生態系モデルによる大村湾の 3 次元流動･水質解析

長崎大学工学部研究報告 第

30

巻 第

55

号 平成

12

年

7

月

207

生態系モデルによる大村湾 の 3 次元流動 ･水 質解析

富 樫 宏 由*

･

清 成 竜 太 **

ApplicationofanEcosystemModelfor

3‑DTidalCurrentandWaterQualityAnalysisinOmuraBay

by

HiroyoshiTOGASHI*andRyutaKIYONARI**

Inthisstudy,twonumericalmodelsaredevelopedfortidalcurrentandecosystem analysis.Themodelsarebased oneutrophicationphenomenonwhichisconsidereda

§

血eprocessofwaterpollutionanalysis.From 山etidalmodelre‑ sul

t

s,itisunderstoodthatthereisaspecialcu汀entinOmuraBay.Theecosystemmodelbasedontidalcu汀entpredicts goodagreementofCODconcentrationforthewholebayareawiththemeasureddata.

1

.は じめに

近年,閉鎖性海域 における代表的な水質汚濁問題 と して,富栄養化現象が懸念 されてお り,海洋環境保全 を考 える と,早急 に解決 しなければならない課題の一 つである.そのため,水質汚濁解析 プロセス を構成す る流体力学過程 ( 流動場及 び密度場) と,生物化学的 過程 ( 生態系) を結合 して水質汚濁現象 を再現する試 みが進め られ,富栄養化現象 を数値 シ ミュレーシ ョン 解析 によって再現することが可能 にな りつつある. ま た,わが国では,化学的酸素要求量

(chemicalOxygen Demand:

以後

coD

と称す)が環境基準 として採用 さ れているため,環境影響評価 の際の重要 な項 目として,

coD濃度の解析 は結果が分 か り易 くて良い.そ こで,

本研究では対象 を閉鎖性の強い大村湾 とし,湾全域 に おける水質状況の把握 を目的 としている.上述 した事 柄か ら,大村湾の今後の海洋環境保全 を考 える と,拷 内における流動特性 と水質状況 を把掘す ることは,檀 めて重要 と考 えられる.

水質汚濁解析 プロセス としては,先ず,流体力学過 程 によって大村湾固有の流動形態の現況 を把握す るた めに,湾内流れ を代表す る主要地点の潮流楕円につい て,数値解析結果 と現地観測結果 を比較検討 して数値 解の妥当性 を検証 し,湾内 を支配 している残差流 を求

平成

12

年

4

月

21

日受理

*社会開発工学科

(DepartmentofCivilEngineering)

**日本工営 ( 樵)

(NipponKoeiCo.)

めた.次いで,先の流動解析結果 に基づ き,大村湾全 域 において生態系モデルを用いた富栄養化現象の解析 を試みる.この生物化学的過程 によ り算 出す る因子 と して は,主 に

CODで あ るが,溶存 酸 素 (DO)や 富

栄養化現象の誘発要 因で もあ る,全窒 素 (

T‑N)や仝

リン

(T‑P)

につい ての解析 や挙動 につ いて も検 討 す る.

2.

流動解析 モデルの概要

(1)

基礎方程式 と計算対象領域

モデルは流動場及び密度場の 2つのサ ブモデルによ り構成 されている.流動場 に対す る支配方程式 として は,Na

vieトStokes

の方程式,連続 の方程式 であ り,杏 度場 に対 しては熱 ･塩分収支 を考慮 した拡散方程式及 び水温 ･塩分 による海水密度の状態方程式である.

解析対象領域 は,図 ‑ 1 に示す ような大村湾全域 と し,水平方向 を 9 00mX9 00mの格子間隔 に,鉛直方向 に は

5

層 (1層 目 :

4m, 2‑4

層 目

:5m

,

5

層 目 : 1 8. 0m) に分割 した.数値計算の時間ステ ップは 1 0秒 とし,水平及び鉛直方向の渦動粘性係数や渦動拡 散係数は一定 として与 えた.

(2)

境界条件及び計算条件

流動解析 は,成層期である夏場 と混合期である冬場

を対象 に行 った.計算 に用いた初期条件,境界条件は 以下に示す通 りである.

1)密度 :初期条件 として湾全域 に与えた水温 と塩分 は,夏場及び冬場 により大別 される.夏場 における 水温は,上層か ら

28.0,28.0,26.0,25.0,25.0

℃, 塩分は

28.0,28.0,31.0,31.0,31.0

‰ として与え

ている.一方,冬場 においては,混合期 とい うこと を考慮 し,水温

14.0

℃,塩分

32.5

‰ を全層一定で与 えている. また,外洋 との境界条件 として,夏場 に おいては水温

25.0

℃,塩分

33.0

‰,一方,冬場 にお いては水温

11.0

℃,塩分

33.0

‰ を与えた.

2 )河川流量 :川棚川,彼杵 川 ,郡川,長与川など大 村湾に流入する主要

22

河川を対象 に,年間平均流量 と夏場及び冬場 における水温の平均値 を,時間的に 変化のない もの として与えている. また,河川の塩 分濃度は

0

‰ としている.

3

)潮汐 :湾 口部 開境界 にて,大村湾 の

M2

分潮振 幅である

0.24m

を与えた.

3.

生態系モデルの概念 ( 1 ) 基礎方程式及び物質循環

生物化学的過程 においては,実海域での物理過程で ある流れによる物質の循環 と,渦動拡散現象 を考慮 し なければならない.故 に,物質の時間的変化及び空間 分布は,物理過程 と生物化学的過程 を考慮 した相互関 係か ら成 り立 っている.本研究 における生態系モデル は,図

‑2

に示す ような物質循環 を考慮 してお り,中 田1 ) に従 い,植物 プランク トン,動物 プラ ンク トン, 懸 濁態有 機物 ( poc) ,溶存 態有 機物

(DOC)

,全無 機態窒素

(DIN)

, リン酸塩

(DIP)

,溶存 酸 素

(DO)

,

coDの8

要素で構成 されてお り, これ らの変化 は, 生物化学的変化項 を加 えた次式に示す拡散方程式で表 わ される.

竣

∂J

ニ

ーu

雷 ‑

V

晋 ‑ W 雷

･A^(普 +翠 )+AZ雷 +(普

)

^{* (1'}

ここに

,β:

生態系モデルの各構成要素の現存量で あ り

,

礼,A ∴ 水平及 び鉛直方向の渦動拡散係数は一 定 と仮定 している. また,生物化学 的変化項 :( ∂β/

∂t) *に相応する各 コンパー トメン トの物質循環 を模式 化すると以下の ようになる.

1 )植物 プ ランク トン

:dPW /dt‑ (

光合成 に よる 増殖)‑ ( 細胞外分泌)‑ ( 呼吸 による消費)

‑ (zoo

による被食)‑ ( 枯死)‑ ( 沈降)

2

)動物 プラ ンク トン :

dZOO/dt

‑ ( 摂食 に よる増

2 ‡ . 1 ● 2 l . 1

0

と ]

=1 5

.10

i >

･･ 1l.ll

5.ll

I

^{.01 1l.10 15.11 2l.10 25.11 3l.11 35.01 4l.ll}

XIAXIS

図‑ 1 大村湾の解析領域

JLJt

図

一2

生態系モデルによる物質循環 加) ‑ ( 排糞) ‑ ( 排継) ‑ (自然死亡)

±

(日周 垂直移動)

3)

願濁態有機物

:dPOC/dt‑ (PHY

の枯死)

+(zoo

の排糞 ･自然死亡)‑ ( 微生物による分解) ‑ ( 分 解余剰物生成)‑ ( 沈降)

4)

溶存態有機物 :

dDOC/dt‑ (PHY

の細胞外分泌)

+(po

cの分解余剰物生成)‑ ( 無機化)

5)

7

)ン酸 塩 :dDIP/dt

‑‑ (

PHY

に よる摂 取 ･呼 吸)

+(zo

oの排壮)

+(po

cの無機化)

+(DOC

の無機化)

+

( 海底か らの溶出)

6)仝無機態窒素 :dDIN/di

‑‑(

PHY

による摂取 ･

呼吸)

+(zo

oの排 壮)

+

( pocの無 機化)

+

( 港

底か らの溶出)

生態系モデルによる大村湾の

3

次元流動 ･水質解析

7)溶存酸素 :

dDO/dt

‑ ( 光合成 による供給)

‑ (PHY

の呼吸 に よる消 費)

‑ (zOO

の呼吸 に よる消 費)

‑ (po

cの無機化 に伴 う消 費)

‑ (DOC

の無機 化 に伴 う消費)‑( 底泥 による酸素消費)‑( 再曝気)

8

)化学 的酸素 要求量 :

dCOD/dt‑ (PHYか ら求 ま

る

COD

の時 間変 化)

+(zo

oか ら求 まる

COD

の 時間変化)

+ (po

cか ら求 まる

COD

の時 間変化)

+ (DOC

か ら求 まる

COD

の時間変化)

解析対象領域 における水平及び鉛直方向の格子間隔 は,流動 モデル と同様 とし,数値計算の時間ステ ップ は

5

4秒 とした.

(2)

境界条件及び計算条件

解析 は成層期である夏場 を対象 として行 い,生態系 モデルに用いた初期条件及び境界条件 は以下 に示す通

りである.

1)水温 ･塩分 :初期条件 は,上述 した流動 モデル と 同様 に設定 した.

2

)河川水質 :大村湾 に注 ぎ込 む主要

22

河川の流入負 荷 は,長崎県 ･社団法 人底質浄化協 会

2

) を基 に平 成

3

年度の数値 を年平均値 として,一定で与 えた.

3 )生態系モデルの初期値 :平成 3年度 〜 6年度 にお ける

6

月の平均値 を,公共用水域水質測定結果 に基 づ き設定 した.

4

)生態系モデルのパ ラメー タ :財団法人ナガサキ ･ テ クノポ リス財 団

3

) に従 い,表 ‑ 1,

2

の ように設 定 した.

4.

解析結果及び考察

( 1 ) 流動 モデルによる解析結果の考察

ここでは,上述 した流動モデルによ り解析 された大 村湾の流動形態 について検討す る.解析デー タは,水 面変動及び残差流,潮流楕 円であ り,図‑ 1に示 して い る

P1‑P5

の

5

地点 を対 象 と して い る.た だ し, 解析デー タは成層期 ( 夏場) を対象 とした ものである.

図

‑3

は

,p

lにおける水面変動 を示 してい る.拷 中央南東部である津水湾近郊 に位置す る

P

lの

M2

分 潮振幅

0.24m

の潮位 は良好 に出てお り,

5

^{周期 日以降}

は定常状態 とな り安定 している.

次 に,図

‑4

か ら図

‑7

に,湾 中央部である

P3

と 川棚港沖である

P4

の表層及び底層 における現地観測 結果 と数値解析結果の潮流楕円を示す.図 に示す ●印 は,中村 ら

4)

に よる現 地観測結果で あ り,▼印 は本研 究 による解析結果 である.先ず

,p3

に着 目す る と, 表層及び底層の計算結果 は,観測値 よ りも若干流速が 小 さ くなったが,流向は比較的良 く再現で きている も

秦 ‑ 1 生態系モデルのパ ラメー タ

209

パ ラ メ‑ タ

単 位

設定値

最大可 能成長速度

dayー1 0.59exp(0.0633

T) 呼吸速度

day ) 0.02exp(0.0524

T)

リン酸塩 摂取 の半飽和値

FQr atm/I 0.02

無機態窒素摂取の半飽和値

FLg‑arm/I ).0

沈 降速 度

m/day 0.15

枯死速 度

day 1 0.02e,rp(0.0639

T) 光合成 の最適光強度

cat/Cm2.day 250

chl

光消散 係数 の成分 消 散 係 数 の

‑a

濃 度 に依 ら な い

Chl‑a

依 存 性 を示す比例定数

C/chL‑a

比

m l 0./5

m1(mgchl.m:i)1 0.066

mg/mg 2.65

C/P

比

mg/mg 63.I

C/

〃 比

mg/mg 8.6

TOD/C

比

mg/mg 3.2

C()〟/C

比

mg/mg

) . 4 最大捕 食速度

day 1 0.18exp(0.0693T)

飼 料制 限パ ラ メー タ

(m.1C/m3)‑I 0.01

捕食 の開催

mgC/m:i 0.0

消化効 率

% 7().0

総 成長効 率

% 30.0

死亡速 度

dayr1 0.054exp(0.0693T)

C/P

比

mg/mg 45.8

C′

Ⅳ 比

mg/mg 5.41

TOD/C

比

mg/mg 3,51

表

‑2

生態系モデルのパ ラメー タ

パ ラメ‑ 夕

単 位

設定値

懸濁態有機物の無機化速度

day‑i 0.01exp(0.07T)

願 関す る 附 萄態有機物の無機化に関 する分解余剰物生成の割合 解濁態 有機物 の沈降速度 濁態有機物 の無機化 に

DO

の半飽和値

mg/I I.0

% 25.0

m/day 0.432

溶存態有機物の無機化速度

day l 0.003exp(0.0693T)

溶存態有 機物 の無機化量 に関す る

DO

の半飽和値

底i

･p

尼 溶 出速度

mg/mlmg/I'.day I/..07

･

〃 溶 出速度

mg/m2.day 26.8

･酸素消 費速度

解

･C/

濁態有機物 中の

P

比

mgo2/mg/mgm2.day 250.Oexp(32.07.Ck593T)

･cm

比

mg/mg 6.9

･TOD/C mg/mg j.2

･COD/C

潜存態有機物 中の

･(:ンP

比

mg/mgmg/mg ]12.425.0

･C/N

比

mg/mg )0.0

･TOD/C mg/mg j.∫

･COD/C mg/mg 138

海表面最 強 日射量

cat/cm2.day 9j()

日長

day 0.58]

0

.

4 0.3 0.2 0.1

0.123qqq

5

10

Cyc J e

図 ‑

3 P

lにおける水面変動

の と思われる. また,水平

2

成分 ( 東西方向 と南北方 向) に分解 して考察する と,表層 においては,東西方 向の流速が

1.3cm/

S程度 であ るの に対 し,南北 方向 は

4.2cm/

S程度 を示 していることか ら,p3の表層近傍 で は南北方向の流れが卓越 していることがわか る.一方 の底層近傍 における流速 は,東西及 び南北方向 とも

3.0 α/

S程度 の相似 した流速成分 が見 られた.次 に

,P4

に着 目す る と,p3と同様 表層及 び底層 の計算結果 は, 観測値 よ りも若干弱い流速であ ったが,流向は良好 に 再現で きている もの と思 われる.表層 においては,東 西及 び南北方向 とも

2.0cm/

S程度 の相似 した流速成分 が見 られた. しか し,底層 においては,南北方向の流 速が

1.0cm/

S程度 であ るの に対 し,東西 方向の流速 は

4.5cm/

S程度 を示 していることか ら

,p4

の底層近傍 で

は東西方向の流れが卓越 していることがわかる.

以上の考察か ら,表層及 び底層 における流況特性 は, それぞれの場所 によって大 きな相違はあるが,数値解

と観測値 は各地点毎ではほほ相似 していて数値解 は概 ね再現性 の良い ことが分か り,その妥当性が検証 され た.

また,図

‑8

か ら図

‑1

1に,それぞれの流況特性が 顕著 に見 られる第 1層,第

2

層及 び第

3

層,第

4

層 に おける残差流の流速ベ ク トル図 を示す. まず,湾口部 に着 目す ると,各層 において反時計 回 りの水平循環流 の存在が確認で きることか ら,湾口部 における各層 ご との相違 は殆 ど見 られない ようである.次いで,湾中 央部 における流況特性 について考察 を行 う.第 1層, 第 2層である表層 における流況特性 と しては,時津港 沖近郊か ら川棚港沖へ と向か う北向 きの流れが湾中央 部 で大 きな反時計回 りの水平循環流 を形成 しているこ

とが確認で きた. この流況は,第

3

層 において,第

1

層及び第

2

層 よ りも弱い流れで形成 されていることが 認め られるが,第 4層 においては確認で きなかった.

また,第 1層及 び第

2

層 における津水湾や長崎空港付 近の流況特性 は,流出す る傾向が見 られたが,第 4層

+

也:Y(cm/8)

ミ 普:Obs

㌔ l

ー:Cal

I . , 1 . ● I ■ . t I ■

＼

̲I , ̲ 1

･ ヽ ､ ､

^＼＼

もも

〜

＼i

暮

色ニVくcTTL/8)

図 ‑ 4 P3における表層 の潮流楕 円

+

也:Y(crb/8)

8 ▼ ' . : C b a s l

＼〜

ヾ ■ ､ , ̲

^㌔＼

図‑

5

P3における底層 の潮流楕 円

+

也 :Y (cn/8)

8 : C b s γ : C a l

1 竜

】 L ^も

図‑

6 P4

における表層 の潮流楕 円

+

也:V(

C巾′■)

幹 : C b s

I : C a l

h▼ ▼ ▼▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ー▼ ▼ ▼ ▼ ▼▼ ▼

▼ ●

̲

▼ ▼ ●

1

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ = ▼ ▼ ▼ ▼ ▼▼ 〜

▼

' J

■

､ √ rー

+也

.･lJ(中Il/■)

図

‑7 P4

における底層 の潮流楕円

生態系モデルによる大村湾の

3

次元流動 ･水質解析

においては流 入す る傾 向 にあ った.従 って,湾全域 に おける流況特性 として,底層 か ら流入 した水塊が沿岸 湧昇 し,表層 か ら流出す るとい う鉛直循環流の存在が 確認で きる.一方,図

一1

0に示す第

3

層 においては, 水塊の流入や流出が余 り顕著 に見 られない ことか ら, 流入及び流出す る流れが複雑 に入 り混 じる逆転層的流 況であろうと推察 される.

(2)

生態系モデルによる解析結果の考察

生態系モデルでは ,( 1 ) で示 した図

‑3

を考慮 し,定 常状態での流動解析結果 を用 いて解析 を行 った.解析 対象時期 は既存資料 の関係か ら夏場 のみ とし,平成 3 年度

〜6

年度 における

6

月の平均値 を初期値 として与

え

,30

日間後である

7

月の解析 を行 うことに した. 2 5 ･ 生態系モデルによ り解析 された結果 を,図

‑12

か ら

2

血 . 図

‑15

に示 し,考察 を加 えてい く. ここでの図は,拷

口部 か ら湾 奥 部 まで の

COD,DO

,T‑

N

,T‑

Pの 各 濃

度の空間分布 を取 っている.

図

‑12

よ り,湾 口部 か ら湾 奥 部 に向か うにつ れ て

coD濃度が全体的 に大 き くなってい る こ とが確認 で

きた.特 に,表層 ではその挙動が顕著 に見 られ るが, 底層 においては濃度勾配が緩やかであ り,殆 ど変化 は 見 られなかった.coD濃度 も津水湾近傍 で最大2.

9Ⅰ喝

nと,やや高めの値であ った.

図

‑13

は溶存酸素の濃度分布 を示 しているが,底層 における濃度が観測値で は最小 で も 1. 8‑3. 2 m 郎 であ るの に対 し,計算値 で は約 4. 6 叩nとい うか な り相 違 す る結果 になった.

図

‑14

及び図

‑15

に示す

T‑N及びTIPによる濃度の

空間分布 の特徴 としては,表層 よ りも底層 において高 い濃度 を示 している. この ことよ り,全無機態窒素及 び全 リンを主体 とした栄養塩濃度は,底層 においてそ の挙動が顕著 になる傾向が見 られた.

次 に,生態系 モデルによ り解析す る領域の詳細 を図

‑16

に,解析結果 を図

‑17

か ら図

‑20

に示 して考察す る. ここでの解析結 果 は,各領域 における

COD,DO

,

TIN,T‑Pの各濃度 を示 している.

図

‑17

は,各エ リアにお ける

COD濃度 の計 算 結果

と観測値 の比較 を示 してい る.エ リア A か らE まで の湾全域 において差 は余 り見 られず,良好 に再現で き ている もの と思 われる.表層 に着 目す る と,エ リア A か ら

D

は計算結果 の方が観測値 よ りも

0.05‑0.40叩n

程度大 きい値 を取 ってい るが,エ リア Eに関 して は 計算結果が観測値 よ りも小 さい値 を取 っていた. この ことか ら,本モデルによる喜 々津 川沖 な どの地形が複

211

ア ブ 苧t i i ‑

1 0 .

5 . 0 0

1仇00 1〜.00 ZAO8 25.00

3 0 . 0 0 3 5 . 0 0 4 0 . 0 0

Ⅹ‑4XtS

図

‑8

第 1層 における残差流

5 . 0 0

10.00 15.00 20.00 25.00

3 0 . 0 0 二 1 5 . 0 0 4 0 . 0 0

Ⅹ‑▲ⅩIS

図

‑9

第

2

層 における残差流

図

‑10

第

3

層 における残差流

5 . 0 0

10.00 15.00 王0.00 2100

3 0 . 0 0 1 5 . 0 0 4 0 . 0 0

X‑^X(S

図

‑11

第

4

層 における残差流

ー S一rfac

e 4 ‑ ■ M

iddle I^Bottom

･ : . ̀ ′

串 ･三≡誠紳 桝=::‥::‥::::≡:==;=;…三:;=

0 10 20 30 40

(

l n)

.IO'

図

‑12

湾 口か らの

COD

濃度分布 T ̲ J V

3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5

0

1

00

5

0 0

l I

StJr舟ce

I : .Mi d d l e ネ B o t t o m

耗 避寒

葦.

■⊥●.'':A

0 1

0

20 30 40

(m) .IOJ

図

‑14

湾 口か らの TI N 濃度分布

雑 で入 り組 ん だ場所 にお け る表層 の

COD

濃度 再現計 算 は,余 り精度 が良 くない と考 え られ る.次 に,底層 に着 目す る と,エ リア

Bの湾 中央 部 や エ リアCの形

上清近郊 か ら時津港 にかけての計算結果 は, l殆 ど差異 が な く,良好 な値 を示 している と思 われる.エ リア

D

の堂崎 沖 に関 しては,観 測値 よ りも

0.50r喝n

程 度低 い 借 を示 してい るが,全体 的 な計算結果 か ら考慮 す る と, 特 別 な値 で は ない もの と思 わ れ る. このエ リア D に 関 して も言 える こ とは,堂 崎 沖 もエ リア E と同様 , 地形的 に複雑 であ り,再現計算 は難 しい もの と考 えれ る. しか し,表層 及 び底層 における本研 究 の計算結果 は,少 しの誤差 はあ るが,比較 的観測値 に近 い値 を取 ってい る ことが確 認 され てい る. また, これ らの計算 結 果及 び観 測値 か ら読 み取 れ る こ とは,エ リア B 及

びE

にお い て は,表 層 の

COD

濃 度 が

3.OJTW

を超 え ているため,水 質の悪化 が懸念 されている場所 であ る と推測 される.大村湾全域 で考 える と,平均 的 な値 が 表層 で3. OJ T W 前後,底 層 で2. 0 1 喝n程 度 であ る こ とか ら,表層 と底 層 で は

1.0

m 糾 程 度 の差 が あ り,表 層 の ほ うが水 質の悪化 が顕 著 に見 られる.

図

‑18

には,各エ リアにお ける溶存酸素濃度 の計算 結果 と観測値 との比較 を示す.表層 においては,エ リ ア A か ら E まで湾全域 にお い て か な り良好 な値 が再 現 で きて い る こ とが確 認 で き,湾 平均 値 は8. 0叩n程

ー

Sl 血 I ‑ , . M

iddle †･ Bottom

･ : ー ‑. . i. :

チ:.

･F:苧輔Wi.i.:̲.:.:.: 軸性;i;三::::;::::..:::;三洋;衣:;:≡:…

り

●･‑..‑:. :.:::,:̲.:‑誠i'i.Hi‑韓:;:;:;::::;:;:;享 :;:三‥;:;:;‥:=:===::.r==f:耶 千丁=:=.:‑I:::= ii幸 :;;;;≡;:三;:?::::?:瀬 林 i;琳 弾き{=:チ;≡芋貰:‑lJ''‑I;●:A:':;;::.I;:;;;;

0 10 20 30 40

(m) +JO;

図

‑13

湾 口か らの

DO

濃度分布

T̲ P

+ StⅡ･血ce oMiddZc

｣ ■

Bottom 30

25 20

15 10

苧きき崇*:栄:宗主輔車難:一LJ諜如拙 *# ::::::;:::.I:

≡ヨ;無 や難出,王立…さと主菜.;韓無害や

‑

:#亭*'iii謝 .蕪棚 享耕 端#=.

華榊 i : I : : = = = =

嘉 ….;

･.;‑

0 10 20 30

(tn)

図

‑15

湾 口か らの

T‑P

濃度分布

図

‑16

湾 内 にお ける各エ リアの詳細

度 と高い値 を示 している.一方,底層 に着 目す る と,

エ リア B,C,D とも観測値 とは大 き く異 なる値 を取

って い る.特 にエ リア C に関 して は,

2

倍 以 上 の差

が生 じてお り,貧酸素水塊形成 の可能性が観測値 か ら

尭 われる.大村湾 において貧酸素水塊 が形成 され る範

囲 は,エ リア

Bの湾 中央 部 か らエ リアCの形 上 清 に

生態系モ デルによる大村湾 の

3

次元流動 ･水 質解析

かけてであ り,溶存酸 素濃度 は2. 0‑4. Om c n程 度 で あ る.本 モデ ルに よるエ リア

B,C,D

にお け る溶存酸 素濃度 は,平均値 で

4.57

汀 官n程 度 であ り,貧酸 素化状 態の再現 は見 られ なか った.以上の考察 か ら本 モデル

による再現計算 は,表層 においでは良好 である ものの, 底層 においては貧酸素水塊が形成 される程度の値が算 出 され ない ことが わか った.ゆえに,底層 にお ける溶 存酸素濃度 の計算 は,色 々な諸条件 を再度考慮 し直す 必 要が あろ う.

図

‑19

には,各エ リアにお ける全窒素濃度 の計算結 果 と観測値 の比較 を示す.表層 に着 目す る と,エ リア

A及び D

において

0.05

n 郎 程 度計算結果が大 きい値 を 取 って はい る ものの,エ リア

B,C,E

に関 して は良 好 な値 で あ る と思 われ る. また,エ リア Eの全 窒 素 濃度の値 は,他 のエ リア と比較す る と

2

倍位大 きい値 を示 してい る.エ リア Eにお い て は流 入 して くる河 川が多いため流入負荷が蓄積 され易 く, その負荷が地 形 的な要因か ら拡散 し難 い こ とが原 因である と考 え ら れ る.一方,底層 に着 目 してみ る と,エ リア C の み において観測値が大幅 に計算結果 よ り高い値 を示 して い る. この エ リア C の形 上 湾及 び時津港 付 近 につ い ては,図

‑20

か らも全 リン濃度が高 い値 を示 している ことな どか ら,窒素及

び 1)

ンの流入負荷が大 きいか, もしくは地形 的要 因か ら蓄積 されやすいのではないか と推 測 され る. このエ リア C につ い て は,流 況 か ら 考 えて も極 めて流 れが弱 く,循環 も してい ない ことな どを考慮す る と,後者の方の影響が強いのではないか と思 われる.以上 の考察 よ り,仝窒素濃度 に関す る表 層及 び底層 における再現計算 は,概 ね計算値 と しては 良好 で あ る と思 われ るが,エ リア

C

の底 層 にお け る 再現計算 は,本 モデルで は難 しい ようであ る.

図

‑20

には,各エ リアにおける全 リン濃度の計算結 果 と観測値 との比較 を示す.表層 に着 目す る と,エ リ ア

A,D,Eに関 して は,観 測値 と殆 ど同 じ値 を取 っ

てお り,良好 に再現 している もの と考 え られる. しか し,エ リア

B

及 び

C

にお い ては,最大 で

0.005

r r M 程 度 の差が見 られる ことか ら,湾 中央部 か ら湾 中央南部 にかけての再現計算 は難 しい もの と考 え られる. また, エ リア

A‑Eを比較す る と,エ リアEにお ける全 リン

濃度のみがエ リア

A‑D

の

2

倍以上の値 を示 してい る.

このエ リア

Eにお いて は,流 入河 川 に よる流 入負 荷

や地形的要因 な どか ら汚濁物質が蓄積 されやすいため, 仝 リン濃度 の値が大 き くなっている もの と推察 される.

一方 の底層 にお け る比 較 は,エ リア

B及 びD

に関 し ては,概 ね良好 に再現で きてい る と思 われ る. しか し, エ リア

C

の湾 中央南部 で は観 測値 が0. 0 05mg / l程 度大

213

[ =]ca 1 ‑ S 吻 o b s ̲ S

EコCal‑B l打払 obs.ら

lL‑.‑HL､

A ち C D E

Areas

図‑1

7

各エ リアにお ける

COD濃度の比較

[ =〕c a l ̲ S 圏 o

bs̲S [=

コ c a l ̲ B 町皿 ob s ̲ B

‑:.､ー

A a C D E

Am s

図

‑18

各エ リアにおける

DO濃度の比較

mg , l T‑ N

⊂コ c a 1 ‑ S 磁歪 aob

s̲S

Eコ c a l ̲ B 皿 ob s ̲ B

A B C D E

Areas

図

‑19

各エ リアにおける T‑ N 濃度の比較

mg/I TIP

0035 003 0025 002 0015 00l OLX)5

lJ

⊂コc a l ̲ S 圏 ob s ̲ S E コ c a l ̲ B 皿 ob s ̲ B

A B C D E

Am s

図

‑20

各エ リアにおける

TIP

濃度の比較

きい値 を示 してお り,本モデルか らは妥当な計算結果 が算定出来 なか った.以上の考察か ら,湾全域 におけ る仝 リン濃度 は,表層及び底層 とも概 ね良好 な値 を示 してはい るが,本 モ デル に よるエ リアCでの湾 中央 南部 における再現計算 は難 しい と考 えられる.

5.

k B

本研究 では,大村湾全域 における富栄養化現象 に伴 う水質状況の把握 を目的 とした数値 シミュ レーシ ョン 解析 を行 った.流動モデル及 び水質モデルのそれぞれ によ り,得 られた成果 をまとめる と以下の ようになる.

(1)

流動解析 について

a)大村湾全域 における残差流の流況ベ ク トル図 よ り,表層 か ら底層 までの各層 において,湾口部の 中心 に位置する浅 曽根 を中心 と した反時計 回 りの 水平循環流 の存在が確認で きた. また,湾中央部 において も水平循環流の存在が認め られ, この流 況特性 は底層 よ りも表層 の方 に顕著 に見 られた.

一方,宮浦 ･大崎半島を境界 とした南東部の湾央 では,表層 においては流出の傾向が,底層 におい ては流入の傾向がそれぞれ見 られたことか ら,鉛 直循環流 による流況特性 の存在が見出 された.

b)

大村湾 を支配 している残差流は,成層期 ( 夏場) 及 び混合期 ( 冬場) において密度差 によって生 じ る密度流の影響 に依存 している部分が極 めて大 き い ことが,従来の研究 よ り指摘 されているが,本 研究 による計算結果か らは,密度差 による残差流 への影響が明確 には見 られなか った.

(2)

生態系モデルについて

a)水 質モデルでは,富栄養化現 象 に よ りcoD濃 度が高い と推測 される湾奥部の喜 々津川沖や湾 中 央部か ら時津港 にかけての海域 を中心 に再現計算 を行 った.その結果,湾奥部の喜 々津川沖 におい ては,coD濃度が表層 で 3. On d l程度 であ り,拷 中央部か ら時津港沖 までの海域 において も表層 で 2. 8‑3. 0 叩n程度の値 を示 しているこ とか ら,大 村湾の湾 中央部か ら喜々津川沖や時津港沖 にかけ ての海域 では,coD濃度が 3 . 0 叩n程度 の高 い値 であることがわか った. また,観測値 との比較 か らもかな り良 く類似 していることか ら,本研究 に よる数値 シ ミュ レー シ ョンは

coD濃度 の算出 に

関 しては,精度の良い ものであることがわかった.

･b) 本研究では,大村湾全域 における全窒素及 び全 リンに関 して も計算 を行 った.計算結果か ら,全 窒素及 び全 リンの濃度が表層 よ りも底層 の方で濃 度が高い傾 向にあることか ら,湾全域 における底

層近傍では,全窒素及 び仝 リン濃度の挙動が顕著 であることがわかった. また,湾中央部 における 底層近傍 でのそれぞれの濃度 は,仝窒素が 0. 2 8 n V

n 程 度 で あ り,全 リンが 0. 026 叩n程 度 の値 を示 していることか ら,本研究 による計算結果 は,観 測値 よ りも若干小 さい値 を算出することがわかっ た.

参 考 文 献

1) 中田喜三郎

(1993)

:生態系モデルー定式化 と未 知のパ ラメータの推定法 ‑.

2 )長崎県 ･社団法人底質浄化協会

(1997)

:平成 8 年度大村湾底質改善調査業務報告書.

3)財 団法人ナガサキ ･テクノポ リス財団,海洋技術 振興室

(1996)

:海の環境予測手法開発事業報告書.

4) 中村武弘 ･富樫宏由 ･飯塚昭二 ･三厨晋也 ･石

原 洋

(1991)

:大村湾の潮流 に関す る研究

(2)

‑現

地観測 ‑,長崎大学工学部研究報告,第

21

巻,第

37

号

,pp.167‑177.