コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005

論文

飛来塩分の発生・輸送シミュレータの開発
山田

文則*1・下村匠*2・細山田

得三*3

要旨：飛来塩分は，海水面より発生し，風によって空気中を輸送され，構造物に到達する。
構造物に飛来する塩分を精密に予測することを目的として，本研究では，飛来塩分の波動場からの発生とその輸送に関する数値モデルの開発を行った。その結果，本数値モデルの計算結果は海岸から数百 m の範囲で行った飛来塩分の実地観測結果をよく表現できることが明らかとなった。また，飛来塩分は気象条件だけでなく波浪条件にも影響を受けていることが数値計算上示された。
キーワード：飛来塩分，塩害，数値解析，実地観測，波動場
1. はじめに5km

新潟市

石地海岸

出雲崎町

0km

飛来塩分は，海水面から発生し，風によってN輸送され，構造物に到達する。コンクリ−ト構
造物表面の塩分量は，コンクリ−ト中の塩分の侵入過程を解析する際に境界条件として用いられることから，鉄筋コンクリ−ト構造物の塩害

西山町に対する耐久性を評価する上で，重要な指標と長岡市なっている。
海岸やその周辺の地形の影響を受ける飛来塩
上越

分の動態を汎用的に予測するには，地形等の各

柏崎市

図−１ 新潟県中越地方

種要因を合理的に考慮できる数値モデルを開発することが有効であると考えられる。飛来塩分

生過程，大気中の輸送過程を，一貫して計算すの輸送過程の数値シミュレーション例はいくつ

る数値モデルの開発を目的とした研究を行ってか報告されている 1)2)。

いる。本論文では，数値モデルの概要と，飛来一方，台風襲来時，および季節風の卓越する塩分の実地観測による検証について述べる。

冬季の日本海沿岸などでは，波動場から発生したしぶき状の飛来塩分が大量に輸送される。こ2. 飛来塩分の実地観測のような場合では，大気中の飛来塩分量は波浪

2.1 観測場所および観測期間条件に大きく影響を受けると考えられるので，飛来塩分の観測場所は図−１の日本海沿岸域

精度よく予測するには，飛来塩分の輸送過程だの新潟県中越地方に位置する西山町の石地海岸

けでなく，波浪場における飛来塩分の発生過程である。この海岸は図−２のように汀線の背後を表現できる数値モデルの開発が必要である。に高さ 3m 程度の盛土が設置してあり，その盛土

著者ら

3)4)5)

6)

および永島ら は，より一般性のある方法を目指し，波動場における飛来塩分の発*1 長岡技術科学大学大学院

上には高さ 5m の防風壁が設置してある。観測は2003 年 1 月 23 日に実施した。

工学研究科エネルギー・環境工学専攻*2 長岡技術科学大学

環境・建設系助教授

博士(工学)*3 長岡技術科学大学

環境・建設系助教授

博士(工学)

-865-

(正会員)

修士(工学)(正会員)

観測点
1 2 34 56789防風壁
盛土

10 11 1250m

飛来塩分量
風速

7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.00.0

図−２ 観測点の配置

20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.08.06.04.0
2.00.0風速 (m/s)

陸側

飛来塩分量 (g/m2/h)

8.0

海側

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
観測点番号

2.2 観測方法および観測点の配置

図−３ 飛来塩分量と風速の観測結果

観測方法は村上ら 7)を参考に乾燥ガ−ゼ法で行った。塩分捕捉器は縦横 10cm×10cm の捕捉窓を設置した 2 枚のアクリル板の間にガ−ゼをにくい微小な粒径の塩分が輸送されていると考挟んだものを用いた。塩分捕捉器を空気中に放えられる。

置し，観測終了時にポリエステル袋にいれて分析作業にいたるまで保存した。分析はガ−ゼを次章において，この観測を再現した数値計算を行い，観測結果との比較を行う。

蒸留水(20ml)に浸し攪拌した後，この水溶液中のNa+ 濃度をコンパクトナトリウムイオンメ−タ3. 数値解析を用いて測定した。その後，NaCl 濃度に換算を3.1 数値モデル全体の構成行い，暴露時間および受風面積をもとに風向き

大気中の飛来塩分濃度が高い冬季の日本海沿に垂直な単位時間・単位面積当りの付着塩分量

岸では，厳しい気象・海象作用により海水面か2(g/m /h)を算定した。1 回の計測時間は 10 〜120

ら大量のしぶきが発生し，飛来塩分として大気分程度と短時間である。

中に供給される。本研究の数値モデルは，この観測点は，図−２のように No.1〜No.4 を防風壁の前面に，No.5〜No.12 を防風壁の背後に設置

波動場からのしぶきの生成過程とその輸送過程が計算できる統合数値モデルである。

した。塩分捕捉器はステンレス製のポ−ルに地数値モデルは以下のような素過程によって構面から 1.0m 程度の高さで設置した。

成されており，これらのモデルを結合すること

2.3 観測結果および考察により飛来塩分の発生から輸送を一貫して表現

図−３は飛来塩分の輸送量に関する実地観測している。の結果と風速の測定結果を示したものである。

・風の場の計算

風速は防風壁に近づくにつれ減少する傾向が見・波動場の計算られる。防風壁の背後では，防風壁から離れる・飛来塩分の発生過程の計算に従い風速は増加している。図に示すとおり，・飛来塩分の移流・拡散過程の計算

風速の変化に伴い，観測される飛来塩分量も変実際の計算では，風の場をオフライン処理であ化している。飛来塩分量は汀線付近の観測点

らかじめ計算しておき，他の計算は時間ステッNo.1 で高く，防風壁に近づくにつれて減少してプごとに行う。図−４に数値モデル全体の構成いる。防風壁の背後では，飛来塩分量は風速と図を示す。

異なり一定の値を示している。この結果より，3.2 数値解析の方法

防風壁による風の減少効果により，壁の前面で(1) 波動場および飛来塩分の発生過程の計算

大粒の飛来塩分が沈降し，壁の背後では沈降し砕波から発生する飛来塩分は，2 つに大別する

-866-

計算開始

∂η∂Q ∂ ⎛ Q 2 ⎞⎟⎟ + gD=+ ⎜⎜∂x∂t ∂x ⎝ D ⎠境界，初期条件の設定∂ 3η
1 ⎞ 2 ∂ ⎛ ∂ 2Q ⎞⎛⎟⎟ + Bgh 3 3 − Fd D⎜⎜⎜ B + ⎟h3 ⎠ ∂x ⎝ ∂t∂x ⎠∂x⎝ブシネスク方程式による波動計算(2)波のエネルギー損失量の計算

ここで，ηは水位変動(m)，Q は 1 次元の線流量しぶきから発生する飛来塩分量の計算(m2/s)，g は重力加速度(m/s2)，h は平均水深(m) ，D(=h+η)は全水深(m)， x は x 方向の水平座標，オフライン
風の場の計算t は時間(t)，B はブシネスク方程式の形に応じた定数(B=1/21)である。Fd は Dibajnia ら 8)による砕飛来塩分の移流・拡散の計算

波減衰係数(1/s)である。本研究では Fd を用いて波動場の波のエネルギ−損失を評価した。

終了

砕波帯でのしぶき状の発生量は式(3)，(4)を用

図−４ 数値モデルの構成図

いて計算を行った。
ことができる。ひとつは砕波によって海水面がちぎれることによって発生する飛沫，もうひとつは砕波帯によって海水面下に生成される気泡が海水面で破裂することによって発生する飛沫である。海岸近傍に輸送される大部分の飛来塩

c a = aFd E(3)

a = b1 exp(b2 )(4)

b1 = 2.279 × 10 −6 ， b2 = 0.467U

分がしぶき状のものであると考え，本研究では前者を考慮して計算を行った。後者の気泡からここで，ca は飛来塩分の発生量(g/m2/h)，E は波発生する飛沫は少ないと考え，無視している。の全エネルギ−量である。係数 b1，b2 は海岸地

飛来塩分の発生要因となるしぶきは，砕波帯形および気象・海象条件に依存した値であり，によって海水面が乱れることによって生成され各海岸で異なると考えられる。係数 a は観測かる。そのため，本研究では，海水面の乱れの度ら求めた値であり，U は水平風速(m/s)を示して合いを砕波による波のエネルギ−減衰量とし，いる。ただし，浅井ら 9)の研究によれば風によっ海水面上に生成される飛沫量を計算することにて海水面から大気中に飛散する塩分量は海上風

よって，飛来塩分の発生の計算を行った。波動速 13m/s で限界となり，風速がこれ以上増加し場において飛来塩分の発生に寄与する乱れは，ても発生する塩分量は一定となることが示され修正ブシネスク方程式による波動場の数値計算ている。そのため，式(4)における水平風速 U はにおける砕波減衰係数を用いて計算した。式(1)，13m/s が限界であり，風速がそれ以上の場合も U(2)に 1 次元の連続条件式および 1 次元の修正ブは 13m/s として計算を行っている。

シネスク方程式を示す。

発生時に大気中に舞い上がったしぶきの分布
は飛沫粒子の沈降と鉛直方向の拡散が釣り合っ∂η ∂Q x+=0∂t∂xた状態の式(5)で評価できると仮定し，式(6)で計(1)算を行った。

-867-

∂ 2c∂cws= υt 2∂y∂y(5)c( y ) = c0 exp(− Ay ) ， A = ws / υt

(6)は重力加速度(m/s2)である。計算はオフライン処理として 1 回だけ行い，定常風の場の解を塩分の拡散計算に用いた。飛来塩分の拡散は，式(9)の拡散方程式により計算を行った。

ここで，c は飛来塩分量(g/m2/h)，co は海水面で⎛ ∂ 2c ∂ 2c ⎞∂c∂c∂c= υt ⎜⎜ 2 + 2 ⎟⎟ (9)+ (v − ws )+u∂y ⎠∂y∂x∂t⎝ ∂xの飛来塩分量(g/m2/h)，ws は飛来塩分の沈降速度(m/s)，A は飛来塩分の鉛直方向の減衰係数(1/m)，
y は鉛直高さ(m)，νt は k−ε乱流モデルから求められる乱流拡散係数(m2/s)である。

ここで，ws は大気中での飛来塩分粒子の沈降速(2) 風の場および飛来塩分の輸送の計算度(m/s)である。

空気を非圧縮性流体と考え，式(7)，(8)に示す

以上の各方程式の解法は，有限差分法を用い質量保存則(連続式)と運動量保存則(ナビエ・スた。有限差分法は領域内の関数分布を各格子点トークス方程式)により，風の場の数値計算を行上の値で置き換えた離散化データを用いて，微った。

分方程式の近似解を求める方法である。

∂u ∂v+=0∂x ∂y3.3 計算条件および入力パラメータ(7)(1) 数値モデルの検証
計算領域は 2 次元であり，図−５のような⎛ ∂ 2u ∂ 2u ⎞∂P∂u∂u∂u− g x + υt ⎜⎜ 2 + 2 ⎟⎟=−+v+u∂y ⎠∂x
∂y∂x
∂t
⎝ ∂x

防風壁

沖側(8)

観測点

5⎛ ∂ 2v ∂ 2v ⎞∂v∂v∂v∂P+u +v=−− g y + υt ⎜⎜ 2 + 2 ⎟⎟∂t∂x∂y∂y∂y ⎠⎝ ∂x

陸側盛土

3
海面
1:20

ここで，x，y は 2 次元座標，u，v は x，y 方向

0-200

75

5295の流速(m/s)， t は時間(s)，P は圧力(Pa)，gx，gy375(m)図−５ 計算地形表−１ 計算モデルの入力・出力パラメータ
計算全体

波動場

飛来塩分発生入力パラメータ
総時間ステップ数
時間間隔
総格子数
格子間隔
地形データ
入射波高
入射周期

風速
波のエネルギー量
波高減衰係数
風の場
境界での風速大気の粘性係数圧力
収束許容誤差飛来塩分
塩分の発生量
輸送風速
乱流拡散係数塩分粒子の沈降速度記号NTDT
NX,NYDX,DY
H
η0T0

単位個s個mmms

U,VE
FdUνPepsicaU,Vνtwsm/s
kg・m/m1/sm/sm2/s
Pa

出力パラメータ

記号単位

波高減衰係数
波の全エネルギー量
波高塩分の発生量

FdEηca1/s
kg・m/mmg/m2/h

風速
乱流拡散係数

U,V
νtm/sm2/s

cg/m3/hg/m2/h 大気中の飛来塩分量
m/s
m2/sm/s-868-

表−２ 計算条件
CASE 構造物 波高 周期 風速msm/s
地形1あり
4.0 9.0 30.02なし
4.0 9.0 30.0
波浪
3なし
6.0 9.0 30.04なし
3.0 9.0 30.05なし2.0 9.0 30.0
6なし
1.0 9.0 30.0
風速7なし
4.0 9.0 40.0
8なし
4.0 9.0 30.09なし
4.0 9.0 20.0
10なし
4.0 9.0 17.5
11なし
4.0 9.0 15.0
12なし
4.0 9.0 12.5
13なし
4.0 9.0 10.0
14なし
4.0 9.0 7.5
15なし
4.0 9.0 5.0

飛来塩分量(g/m2/h)

8.0

沖側

観測結果
計算結果
比例係数 a=9.87E–04

6.0

0.10

陸側

0.14

風

0.16
0.36

平均風速(30m/s)
0.60

防風壁の設置位置

単位(g/m2/h)

4.0(a) 防風壁設置
沖側

陸側

2.00.10

風

0.14
0.20
0.24
0.36

0.00100200300

400単位(g/m2/h)

汀線からの距離(m)(b) 防風壁なし

図−６ 計算と観測結果の比較

図−７ 飛来塩分の空間分布

飛来塩分量(g/m2/h)

50.040.0変化させた計算を行った。CASE2〜15 までは，飛来塩分の通過量
指数近似曲線
y = 2.80exp(0.495x)

図−５の地形において防風壁を設置しない条件で計算を行った。表以外の計算パラメータは(1)30.0と同様の条件を与えた。
3.3 計算結果および考察

20.0(1) 数値モデルの検証
10.00.00.0

図−６は，数値解析の結果と観測結果を比較したものである。ここでは，計算結果が実地観2.04.0

測結果と一致するように係数 a の値を定めてい6.0

波高(m)る。係数 a は，波動場における海水面の乱れの図−８ 飛来塩分と波浪条件の関係

度合いと海水面で発生する飛来塩分量の関係を

600m×40m の空間とした。気流は左端(沖側) よ示した比例係数である。今回の場合では，平均り風速 30m/s を鉛直方向に一様な分布で与え，風速 30m/s で全体の計算を行っているが，先に右端(岸側)で自由流出とした。波動場の計算は大述べた理由より，式(4)の係数 a の算出に用いた気空間の領域と対応させ，沖海域(造波点)を 0m，U は 13m/s を与えている。本計算モデルによる海岸地点を 600m とした。海底地形は沖海域(造計算結果は，観測結果の傾向をよく表現できて波点)から 200m 程度までを 1:20 の一定勾配としいる。飛来塩分は，防風壁の近辺で急激に減少て計算を行っている。入射波の条件は新潟西海しており，障害物による影響が再現できている。

岸の設計波浪である周期 9s および波高 4.0m を(2) 各パラメータの感度与えた。発生する飛来塩分の粒径には直径

飛来塩分の輸送過程は気象，海象条件および1.000mm ， 0.100mm ， 0.010mm ， 0.001mm ，海岸地形に強く影響を受ける現象である。それ0.0001mm を与えている。計算では，粒径の影響らのパラメータと飛来塩分の輸送量の関係につを式(9)の拡散方程式における飛来塩分粒子の沈いて数値計算による検討を行った。

降速度 ws で考慮している。表−１に計算に必要

図−７は防風壁を設置した場合としない場合な入力パラメータと出力パラメータを示す。の飛来塩分の輸送量を表したものである。図に(2) 各パラメータの感度の計算示すとおり，防風壁の設置により飛来塩分の輸表−２のような地形，風速および波浪条件を送過程が変化している。これは，防風壁を設置-869-飛来塩分量の通過量(g/m2/h)

30

今後は，実験および観測データを用いた詳細

風速13m/s

な計算結果の検証と行う予定である。

20

参考文献
計算結果

1) 仲座栄三，津嘉山正光，山路功祐，日野幹雄：

風速 13m/s以下

計算結果

10

飛沫（海塩粒子）拡散の数値流体力学的解析，

風速 13m/s以上

海岸工学論文集，第 40 巻，No.2，pp.1036-1040，

指数近似曲線
y = 0.0059exp(0.58x)

1993

線形近似曲線
y = 0.6745x + 1.3982

01020302) 田中孝和，富山40

潤，伊良波繁雄，吉村

忍：

ランダムウォーク法による飛来塩分の拡散

水平風速(m/s)

シミュレーションに関する研究，コンクリー

図−９ 飛来塩分と風速の関係

ト工学年次論文集，Vol.26，No.1，pp.789-794，

することで，防風壁の前面および背後面で風速2004が減少したためである。特に，防風壁前面の風3) 細山田得三，山田文則，田安正成：波動場数速の減少により，大粒の飛来塩分が早い段階で値計算の砕波判定によって発生する飛来塩地面へ沈降したことが，飛来塩分の輸送過程に分とその輸送に関する数値実験，海岸工学論影響を及ぼしたと考えられる。

文集，第 49 巻，No.2，pp.1256-1260，2002

図−８は表−２のＣＡＳＥ２−６における飛4) 山田文則，細山田得三：海面から発生する飛来塩分の輸送量と波高の関係を示したものであ来塩分に関する実地観測とその飛来塩分発る。図に示す飛来塩分量は，図−５の盛土上を生・輸送数値モデルの開発，海岸工学論文集，通過する飛来塩分量の平均値である。図のよう

第 50 巻，No.2，pp.1176-1180，2003に輸送される飛来塩分量は，入射波高の増加に

5) 山田文則，細山田得三：海岸構造物周辺のし対して指数的に増加する傾向が見られた。

ぶきから発生する飛来塩分の輸送とその長

図−９は飛来塩分の輸送量と水平風速の関係

期的観測，海岸工学論文集，第 51 巻，No.2，を示したものである。図の計算結果は，白丸が水平風速 13m/s 以下，黒丸が水平風速 13m/s 以上

pp1121-1125，2004
6) 永島勝，下村匠：コンクリート構造物への場合である。図に示すとおり，風速が 13m/sの飛来塩分の影響因子に関する感度解析，コ以下の場合では指数近似曲線に，13m/s 以上の場

ンクリート工学年次論文集，Vol.26，No.1，合では線形近似曲線に一致している。これは，pp.1047-1052，2004

式(4)の b2 に含まれる風速 U が 13m/s 以上増加し

7) 村上和男，山田邦明，西守男雄：沿岸域の飛ないためである。そのため，風速 13m/s 以上で，沫に関する現地調査−津田における現地調

波浪条件が一定な場合では，海水面から発生す査結果とアンケ−ト調査結果−，港湾技研報る塩分量が一定となり，風速と飛来塩分の輸送告量の関係が線形的になったと考えられる。

No.784，1994

8) Mohammad D，渡辺晃：波動場と海浜縦断地形変化の数値計算モデル，海岸工学講演会論

4. 結論

文集，第 34 回，pp.291-295，1987

本計算モデルは，飛来塩分の実地観測の結果

9) 浅井正，村上和男，西守男雄：波浪条件やをよく表現できること，飛来塩分の輸送量は，海底性状の変化が飛沫の発生に与える影響

風速だけでなく波浪条件の影響を受けることがに関する２次元水路実験，海岸工学論文集，明らかになった。

第 42 巻，No.2，pp.1191-1195，1996-870-