57

ながれ 24（2005）57−66.

〔特集〕ながれと地形

干潟のながれと地形変化*港湾空港技術研究所

海洋・水工部

内

山

雄

介†

Hydrodynamics and Geomorphology on Intertidal Flats
Yusuke UCHIYAMA, Marine Env. and Eng. Dep., Port and Airport Research Institute1

はじめにが，多くの干潟地盤は，シルト・泥に代表される細粒土砂を含んだ混合粒径土砂で構成されるため，外力に対する地盤のレスポンスも大きく異なったものになる 8)．加えて，干潟の地形勾配は 1/1000

干潟を構成する広大な潮間帯と浅場は多種多様な生物の生息空間であり，生態学的に重要な場所〜1/2000 程度と緩く，潮汐に伴って干出・冠水をであると同時に，著しい水質浄化機能を有していることが知られている 1, 2)．干潟の生態系を維持・ 繰り返す特異な水理環境下にあるため，実験室内
修復・創造していく上で，底質の粒径，澪筋など
で干潟上の流れを再現することはほぼ不可能であの微地形や海底勾配を含む地形変化の予測を正確る．数値シミュレーションに関しても，水深がゼに行うことは，工学的に極めて重要な課題である． ロになる移動境界追跡を行う必要があるため，3干潟で生じる地形変化が，たとえ砂浜では問題に次元計算は困難であった．これらのことから，干ならないほど小規模なものであったとしても，干潟上の水理・底質輸送に関する研究は，主として潟に棲む生物に与えるインパクトは計り知れない
現地観測（PRO-MAT，INTRMUD，Canadian LISP，
3)
ほど大きい ．例えば，砂質干潟では海底面の侵
LISP-UK 等 9-11)）と平面 2 次元計算 12-14) によって食量が僅か 2cm を超えただけでアサリの個体数が進展してきた．
激減することが報告されている 4) ．しかしながら，
本稿ではまず，現地調査にもとづいた干潟上の干潟の水理・地形変動特性に関する情報は砂浜に
長期および短期の地形変化の現状と，それを駆動
対する情報と比較すると極めて少なく，例えば人する流れについて検討した事例 15-18) を紹介する．
5,6)
工干潟の整備においては，砂浜海岸の漂砂特
次いで，干潟の流れと地形変化に関する最新の 37)性に関する知見 を援用しているのが現状であり， 次元シミュレーション技術 19-22) を紹介し，最後に動的に安定した干潟地形を形成させることは非常関連する最近の話題を紹介する．
に困難となっている．
干潟上の流動に対しては，潮汐の作用による潮2
盤洲干潟における現地調査
流，風による吹送流，波浪の軌道流速（および位
相平均された波浪の効果としての海浜流系統 7））， 2.1 干潟の長期的な地形変化の実態
河川等からの浮力の流入や密度成層に伴う現地調査を実施した海域は，東京湾東岸部に位Baroclinic 成分，地球自転に伴うコリオリ力等が重置する木更津沖の小櫃川河口干潟（盤洲干潟）で畳して作用している．砂浜の地形変化に対しては， ある（図 1）．調査は 2000 年 2 月 15-17) （河川出水
通常は波浪の効果が卓越しているが，干潟地形のなし）と 9 月 18) に実施された．ここでは紙面の都変形を惹起するのは主に潮汐および潮流である．
合上，主として 2 月の観測結果の概略を紹介する．
また，砂浜は主に比較的均一な細砂で構成される
盤洲干潟は典型的な砂質干潟であり，底質の中央粒径は 190µm 程度である 17) ．まず，長期的な* 〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬 3-1-1† E-mail: uchiyama@pari.go.jp

地形変動を調べるために，1994 年から 2000 年に

58

干潟のながれと地形変化

10mTokyo Bay
Aqua Line(bridge)

5m
0m

5m

Tokyo
Yokohama

HasakiTokyo Bay

0

BANZU
TIDAL
FLAT

N

Kisarazu
50km

cr

1

k

Stn.2
Stn.1

15m
0

ee

R=0.833250∆ V (m 3 /m)

200
150
100
50
0
-50

図2

0m

現地観測実施海域（東京湾東岸部・千葉県木更津市地先，小櫃川河口盤洲干潟）

300

-100

Kisarazu

2

5m
(km)
10m
break water

図1

Obitsu RIver

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
year

盤洲干潟における長期的な土砂量変化．

かけて実施された地形断面測量結果を用いて，小櫃川河口付近の岸沖断面における単位沿岸距離あたりの土砂量の経年変化を求めた（図 2）．図中では 1994 年 10 月の土砂量からの差を表示している．
その結果，小櫃川河口干潟周辺は，侵食・堆積を繰り返しながらも，長期的には約 45m3/m/y，地盤高に換算すると平均で約 3.8cm/y の速度で徐々に堆積しつつあることが分かった．
2.2 干潟の短周期地形変化と流れ
図 3 は Stn.1 における砂面高さと潮位，およびStn.2 における濁度の時系列を示している．観測期
間は大潮−小潮−大潮にかけて行われており，
Stn.1 は大潮の最干潮時でも多少冠水し，Stn.2 は

概ね干潮毎に干出していた．まず，最初の 3 日間
で初期砂面高さから最大 8cm 程度の侵食が生じ，その後，侵食と堆積を小刻みに繰り返しながら徐々に堆積し，もとの砂面高さに戻っていく様子が捉えられている．また，濁度データと砂面変動は比較的よく似た変動パターンを示しており，例
えば 2 月 8 日〜 9 日などに見られるように，砂面が大きく下降（つまり侵食）するときには必ず高い濁度が観測されていることが分かる．一方，水位の低下とともに波高が減少して（図 4）埋め戻されるため，潮汐に対応した形で小規模な侵食と堆積を繰り返す．図 4 から，観測地点の平均水深が極めて浅いために波浪は潮汐の影響を強く受けていることが分かる．これは潮位が低いほど砕波点が沖側に移動することになるため，高潮位時に波高が大きく，反対に低潮位時には波高が小さくなるような変動が卓越しているからである．波高は最大で 0.8m，周期は 4 秒程度で，東京湾奥部としては比較的大きな波が来襲していた．波向きは
概ね風の吹送方向と一致しており，主として N から NNW 方向である．平均的な主波向きが NNWという事実から，岸沖方向ではなく，沿岸方向に伝播する波浪が卓越していたことが分かる．クロススペクトル解析の結果からも，干潟上の波浪（波高変動）は，広い帯域にわたって風よりも潮汐（つまり水深）との相関が高いことが確認されている．
次に，Stn.2 における平均流速ベクトル（図 5）

59
0.85

2.6

0.81

1.6

0.77

1.1

60
tide

0.6
0.1

7

8

9

10

direction

H1/3 (m)

図3

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
W
N
E
S

30

turbidity
1112

13 14 15 16
date (Feb., 2000)

10

18

19

20

21

22

0

盤洲干潟における底面高さ，潮位，濁度の時系列

11

12

5
4
3
2
1
0

T1/3 (s)H1/3 (m)717turbidity (ppm)

2.1

8

9

13 14 15 16
date (Feb., 2000)

17

18

19

20

21

図4

第二海堡における有義波高 H1/3，有義波周期 T1/3，平均波向きの時系列

T1/3 (s)tide (T.P., m)

bed level

seabed level(T.P., m)

内山雄介

22

10 m/swindNcurrent
depth (m)

1.0
0.5
0.0

図5

30 cm/s

N

7

8

9

10

11

12

13 14 15 16
date (Feb., 2000)

17

18

19

20

21

22

AMeDAS 木更津による風向風速，干潟上の流速ベクトルおよび流速計測点における水深の時系列．

を見ると，観測期間全般にわたる長周期の流速変動は，風速変動パターンに対応していることが分
かる．同時に，潮汐の干満によって流向を反転させていることから，潮汐の影響も強く受けている．
加えて，波高も潮汐に追従して発達・減衰しているため，干潟上の流れは結局，風，潮汐，波の影
響を受けていることになる 23,24) ．クロススペクト

ル解析の結果から，干潟上の流れは，1 日以上の長周期変動に対しては風，半日周を中心とした短周期変動に対しては潮汐の干満と波浪の影響を強く受けていることが明らかになった．
2.3 地形変化に対する河川出水の影響
盤洲干潟は小櫃川河口部に広がっているため，

60
4.5
3.5
2.5
7

8

9

10

11

12

13 14 15 16
date (Feb., 2000)

17

18

19

20

21

22

図6

観測期間中における小櫃川からの出水流量.（出水時流量は 20〜180m3/s）

10
8
6
4
2
0

0
40
80
7

8

9

10

11

図7

12

13 14 15 16
date (Feb., 2000)

17

18

19

20

21

turbidity
(ppm)

1.5

shear stress (N/m2 )Qr (m 3 /s)

干潟のながれと地形変化

22

底面せん断応力（上）と濁度（下）の時系列.

干潟上の流れ，浮遊砂，地形変動等を議論する際には，河川の影響を考慮する必要がある．そこで，河口部より 5.6km 上流に設けられた千葉県の水位観測所における水位の実測値から推定された小櫃
川流量を図 6 に示す．本川における降雨直後の出水時流量は 20〜180m3/s であるため 25) ，計測期間
中の河川流出はほぼゼロであったと判断された．
流速データより直接，底面せん断応力を求め，濁度と比較したところ，両者はほぼ完璧に同じ変動パターンを示した（図 7）．これらのことから，
河川出水のない場合の盤洲干潟では，潮流および潮汐の影響を受けた短周期の風波による軌道流速の影響を複合的に受けた形で底面シアが変動し，シアが大きいときに大量の浮遊砂が発生して地盤が侵食する，という傾向にあることが明らかになった．砂面上の限界シールズ数に関する知見と観測データを照合した結果，底面シアが比較的小さ
い静穏時には，沖側海域から土砂が岸側へ徐々に輸送されて緩慢な堆積が生じることが分かった．
河川水の影響を調べるために実施した 2000 年 9月の観測 18) では，降雨に伴う 30〜75m3/s の河川
出水を捉えることに成功した．干潟底質は細砂，
河川水中の浮遊土砂はシルト・泥分が多く含まれているため，干潟上で計測された濁度には混合粒
径土砂濃度の情報が含まれている．この 2 つの粒
径レンジの土砂濃度を分離するために，OBS による光学式後方散乱強度 26) と，ADV による超音波
後方散乱強度 27) を用いた推定方法を構築し，それを用いてローカルな再懸濁土砂と系外（主として河川）から移流分散されてきた土砂を分離することに成功した．その結果，河川起源の土砂が干潟の地形変動に直接寄与する可能性は低く，非出水時と同様に，荒天時に底面シアが上昇することにより，干潟底質の再懸濁およびそれに伴う侵食が急激に進行し，その後の静穏時に緩やかな堆積が生じるものと推定された．この地形変動パターン
は，河川から排出されて一旦沖へと流出した土砂の一部が，掃流状態で徐々に岸側へ輸送された現象を反映したものである可能性が高いものと推察された（同様の現象が，中小河川を有する開放性
砂浜海域において確認されている 28,29））．
2.4 他の海域における干潟上の流れと地形変化
近年，欧州，米国，日本等の干潟海域において，流動と底質輸送に関する現地調査が精力的に実施されるようになってきた（例えば，オランダ
Dollard Estuary30,31），英国 Humber Estuary32) および
Severn Estuary33) ，フランス Marennes-Oleron 湾 34)，
米国 San Francisco 湾 35) ，有明海 36-38)）．それぞれの干潟は潮汐が卓越する内湾域に存在しているた
め，いずれの場合も，ここで紹介した盤洲干潟と同様に，干潟上の流動と底質輸送は潮汐の影響を

内山雄介

図8

61

米国 San Francisco 湾の位置（左）と水深分布（右）.

強く受けている．しかしながら，上記の多くの干3干潟の流れと地形変化に関する数値モデル
潟は外力の弱い海域に発達した泥干潟であるため，地形変化量は 1〜2cm 程度であり，10cm 前後の変3.1 3 次元モデルの必要性
動量を有する砂質の盤洲干潟と比較すると，極め干潟に限らず，塩性湿地，マングローブ林などて微小である．
の潮間帯水域は，潮位変動に伴う干出・冠水によ
我が国の干潟は歴史的にその大部分が開発行為
り海底地盤が周期的に露出するという特殊な水理により埋め立てられてきた．近年では，ミチゲー
環境下にあり，数値モデルにより流況を再現する
ションの考え方が浸透してきており，開発により際にはこの現象を合理的にモデリングすることが消失する自然環境を再生するために浚渫残土を用
重要なポイントとなる．特に潮間帯での底質浮遊，いて人工的に干潟を整備したり，既存の干潟を再熱収支，物質輸送などを考える上では，水深以下
39-42)
生したりするケースが増加している．中でもスケールの流動を正確に再現することが求められ人工干潟は，一般に汚染された残土を用いて造成る．最近の観測 47) によると，干出する干潟域であされるため，事業前後で生物の生息環境を評価すっても明確な密度成層が形成され，それが潮位変ることが求められてきており，数値生態系モデル
動に伴ってダイナミックに移動することが分かっも整備されつつある 43)．我が国に特有の問題は， てきた．従来，潮間帯での流動は鉛直積分型の平人工干潟を比較的海象条件の厳しい環境に整備す
面 2 次元モデル 12-14) で表現されることが多かった．
ることが多いため，自然干潟と比較すると波浪のまた，層積分型の 3 次元多層モデルを用いる試み影響を強く受ける傾向にあり，波による地盤の液も幾つかなされている 48-52) ．しかしながら，これ状化 44,45) や圧密沈下 46) の問題が懸念されているらのモデルでは潮間帯を単一層で表現するためにことである．なお，San Francisco 湾の泥干潟にお鉛直構造を考慮できない点が大きな問題となって35)
ける観測例 では，対象領域が湾口近傍というこいた．一方，σ 座 標 変換を用いた 3 次元海洋モデともあり，外洋からのうねり性の波の影響を強くル 53) は，物理座標における水深をσ 座標に変換す
受けることが報告されており，興味深い．
るため，水深が浅くなっても鉛直構造を保持しながら計算を進められるという著しい利点がある 54)．

62

干潟のながれと地形変化

図9

Cohesive 土砂の表層分布のスナップショット．
（左）下げ潮から干潮，（右）上げ潮から満潮の位相．

その反面，水深がゼロになると計算が破綻すること 55)，水位低下時に潮間帯での最下層格子高さが粗度長以下となり鉛直拡散係数が無限大となる 19)などの問題を同時に包含している．
3.2 WD-POM-SED の開発
これに対して著者は，3 次元 σ座標系海洋流動
モ デ ル 53) に 適 用 可 能 な 干 出 ・ 冠 水 ス キ ー ム（WDS）を開発した 19-21)．WDS では，拡張対数則を新たに導入することにより，干出域を含む潮間帯において水深が極めて浅くなった場合でも底面境界層周辺の流速場を正確に再現することが可能となっている．この WDS はシンプルな形で定式化されているが，領域全体の質量保存と数値的なロバストネスを選択的に確保することができる
ようにモデリングされている．開発された 3 次元モデル（WD-POM）の再現性を確認するため，計算結果を理論解および米国 San Francisco 湾における潮位，3 次元流速観測データと比較し，良好に一致することを確認した．San Francisco 湾は広大な潮間帯・干潟により沿岸部を囲まれた典型的な
閉鎖性内湾であり（図 8），干出・冠水現象が湾内流動に対して重要な役割を果たしている．しかしながら，潮間帯域の底質輸送を精緻に再現する 3次元モデルはこれまで提案されていなかった．そこで，WD-POM に適用可能な 3 次元凝集性土砂（cohesive sediment）輸送モデルおよび地形変化モデルを開発した（WD-POM-SED）22)．土砂輸送モ
デルは沈降速度を考慮した 3 次元の移流拡散方程式を基礎式とし，水塊のシアと凝集性土砂のフロック形成を考慮した沈降速度 56)，海底面における沈降堆積速度 57) および再懸濁侵食速度 58) の各サ
ブモデルが含まれている．基礎方程式は WD-POMに適合するように 3 次元デカルト座標系から水平直交曲線座標系および鉛直σ座標系へと変換されている．海底地形変動モデルは底質の沈降，再懸濁を考慮した海底面における土砂の体積保存則に基づいており，底質の間隙率を通じて圧密沈下を考慮できるように定式化されている．
3.3 WD-POM-SED による SF 湾の地形変化計算
WD-POM-SED を用いて San Francisco 湾の土砂輸送・地形変動計算を行った 22)．凝集性土砂の再懸濁は湾中央に形成された水深の深い水路部において卓越しており，潮流によって潮間帯周辺を含む浅海域方向に土砂が輸送されて沈降するというプロセスが卓越することが明らかとなった（図 9）．
これに対応して，二朔望周期（約 28 日間）における潮流による地形変化結果（図 10）から，水路部
では侵食が，潮間帯干潟では堆積が卓越している

内山雄介

図 10

モデルによる地形変化速度．
（左）湾北部 San Pablo 湾，（右）南 SF 湾．

ことが確認された（なお，計算結果は音響測深から求められた地形変化量と良好に一致していたのを確認している）．すなわち，潮間帯干潟域は内湾
全体の流動だけではなく土砂収支の観点からも非常に重要な役割を果たしており，潮流に対しては土砂の シンク として機能していることが示された．このことは干潟の発達消長が潮流による湾スケールの土砂輸送の影響を強く受けていることを示しており，例えば人工干潟の整備に際して，適地選定の観点から，ここで示したような数値シ
ミュレーションを事前に実施することの必要性を示唆している．
463

最近のトピックの紹介とまとめ2.4 で述べたように，1990 年代後半から干潟上の流動，底質輸送，地形変化に関する研究が，世界的に進展してきた．その流れの中で，AGU（アメ リ カ 地 球 物 理 学 会 ） の 主 催 で 「 Salt Marsh
Geomorphology」という国際会議が 2004 年 11 月にカナダの Halifax で開催された．Marsh と干潟に関する海洋学系（生物，化学，物理）の研究者が一同に介した，特に地形に着目したテーマの会議で，この分野に携わる研究者の人口が急速に拡大していることを如実に示している．本稿で示した現地観測に類似した研究が多い中，人為的な環境イン
パクト（堤防の建設等）に伴う Salt Marsh 地形と植生分布の変化 59) ，地球温暖化に伴う海面上昇の影響，チャンネルネットワークの形成 60) 等に関する研究が行われつつあった．
そのほか，干潟特有の現象として，底生生物による表層土の Bioturbation，Biostabilization が流れや底質再懸濁過程に及ぼす影響を定量的に評価することも大きな課題である 61)．また，潮位変動による底面境界層の動的な変化についても不明な部分が多く，例えば底面摩擦係数や粗度長は潮汐の位相等によって変化している可能性があるが 35,51)，
これに関する研究は緒についたばかりである．また，潮位変動は底質中の間隙水圧や浸透流の挙動に影響を与えるため 62-64)，地下水中の塩分環境だ
けではなく 65,66)，侵食速度にも大きく関与する．
さらに，干潟上では潮汐の朔望周期に対応して潮流と波浪（風波および長周期波）の大小関係が変化 35) するため，波-流れ相互作用という観点から，流体力学的に興味深い．例えば，波-流れ相互作用に関する概念として Radiation Stress67,68) や Vortex
Force69,70) があるが，これらは波による軌道流速振
幅が潮流や吹送流などの準定常な流動成分の振幅より大きいという仮定の下で構築された理論である．干潟上では両者の大小関係は時々刻々変動しており，上記のような概念を直接用いるのは問題があるかも知れない．そのため，波動方程式等を用いて波浪推算を行い，Radiation Stress の空間勾配項を通じて平均流の運動方程式に位相平均された波浪の効果を導入するような通常の手法では，干潟上の波-流れ相互作用を正確に論じることは64

干潟のながれと地形変化困難であり，新たな枠組みが求められている．
以上のように，干潟上では干出・冠水をキーとする様々な特異な現象が生じているため，これらの要素を考慮しながら，今後の調査研究を進展していく必要があるものと考えられる．
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