調整池 における淡水化過程 と栄養塩 に基づ く水質変化

調整池 における淡水化過程 と栄養塩 に基づ く水質変化

西 田 渉+ ･野 口 正 人*

仁 木 将 人目

DesalinationandWaterQualityChange intheRegulationPond

by

WataruNISHIDA

*

Theimportanceofwaterman喝ementCannotbeneglectedbecauseabigprojectaffectsthewaterenvironment foralongperiod.InordertoattainthesoundenvironI聡nt,itissignificanttoclearprocessesofqualitativechangein thewaterbody.Bytheway,thereclamationprojectisproceedingatthelsahayaBay,andthisbaywasenclosedbythe constructionofseadykeonApril14,1997.Thus,thewaterenvironmentamundlsahayabaywillbechangednear

f

u ture.Inthestudy,numericalsimulationswerecarriedouttoexam ineandevaluatethetemporalchangeofchIorides inthepondwhichisnewlyappearedattheIsahayaBay.Calculatedresultsshowthatrainfallinfluencesonthe chloridesconcentrationinthisa

r e

t .

1.はじめに

長崎県の東部 に位置す る諌早湾では ,干拓事業 が進 捗 してお り,1

年

月

日に実施 された潮止め工事 によって ,湾奥部 には新 たに水表面面積2,

平 均水深1

の調整池 が造成 され た

城 は当初の計画の とお り,農業用水源 ,洪水対策の施 設 として利用 され る予定であり,現在 ,調整池の水 は, 潮受堤に建設 された排水門の操作によって管理 されて

いる.ところで ,開銀性の強い水城 では,流域 か らの 汚濁物質の流人や ,化学的 ,生物学的な生産過程 をと お して水質 は変化す る.調整池 においては ,河川水に よって貯留水の淡水化が進め られてお り,塩分濃度の 時空間変化 は,水域内の生態系 を変化 させ ,生物活動 をは じめとした物質の内部生産量に影響 をもた らす も の と推察 される.

そこで本研究では,潮止め工事後の水質変化 を明 ら かにするために ,調整池内の水質について環境 モニ タ

リングをもとに現状把握 を行 うとともに,その結果 を 考慮 して,訴整地の淡水化の過程に及ぼす塩分の生成

を定量的に評価 しようと試みた.

2.

調整池内の水質の現状

諌早湾では ,干拓事業に係 る環境影響調査が農林水 産 省 をは じめとす る関連行政棟閑によって1

年以降 行 われてい る1 ㌧ 詞亜池 においては

れ た

地点で生活環境項 目や栄華塩類等の水質調査 が 実施 されている.

Fig.2に ,環境調査か ら求め られた潮止め工事か ら 1

年間の水質の変化 を示す.各物質の濃度には,空間 的に幾 らかの違 いが現れるが,調整池では,ほぼ一様 に変化す るようである.

まず ,塩化物 イオ ン

分布 に影響 を受 けて変化 してお り,降雨後に低下す る.

とくに ,日降雨量 が

m を越 える際 にその変化が

平成1 0年1 0月

日受理

'社会開発工学科 (

= 大学院修 士課程社会開発工学専攻

,

140 西田

渉 ･野口 正人 ･仁木 将人

Fig･1 SchematicviewoflsahayaBay･

著 しく

月

日か ら1

日には,266mm の累加降雨 があったために約 1

lの低下が見 られ る. こ れは,詞整地の水が排水門操作 によって管理 され ,降 雨の流 人で C1 ‑が希釈 され た ことによ ると考 え られ る.その一方で ,無降雨 日が

日間続 く時 には ,

の沸度 が再 び増加す る傾 向が見 られ る.

1 1月初 旬 に は ,1 , 000mg/ 1 で あ った C1 は ,再 び 5, 0 0

mg

以上 まで増加 している･ こうした ことか ら･

調整池の C1 ‑は ,降雨の流入に伴 う希釈 と,塩分の堤 体か らの浸透や水底か らの溶 出といった生成要 因に影 響 を受 けて変化 しているもの と推察 され る.ただ し, 塩分の生成量 は

年

月の無降雨期間の変化 を考 慮す ると,潮止め直後に比べて少 な くなっているよう に も見 える.

っ ぎに,化学的酸素要求量

,全窒素

, 全 リン ( T̲ P) の沸度 は 4 月以降増加 してお り,潮止 め以前の状態 に比べて

倍 になっている.

月 の無降雨期間には,いずれの値 も潮止め直後 と同程度 まで減少 しているが ,その後 ,再び増加 している.隻 素 とリンについては ,有機態物質の方が無頼態物質よ

りも多 く,9

年

月になると ,T‑ P は依然 として高沸度の ままであ

るが ,有機態 リンの沸度が大 きく減少 してお り,無機 態 リンが T̲ P のほ とん どを占め るよ うになる. この よ

うな変化にはクロロフ ィル量 との掛 ､ 相関関係 が現れ てお り,植物 プランク トンの活動 をとお して調整池の 栄華塩矧 よ変化 しているもの と考 えられ る･ また,1

月か ら

月には ,浮遊懸濁物 質

しば

g 爪 を越 えてお り･SSの発生 に関連 した水 質の変化機構 があることも考 えられ る.

3.

淡水化の予測モデル

ここでは,潮止め工事以降の淡水化過程 を明 らかに

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Fig･2 Thetemporalchangeofwaterqualityinthe regulationpond･

す るための数値 モデル を作成す るが ,モデルの作成 に あたっては,取 り上げている現象の時間スケールが長 く,予測計算 は長期間にわたって精度良 く行 う必要 が あること,また計算対象である粛整地 は,最大水深 が

の比較的浅 い水域 で あることか ら, 2 次元解析 法 を適用す ることとした.

計算 に用い られた基礎方程式は ,連続方程式 ,運動

方程式

1 ‑の収支式 ,流体密度の状態方程式 ,さら

に ,底泥 中の

の収支式 である. ここでは ,紙面の 都合上

1 ‑の収支式 を示 す に留め る.

互生生え.ei

f 聖 上 .

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一

芸

計 孟

告)

･∴∵BO

ここに

一波度

,

それぞれ x

軸 方 向の分散係数

,M ,N : それ ぞ れ x

y軸方 向の流量 フ ラ ックス

水深

:単位面積 ,単位時間 あた りの Clの 生成量 (

である.

本 モデルで取 り上 げた

の生成要 因 と しては ,調 整池 は海域 を締 め切 って まもない ことを考慮 して ,水 底 か らの塩分の溶 出 を取 り入れ ることと した. こうし

た水底 か ら溶出す る塩分 を考 える場合 には ,底泥 内部 の塩分沸度及び流水 中の塩分沸度 によって溶出量 が変 化す ると推察 され る. したがって ,式

に含 まれ る

の濃度勾 配 に応 じて変化す るもの と考 えた.

(soune )

‑ q

ここに

:溶出速度 (

底泥 中の Cl 一濃

で ある. ここで溶出速度 につ いては ,水底 付近での流速分布 や底泥 内の間隙構造等 に影響 を受 け て変化す るもの と考 え られ るが ,今回は ,室内実験 結 果

' を参考 に ,底泥 内の初 期塩分濃度 が海水 に近 い よ うな状態 の溶出速度 を一 定値

) で与 えることと した.

各基礎方程式 は ,陽形式の ドナーセル法 を適用 して 離 散 化 され た.空 間差 分 間隔 は ,水 平 方 向 に200×

200m

の格子 で覆 うことと し,時間差分間隔 は ,数値 計算 の安定条件 で ある

L

条件 を満足 す るよ うに

す る1

本の河川 を考慮 して い るが ,調整池 の

1 ‑は , 降 雨の流人 によって著 しく変化す ることを考慮 して , 単位 図法 を用 いて降雨 に伴 う河川流量の変化 を評価す

ることと した. また ,流 入河川の C1 一の渡度 につ いて は ,河口部で行 った現地戟測の結果 をもとに一定値 と して与 えて い る. な お ,流 人河 川 の 河 口 の位 置 は ,

に示 す とお りであ る.

調整池 の水位 につ い て は ,現 在 の と ころ

水位管理の状況 を記せ ば ,以下の とお りで ある.潮止 め直後の水位 は

よ りも

高 い状態 で あった. その ため ,潮止 め か

Fig.3 Thecalculatedarea.

ら

1日後の

月25 日に ,第

回 目の水位調整 が実施 さ れてお り,北 部 ･南部の排水門 か ら,約 60

t の水 が排 水 され た ことで

続 いて

回 目の水位調整 が

月

日か ら

日にかけて 行 わわ ,調整池 か ら1

の水 が放流 され た. こ れ ら

度 にわたる排水門操作 によって ,水位 は計画 管理 水 位 で あ る

これ以降 ,調 整池 の水 位 は ,降 雨時 を除 き,T.

で管理 され るよ うになってい る. その ため ,調 整池の淡水化の予測計算 につ いて も,こう した段階的 な水位調整 を考慮す ることと し

月

日以降 につ い ては ,水位 が

また ,排水門の操作条件 に係 る諌早湾 での潮位変化 に つ いて は ,諌 早湾 での主要 四分潮 に相 当す る ,振幅

時 間の正 弦波 が潮位 と して与 え られ

4.

数値 モデルの現地 への適用

計算 は ,締切工事 が行 われ た1

年

月1

日か ら翌 年の

月1

日までの1

ケ月にわたって行 うことと し, 計算結果 と環境 モニ タ リングの結果 とを比較 す ること で ,数値 モデルの計算精度 な らびに当該水域 の塩分の 変化過程 につ いて検討 を行 う.

まず ,調 整 池 にお け る

の空 間 分布 を示 せ ば ,

ら

日,32 日,47 日後の分布 であり,それぞれ降 雨 中 ,

降雨直後 ,降雨か ら数 日後の結果 を示 してい る.25 日

後 の 空 間 分 布 図 を み る と , こ の 日 に は , 雨 量

の降 雨があった こともあ り,河川 か ら低漉

142

西田

(a)a氏er25days

(b)after32days

(C)aAer47days

Fig.4 SpatialdistributionofChloridesandvelocity.

度の

lを含 む水塊 が流入 して きてい る.その ため , 流人河川の河口部には

0 0 m 〆1以下の領域 が広 がっ

てお り,調整池の北部では ,流量が最 も多い本明川の 河口付近において ,沸度が著 しく低下 している.流速 ベク トルの空間分布 をみると,降雨の流入によって河 口部での流速ベク トルが大 きくなっている.また ,調 整池の流れは ,図に示 された排水門が閉 じてい る状態 では,河川 か らの流入水によって反時計回 りの水平渦 が形成 され るよ うで ある.ただ し,南部の沿岸 では , 小規模ではあるが,時計回 りの渦 も見 られ るよ うであ

る.3

日経過後の C1の空間分布 図 をみ ると,この 日 か ら

週間の間 に合計

の先行降 雨 があったた めに ,こうした降雨の流人によって C1 ‑は希釈 されて お り,締切堤付近 において も

,

gn程度に なっている. また ,訴整池では ,北部の方 が南部 より も濃度 が薄 くなっている. また

日と

日経過後の空 間分布 図 を比較すれば ,沿岸部や沸度の低 い北部側で 塩化物 イオ ンが再び増加 していることがわかる. これ は ,この期間 に合計

の降雨 しかな く,その ため 河川水 による希釈の効果が弱 まり,逆に ,底泥 か らの 塩分の溶出の効果が強 まったため と考 えられ る.3

日,

日両 日の流速ベク トルにつ いては ,両 日とも降雨が

ないために,調整池内の流速は降雨期間 中の結果 に比 べて非常 に遅 くなっている.調整池内の水塊 は ,干出 地の沿岸 を南下 し,締切堤近 くを北上す るように流れ てお り,降雨時 と同様に ,反時計周 りの水平循環流が 現れている.

つ ぎに

ll地点 における cl濃度の計

算結果が示 されている. この図には ,同地点 における

環境モニ タリングの結果が併記 されている.計算結果

を見 ると,モニタリング結果 と同様 に

月初旬の降

雨によって

の沸度の急激 な低下が現れている.ま

た ,それ以降

一浪度 は緩 やかな増加 と急激 な減少

を繰 り返 していることが分か る.環境モニ タリング結

果の考察 か ら,Cl 一浪度 を低下 させ る要 因 と して降雨

による希釈の効果 を想定 したが,本計算 において も降

雨に伴 う河川 か らの流人水量 が境界条件 として考慮 さ

れた ことにより,調整池での

沸度の低下 が再現で

きていると考 えられ る. また,c lが緩 や かに増加 し

ている期間については ,共通 して降雨量 が比較的少な

いために流入河川か らの流入水量 が減少 してお り,排

水門か ら排出 され る水量が小 さくなってい る.こうし

た ことか ら,詞整地では ,底泥 か らの Clの溶出量が

流入河川 による希釈の効果 を上 まわった もの と考 えら

れ る

0月の沸度の増加 は

月中旬や

月の無降雨

日における増加 に比べて嬢 やかな もの となっている.

これ は ,C1 ‑の溶 出量 が ,底泥 中の

伴 って減少す るためで ある. この現象 をモデルで は , 底泥 内部の塩化物 イオ ン漉度の収支 をとることで取 り 扱 っている.なお ,無降 雨 日が比較 的長 く続 いた

月 には ,底泥 か らの塩分の供給 があるに も拘 わ らず ,訴 生地の Cl沸度 は

,

g A程度 になると予測 され ている. これ は ,底泥 と流水 中の C1漉度 の差 が 次第 に小 さくな り,底泥 か らの供給量 が減少 した こと が主 な原因で ある.

計算結果 と実測値 とを比較す ると,潮止 め工事後の C1 ‑の時間変化 を概 ね妥 当に予測 してい る もの と考 え

られ る.ただ

1月中旬の降雨以降の変化 については , 実測結果 では ,無降 雨期間 に も crの漬度の増加 があ

まり現れ ないの に対 して ,計算結果 につ いては ,潮止 め直後ほ どではないが ,若干増加す る傾向 にある.そ の ため ,両 者の値 に しだいに開 きが生 じて きて い る.

この よ うな違 い を生 じた要 因 と しては ,底泥 中に含 ま れ る塩分の初期濃度 や塩分の溶 出速度 に係 る係数の同 定 が十分 に されてない こと,溶 出以外の塩分の生成要 因について十分 な考察 が行 えていない こと,等が考 え

られ る.

以上の結果 か ら,調整池内の塩分濃度の低下 に対 し て降 雨が支配的で あることが示 されてお り,今後 ,降 雨量 によって塩分沸度 が変化す る ことが予想 され る.

また ,調整池での塩化物 イオ ン濃度の増加 を底泥 か ら の塩分溶 出による もの と考 え,モデル化 を図 った. こ の ことか ら無降 雨時 にお ける塩分沸度の増加 が ,数値 モデルによって ある程度再現 されている.ただ し,先 述 されたよ うに ,現段階 ではある一定期間経過 した後 の塩 化物 イオ ンの変化 を ,十分 に説 明で きてお らず ,

16000 14000

■l■LLl(一PE)sO

p!Jo l LJC )

8 0 0 0 6 0 0 0

4000 2000 0

今後の課題 として残 されてい る.

5.

兼 吉論

本研究では ,諌早湾 に新 たに追成 された訴整池の水 質 につ いて現状把握 を行 うとともに ,淡水化過程 を明 らかに しよ うと試み た.その結果 ,調整池 で は現在 , 河川 か ら流入す る汚濁負荷の蓄積等 によって ,栄華塩 類 をは じめ とす る水質指標の値 が増加 してい る. これ ら水域内での水質の変化機構 は ,化学的 ,生物学的 な 作用 によ り複雑 に変化す るもの と考 え られ ,よ り詳細 な影響評価 を行 うため には ,こうした変化機構の解明 が必要で あると思 われ る. また ,淡水化過程 につ いて は ,塩化物 イオ ン濃度の変化 に対 して降雨 が支配的 な 役割 を持つ ことが認 め られ たが ,その一方で底泥 か ら の溶 出 といった塩化物 イオ ン濃度 を増加 させ る要 因が 存在 してお り,しば らくの間 ,塩化物 イオ ンの供給 が つづいてい くもの と予想 され る.今後 は ,前述 され た 課題 につ いて検討 を行 い ,よ り精度の高い水環境への 影 響評価 が可能 にな るよ うに努 力 したい と考 えて い

る.

謝 辞

研究 を進 めるにあた り諌早湾締切 り干拓地域 で実施 され て い るモニ タ リング結果 を参 照 させ てい ただい た ,九州農政局諌早湾干拓事務所 ,長崎県生活環境部 , 諌早湾環境監視機構の関係各位 に謝意 を表 します. ま た ,本研究 は平成

年度の河川環境管理財団の河 川整備基金 ( 代表者 :野 口正人) と,平成

年度の科 学研究 費奨励研究

( 代表者 :西 田渉 )か らの助成 を受 けて行 われ た. ここに記 して関係 各位 に深甚 なる

Ap･NJyJun JulALJf S●pOotNov D●c J■n FobHr

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144

謝意 を表 します.

参 考 文 献

環境 モニ タ リング資料"

2)長

裕幸 ,戸原我男 ,加藤 治 :､ " 底質か らの淡

水域への塩分溶出横 構 に粥する･ 実験 的研 究' ' t ,; 農土

)九州農政局諌早湾干拓事務所 : 1 ̀ 諌早湾干拓事業 論集 ,第

号