河川汽水域への海水浸入後経過時間および海水残留時間の数値解析による評価
天野邦彦 1*，大沼克弘 2，遠藤希実 3
1国土技術政策総合研究所

環境研究部

2国土技術政策総合研究所

河川環境研究室
環境研究部

3国土技術政策総合研究所室長（〒3050804 茨城県つくば市旭一番地）

河川環境研究室

主任研究官（同上）

環境研究部 河川環境研究室＊ E-mail: amano-k92ta@nilim.go.jp

研究官（同上）水域における水や物質の滞留時間は，水環境を規定する重要な要素である．本研究は，水質の数値計算において，物質濃度変化計算の仕組みを工夫することで，計算対象水域中の任意の範囲における計算対象
物質の当該範囲流入後の経過時間や，範囲内に存在していた物質の残留時間の計算が可能となる様に改造した数値解析モデルを，潮汐による往復流をはじめとして複雑な流動・混合状態を有する河川汽水域に適用して，考察したものである．
汽水域上流のくぼみにおいて，浸入後の塩分経過時間が長い傾向が示され，貧酸素水塊発生機構との関連が示唆された他，河道形状の違いや河川流量の変化に応じた塩分残留時間の変化特性が明らかになった．

Key Words : Retention time,age, residence time, flushing time, salinity, estuary

1. はじめに

河川汽水域における塩分濃度は，それ自身が汽水域環境の状態を示す極めて重要な指標であると同時に，水の密度を規定し流動に影響を与えるため，他の水質にも強河川汽水域は，上流から流入する河川水と潮汐によっく影響する．特に弱混合や緩混合の状況下では，塩分成て下流から流出入する海水が混合する領域である．潮汐層の形成に伴い鉛直方向の混合が抑制されるため，滞留による流れは，一日に概ね2周期の水位変動を示す潮汐時間が長くなると底層における嫌気化などの問題が生じにより駆動される往復流であると共に，密度の異なる海やすくなる．このため，複雑な塩分濃度分布の変化を知
水と淡水が遭遇することで生起する密度流である．
るとともに，その滞留時間についても知ることができれ
日本では河口部の河川汽水域における海水と淡水の混ば，塩分自体の影響のみでなく，他の水質項目への影響
合状態を，塩分濃度分布により強混合型，緩混合型，弱１）混合型という様に分類することが多い ．しかし大潮， や生化学的反応への影響も同時に推定することが可能となり，河川汽水域の環境解析に大いに役立つと考えられ
小潮といった潮位差が異なる時期により塩水と淡水の混る．
合形態が異なることが知られている他，満潮に向けて水
本稿では，このような考えにのっとり，海洋から潮汐位が上昇する期間と干潮に向けて水位が下降する期間を流により供給された塩分や集積する赤潮形成プランクト
比べても塩分濃度の分布に違いが見られるように，河川
ンが，河川汽水域における時空間的に複雑な流動の影響
汽水域での海水混合は空間的に不均一かつ時間的変動がを受けて，どのように混合滞留するかについて，滞留時大きいものであり，海水と淡水の混合状態についての解
間も解析可能となるように新たに開発した数値解析モデ
析にはより詳細な視点が必要と考えられる．
ルを用いた検討を行う．さらに，河川改修を念頭に置い河川汽水域においては潮汐だけでなく河川流量変動もた地形条件の改変や，気候変動を念頭に置いた潮位や河影響して複雑な流動場が形成されており，この複雑な流
川流量の変化に応じた海水滞留状況の変化の影響につい
動場と汽水域地形が組み合わさることで，塩分濃度分布ても定量的な評価を実施した．
が決定されている．このように河川汽水域における潮汐による海水の混合や滞留は非常に複雑である．
1

2. 研究方法

する際には，海側から汽水域に流入した水塊の経過時間（Age），赤潮藻類の挙動について評価する際には，汽水域のある領域に存在する藻類の当該領域における残留時間(Residence Time)と明確に区別して使用することが可能になれば，より適切な評価が可能になると考えられることから5)，本稿では，新たに開発した数値モデルを
河川汽水域を対象に適用することで，水の滞留時間に関係するこれらの輸送時間スケールについて算定し，潮汐による循環や混合といった複雑な流れが生じている河川
汽水域における水の滞留に関する検討を行う．

(1) 滞留時間の概念

滞留時間という概念を適用する場合，まず滞留する場所を設定する必要があるのは自明であるが，滞留時間の概念を水環境の文脈で検討する場合，検討したい内容によって滞留する場所の設定は異なる．例えば滞留する場
所として流れがほぼ一方向と考え得る湖沼や貯水池を対象にする場合，最も単純な場所の設定方法は，湖沼や貯水池全体を一つの場として捉えるものである．すなわち湖沼や貯水池全体を滞留時間評価の対象として設定する方法である．これは湖沼や貯水池の水環境を滞留時間の(2) モデル概要
観点から概略検討する際にしばしば執られる方法で，簡経過時間や残留時間について数値解析モデルを用いて便かつ実用的であり，概略検討の方法としては妥当なも実施した研究は，流動モデルから得られた流速場に仮想のと言える．
粒子を流して行われたものがあるものの 2,6)，仮想粒子
しかし，湖沼や貯水池では地形，気象，水温成層などの運動を計算格子上の流速場を内挿して与える等の処理により複雑な流動が発生することで，底層部の嫌気化や， を行っており，移流と拡散による輸送量を正確に評価す
入り江などにおける植物プランクトンの集積といった局ることが困難なことから，特に汽水域のように複雑な循
所的な水質問題が発生することがある．このような現象
環混合が生じる場への適用においては，精度に不安があは，局所における滞留時間が強く影響する現象であり，る．そこで本研究では，このような問題を解決するため
これらを検討対象とする場合は，湖沼や貯水池全体を対に，移流拡散方程式に工夫を加えて計算結果はそのまま象にした滞留時間の検討は，ほとんど意味をなさないので，経過時間と残留時間を正確に解析することが可能なで，現象が生起する局所を対象に滞留時間を検討しなけ
数値解析モデルを開発して，検討を実施した．
ればならない．この例から，流れがほぼ一方向と考え得開発したモデルの概要，評価対象とした汽水域の概要，
る湖沼や貯水池を対象としても，任意の水域に対して滞モデル計算条件，経過時間及び残留時間の集計方法につ留時間の検討が行えると有益であることが分かる．さら
いて以下に記述する．汽水域における流動は，河川流，に滞留時間の空間的な分布が評価できれば，より高度な
潮汐流，吹送流，塩分に基づく密度流により駆動される．
水環境解析が可能であることをこの例は示唆している．
このような領域における流動を解析することが可能な準3 次元モデル 7)（Blumberg and Goodrich モデル 8）において採用されている連続式，運動量式，塩分収支式および乱流計算モデルは踏襲した上で，これらに水温モデルを加えて，全体モデルを構築している．）を基本として，
河川汽水域において任意の水域における塩分と懸濁物の「経過時間」と「残留時間」の分布についても計算できるモデルを開発した．
本モデルでは，通常の水質解析モデルの様に塩分や懸濁物濃度の時空間的変化を計算するのみではなく，「経過時間」の算定のためには，予め設定した境界を通って境界内に流入した時刻により塩分や懸濁物を分画して，分画毎の濃度変化を追跡しながら計算することが可能なモデルとなっている．例えば塩分の河川汽水域への流入
後の経過時間を計算するのであれば，河道の横断面を通して湾から河道に流入した時刻により塩分を分画し，分
画毎の塩分濃度変化を追跡しながら計算することが可能なモデルとなっている．また「残留時間」の算定のためには，ある時刻において任意の境界内に存在する塩分や懸濁物について分画し，「経過時間」計算モデル同様の

ただし，ある水域における水や物質の滞留時間は，流れと地形により決定され空間的な分布を持つものである
ため，滞留時間の空間的分布を正確に算定するには，流れを解析するモデルを利用する必要がある．これは，水環境の解析において対象となるのは，水や溶存物質のよ
うに連続的なものである場合がほとんどであり，固形物とは違い対象物を周囲から分離して滞留時間を評価するのが困難なためである．特に潮汐による往復流が常に存在する河川汽水域においては，流れの解析を正確に行った上でないと，滞留時間を正確に評価することができな
い．
水や溶存物質の滞留時間については，いくつかの概念が存在する．Monsenら2)は，一般に広義に使用されている滞留時間（Retention Time）という概念に関係する3つの輸送時間スケールとして，Flushing Time3), Age4),
Residence time2)を取り上げて，それぞれの定義，適用性について議論している．汽水域における滞留時間の評価を実施するにあたっては，狭義の滞留時間（FlushingTime）とは別に，例えば貧酸素水塊の形成について評価
2

現象解明を試みるには，塩水や懸濁物の滞留時間（経過時間や残留時間）を評価し，これらの挙動を詳細に知ることが必要であるため，滞留時間を含めた水質計算が実施可能な本モデルの適用は環境保全上大きな意義がある．

計算を実施することが可能なモデルである．
基本となった塩分および懸濁物解析モデルは，計算対象領域を格子により区分して，移流拡散方程式を解くことでオイラー的に時空間的水質変化を求めている．流速場は別途解析して値が与えられるため，塩分や懸濁物濃度の変化を記述する移流拡散方程式は，線形微分方程式として表される．このため，分画した各々の塩分や懸濁物を独立の計算変数として扱い，通常と同じ移流拡散方
程式を適用しつつ，個別に分割して計算すれば，設定した境界をある時点に通過した塩分及び懸濁物や設定した領域内にある時点において存在した塩分及び懸濁物の濃度を他の属性を持つ塩分及び懸濁物と区別して計算することが可能である．また各計算格子において分画毎の塩
分濃度の総和や分画毎の懸濁物濃度の総和をとれば，方程式は線形なので，このような分画を行わない通常の計算における塩分濃度や懸濁物濃度と一致する9)．

N
W

E
S

E

A

D

B

C
水質観測地点St.e

図-1 豊川河口図

バッファー下流境界
放水路領域
河道領域下流端(3) 計算対象汽水域の概要
計算対象とした汽水域は，愛知県豊川河口域である．豊
川は流域面積 724km2，幹川流路延長 77km，段戸山（標高：1,152m）を源流に設楽町，新城市，豊川市および豊橋市を通り三河湾へ流れる一級河川である．豊川下流域
は昭和 40 年代より放水路・護岸・埋め立てなどによる
人為的な地形変化を受けている（図-1）．豊川が流入する渥美湾においては，富栄養化により夏季に底層の溶存
酸素が欠乏するために，水深の深い場所では，底生生物が生息することができないといった問題が生じている．
また，強い離岸風が生じた場合に貧酸素の底層水が沿岸に湧昇し，苦潮とよばれる現象が生じると，沿岸においても魚介類のへい死を招く．豊川河口部は，浚渫により河床が掘削されたという経緯があり，水深が深くなっている箇所が存在するため，湾の底層部分において貧酸素
水塊が発達している場合，満潮時には溶存酸素濃度が低
い塩水が侵入することがあり，このような場合には底生生物の生息には厳しい環境となりうる．
これほど条件が悪い場合以外でも，河口部の河川汽水域において，塩分成層が形成されるような場合，湾においては貧酸素化が進行していなくても，河道内の底層における貧酸素化が進行する可能性がある．このような状
況下で，どの程度まで溶存酸素濃度が低下するかは，河道に浸入した塩水の「経過時間」が強く規定していると考えられる．
また，放水路においては，赤潮の発生がしばしば見受けられる．本川においては，赤潮が集積することはない
ことから，放水路における「残留時間」が赤潮発生に影響していることが予想される．
この様な条件下の豊川河口汽水域において，これらの本川領域
経過時間算定用境界
バッファー領域

0

1

2

3km

図-2 計算領域と境界(4) モデル計算条件a) 設定条件モデルへの入力データなどの設定条件と検証結果については，既報 5)と同様であるため，紙面の都合上割愛す
る．また，計算モデル自体の精度検証に関しては，妥当な再現結果を得ている．これらについては，既報 5)を参照のこと．
b) 塩分経過時間及び残留時間の集計
湾から河道に浸入した塩分の「経過時間」の計算は，
図-2 に示した経過時間算定用境界を横切って上流側に向けて流入する塩分を流入時点を記録した変数として他と分画する（例えば，S1, S2, …, Sn）．今回の検討では
分画の時間は日単位とした．塩分の経過時間の分布は，計算中の任意の時刻に任意の水塊に対して求めることが可能である．手順としては，まず経過時間の分布を求めたい時点を設定して，この時点において河道内に存在す
る，流入時点により分画された塩分量を任意の水塊を対象に集計する．各分画に記録された流入時点と経過時間を求めたい時点の時間差が各分画毎の経過時間なので，各分画毎にこの経過時間と塩分量を乗じて総和した後に総塩分量で除することで，この水塊における塩分の平均
3経過時間が得られる（式(1)）．
nA=1(n − A)S A ( xi , y j , zk , tn )S A (xi , y j , z k , t n )

δt

2

(1)

ここで，：SA：分画 A に対応する塩分濃度（本稿では集計計算開始日を A=1 として，経過時間を求めたい時
点の n 日目まで，一日ごとに A を 1 増加させて分画している．），δt：分画の時間単位（本稿では 1 日）である．

前芝水位(m)Tage (xi , y j , z k , t n ) = ∑2.5

大潮時の計算開始時
中潮時の計算開始時
小潮時の計算開始時

1.5
1
0.5
0

-0.5
1/20

1/25

1/30
2007年

2/4

2/9

図-3 経過時間と残留時間の集計計算開始時間
経過時間および残留時間算定の際に問題となるのは，潮汐に伴う流れは往復流であり，図-2 に示した河道領域の最下流端から下流へ干潮時に一旦流れ出た塩分のう
分と一致する．モデル計算においては，所定の時間間隔
ちいくらかの部分については，満潮時に再度河道領域に毎に，最初に分画された塩分の総量を本川領域を対象に浸入する可能性があることである．
集計して，出力した．この本川領域中の分画塩分総量を汽水域における塩水滞留時間の評価が順流域でのそれ
時系列的に並べて，満潮時の塩分濃度ピークごとにこのに比較して特に複雑なのは，この往復流の存在に帰因す
分画分について本川領域内の存在量を再度集計する．時るところが大きい．そこで図-2 に示すバッファー下流
系列的に見て一つ前の塩分濃度ピークから当該ピークま境界に断面を設けて，この断面と河道領域下流端断面ででに減少した塩分量に，計算開始から当該ピークまでの挟まれた領域をバッファーとして設定し，河道領域から時間を乗じたものを総和し，初期値の塩分総量で除する
下流へと流出しても，このバッファー内に存在する間はことで，平均残留時間を求めた．
経過時間，残留時間共に中断せずにカウントし続け，バッファー下流の断面から海側へ流出した際にカウントをc) 塩分経過時間及び残留時間の変化解析終了した．河道領域から下流へと流出しても，比較的閉
上記の集計方法で，経過時間，残留時間の評価を，
鎖性が高いと考えられる河口部分より陸側では湾を循環2007 年 1 月 1 日から 2 月 28 日までの 2 ヶ月間についてしている海水とはあまり混合が進まないので，この境界
検証計算同様の条件でモデル計算を行った．この期間により陸側では河道側に浸入した塩水として存在し続けるは，放水路において赤潮の発生が見られており，今回のと考えている．
計算期間として選定している．計算集計は，初期値の影「残留時間」の集計に際しては，本川河道と放水路に響が低減しており，かつ河川流量が少なかった 1 月 21
ついて別々に評価するために，図-2 に示した河道領域
日以降の 10 日間（大潮と小潮を含んでいる）を対象に下流端断面を最下流端として集計の対象とする領域（河行った（図-3）．
道領域）を本川領域と放水路領域として区別して設定し，このケースに加えて，環境変化が生じた場合の塩水滞
この断面よりも上流側の本川領域と放水路領域において留状況の変化を評価する．まず，河道地形を変更した場
ある時点に存在する塩分を記録し分画して塩分濃度の計合の影響について見るために，現状地形の元で計算を行算を進めた．今回の検討では，残留時間の計算は，河道った検証ケースと比較して，本川河道を TP=0m からの深領域で計算開始日の塩分量が最大となる時点において本さを 20%深く掘削した河道と，本川河道の低水路を 20%
川領域と放水路領域それぞれに存在した塩分総量を広く拡幅した河道における経過時間および残留時間につ100%（初期値）として，その後の時間経過とともに分画
いて，潮位と流量は現状のままで計算を行った．また，された塩分総量の変化を集計することで求めた．たとえ
気候変動に伴う潮位の上昇が生じた場合に，河川流量変ば，本川領域を対象に検討する場合であれば，検討を開化により河川汽水域における塩分滞留状況の変化がどの始する時点において本川領域内に存在する塩分をまず記ような特性を持つかについて検討するために，潮位につ録し，一つの計算変数として分画する．これは，通常のいて現状および現状から 10, 20, 40cm 上昇させた場合
塩分濃度変化計算を行い，検討開始時点における本川領の合計 4 ケースの潮位を想定すると共に，それぞれの潮域内の塩分濃度分布をもって，分画される塩分濃度分布位の下で本川流量として 4 つの定常値（5, 10, 20, 40とすることで実施される．検討開始時点において分画さ
m3s-1）を与えた合計 16 ケースについて経過時間およびれた塩分と，それ以外の塩分は，それぞれ別の変数とし残留時間の計算を行った．潮位の変化については，潮位て，移流拡散による変化が計算される．分画された塩分の変動量はそのままで，水位全体を 10, 20, 40cm 上昇とそれ以外の塩分の和は，通常の塩分濃度計算による塩させる設定とした．

4

(2) 潮位と河川流量が塩分の残留時間に及ぼす影響
潮位 4 ケース，河川流量 4 ケースの組み合わせによる
16 ケースについて，本川領域と放水路領域全体の平均
残留時間を集計した結果を図-6 に示す．図-6 は，縦軸に潮位上昇による変化，横軸に河川流量による変化を示しており，平均残留時間に与える潮位上昇と流量変化の複合的な影響が面的に示されている．
今回の計算条件の範囲においては，本川領域では，潮位変化による変化より河川流量変化による影響の方が顕著に表れているのに対して，放水路領域では，潮位変化による影響がより顕著に表れる結果となった．
また，図-6 の上部 3 段の図を比較することで潮汐差による違いについて見ると，本川領域において，大潮時に比べて潮位差が小さくなる中潮時に残留時間が短くなる傾向が見られるが，さらに潮位差が小さくなる小潮時には，逆に残留時間が長くなるという結果であった．放水路においては，大潮時に残留時間が最も短く，中潮，
小潮と変化するにつれて残留時間が長くなる結果であった．

d) 仮想懸濁物残留時間の集計
塩分の残留時間と同様に仮想懸濁物の残留時間について計算を行った．放水路においてしばしば発生が確認される赤潮の集積を模擬するため，浮力を持たせるために
仮の浮上速度を 0.5m d-1 として与えた仮想懸濁物を本川
および放水路の河口より 3～3.5km の範囲に分布させた
後，塩分の残留時間計算同様の手法で，仮想懸濁物の残留時間を集計した．

3. 結果(1) 河道形状変化が塩分の経過時間に及ぼす影響
本川と放水路について，それぞれ河口から浸入した塩
分濃度および経過時間を横断方向に平均して求めた値の縦断分布を図-4，5 に示す（本川と放水路で横軸の距離スケールが異なることに注意．）．図-4，5 では，河道形状変化として，本川河道を 20%深く掘削した想定の河道と，低水路を 20%広く拡幅した想定の河道を対象に，
現状河道との比較を行った結果を示している．
図-4 は，2007 年 1 月 29 日の 6 時時点（小潮の満潮時）の塩分濃度の分布を示している．塩分濃度を見ると， (3) 仮想懸濁物残留時間の放水路と本川での比較
赤潮藻類を模して所定の時刻に発生させた仮想懸濁物
本川では満潮時ということもあり，やや強混合に近い緩混合の分布形状を示している．これに対して放水路では， 質が放水路と本川の両方において，当該領域に残留する割合の時系列変化を図-7 に示す．干潮時に相当部分が河川流量がほとんど無いために，全体的に塩分濃度が高フラッシュされて減少するが，満潮時に上流に押し戻さ
く，混合状況は弱混合の形状に近いものになっている．
これに対応する時点における経過時間を見ると（図-5）， れることで若干の増加をも示す残存量変化特性が定量的に示された．放水路における平均的残留時間は，本川にどのケースにおいても上流に行くほど平均経過時間が長比べて 6 倍程度長くなる結果となった（表-1）．赤潮発
い結果を示しているが，現状河道に比べて拡幅，掘削の生日から残留時間を計算し始めたケースでは，30 日を両ケースとも特に本川において河口から 8000m 以上上流
過ぎても放水路では 15％程度の仮想懸濁物が残留しての部分で平均経過時間が長くなる傾向が強くなる．
いる．ここに示された数字自体は，仮想の浮力を持った
満潮時には新たな塩分の浸入があるため，特に河口に仮想懸濁物の残留時間であり，直接赤潮藻類の残留時間
おいて経過時間が短くなる傾向にあることが容易に想像を評価するものではないが，この時期の放水路におけるされるように，平均経過時間の縦断分布は，潮位や流量
流動は，浮力をもった懸濁物を長時間残留させる状況での変化により常に変化する結果を示した．掘削したケーあった．
スの本川における平均経過時間分布である図-5（c）に顕著に表れているが，河口付近では新たに湾側から浸入した海水の影響により，底層部の方が表層部に比べて平4. 考察
均経過時間が短いのに対して，河口から 7000～8000m 程度上流にある深掘れ部では，浸入した海水が滞留しやす(1) 河道地形改変による塩分混合への影響いためと考えられるが，底層部で表層に比べて平均経過
本川において低水路を掘削するケースと拡幅するケー
時間が長くなる結果となった．
スを比較すると河道容積の変化はほぼ同様であるが，鉛各計算ケースにおいて放水路は形状を変えていないた
直方向に広げたことになる掘削ケースの方が，河口付近
め，間接的な影響を受けるにとどまっている．計算対象の底層を除いて経過時間の増加が大きかった（図-5）．
とした期間において，放水路への放流はなく，計算条件
これらの結果は，河道地形改変による海水滞留が河道容
3 -1としては放水路上流からの淡水供給は 0m s としている
積のみで決定されるものではないことを示している．
掘削による影響を見たケース（図-5(c)）と現状ケー
ことも相まって，放水路においては，本川の河道形状変ス（図-5(a)）との結果を比較すると，特に河口から化の影響はほとんど見られなかった．
5

30

15

25 20

10

2.0

5

3.0

5.0

4.0

水

水

深

深

(m)

(m)

a

河口からの距離 (m)a

河口からの距離(m)
(day)

(psu)

30

25 20

15

10

2.0

5

3.0

4.0

5.0

水

水

深

深

(m)

(m)

河口からの距離(m)b

河口からの距離(m)

b

(day)

(psu)

30

25

20

15

10

2.0

5

3.0

4.0

5.0

水

水

深

深

(m)

(m)

河口からの距離(m)c

河口からの距離(m)

c

(day)

(psu)

4.0

15

5.0

5.0

水

水

深

深
(m)

20

25

30

(m)
1.0

d

河口からの距離(m)

d

3.0

2.0

河口からの距離(m)
(day)

(psu)

4.0

15

5.0

水

水

深

深
(m)

25

30

(m)

20

1.0

e

河口からの距離(m)

e

2.0

3.0

河口からの距離(m)
(day)

(psu)

4.0

15

5.0

5.0

水

水

深

深
(m)
30

25

(m)

20

f

河口からの距離(m)

f

2.0

1.0

(psu)

3.0

河口からの距離(m)(day)

図-4 本川河道地形の違いによる塩分濃度(psu)の縦断分布

図-5 本川河道地形の違いによる横断平均経過時間（日）（a～c:本川河道での分布，d～f:放水路での分布，現状河の縦断分布（a～c:本川河道での分布，d～f:放水路での分道での結果を a, d に，20%拡幅河道での結果を b, e に，布，現状河道での結果を a, d に，20%拡幅河道での結果を20%掘削河道での結果を c, f に示す）

b, e に，20%掘削河道での結果を c, f に示す）が大きくなると，密度の大きい塩分濃度の高い水は，相対的に引き潮時に下流向きに輸送されにくくなることから，このような結果になったと考えられる．
塩分成層が形成される汽水域において窪地で貧酸素水塊が形成されやすいのは，凹部において，このように経過時間が長くなるためである．しかし， 2,000m より下

6,000m～9,500m にかけての凹部での経過時間の増加が顕著である．凹部がなく，上流に行くにつれて河床高が上がっていく河道形状であれば，掘削により河道容積が増加しても，潮汐に伴う流動による塩分の輸送量は，満ち潮時も，引き潮時も同時に増加するため，経過時間には大きな変化が生じない．しかし，掘削により凹部の規模
6

潮位
+0.4m

潮位
+0.2m

潮位
+0.2m

潮位
+0.1m

潮位
+0.1m

放水路領域の残留割合

大潮期の残留時間（日）

潮位
+0.4m

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

本川領域の残留割合

大潮期の残留時間（日）

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

2009/1/13（赤潮発生日）
1月18日（大潮）１月26日（小潮）
2月2日（大潮）
2月10日(小潮)0
流量5m3/s

潮位+0m
流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

中潮期の残留時間（日）流量5m3/s

中潮期の残留時間（日）潮位+0.4m

潮位+0.4m

潮位+0.2m

潮位+0.2m

潮位+0.1m

潮位+0.1m

潮位+0m
流量5m3/s 流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

潮位+0m
流量5m3/s 流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

10

15

20

小潮期の残留時間（日）小潮期の残留時間（日）2530
残留時間（日）

35

40

45

50

2009/1/13（赤潮発生日）
1月18日（大潮）１月26日（小潮）
2月2日（大潮）
2月10日(小潮)

0

潮位
+0.4m

5

潮位+0m
流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

1

2

3

4

5
6
残留時間（日）

7

8

9

10

図-7 放水路領域（上）本川領域(下)とにおける仮想懸濁物の

潮位
+0.4m

領域内残留割合の経時変化

流量5m3/s

潮位
+0.2m

潮位
+0.2m

潮位
+0.1m

潮位
+0.1m

潮位+0m
流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

流量5m3/s

各潮時平均の残留時間（日）表-1 放水路領域と本川領域における浮力を持った仮想懸濁物の領域内平均残留時間

潮位+0m
流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

設定日時

各潮時平均の残留時間（日）潮位+0.4m

潮位+0.4m

平均残留時 放水路間（日）本川

潮位+0.2m

潮位+0.2m

潮位+0.1m

潮位+0.1m

潮位+0m
流量5m3/s 流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

潮位+0m
流量5m3/s 流量10m3/s 流量20m3/s 流量40m3/s

2.5 -3.0

2.5 -3.0

2.0 -2.5

1.5 -2.0

1.0 -1.5

0.5 -1.0

2.0 -2.5

1.5 -2.0

1.0 -1.5

赤潮発生日

大潮日

小潮日

大潮日

小潮日

1月13日0時 1月18日3時 1月26日7時 2月2日4時 2月10日5時

平均

13.32

12.18

15.14

13.48

9.48

12.72

2.49

2.12

1.58

2.10

1.84

2.02

は小潮時でも 2 時間程度の増加にとどまっている（図6）．今回対象とした豊川の潮位差は大潮で 2m，小潮で1m 程度であることから，たとえ 40cm 程度の潮位上昇があっても，平均的に見た場合の残留時間の変化はさほど大きくはない結果になったと考えられる．

0.5 -1.0

図-6 本川領域(左側)と放水路領域（右側）における平均残留時間（日）（上から，大潮時，中潮時，小潮時の平均残留(3) 仮想懸濁物残留時間の放水路と本川での比較
豊川においては，放水路で冬季に赤潮の集積が見受けられる．浮力を有する仮想懸濁物の残留時間変化を見る
流の河口付近における小規模の凹部では，経過時間の長期化は顕著ではない．今回開発したモデルの使用により， と，平均して，放水路において本川よりも 6 倍程度長くなる傾向が見られた．今回の検討では，仮想の浮上速度
流動と地形を正確に反映した経過時間の詳細な検討が可を与えることで，仮想懸濁物の浮力を表したことなど，能となり，河口汽水域における河道地形改変が，塩分滞実際に発生する赤潮藻類の特性とは異なる可能性がある
留の分布特性に与える影響を評価できるようになった．
仮定の下に計算を行ったために，仮想懸濁物の解析に関しては，残留時間の絶対値よりも相対的な差異に着目し(2) 潮位と河川流量が塩分の残留時間に及ぼす影響て結果を解釈するべきであるといえる．しかし，塩分の平均残留時間は，小潮期の算定において中潮期より長残留時間は放水路も本川もそれほど大きな差はなかった．
くなる傾向が見られた．この理由としては，今回検討対浮力を持つ仮想懸濁物質は，表層に集まるために，密度象とした小潮期間の日潮不等による高低潮が高めでありが大きいために底層付近を中心に移動する塩分とは異な（図-3），干潮時の下流への流出が少なかったためである滞留特性を示したものと考えられる．
ると考えられる．また，逆に中潮時の残留時間が大潮時放水路における仮想懸濁物の 2 月 2 日を集計開始としのそれよりも短くなった原因は，中潮時の計算開始直後た時の残留割合（図-7）を見ると，2 月 16 日，21 日頃の干潮位が大潮時の計算開始直後の干潮位より低くなっに急激に残留割合が減少している．この期間は豊川の流ていたためであると考えられる．
量が増加した期間であり，本川における出水に伴い，放潮位上昇の影響がより大きい放水路で，平均潮位が水路内の入れ替わりが促進されたものと推察される．赤40cm 上昇するとしたケースにおいても，平均残留時間
時間と，全ての平均）

7

参考文献

潮の集積は，平均残留時間により表される滞留時間の逆数を，比増殖速度が上回る際に可能になると考えられることから，より現実的な評価を今後行うことで，赤潮発生の必要条件の評価が可能となると考えられる．

1) 山本晃一，高橋晃，深谷渉：感潮河川の塩水遡上実態と混合特性，土木研究所資料，第 3171 号，1993.
2) Monsen, N.E., Cloern, J.E., Lucas, L. V. and Monismith, S.G.: A commenton the use of flushing time, residence time, and age asa transport time scales,

5. まとめLimnol. Oceanogr., 47(5), pp. 1545-1553, 2002.
3) Geyer, K.R., Morris, J.T., Pahl, F.G. and Jay, D.A.: Interaction between

今回開発したモデルにより，河川汽水域のような複雑な流動場における海水滞留特性を，海水の河道への浸入
後経過時間や河道内の汽水の残留時間として定量的に評価することが可能となった．さらにこのモデルにより河道形状の改変，潮位や河川流量変化に伴う河川汽水域における海水や仮想懸濁物の滞留特性への影響評価ができた．
時空間的不均一性が考慮されたモデルを適用した結果を見ると，河道を掘削する影響を見た場合の例に見られるように，一見同じような影響が出そうな河床の凹部であっても，河口からの縦断距離の違いにより影響が異なったり，塩分と浮力を持つ仮想懸濁物の残留時間について見ると，本川と放水路とで仮想懸濁物のそれが大きく異なるという結果を示すなど，単純に河道容積や潮位の変化のみから想定される影響評価とは異なることが示された．本モデルを適用することで，今後想定される汽水域における河道形状の人為改変や気候変動に伴う潮位や河川流量の変化が河川汽水域における海水滞留へ与える影響を的確に評価することができる．

physical processes and ecosystem structure: A comparative approach, In
Hobbie, J.E. [ed.], Estuarine science: A synthetic approach to research andpractice, pp. 177-206, Island Press, 2000.
4) Zimmerman, J.T.F.: Estuarine residence times, In B. Kjerfve [ed.],Hydrodynamics of Estuaries, V.1, pp. 75-84, CRC Press, 1988.
5) 天野邦彦，遠藤希実，大沼克弘：河口汽水域における塩水
滞留時間の算定手法開発，河川技術論文集，第 16 巻，pp.
283-288, 2010.
6) Oliveira, A. and Baptista, A.M.: Diagnostic modeling of residence times inestuaries, Water Resources Research, v.33, n.8, pp. 1935-1946, 1997.
7) 渡辺正孝，天野邦彦，石川裕二，木幡邦男：秋期の東京湾奥部における風による成層破壊と底層の無酸素水塊の湧昇過程，土木学会論文集第７部門，No.608, Ⅶ-9，pp.13-29, 1998.
8) Blumberg, A. F. and Goodrich, D. M.: Modeling of wind-induced
destratification in Chesapeake Bay, Estuaries, 13, pp. 236-249, 1990.
9) 天野邦彦：湖沼への流入時期で分画した栄養塩類の動態解析
モデルの開発と試算，水工学論文集，第 54巻，pp. 1459-1464,
2010.
(2011. 5. 30 受付)

Numerical analysis of environmental effects on the retention time of sea water inriverine estuaries
Kunihiko AMANO1, Katsuhiro ONUMA2 and Maremi ENDOH3
1

2

Head, River Environment Div., National Institute for Land and Infrastructure Management
Senior researcher, River Environment Div., National Institute for Land and Infrastructure Management
3
Researcher, River Environment Div., National Institute for Land and Infrastructure Management

Since retention time of sea water is one of the most important factors that control the environment inriverine estuaries, it is necessary to assess it accurately to understand the riverine estuary environment.
However; complicated hydrodynamics driven by the combination of several influential factors make it
difficult to estimate the retention time. Both temporal and spatial heterogeneity of saline water
distribution enhance the complexity of the estimation. We have developed a numerical model that cananalyze the temporal and spatial distribution of age and residence time of sea water in riverine estuaries.
The model can differentiate salinity by the time when it enters river mouth and by the place where it
exists at certain time, while the summation of the differentiated salinity is in agreement with conventionalmodel results. We have shown the quantitative influence on the age and residence time of sea water inestuaries caused by changes in river channel, sea level and the river flow.

8