ＩＳＳＮ１３４６－７８３２

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

港湾空港技術研究所
報告
REPORT OF
THE PORT AND AIRPORT RESEARCHINSTITUTE

VOL.55No.2 June

NAGASE,YOKOSUKA,JAPANNATIONAL INSTITUTE OF MARITIME,PORT AND AVIATION TECHNOLOGY

2016

港湾空港技術研究所報告（REPORT OF PARI）
第 55 巻 第 2 号（Vol. 55, No. 2）, 2016 年6月（June 2016）目

次（CONTENTS）

1. 高潮津波シミュレータ(STOC)による津波被害解析手法········································································ 富田孝史，本多和彦，千田優 ·······

3（Numerical Simulation on Tsunami Inundation and Debris Damage STOC Model·································································· Takashi TOMITA, Kazuhiko HONDA, Yu CHIDA）
2. 植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析···························· 茂木博匡，中川康之，渡辺謙太，所立樹，門谷茂，桑江朝比呂 ·········35（Field Observations and Numerical Analyses on the Effect of Vegetation on the Hydrodynamics of a Shallow
Water Using a New Hydrodynamic Model··············································· Hirotada MOKI, Yasuyuki NAKAGAWA, Kenta WATANABE,
Tatsuki TOKORO, Shigeru MONTANI, Tomohiro KUWAE）
3. サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－········································································ 渡部要一，金子崇，佐々真志 ······· 61（Mechanical properties of coral-gravel soil –a parametric study using reconstituted samples–···························································· Yoichi WATABE, Takashi KANEKO, Shinji SASSA）
4. 海底液状化土砂流動のダイナミクスと解析法及び実験・現地検証··································································································· 佐々真志 ······· 75（Submarine Liquefied Flow Dynamics and Their Analytical Framework with
Experimental and Field Validations··················································································································· Shinji SASSA）

港湾空港技術研究所報告第 55 巻第 2 号(2016.6)

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析
茂木博匡*・中川康之**・渡辺謙太***・所要

立樹***・門谷茂****・桑江朝比呂*****

旨

海草藻場等では，植生の存在が流動抵抗となって流動場に影響を及ぼすため，有機物輸送や沈降・埋没といった物質循環過程に影響を与える．植生が流動場に与える効果を考慮した上で，有機物埋没速度を定量化することは，植生のある沿岸域が有する気候変動緩和効果のより確実な評価へと繋がる．これまでに植生が流動に及ぼす影響に着目した研究は数多くあるが，実験水槽や現場での囲い込み実験など極めて狭領域なものであった．そこで本研究では，植生が広領域の流動場に与える影響を把握するため，既存の 3D 沿岸流動モデルに植生抵抗の効果を導入した新たな物理モデルを構築した．さらに，北海道東部に位置する浅く閉鎖性の強い汽水湖である風蓮湖（面積 57.4 km2，平均水深 1～2m）をモデル海域とし，湖面積の 68%に広がる海草場域の有無を考慮したシナリオ計算の結果と観測値との比較により，湖全体の流動場に及ぼす植生の効果について検討した．
その結果，植生によって外洋からの高塩分水の流入が抑制され，一方で河川から流入する淡水は湖奥部に滞留しやすくなり，両水塊の混合が弱まることが示された．粒子追跡手法を用いた解析では，植生によって湖内水と外洋水との海水交換率がおよそ 34%低下することが示された．また，植生ありのケースでのシミュレーション結果では，現地で観測された結果と同様の鉛直方向にほぼ一様な流れの向きとなるのに対し，植生なしのケースでは表層と底層で逆向きの流れが生じており，植生の存在はエスチャリー鉛直循環流にも影響を及ぼすことが示唆された．さらに，植生域内では流速が 70～89%減衰し，一方で非植生域では流速が増大することから，植生は流速の空間分布にも多大な影響を及ぼすことも示唆された．
本研究における成果は，植生による有機物のトラップ効果を考慮した，内湾スケールの有機物埋没速度の定量化を可能とする．また，植生による波浪や流動エネルギーの減衰効果の評価や，流動・地形変化を踏まえた上で浚渫土砂やリサイクル材を用いた海草藻場再生における適地選定技術への貢献も期待できる．
キーワード：植生抵抗，流動場，流動モデル，数値シミュレーション* 沿岸環境研究領域 沿岸環境研究チーム 専任研究員** 沿岸環境研究領域 沿岸土砂管理研究チームリーダー*** 沿岸環境研究領域 沿岸環境研究チーム 研究官**** 北海道大学 水産科学研究院 海洋環境科学分野 教授***** 沿岸環境研究領域 沿岸環境研究チームリーダー〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬3-1-1
国立研究開発法人 港湾空港技術研究所
電話：046-844-5046
Fax：046-844-1274
E-mail：moki-h@pari.go.jp- 35 -REPORT OF THE PORT AND
AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Vol.55, No.2 (Jun.2016)

Field Observations and Numerical Analyses on the Effect of Vegetationon the Hydrodynamics of a Shallow Water Using a New Hydrodynamic Model
Hirotada MOKI*, Yasuyuki NAKAGAWA**, Kenta WATANABE***
Tatsuki TOKORO***, Shigeru MONTANI**** and Tomohiro KUWAE*****
Synopsis
Submerged aquatic vegetation (SAV) such as seagrass meadows affects the transport and burialof organic matter (OM) because SAV alters hydrodynamics as a drag force. The quantification of
OM burial rate in vegetated areas considering the drag effect is critical in terms of quantificationof the role of coastal ecosystems in climate change mitigation. Although a number of studies haveinvestigated on the drag force of SAV, the spatial scale of the previous studies was small, e.g.,indoor flume experiments and in situ experiments using enclosures with a scale of several meters.
Here we performed field observations and developed a new 3-D physical model to investigate thedrag force of SAV on current fields. The study site, the Furen Lagoon, is a semi-enclosed brackishlagoon (area: 57.4 km2, mean depth: 1~2 m, about 68% is covered with seagrass meadows). Two
scenario cases, i.e., “with-SAV” and “without-SAV” were calculated and compared with theobserved data.
We found that SAV operated as a drag force interrupted the inflow of saline water and fresh
water and reduced mixing of saline water with fresh water. A particle tracking simulation showedthat the rate of the whole lagoon water exchange was reduced by ca. 34% in the presence ofvegetation. Although the with-SAV case showed a vertically unidirectional flow, which is one of
the flow characteristics in the Furen lagoon, the without-SAV case showed an opposite current
component direction between the surface and bottom layer, therefore the model showed that SAV
influenced the vertical circulation of tidal estuary. Furthermore, the model simulated that SAV
affected the distribution of current velocity indicating a decrease (70~89%) in the vegetated area
and, in turn, an increase in the unvegetated area.
The 3-D model developed in this study can be used for better quantification of OM burial rateconsidering the drag effects of SAV on hydrodynamics and waves. Furthermore, the new model isapplicable to the restoration projects of seagrass meadows and seaweeds in terms of selection of
better sites as an accurate prediction of currents and to the estimation of waves and current energy
decreased by vegetation.
Key Words: Drag force of vegetation, current fields, physical model, numerical analysis* Postdoctoral Researcher, Coastal and Estuarine Environment Group, Coastal and Estuarine Environment Division** Head, Coastal and Estuarine Sediment Dynamics Group, Coastal and Estuarine Environment Division*** Researcher, Coastal and Estuarine Environment Group, Coastal and Estuarine Environment Division**** Professor, Faculty of Fisheries Science, Hokkaido University***** Head, Coastal and Estuarine Environment Group, Coastal and Estuarine Environment Division
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, JapanPort and Airport Research Institute
Phone : +81-46-844-5046
Fax : +81-46-844-1274
E-mail : moki-h@pari.go.jp- 36 -

目

次

旨 ·························································································································································

35

1. まえがき ···················································································································································

39

2. 研究方法 ···················································································································································

39

要

2.1

対象海域 ············································································································································· 39

2.2

観測データ ········································································································································ 40

2.3モデル ················································································································································· 40

2.4流動抑制効果 ···································································································································· 412.5

植生分布 ············································································································································· 43

2.6

ケーススタディ ································································································································ 44

3. 結果 ····························································································································································· 443.1

潮位変動 ············································································································································· 44

3.2流速の時系列 ···································································································································· 44

3.3

塩分の時系列 ···································································································································· 47

3.4

水温の時系列 ···································································································································· 47

3.5

流速の空間分布 ································································································································ 47

3.6

塩分の空間分布 ································································································································ 48

4. 考察 ····························································································································································· 49
4.1

植生抵抗が淡水－外洋水混合に及ぼす影響 ················································································ 49

4.2

エスチュアリー循環への影響 ········································································································ 51

4.3流速分布に与える影響と流速減衰率 ···························································································· 52

4.4

植生が湖全体の海水交換率に及ぼす影響 ···················································································· 52

4.5

植生の分布と成長、及び抵抗係数について ················································································ 54

4.6

植生が水温に及ぼす影響 ················································································································ 55

4.7モデルの適用範囲について ············································································································ 55

5. あとがき ····················································································································································· 55
謝辞 ··································································································································································· 56
参考文献 ··························································································································································· 56- 37 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

１．まえがきす影響を評価するには，数値モデルを用いることが合理的であると考えられる．近年，沿岸域の植生が波浪やそれにこれまで沿岸域は CO2 の放出源とみなされていたが，植伴う土砂移動に与える減衰効果を，実海域スケールで評価

生（海草や海藻などの底生大型植物）の豊富な沿岸域ではできるモデルが開発された（Zhang et al., 2012; Hortsman

む し ろ CO2 の 吸 収 源 と な り う る こ と が 明 ら か と な り

et al., 2013; Liu et al., 2013; Hu et al., 2015; Lapentina（Tokoro et al., 2014; Kuwae et al., 2016），気候変動の緩and Sheng, 2015）．しかし，これらの研究では低気圧通過

和効果をもたらすことが期待されている．このような植生時等の数日程度を計算期間としているため，植生の季節的のある沿岸域では，海草藻類等の光合成活動が活発である

な形態変化は考慮しておらず，一定としている．また，実海ため，そこで多くの有機物が生産され，さらには沈降・埋没域スケールを対象とした物質循環モデルではアマモ等の海することでブルーカーボン（海洋生態系の光合成などの活草 藻 類 を 導 入 し た も の は 数 多 く あ り （ Verhagen and動によって固定された炭素）の貯留場所としての機能を果

Nienhuis, 1983; Wetzel and Neckles, 1986; Hata andたす（Nellemann et al., 2009）．したがって，植生のある

Nakata, 1998; Sohma et al., 2004; Hata et al., 2004; 樽谷

実海域でのブルーカーボンの定量化が，沿岸域における気ら, 2011; Yoon et al., 2011），生長・衰退による現存量等の候変動緩和効果のより確実な定量化に繋がる．また，植生

季節変化も与えているが，生物間あるいは生物－化学環境のある沿岸域は高生産をもたらすだけではなく，抵抗体との相互作用のみを考慮しており，生物－物理環境間の相互して作用し，流動にも影響を及ぼすことから，有機物の輸作用，とりわけ植生が抵抗体として流動場に与える影響は送や沈降にも影響を及ぼし，結果的に堆積・埋没速度にも考慮されていない．そこで，本研究ではモデル海域での現影 響 を 及 ぼ す こ と が 考 え ら れ る （ Duarte et al., 2013;

地観測を実施するとともに，季節的に可変な抵抗体として

Fourqurean et al., 2012）．他にも，土砂鉱物すなわち無機の植生が流動に与える影響を実海域スケールで考慮できる

懸濁物質の輸送・沈降による堆積や浸食への影響が考えら新たな三次元（3D）モデルを開発し，植生が沿岸域の流動れ，これらの累積による地形変化の可能性も示唆される

環境に及ぼす影響を検討した．

（Ward et al., 1984; Koch, 1999; Bouma et al., 2007）．これまで，流動に対して抵抗体がどのような影響を及ぼすか

２．研究方法について，水中の構造物に着目した研究が数多くなされてき た （ Bearman and Zdravkovich, 1978; Zdravkovich,

2.1. 対象海域

1980; Wolanski et al., 1984; Ingram and Chu, 1987;

本研究では，北海道東部に位置する風蓮湖をモデルサイ

Triantafyllow and Dimas, 1989a, 1989b; Chen and Jirka,

トとして選定した（図－1）．その理由は，本海域は植生密度

1995; Sheridan et al., 1995; Sheridan et al., 1997; Lei etが極めて高いこと，および植生域と非植生域が明確に分か

al., 1999; Cokgor and Avci, 2001; Hatipoglu and Avci,

れていることから，流れに対する植生抵抗の影響や植生域

2003; Akilli et al., 2004, 2005, 2008; Tognarelli et al.,と非植生域における流れの変化を評価・比較するのに適し2008; Akoz et al., 2010; Kahraman et al., 2012; Ozdil andているからである．

Akilli, 2015）．海草藻類等の水生植物も構造物と同様に流風蓮湖は東部二ヵ所において隣接する根室湾と繋がって動に影響を及ぼすことから，沈降・再懸濁との関係（Wardおり，風蓮川・ヤウシュベツ川・ポンヤウシュベツ川・別当

et al., 1984; Bouma et al., 2007），流動との関係（Dunn et

賀川の 4 つの主要河川が流入する閉鎖的な汽水湖となってal., 1996; Nepf, 1999; Peterson et al., 2004; Low et al.,いる．主要河川のうちの 3 河川（風蓮川・ヤウシュベツ川・

2005a,b; Ghisalberti and Nepf, 2006; Luhar et al., 2010;

ポンヤウシュベツ川）は湖奥に集中しており，湖口から湖Lacy and Wyllie-Echeverria, 2011）など数多くの研究が行奥に向かうにつれて低塩分化する傾向をもつ（門谷ら，

われてきた．しかしながら，それらの研究における調査・実2011）．4 河川それぞれの河口部における流域面積を表－1

験は，室内水槽または実海域での設置型水槽レベルの空間に示す．風蓮川が最大流域面積をもつことから，淡水流入

スケールであり，非常に挟領域なものであった．また，水生量も風蓮川が最大となっている．また，湖奥から湖口にか植物は構造物とは違い柔軟性に富み，さらには成長・衰退

けて澪筋が形成されており，湖口付近で最深部となっていによって植生密度・高さが季節的に変化することから，変る（図－1）．この澪筋を除いた場所での水深は極めて浅く，

形がほとんどない構造物と比べて，その可変抵抗の取扱い

平均 1.0m 程度となっている．この浅海域が風蓮湖面積のが難しいという特徴もある．よって，実海域スケールおよ

大半を占めており，同時に海草が繁茂する植生域となってび季節変化が含まれる時間スケールで，植生が流動に及ぼいる．本海域における海草は Zostera marina が優占種とな- 39 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

図－1 風蓮湖地形図（①風蓮川, ②ポンヤウシュベツ川, ③ヤウシュベツ川, ④別当賀川）

表－1 風蓮湖流入河川の河口部における流域面積

2.3. モデル
本研究で使用したモデルは，
3D 沿岸流動モデルである．

（三上ら，2008）
Feeder River

Basin Area [km2]本モデルの原型は中田ら（1983）によって開発された後，Furen

595.60

これまでに多くの改良が施され，浜名湖（Taguchi and

Yaushubetsu

158.83

Nakata, 1998），伊勢湾・三河湾（Taguchi et al., 1999），

Pon-yaushubetsu

35.01

大阪湾（Taguchi et al., 2002），東京湾（Horiguchi et al.,Bettoga

96.22

2001）
，宍道湖・中海（Ichikawa et al., 2007），大村湾（田口ら，2014），アラビア湾（Azam et al., 2006），東シナ海（Ye et al., 2012）など，多様な河口域や沿岸域に応用さっており，風蓮湖面積の 68%を占めている．

れてきた実績がある．本モデルは静水圧近似を仮定した
2.2. 観測データ

3D 沿岸流動モデルであり，適用範囲は 1～100km スケー

2014 年 6 月～11 月に湖奥部の Stn.1 において流速，おルの海域である．これまで主に閉鎖性海域を中心に応用さ

よび塩分の観測を実施した．Stn.1 は，風連湖に流入するれてきた．本研究では田口ら（2014）を基に海草藻類によ河川の中でも最大の流量をもつ風蓮川の河口に位置する

る流動抑制効果を導入し，新たな改良を施した（次節参照）．

ことから，陸域からの影響や生物活動を把握するため，以本モデルの基本構造については田口ら（2014）に詳しいの前より他の研究プロジェクトにおいても定点とされてきで，ここでは記述を省略する．

た 地 点 で あ る （ 門 谷 ら ， 2011; Tokoro et al., 2014;

計算領域については風蓮湖全域を対象とし，計算期間はWatanabe and Kuwae, 2015）．本地点において，流速計

観測実施期間と同様に 2014 年の 6 月～10 月とした．6 月（Compact-EM; JFE アドバンテック）を表層（海面下

1 日における流動・水温・塩分等を含めた初期値を作成す

20cm）と底層（底面上 23cm）にそれぞれ 1 台ずつ設置るために，2014 年 5 月の 1 ヶ月間を予備計算期間とした．

し，30 分間隔 15 秒バーストで観測を行った．塩分においまた，計算タイムステップは 6 秒とした．モデルに適用しては水温-塩分計（Compact-CT; JFE アドバンテック）をた地形データは，1981 年に国土地理院が発行した湖沼図

表層（海面下 10cm），潮位については深度計（Compact-（国土地理院，2010）をデジタル化し，植生域を最浅部のTD; JFE アドバンテック）を底層直上に設置し，それぞ

1.5m，湖口付近の澪筋を最深部の 9.5m とした．空間解れ 10 分ごとに観測を行った．

像度は 100m とし，鉛直方向は 6 層に分割した．それぞれの鉛直解像度は 1 層目を 1.25m，2～5 層目を 1.0m，6
層目を 3.5m とした．開境界については風蓮湖東部に位置- 40 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

図－2 貯留関数法によって推定した 2014 年における風蓮湖流入河川の流量（●は現地観測値）（(a)：風蓮川; (b)：ポンヤウシュベツ川; (c)：ヤウシュベツ川; (d)：別当賀川）

する主要開境界 1 ヶ所を湖口境界とし，ここでの潮位は2000）によって海上 10m の風速を推定したが，観測値に気象庁による天文潮位（気象庁，2014）を与えた．また水欠測が多いことから， AMeDAS データで補間し，モデル

温・塩分については，2014 年に本研究の観測によって取に適用した．なお，日照時間，風速共に根室・別海にて観得したデータに調和解析を適用して季節変化を正弦曲線

測されているので，両地点の平均値を使用した．

で近似し，各時刻の推定値を境界値として用いた．本モデルにおける流入河川については，上述した 4 河川を考慮

2.4. 流動抑制効果

したが，流量等は観測値が乏しく計算期間中の流量を把握

本研究では，田口ら（2014）に流動抵抗をバルク的に求することができないため，貯留関数法（木村，1975）を使めることが可能な新たな抵抗係数を導入し，従来のモデル

用し，降水量から全河川の流量を推定した．図－2 に推定に改良を施した．前述したとおり，植生が流れに及ぼす影値と観測値との比較を示す．推定した河川流量は，全体的響を評価するために，これまでに様々な抵抗係数等が提案に観測値と概ね整合性が確認できるため，6～8 月にみらされてきた．しかし，フィッティングパラメータなどがあれる出水のピークの推定値も妥当と判断し，モデルへの入り（例えば，Kowen and Li, 1980; Kowen et al., 1981;

力条件とした．気象データ（降水量・気温・相対湿度・日

Kowen, 1992），応用する際には煩雑な実験を実施する必射量・雲量）については，気象庁における AMeDAS デー

要があるため，数値モデルへの適用は不向きであった．こタ（気象庁，2014）を使用した．風蓮湖近隣には別海

れに対し安瀬地ら（2007）は，植生高さおよび植生密度の（145°7.1’E, 43°22.9’N），根室（145°35.1’E, 43°19.8’N）

みを変数とすることで，流動抵抗をバルク的に求めることの観測所があり，降水量については別海，相対湿度についが可能な新たな抵抗係数を提案した．

ては根室にて観測されているので，それぞれの地点のデー𝐴

タを使用した．気温については両地点にて観測されている

𝑛 = 𝐵∙𝐶

ので，両地点の平均値を適用した．雲量については日照時
間の平均から作成した．日射量のみ観測値が存在しないた（1）𝛽

A = 𝑅 2⁄3 √ 2め，天文公式で大気外日射量を計算し，大気混濁度を仮定

𝐶𝐷 𝜆𝑙𝐻 +𝐶𝑓
𝑔ℎ（2）

して全天日射量を見積もった．また風速については Stn.1
において測定した海上風速データを用いた高度補正（近藤，(𝛼𝑙 )2

𝐻
B = 1−𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑙)𝐻- 41 -

（3）

茂木

博匡・中川

康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

表－2 抵抗係数におけるパラメータ一覧
Parameter

SymbolUnit

Selected Value

Reference

Cf－

0.0026

Applied typical value

CD

－

1

Karman constant

κ

－

0.4

Applied typical value

Leaf lengthlH

cm

Variable

Observation（図－3（a））

Leaf widthlWcm

Variable

Observation（図－3（b））

Number of leaves

lN

m－2

4.5

細川ら（2006）

lS(mgC/m2)－10.2236

Observation（図－3（c））

Bottom friction coefficient
Resistance coefficientfor vegetation

Regression parameterfor the number of shootsC=1
𝛼 2 𝑙𝐻 ℎℎ{1 − 𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑙𝐻 )} + 𝑙𝑛 ( )𝑙𝐻Applied theoretical value
in water column having uniform flow

植生による流動エネルギーの減衰は，「流れ剥離」，「底面摩 擦 」，「 多 孔 質 摩 擦 」 の 三 要 素 に よ っ て 決 定 さ れ る

−
α=(

𝐶𝐷 𝜆

4𝜅 2 𝑙𝐻 2

𝛼𝑙

ℎ−𝑙𝐻
ℎ

1

(1 − 𝛼𝑙 )（Duarte et al., 2013）．
「流れ剥離」は，比較的大きな構（4）𝐻

造物ではその端部において，比較的小さな構造物では流れ1⁄3)の下手側において生じ，渦の発生（乱れ）によるエネルギ（5）

ー損失を伴う（Duarte et al., 2013）．本モデルでは，抵抗係数γP を考慮することで，植生群の抵抗を評価している．

1−𝑒𝑥𝑝(−2𝛼𝑙 )β = 2𝐻 [1−𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑙 𝐻)]2（6）

λ = 𝑙𝑊 ∙ 𝑙𝑁 ∙ 𝑙𝑆

（7）

𝐻

𝑀𝑘𝑚+1 =
𝑀𝑘𝑚√(𝑢𝑘𝑚 )2 + (𝑣𝑘𝑚 )2
ℎ𝑘𝑚

(9)

𝑁𝑘𝑚
√(𝑢𝑘𝑚 )2 + (𝑣𝑘𝑚 )2
ℎ𝑘𝑚

(10)

𝑀𝑘𝑚 + 𝐹𝑋𝑘𝑚 − ∆𝑡 ∙ 𝛾𝑃
ここで，n は抵抗係数，h は水深，R は径深（=h），g は重𝑁𝑘𝑚+1 =

力加速度（9.8m/s2），その他のパラメータについては，表－2 に示す通りである．本モデルにおいて，式（2），（5）

𝑁𝑘𝑚 + 𝐹𝑌𝑘𝑚 − ∆𝑡 ∙ 𝛾𝑃における抵抗係数 CD は，一様流中に置かれた円柱の一般的なパラメータ CD=1 を適用している．安瀬地ら（2007）
は，室田・福原（1983），安瀬地・木ノ瀬（2003）の研究

こ こ で ， x,y 方 向 に お け る 運 動 量 フ ラ ッ ク ス を結果を踏まえ，「植生の組織的な揺動現象が顕著でない場

𝑀𝑘 , 𝑁𝑘 (𝑀𝑘 = ℎ𝑘 ∙ 𝑢𝑘 , 𝑁𝑘 = ℎ𝑘 , 𝑣𝑘 )，k は鉛直層，変量右肩の合の植生抵抗は，植生高さの増減による変形効果が主とな

m,m+1 は計算の現在時刻および次時刻（mΔt,(m+1)Δt），る」と述べている．よって，本研究ではモデルに適用したℎ𝑘 は層厚，𝑢𝑘 , 𝑣𝑘 はそれぞれ各層における x,y 方向の流速，

空間解像度（100m）から植生の揺動現象よりも植生高さ

FX,FY は x,y 方向における移流，コリオリ力，渦動拡散のが抵抗に依存すると仮定し，円柱同様に高さによる形態変各項をまとめたもので，右辺の最終項が植生群の抵抗を表化を表す CD=1 を適用した．本モデルでは，式（1）によしている．式（9）と式（10）は単純な陽解法であるが，って推定した抵抗係数を実際には次式による抵抗係数γP

抵抗係数 γP が大きくなることで流れに対して植生群によに置き換えて流動計算に適用している．
𝛾𝑃 = 𝑔 ∙ 𝑛2 ∙ ℎ−1⁄3

る大きな抵抗が働くと，Δt に計算結果が大きく依存することになる．よって，実際には最終項における運動量フラ(8)- 42 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

図－3 海草炭素現存量と（a）葉長，（b）葉幅，（c）一株あたりの葉枚数との関係

ックスの差分評価時刻 m を m+1 に置き換えることで陰
葉枚数 lN は細川ら（2006）を参考に，1 草本あたり 4.5 枚

解法化している．

と一定とした．葉幅と株密度については，2010 年 9 月～
𝑀𝑘𝑚 + 𝐹𝑋𝑘𝑚
𝑀𝑘𝑚+1 =∆𝑡 ∙ 𝛾𝑃
1+√(𝑢𝑘𝑚 )2 + (𝑣𝑘𝑚 )2ℎ𝑘𝑚

𝑁𝑘𝑚+1 =

𝑁𝑘𝑚 + 𝐹𝑌𝑘𝑚
∆𝑡 ∙ 𝛾𝑃
1+√(𝑢𝑘𝑚 )2 + (𝑣𝑘𝑚 )2ℎ𝑘𝑚2011 年 12 月に北海道大学による 風蓮湖での 9 回の坪刈(11)り調査から得られた結果から，海草炭素現存量と葉幅，株密度，さらには葉の最大長との関係が図－3 のように確認されたので，最小二乗法を用いてこれらのパラメータを決(12)定した．また，剛性と張力に関して本海域での測定データ
はなく，また定数として設定可能な知見も乏しいため，本研究では未考慮とし，葉枚数・葉幅・株密度からの推定を適用した．

式（11）と式（12）によって算出された流速から，本モデ
ルでは植生域・非植生域での流速勾配を表現することで，2.5. 植生分布

植生がもたらす流れ剥離を考慮している．「底面摩擦」については，式（11），（12）の摩擦項に式（1）～（8）におモデルで適用した植生域は，前述した通り湖内面積の約いて算出した植生抵抗を導入することで表現している．

68%とした（図－4）．京田ら（2012）は，人工衛星画像デ「多孔質摩擦」は，海草藻類の株密度と剛性および張力にータと海草坪刈りによる現地観測データを用いて，被度をよって決定される（Vo-Luong and Massel, 2008）．本モ

考慮した分布域の推定を行った．本研究では，京田ら

デルでは，この多孔質摩擦を植生による流路断面の縮小率（2012）を参考に分布域を決定し，分布には季節変化等を変化 εH として次式で見積もった．

考慮せず不変とした．式（2）～（7）で用いる植生高さ，
海草葉幅および海草シュート数（単位面積当たりの海草株𝑘𝜀𝐻 = 𝑚𝑎𝑥 [0,1 − 0.01 ∙ 𝑙𝑁 ∙ 𝑙𝑊 ∙ √𝑙𝑆 ∙ 𝑚𝑖𝑛 (1, )]ℎ数）については，それぞれ 2010 年に風蓮湖内 7 地点での

(13)

- 43 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

重なりを回避するため with SAV は 6 時間，without SAV
は 12 時間ずらしてある）．ただし，満潮時の潮位について， with SAV の方が全体的に良好な再現性を示したのに対し，without SAV ではそれよりも僅かに高くなる傾向が示されている．10 月 10～15 日において，0.75m に達する水位上昇が 2 回ほど観測されているものの，モデルでは両ケースにおいて再現できず，過小評価となった．
干潮時の海面変位について，6～8 月に with SAV は過小
評価，without SAV は過大評価を示したが，without SAVの方が比較的良好な再現性を示した．9～10 月では with

図－4 モデルで適用した植生域

SAV は実測値に近く良好な再現性を示した．一方で，without SAV は過大評価となった．
3.2. 流速の時系列
流速において，without SAV では東西流速，南北流速共に過大評価を示したが，with SAV では植生効果を考慮することで流速が減衰し，特に東西流速において良好な再現性を示した．また，観測値では表層と底層においてほぼ一様な流れの向きを示し，with SAV でも同様な傾向が確認できたが，without SAV では表層と底層で逆向きの流れが生じる（エスチュアリー循環を形成する）ことが分かった．

図－5

図－7 に表層・底層それぞれの東西流速，南北流速の流

Stn.1 における海草現存量

向プロットを示す．植生効果を確認するため，図示する期（エラーバーは標準偏差）

間は風蓮湖の海草が比較的高密度になる 6～7 月とした．

坪刈りによって採取・測定したデータから近似式を導出し，現存量からの推定を行った（図－3）．現存量については生表層（水面下 20cm）における実測値は東西流速，南北流
速ともに±10cm/s 間程度の分布となり，顕著な北東-南西
流成分を示した．底層（底上 23cm）では表層よりも小さ

態系モデル（未発表）によって，季節変動を推定した（図く±5cm/s 間の分布を示したが，表層同様に顕著な北東-－5）．生態系モデルでは，水温，日射量，栄養塩（N, P），

南西成分を示した．モデルによる計算値では，with SAV

溶存態無機炭素を海草の生長の関数として考慮している．

において表層・底層の東西流速はそれぞれ±10cm/s，±5cm/s 間での分布を示し，良好な再現性を示した．だが，

2.6. ケーススタディ

南北流においては表層・底層ともにほぼ 0 に近い過小評

本研究では，数値計算において植生抵抗が流動に与える価となった．よって，実測値では北東－南西成分が確認で影響をより詳細に評価するため，植生ありの場合「withきたが with SAV では東西流が卓越する結果となった．

SAV（Submerged Aquatic Vegetation）」と植生なしの場

without SAV における表層の流速分布では，with SAV と合「without SAV」の 2 ケースでの計算を行い，観測値と同様に南北流速が過小評価となり，東西流成分が確認できの比較を行った．

たが，東西流速はおよそ±20cm/s での分布となり，実測値の 2 倍近い過大評価となった．底層の流速成分では東３．結果

西流速，南北流速ともに－10～5cm/s の分布を示し，どちらも実測値と比べて過大評価となった．また，西-南向き

3.1. 潮位変動

成分が卓越する結果を示した．これらの結果から，表層-

図－6 に潮位による水位変動の計算結果を示す．水位変底層ともに植生を考慮することで流速が減衰することが動については，モデルによる計算結果 with SAV，without

確認でき，特に東西流速においては植生効果を考慮するこ

SAV ともに実測値とほぼ一致した（観測値と計算結果のとで良好な再現性が示された．

- 44 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

図－6

Stn.1 における水位変動（2014 年 6 月～10 月）（青：観測値, 赤：計算値 with SAV, 緑：計算値 without SAV
各線の重なりを避けるため with SAV は 6 時間，without SAV は 12 時間ずらしてある）

図－7

Stn.1 における東西流速（u）と南北流速（v）の流向プロット（2014 年 6 月～7 月）（左：表層, 右：底層，青：観測値，緑：計算値 without SAV，赤：計算値 with SAV）

- 45 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

図－8 25 時間で移動平均した Stn.1 における 2014 年 6～10 月の（a）表層の東西流速，（b）底層の東西流速，（c）表層の南北流速，（d）底層の南北流速．
東西流速の＋と－の成分はそれぞれ東向きと西向き，南北流速の＋と－の成分はそれぞれ北向きと南向きの流向を示す（青：観測値, 赤：計算値 with SAV, 緑：計算値 without SAV）
続いて，表層と底層における流向流速特性からエスチュ

8（a））．モデル結果においても両ケースにて中旬辺りに同アリー循環流の特徴をみるため，25 時間で移動平均した東様の東向き成分が出現しているが，やや早いタイミングで

西流速，南北流速を図－8 に示す．ここでは 6～10 月の結の出現となっている．また，両ケースとも 6～7 月において果を示す．まず，観測値の表層の東西流においては東向き

は，比較的良好な再現性が得られたが，without SAV の方（湖口方面）で，底層でもほぼ同様の流向が示された．表層が東向き成分にやや過大評価を示した．8 月以降は，6～7の南北流においては，7 月まで北向きでそれ以降は南向き

月よりも活発な流速変動が観測されたが，東向き成分が卓が卓越し，底層流においても同様の傾向が示された．よっ

越していた．モデルの計算結果は，8～9 月では観測値に比て，風蓮湖の Stn.1 においては表層・底層共に一様流の観べ両ケースとも変化が小さかった．また，with SAV の方が測結果が得られた．次に数値モデルでは，with SAV においより変化量が小さかった．10 月において，with SAV は 9て同様に表層・底層で観測値同様にほぼ一様流の傾向が確月と同様な小さい変化量であったが，without SAV は比較認できたが，without SAV の場合，表層の東西流速の場合的良好な再現性を示した．

では観測値と with SAV 同様の東向き成分を示したが，底表層の南北流速においては，6～7 月まで北向き成分が卓層では西向きの流れとなり，鉛直方向で逆向きの流れとな越していることが観測値によって示された（図－8（c））．モった．南北流においても同様で，表層で北向き，底層で南向デルによる計算結果は表層の東西流速における 8 月以降のきとなり，ほぼ逆方向の流れとなった．よって，植生がある

結果と同様に，両ケースとも変化量は小さく，特に with

場合は，観測値同様に鉛直方向で一様流を形成するが，植SAV の方がより小さな変化量を示した．9 月においては南生がない場合は表層で北－東向き（湖口方面），底層で南－

向き成分の卓越，10 月では北向き・南向き成分の交互の出

西向き（湖奥方面）の鉛直方向で逆向きの流れが生じ，低塩現が観測された．9 月におけるモデルの計算結果は，with

分水が外洋に向かって表層を流れるのに対し，高塩分水はSAV では 0 に近い小さな変化量を示した．without SAV の奥部に向かって底層を流れるエスチュアリー循環を形成す方がより大きな変化量が確認されたが，南向きに卓越するることが分かった．

傾向は確認できなかった．10 月においても with SAV での次に各図でみると，表層の東西流速において，6～7 月に変化量は小さかったが，without SAV では南向き・北向き

は中旬に比較的大きな東向き成分が観測されている（図－成分の交互の出現が確認され，比較的良好な再現性を示し- 46 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

図－9 25 時間で移動平均化した

図－10

Stn.1 における 2014 年 6～10 月の表層塩分

Stn.1 における 2014 年 6～10 月の表層水温（青：観測値, 赤：計算値 with SAV，

（青：観測値, 赤：計算値 with SAV,

緑：計算値 without SAV）

緑：計算値 without SAV）

た．

除いて全体的に過大評価を示し，特に顕著な出水の無かっ底層の東西流速においては，全体的に表層流に比べて 0

た 9 月では，塩分 20 以上を保つ過大評価を示した．

近くに収束し，変化量がかなり小さくなることが観測によって示された（図－8（b））．モデルによる計算結果は，with

3.4. 水温の時系列

SAV では変化量が小さく，観測値に近い結果が得られたが，図－10 に Stn.1 における 6～10 月の表層水温の季節変化

without SAV では西向き成分が大きく卓越する傾向が示さを示す．観測結果からは，9 月上旬まで徐々に水温が上昇れた．

し，それ以降は低下することが確認できる．モデルによる底層の南北流速では，6～7 月には北向き成分を示し，8計算結果でも同様な定性的変化は確認できるが，9 月に，観月以降は南向きとなった（図－8（d））．モデル計算では，測値が 20℃から 15℃に急激に低下するのに比べ，モデル

with SAV はほぼ 0 に収束する小さな流速を示したが，比較結果は 20℃以上を維持し，10 月あたりから 15℃近くに急的観測値に近い結果を示した．without SAV は 6～10 月全激に低下する差異が確認できた．また，観測値は昼夜の水てにおいて南向き成分を示した．特に，6,7 月において実測

温変化による日周変動が大きいが，モデルでは小さかった．

データは北向き成分を示したため，without SAV が示した

with SAV と without SAV による両ケースとの比較では，流速は逆向きの成分となった．8～10 月は，実測データもほとんど変化はみられなかった．

同様の南向き成分を示したが，without SAV によるモデル計算の方が過大評価となった．10 月における without SAV

3.5. 流速の空間分布の流速は比較的大きな振幅を示し，10 日付近では北向き成

流速の空間分布では，植生効果を考慮することで，植生域内で流速減衰，非植生域で流速が増大し，with SAV と分を示す，顕著な変動を示した．

without SAV において流速分布は大きく変化した．
3.3. 塩分の時系列

図－11 に東西流と南北流を合成した絶対流速（月平均）

塩分について，without SAV では全体的に過大評価を示の平面分布を示す．図－11（a）に with SAV の表層（k =したが，植生効果を考慮した with SAV では良好な再現性

1），図－11（b）に with SAV の鉛直 2 層目（k = 2）
，図－が示された．図－9 は Stn.1 における 6～10 月の表層塩分

11（c）に without SAV の k = 1，図－11（d）に withoutである．9 月を除いた他の月では，中旬あたりで大きく塩分

SAV の k = 2，図－12 に with SAV から without SAV を差が低下する傾向が実測値から確認できる．降雨に伴う大きし引いた差分結果を示す．without SAV に比べ，with SAV

な出水があったことが原因であるが，数値モデルにおいてでは k = 1・k = 2 ともに植生域では流速が非常に小さくなも with SAV・without SAV ともにこの低塩分化傾向を捉えった（図－11（a）～（d））．また非植生域である澪筋では，ている．with SAV は，低塩分化時には過小評価を示したが，顕著に大きな流速を示した（図－11（a），（b））．without SAV

それ以外では比較的良好な再現性を示した．特に大きな出

では，6～10 月において本来植生域である湖口南側におい水が無かった 9 月には，顕著に良好な再現性を示した．

て比較的大きな流速をもった反時計回りの潮汐残差流が出

without SAV においては，大きな出水に伴う低塩分化時を現した（図－11（c），（d））．また，この特徴は k = 1 におい- 47 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂（a）with SAV，k = 1（b）with SAV，k = 2
図－11 数値モデルによる表層（k = 1）および鉛直 2 層目（k = 2）における 2014 年 6～10 月の絶対流速（月平均）の平面分布(a) with SAV，k = 1 （b）with SAV，k = 2（c）without SAV，k = 1 （d）without SAV，k = 2てより明確に確認できた（図－11 （c））
．また，澪筋近辺

3.6. 塩分の空間分布においても比較的大きな流速が確認できるが，with SAV

植生を考慮することで，植生域内ではより低塩分化，非のような澪筋内で大きく浅海部で小さいというような顕植生域ではより高塩分化する傾向が確認でき，with SAV

著なコントラストはみられなかった（図－11（c），（d））．

と without SAV で塩分の空間分布が大きく異なることがwith SAV – without SAV の差分では，植生域全域においわかった．

て with SAV の方が流速の低下が確認でき，特に without

図－13 は with SAV と without SAV における塩分（月SAV において潮汐残差流が出現した湖口南では，with

平均）の平面分布である．さらに流速同様に，with SAV

SAV において顕著な流速減衰が確認できた（図－12）．非から without SAV を差し引いた差分結果も図－14 に示す．

植生域である澪筋においては，with SAV の方がむしろ流

河川 4 つのうちの 3 つが流入する湖奥では低塩分となり，速が増大することが確認できた．

湖口に向かうにつれて高塩分となるが，with SAV の方が湖奥においてより低塩分となる傾向を示した（図－13（a））．

- 48 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析（c）without SAV，k = 1（d）without SAV，k = 2
図－11 （続き）
また顕著な出水が確認された 9 月以外の月で特に大きなwith SAV における再現性は良好であったが，without

出水が発生した 6～8 月（図－2）では，両ケースにおいてSAV では過大評価となった（図－6）．without SAV では

湖奥部での低塩分化傾向が示された（図－13（a））が，with

植生が無いことで外洋水の流入が大きくなるが，with

SAV においてより顕著な低塩分化が確認できた（図－13）．

SAV では植生が抵抗体として機能することで外洋水の流with SAV – without SAV の差分においては，流速分布と入を抑制し，比較的実測値に近い結果を得ることができた

同様に with SAV の方が植生域において低塩分化し，非植と考えられる．これについては塩分の分布図からも確認で生域である澪筋付近ではより高塩分化する傾向を示した

きる（図－13）．without SAV よりも with SAV の方が，（図－14）．

湖奥部でより低塩分化し，植生によって淡水と外洋水の混合率が低下する傾向を示した．外洋からの高塩分水が植生による流入抑制を受けることで，3 河川が集中する湖奥部

４．考察

において低塩分化が顕著となった．また，同地点の下げ潮
4.1. 植生抵抗が淡水－外洋水混合に及ぼす影響

時の海面変位においては，without SAV では全期間にわ

水位変動において，湖奥部の Stn.1 の上げ潮時では，たって過大評価を示し，with SAV では 9～10 月には比較- 49 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

（a）

（b）
図－12 2 ケースにおける絶対流速の差分（with SAV － without SAV）
（a）k = 1 （b）k = 2
的良好な再現性，6～8 月には過小評価を示した（図－6）．

また，図－9 における 6～8 月の高出水の際の低塩分と高塩

without SAV での過大評価は，本来植生域となる湖奥部の分の交互のピークで，without SAV において過大評価が示

水が，上げ潮の場合と同様に植生の抵抗を受けないことにされていることからも，上げ潮による外洋水の流入が過大より，実際よりも過大に流出していると考えられる．withとなっている可能性を示している．図－6 において 10 月のSAV における 6～8 月の過小評価は，一年を通して海草現

10～15 日あたりにかけて，2 つの水位上昇のピークが観測

存量が最多になる期間である（特に 6～7 月）ためと考えらされたが，モデルでは再現できていない．本モデルでは，開れる．本モデルの流動に対する植生の抵抗は実際よりも過境界からの潮位の外部入力データとしては，予測値である大に機能している可能性があり，高出水が確認された 6～8

天文潮位データを使用している．よって，これらの突発的

月に淡水を過大に湖奥部に貯留させている可能性がある．

なピークが天文潮位には反映されていないことから，この6～8 月の高出水時に，with SAV における塩分が過小評価

ような不一致が生じたと考えられる．

されていることからもその可能性を裏付けている（図－9）．

- 50 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

（a）

（b）
図－13 数値モデルによる表層（k = 1）における 2014 年 6～10 月の塩分（月平均）の平面分布（a）with SAV （b）without SAV
4.2. エスチュアリー循環への影響

徴は植生によって形成されている可能性がある．外洋から風蓮湖における流れの特徴は，鉛直方向で流向に差がなの高塩分水が底層に沿って流入し，河川からの淡水が表層

く，エスチャリー循環を示す成分はみられないとの報告がに沿って流入することで表層と底層で逆向きの流れが発生ある（山本・牧田，2007）．今回観測を行った Stn.1 でも東するが，塩分の分布図（図－13，14）からも分かるように，

西流速，南北流速ともに同様の特徴が確認できた（図－8）．

植生を考慮することによって湖奥部はより低塩分化，非植モデルによる計算でも，with SAV では特に東西流速におい生域である澪筋はより高塩分化することから，植生域へのて表層・底層での一様流を明確に示したが，without SAV で淡水（低密度）と高塩分水（高密度）の流入と混合が抑制さは異なる傾向を示した．東西流速から分かるように，表層れ，エスチュアリー循環が形成されずに一様流となっていでは湖口（東）向き，底層では湖奥（西）向きの流れとなるると考えられる．

ことから，エスチュアリー循環を形成していることが確認できる．つまり，風蓮湖における鉛直方向一様流という特- 51 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

図－14 数値モデル 2 ケースにおける表層（k = 1）塩分の差分（with SAV － without SAV）

ことが分かった．この原因については 4.5 節で考察する．

4.3. 流速分布に与える影響と流速減衰率
植生を考慮することで，植生域では流速低下，非植生域
では流速が増大することがモデルによって示された（図－𝜕𝑢4.4. 植生が湖全体の海水交換率に及ぼす影響
植生域全体が流動場全体に与える影響について，からも説明できるように，植生域内に水が流入しづらくな

Taguchi et al.（2002）が提案した粒子追跡の一手法を用る代わりに，非植生域への流入量が増加するためである．

いて海水交換率の計算を行い，植生が湖全体の海水交換に流速の差分（図－12）と植生分布図（図－4）を比較する

与える影響を評価した．図－15 に示すように 6～10 月のと，非植生域の中でも特に植生域に隣接する部分において各月 1 日 0 時に湖奥の 3 河川に約 1000 個ずつ，浮力 0 と

比較的流速が大きくなっている．前述のとおり，植生域内した粒子を配置（合計約 3000 個）し，1 ヶ月間の追跡計

への水の流入が抑制されることで，隣接する非植生域での算を行った．粒子が開境界から湖外へ流出することにより，流量は大きくなる．また，本モデルにおける植生抵抗は流

湖奥部の淡水が湖外へ流出するものとし，より早く多くのれに対して底面摩擦（式－11, 12），断面抵抗（式－13）

粒子が湖外に流出することで，海水交換速度が速いと仮定として機能するが，流れと並行には機能しない（壁面摩擦

した．with SAV と without SAV における湖内の粒子残留効果は未考慮である）ため，本研究のような結果になった数が目標残留数に達するまでの時間，および下式を用いてと考えられる．実際にもこのような現象が発生しているか

海水交換速度の比較を行った．本研究では，目標残留数をどうかは，更なる現地調査が必要である．次に，植生によ

初期配置数の 50%（約 1500 個）とした．

𝜕𝑥

𝜕𝑦

+

𝜕𝑤

= 0)

11，12）．これについては連続の方程式(

+

𝜕𝑣

𝜕𝑧

る流速の減衰効果について，Lacy and Wyllie-Echeverria（2011）は実海域数地点において観測を行い，40～70%の植生による海水交換速度の変化率

減衰率を報告している．本モデルでも次式を用いて，

𝑊𝐸𝑆𝐴𝑉
=(
− 1) × 100
𝑊𝐸𝑁𝑆𝐴𝑉

without SAV に対する with SAV の植生抵抗による流速減衰率の計算を行った．

減衰率 = (1 − 𝑉𝑧𝑆𝐴𝑉 ⁄𝑉𝑧𝑁𝑆𝐴𝑉 ) × 100（15）

ここで，WESAV,WENSAV はそれぞれ with SAV と without（14）

SAV において湖内の粒子残留数が初期配置数の 50%に達した日を表す．粒子の初期配置時から追跡計算期間とした

ここで，𝑉𝑧𝑆𝐴𝑉 , 𝑉𝑧𝑁𝑆𝐴𝑉 はそれぞれ with SAV, without SAV

一ヶ月間の湖内粒子残留数の変化を図－16 に示す．6～8における絶対流速[cm/s]である．本モデルでは，植生抵抗

月および 10 月に出水（6～8 月に出水大）が発生したたを考慮することによって Stn.1 における流速は表層ではめ，with SAV，without SAV 両ケースにおいて顕著な粒

平均約 70%，底層では平均約 89%減衰することが示され子の減少が確認できた．9 月は計算期間中に両ケースともた．既往の研究と比べると，特に底層での減衰率が大きい- 52 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

図－15 粒子追跡法における粒子の初期配置

図－16 粒子残留率の変化（各図右上の数字は without SAV に対する with SAV の目標残留数到達速度の低下率を示す）
目標残留数に達しなかった．他の月と比べて大きな河川出

よって粒子が湖内に押し出された後，7 月の大潮時には粒水がなかったためと考えられる．また，6，8，10 月では子が非植生域に近付き，下げ潮によってより湖外へと流出

目標残留数への到達は without SAV の方が速く，植生をしやすくなったと考えられる．6 月は比較的出水の直後に考慮した with SAV の方が遅くなる顕著な差異が確認で大潮となるため，大潮時には粒子の多くは非植生域から離きた．この結果から植生によって海水交換率が 33～35%れた植生域に留まっている．8 月は高出水と大潮がほぼ同低下することが示された．7 月では逆に，with SAV の方時に発生するため，大潮時には 6 月よりもさらに非植生が without SAV よりも海水交換率が 28%増加することが域から離れた植生域内に粒子が留まっている．また，with

確認できた．この変化については，出水と大潮のタイミン

SAV は without SAV と比べ，植生域内の流速は減衰し，グに原因があると考えられる．図－17 は，モデルに適用

非植生域での流速は増大する（図－12）．つまり，with SAV

した 6～8 月における開境界の潮位と風蓮川の出水量であにおいて非植生域へ流れ出た粒子は，浅海域への流入は植る．8 月は高出水と大潮がほぼ同時期に迎えているが，6,7

生抵抗によって抑制され，非植生域に沿うように大きく移月は高出水後に大潮となっている．そして，7 月の方が高動し，without SAV よりも湖外へ流出しやすくなる．本研

出水から大潮までの時間が比較的長い．よって，高出水に究のモデル解析により，風蓮湖では植生によって海水交換- 53 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂

図－17 モデルに適用した開境界の潮位と風蓮川の出水量（2014 年 6～8 月）

図－18

Stn.1 における東西流速（u）と南北流速（v）の流向プロット（2014 年 8 月～10 月）（左：表層, 右：底層）

率が低下する一方ではなく，出水や大潮のタイミングによ4.5. 植生の分布と成長，および抵抗係数についてって，むしろ海水交換率が増加する可能性が示されたが，植生分布においては京田ら（2012）を参考にしているが，現実に起きている現象かどうかは，現時点では判断できな

細部については推定に依るところが大きい．流速の分布はい．よって，新たな観測・解析手法等を導入し，更なる検証

植生分布に依存することからも，本モデルの両ケースにおが必要である．

ける南北流速の著しい過小評価は，植生分布が原因の一つとなっている可能性がある．また，本モデルにおける地形データは，他にデータがないことから 1981 年に国土地理- 54 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析院が作成したものを適用している．本研究での調査および

め，ほとんど変化がみられなかった．実測データとの差異

モデル解析は 2014 年を対象としている．よって，33 年前については，別海観測所と根室観測所が，風蓮湖からそれの地形データを用いていることから，地形変化が生じてい

ぞれ約 13km，26km 離れていることで，風蓮湖における実る場合，その影響は考慮できていない．植生分布・地形調査際の接水気温を反映していないことが原因と考えられる．

も今後の課題となる．また，式（1）における植生抵抗は底さらに，本モデルでは大気－海面間の熱交換をバルク的に面摩擦に比べ，植生効果（植生高さ）の方が 2 オーダー近計算しているが，植生の影響は考慮していない．植生と大く大きな影響を及ぼす．図－18 に 8～10 月における東西流

気－海面間の熱収支の関係においてはあまりよく分かって

速と南北流速の流向プロットを示す．風蓮湖では例年 8，9いないため，今後検討が必要である．実測データに比べて月あたりから海草の減衰が始まる．図－18 から分かるようモデルによる日周変動が小さいのは，AMeDAS による気温に，東西流速の実測値においては表層では±20cm/s，底層データが日平均値であることが原因と考えられる．

では±10cm/s の分布となり，図－7（6，7 月における東西
流速と南北流速の流向プロット）と比べると，特に東西流

4.7.モデルの適用範囲について

速は約 2 倍に流速が大きくなったことが確認できる．しか「2.3.モデル」で前述した通り，本モデルは 1～100 km

し，モデル計算 with SAV の南北流速は表層で±10cm/s，のエスチュアリーおよび沿岸域を対象とした 3D 沿岸流動底層で±5cm/s 程度となり，実測値と比べて約 1/2 の過小モデルである．これまで，閉鎖性海域を中心に多くの沿岸評価であり，without SAV の方がむしろ実測値に近い結果域に適用された実績がある（Taguchi and Nakata, 1998;が得られている．本モデルで適用した海草現存量の変化（図Taguchi et al., 1999, 2002; Horiguchi et al., 2001; Azam－5）も 8 月以降から現存量の低下が確認できるにも関わらet al., 2006; Ichikawa et al., 2007; Ye et al., 2012; 田口ら，ず，流速減衰効果が強く機能しているのは植生高さの推定

2014）．また，本研究では浅海域であり面積の大半を植生域法に原因がある可能性がある．植生高さについては，前述が占める風蓮湖をモデル海域としたが，植生密度が低く，したとおり坪刈り調査の結果から海草現存量との相関を，最大水深が 700m に達するような東京湾等でも適用可能で最小二乗回帰式を用いて近似した．だが，調査で測定したあるため，僅かな植生域が湾全体の流動場に及ぼす影響を植生高さは最大長であるため，本研究における回帰式は実評価することも可能である．本モデルは浅海域において植際よりも過大評価となっている可能性がある．さらに，本生による炭素貯留を実海域スケールで定量化することを最研究での対象海域は海草藻場を含む汽水湖であるが，式（2），

終目的としている．本研究では，植生域全体での流速減衰（5）における抵抗係数 CD は一様流中に置かれた円柱を対がモデルで示されたことから，植生域全体が有機物を含む象とした一般的なパラメータ「1」を適用している．安瀬地

懸濁物質の集積効果として機能する可能性が示唆される．

ら（2007）は，室田・福原（1983），安瀬地・木ノ瀬（2003）

風蓮湖などの植生豊富な海域と比べ，東京湾などは湾全域の研究成果を踏まえ，「植生の組織的な揺動現象が顕著でなにおいて植生による炭素貯留効果が比較的低い可能性があい場合の植生抵抗は，植生高さの増減による変形効果が主ること，また東京湾の場合は風蓮湖から約 12°南側に位置となる」と述べている．よって，本モデルでは，空間解像度

し，沖には暖流の黒潮が流れていることからも水温をはじ（100m）から植生の揺動現象よりも植生高さが植生抵抗にめとした海洋環境が大きく異なる可能性がある．よって，依存すると仮定し，円柱同様に高さによる形態変化を表す

植生が炭素貯留量に及ぼす影響を評価するうえで，両海域

CD=1 を適用した．だが，Ghisalberi & Nepf(2004)は植生を比較することは非常に有効であると考えられる．さらに，密度（葉幅・葉枚数・植生間の距離）を関数とし，CD を変

東京湾のように縁辺部に植生域がある場合，そのような狭数として算出する方法を提案している．今後，こちらも検領域を適用範囲とする 3D 流動モデルおよび物質循環モデ

討することで更なる精度向上の可能性がある．

ルを併せて使用することが効果的であると考えられる．

4.6. 植生が水温に及ぼす影響

５．あとがきwith SAV と without SAV で表層水温における差異がほ
とんどなかった（図－10）．浅海域における水温は，流れに本研究では，浅海域において植生が流動に及ぼす効果をよる熱輸送よりも大気－海洋間の熱収支が支配的であるた

実海域スケールで解析するため，現地観測と共に流動モデ

め，接水気温の情報が重要となる．本モデルにおける大気

ルに植生抵抗を導入した新たな 3D 沿岸流動モデルを構築

境界データは，with SAV，without SAV 共に AMeDAS デ

し，現地観測データとの比較，および実海域全域を非植生

ータ（別海と根室の 2 地点間の平均値）を適用しているた

域としたケーススタディを行った．主な結果は以下の通り- 55 -

茂木博匡・中川康之・渡辺 謙太・所 立樹・門谷 茂・桑江 朝比呂である．
における適地選定技術への貢献にも期待できる．
（2016 年 1 月 25 日受付）
(1) 植生によって，外洋からの高塩分水の流入が抑制され，河川から供給された淡水は湖奥部に滞留しやす

謝辞

くなり，高塩分水と低塩分水との混合が低下する可本研究で使用したモデルの構築においては，長崎大学（現

能性が示唆された．パーティクルトラッキングによ

所属：㈱サイエンスアンドテクノロジー，㈱ハイドロソフ

る解析では，植生によって湖内水と外洋水との海水ト技術研究所）の田口浩一教授，いであ株式会社の畑恭子

交換率がおよそ 34%低下することが示された．

博士から多大なる御助力を頂いた．また，現地観測におい(2) 対象海域とした風蓮湖の流れは，鉛直方向で一様流ては(有)シーベックの柴沼成一郎氏，北海道大学門谷研究室の特徴をもつ．モデル計算によって植生を考慮したの学生の皆様（卒業生含む），㈱エコニクスの森山友雄氏，with SAV では一様流の特徴が示されたが，without

相内雄大氏，伊藤將孝氏をはじめとした皆様，別海漁業協

SAV では底層においては湖奥へ向かう流れ，表層に同組合の小笠原豊氏，港湾空港技術研究所の三好英一氏においては湖口へ向かう流れが卓越し，表層と底層に御助力頂いた．本論文の作成においては，港湾空港技術研

おいて逆向きの流れが形成されることが確認された．

究所の高橋浩二氏，棚谷灯子氏に貴重なコメントを頂いた．

よって，風蓮湖における鉛直一様流の特徴は植生に

最後に，本研究を進めるにあたり，名城大学の中田喜三郎

よる低塩分水と高塩分水の混合率の低下から形成さ教授からご助言を頂いた．上記の方々に心から謝意を表す

れるかもしれないことから，植生効果はエスチュアる．

リー循環にも影響を及ぼす可能性が示された．
(3) ケーススタディにより，浅海域が植生を有すること

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よって，植生は流速・塩分分布にも大きな影響を及没した植生群を有する開水路流れの Manning 粗度係

ぼす可能性が示された．

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強く影響するため，植生分布の更なる調査や，植生

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高さ等のパラメータを含めた抵抗係数の見直しが今

門谷茂, 桑江朝比呂（2012）：現地観測データと衛星画後も必要である．また，植生分布が比較的少ない海像を用いた海草藻場の分布域と被度の推定, 土木学会

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可変抵抗とした解析を行った．本研究における成果は，植生のある沿岸域の気候変動緩和効果を評価する上で，植生

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干潟の炭素吸収源評価と吸収機能向上技術の開発」報えた上で浚渫土砂やリサイクル材を用いた海草藻場の再生

告書.

- 56 -

植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析

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編集兼発行人

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

発

港 湾 空 港 技 術 研 究 所

行

所

横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

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刷

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株 式 会 社 シ ー ケ ン

C （2016）by MPAT
Copyright ○All rights reserved. No part of this book must be reproduced by any means without the written
permission of the President of MPAT
この資料は、海上・港湾・航空技術研究所理事長の承認を得て刊行したものである。したがって、
本報告書の全部または一部の転載、複写は海上・港湾・航空技術研究所理事長の文書による承認を得ずしてこれを行ってはならない。

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1. Numerical Simulation on Tsunami Inundation and Debris Damage STOC Model······················································· Takashi TOMITA, Kazuhiko HONDA, Yu CHIDA ·············· 3

2. Field Observations and Numerical Analyses on the Effect of Vegetation on the Hydrodynamics of a Shallow
Water Using a New Hydrodynamic Model······································· Hirotada MOKI, Yasuyuki NAKAGAWA, Kenta WATANABE,
Tatsuki TOKORO, Shigeru MONTANI, Tomohiro KUWAE················ 35

3. Mechanical properties of coral-gravel soil –a parametric study using reconstituted samples–····················································· Yoichi WATABE, Takashi KANEKO, Shinji SASSA ················· 61

4.Submarine Liquefied Flow Dynamics and Their Analytical Framework with
Experimental and Field Validations···································································································· Shinji SASSA ················· 75ࢽსߗࢽܿ੅ࡄ‫ݪ‬ਫ਼!
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