Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
### 4. 結果及び考察

## （１）底質制御技術の開発

## 1 ）底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルの構築

水生植物ハスを細かく裁断し，フリーズドライ処理を行って分解実験に供した結果，60日間で有機物濃度はほぼ定常状態に達した．この期間内に分解された有機物を易分解性の粒子態有機炭素(POC)および溶存態有機炭素(DOC)，および残存した有機物を難分解性POCおよびDOCとして有機物収支を計算した結果を図1に示す．有機物の分解が進みやすい好気条件下の粉末ハス系においても約55％のPOCおよび約5％のDOCが残存することがわかり，これらが底質および水中に難分解性有機物として影響を及ぼすことが推定された．したがって，底質および水質の有機汚濁の改善をはかるためには，水環境中での高等植物の分解を管理する必要性が示唆された．

図1 粉末ハス系における好気系(左)および嫌気系(右)の有機物収支（数値は粉末ハス試料のPOCを100とした場合の割合）

## 2 ）湖岸の緩傾斜化による底質有機炭素含有率の制御の可能性の検討

傾斜護岸を含む領域の風の速度ベクトルおよび水流の流線を図2に示す．風は，領域左側から流入して全体的に右側に進む．水面付近に着目すると，水面上に発達する速度境界層を確認できる．傾斜護岸上部には，水面上に時計回りに回転する渦構造を確認できる．それに伴い，周囲の風は渦を乗り越えるように蛇行している．液相に着目すると，全体としては，表層部が風に駆動されて左から右に流れている．この流れは，護岸手前で深深度方向に方向を変え，底部付近を右から左に戻る流れを形成している．これらの流れに挟まれた深度付近では，時計回りに回転する渦構造を複数確認できる．これらの渦構造の存在により，湖底部を還流する流れは上下に蛇行している．また，傾斜護岸上，先に述べた水面上に存在する気流の渦構造の直下の水中には，水深程度のスケールを持つ渦構造が分布している．

図2 護岸付近における風速ベクトルおよび吹送流の流線

図3に風速 $ V = 6.0 \, m/s $ における底質の濃度分布の経時変化を示す．時刻は $ t = 10.0 \, s $ から $ 40.0 \, s $ までの代表4時刻である．場所は， $ 2 < x < 4, -0.2 < y < 0.0 $ の領域を拡大して示している．図の下面は水底部，上面は初期の水面位置に相当する．図中の白い部分は底質濃度が濃い領域，黒い部分は薄い領域である． $ t = 10.0 \, s $ では，底質はほぼ初期位置から動いておらず，水底部に集中して存在している．ただし $ x = 2.2 \, m, x = 3.8 \, m $ 付近には，やや盛り上がった領域をわずかに確認できる． $ t = 20.0 \, s $
sでは，底質が水面方向に向けて上昇する様子が複数個所で見受けられる．特に，x=3.3m付近には高濃度部分の水面方向への顕著な上昇が確認できる．これは，局所的な底質の巻上げ現象であると考えられる．t=30sでは，複数個所で上昇した底質が，さらに水平方向に移動する様子が分かる．これは，巻き上げられた底質が，水流に乗って水平方向に流された結果と考えられる．t=40.0sでは，この現象はさらに顕著になり，一部の底質は水面付近にまで到達している．また，x=3.0m付近では，初期に配置された底質のほとんどが流失している．

図3 底質濃度分布の時間変化

## 3 ）強風時の巻き上げ現象を利用した人工洪水による底質有機炭素の洗い出し効果の評価

ここでは, 本実験結果を踏まえ伊豆沼におけるハスによる難分解性有機物の年間生産量を推定した. 伊豆沼の湖水面積2.87 km², ハスの被覆率50%(2008年), ハスの単位面積あたりの乾燥重量250 g/m²(鈴木ら, 2010年)とすると, 伊豆沼で残存する難分解性有機炭素量は86 tonと試算された.

さらに年間の底質中難分解性有機物の流去という観点から人工洪水の効果を検証してみた．水位5cm低下に相当する洪水の放流量は14.5千ton，巻き上げ時の浮遊物質(SS)濃度を50mg/Lとすると，1回の人工洪水によるSSの排出量は7tonとなり，難分解性有機物の排出量は0.7tonと試算される．年間10回の人工洪水を起こすと7ton，前述の86tonからすると1割以下となり，人工洪水の底質中難分解性有機物の流去に対する効果は限定的であることがわかったことから，すなわち現在の伊豆沼においてはハスの過繁茂対策による底質の有機汚濁化の防止が必須であることがわかった．

## （２）底質形成機構（水の流動と底質の有機物含有率の関係）のモデリング

現地観測の結果からは,おおむね風速 5m/s以上になると,巻き上がりが生じていることが分かった.ただし,巻き上げの強度に関しては,風速のみならず,風向への依存性も高いと考えられる結果であった（図4）.その理由として考えられるのは,東西方向に長いという伊豆沼の湖形状が影響して,風向により吹送距離が変化する影響であった.実際,波高や流速の変化は,単なる風速の増減には対応していなかった.これに対し,吹送距離を考慮することで,流速変動量をうまく説明することができた.

さらに，本研究対象と同様に浅く富栄養化した湖沼である霞ヶ浦における既往の研究で用いられた底質巻上げモデルにより，濁度の経時変化を計算した（図5）．ただし，現地観測結果に対する分析結果を用いて，水面における境界条件の改良を施した．すなわち，風速および吹送距離を考慮して，水面での摩擦速度や乱流パラメータの設定をした．その結果，風による底質の巻上げを高い精度で再現することができた．
図4 風速と流速変動の地点別，方位別の関係

図5 計測地点に対応するSSの計算結果および風速

## （３）底質環境の長期連続モニタリングおよび底質環境形成機構の解析

## 1 ）水の流動と底質の有機炭素含有率の関係解析

有機炭素含有率と平均流速との間に有意な相関はみられなかった。そこで、10分ごとに1秒間隔で30個観測した流速データのうち、流速が10 cm/sを超えるデータ数を全データ数で割ることで得られる流速超過確率を導入した。図6に底質の有機炭素含有率と流速超過確率の関係を示す。これは干渦域における既往研究のデータも含むものであるが、湖沼においてもおおむね流速超過確率が高いところでは有機炭素含有率が低く、超過確率が低いところでは有機炭素含有率が高い傾向があることが示唆できた。また、この結果から流速超過確率を0.01程度以上に保つことで泥化が防止できることが明らかとなった。流速超過確率で表現できたのは平均流速が平均の流れの速さを示すのに対し、流速超過確率
は瞬間的な流れの速さを示し，巻き上げ，沈降の両方に対応した指標となり得るためと考えられる．今後さらにデータを増やして検証を行っていく必要があるが，流動を表す指標として流速超過確率を用いることが有望である．

次に自然護岸近傍の岸沖方向における現地観測の結果について，伊豆沼のStn.C近傍の岸沖方向6地点における流速超過確率を図7に示す．岸に近いほど流速超過確率は大きくなっており，そのメカニズムはサブテーマ1において解析した通りである．すなわち岸辺を緩傾斜化することによって沿岸部の流動を強化でき，底質の有機炭素含有率の制御が可能なことが示された．

図6 底質の有機炭素含有率と流速超過確率の関係

図7 Stn. C近傍における岸からの距離と流速超過確率との関係

## 2 ）脂肪酸と安定同位体比を用いた底質有機炭素の起源解析

各底質サンプルにおける有機炭素含有率に対する，高等植物由来脂肪酸および微細藻類由来脂肪酸の含有量(mg/g)の関係を図8，9に示した．なお，ここでは珪藻および渦鞭毛藻類由来の合計を微細藻類由来の脂肪酸として用いている．図9に示すように底質に含まれる微細藻類由来の脂肪酸と有機炭素含有率との間には有意な関係性は見られなかった．しかし，図8に示すように高等植物においては有意な正の相関が検出された．このことは，有機物が蓄積している底質ほど高等植物由来の脂肪酸が多く含まれていることを示しており，底質の有機汚濁には高等植物が関与していることが明らかとなった．すなわち，高等植物起源の有機物が生物分解を受け，それによっても分解されないLCFA(長鎖脂肪酸)などの粒子態有機物が蓄積し、底質の有機炭素含有率の上昇を引き起こしていることが示唆された．

なお、富栄養化の著しい中国太湖においても同様の結果を確認しており、太湖において生産者として卓越している植物プランクトン起源の有機物は、高等植物起源有機物に比べて速やかに分解し、質の有機汚濁化への影響は小さいことが示唆されている。
図8 底質有機炭素含有率と高等植物由来脂肪酸含有量の関係

図9 底質有機炭素含有率と微細藻類由来脂肪酸含有量の関係

### 5. 本研究により得られた主な成果

## （1） 科学的意義

本研究では，底質に堆積する有機物を制御するには底質形成機構を的確に理解し，それをふまえて適切なインパクトを底質に与え，レスポンスとして望ましい底質の状態を引き出す必要があると考え，サブテーマ2，3において浅い閉鎖性水域の底質のモニタリング，モデリングを行い，これらの結果をふまえて，サブテーマ1においては底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルを構築し，底質制御のためのインパクトの与え方についてまとめた．

本研究において得られた成果の科学的意義を以下にまとめる。

- 浅い閉鎖性水域の底質に堆積する有機物の起源は高等植物であり，難分解性の粒子態有機物として堆積していることがわかった．これまで閉鎖性水域の底質汚濁機構としては，富栄養化による一次生産の増大が原因とされてきたが，本研究では一次生産者の中でも高等植物が起源であり，富栄養化によりアオコの発生が著しい湖沼においてもこの現象が確認されたことから，底質の有機汚濁化に普遍的な知見と考えられる．これは，底質に堆積する有機物の制御を考える上できわめて有用な科学的知見である．

上記の有機物起源解析に用いた脂肪酸分析は，有機物の安定同位体比から起源を解析していた従来手法に比較して，特定の脂肪酸をバイオマーカーに用いることで起源をより詳細に解析でき，精度を高めることが可能である．さらに本分析においてはバルクではなくバイオマーカー脂肪酸の炭素同位体比を分析し，太湖底質中には検出されない（少ない）藍藻をバクテリアが主に分解していることが明らかになった．このような底質起源解析手法は世界的にも例が少なく，新規性の高い知見である．本手法は底質研究の基盤技術として今後の活用が期待される．

・底質(有機炭素含有率)と流動(流速超過確率)の関係をモデル化し，流速超過確率は底質を推定するために有用なパラメータであることがわかった．また，流速超過確率を0.01程度以上に保つことで，底質の泥化を防止することができることが示された．この知見は，坂巻・西村が発表して
いた干潟における底質と流動の関係モデルを発展させたモデルであり，底質環境形成機構を理解する上できわめて有用である.

緩傾斜の湖岸では岸沖方向に振動流が発生しやすく，それが底質の有機汚濁化を防ぐことがモニタリング調査により明らかになり，数値モデルによってその機構を考察することができた．この知見は新規性が高いとともに，今後の湖岸形状のデザインを考慮する上で有用な知見である．

風速および吹送距離を考慮して，水面での摩擦速度や乱流パラメータの設定を行い，風による底質の巻上げを高い精度で再現する数値モデルを開発した．このモデルを用いて強風時の巻き上げを利用して人工洪水により底質中有機物を系外排除する効果を見積もり，実現可能と考えられる規模の人工洪水によって排出できる底質中の難分解性粒子態有機物は，現在の伊豆沼で高等植物が1年間に生産する難分解性粒子態有機物の1%程度であり，ハスが湖面の50％を被覆するほどに繁茂する現在の伊豆沼においては，ハスを含む高等植物を適正に管理することが底質の泥化を防ぐために必須であることが示された．底質の主な有機物起源である難分解性粒子態有機物（主に高等植物の分解残さ）の収支を解析する試みは本研究が初めてであり，浅い閉鎖性水域の底質環境健全化を図る上できわめて重要な知見である。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

本研究の成果は，現在実施中である伊豆沼・内沼自然再生事業（研究代表者が自然再生協議会会長をつとめる）に対して順応的管理を行うための科学的知見として提供している．ハスの管理方策の策定，底質改善方策の策定など今後の事業推進において活用する予定である．

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

流速（10cm/sec）超過確率を0.01程度以上に保つことで底質の有機汚濁化が防止できることが明らかとなった．本モデルは経験モデルであるためさらにデータを集めて信頼性を高める必要があるが，本知見を環境アセスメント手法やミティゲーション効果の予測に活用していく必要がある，

具体的には流動を制御して底質を変化させる手法として湖岸の緩傾斜化が提案できる．すなわち生物・生態系に配慮した湖岸のデザイン手法の確立へとつなげていく必要がある．

一方，高等植物起源の底質に堆積する有機物は難分解性であるため、蓄積する一方である。これを制御するためには有機物の系外排除が行われる必要があり、イベント的な人工洪水の発生や周囲を遊水池とした氾濫による洗い出しが必要である。しかし、このような物理的な系外排除ができない場合、適切な高等植物の管理が必要であり、水生植物の再生等にあたっては底質の有機汚濁化を招かないように環境配慮が必要である。

### 6. 研究成果の主な発表状況

## （１）主な誌上発表

## く査読付き論文>

1）長濱祐美，中山亮，Woo-Seok Shin，藤林恵，野村宗弘，西村修：環境工学研究論文集，48，III_117-III_122（2011）.

「海草コアマモ場と近傍裸地における底質有機物の起源」

2）梅田信，別当雄亮，進東健太郎：土木学会論文集A2（応用力学），67（2），I_615-I_623（2011）.「伊豆沼における底質の巻き上げと湖面風の関連」

3）藤林恵，野村宗弘，許曉光，李先寧，相川良雄，西村修：土木学会論文集(環境工学研究論文集)，49，III_493-III_498（2012）.

「炭素・窒素安定同位体比を指標とした太湖底質有機物動態の解析」

## （２）主な口頭発表（学会等）

1）中山亮，長濱祐美，武地修一，野村宗弘，西村修：平成22年度土木学会東北支部技術研究発表会（2011）

「コアマモ場における懸濁態有機物の輸送解析」

2) 野村宗弘，中山亮，長濱祐美，武地修一，西村修：土木学会第66回年次学術講演会（2011）「コアマモ生育場における懸濁態有機物の輸送解析」

3) 中山亮，野村宗弘，長濱祐美，武地修一，西村修：第48回環境工学研究フォーラム（2011）「コアマモ群落における懸濁態有機炭素の挙動解析」

4) 鄧輝，野村宗弘，藤林恵，佐々木久雄，千葉信男，西村修：第6回伊豆沼・内沼研究集会
(2011)

「伊豆沼における底質の長期連続モニタリングおよび底質形成機構の解析」

5) 鄧輝，野村宗弘，藤林恵，佐々木久雄，千葉信男，西村修，李先寧：第46回日本水環境学会年会（2011）

「水理環境と起源解析から見る伊豆沼の底質形成機構解析」

6）别当雄亮，梅田信：平成22年度東北地域災害科学研究集会（2011）

「伊豆沼における湖面風と底質の巻き上げについて」

7）别当雄亮，梅田信：平成22年度土木学会東北支部技術研究発表会（2011）

「伊豆沼における底質の挙動に関する研究」

8）梅田信，別当雄亮，進東健太郎：土木学会応用力学講演會（2011）

「伊豆沼における底質の巻き上げと湖面風の関連」

9) 金田一航，野村宗弘，中山亮，丸尾知佳子，千葉信男，西村修：平成23年度土木学会東北支部技術研究発表会（2012）

「伊豆沼の沿岸部における底質と流動の関係」

10）中山亮，野村宗弘，長濱祐美，丸尾知佳子，西村修：日本沿岸域学会第25回研究討論会(2012)

「海草群落における懸濁態有機炭素の挙動解析」

11）梅田信，別当雄亮，進東健太郎：第6回伊豆沼・内沼研究集会（2012）

「伊豆沼における底質の巻き上げと湖面風の関連」

12）仲田信也，梅田信，嶋田哲郎：平成24年度東北地域災害科学研究集会（2012）

「伊豆沼における底質組成の空間分布」

13) 千葉高之，野村宗弘，藤林恵，丸尾知佳子，西村修：平成24年度土木学会東北支部技術研究発表会（2013）

「閉鎖性水域における水生植物由来有機物の室内実験による分解特性解析」

14）仲田信也，梅田信，嶋田哲郎：平成24年度土木学会東北支部技術研究発表会（2013）

「伊豆沼における底質組成の空間分布と形成モデリング」

15）中山亮，野村宗弘，丸尾知佳子，西村修：第47回日本水環境学会年会（2013）

「現地観測に基づくコアマモ場における有機物輸送解析」

16）許曉光，藤林惠，野村宗弘，西村修，李先寧：第47回日本水環境学会年会（2013）

「Investigating the sources of sedimentary organic matter in hypereutrophic Lake Taihu (China) by using stable isotope ratio and fatty acid biomarkers」

### 7. 研究者略壓

課題代表者：西村修

東北大学工学部卒業，工学博士，現在，東北大学大学院工学研究科教授

研究参画者

(1) : 西村修（同上）

(2) : 梅田信

東京工業大学卒業，現在，東北大学大学院工学研究科准教授

（3）: 野村宗弘

東北大學工学部卒業，現在，東北大學大學院工学研究科助教
# 浅い閉鎖性水域の底質環境形成機構の解析と底質制御技術の開発

## (1) 底質制御技術の開発

东北大学大学院工学研究科

西北大学大学院工学研究科

东北大学大学院工学研究科

<研究協力者>

立命館大学理工学部

西村修

梅田信

野村宗弘

吉岡修也

平成22～24年度累計予算額：32,989千円

（うち，平成24年度予算額：8,909千円）

予算額は，間接経費を含む。

## [要旨]

底質に堆積する有機物を制御するには，底質形成機構を的確に理解し，それをふまえて適切なインパクトを底質に与え，レスポンスとして望ましい底質の状態を引き出すことが重要である．そこで本研究では，サブテーマ2，3において閉鎖性水域の底質のモニタリング，モデリングを行い，底質に堆積する有機物の起源は高等植物の分解生成物(難分解性有機物)であること，および流動と底質有機炭素含有率には密接な関わりがあることを明らかにした．このことをふまえて，サブテーマ1においては，(1)底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルを構築し，また，高等植物の分解によって生じる難分解性の有機物の実験的評価を行い，底質制御のためのインパクトの与え方についてまとめた．次に，(2)緩傾斜湖岸により流動が強化されるメカニズムを数値実験によって解析し，有機炭素含有率を低下させる技術としての可能性を検討した．最後に(3)強風時に生じる巻き上げ現象を利用して，人工洪水により底質に堆積する有機物を洗い出す効果について，巻き上げの数値実験結果等を用いて解析した．

その結果，(1)有機炭素含有率上昇の原因は，主として流動の弱化(閉鎖性の強化)にあるため，流動を弱化させるインパクトについては適切にアセスメントを行い，影響を緩和する必要があること，一方で流動を強化するインパクトを適切に与えて積極的に環境再生を図る必要があることをまとめた。(2)湖岸で発生する渦の空間スケールは垂直に比して緩傾斜の場合に，より沖まで影響範囲が拡大し，振動流が発達することが数値モデルによって再現できたことから，湖岸の底質制御技術として緩傾斜化が有用であることが明らかとなった。(3)伊豆沼を対象として数値実験を行い，可能と考えられる規模の人工洪水によって排出できる底質中の難分解性粒子状有機物は高等植物の生産する難分解性粒子状有機物の1％程度であり，ハスが湖面の50％を被覆するほどに繁茂する現在の伊豆沼においては，ハスを含む高等植物を管理することが底質の泥化を防ぐために必須であることが示された。

## [キーワード]

閉鎖性水域，底質制御，植生管理，緩傾斜湖岸，人工洪水
### 1. はじめに

わが国の湖沼の環境基準達成率はこの半世紀50％程度で推移しており，これまでの様々な富栄養化対策は悪化を防ぐ効果はもたらしたものの，改善に向けてさらなる対策が必要である．また，富栄養化は世界に共通する課題であり，さらに地球温暖化は富栄養化を加速度的に進行させることが予測されており，富栄養化対策の強化に向けた研究開発が必要とされている．

富栄養化研究の中で水質汚濁に関する研究が充実している一方で、底質汚濁の現象把握・機構解明に関する研究は不十分である。このことが底質制御技術の開発が不十分である理由と考える。すなわち底質制御技術として代表的な浚渫や覆砂は、対症療法的に泥化した底質を砂化させることはできるが、効果の持続性には大きな疑問がもたれていることも事実である。また、シードバンク（土壌中に含まれる発芽能を持った埋土種子）としての底質の機能を損なうため、この面からの注意も必要である。

底質に堆積する有機物を持続的に制御するには，底質形成機構を的確に理解し，それをふまえて対症療法的ではなく原因療法的に適切な(最小限の)インパクトを底質に与え，レスポンスとして望ましい底質の状態を引き出すことが重要である．そこで本研究では，サブテーマ2，3において閉鎖性水域の底質のモニタリング，モデリングを行い，底質に堆積する有機物の起源は高等植物の分解生成物(難分解性有機物)であること，および流動と底質有機炭素含有率には密接な関わりがあることを明らかにした．このような底質形成機構をふまえて，サブテーマ1においては，(1)底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルを構築し，水生植物の管理の必要性をまとめた．また，(2)湖岸の緩傾斜化により流動を強化し，有機炭素含有率を低下させる技術の機構について解析した．さらに(3)強風時に生じる底質巻き上げ現象を利用して，人工洪水による底質堆積有機物の洗い出し効果を解析した．

## 2 ．研究開発目的

本研究の目的は，浅い閉鎖性水域の底質制御技術の開発にある．このため，以下の3つの底質制御に関わる項目について研究を行った．

(1) 底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルの構築

(2) 湖岸の緩傾斜化による底質有機炭素含有率の制御の可能性の検討

（3）強風時の巻き上げ現象を利用した人工洪水による底質中の難分解性粒子状有機炭素の洗い出し効果の評価

（1）では，底質形成機構の的確な理解が底質制御を行っていくうえで必要不可欠であるという考え方で，サブテーマ2，サブテーマ3の結果をふまえ，さらに高等植物ハスの長期分解実験を行って自然の底質制御機構の理解を深め，それをもとに底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルで構築した．（2）では，サブテーマ3で緩傾斜湖岸において振動流が発生し，流速超過確率が上昇することで底質の有機炭素含有率が低下した現象をふまえ，その機構を数値モデルによって解析し，湖岸の緩傾斜化の有用性について検討した．（3）では，サブテーマ2でモデルングした水の流動による巻き上げ現象をふまえ，伊豆沼を対象として強風時の巻き上げによる人工洪水を発生させて排出できる底質中の難分解性粒子状有機物を計算し，高等植物の生産する難分解性粒子状有機物と比較してその効果を考察した．
### 3. 研究開発方法

## （１）底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルの構築

## 1 ）高等植物の分解実験

サブテーマ3より，底質堆積有機物の起源は主に高等植物であることが明らかになった。

水環境に生育する高等植物は栄養塩を吸収し，様々な生物のハビタット(すみか)になるなど環境に対して多面的な機能を提供する一方で，リター(落葉落枝)が底質に堆積し分解を受けることによる底質近傍の低酸素化および嫌気化，ならびに溶存態有機物やリン，窒素などの溶出による有機汚濁・富栄養化をもたらす可能性がある．このため高等植物の維持管理には適切な知識および技術が必要であるが，水界において長期の生物分解により高等植物がどの程度まで分解するのか不明なところが多い．そこで，高等植物起源の有機物の水質および底質に及ぼす影響を検討するために，伊豆沼において優占化しているハスの分解実験を行った．

### a. 実験方法

実験に用いる高等植物ハスNelumbo nuciferaと湖水を2012年9月25日に伊豆沼において採集した。微生物の分解を促進するために、ハスを凍結乾燥し、ミルミキサーにより粉末化後ふるいにかけて粒径を500 μm以下にした粉末ハス試料と、凍結乾燥せず約2 mm四方の立方体に刻んだ粒状ハス試料を用意した。以降、粉末ハス試料を用いた系を粉末ハス系、粒状ハス試料を用いた系を粒状ハス系とする。湖水はWhatmanガラス繊維ろ紙GF/B(孔径1 μm)にて吸引ろ過し1 μm以上の有機物および細菌を捕食する原生動物を除いた。粉末ハス系は粉末ハス試料1 g-dryを、粒状ハス系は粒状ハス試料6 g-wetをそれぞれ100 mL三角フラスコに入れた後、湖水50 mLを入れ、好気分解系は好気培養用シリコン栓を、嫌気分解系は脱気後密栓をして条件を保った。

フラスコは20 ℃で暗条件の恒温室に保管し，好気分解系は回転数100 rpmのシェイカーで攪拌することで，嫌気分解系は静置することでそれぞれの酸素条件を満たした．フラスコ内の溶存酸素は非接触・非破壊酸素濃度計Fibox3(TAITEC)を用いることで測定し，酸素条件が所定に制御されていることを確認した．

### b. 分析方法

分析項目はフラスコ内の粒子態有機炭素(Particulate Organic Carbon: 以下, POC)，脂肪酸量，および溶存態有機炭素(Dissolved Organic Carbon: 以下, DOC)である。粉末ハス系は実験開始から0, 4, 7, 14, 32, 60日，粒状ハス系は0, 60日経過したフラスコの中身を，質量を測定しておいたガラス繊維ろ紙GF/Bにて吸引ろ過した。そして残渣は凍結乾燥処理し質量を測った後に，ろ液は孔径0.45μmのメンブレンフィルターでろ過を行った後に，分析を行うまで冷凍保存した。POCおよびDOCは残渣およびろ液の一部を用いて全有機炭素計TOC-L(SHIMAZU)にて分析し，また，脂肪酸量は既往の研究と同様の方法¹）を用いて残渣の一部から脂肪酸を抽出した後ガスクロマトグラフィー(GC17A, GC SHIMAZU)にて分析し，それぞれフラスコ内の全量として算出した。

## 2 )インパクト・レスポンスモデル

まず，自然状態において底質が動的平衡性 $ ^{2)} $ を保つメカニズムについて，既往研究および上記分解実験，およびサブテーマ2，3の結果をふまえて考察した.

次に，閉鎖性水域において底質形成に影響を及ぼすと考えられる様々な人為的インパクトを整理し，動的平衡メカニズムに照らし合わせてインパクト・レスポンスモデルとしてまとめた．そして，浚渫や覆砂，および本研究で検討した人工洪水などの底質制御技術の有用性について定性
的な評価を行った。

## （２） 緩傾斜化による底質有機炭素含有率の制御

本研究ではサブテーマ3において把握された緩傾斜湖岸における振動流の発生，それによる流速超過確率の上昇について理論的に確認し，湖岸の緩傾斜化の底質制御技術としての有用性を評価するために，湖岸において風によって生じる底質の輸送現象に着目し，モデル化，現象の解明を試みた.

一般的に，水底部の底質は，底層の水流により巻き上げられ，水流に乗って水域内を広く移動する³）。これら水域内に生じる水流は，水域への河川水の流入の他，上空の風によっても駆動される（吹送流）。しかし浅い閉鎖性水域では，自然風に起因して発生する水面における風波による攪乱が，巻き上げ現象に支配的と推察されている⁴）。この風による自由表面付近の乱流構造とスカラ輸送について，小林ら⁵)は気液2相流の3次元直接数値解析により検討し，スカラフラックスが高い領域は，液相側の乱れ強さが高い領域と一致し，この領域は風波の風下側に形成される事を明らかにした。Chambarelら⁶)は，砕波に対する風の影響を数値解析によって検討し，砕波の形状に及ぼす風の影響は，特に水深が浅い場合に大きいことを示した。しかし，上記の報告は気液界面付近における現象の考察に重きを置いており，湖底への影響や底質輸送に関する検討はされていない。稲垣ら⁷)は，南サンフランシスコ湾において，潮流・吹送流・風波を考慮できるモデルを作成し，湾内の土砂輸送機構を説明した。豊田ら⁸)は，同様のモデルを用い，諏訪湖の底質輸送現象を検討し，吹送距離が大きく水深が浅い水域にて鉛直方向への底質輸送現象である巻き上げが顕著に発生することを示した。しかし，上記の二例は，自然風の自由表面への入力は計算領域上面の境界条件としてのみ与えられている。したがって，自由表面の変形や，それに伴う水流の発生は細かく検討されていない。以上より，これまでの関連する研究例では，気液界面を考慮した自然風と水流の関係，あるいは水流と底質輸送の関係が主に取り扱われている。一方で，自然風，吹送流，底質輸送の三者を同時に評価した例は少ない。そこで本研究では気液2相を含む流体運動，および底質輸送の支配方程式を同時に評価する数値解析を行うことで，自然風による底質の挙動の解明を試みた。テストケースは，湖岸を含む水域の2次元断面で，ここに沖合側から陸地側に風が吹く状態で，風，水流，底質輸送の関係について検討した。

本研究の数値解析は，微分方程式ソルバーCOMSOL Multiphysics $ ^{9)} $ を利用し，流体運動と物質輸送の連成問題として行った.

支配方程式は，流体運動に対しては表面張力および重力を考慮した2次元非圧縮性ナビエ・ストークス方程式および連続の式，底質輸送に対しては多化学種の物質移流拡散方程式とした.

流体運動

$$ \rho\frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t}+\rho(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}=\nabla\cdot\left[-p I+\mu(\nabla\mathbf{u})^{T}\right]+\rho\mathbf{g}+F $$

$$ \nabla\cdot\mathbf{u}=0 $$
底質輸送

$$ \begin{aligned}&\rho_{s}\frac{\partial\boldsymbol{\omega}_{i}}{\partial t}+\nabla\cdot\mathbf{j}+\rho_{s}(\mathbf{u}\cdot\nabla)\boldsymbol{\omega}_{i}=0\\&\mathbf{j}=-\left(\rho_{s}D\nabla\boldsymbol{\omega}_{i}+\rho_{s}D\frac{\nabla M_{n}}{M_{n}}\right)\\&M_{n}=\left(\sum\frac{\boldsymbol{\omega}_{i}}{M_{i}}\right)^{-1}\\ \end{aligned} $$

気液界面は，フェーズフィールド法により再現した．これは，気相と液相の間に，2種類の流体の物性値が緩やかに変化する有限厚さのフェーズフィールドを配置する手法である．気液界面に生じる表面張力Fは，ナビエ・ストークス方程式の外力項として取り扱う．本計算では，COMSOL Multiphysicsに実装されている気液界面取扱い手法をそのまま利用した．

まずベンチマークテストとして，本手法により，直方体岩礁を越える孤立派の伝播を計算した．計算領域と座標系を図(1)-1に示す．計算領域左側に一定水深の水域を，右側に岩礁を配置した．境界条件は，上空部分のみ対称境界条件，それ以外は滑りなし条件とした．初期気液界面の高さ $ \eta $ は，Lubinらのテストケース $ ^{10)} $ を参考に以下とした．

$$ \eta(x)=H\operatorname{sech}^{2}\left(\sqrt{\frac{3H}{4d^{3}}(x-x_{0})}\right) $$

ここで，初期速度分布 $ u_{0}(x) $ ， $ v_{0}(x,y) $ はそれぞれ

$$ \begin{aligned}&u_{0}(x)=\frac{\eta}{d}\sqrt{g d}\\&v_{0}(x,y)=\frac{y}{d}\frac{1}{c}\frac{\partial\eta}{\partial t}\sqrt{g d}\\ \end{aligned} $$

とした．なお，図(1)-1には，初期状態の水面を合わせて示す．岩礁は初期状態から水に覆われている．孤立波の初期条件および計算領域の詳細を表(1)-1に示す．本ベンチマークテストでは，時間進行に伴い，孤立波が右方向に移動し，岩礁部分において砕波となる現象を再現する．

次に，傾斜護岸を含む水域における底質輸送の計算を行った．計算領域は傾斜護岸を有する砂浜の横断面を模擬した．図(1)-2に計算領域と座標系を示す．横断面y=0より上側を空気，下側を水とした．水底部には底質を模擬した物質を，水との質量分率が14％となる濃度でy=-0.175より下部に配置した．底質はカオリナイトを想定しており，密度は2680 kg/m³とした．拡散係数は韓ら $ ^{11)} $ の採用した数値を用いた．なお，境界条件は気相左側が空気の一様流入（速度V m/s），右側が自由流出とした．それ以外は滑り無しとした．速度VはV=1.0から6.0 m/sまで変化させた．計算は実時間換算で45秒間を行った．ここで，風速V，吹送距離 $ x_{i} $ ，空気の動粘度νに基づく

Re= $ \frac{Vx_{i}}{\nu} $ は， $ 4.0\times10^{4} $ から $ 2.7\times10^{6} $ である．ここで，吹送距離 $ x_{i} $ は初期気液界面の長さ8.0 mで

Re= $ \frac{Vx_{i}}{\nu} $ は，4.0×10^{4}から2.7×10^{6}である．ここで，吹送距離x_{i}は初期気液界面の長さ8.0 mである．
表(1)-1 孤立波の初期条件および計算領域の詳細

l	$ D_{c} $	$ d_{reef} $
4.000m	0.600m	0.263m
$ x_{0} $	H	d
2.000m	0.131m	0.310m

図(1)-1 座標系および計算領域(ベンチマークテスト)

図(1)-2 座標系及び計算領域
## （３）強風時の巻き上げ現象を利用した人工洪水による底質有機炭素の洗い出し

本研究では，サブテーマ2において構築した底質巻き上げ現象のシミュレーションモデルを活用し，伊豆沼を対象として強風時に発生する巻き上げ現象の程度と年間発生回数を計算した．その結果をふまえて，巻き上げ発生時に人工洪水を起こし，懸濁する粒子中の難分解性有機炭素の排出量を計算した．

一方，高等植物の生産する難分解性粒子状有機物に関して，ハスの分解実験の結果を利用して伊豆沼における1年間の発生量を推定した．そして，人工洪水による難分解性粒子態有機炭素の排出量と比較し，人工洪水による底質制御効果の評価を行った．

## 4 ．結果及び考察

## (1) 底質制御のためのインパクト・レスポンスモデルの構築

## 1 ）高等植物の分解による難分解性有機物の生成

粉末ハス系におけるフラスコ内のPOCおよびDOCの経時変化を図(1)-3に示す．フラスコに投入した試料の初期POCは点線で示した．POCは試料を湖水に添加後速やかに減少(初期POCと0日目のデータの差)したが，これは凍結乾燥により植物の細胞壁が壊れ，物理的溶出(リーチング)が生じたためである．しかし，その後32日目まで好気系，嫌気系ともにPOCに減少の傾向は認められなかった．一方DOCは，32日目まで急激な減少が認められた．特に好気系においてその傾向は著しかった．32日目から60日目にかけては，POCにわずかな減少の傾向は認められるものの，DOCの減少は認められなかった．すなわち分解過程をみると，POCの減少が始まった時期とDOCの減少が止まった時期は概ね一致することから，細菌が利用できるDOCが無くなったため，POCの可溶化・分解が始まった可能性が考えられた．

粒状ハス系におけるフラスコ内のPOCおよびDOCの経時変化を図(1)-4に示す．粒状ハス系においてもPOC試料を湖水に添加後速やかに減少(初期POCと0日目のデータの差)したが，粉末ハス系に比較して約半分の量であった．粉末ハス系においては凍結融解処理を行ったのに対して，粒状ハス系においては物理的切断のみであり，試料のサイズを比較すると凍結乾燥した粉末ハスが1辺500μm以下に対して粒状ハスは2000μm程度とかなり大きかった．すなわち，粒状ハスの細胞壁の破壊が十分に進んでいないことにより，分解実験初期において可溶化が生じ，分解傾向に差が生じたと考えられる．また，好気系を比較すると粒状ハス系は60日を経過してちょうど粉末ハス系の初期POC減少量(物理的溶出量)割合(約36%)と同等のPOC減少量割合(約33%)になることから，ハスのような高等植物の生物学的可溶化には少なくとも2ヶ月以上の時間が必要であることがわかる．

また，粒状ハス系では嫌気条件においてPOCの減少があまり進まなかった．すなわち可溶化に対しては，好気性微生物の働きが重要であることを示しており，底質の環境が嫌気的になることは，底質に堆積する有機物の分解速度を減少させるという点で，底質性状に大きな影響を及ぼすことがわかった．

次に，本実験期間内に分解された有機物を易分解性POCおよびDOC，および60日目に残存した有機物を難分解性POCおよびDOCとして有機物収支を計算した．その結果を図(1)-5および図(1)-6に示す．有機物の分解が進みやすい好気条件下の粉末ハス系においても約55％のPOCおよび約5％のDOCが残存することがわかり，これらが底質および水中に難分解性有機物として影響を及ぼすこと
が推定された．したがって，底質および水質の有機汚濁の改善をはかるためには，水環境中での高等植物の分解を管理する必要性が示唆された．

1980年代後半から，琵琶湖，霞ヶ浦等の多くの湖沼において，湖内の溶存態有機物量，すなわち溶存態の化学的酸素要求量(COD)濃度が徐々に増大する傾向が観察されている．この原因として難分解性の溶存有機物があげられており，湖沼において増大する難分解性有機物の発生原因として，霞ヶ浦では下水処理水が無視できないほど大きいことが明らかにされている $ ^{12} $ ．

本研究では，高等植物の分解によっても難分解性の溶存態対有機物が生じることを明らかにしており，高等植物の繁茂する水域においては注意が必要である.

図（1）-3 粉末ハス系フラスコ内のPOCおよびDOCの経時変化

図(1)-4 粒状ハス系フラスコ内のPOCおよびDOCの経時変化

図(1)-5 粉末ハス系における有機物収支(好気系)

図(1)-6 粉末ハス系における有機物収支(嫌気系)
## 2 ）インパクト・レスポンスモデル

本研究のサブテーマ3より，閉鎖性水域に堆積している有機物の主たる起源は，高等植物であることが示された.

伊豆沼と太湖における底質有機炭素含有率と高等植物由来脂肪酸含有量の関係

この結果は，高等植物が繁茂する伊豆沼およびアオコの著しい太湖に共通しており，どんな有機物が底質に堆積しているのかという課題に対して高等植物の分解生成物（難分解性粒子状有機物）であるという結果が得られた．特に，後者の太湖は毎年アオコが発生して深刻な水質問題を発生させている富栄養湖であり，沈降物質としては藍藻類が卓越しているにもかかわらず，底質の有機物起源は高等植物であることに鑑みると，浅い閉鎖性水域で底質に蓄積する有機炭素が高等植物由来であるという本研究の発見が普遍的なものである可能性を示唆している．

このような結果をもたらす要因として，バクテリア由来の脂肪酸から同化有機物起源を検証した結果，伊豆沼は主に高等植物，太湖では藍藻を分解していることが分かった．すなわち，それぞれの湖沼で有機物収支を考えると，高等植物の繁茂する伊豆沼において底質に供給される主たる有機物は高等植物起源であり，それが底質環境において分解され残存すること，一方でアオコの発生する太湖において底質に供給される主たる有機物は藍藻類起源であるものの，それは底質環境で分解されるために残存せず，供給量的にはわずかと考えられる高等植物に由来する難分解性粒子態有機物が底質に残存して有機物起源となることが明らかになった．

底質の有機物起源が生産者構造の異なる湖沼(植物プランクトン優占化湖沼と高等植物優占化湖沼)に共通して高等植物であるという事実は，底質に堆積する有機物の量を支配する主因が底質に供給される有機物量ではないことを意味する．言い換えれば，アオコが発生することで底質が有機汚濁化することに直接的な因果関係はなく，そのような場所は高等植物の分解生成物も堆積しやすいため間接的に関係性が生じることが考えられる．

では，なぜ有機物が底質に堆積するのかという課題に対して，本研究では水の流動（流速超過確率）と底質の有機炭素含有率に明確な関係が認められ，流速超過確率の小さいところにおいて，高等植物起源の有機物が堆積することが明らかになった．
底質の有機炭素含有率と流速超過確率の関係

河川における流速と河床粒径の関係では，掃流力(流速の2乗に比例)が大きいほど抵抗力(粒径に比例)の大きな材料を動かすことから，日本の河川では流速の速い上流域では大きな石が，流速の小さい下流域では土砂が堆積することが知られている．また，干潟においてはある一定の流速を超える割合(流速超過確率)が高くなると有機炭素含有率は減少するという負の相関が認められている $ ^{13} $ ．

しかし，さらに流速が小さい閉鎖性水域において，粒径の小さな粒子態有機物との関係についてはよく知られていなかった．本研究において，有機炭素含有率は平均流速との関係に比して流速超過確率との間に相関が認められた．これは常日頃発生する流速が底質の性状を支配していることを意味しており，ある一定流速を超えて底質中の粒子態有機炭素の巻き上る頻度が高いと底質は砂化し，頻度が低いと粒子態有機炭素の沈降が促進され，泥化するものと考えられる．

以上の結果をまとめると，閉鎖性水域において底質の有機炭素含有率は常日頃の流動状態が支配しており，流動の弱いところには粒子態有機物が堆積し泥化し，流動の強いところには粒子態有機物が堆積しにくく砂化する，というような動的平衡性が保たれていることがわかった。

以上の結果をもとに，底質の有機物形成に関わるインパクト・レスポンスモデルを作成した．底質の有機物は，高等植物由来の難分解性粒子態有機炭素で構成されており，上流域で分解を受けながら流入するものと，富栄養化による高等植物の繁茂(内部生産)・枯死・分解して沈降するものに大別される．特に富栄養化により繁茂した大型植物は直接的な供給源となるため影響が大きく，刈り取り等による適切な管理を必要とする場合もあろう．堆積した有機物は風による風波や吹掃流，湖流により巻き上がりと沈降を繰り返すが，流速超過確率が低い場においては有機物が堆積しやすく，泥場を形成する．一方流速超過確率の高い場では有機物が堆積しにくく，砂場を形成する．これを人為的に制御する方法としては，流速超過確率の低下方法として構造物(粗杂)の設置や，垂直湖岸化が考えられる．逆に流速超過確率を上昇させる場合には，湖岸の緩傾斜化が有効であり，この理由としては振動流の発生が促されるためである．このような常日頃の流動状態が底質有機炭素含有率を支配する．
しかし，このような底質制御方法では系外への有機物の郵送は行われない．すなわち系内での砂場から泥場へ，泥場から砂場への有機物の輸送が起こるものの，全体として有機物の蓄積は進んでいく．これを制御するためには有機物の系外排除が行われる必要があり，イベント的な人工洪水の発生や周囲を遊水池とした氾濫による洗い出しが必要となる．

図(1)-7 底質制御に関わるインパクト・レスポンスモデル

このような底質制御方法を組み合わせながら，底質の有機炭素含有率を調整し，底質をハビタットとする生物の生育・生息を促進することが必要である.

## （２）緩傾斜化による底質有機炭素含有率の制御

## 1 ）孤立派の伝播(ベンチマークテスト)

ベンチマークテストの結果である岩礁前から岩礁上までの3か所における波高の時間変化を図(1)-8に示す．同様の系にて行われたYasudaら $ ^{14)} $ の実験およびLubinら $ ^{15)} $ の数値解析の結果も合わせて示す．岩礁通過前 $ x=8.000\ m $ である図(1)-3を見ると，波高が最大となる時刻は本計算結果と他の2例とでよい一致を示す．一方，波高は本計算結果の方が，他の2例と比較して約13％低い値となった．波高の立ち上がりおよび減衰の傾向は，3者間で定性的に良い一致が見られる．ただし本計算では，波高の最大値が低いことから，変化はやや緩やかとなっている．

次に，岩礁開始位置 $ (x=8.515\ \text{m}) $ の図(1)-8-2を見ると，同様に波高の最大値は本計算の方がやや低いが，時間変化の様子は他とよく一致している．岩礁上 $ (x=9.200\ \text{m}) $ では，図(1)-8-3に示すよう，孤立派の立ち上がりは実験結果では急峻となり，減衰は緩やかになる傾向がある．この傾向はLubinの数値解析結果と一致している．本計算では，波高の急激な上昇は捉えているが，上昇フェーズ後半において上昇率がやや鈍る．その結果，波高の最大値は小さい．

以上より，本手法によって，波高の厳密な再現には問題があるものの，波の伝播については再現できることが分かった。
1）岩礁通過前 $ x=8.000\ m $

2）岩礁開始位置 $ x=8.515\ m $

3) 岩礁上 $ x=9.200\ m $

図(1)-8 波高の時間変化(ベンチマークテスト)

## 2 ）自然風による底質輸送

傾斜護岸を含む領域の風の速度ベクトルおよび水流の流線を図(1)-9に示す．図は， $ t = 7.5 \, s $
の状態を示す．風は，領域左側から流入して全体的に右側に進む．水面付近に着目すると，水面上に発達する速度境界層を確認できる．傾斜護岸上部には，水面上に時計回りに回転する渦構造を確認できる．それに伴い，周囲の風は渦を乗り越えるように蛇行している．液相に着目すると，全体としては，表層部が風に駆動されて左から右に流れている．この流れは，護岸手前（x = 6.5 m付近）で深深度方向に方向を変え，底部付近を右から左に戻る流れを形成している．これらの流れに挟まれた深度付近では，時計回りに回転する渦構造を複数確認できる．これらの渦構造の存在により，湖底部を還流する流れは上下に蛇行している．また，傾斜護岸上，先に述べた水面上に存在する気流の渦構造の直下の水中には，水深程度のスケールを持つ渦構造が分布している．

図(1)-10に，V = 6.0 m/sにおける底質の濃度分布の経時変化を示す．時刻はt = 10.0 sから40.0 sまでの代表4時刻である．場所は，2 < x < 4，-0.2 < y < 0.0の領域を拡大して示している．図の下面は水底部，上面は初期の水面位置に相当する．図中の白い部分は底質濃度が濃い領域，黒い部分は薄い領域である．t = 10.0 sでは，底質はほぼ初期位置から動いておらず，水底部に集中して存在している．ただしx = 2.2 m，x = 3.8 m付近には，やや盛り上がった領域をわずかに確認できる．t = 20.0 sでは，底質が水面方向に向けて上昇する様子が複数個所で見受けられる．特に，x = 3.3 m付近には高濃度部分の水面方向への顕著な上昇が確認できる．これは，局所的な底質の巻上げ現象であると考えられる．t = 30 sでは，複数個所で上昇した底質が，さらに水平方向に移動する様子が分かる．これは，巻き上げられた底質が，水流に乗って水平方向に流された結果と考えられる．t = 40.0 sでは，この現象はさらに顕著になり，一部の底質は水面付近にまで到達している．また，x = 3.0 m付近では，初期に配置された底質のほとんどが流失している．

次に，上記の通り表現された底質の移動を定量的に評価するため，底質と水の初期界面 $ y=-0.175\ m $ を鉛直方向に通過する底質の質量流束Eを算出した．正および負の質量流束は，それぞれ巻上げ量，沈降量の度合いに相当する．図(1)-11に， $ t=7.5\ s $ での各風速における質量流束を示す．図は，流入口よりやや下流の $ x=1.0\ m $ から，傾斜護岸開始位置の $ x=6.0\ m $ までのx位置における質量流速を示す． $ V=4\ m/s $ の低風速時には，x位置による質量流束の変化はなだらかである． $ V=5\ m/s $ では，x位置により質量流速がややばらつく傾向がみられる． $ V=6\ m/s $ の高風速時には，質量流束の局所的なばらつきが目立つようになる．特に， $ x=2.4,\ 5.0,\ 5.8\ m $ 付近で顕著に見られる．全体としては質量流速は正方向（巻上げ方向）に変化する傾向が強い． $ V=6\ m/s $ の結果である図(1)-10において，時間進行とともに徐々に見られた局所的な底質の移動は，図(1)-11で局所的に顕著にみられる正方向の質量流束によってもたらされたと考えられる．

上記の底質輸送に与える風波の影響を調べる為，底質移動が顕著に見られた，風速 $ V=6.0\ m/s $ ， $ x=3.0\ m $ における波高，底質質量流束，水流速度の関係を調べた．図(1)-12には， $ x=3.0\ m $ における水面高さおよび底質質量流束の高さ方向積分値 $ E_{s} $ ， $ (x,y)=(3.0,-0.175) $ における水流速度の水平成分を示す．底質質量流速を高さ方向の積分値 $ E_{s} $ で示した理由は，上部の風波によって底質が上下方向に移動する傾向を捉えるためである．水面高さは，水が風によって下流方向に移動するので，時間経過に従って減少している．波高，質量流束，速度の変動を比較すると，波高の変化が緩やかな時は，質量流束，速度ともになだらかな変化を示す（例：15＜t＜20の領域）．一方，波高の変化が急激な時には，両者の変化も激しくなり，質量流速の絶対値は増加する傾向がある（例：30＜t＜35の領域）．このことから，底質の巻上げには，風波の通過が強く影響し
ていることが分かる．すなわち，激しい波高変動は底質質量流速の増加と，速度変動をもたらす．

次に，この速度変動をより詳細に検討する．図(1)-13に，風速 $ V=6.0\ m/s,\ x=3.0\ m $ 時の-0.20＜y＜-0.10における水流速度の水平成分の深度方向分布を示す．各プロットは，代表的な5時刻を示している．図より，時刻によって速度が正負に反転していることが分かる．このことから，風波によって深度方向全域に渡って振動流が発生していることが分かる．Van Leussenら $ ^{15)} $ によれば，振動流は底質の限界応力を低下させるため，底質輸送現象の要因になると言われている．本計算の結果は，これと整合する．

最後に，振動流の規模と巻き上げの関係を明らかにするため， $ x=3.0\ m $ の水底部における水流速度の水平成分の時間変化を風速別に検討した．結果を図(1)-14に示す．風速は， $ V=2.0,\ 4.0,\ 6.0\ m/s $ で，評価位置は初期の水と底質の境界面である $ y=-0.175\ m $ である．風速によらず，速度が正負に反転する長周期の変動と，それに乗った短周期の変動がみられる．風速が上がるほど，これらの周波数が高くなる傾向がある．図中には，速度信号から算出したRMS値も示す．風速が大きい時ほどRMSが大きくなることから，振動の振幅が増加している．従って，高風速時に活発となる底質の巻上げは，振動流の周波数や振幅の増加と関係している可能性がある．

図(1)-9 護岸付近における風速ベクトルおよび吹送流の流線
図(1)-10 底質濃度分布の時間変化

図(1)-11 水底部付近における底質の質量流束
図(1)-12 波高，底質質量流束，水流速度の時間変化

図(1)-13 水流速度の深度方向分布
図(1)-14 水底部近傍の水流速度の時間変化

以上のとおり，緩傾斜湖岸における風による水の流動，それに伴う底質の巻き上げの現象が計算され，既往研究およびサブテーマ3でモニタリングされた振動流を再現できたことから，湖岸の形状変更(垂直湖岸化)による影響について，図(1)-15のような形状を仮定して，緩傾斜湖岸と比較しながら流動および底質の巻き上げの特性を解析した.

図(1)-16にはそれぞれの湖岸形状における流線を示した．渦の空間スケールに違いが認められ，傾斜湖岸において沖まで影響が及んでいることがわかる．一方，垂直湖岸は渦が岸付近に集中している．次に，図(1)-17に，岸沖方向の底質フラックスの鉛直プロファイルを示した．傾斜湖岸では，底面で岸方向にフラックスが大きく，底質が岸に寄せられていることがわかる．一方，垂直湖岸では水面付近で沖方向に大きなフラックスが認められ，複雑な鉛直プロファイルを呈した．最後にサブテーマ3で観測された流速超過確率と，本計算によって求められた湖底部のせん断応
力，流速のRMS値（振動）の値を図(1)-18に示した．それらの岸沖方向の傾向は一致し，流速超過確率が岸に近づくにつれて上昇する主因は振動流であることが再現できている．これらの解析結果から，サブテーマ3でモニタリングされた緩傾斜湖岸における振動流の発生，それによる流速超過確率の上昇，さらに底質有機炭素含有率の低下には密接な関係があることは明らかであり，湖岸の緩傾斜による底質制御の可能性が示された．

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11

名称	$ x(m) $	名称	$ x(m) $	名称	$ x(m) $
P1	2	P5	14	P9	26
P2	5	P6	17	P10	29
P3	8	P7	20	P11	32
P4	11	P8	23

図(1)-15 緩傾斜湖岸の埋立による垂直湖岸化の概要図

傾斜湖岸

図(1)-16 傾斜湖岸および垂直湖岸の流線
図(1)-17 岸沖方向の底質フラックスの傾斜湖岸および垂直湖岸の比較

図(1)-18 岸沖方向の流速超過確率（ER），湖底部のせん断応力および流速RMS値 $ U_{rm s} $

## （３）強風時の巻き上げ現象を利用した人工洪水による底質有機炭素の洗い出し

サブテーマ2で構築した浅く富栄養化した湖沼に適用できる底質巻き上げモデルを用いて，風による底質の巻き上げ減少を高い精度で再現することができた．このモデルを用いて，2000～2004年の5年間の風データを用いて濁度の計算したものを図(1)-19に示す．

風向および風速によって濁度の値は大きく異なるが，冬から春にかけて巻き上げ減少が顕著であり，伊豆沼の特徴とも一致する．この結果によれば50度程度の巻き上げは冬期間（非灌漑期）にほぼ発生していることがわかる．
図(1)-19 伊豆沼における2000～2004年の風による巻き上げ計算結果