広域閉鎖性水域の海水交換機構に関する研究
指導教官

細山田

水工学研究室１．はじめに得三

柄沢篤志

３．数値解析法

閉鎖性水域は穏やかな水域であることから，これ

本研究では，準 3 次元モデル（図１参照）を作成までに産業や居住，レクリエーションなどの人間活して，卓越流の数値シミュレーションをおこなった．

動に非常に適した場となっている．しかし一方で，モデルは，密度差を考慮するために水温，塩分濃度

このような人間の経済活動は閉鎖性水域の環境に大の保存式から密度を計算するバロクリニックモデきな影響を与えてきた．経済成長と人口の増加に伴ルを用いた．また，基本式には以下の連続式，運動って生活排水や産業排水などが海域に流れ込み，水方程式を陽的に差分したものを用いた．

質悪化を招くなど，閉鎖性水域は我々人間にとって連続式利用しやすい場所であるだけに，人為的な影響によ∂ζ∂+[(ζ + h )u ] + ∂ [(ζ + h )v ] − w s = 0∂t ∂x∂yる環境悪化の危険に直面している．
２．研究目的

運動方程式
∂u
∂u
∂u
∂u− fv+u+v+w
∂z
∂t
∂x
∂y

世界の代表的な広域閉鎖性水域の 1 つである渤海+は中華人民共和国の東北部に位置する内湾である．
近年，中国はめざましい経済発展をとげているが，その一方でそれに伴い増加してきた工業排水や生活

∂v
∂v
∂v
∂v+u+v+w+ fu
∂t
∂x
∂y
∂z

排水により深刻な水質問題を抱えている．また，過+剰取水により，黄河からの流出水は非常に少なく，黄河下流域では深刻な水不足が生じている．この問題を解消するために，中国では，長江から黄河へバイパスを建設することで長江の年間流量の約３分１

 ∂ 2u ∂ 2u 1 ∂P∂ 2u− Ah  2 + 2  − Av 2 = 0ρ ∂x∂y ∂z
 ∂x

−1 ∂P

ρ ∂z

 ∂ 2v ∂ 2v 1 ∂P∂ 2v− Ah  2 + 2  − Av 2 = 0ρ ∂y∂y ∂z ∂x−g =0

ここで， t：時間を黄河へ流す「南水北調」が進められているが，黄河からの流出水が増大すれば，黄河下流域の堆積物

g ：重力加速度ζ ：水面の高さ

h ：水深

ρ ：海水の密度

f ：コリオリ係数

Ah , Av ：水平，鉛直動粘性係数が大量に渤海へ流出し，更なる水質悪化を招くことyxが予想される．また，長期的に見ると，その流出水が東シナ海を経て対馬海流により日本海沿岸域へ到達し，水環境や水産資源に何らかの影響を及ぼすことが予想される．
そこで本研究では，まず渤海の主要な流動機構および物質拡散過程を数値計算により把握し，その次に，黄河の河道内に堆積している底質を調査するこζ
k=nz+1/2 u
k=nz
k=nz-1/2 u
k=nz-1k=nz-3/2

k=k+1/2

する．

k=k
k=k-1/2v

wv

zu ⊿z=hnzv

uwvとで「南水北調」による河川水の状態を把握し，長期的，広域的な環境変化予測に資することを目的とw⊿y⊿xwvwu⊿z=hnz-1v
図 1．レベルモデル

u ⊿z=hk４．計算条件

表２． 3 地点での振幅および遅角
地名
振幅 遅角
①上海
118㎝ 40゜（E121゜29’，N31゜15’）②木浦
153㎝ 60゜（E126゜23’，N34゜47’）③東シナ海
200㎝ 270゜（E126゜23’，N31゜15’）

渤海及び黄海を含んだ広域を対象とする数値計算を行うために，東経 116〜128 度，北緯 30〜42度で囲まれる領域を対象とした．地形情報は NGDC
（U.S National Geophysical Data Center）で提供される５分刻みの全球情報より当該海域の情報を利用した．初期水温および初期濃度は JODC
（Japan Oceanographic Data Center）から冬季（24−2吹送流の計算条件月）のデータを取得し，それを計算格子に線形補間吹送流計算で使用する風データには，近年客観解したものを用いた．その他の計算条件については表析データが利用されるようになった．海岸工学の分１に示す．

野では，その代表例として ECMWF（EuropeanCenter for Medium-range Weather Forecasts）が42°ある．本研究では，この ECMWF のデータを利用

大連
北緯渤海した．風データの期間は 2003 年 9 月から 2004 年

黄海

2 月までの半年間を用い，GrADS（Grid Analysis
B.木浦

30°
116°

A.上海

東シナ海

象とする時間の風をバイナリデータとして作成し，Cテキストデータに変換後，計算格子に合わせて線形128°東経

図２．強制水位入力地点
表１．計算条件
格子間隔タイムステップ
層数
初期条件

５分（7000mに統一）
60秒
5層，10層水位，流速共に全域で０水平，鉛直動粘性係数

0.1，5.0×10-4 m2/sec
ｆ=2Ωsinφ
43,200ｓ

コリオリ力
潮汐周期

4−1

and Display System）により，対象領域および対潮汐流の計算条件

潮汐流の計算では，中野（1940）の作成した調和補間したデータを用いた．吹送流では，海面に風応力が作用することで，表層で流速が大きくなり，下層の流速は指数曲線的に減少する．そのため，表層付近では流れを詳細に把握する必要があるため，層数は表層付近を細かく区切った 10 層とした．
4−3

密度流の計算条件

密度流では，「南水北調」を想定して，長江の流量データの 1/3 を黄河の河口地点に，2/3 を長江の河口地点に入力した．ここで，河川の流量データには陸らによる長江の月ごと流量観測データを用いた．与定数表から渤海および黄海では半日周潮が卓越しえ方は，河口付近に存在するデルタ地帯から一様にていることが確認できるので，半日周潮の数値計算

流れが発生しているものと想定して，流量を格子幅を行った．強制水位は，対象領域内の上海と沖側のと一般的なデルタ地帯の水深である 2 m で割ること点（北緯 31 度，東経 126 度）で結ぶ直線および沖によって流速を算出し，その流速を河口が位置する側の点と木浦で結ぶ直線上で与えた（図２参照）．

地点にコンスタントに与えた．また，河川水と海水

上海と木浦での水位および遅角は調和定数表よりの密度差を考慮するために，黄河および長江の河口決定し，沖側の点では，理科年表などで示される半地点で塩分濃度 0 %をコンスタントに与えた．なお，

日周潮の同時潮図および等潮差図より決定した（表水温は JODC のデータを用いた．層数は，潮汐流の２参照）．層厚は，潮汐が長波であり，鉛直方向にみを考慮したので，潮汐流の計算と同様の 5 層に設流れの変化があまりみられないことから５層とし定した．また，与える潮汐の条件については，潮汐た．

流のみの計算と同様の条件に設定した．

５．計算結果
5−1

間隔:0.05 m/s
0.20

精度確認

0.75

水位の再現性を確かめるため、中野の調和定数表による水位と、数値計算によって得られた水位を比較した．図３は大連での水位変動を比較したグラフである．水位変動はよく一致しており，本数値モデ
0.55

ルは実海域の水位変動を再現しているということが

図４．流速最大時の流速分布確認できた．

間隔:0.02 m/s

1.50.50

水位

計算値
定数表

10.20

0.140.18（m）

0.10

-0.5

0.08

-1-1.50.08

図３．大連での水位変動比較

0.18
0.12

5−2

潮汐流0.10

図５．潮汐残差流の流速分布

図４は渤海海峡部での流速が最大時のコンター図である．また，図５，６は，水位変動が安定した

遼東湾

渤海湾後に潮汐流の１周期分の流速を平均した潮汐残差流のベクトル図およびコンター図である．流速最大時では渤海海峡部で最大 0.75 m/s と河川流と同程度の速い流速が出ており，この対象領域で潮汐流が卓越していることを示している．しかし，潮汐残差流では最大流速時に比べて全体的に小さい流速となっている．沿岸部に比較的速い流れが現れており，渤海内では反時計回りの大きな循環流が発生して莱州湾
図６．潮汐残差流のベクトル0.9

0.50.1いるが，渤海の中央部では 0m/s と非常に停滞性の強い水域となっている様子がわかる．また，渤海湾および莱州湾でも，ほとんど潮汐残差流が見られない．そのため，湾奥部でも非常に停滞性の強い水域になっていることがわかる．

山東半島
図７．濃度分布（一年後）

図７は拡散計算を開始してから 1 年後の濃度分

渤海海峡では，北岸と南岸で比較的速い流速が発布である．初期濃度は，潮汐による水位変動が安定生している．また，図６では，この速い流れが北岸してから，渤海海峡を境界として渤海側を 1.0，黄で渤海に流入方向の西向き流れ，南岸で渤海から流海側を 0.0 として与えた．この図では，渤海と黄海出方向の東向き流れであることを確認できる．これの海水が渤海海峡の北側で黄海から渤海に流入，南は，この渤海海峡で黄海と渤海の海水交換が行われ側で渤海から黄海に流出の方向で交換されているており，北部から流入した海水が渤海の沿岸部に沿ことを示している．また，渤海の海水は一年で山東って反時計回りに循環し，その後渤海海峡南岸から半島までしか流出しておらず，潮汐流のみでは海水流出するという大きな水平循環流がこの海域で生交換は非常にゆっくりとした速度でしか行われて成されていることを示している．

いないということがいえる．

1.1

吹送流

図 8 は ECMWF より購入した 2 月の渤海湾上空10 m での風向頻度を示したものである．今回対象としている渤海では，季節風の影響により冬季には1平均濃度

5−30.90.8

図 8 のように北西風や北風が卓越しており，夏季に0.7は南風が卓越している．そこで，この 3 方向の風が0.6北風
北西風
0

海水交換に与える影響について検証を行った．
図 9 は 3 方向と 2 月の実データの風を 20 日間連510経過日数

南風
実データ
1520

図９．各風向きによる平均濃度の時間変動吹させたときの平均濃度の時間変動を表したものである．この図では冬季に卓越する北風や北西風が南風に比べ海水交換を促進させる働きがあることを示していることから，夏季よりも冬季の吹送流が海水交換を促進するということが確認できる．
次に ECMWF の実データの 2 月分を入力して計算を行った．図 10 は 2 月に発生した吹送流の水深16.25〜28.75 m にあたる表層から 5 層目での平均流れをベクトル図で表したものである．また，図図 10．吹送流のベクトル（5 層目）

11，12 は表層でのベクトルおよびコンター図である．図 10 と図 11 を比較してみると，渤海内で流向が異なっていることがわかる．このことより，吹送流では鉛直方向に海水交換が行われていると考えられる．図 12 では，吹送流は渤海中央部で比較的強い流れが生成されており，卓越風向の影響によって渤海海峡南側でも潮汐残差流の場合の約二倍程
図 11．吹送流のベクトル（表層）度の流速がでている．これは，水平方向にも海水交換が行われていることを示しており，吹送流では鉛間隔:0.02 m/s

直および水平方向の広い範囲で海水交換が行われ0.080.14ていると考えられる．

0.14

図 13 は， 2003 年 9 月から 2 月までの風データを入力した計算結果で，2 月 29 日での濃度分布を示している．この図では，潮汐残差流に比べて濃度が広い範囲で一様に低下していることから，前述したように，吹送流は潮汐流よりも広い範囲にわたっ0.020.040.18

図 12．吹送流の流速分布（表層）て海水交換を促進する流れであると考えられる．

< 3 .4 m/ s
< 8 .0 m/ s
< 1 3 .9 m/ s

1500
10000.9< 5 .5 m/ s
< 1 0 .8 m/ s
< 1 7 .2 m/ s

0.50.1500

図８．風向頻度（渤海湾上空）

NNW

NW

W

WNW

SW

WSW

SSW

S

SE

SSE

E

ESE

ENE

NE

N0NNE

風エ ネルギ ー2000

図 13．濃度分布（半年後）5−4

卓越流の比較

潮汐流と吹送流の流動機構が海水交換に与える影響を定量的に把握するために，渤海内の平均濃度の時間変動を求めた．平均濃度は，拡散計算を行う
際に初期濃度 1.0 を与えた全ての地点での濃度を加算した値をその全格子数で除した値を用いた． 図
14 は，その平均濃度の時間変動を日単位で表した図である．吹送流では平均濃度が上がる箇所も見ら

図 15．潮汐残差流のベクトル図（河川水を考慮）れるが，全体的に線形に低下している．また，潮汐間隔:0.02 m/s

流では約半年で 0.87 程度まで下がっているのに対0.180.14し，吹送流では 0.76 程度まで下がっている．この結果は，潮汐流よりも吹送流のほうが，渤海内の海0.100.08

水交換を促進する働きが 2 倍程度強いということを示しており，このことから，対象領域内では潮汐流よりも吹送流 が海水交換を促進していることが確認できた．

0.100.200.16

図 16．潮汐残差流のコンター図（河川水を考慮）

1.1
平均濃度

10.90.90.5

莱州湾

0.80.7

吹送流
潮汐流

0.60.50306090
経過日数120150

1800.1

図 14．平均濃度の時間変動

5−5密度流図 17．濃度分布（河川水を考慮，一年後）「南水北調」を想定して，河川水の流入を考慮した潮汐流の数値シミュレーションを行った．図 15，
16 は，潮汐残差流をベクトルおよびコンター図で0.1示したものである．図 15 と図 6 を比較すると，河川水を考慮した場合は，考慮しない場合とほぼ同じ流向を示している．しかし，図 16 と図 7 を比較す

0.5ると，河川水を考慮した場合は，考慮なしに比べ渤

図 18．河川水の広がり（一年後）海南部の流速が全体的に速くなっている．これは，

図 18 は黄河および長江の河口地点に濃度 1.0 を新たに河川からの流入水が増えることによって渤コンスタントに与え，拡散計算を行うことによって海内の水量が増し，海水交換で渤海から流出方向に計算開始から一年後の河川水の広がりを濃度分布あたる南側の流れが強まったためであると考えらで表したものである．河川水は莱州湾に大量に流れれる．図 17 は，計算開始から 1 年後の渤海の海水込み，徐々に渤海海峡の南部を通って黄海に流れ出濃度分布を示したものであるが，図 7 と比較しても，している．この結果から，「南水北調」による黄河明らかに渤海南部からの海水流出が早まっているからの流入水が底質の土砂を大量に含んだ濁水でことが確認できる．これより，河川水の流入は渤海あると考えると，莱州湾を中心とした渤海南部の水の海水流出を早める働きをすると考えられる．

域で更なる水質悪化が予想される．

６．黄河の底質の粒度試験結果

７．まとめ

黄河河道内に堆積している土砂を調査すること

渤海では，潮汐流および吹送流が海水交換に寄与

は，海水交換機構解明後の粒子追跡シミュレーショしていた．潮汐流は渤海内で反時計回りの水平循環ンを行う上でも極めて重要である．そこで，本研究流を形成し，吹送流は鉛直方向と水平方向に広範囲

ではこの底部にある土砂（底質）を調査することにで海水交換を行っていた．吹送流による海水交換は，より，その粒径や粒度分布を調べた．試料は 2002

潮汐によるものよりも約 2 倍程度早く，吹送流は潮年 9 月中旬及び 12 月下旬に採取されたもので，採汐流よりも海水交換に与える影響が大きいという取地点は，黄河河口より 600 ㎞上流に位置する黄河ことが明らかになった．特に風向は大きく海水交換下流域の河南省鄭州市および 1500 ㎞の中流域の甘に関与しており，冬季に吹く風が最も海水交換を促

斎省蘭州市である．調査では，底質の粒度試験を一進していた．そのため，冬季の吹送流が海水交換をつの資料に対して３回行い，その平均値を取った．

最も促進させる流れであることが明らかになった．

図 19，20 は，その底質の粒度試験結果である．

黄河の底質の粒度試験結果より，「南水北調」に図から，60％粒径はそれぞれ 0.19 ㎜，0.14 ㎜とともなう黄河からの流入水は濁水になると予想さなっている．「汽水域の河川環境の捉え方に関するれる．また，「南水北調」で渤海からの流出水が増検討会」の報告によると，日本の代表的な一級河川大することにより，渤海の海水が流出する速度は現の底質 60％粒径（河口付近）はおよそ 0.2 ㎜〜5 ㎜

在よりも速くなることが確かめられた．吹送流を考程度となっており，この値と比較しても，黄河の底慮した場合，その速度はさらに速くなると予想され質粒径は非常に小さいことがわかる．これは，砂以る．このことから，今後は日本海沿岸海域を含めた下（0.075 ㎜以下）の含有率を見ても明らかである．

広い範囲で海流および吹送流を含めた検討が望ま

一般に，掃流砂量は流速に比例し，平均粒径に反比れる．

例することが知られている．黄河の底質は非常に粒径が小さく，また「南水北調」によって黄河の河川参考文献
堀江

毅(1980)：沿岸海域の水の流れと物質の拡散に関する水の流速が増大することで，掃流砂量は大きな値と水理学的研究，港研報告，360 巻，pp．102-105．

なる．そのため，「南水北調」による黄河からの流犬飼直之，早川典生(2001)：渤海の海水交換機構に関する研入水は，黄河河道内に堆積している底質を大量に含究，海岸工学論文集，第 48 巻，pp．1046-1050．

んだ濁水になることが予想される．

山中亮一，志水克成，中辻啓二(2004)：大規模閉鎖性水域の渤海における流動構造の季節変動特性，海岸工学論文集，

通過百分率（％）

100

第 51 巻，pp．321-325．

80
60

山中亮一(2002)：メソスケールの気象擾乱が閉鎖性内湾の流40

動・密度構造に及ぼす影響に関する研究，大阪大学工学20

研究科博士論文．

00.001

0.01

0.1

1

粒径（ｍｍ）

宇野木早苗(1993)：沿岸の海洋物理学，東海大学出版会．
柳哲雄(1989)：沿岸海洋学，恒星社厚生閣．

図 19．粒径加積曲線（甘斎省蘭州市）

中野猿人(1940)：潮汐学，生産技術センター新社．

通過百分率（％）

100

陸旻皎，本田諭(2000)：総合的な河道追跡モデルの開発とそ

80の応用，土木学会水工学論文集，第 45 巻，pp．133-138．

60
40Inukai，N．(2001)： Water exchange of the Bohai sea and

20Dalian Bay due to tidal flow and wind-driven flow ，00.0010.01

0.1
粒径（ｍｍ）

図 20．粒径加積曲線（河南省鄭州市）

1

Asian and Pacific Coastal Engineering 2001，Vol.1，
pp．325-333．