を含むものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る評価装置または評価方法によれば、底質改善材を使用した場合の底質改善の効果について、単に生物が増えたという観点ではなく、生物同士の「食う−食われる」の関係を通した物質循環のフローが大きくなったかどうかの観点から、科学的かつ定量的に評価することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではないことを念のため付言しておく。
【００１４】
まず、本発明の理解の一助とすべく、本発明が生み出された背景について述べる。
【００１５】
上述したように、底質改善材については、さまざまな材質・性質のものが開発されているが、改善効果についての評価指標がさまざまであり、統一されていなかった。例えば、強力な酸化剤などを用いれば、還元的な底質は酸化的になり、化学的に改善されたと判断されるかもしれない。しかしながら、生物の生息ができないような状態に環境が変化してしまうような改善材は、自然水域に対しては適用できない。ましてやエビ養殖など、食品を生産する場に対しての適用は避けねばならない。
【００１６】
その一方、底質の改善は生物指標で評価することが妥当であるが、生物が増えたというだけでは、底質自体が改善されたかどうか明らかではない。
【００１７】
そこで、本発明者らは、生物の生息によって底泥中での食物連鎖を通した物質循環が加速されたかどうか、ということが最も重要な評価指標となると考えた。なぜなら、「食う−食われる」という関係を通して、底質中の有機物が系外に運ばれることによって、底質の浄化が進むためである。食物連鎖を介して、底泥中の物質は最終的には魚貝類になり、取り上げられれば底泥の浄化につながる。
【００１８】
つまり、本発明における特徴は、通常のモニタリングでは測定できない生物同士の「食う−食われる」の関係を通した物質循環のフローを定量化することにある。これは数値モデルを用いる以外に方法はなく、今回、新たに物質循環のフローを定量化するモデルを開発した。今後、この技術が底質改善の標準的指標になるものと考えられる。
【００１９】
すなわち、本発明に係る評価装置は、閉鎖性水域の底質改善効果を評価する評価装置であって、底泥中の食物連鎖による物質循環のフローを解析するフロー解析手段を備えるものであればよく、その他の具体的な構成については限定されるものではない。
【００２０】
上記フロー解析手段は、少なくとも溶存態無機リン（ＤＩＰ）、溶存態有機リン（ＤＯＰ）、粒状態有機リン（ＰＯＰ）、底生微細藻類（ＢＭＡ）、表層堆積物食者（ＤＥＢ）、ろ過摂食者（ＦＩＢ）、溶存酸素（ＤＯ）のコンパートメントを含む数値生態系モデルを用いて、評価対象の閉鎖性水域におけるリン循環のフローを解析するものであることが好ましい。なお、上記コンパートメント以外に、例えば、化学的反応型吸着態リン（ＲＰ）、吸脱着態リン（ＥＰ）を追加してもよい。
【００２１】
さらには、上記数値生態系モデルは、泥−水境界付近のリン循環を計算するため、底泥として底泥酸化層（ＢＯＸａｅ）と底泥還元層（ＢＯＸａｎ）の上下２層のＢＯＸから構成されるよう設定されており、境界領域として直上水（ＢＯＸｗｂ）と底泥永久堆積層（ＢＯＸｓｂ）との２層のＢＯＸから構成されるよう設定されているものであることが好ましい。
【００２２】
また、上記フロー解析手段は、少なくとも以下に示す(i)〜(iv)の項目を解析するものであることが好ましい。
【００２３】
(i) 底生微細藻類による底泥の間隙水中の溶存態無機リン（ＤＩＰ）の取り込み
(ii) 底生微細藻類による溶存酸素（ＤＯ）放出
(iii) ろ過摂食者による底生微細藻類の摂食
(iv) 表層堆積物食者による底生微細藻類の摂食
上記フロー解析手段における数値生態系モデルは、上記本発明の目的に沿うものであれば、その具体的な構成は特に限定されるものではないが、例えば、後述する実施例に示すモデルを用いることができる。
【００２４】
換言すれば、本発明の評価装置は、フロー解析手段に対して初期値としての現場観測値を入力することにより、数値生態系モデルにより解析を行い、状態変数の時間変化を出力するものである。それゆえ、例えば、底質改善行為を行う前の現場観測値を初期値として入力した場合、その出力結果と、底質改善行為を行った後の現場観測値とを比較・検討することにより、底質改善効果を検証することができる。
【００２５】
本発明に係る評価装置への入力データとしては、例えば、溶存態無機リン（ＤＩＰ）、溶存態有機リン（ＤＯＰ）、粒状態有機リン（ＰＯＰ）、底生微細藻類（ＢＭＡ）、表層堆積物食者（ＤＥＢ）、ろ過摂食者（ＦＩＢ）、溶存酸素（ＤＯ）についての現場観測値を用いることができる。それ以外に、高次食段階生物である魚類等も利用することができる。
【００２６】
本発明において、演算装置は通常のコンピュータ等を用いることができ、特に限定されるものではなく、また使用するソフトについても従来公知のものを用いることができる。
【００２７】
なお、本発明に係る評価方法は、上述した評価装置の構成を方法として具現化したものであり、評価装置の説明を適宜援用できるため、ここでは説明を省略する。
【００２８】
また、本発明には、上記記載の評価装置を動作させる評価プログラムであって、コンピュータを上記の各手段として機能させるための評価プログラム及び当該評価プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も含まれる。
【００２９】
また、実施例として、自然界から単離・培養した底生微細藻とリサイクル材である製鋼スラグとの組み合わせ技術を用いて底質改善試験を行い、物質循環における(a)散布微細藻の光合成による酸素放出量の増加、(b)微細藻による底泥からの溶存態無機リンの取り込み量の増加、(c)微細藻が底生動物に食べられる量の増加、の３点についてフローの面から評価した結果を示す。
【００３０】
具体的には、後述する実施例に示すように、まずモニタリング・データに対し、本発明に係る技術を適用して良好な結果を得たところ、何も散布していない対照区（C）および底生微細藻と製鋼スラグを散布した試験区（GBS）の両方において、観測された底質中の各態リンの値（濃度）を非常に良く再現した（図２と図３）。
【００３１】
さらに、比較のために無散布区（対照区）以外にも設定した２つの実験区（底生微細藻のみ散布区GB、スラグのみ散布区S）と比較しても、底生微細藻による酸素放出量、溶存態無機リンの取り込み量、および底生微細藻による摂食量、のいずれも増加したと評価することができる（図４）。
【００３２】
今回開発した技術の基本的構造は底泥内の物質循環を表現したものであるので、底質改善の作用として生物生息を増やし、食物連鎖構造を改善するものであれば、他の材質の底質改善材についても適用可能な汎用的技術である。
【００３３】
最後に、本発明に係る評価装置の各ブロック、特にフロー解析部は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００３４】
すなわち、評価装置は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである評価装置の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記評価装置に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【００３５】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【００３６】
また、評価装置を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【００３７】
以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００３８】
底質改善効果の検証・評価を行うには底生生態系内で起こっているさまざまなプロセスのフローの解析を行うことが好ましい。そこで以下ではすでに定式化されている生物・化学過程に実際の観測値および底生微細藻の生理等に関する式・パラメータを組み込んだ数値生態系モデルを構築し、底質改善効果の検証・評価を行うこととする。
【００３９】
＜１．対照区の数値モデル解析＞
まず、底質改善処理を行っていない対照区を対象とした数値生態系モデルを構築し、現場観測値の再現性（モデルの有効性）の検証を行うこととする。
【００４０】
＜１−１．方法＞
・ボックスの概要
泥−水境界付近のリン循環を計算するため、まずフレームワークとしてボックスを以下のように設定した。底泥について底泥酸化層（ＢＯＸａｅ）と底泥還元層（ＢＯＸａｎ）の上下２層のＢＯＸを設定し、境界領域として直上水（ＢＯＸｗｂ）と底泥永久堆積層（ＢＯＸｓｂ）を設定した。ボックスの平面積は１ｍ２とし底泥酸化層（ＢＯＸａｅ）、底泥還元層（ＢＯＸａｎ）各ＢＯＸの高さはそれぞれ０．５ｃｍ、４．５ｃｍとした。
【００４１】
・モデル検証データ
作成した数値モデルによる計算結果の再現性を検証するために、別途得た観測値を検証データとして用いた。なお、ＤＯＰはＤＴＰからＤＩＰを差し引いた値であり、ＰＯＰはＰＴＰからＰＩＰを差し引いた値である。また、後述するＥＰとＲＰについては直接測定しておらず、ここでは文献（田中勝久（1993）：沿岸海域の形態別リン組成とリン循環におよぼす河川負荷懸濁物の影響．水産海洋研究，57，345-352．）をもとにＰＩＰにおける一定の割合として算出したものを用いた。また、直上水中の植物プランクトンと泥表面の底生微細藻類のリン量はYamamoto T. (1996): Contribution of micro- and nanoplankton cell carbon to particulate organic carbon in the East China Sea during May 1980, J. Fac. Appl. Biol. Sci, Hiroshima Univ., 34, 147-160.に習い、種ごとの細胞体積から炭素量に換算し、これをさらにレッドフィールド比（Redfield A. C., B. H. Ketchum and F. A. Richard (1963): The influence of organisms on the composition of sea-water. In, The Sea (M. H. Hill ed.). Vol.2 Inter Sci., New York, 26-77.）を用いてリン量に換算したものを用いた。Nitzschia sp.のリン量は分析して得た0.211±0.003 pmol P cell-1 を用いて換算した。また、動物性ベントスのリン量は二枚貝類、環形動物についてそれぞれ分析して得た0.51 mg P dry-wt-g-1、3.8 mg P dry-wt-g-1 を用い換算した。
【００４２】
・生態系モデル
モデルの構造図を図１に示す。リンを対象物質として、泥−水境界付近の循環を表すモデルとするため、溶存態無機リン（DIP）、溶存態有機リン（DOP）、粒状態有機リン（POP）、化学的反応型吸着態リン（RP）、吸脱着態リン（EP）、底生微細藻類（BMA）、Nitzschia sp.（NSP）、表層堆積物食者（DEB）、ろ過摂食者（FIB）、溶存酸素（DO）の１０個のコンパートメントを設定した。ここで、ER とEP は粒状態無機リンであり、 RPは藤田健一，李 寅鐵，楠田哲也（2001）：水−底質相互作用モデルによる博多湾のリン循環の数値予測．水環境学会誌，24，48-57．に習って酸化的な状態で底泥中に存在する鉄によるDIP 捕捉を再現するために、酸化層で不溶化して還元層で可溶化するリン酸鉄に対応するものを定義している。また、EP は底泥粒子との一般的な吸着平衡に対応するものとして酸化層と還元層の両方に存在する。DO は酸化層間隙水中のみに存在し、有機物分解、生物攪拌及びRP のDIP 捕捉の関数として用いた。底生微細藻類の増殖生理パラメータは実験的に求められている。コンパートメントを実地試験で散布をおこなった底生珪藻Nitzschia sp.（NSP）とそれ以外の底生微細藻類（BMA）とに分け、散布したNitzschia sp.の動態を、もともと存在する底生微細藻とは別に検証できるようにした。動物性ベントスのうちDEB は環形動物とし、FIB は二枚貝類を想定した。
【００４３】
・モデルの定式化
各BOX のDIP 現存量、DOP 現存量、POP 現存量、RP 現存量、EP 現存量、BMA 現存量、NSP 現存量、DO 現存量の時間変動は次式で表される。なお、DEB とFIB の現存量は観測値をモデルに組み込んだ。
【００４４】
酸化層の各コンパートメントは以下の通り。
【００４５】
【数１】
2009229193.tif 000003
【００４６】
還元層の各コンパートメントは以下の通り。
【００４７】
【数２】
2009229193.tif 000004
【００４８】
ここで、添え字のwb、ae、an、sb はそれぞれ直上水、底泥酸化層、底泥還元層、永久堆積層を表している。底生微細藻類（BMA）とNitzschia sp.（NSP）の増殖速度（day-1）は、水温・塩分、DIP 濃度、光量に対する増殖制限関数に依存するものとして、これを次式のように表した。
【００４９】
【数３】
2009229193.tif 000005
【００５０】
底生微細藻類は現存量の増加によって細胞同士が重なりあって光の制限を受けたり付着基質の制限を受けたりするため、以下のように現存量による増殖速度の抑制を考慮したものとした。
【００５１】
【数４】
2009229193.tif 000006
【００５２】
また、eTS[MA]は次式で表した。ここで、MAとはmicro algaeのことで，BMAまたはNSPのことを指す。eTS[NSP]は室内実験で得られた式であり（山本民次（2004）：底生微細藻を用いた底質改善．瀬戸内海，40，45-49．）、eTS[BMA]については以下の通り、eTS[NSP]の最大比増殖速度をチューニングして用いた。
【００５３】
【数５】
2009229193.tif 000007
【００５４】
また、eI[MA]は次式で表した。ここで、eI[NSP]は室内実験で得られた式であり（山本民次（2004）：底生微細藻を用いた底質改善．瀬戸内海，40，45-49．）、eI[BMA]には以下の式を用いた。
【００５５】
【数６】
2009229193.tif 000008
【００５６】
また、eDIP[MA]は細胞内栄養塩含量に依存するものとして次式で表した（Droop, M. R. (1973): Some thoughts on nutrient limitation in algae. J. Phycol., 9, 263-272.）。
【００５７】
【数７】
2009229193.tif 000009
【００５８】
また、各微細藻類のDIP 取り込み速度は環境水中の濃度に依存するものとし、次のMichaelis-Menten の式で表した。
【００５９】
【数８】
2009229193.tif 000010
【００６０】
また、栄養塩の最大取り込み速度ρmax は、Grover, J. P. (1991): Resource competition in a variable environment: Phytoplankton growing according to the variable-internal-stores model. The Am. Nat., 138, 811-835.にならい、細胞内栄養塩含量Q に反比例して、最小細胞内栄養塩含量Qmin と最大細胞内栄養塩含量Qmax の範囲で変化するものとした。
【００６１】
【数９】
2009229193.tif 000011
【００６２】
また、ρlomax_ma は以下の上記Grover（1991）の式から見積もった。
【００６３】
【数１０】
2009229193.tif 000012
【００６４】
なお、Qmax_ma は以下のMorel F. M. M. (1987): Kinetics of nutrient uptake and growth in phytoplankton. J. Phycol., 23, 137-150.の式から見積もった。
【００６５】
【数１１】
2009229193.tif 000013
【００６６】
各微細藻類の枯死速度（MT[MA]: day-1）は水温に依存するものとし、次式で表した。
【００６７】
【数１２】
2009229193.tif 000014
【００６８】
ここで、
MA：各微細藻類（BMA,NSP）
MT0：０℃における各微細藻類の枯死速度（day-1）
te：温度依存係数
Twb：環境中の温度
である。
【００６９】
以下に述べる生物・化学過程の定式化及びパラメータの設定は基本的にはBaretta J.W. and P. Ruardij (1988): Tidal flat estuaries: Simulation and analysis of the Ems estuary. Ecological studies, 71, Springer-Verlag, Heidelberg, 105-152.、Pape et al.（1999）、藤田健一，李寅鐵，楠田哲也（2001）：水−底質相互作用モデルによる博多湾のリン循環の数値予測．水環境学会誌，24，48-57．、Wang H., A. Appan and J. S. Dulliver (2003a): Modeling of phosphorus dynamics in aquatic sediment: 1-model development. Water Res., 37, 3928-3938.、Wang H., A. Appan and J. S. Dulliver (2003b): Modeling of phosphorus dynamics in aquatic sediment: 2 -examination of model performance. Water Res., 37, 3939-3953.によった。ろ過摂食者と堆積物食者の摂食速度（F[ZBN]: day-1）は、泥温、餌の嗜好性、餌密度依存性、自己密度依存性に依存するものとして次式で表した。
【００７０】
【数１３】
2009229193.tif 000015
【００７１】
IN[ZBN]は次式で表した。
【００７２】
【数１４】
2009229193.tif 000016
【００７３】
FD[ZBN]は次式で表した。
【００７４】
【数１５】
2009229193.tif 000017
【００７５】
SD[ZBN]は次式で表した。
【００７６】
【数１６】
2009229193.tif 000018
【００７７】
EGa[ZBN]：動物ベントスの各餌に対する平均的な排泄率
動物ベントス（ろ過摂食者、堆積物食者）の死亡速度（MT[ZBN]: day-1）と尿排出速度（UT[ZBN]: day-1）は泥温に依存するものとして、次式で表した。
【００７８】
【数１７】
2009229193.tif 000019
【００７９】
ここで、MT0[ZBN]は水温0℃における動物ベントスの死亡速度で、UT0[ZBN]は水温0℃における動物ベントスの尿排出速度（day-1）である。また、EGa[ZBN]は次式で表した。
【００８０】
【数１８】
2009229193.tif 000020
【００８１】
各動物ベントスの各餌に対する排泄速度（EG[ZBN]i: day-1）は、各餌に対する摂食速度と排泄率から次式で表されるものとした。
【００８２】
【数１９】
2009229193.tif 000021
【００８３】
動物ベントスの排泄速度（EG[ZBN]: day-1）は各餌に対する排泄速度の合計であるので次式で表される。
【００８４】
【数２０】
2009229193.tif 000022
【００８５】
酸化層におけるPOP のDIP への分解速度（DC[POPae]dip: μmol day-1）、POP のDOPへの分解速度（DC[POPae]dop: μmol day-1）、DOP のDIP への分解速度（DC[DOPae]：μmol day-1）は泥温と溶存酸素に依存するものとして、それぞれ次式で表した。
【００８６】
【数２１】
2009229193.tif 000023
【００８７】
還元層におけるPOP のDIP への分解速度（DC[POPan]dip: μmol day-1）、POP のDOPへの分解速度（DC[POPan]dop: μmol day-1）、DOP のDIP への分解速度（DC[DOPan]:μmol day-1）は泥温に依存するものとして、それぞれ次式で表した。
【００８８】
【数２２】
2009229193.tif 000024
【００８９】
EP のDIP との吸脱着速度（AB[EPq]: μmol day-1）は、各層におけるEP とDIP の濃度差に依存するものとして次式で表した。
【００９０】
【数２３】
2009229193.tif 000025
【００９１】
RP は鉄結合態リンとして、酸化層ではDIP と吸着して還元層ではDIP を溶出するものである。本モデルでは上記藤田ら（2001）における式を一部改変して、酸化層におけるRP のDIP の吸着速度（AB[RPae]: μmol day-1）はDIP 濃度とRP 濃度に依存すものとし、DO濃度に依存する最大吸着量を考慮して次式で表した。
【００９２】
【数２４】
2009229193.tif 000026
【００９３】
また還元層におけるRP のDIP 溶出速度（AB[RPan]dip: μmol day-1）は、RPm’が0 であると仮定してRP とDIP の濃度に依存するものとして、次式で表した。
【００９４】
【数２５】
2009229193.tif 000027
【００９５】
水柱の植物プランクトン（PHY）とPOP の沈降速度（B[PS]w: μmol day-1）は次式で表した。
【００９６】
【数２６】
2009229193.tif 000028
【００９７】
また、底泥におけるBMA、NSP、POP、EP、RP の埋没速度（μmol day-1）は次式で表した。
【００９８】
【数２７】
2009229193.tif 000029
【００９９】
また、ベントスの活動による底泥の攪拌が底泥中の物質の移動に大きな影響を及ぼしている。ここでは生物攪拌によってPOP、EP、RP の各粒状態リンが層間で移動するものとして、底泥内における生物攪拌速度（BT[PS]s: μmol day-1）は各層における物質の濃度差に依存するものとして次式で表した。
【０１００】
【数２８】
2009229193.tif 000030
【０１０１】
また、生物攪拌効果はベントスの現存量とDO 濃度に依存するものと考え、次式のように表した。
【０１０２】
【数２９】
2009229193.tif 000031
【０１０３】
ここで、[ZBN]ref は生物攪拌強度を決めるためのベントス現存量の基準値（μmol m-2）、Ksdozbn はベントスのDO に対する半飽和定数（mg l-1）、bt は生物攪拌における温度依存係数を表している。
【０１０４】
DIP、DOP の表層−直上水層、直上水層−酸化層、酸化層−還元層、還元層−境界層間の拡散は、各層における物質の濃度差に依存しているので、DIP とDOP の各層間の拡散速度を次式で表した。
【０１０５】
【数３０】
2009229193.tif 000032
【０１０６】
本モデルで使用したパラメータを下記表に示す。
【０１０７】
【表１】
2009229193.tif 000033
【０１０８】
【表２】
2009229193.tif 000034
【０１０９】
基本的にはBaretta and Ruardij（1988）、Pape O. L., F. Jean and A. Menesguen (1999): Pelagic and benthic trophic chain coupling in a semi-enclosed coastal system, the Bay of Brest (France); a modeling approach. Mar Ecol Prog. Ser., 189, 135-147.、藤田ら（2001）、Wang et al.（2003a、2003b）の文献値と、実測値を使用し、一部は文献値の範囲内でチューンにした値を用いた。なお、数値計算にはSTELLA(R) Research J 5.1.1（High Performance Systems、Inc.）を用い、数値解析手法にはオイラー法を用いた。計算期間は現場検証試験と同じ400 日間（2005年10 月3 日〜2006 年11 月7 日）とし、タイムステップは0.04 day とした。
【０１１０】
＜１−２．結果＞
本項において対照区を対象として構築したモデルの出力結果を以下に述べる。
【０１１１】
・生物項目
底生微細藻類（BMA）の出力結果は、計算開始後の約130 日後に観測値より低い値となったが、それ以外は概ね観測値と近い出力結果が得られた（図２（ａ））。底生微細藻Nitzschia sp. （NSP）の出力結果は、計算開始から130 日後にかけて過大評価となったが、それ以外は概ね観測値に近い出力結果が得られた（図２（ｂ））。
【０１１２】
・酸化層底質中のリン
溶存態無機リン（DIP）の出力結果は、計算開始直後から上昇したのち低下してそれ以降は上昇トレンドを示しており、ほぼ観測値の傾向を再現した（図２（ｃ））。溶存態有機リン（DOP）の出力結果は、計算開始から低下して、約10 日以降はほぼ一定であり、60 日から200 日にかけてやや過小評価となったが、それ移行は概ね観測値の範囲内であった（図２（ｄ））。
【０１１３】
粒状態有機リン（POP）の出力結果は、計算開始直後から期間を通して非常に緩やかな減少傾向にあり、概ね観測値を再現した（図２（ｅ））。化学的反応型吸着態リン（RP）の出力結果は、概ね観測値を再現した（図２（ｆ））。吸脱着態リン（EP）の出力結果は、計算開始後の約130 日から190 日にかけて、観測値よりも多少低く計算されたが、概ね観測値と近い出力結果が得られた（図２（ｇ））。
【０１１４】
＜２．試験区の数値モデル解析＞
本実施例では、現場検証試験におけるNitzschia sp.散布区（GB 区）、Nitzschia sp.と製鋼スラグの併用散布区（GBS 区）、スラグ散布区（S 区）の各試験区の散布効果の検証・評価を行った。
【０１１５】
モデルの構造、式、パラメータについては基本的に前項で構築した対照区（無散布区）を対象としたモデルと同じであるが、新たにNitzschia sp.散布のフローとスラグ散布によるスラグから間隙水中へのDIP 溶出のフローをそれぞれに応じて設けた。
【０１１６】
底質浄化としていくつかの定義が考えられるが、本研究では（1）底生微細藻による酸素供給、（2）底生微細藻による底泥からのDIP の取り込み、（3）食物連鎖を介した系外への物質除去としてここでは一次生産者から二次消費者への物質移動フラックス、すなわち動物性ベントスによる底生微細藻の摂食、を浄化項目として扱うことと定義した。これらの項目について、対照区と比較することで散布効果の検証・評価を行うこととした。また、（4）散布による投入の効率を比較するために、散布によるリン投入量に対して上記の（1）、（3）が無散布区と比較してどの程度変化したかを以下のようにして評価した。
【０１１７】
【数３１】
2009229193.tif 000035
【０１１８】
ここで、
A：実験区でのリン投入量（Nitzschia sp.散布量とスラグからのDIP 溶出量の合計量：μmol P m-2 400 day-1）
B：底生微細藻類（BMA+NSP）によるDIP 取り込み量の対照区との差（μmol P m-2 400day-1）
C：ベントス（DEB+FIB)による底生微細藻（BMA+NSP）摂食量の実験区と対照区との差（μmol P m-2 400 day-1）
である。
【０１１９】
＜２−１．結果＞
GB 区、GBS 区、S 区の各試験ともに、底生微細藻類（BMA）と酸化層の各形態のリンについて概ね観測値に近い出力結果が得られた。なお、図３に、ＧＢＳ区についての結果を示す。
【０１２０】
さらに、比較のために無散布区（対照区）以外にも設定した２つの実験区（底生微細藻のみ散布区GB、スラグのみ散布区S）と比較しても、底生微細藻による酸素放出量、溶存態無機リンの取り込み量、および底生微細藻による摂食量、のいずれも増加することが評価された（図４）。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
以上のように、本発明に係る評価装置または評価方法によれば、底質環境技術の評価ツールとして利用することができるため、閉鎖性海域の環境改善、ひいては水産業における持続的生産にもつながることが期待され、非常に大きな産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】底泥中の物質（リン）の循環を表すモデルの構造を模式的に示す図である。
【図２】底質改善材無散布区（対照区）における底質中の各態リンの変動を示す図である（黒四角：実測値、点線：モデルによる計算値．(a)底生微細藻態リン、(b)Nitzschia sp.リン (c)間隙水中溶存態無機リン、(d)間隙水中溶存態有機リン、(e)粒状態有機リン、(f)吸脱着態リン、(g)反応型吸着態リン）。
【図３】底生微細藻＋スラグ散布区（GBS）における底質中の各態リンの変動を示す図である（黒四角：実測値、点線：モデルによる計算値．(a)底生微細藻態リン、(b)Nitzschia sp.リン (c)間隙水中溶存態無機リン、(d)間隙水中溶存態有機リン、(e)粒状態有機リン、(f)吸脱着態リン、(g)反応型吸着態リン）。
【図４】底生微細藻と製鋼スラグの組み合わせ散布実験による結果に対する数値モデルによる評価結果を示す図である（(a)散布微細藻の光合成による酸素放出量、(b)微細藻による底泥からの溶存態無機リンの取り込み量、(c)微細藻が底生動物に食べられる量）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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