自流 のな い都 市感 潮 河川 の環 境構 造 とその修 復 に関 す る研 究
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(2) 1232. 海. St.1. 岸. St.4. St.2. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). St.5. 図‑3 図‑2. 水 温 ・塩 分 の 分 布(9月29日). St.2:Dejima. DOの. St.3:Tokushin. 分布 St.4:Aioi. St.5:Sakae. (2) 水 質 調 査 塩 分,水. 温,溶. 存 酸 素(以. 後DO)の. 空 間 分 布 を把 握. す る た め,2006年7月18日,9月29日,12月16・20・26日, 2007年1月16日. に調 査 を 行 っ た.塩 分 ・水 温 は 水 面 か ら. 0.1m間 隔 で,DOは. 水 面 か ら0.5mま で の 表 層 は0.1m間. で,水. ら は水 底 ま で は0.5m間. 面 下0.5mか. 隔. 隔 で 測 定 した.. 水 温 お よ び 塩 分 の 計 測 結 果 の 一 例 と して,9月29日 (小 潮)の 計 測 結 果 を 図‑2に 示 す.土 居 川 上 流 端 のSt.1で は水 面 に淡 水 が 供給 さ れ て い る ため に表 層 付 近 で 塩 分 が 著 し く低 い が,水 面 下0.5m以. 深 で は ほ ぼ30psuと 海 水 で. 図‑4. DOの. 時 ・空 間 変 化. あ る こ とが わ か る.こ の よ うな 明 瞭 か っ 強 固 な 塩 分 躍 層 は,下 流 に向 か うに し たが って表 層 塩 分 が 高 くな って 緩. が 回 復 す る冬 季 の 大 潮 時 に,DOの. 時 ・空 間 変 化 を 計 測. 和 さ れ る.す な わ ち,土 居 川 全 域 は ほ ぼ海 水 で 満 た さ れ. し,河 道 内 の 海 水 交 換 領 域 を推 定 す る こ と と した.調 査. た川 で あ る こ と が わ か る.一 方,水. は2007年2月20日2:00(干. て,大 凡,一. 温 は全 水 深 にわ た っ. 様 な分 布 を 示 して お り,明 瞭 な水 温 躍 層 は. 存 在 し な い.土. 居 川 上 流 端 で あ るSt.1の 表 層 で23.5〜. 潮)〜9:00(満. 潮)で,1時. 間毎. に計 測 を 行 っ た.調 査 期 間 中 の 潮 位 変 動 はT.P.‑0.33m 〜+0 .58m(気. 象 庁,大. 阪 市 港 区 築 港)で. あ った.計. 測. 24.1℃ とや や 低 い 値 を 示 す が,密 度 に及 ぼ す 影 響 を 考 慮. 結 果 を図‑4に 示 す.同 図 に よ れ ば,干 潮 時 で あ る2:00に. す れ ば,水 温 よ り も塩 分 に よ る影 響 が は るか に大 きい と. お いて は 河 口 に 近 い 栄 橋(St.5)以 外 のDOは. 全水 深 にわ. 言 え る.. た って 貧 ・無 酸 素 状 態 で あ った.そ. 位 の上昇 と. こ の よ うな 塩 分 躍 層 の影 響 を受 けて,水 は 著 し く低 い状 態 に あ る.図‑3は,調 DOの. 底 付 近 のDO. 査期 間 中の底層. 空 間 分 布 を 示 した も の で あ る.横 軸 は河 口か らの. 距 離 を 表 して い る.図‑3に よ らず,河. よ れ ば,底 層DOは,季. 節に. 口付 近 で 高 く,上 流 へ 遡 る に つ れ て 低 下 し,. 河 口 か ら1000m以. 上 遡 る と生 物 の 生 存 が 困 難 な 貧 ・無. 酸 素 状 態 に あ る こ とが わ か る.土 居 川 上 流 端 で は,川 面 に ボ ラな どの 魚 が 群 れ て い る様 子 を 目視 す る こ とが で き るが,本. 調 査 結 果 は生 物 の 生 存 空 間 が 水 表 面 近 傍 に 限 定. さ れ て い る こ と を示 して い る と考 え られ る.. 生 橋(St.4),得. 上 昇 す る も の のDOの DOの. 新 橋(St.3)で は,底 層. か し,St.2の 出 島 橋 で は水 位 は. 変 化 は見 られ な か っ た.す な わ ち,. 高 い 外 海 水 は潮 位 の 上 昇 と と も に底 層 よ り河 道 内. に侵 入 し,こ れ に よ っ て 河 口 か ら得 新 橋(St .3)ま で の 区 間 で は底 層 のDOが. 回 復 す る こ とが わ か る.. (4) 土 居 川 の 環 境 構 造 年 間 を通 して 潮 位 変 動 を 見 て み れ ば,今 回 の調 査 期 間 中 の 潮 位 が年 間 最 大 潮 位 で は な い の で,必 ず し も河 口 か. す る こ と は で き な いが,前. 夏 季 に お い て は大 阪湾 奥 部 の港 湾 海 域 のDOは. 著 しく. ・無 酸 素 状 態 に な るが,冬 季 に な れ ば回 復 す る. こ と は周 知 の事 実 で あ る.そ. 橋,相. 回 復 した.し. ら得 新 橋 ま で の 領 域 を河 道 内 水 の交 換 領 域 で あ る と 断 言. (3) 河 道 内 水 の 交 換 領 域. 低 く,貧. と も に,栄 か らDOが. の 後,潮. こで,港 湾 海 域 の 溶 存 酸 素. 述 のDOの. 時 ・空 間 分 布 を併. せ て 考 え れ ば,土 居 川 の環 境 構 造 は,図‑5の. よ う に模 式. 的 に表 す こ と が で き る.す な わ ち, (i)上. 流 端 に お け る 水 面 へ の 淡 水 供 給 は,河 道 内 の 流.
(3) 1233. 自流 の な い都 市感 潮河 川 の環境 構造 とその修復 に関す る研究. (a). 図‑5. case2‑a (a). case2‑a. (b). case2‑b. 土 居川 の環境 構造. 動 を促 進 す る に は そ の供 給 量 が 少 な く,密 度 成 層 化 を 助 長 す る こ とに な り,そ の 結 果,鉛. 直混 合 や 表 層 か ら中 ・. 底 層 へ の酸 素 供 給 を 阻 害 す る こ と に な って い る. (ii)潮 位 変 動 に 伴 っ て 外 海 水 が 河 道 内 を 遡 上 す る が, (b). 上 流 域 ま で 外 海 水 が遡 上 す る こ と は ま れ で あ り,そ の 結. case2‑b. 果,流 動 が ほ と ん ど な い 上 流 域 は河 道 内 水 の流 動 が ほ と ん ど な い 停 滞 領 域 とな って い る. した が って,河 道 内 の 水 質 を改 善 す る た め に は,港 湾 海 域 の 水質 改 善 対 策 を併 せて 考 慮 しな け れ ばな らな い 中 ・ 下 流 域 と,河 道 内 の み の 対 策 に よ って 水 質 改 善 が 期 待 さ れ る上 流 域 と を分 離 して 考 え る必 要 が あ る.本 研 究 で は, 上 流 域 す なわ ち停 滞 領 域 の水 質 改 善 策 につ い て 考 え る こ. (c). case2‑c. と と した. (c) case2‑c. 4.. 停 滞 領域 の 水質 改善 方 法 の提 案. 図‑6. 5分後 の混 合状 況. 図‑7. 塩 分 の経時 変化. (1) 淡 水 供 給 方 法 の 検 討 土 居 川 上 流 端 は,川. 幅 約10m,平. 均 水 深 が2m程. 度の. case2‑a,b,cに. つ い て,実 験 開 始 か ら5分 後 の 様 子 を. 流 路 方 向 お よ び 鉛 直 方 向 の流 動 が ほ と ん ど な く,こ の こ. 図‑6に,ま た,そ れ ぞ れ の ケ ー ス の 塩 分 の経 時 変 化 を図 ‑7に 示 す .こ こ に,ん 。は水 深,hは 塩 分 計 の設 置 水 深 を. とが 底 質 ・水 質 の 悪 化 を招 い て い る と考 え られ る.そ. 表 して お り,h/h0=1.0は. 矩 形 横 断 面 を有 して い る.前 述 の よ うに,停 滞 領 域 で は. こ. 水 底 を表 す.図‑6よ. り,水 面 か. で,現 在,上 流 端 で 水 面 に供 給 さ れ て い る淡 水 を底 層 か. ら淡 水 を 供 給 す るcase2‑cで. ら供 給 す る こ と に よ って,流 動 を 促 進 す る こ と を提 案 す. 成 層 が 形 成 さ れ て い る こ と が わ か る.水 底 か ら上 向 き に. る.そ の た め の 基 礎 的 知 見 を 得 る こ とを 目的 と して,長. 淡 水 を供 給 す るcase2‑aで. さ0.3m,幅0.2m,高. 形 成 され た状 態 が 維 持 さ れ て い る.一 方,case2‑bで. さ0.25mの 水 槽 を 用 い て,淡 水 供 給. は,水 深 の1/2付 近 に明 瞭 な. は,水 底 近 傍 で は密 度 成 層 が は,. 方 法 お よ び供 給 流 量 を変 え て 実 験 を行 った.水 槽 は長 さ. 水 底 上 を淡 水 が移 動 した後 に 浮 力 お よ び水 槽 側 壁 の影 響. 方 向 に1/19の 勾 配 を 設 け て 塩 分30‰ の 塩 水 を 入 れ て 満 水. を 受 けて 上 昇 し,こ の過 程 で 周 囲 流 体 の運 動 を 促 進 さ れ. 状 態 と し,後 述 の要 領 で 淡 水 を供 給 す る こ と に よ って 水. て 密 度 成 層 が崩 壊 して い る こ とが わ か る.こ の こ と は,. 槽 の一 端 か ら水 を越 流 させ る こ と に よ って,水 槽 内 の 水. 図‑7の 塩 分 の経 時 変 化 を見 て も明 らか で あ る.す な わ ち,. 位 を一 定 に保 つ よ う に した.淡 水 は,管 径0.01mの. 水 底 上 を水 平 方 向 に淡 水 を 供 給 す れ ば,成 層 化 を抑 制 す. 供 給 孔 径0.002mの. 管に. 円 形 放 出 孔 を ひ とつ だ け 設 け た 硬 質. ビニ ー ル 管 を 水 底 に 固 定 し,淡 水 供 給 タ ンク とチ ュ ー ブ と連 結 させ た上 で,淡 水 供 給 タ ン ク内 の水 面 と水 槽 内 の 水 面 との 水 位 差 に よ り一 定 流 量 で 供 給 す る よ うに 設 定 し た.淡 水 は ウ ラ ニ ンを 用 い て着 色 し,ビ デ オ カ メ ラに よ っ て 淡 水 の 挙 動 が 明 らか に な る よ う に した.同 時 に,塩 分 計 を 用 いて 水 槽 内 の 塩 分 の経 時 変 化 を計 測 した.実 験 条 件 を 表‑1に 示 す.. 表‑1. 実験 条件.
(4) 1234. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (a) case‑A. 図‑8. 実河 川断 面 を模 した水 理実 験概要. る効 果 が期 待 され る.た だ し,水 槽 の一 端 よ り表 層 水 を (b). case‑B. 越 流 さ せ て い るた め に,表 層 近 傍 の流 動 性 が 抑 制 され, そ の結 果,水 槽 内 にお け る流 動 を 促 進 す る結 果 とな り, 成 層 の破 壊 効 果 を 過 剰 に評 価 して い る可 能 性 が あ る. (2) 水 底 淡 水 供 給 の 効 果 実 河 川 に お け る効 果 を見 積 も る た め に は,河 道 断 面 を 考 慮 した 実 験 を 行 って お く必 要 が あ る.そ 4.0m,幅0.25m,高. さ0.5mの. こで,長. ア ク リル 製 の 水 槽 を 用 い て,. 土 居川 上 流 端 にお け る河 川 断 面 諸 元 を模 した実 験(現. 地. 断面 の 約1/10の ス ケ ー ル)を 行 っ た.す. な わ ち,ア. ル 水 槽 の 長 手 方 向 中 央 部 を 高 さ0.2mの. ア ク リル 板 で 幅. 1.0mと. (c) case‑C. さ. クリ. し,こ の 領 域 内 に は 塩 分30‰ の 塩 水 で 満 た した.. そ の 上 で,水 槽 内 の 水 深 が0.21mに. (d). な る よ う に淡 水 を入. 図‑9. case‑D. 実 験 条件. れ る こ とに よ って,密 度 成 層 場 を形 成 し た.水 底 か ら供 給 され る淡 水 は,塩 水 と混 合 しな が ら表 層 ま で上 昇 し,. そ こ で,底 面 直 上 で 水 平 方 向 に放 出 され る淡 水 に よ っ. そ の 後,水 面 付 近 を ア ク リル 水 槽 内 全 域 へ と移 流 す る こ. て,底 面 上 の流 体 運 動 が 促 進 さ れ る影 響 範 囲 を,PIVに. と に な る(図‑8参. れ た 断 面 を 河 道 横 断 面 と想 定 して お り,紙 面 の 奥 行 き方. よ って 明 らか に す る こ と と した.淡 水 の 供 給 方 法 は,図 ‑9に 示 す とお りで あ る.す べ て の 放 出 孔 か ら放 出 され る. 向 が 流 路 で あ る.本 来,表. 淡 水 総 供 給 量Qを,1.0,1.5,2.0,3.0,4.0,6.0cm3/s. 照).本. 実 験 で は,ア. ク リル 板 で 挟 ま. 層 水 は紙 面 の 奥 行 き方 向 に流. れ る よ う に設 定 しな け れ ば な らな い が,よ. り小 規 模 の実. と変 え て 実 験 を 行 っ た.現 象 が ほ ぼ定 常 状 態 と な る淡 水. 験 を 行 う こ と は精 度 の観 点 か ら好 ま し くな い こ と,水 面. 供 給 開 始10分 後 か らカ メ ラ に よ る撮 影 を 開 始 し,1/125. 近 傍 に浮 上 した淡 水 が流 路 方 向 に 流 れ な くて も河 道 断面. 秒 間 隔 で,20.0秒. 内 に留 ま って 過 剰 な鉛 直 混 合 を誘 起 し な け れ ば よ い こ と,. 粒 子(平. 水 槽 内 の 水 量 に対 して供 給 水 量 が極 め て 少 な い こ と な ど. 画 像 デ ー タ を 用 い てPIV解. か ら,本 実 験 条 件 の下 で 実 験 を行 って も現 地 に お け る 流. 分 布 を 求 め た後,時. 況 と大 差 な い もの と推 測 され,こ. 結 果 の一 例 を示 す.図. 験 を行 った.そ. の 結 果,case2‑bの. の よ う な条 件 の 下 で 実 条 件 下 で は,放. 出孔. 間 行 った.ト. 均 粒 径50μm,比. て い る が,こ. レー サ ー に は,ナ. 重1.02)を. 用 い た.得. イロン られ た. 析 を 行 っ て 流 速 の 時 ・空 間. 間 平 均 流 速 を 求 め た.図‑10に. 計測. 中 の 丸 印 は淡 水 供 給 パ イ プ を 示 し. の 近 傍 で は 流 速 が 速 過 ぎ てPIV解. 析では. か ら噴 出 さ れ た淡 水 は 底 面 上 を水 平 に運 動 した 後 に浮 力. 十 分 な精 度 で 流 速 が 計 測 さ れ て い な い こ とに 注 意 を 要 す. の影 響 に よ っ て浮 上 す る と い う前 述 の 基 礎 実 験 と同 様 な. る.放. 現 象 を示 した もの の,表 層 に淡 水 層 が 形 成 さ れ て 密 度 成. な る と共 に 放 出 流 速 は小 さ くな っ て い る.図‑10よ. 層 化 が 崩 壊 す る こ とは な か っ た.す な わ ち,水 底 よ り水. 放 出 さ れ た淡 水 は供 給 孔 か ら離 れ る に 従 って そ の 噴 流 幅. 平 に淡 水 を供 給 さ せ て も成 層 化 を 抑 制 す る こ と はで きな. を 広 げ な が ら徐 々 に 上 昇 し,放. い と考 え られ る.し か し,底 層 の 流 動 を促 進 す る効 果 は. に上 昇 し始 め る 位 置 が遠 くな る こ と が 明 らか で あ る.さ. 期 待 で き,現 在,土 る淡 水 のDOが DOの. 居 川 上 流 端 で 表 層 か ら供 給 さ れ て い. ほ ぼ飽 和 状 態 で あ る こ と を勘 案 す れ ば,. 豊 富 な淡 水 が 水 底 面 上 を運 動 す る こ と に よ っ て 底. 質 に酸 素 が 供 給 さ れ れ ば,底 質 改 善 の 効 果 が 期 待 さ れ る.. 出 流 量Qが. 一 定 で あ る の で,供. 給孔 の数 が 多 く. 出流 量Qの. り,. 増加 と と も. ら に,プ ル ー ム の 外 縁 部 で は 淡 水 の 上 昇 に連 行 さ れ た塩 水 が 引 き寄 せ られ て い る様 子 が 確 認 され る.こ. の よ う に,. 底 層 よ り水 平 方 向 に淡 水 を 供 給 す る こ と に よ っ て,底 面 近 傍 の 流 動 を促 進 す る こ と が で き る こ とが 確 認 さ れ た..
(5) 1235. 自流 の な い都 市感 潮河 川 の環境構 造 とそ の修復 に関 す る研究. (a). case‑A. 図‑11. (b). 供 給 孔 高 さ に お け る 水 平 流 速 分 布(case‑A). case‑B. (c) case‑C. 図‑12 (d). 図‑10. 5. 結 論. 時 間 平 均 流 速(Q=4.0cm3/s). 底 層 淡 水 供 給 に よ る影 響 範 囲 を 定 量 的 に評 価 す る た め に,供 給 孔 高 さ にお け る供 給 孔 か らの水 平 距 離 と水 平 流 速 の 分 布 の一 例 を 示 し た もの が 図‑11で あ る.流 速 は 供 給 方 向 を正 と して表 して い る.図‑11で 供 給 孔 で あ る が,こ. 放 出流速 と影響 範 囲 との関係. case‑D. は,x=0.03mが. れ よ り右 側 に離 れ る と と も に水 平 流. 本 研 究 に よ っ て得 られ た主 要 な結 果 を要 約 す る と,以 下 の よ うで あ る. (1)上 流 端 に お け る淡 水 供 給 は,供. 害 して い る.そ の結 果,潮 汐 変 動 に よ って も外 海 水 が ほ. 速 は増 加 し,そ の 後,減 少 に 転 じる こ とが わ か る.こ の. とん ど遡 上 しな い 停 滞 領 域 で は,貧. 流 速 の増 加 傾 向 を示 す 範 囲 内,特. 化 して い る.. に,供 給 孔 近 傍 で は,. 前 述 の よ うに 正 確 な流 速 を 求 め る こ とが で きて お らず, 実 際 に は この 範 囲 の流 速 は この 図 に示 され て い る最 大 値. に示す供 給孔 高 さにお ける水平. 流 速 が放 出 方 向 と 同 じ方 向 を 有 す る範 囲 を淡 水 放 流 の 影 響 範 囲Leと 定 義 す る こ と とす る(図‑11参. 照).淡. ・無 酸 素 状 態 が 常 態. (2)河 道 内 に お け る対 策 の み に よ って 水 質 改 善 が 期 待 さ れ る停 滞 領 域 に お いて,淡 水 を 底 面 か ら水 平 に供 給 す る方 法 を提 案 し,そ の影 響 範 囲 につ い て検 討 した.そ の. あ る い は そ れ 以 上 の値 を 有 す る と考 え られ る. 本 研 究 で は,図‑11中. 給量 がわず かで あ. る た め に密 度 成 層 化 を 助 長 し,鉛 直 循 環 や酸 素 供 給 を阻. 結 果,本 研 究 で 定 義 した影 響 範 囲 は供 給 流 速 と線 形 の 関 係 が あ る こ とが わ か った.. 水の供. 給 速 度uと 影 響 範 囲Leと の 関 係 を 示 した も の が,図‑12. 謝 辞:本 研 究 の 遂 行 に あ た って は,堺 市 建 設 局 土 木 課 河. で あ る.同 図 に よ れ ば,両 者 の 間 に は ほ ぼ線 形 の 関 係 が. 川 水 路 課 に ご尽 力 い た だ い た.ま. あ る こ とが わ か る.す な わ ち,淡 水 を 底 層 か ら水 平 に供. ニ ッセ イ財 団 環 境 問 題 研 究 助 成 の補 助 を 受 けて 行 わ れ た.. 給 す る影 響 範 囲 をLeで 評 価 す る こ と とす れ ば,影 響 範 囲. こ こ に記 して,謝 意 を 表 す る.. た,本 研 究 の一 部 は,. は淡 水 の 供 給 速 度 に よ っ て予 測 す る こ と が可 能 で あ る と 結 論 づ け る こ とが で き る.. 参 考 文 献 国土 交 通省 都市 ・地 域 整備 局下 水道 部, 国 土交 通省 国土 技 術 政 策総 合研 究所(2005): 下 水処 理水 の再 利 用水 質基 準 等 マニ ュアル, 45p. 気 象庁: http://www.data.kishou.go.jp/kaiyou/db/tide/suisan/.
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