有明海再生機構主催

平成２７年5月13日（水）有明海市民講座

第６回

有明海異変の解明１
シミュレーションモデルの構築

有明海再生機構 理事長

荒牧 軍治

この有明海市民講座の実施に当たっては「福岡都市圏広域行政事業組合流域連携基金」の助成を受けて実施いたしております。

海域の環境変化
海はどうなっているのか（現況）
なぜこうなったのか（原因解明）

海域環境異変の原因

どうすれば良くなるか（対策検討）
有明海再生機構設立時（２００５年）：漁民からの聞き取り調査●締切（１９９７年）以降流れが遅くなりつつある
諫早湾締切→潮流速の低下→成層強化→貧酸素・赤潮の増加モデルが想定●湾奥谷部に泥がたまり、ベタついている有機物の増加、底質の悪化
1

有明海モデル→原因を調べる・改善策を検討する
コンピューターシミュレーション■有明海で起こっている事象（気象等外的条件、流れ、泥の移動、プランクトン発生、貧酸素、二枚貝の挙動など）の関係を調べる
現状分析・理解各種調査結果を矛盾なく説明できるモデルを作る■地形変更、気象変化、ベントスの増減等が貧酸素、二枚貝、海苔生産などにどのような影響を及ぼすか（感度解析）
予知・予測
有明海がなぜこうなったのかを検討する（過去）
考えている対策は有効であるかを検証する（未来）2私が考える環境の最も重要な指標

貧酸素
硫化水素の発生

魚類・二枚貝ベントスの減少

有明海以外の海域（東京湾 瀬戸内海等）
プランクトン
陸域からの有機物の大量発生
栄養塩の過剰流入（赤潮）

×

有害赤潮の引き金

貧酸素

微生物の作用遮断＝再生策

3

有明海で貧酸素が起こる理由を探る
有明海に流入する有機物・栄養塩

干拓・締切などの陸域の変化

外海の干満差の減少

COD [103 t/year]

横ばい、むしろ減少傾向

有機物1960

潮位・潮流速の低下

TN [103t/year]

50

諫早湾締切

その他の流域
筑後川流域

16014012010080604020040

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
年度 （2000年以降は年）

チッソ

200020052010

その他の流域
筑後川流域

30201001960 1965

透明度の上昇上下撹拌力の低下
成層化増進

TP [103 t/year]

掃流力の低下貧酸素

1975 1980 1985 1990 1995
年度 （2000年以降は年）リン

765432101960

赤潮の増加

1970

1965

1970

2000

2005

2010

その他の流域
筑後川流域

1975 1980 1985 1990 1995
年度 （2000年以降は年）

2000

2005

2010

有明海に流入する有機物・栄養塩

これらの事象を解析できる有明海モデルの構築
4

シミュレーションモデルって何？
(Simulation Model)
物理的あるいは抽象的なシステムをモデルで表現し，そのモデルを使って実験を行うこと。実際に模型を作って行う物理的シミュレーションと，数学的モデルをコンピューター上で扱う論理的シミュレーションがある。模擬実験。

①流動モデル

潮位・潮流速、塩分濃度、水温②低次生態系モデル 懸濁物輸送、プランクトン発生消失
水質 物質循環 底質 底生生物
③生物生活史モデル

アサリ、サルボウ、スズキ等の資源量（漁獲量）

誰もが認める原理

運動方程式（ニュートンの第２法則）
エネルギー保存則
質量保存則

数学

微分方程式
5

シミュレーションモデルの到達点（結論）
流動モデル
潮位・潮流速、塩分濃度、水温

低次生態系モデル

九大モデル、佐大モデル
JSTモデル 鹿島モデル観測塔での観測値とほぼ一致時系列まで再現可能
JSTモデル 鹿島モデル観測塔での溶存酸素（DO)観測値

懸濁物輸送、プランクトン発生消失
水質 物質循環 底質 底生生物

時系列までは再現できていないが、傾向とオーダーは一致

生物生活史モデル

JSTモデル

アサリ、サルボウ、スズキ等の資源量（漁獲量）検証に用いるデータが十分に得られていない
6楠田プロジェクトJSTモデル■モデルの基本的な枠組み
流れ・水温・塩分

泥・プランクトンの巻き上げ・移動

水中の物質循環

底質内の物質循環7楠田プロジェクトJSTモデル■低次生態系モデルの概要
■ 浮遊系
非生物項
・有機物・栄養塩
・溶存酸素・酸素消費物質
・SS
生物項
・植物プランクトン・動物プランクトン・養殖ノリ

■ 底生系

非生物項
・有機物（易分解・難分解・不活性)・栄養塩・溶存酸素
・遷移金属元素類（マンガン・鉄・硫黄・メタン）
生物項
・付着藻類
・懸濁物食者(アサリ，サルボウ， タイラギ，アゲマキ，カキ，その他)
・堆積物食者8流動モデルの基礎方程式
D: 全水深(Ｈ+η),U,V: x,y方向の3次元流速成分,
ω: σ-座標系のもとでの鉛直流速成分
η: 水位
ｆ: コリオリカ
ｇ: 重力加速度
ρ: 海水密度ρ0: 基準海水密度(1025kg/m')
Km: 鉛直渦動粘性係数
Fx: 流速U成分に係る水平粘性項
Fy: 流速v成分に係る水平粘性項
T: 水温
S: 塩分
Ft: 水温に係る水平拡散項
Fs: 塩分に係る水平拡散項
KH: 水温, 塩分,ssに係る鉛直渦動拡散係数
その他
水中における鉛直方向の短波放射収支
乱流運動エネルギー
乱流運動エネルギーに係る鉛直渦動拡散係数など
9水質−底質−底生生物サブモデルの構造10

水質サブモデル
水質サブモデルの基礎方程式は,富栄謝上関連物質の移流拡散方程式である

Fc: 水平拡散項
Q: 富栄養化関連物質の負荷量
R: 反応項11

水質サブモデルで考慮する反応項
表中の＋の列はその反応項により予測項目が増加する項,―の列は予測項目が減少する項,＋は予測項目が増減する項を示している.

たくさんの項目が考慮されていることを感じてください

12

底質サブモデルで考慮する反応項

底生生物サブモデル
で考慮する反応項13

計算に必要なデータ
室内実験・現地観測等から得られるもの→絶対に作ってはいけない
物理的な場の条件
どれくらい広く、どれくらい細かくモデルを作るかで結果が決まる

地形： 地図より取得→デジタルデータが公表
水深： 深浅測量結果を集積
楠田ＪＳＴモデル・900m～2700mの可変長格子※有明海内は一律900m
・底質・底生生物サブモデルはボックスモ
デルで有明海内を71に分割

120150 depth[m]130110958575655548444036322824201612840100[km]

8060

4020

楠田ＪＳＴモデル
鹿島モデルで用いた深浅測量データ

20406080[km]10012014楠田プロジェクトJSTモデル■鉛直層分割
海底面
1 cm
10 cm
15 cm

25 cm

40 cm

60 cm

100 cm123456789101112131415

泥深「cm]

層厚「cm]

0.00 ～ 0.02
0.02 ～ 0.05
0.05 ～ 0.10
0.10 ～ 0.20
0.20 ～ 0.50
0.50 ～ 1.00
1.00 ～ 2.50
2.50 ～ 4.50
4.50 ～ 6.50
6.50 ～ 10.00
10.00 ～ 15.00
15.00 ～ 25.00
25.00 ～ 40.00
40.00 ～ 60.00
60.00 ～ 100.00

0.02
0.03
0.05
0.10
0.30
0.50
1.50
2.00
2.00
3.50
5.00
10.00
15.00
20.00
40.00

【浮遊系】 多重σ座標【底生系】

3段の多重σ座標：最大15層モデル
0～3m
：5層
3～15m
：5層
15m～海底：5層

不等間隔格子：表層をより詳細に分割
・底泥表層より100cmを解析
・0.02cm～40cmの15層に分割し15楠田プロジェクトJSTモデルの構築・検証■外力条件（流動サブモデル）【淡水流入量】
1級河川および直接流入域を実測値をもとに設定。
時別値で設定【湾口境界条件】
潮位：長周期潮を含む13分潮水温・塩分：沿岸定線データ（1回／月）【気象条件】
熊本新港（風向・風速）および熊本気象台（気温、相対湿度、全天日射量、雲量）。気象条件は時別値を設定【パラメータ等】
・Mellor and Yamada(1982）による乱流モデル
・Smagorinsky(1963)による水平粘性・拡散・海底摩擦：対数則（Z0＝0.01m）
・ノリ網による抵抗

河川流量の時間変化
16楠田プロジェクトJSTモデルの構築・検証■外力条件（水質－底質－底生生物サブモデル）
2001年

COD
T-NT-P

10000
負荷量(g/s)【流入負荷量】
1級河川および直接流入域を実測値をもとに時別値で設定。

100000100010010【湾口境界条件】
公共用水域水質調査結果などの実測値をもとに設定．

1010203040506070809101112月

筑後川からの流入負荷量【生物現存量】
環境省「有明海・八代海総合調査評価委員会委員会報告書」（2006）で整理された漁場図をもとに，漁獲率（＝0.2）や、九州大学森教授の現地調査結果から現存量を整理し，水深および底質分布（MdΦ）を参考に底生生物現存量（アサリ，サルボウ，カキ，その他）を設定．
【パラメータ等】
既存の値を基本として再現性を考慮して修正

有明海のMdΦの分布
17181920モデルの精度向上
巻き上げ特性はMdφに依存
水深精度は流れ場の計算の精度を左右する

佐賀大学懸濁物輸送モデル

底質地形

図 1 有明海の水深と底質粒度（Mdφ）の分布
21陸域から供給される物質の負荷量

佐賀大学有明海総合研究プロジェクト
最終報告書pp.27

有明海の流入負荷算定のためには有明海流域における信頼できる原単位データの取得が重要
L：物質負荷量（g/s）
L-Q式
n
Q：流量（m3/s）
C，n：定数L-Q式の係数

L=CQ

TN負荷量

TN = 0.345 Q

800

1.22

700
600
500
400

TN負荷量

300
200
100
00200

400

600

流量（m3/s）

22

シミュレーションを実施したビッグプロジェクト
佐賀大学有明海総合研究プロジェクト（佐賀大学モデル）
科学技術振興調整費（JSTモデル)
環境省有明海貧酸素水塊発生機構実証調査（鹿島モデル）
流動解析モデル
九州大学モデル
基礎プログラム
POM：Princeton Ocean Model
公開・非公開種別
公開
サブモデル構成
メッシュ構造東西約250m 南北約310m
鉛直メッシュ
σ座標 １０

流れ場だけのモデル
田井明博士論文に使用（九州大学モデル）

低次生態系モデルの比較
JSTモデル
基礎プログラム

鹿島モデル

POM：Princeton Ocean Model DELFT3D

公開・非公開種別

非公開

サブモデル構成

流動サブ、懸濁物輸送サブ
水質・底質・底生生物

水平メッシュ

900m格子鉛直メッシュ

σ座標 ２０非公開
流れ解析（DELFT3D－FLOW）
水質解析
DELFT3D－WAQ （水中の計算）
sub-model SWITCH （底泥中の計算）
湾奥 250m×300m（一般直交）
湾口 350×450m
σ座標 ２０（一様）佐賀大学モデル
FVCOM Ver.2.6
公開
流動モデル
懸濁物輸送モデル
低次生態系モデル
湾奥 500m（三角形非構造格子）
開境界付近 1200m
σ座標 １０23