徳山湾を対象とした停滞性水域の海水交換機構に関する研究

１．はじめに
一般的に，閉鎖性海域では，湾口部付近の潮汐流などにより生成される水平循環流と，湾奥部の海水交換性の悪い停滞性水域が存在している．その停滞性水域沿岸は，流れが静穏な水域であるが，人口が集中し，かつ工業地帯が多く存在するために，生活排水や工業排水が多量に流入しており，水質環境を悪化させている．
このような停滞性水域の環境保全策には，汚染物質の流入を制御する方法や，湾内の流況を改善させ，海水交換率を向上させる方法などがある．

水工学研究室：清田晃平

指導教官：細山田

得三

連続式
∂ζ
∂
+[(ζ + h )u ] + ∂ [(ζ + h )v ] = 0
∂t
∂x
∂y

運動方程式

∂u
∂u
∂u
∂ζ+u+v− fv + g∂t∂x∂y∂x⎛ ∂ 2 u ∂ 2 u ⎞ gu u 2 + v 2⎟+=0− A h ⎜⎜ 2 +(ζ + h )C 2
∂ y 2 ⎟⎠⎝ ∂x∂v∂v∂v∂ζ+u+v− fu + g∂t∂x∂y∂y⎛ ∂ 2 v ∂ 2 v ⎞ gv u 2 + v 2⎟+=0− A h ⎜⎜ 2 +(ζ + h )C 2
∂ y 2 ⎟⎠
⎝ ∂x

２．研究目的
本研究では，これらの環境保全策の中で、海の流れを利用した海水交換による自然浄化作

ここに， t ：時間

g ：重力加速度用に着目し，閉鎖性水域の効率的な水質環境改善技術を開発することを目的とする．特に，閉C ： Chezy 係数u, v ： x, y 方向の速度

f ：コリオリ係数
h ：水深

鎖性海域が多く存在する瀬戸内海の中で徳山

Ah ：水平渦動粘性係数

ζ ：水面の高さ

湾を例に，閉鎖性水域の流動特性を把握し，効率的な海水交換改善条件の把握を試みた．

４．計算条件

徳山湾周辺では潮汐流が卓越するので，潮汐本研究では，山崎らが行った，代表的な閉鎖流の数値シミュレーションを行った．結果は水性矩形湾を対象とした水理実験と同様のモデ

理模型実験の結果と比較し，計算の精度を確認

ルを対象とし計算を行った後，徳山湾の実地形した．さらに，地形変換により流況を改変させ，を対象として計算を行った．

改変前後の流動特性を比較・検討し，効率的な（1）閉鎖性矩形湾海水交換改善条件の把握を試みた．
３．数値解析法

閉鎖性矩形湾モデルでの計算条件は，山崎らの水理実験の条件に合わせ，湾口部の地形，潮流れの平面 2 次元モデルを用いて，潮流を考汐の振幅，周期を 8 通りに変化させたケース

慮した流れの基本式は，水深方向に積分した平（表-1 参照）について計算を行った．表-2 に，面二次元の長波方程式によって次のように示

閉鎖性矩形湾モデルにおける計算条件を示す．

される．本研究では，これらの式を陽的に差分

また，閉鎖性矩形湾モデルの鳥瞰図を図-1 に化し，平面 2 次元の流れの計算を行った．

示す．

表-1
CASE
case1
case2
case3
case4
case5
case6
case7
case8

計算ケース

湾口部地 湾内水深 周期（秒） 振幅（cm）
形（cm）
深みあり
7
1800.5深みあり
10.5
1800.5
深みあり
10.5
240
0.5
深みあり
10.5
1800.7埋め込み
71800.5
埋め込み
10.5
1800.5
埋め込み
10.5
2400.5
埋め込み
10.5
1800.7表-2諸元
格子間隔（Δs）
タイム・ステップ（Δｔ）
コリオリ力（ｆ）
河川流入
初期条件
粗度係数（ｎ）
水平渦動粘性係数

徳山湾
N

笠戸湾
N00

計算条件

5km50km図-2

徳山湾の所在徳山湾

6cm
1.0 -6秒
考慮しないなし
水位，流速共に全域で00.015
0.15cm2/s

潮汐流16km

湾口部
湾口部

外海図-3

N16km
徳山湾鳥瞰図５．計算結果内海
内海(1)閉鎖性矩形湾
6m

3m(a)流速
図-4 に，CASE8 での上げ潮最大時，下げ潮最大時の流速ベクトル図を示す．上げ潮，下げ図-1

閉鎖性矩形湾鳥瞰図潮時最強時共に湾内中央から湾口部にかけ，流速が増加する．また，湾奥部では双方共に流速（2）閉鎖性矩形湾が小さく，停滞水域となっていることが確認で徳山湾の所在地を，図-2 に示す．また，徳きる．

山湾の鳥瞰図を図-3 に示す．計算パターンは

図-5 に湾口部を埋め立てた場合（CASE8）

徳山湾の湾口部の地形が従来の地形（地形 1），と，埋め立てない場合（CASE4）の湾口部の20m 以深を埋め込んだ地形（地形 2）の 2 つ

流速変化図を示す．満潮時，干潮時を除くほぼのパターンである．主な計算条件は表-3 の通全ての時間において，CASE8 での流速が大きりである．

くなっている．これは，湾口部の地形の埋め込
表-3徳山湾の計算条件

諸元
格子間隔（ΔS）
タイム・ステップ（△ｔ）
コリオリ係数（ｆ）
粗度係数（ｎ）
初期条件
水平渦動粘性係数

200ｍ6.0秒-5ｆ＝2ωsinφ=8×100.050
水位、流速ともに全域で032
2.0×10 ｃｍ /sec

みによる，流速の増加を示しているものである．
また，図-6 の湾内全域の流速コンター図より，湾奥部においても，流速が増大していることがわかる．

対値）である，発散，伸縮，せん断，回転の変化を示す．この図が示す通り，湾内全域の流況変化は，せん断の影響が大きいことがわかる．
また、この４つの影響は，湾口部の地形に関係なく，上げ潮最大時に大きくなる傾向がある．
さらに，湾口部を埋め立てた場合（flat）では埋め込まない場合（deep）に比べ，流況変化が大きくなることが確認できた．特にせん断の影

上げ潮最大時響が大きく、せん断は湾口部，湾奥部のすべての湾内に影響をもたらしていることを考えると，湾奥部においても流況の変化は大きいものであることがわかる．
平均強さ（1/sec）

0.12

下げ潮最大時発散deep
伸縮deep
せん断deep
回転deep

発散flat
伸縮flat
せん断flat
回転flat

0.1
0.08
0.06
0.040.02

図-4

流速ベクトル図

0.045

00.5

1.00

周期

CASE8
CASE4

0.04

00.51.0

周期

図-7

流況変化

流速(m/s)0.035
0.03（d）海水交換率

0.025
0.02

最終的な海水交換率の評価は，拡散計算によ0.015

る湾内全域の濃度変化で行った．流れが安定す

0.01

る 3 周期目の満潮時に，湾内全域の格子に濃度0.005
00満潮時

図-5干潮時11.0 を与え，湾内全域の濃度が半減する半減期，周期1/4 になる 1/4 期においての周期を調べた．図

流速変化図-8 に，湾口部の地形を変化させた場合（CASE4と CASE8 の比較）における，濃度半減期，1/4(b)水位変動減期を示す．

水位変動については，湾奥部，湾口部，外海これによると，湾内の濃度が半減する周期はの 3 点について検証を行った．検証の結果、3CASE4（深みあり）で 5.18 周期，CASE8（深点すべてにおいて、ほぼ位相差がないことが確みなし）で 4.24 周期となり，約 1 周期の差が認できた．

あることが確認できる．さらに 1/4 期において(c)他の流況変化は，CASE4（深みあり）で 11.07 周期，CASE8

図-7 に，湾口部を埋め立てた場合（flat）（深みなし）で 8.4 周期となり，約 3 周期の差と深みがある場合（deep）の湾内全域の平均（絶があることがわかる．つまり，湾内の濃度が小0.4さくなるほど，海水交換時間差が大きくなることになる．この結果より，海水交換速度に関し率が良いということになる．

0.3
振幅（m）ても，湾口部の地形を埋め込むことにより交換

地形1
地形20.35
0.25
0.2
0.15

濃度（初期濃度を 1.0 とする）

0.1
CASE4(深みあり)

1.0

CASE8（深みなし）

0.05
000.5

満潮時

干潮時

1.0

周期
0.50.25

図-8流速変化図(半減期)(1/4 期)0.00

地形 12464.24

図-75.1888.40

地形 21011.07

0.06

湾内の濃度変化0.08

徳山湾の湾口部地形の違いによる，湾口部の0.10
0.10
0.06

0.04

0.08
0.08
0.10

0.06

（2）徳山湾0.060.06

0.02
0.04
0.04

0.08

0.15
0.15
0.15
0.20

流速変化図を図-8 示す．また，地形別による

0.20
0.20

湾全域の流速を図-9 に示す．これによると，湾口部における流速の時間的変化については，地形 2 での流速が終始大きいことが確認でき
図-9る．湾内全域の流速は，湾口部から湾中央部にかけ地形 2 の流速が大きい．これは，閉鎖性矩湾内の流速コンター図６．結論形湾と同様である．しかし，湾奥部に関して，本計算では，山崎らの水理実験と類似した結閉鎖性矩形湾では湾口部の埋め込みによる流果が得られたことから，閉鎖性矩形湾モデルの速の増大は確認できたが，徳山湾では，顕著な流況を十分に表現しているものである．つまり，流速の変化は見られない．これは，実地形（徳湾口部に深みがある湾においては，その箇所を山湾）では，本研究で対象とした閉鎖性矩形湾埋め込むことにより，流速の増大に伴い海水交と比較すると，地形が複雑化しているためだと換が増加する傾向がある．さらに，山崎らの結思われる．また，スケール効果の影響もあると果に付け加え，対象とした閉鎖性矩形湾では，考えられる．流れ成分方向に関しては，地形 1，せん断の影響が非常に大きく，これが流れに最地形 2 共に閉鎖性矩形湾と同様，顕著な変化はも依存していることが確認できた．また，徳山見られない．

湾奥部の流況の変化についても，閉鎖性矩形湾

位相差に関しては、地形の違いによる変化はと似た傾向が確認できた．今後は，停滞性水域ほぼ見られない．場所別で比較すると，湾外にの更なる流況増大のための検討が望まれる．

比べ，湾口部，湾奥部へと移動するに従い，若干ではあるが位相差が大きくなることが確認できた．