博 士 （ 工 学 ） 岩 崎 理 樹
学 位 論 文 題 名
感潮域に形成される水路網に関する研究
(Channel networks in tidal areas)
学位論文内容の要旨
陸 ー 海 境 界 に 位 置 す る 感 潮域 で は ， そ の独 特 の 水 理 特性 と そ れ に よ り生 じ る 土 砂 輸送 に よ りTidal Creekと 呼 ば れ る 大 規 模 水 路 網 に 代 表 さ れ る 特 徴 的 を 地 形 を 創 出 す る ． こ の よ う を 地 形 は 感 潮 域 に お け る 水 ・ 土 砂 輸 送 特 性 を 決 定 す る 支 配 要 素 で あ り ．こ れ ら に よ り創 出 さ れ る 物 理 環 境 は 様 々 を 動 植 物 の 生 息 環 境 に 大 き く 寄 与 し て い る ， こ のよ う な 流 れ や土 砂 輸 送 の 結 果 と し て 自 律 的 に 形 成 さ れ る シ ス テ ム は ， 非 常 に 微 妙 な バ ラ ンス の 上 に 成 立し て お り ， 何 れ か ー つ の 要 素 の 変 化 に よ ル シ ス テ ム 全 体 に 不 可 逆 的 を 変 化 を引 き 起 こ す こと が 懸 念 さ れ て いる ， こ れ は ，地 球 温 暖 化 に 起因 す る と さ れる 海 面 上 昇 や，陸 ‐海全 体の流 域開 発 に よ り 生 じ る 土 砂 収 支 の 変 化 と い っ た 現 象 が ， こ れ ら の シ ス テ ム に 深 刻を 影 響 を 与 える こ と を 示 し て い る ． こ の よ う 顔 背 景 か ら 外 力 変 化 が も た ら す 水 路 綱 を 含 めた 感 潮 域 の 地形 に 対 す る 影 響 を 定 量 的 に 評 価 す る 必 要 が あ る が ， 従 来 現 地 観 測 を べ ー ス とし て 研 究 が 展開 さ れ て い る こ と か ら ， こ の よ う を 現 象 に 対 す る 支 配 的 を 物 理 現 象 や 水 路 網の 形 成 ・ 発 達過 程 に 対 す る 基 本 的 特 性 は 明 ら か にさ れ て い を い ．ま た ， こ の よう を 基 本 的 知見 の 不 足 に より 長 期 的 か つ 広 域 を 水 路 網 の 発 達 を 予 測 可 能 と す る 実 用 的 を 数 値 計 算 モ デ ルと い っ た ツ ール は 存 在 し を い のが 現 状 で あ る．
従 来 こ の よ う を 複 雑 を 現 象の 解 明 に は ，現 地 条 件 を 適切 か つ 単 純 に モデ ル 化 し ， 詳細 を 測 定 や 制 御 さ れ た 境 界 条 件 の 下 で の 検 討 が 可 能 教 室 内 実 験 を 併 用 し た 研 究が 展 開 さ れ るが ． こ の よ う を 検 討 は 近 年 に を り よう や く 着 手 さ れた に 過 ぎ を い． 従 っ て ， 相似 則 ， 実 験 結果 の 現 地 へ の 適 用 性 を ど さ ら を る 詳 細 顔 検 討 が 必 要 で あ る ． こ の よ う を 単 純化 さ れ た 条 件の 下 に お け る 実 験 を ， 種 々 の 水 理 ・地 質 条 件 に お いて 実 施 す る こと で ， 詳 細 を地 形 変 動 素 過程 や 支 配 的 を 水 理 パ ラ メ ー タ の 抽 出と い っ た 基 礎 的研 究 を 展 開 する 必 要 が あ る， ま た ， 実 験的 検 討 に よ り 取 得 さ れ る 基 礎 的 デ ー タ を 用 い る こ と で ． 水 路 の 形 成 や そ れ に続 く 水 路 網 への 発 達 に 関 す る 物 理 メ カ ニ ズ ム の 把 握 ， 予 測 ツ ー ル と し て の 数 値 計 算 モ デ ルの 検 証 が 初 めて 可 能 と な る と 考 え る ， 本 研 究 は この よ う を 背 景 を鑑 み ， 感 潮 湿原 に 形 成 さ れる 水 路 網 の 形成 ・ 発 達 メ カ ニ ズ ム に 対 し て ， 現 地観 測 を べ ー ス とし た 研 究 か らで は 不 明 で あっ た ， よ り 基礎 的 を 地 形 変 動 力学 に 関 す る 検討 を 行 っ た も ので あ る ，
初 め に 第2章 に お い て 実 際 にTidal Creekが 形 成 さ れ て い る 野 付 半 島 湿 原 に お い て 現 地 調 査 を 行 い ， 現 地 ス ケ ー ル の 水路 網 に 関 す る 水理 的 ， 地 形 的を 特 徴 を 明 らか に す る ， 現地 観 測 に よ り ， こ れ ま で 未 知 あ っ たTidal creek内 の 底 面 材 料分 布 ， 植 生 密度 が 定 量 的 に明 ら か と を る ． ま た， 水 路 幅 ‐ 水深 比 の 測 定 ， 航空 写 真 か ら 得ら れ る 水 路 網の平 面形状 評価よ り， 野 付 半 島 湿 原 に お け る こ れ ら の 値 は 一 般 に 知 ら れ るsalt marshに お け る値 と 同 程 度 であ り ， 典 型 的 をTidal creekの 特 徴 を 有 し て い る こ と が 示 さ れ る． 水 路 内 部 にお け る 流 速 ‐水 深 変 化 を 測 定 に よ り ， 水 深 に 対 す る流 速 変 動 が 上 げ潮 と 下 げ 潮 で異 を る 性 質 を持 つ こ と ， また 水 理 量 か ら 推 測 さ れ る 底 面 せ ん 断 カ で は 土 砂 移 動 が 生 じ づ ら い こ と が 定 量的 に 示 さ れ る， こ れ ら の デ ー タ は ， 第3章 以 降 に 実 施 す る よ り 基 本 的 を 検 討 に お け る 基 本 デ ー タ と を る ， 第3章 で は ， 第2章 で 得 ら れ る 現 地 観 測 デ ー タ を 室 内 実 験 に 縮 小 す る こ と に よ り ， 実 験 室 ス ケ ー ル に お い てTidal Creekの 形 成 ・ 発 達 を 模 擬 す る． ス ケ ー ル の変 換 に つ い ては ． 流 れ の カ 学 的 相 似 条 件 と 掃 流 砂 を 対 象 と し た 相 似 条 件 よ り ， 北 海 道 野 付 半島 湿 原 に お いて 計
―1235−
測 さ れ た 水 理 特 性 を 室 内 実 験 ス ケ ー ル に 縮 小 す る ． 同 一 条 件 下 に お け る 実 験 を 複 数 回 行 う こ と で ， 感 潮 湿 原 に 形 成 さ れ る 水 路 網 の 形 成 ・ 発 達 に 関 す る 素 過 程 を 観 測 し， 規則 的 を潮 汐 と 掃 流 砂 輸 送 に よ る 単 純 条 件 下 に お い て もTidal creekが 形 成 さ れ う る こ と を 示 す ． ま た ， 模 擬 さ れ た 水 路 網 の 特 性 ， す を わ ち 水 路 横 断 形 状 を 規 定 す る 幅 ・ 深 さ 比 ， 水路 網平 面 形状 を 規 定 す るNearest edge distanceの 持 つ 統 計 的 特 性 及 び 水 路 網 発 達 時 間 ス ケ ー ル を 現 地 に 形 成 さ れ る 水 路 綱 と 比 較 し ， 実 験 水 路 で 模 擬 さ れ た 水 路 網 が 現 地 で み ら れ る 水 路 網 と 同 様 の 特 性 を 持 つ こ と を 示 す ．
第4章 で は ，Tidal Creekの 形 成 ・ 発 達 メ カ ニ ズ ム や そ の 形 状 特 性 に 対 す る 支 配 的 を パ ラ メ ー タ の 導 出 や 水 路 網 決 定 モ デ ル の 構 築 に 必 要 不 可 欠 と を るTidal Creekの 持 つ 複 雑 を 形 状 特 性 を 定 量 的 に 評 価 す る た め の 検 討 を 行 う ． 航 空 写 真 を ど の 平 面 的 か つ 定 性 的 を 観 測 結 果 か ら 得 ら れ る 簡 易 を 情 報 か ら で も ， 水 路 網 の 持 つ 形 状 特 性 を 評 価 可 能 と する ため に ，既 に 行 わ れ た 室 内 実 験 に よ る 水 路 網 及 び 現 地 ス ケ ー ル の 水 路 網 に 対 し て ， 陸 域 の 河 道 網 を 定 量 化 す る 際 に 用 い ら れ るHorton‑Strahlerの 方 法 を 用 い て 水 路 を 位 数 に よ り 等 級 化 し ， そ れ ぞ れ の 位 数 の 水 路 長 に つ い て 統 計 的 特 徴 を 解 析 す る ． 水 路 長 分 布 に 対 す る 検 討よ り， 水 路長 分 布 が 対 数 正 規 分 布 で 近 似 可 能 で あ る こ と ， こ の 特 性 が 異 な る 水 理 条 件 に よ り 有 意 に 変 化 す る こ と が 示 さ れ る ． ま た ， こ の よ う を 水 路 長 分 布 の 持 つ 統 計 的 特 徴 は 空 間 スケ ール に 対し て 普 遍 性 を 持 つ こ と が 示 さ れ る ．
第5章 で は ， 種 々 の パ ラ メ ー タ 下 で 行 わ れ た 水 路 実 験 で 得 ら れ た 水 路 網 形 状 に 対 し て ， 簡 単 を 解 析 モ デ ル を 用 い る こ と で そ の 相 違 を 生 み 出 す 要 因 に つ い て 解 析 を 行 う ， 感 潮 域 に お け る 地 形 変 動 を 表 現 す る 簡 易 教 数 学 的 モ デ ル と し て ， 浅 水 流 方 程 式 と 掃 流 砂 に よ る 流 砂 モ デ ル を 採 用 し ， こ れ ら の モ デ ル か ら 地 形 変 動 に 対 す る 移 流 拡 散 型 の 方 程 式 を導 出す る ，こ の 方 程 式 中 に 含 ま れ る 移 流 と 拡 散 の 比 を 表 す パ ラ メ ー タ を 定 義 し ， 縦 断 方 向 に 対 す る 移 流 の 影 響 が 強 い 場 合 水 路 が 直 線 的 に を り ， 横 断 方 向 の 拡 散 の 影 響 が 強 い 場 合 水 路 網 が 形 成 さ れ づ ら い 傾 向 に あ る こ と を 示 す ． こ れ は ． 感 潮 域 に お け る 地 形 変 動 現 象 が 移 流拡 散型 の 方程 式 で 説 明 で き る 可 能 性 を 示 す も の で あ る ，
第6章 で は ， 感 潮 域 に み ら れ る 複 雑 な 地 形 変 動 現 象 を 予 測 す る 数 値 計 算 モ デ ル を 構 築 す る ， 数 値 モ デ ル は 浅 水 流 方 程 式 と 掃 流 砂 モ デ ル を 組 み 合 わ せ た 浅 水 流 場 に お け る 一 般 的 を 地 形 変 動 モ デ ル で あ る ， 第3章 で 取 得 さ れ る 水 路 実 験 結 果 を 検 証 デ ー タ と し ， 得 ら れ た 数 値 計 算 結 果 と 実 験 結 果 を 第4章 で 提 案 さ れ る 水 路 網 平 面 形 状 評 価 法 に よ る 比 較 を 通 し て ， 計 算 モ デ ル の 実 現 象 に 対 す る 予 測 可 能 性 に つ い て 議 論 す る ． 構 築 さ れ た 数 値 計算 モデ ル は， 適 切 な 格 子 サ イ ズ の 下 で は ， 水 路 頭 部 の 成 長 や 水 路 形 成 と 流 れ の 集 中 間 の 正 の フ ィ ー ド バ ッ ク 作 用 と い っ た 地 形 変 動 の 素 過 程 を 再 現 で き る も の の ． 小 ス ケ ー ル 水 路 の 再 現 性 が 低 い こ と が 示 さ れ る ．
第7章 で は ， 第6章 及 び 従 来 の 現 地 観 測 的 研 究 か ら 示 唆 さ れ る 水 路 網 発 達 に 対 す る 浸 透 流 の 影 響 を 考 察 す る た め に ，Darcy則 に 基 づ く 飽 和 浸 透 流 モ デ ル を 構 築 さ れ た 計 算 モ デ ル に 結 合 し ， 地 盤 内 外 の 流 れ を 連 成 し て 解 く モ デ ル を 構 築 す る ． こ れ を 用 い た数 値実 験 より ， 潮 汐 に よ る 水 位 変 動 と 遅 れ を 伴 っ て 地 盤 か ら 流 出 す る 浸 透 流 に よ り ， 小 ス ケ ー ル の 水 路 の 形 成 が 促 進 さ れ る こ と ． 水 路 幅 ‐ 深 さ が 増 大 す る こ と が 示 さ れ る ． 以 上 の 結 果 よ り ， 基 本 的 を デ ー タ の 不 足 か ら こ れ ま で 明 ら か に さ れ て こ を か っ た 水 路 網 の 形 成 ・ 発 達 過 程 や そ れ に 及 ば す 支 配 パ ラ メ ー タ を 把 握 す る こ と が 可 能 と を っ た ． ま た 一 般 に 用 い ら れ る 数 値 計 算 モ デ ル の 持 つ 予 測 可 能 性 と 適 用 限 界 を 示 し ， こ れ を 踏 ま え た 新 た を モ デ ル の 導 入 に よ り 感 潮 域 に お け る 地 形 変 動 を よ り 正 確 に 予 測 で き る 可 能 性 を 示 し た ，
―1236一
学位論文審査の要旨 主 査 教授 清 水康 行 副 査 教授 泉 典 洋 副査 准教授 木村一郎
学 位 論 文 題 名
感潮域に形成される水路網に関する研究
(Channel networks in tidal areas)
近年進行中であるといわ れる地球温暖化に伴う海面上昇や陸域から海域にわたる土砂収支の変化 は。独特かつ貴重を感潮域の環境に対して大きを影響を与えることが懸念されている．感潮湿原には 様々な地形が形成され，その物理環境が生物の生息域に大きを影響を持っが，その中でも感潮域に形 成される水路網はその形成規模から感潮湿地全体の水一土砂一物質輸送を支配する第一要素といえる．
従って感潮域の地形変動現 象の解明に資する研究を展開する必要があるが，既往の現地観測の基本 とした研究では，このようを非常に長期間，広域にわたるこの水路網発達現象を明らかにすることは 容易ではをい．これは，より詳細を物理現象を理解するよう教理論的研究や，予測モデルとしての数 値計算モデルの構築といっ た研究を展開するうえで大きを障壁とをっている．近年にをり制御され た境界条件の元で詳細な検 討が可能を室内実験が実施されてきているが，これを生かして総合的に 水路網を含む感潮域の地形変動過程を検討した研究は存在しをい．
本論文ではこのようを背景をうけ，より詳細をデータが取得できる室内実験手法を提案し，この結 果を用いることで感潮域の 水路網に関するより基礎的を知見を得ることを目的とした総合的を研究 である．得られた主要な結論を以下に示す．
・室内実験水路における感潮域に形成される水路網形成・発達のモデル化
長期間にわたるタイダル クリークの形成・発達過程を室内実験水路において再現できる物理的を モデルを構築した，長期間にわたる潮汐流による水路網の形成・発達現象を明らかにするために，野 付半島湿原において取得さ れる独自の現地観測データを カ学的相似則を用いて実験室スケールに 縮小することでその地形変 動過程をモデル化した．本モデル化により，ある勾配を持つ斜面に潮汐 流が作用することで，(1)沖側からの初期水路群の発生，(2)初期水路群の岸側への発達及び(3)それ に続く水路網への発達を再 現することが可能となった．得られた水路網の平面形状をNearest edge distanceを用いた形状評価 手法を用いることで定量化したところ，現地の水路網と同様な特性を持 つことが明らかとをった．また。潮汐波形の変化により水路網形状に有意な影響を与えることが示唆 された，
・水路網平面形状の定量評価手法の提案
水路網形成・発達に対す る支配パラメータの把握や室内実験と数値計算モデルの比較の際に必要 不可欠である。水路網平面形状特性の定量評価手法について提案している．本論文では水路網の平面 形状から容易に取得可能な 水路形状自体に着目し，これに対して水路長に対する統計解析を行って いる．本解析により，(1)水路長の発生分布は対数正規的分布とをる，(2)潮汐波形が水路長分布に有 ‑ 1237−
意 春 影 響 を 与 え る 及 び(3)水 路 長 分 布 特 性 は 空 間 ス ケ ― ル に 対 し て 普 遍性 があ る こと が示 さ れた ，
・ 水路 網の 形 成・ 発達 要 因に 関す る 考察
潮 汐 流 に よ る 地 形 変 動 を 簡 易 モ デ ル で 表 し ， これ を異 を る水 理条 件 下で 実施 さ れる 移動 床 実験 に 適 用す るこ と で， 水路 網 の形 成・ 発 達を 支配 す る一 要因 に つい て明 ら かに した ， 構築 した 簡 易モ デル か ら 地 形 変 動 に 対 す る 移 流 拡 散 型 の 方 程 式 を 導 出し ，移 流 と拡 散の 比 を示 すPeclet数 を実 験 条件 ど と に求 めた ． これ らの 結 果よ り， 縦 断方 向のPeclet数が 大 きく 移流 に よる 非線 形 性が 強い 場 合， 水路 が 直 線 的 に な る こ と ， 横 断 方 向 のPeclet数 が 小 さく 拡散 に よる 影響 が 強い 場合 ， 水路 が形 成 され づ ら いこ とが 示 され た． こ れは ，水 路 網の 形成 に 対し て移 流 拡散 型の 方 程式 によ り 説明 する 新 た教 解釈 を 提案 した も のと 評価 さ れる ．
・ 水路 網を 含 む感 潮域 の 地形 変動 予 測モ デル の 構築
平 面 二 次 元 浅 水 流 式 と 勾 配 の 影 響 を 考 慮 し た 平衡 流砂 量 式を 組み 合 わせ た数 値 計算 モデ ル を構 築 し ，潮 汐流 に より 形成 さ れる 水路 網 の発 達過 程 を再 現可 能 を手 法に 関 する 検討 を 行っ てい る ，本 研究 に よ り 実 施 さ れ る 実 験 結 果 と の 比 較 に よ り ， 水 路網 の形 成 ・発 達を 定 性的 に再 現 可能 であ る こと が 示 され た． さ らに ，構 築 した モデ ル に浸 透流 モ デル を結 合 する こと で 新た を計 算 モデ ルを 開 発し っ浸 透 流の 影響 に より ，小 ス ケー ル水 路 の形 成が 促 進さ れ水 路 が複 雑化 す るこ と， 地 盤内 から の 流出 によ り 水路 横断 形 状が 増大 す るこ とが 明 らか と顔 っ た．
こ れ を 要 す る に ， 本 論 文 は こ れ ま で の 現 地 観 測 を 主 と し た 研 究 で は 明 ら か に す る こ と が 困難 で あ っ た 感 潮 域 に 形 成 さ れ る 水 路 網 の 形 成 ・ 発 達 過程 に対 し て， 詳細 を 検討 が可 能 を室 内実 験 水路 に お ける モデ ル 化手 法を 提 案す るだ け でを く， 水 路網 の基 本 的な 性質 で ある 水路 網 の平 面形 状 特性 ，水 路 網 の 形 成 ・ 発 達 に 対 す る 支 配 要 因 を 明 ら か に し， その 形 成・ 発達 を 予測 する 数 値モ デル を 構築 し た も の で あ り ， 感 潮 域 の 地 形 変 動 現 象 の 解 明 に 資 す る と こ ろ 大 教 る も の が あ る ． よ っ て 著 者 は ， 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 が あ る も の と 認 め る ．
―1238−
