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汽水湖沼における夏期の流動構造の特性
(株)建設技術研究所 鶴田 泰士、天野 光歩
1. はじめに
適切な湖沼管理には、水理・水質現象の現状を把
握し、その水理・水質的なメカニズムを理解する必
要がある。本研究は、青森県の汽水湖沼(以降、O
湖と呼称)、戦略的な管理につなげていくために、現
地観測により湖内の流動特性を把握したものである。
ここでは、主に夏期の流動構造について報告する。
2. O湖の概要
O湖は青森県東部に位置する汽水湖であり、湖面
積は 63.2km2、最大水深 25m である。湖水位と潮位
の関係によっては、流出河川であるT川から遡上し
た塩水が湖内に流入する。そのため、最深部では1
年を通して比較的安定した塩水層が存在し、夏期に
は表層の水温躍層とあわせて、3 層の成層構造(図
-2 左上)が形成される。
凡例
ADCP観測地点
計算格子点
T川
凡例
定点観測地点
移動観測測線
凡例
定点観測地点
移動観測測線
総合観測所
図-1 O湖の平面形状および観測地点
3. 現地観測
(1) 観測方法
現地観測では、「定点での連続観測」と「集中的な
面的観測」を組み合わせ、時間的・空間的な流動構
造の特徴を把握することとした。
定点での連続観測では、図-1 に示す湖内 3 地点に
ADCP(SEA 社製 ワークホース 600Hz)を設置し、10 分間隔
で当該カラムの流速プロファイル(50cm ピッチ)を
記録した。観測期間は平成 19年 4月 28 日~10月 16
日(167日間)である。
集中的な面的観測では、漁船の側舷に ADCP(SEA
社製 ワークホース 600Hz)を設置し、図-1 に示す経路を
基本として湖内の流速分布を観測した。観測期間は
平成 19年 7 月 2日~4 日(3 日間)である。
(2) 観測結果
a) 夏期の流動鉛直構造の特性
図-2上段に平成 19 年 6月 1 日~6 月 15日におけ
る最深部の流動の鉛直構造を、水温・塩分プロファ
イル、湖上風の変化とともに示す。図中の色は当該
地点での主流方向である南北方向流速を表している。
赤が南→北、青が北→南の流れを示す。
図によれば、塩分躍層(水深 15m 付近)より上層
において、正負の流速(赤と青)の分布が、時間と
ともに上方に伝播するような様子が見られる。こう
した現象は、西田ら 1)、七ヶ宿ダムで横山ら 2)が観
測した現象と同様のものと考えられる。横山らは数
値実験により、この現象の要因を湖底の斜面地形の
存在によって生じた可能性を指摘している。小川原
湖の湖盆も斜面地形を有していることから、同様の
現象が生じた可能性はある。
10m/s
048
121620
4/25 4/26 4/27 4/28 4/29 4/30 5/1 5/26/1 6/3 6/5 6/7 6/9 6/11 6/13 6/156/1 6/3 6/5 6/7 6/9 6/11 6/13 6/15
【南北方向流速(最深部)】
H19.6.7
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25
塩分(psu)
水深(m
)
5 15 25
水温(℃)H19.6.7
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25
塩分(psu)
水深(m
)
5 15 25
水温(℃)
H19.6.7
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25
塩分(psu)
水深(m
)
5 15 25
水温(℃)
① ⑤
【風速(総合観測所)】 10m/sW E
10m/sW E
水温躍層
塩分躍層
048
121620
4/25 4/26 4/27 4/28 4/29 4/30 5/1 5/26/1 6/3 6/5 6/7 6/9 6/11 6/13 6/15
水深
(m)
0
8
16
048
121620
4/25 4/26 4/27 4/28 4/29 4/30 5/1 5/26/1 6/3 6/5 6/7 6/9 6/11 6/13 6/156/1 6/3 6/5 6/7 6/9 6/11 6/13 6/15
水深
(m)
0
8
16
図-2 最深部における流動の鉛直構造(上段:実績値、下段:計算値、平成 19 年 6 月 1 日~6 月 15 日)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 20 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 20
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 20 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 20
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
050100150200250300
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
流量(m3/s)
050100150200250300
6/24
6/29
7/47/9
7/14
7/19
7/24
流量(m3/s)
・・・デー
タ回収の
為欠測
125
150
175
200
225
250
275
0 4 8 12 16 20
流速(cm
/s)
St.A-
e
0 4 8 12 16 20 4/25
5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
012
515
017
520
022
525
027
5
0 4 8 12 16 20
水深(m)
0 4 8 12 16 20 4/25
5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
012
515
017
520
022
525
027
5
0 4 8 12 16 20
水深(m)
St.A-
n
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
160 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
160 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
0 4 8 12 16 20 4/25
5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
0
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
16
col
row
0 4 8 12 16 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
16
col
row
0 4 8 12 16 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
1015
2025
3035
4045
5055
6065
70
2.5
6.5
10.5
-200
-100
010
020
0
adcp
_st_
c_n_
xy
-20
-10
010
20
St.B-
e
St.B-
n
St.C-
e
St. C-
n
St.B(総合
観測所西
)
St.C(湖南
部)
St.A(最深
部)
St.B(総合
観測所西
)
St.A(最深
部)
St.C(湖南
部)
総合
観測
所
5m/s
WE
中志
仏沼
舟ヶ
沢
鶴ヶ
崎
谷地
頭
津花
川
姉沼
5/45/1
15/1
8
0 4 8 12 5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 6/24
6/29
7/47/9
7/14
7/19
7/24
東西方向
流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
-20
02
0流速
(cm
/s)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 20 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 20
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 20 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16 20
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12 16 4/25
4/30
5/55/1
05/1
55/2
05/2
5
0 4 8 12 16
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
0 4 8 12
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
050100150200250300
5/25
5/30
6/46/9
6/14
6/19
6/24
流量(m3/s)
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6/24
6/29
7/47/9
7/14
7/19
7/24
流量(m3/s)
・・・デー
タ回収の
為欠測
125
150
175
200
225
250
275
0 4 8 12 16 20
流速(cm
/s)
St.A-
e
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5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
012
515
017
520
022
525
027
5
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水深(m)
0 4 8 12 16 20 4/25
5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
012
515
017
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022
525
027
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0 4 8 12 16 20
水深(m)
St.A-
n
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
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13
160 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
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9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
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0 3 6
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55/9
5/23
6/66/2
07/4
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58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
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88/1
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0
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水深(m)
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610/
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7/47/1
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8/29
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9/26
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水深(m)
1015
2025
3035
4045
5055
6065
70
2.5
6.5
10.5
-200
-100
010
020
0
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_st_
c_n_
xy
-20
-10
010
20
St.B-
e
St.B-
n
St.C-
e
St. C-
n
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観測所西
)
St.C(湖南
部)
St.A(最深
部)
St.B(総合
観測所西
)
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部)
St.C(湖南
部)
総合
観測
所
5m/s
WE
中志
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沢
鶴ヶ
崎
谷地
頭
津花
川
姉沼
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流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
-20
02
0
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
水深(m)
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05/1
55/2
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5
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05/1
55/2
05/2
5
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5/25
5/30
6/46/9
6/14
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05/1
55/2
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6/46/9
6/14
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5
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5/55/1
05/1
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6/46/9
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5
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6/46/9
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6/19
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5/30
6/46/9
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6/24
6/29
7/47/9
7/14
7/19
7/24
流量(m3/s)
・・・デー
タ回収の
為欠測
125
150
175
200
225
250
275
0 4 8 12 16 20
流速(cm
/s)
St.A-
e
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5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
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515
017
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525
027
5
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水深(m)
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5/9
5/23
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6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
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515
017
520
022
525
027
5
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St.A-
n
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140
160
180
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220
240
260
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10
13
160 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
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07/4
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99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
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9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
160 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
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29/2
610/
10
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5/95/2
36/6
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7/47/1
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9/26
10/10
水深(m)
0 4 8 12 16 20 4/25
5/9
5/23
6/6
6/20
7/4
7/18
8/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/1
0
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
16
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row
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5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
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5/95/2
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7/47/1
88/1
8/15
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9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 6
10
13
16
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row
0 4 8 12 16 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
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9/12
9/26
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0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
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10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
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10/10
水深(m)
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 3 5 8
10
130 4 8 12 16 4/2
55/9
5/23
6/66/2
07/4
7/18
8/18/1
58/2
99/1
29/2
610/
10
0 4 8 12 4/25
5/95/2
36/6
6/20
7/47/1
88/1
8/15
8/29
9/12
9/26
10/10
水深(m)
1015
2025
3035
4045
5055
6065
70
2.5
6.5
10.5
-200
-100
010
020
0
adcp
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c_n_
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010
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St.B-
e
St.B-
n
St.C-
e
St. C-
n
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観測所西
)
St.C(湖南
部)
St.A(最深
部)
St.B(総合
観測所西
)
St.A(最深
部)
St.C(湖南
部)
総合
観測
所
5m/s
WE
中志
仏沼
舟ヶ
沢
鶴ヶ
崎
谷地
頭
津花
川
姉沼
5/45/1
15/1
8
0 4 8 12 5/25
5/30
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6/19
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0 4 8 12 6/24
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7/19
7/24
東西方向
流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
東西方向
流速
南北方向
流速
-20
02
0流速
(cm
/s)
最深部
【計算結果】
2
2007.06.6 12:00
–0.2 0 0.2 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0
–10 0 10
24
12
0
0
100
200
N–S Velocity(m/s)
SN
St.B
N–S Velocity(m/s)
SN
St.A
E–W Velocity(m/s)
WE
St.C
WIND Velocity(m/s)
SN
総合観測所
2days before →
1day before →
now →
上野流量
Q(m
3/s
)
2007.06.7 23:00
–0.2 0 0.2 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0
–10 0 10
24
12
0
0
100
200
N–S Velocity(m/s)
SN
St.B
N–S Velocity(m/s)
SN
St.A
E–W Velocity(m/s)
WE
St.C
WIND Velocity(m/s)
SN
総合観測所
2days before →
1day before →
now →
上野流量
Q(m
3/s
)
2007.06.7 6:00
–0.2 0 0.2 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0
–10 0 10
24
12
0
0
100
200
N–S Velocity(m/s)
SN
St.B
N–S Velocity(m/s)
SN
St.A
E–W Velocity(m/s)
WE
St.C
WIND Velocity(m/s)
SN
総合観測所
2days before →
1day before →
now →
上野流量
Q(m
3/s
)
2007.06.7 15:00
–0.2 0 0.2 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0–0.4 0 0.4
24
12
0
–10 0 10
24
12
0
0
100
200
N–S Velocity(m/s)
SN
St.B
N–S Velocity(m/s)
SN
St.A
E–W Velocity(m/s)
WE
St.C
WIND Velocity(m/s)
SN
総合観測所
2days before →
1day before →
now →
上野流量
Q(m
3/s
)
2007.06.6 20:00
–0.2 0 0.2 0.4
24
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0–0.4 0 0.4
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12
0–0.4 0 0.4
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SN
St.B
N–S Velocity(m/s)
SN
St.A
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WE
St.C
WIND Velocity(m/s)
SN
総合観測所
2days before →
1day before →
now →
上野流量
Q(m
3/s
)
① 6/6 12:00 ② 6/6 20:00 ③ 6/7 6:00 ④ 6/7 15:00 ⑤ 6/7 23:00
水温躍層→
塩分躍層→
N SN S
(m/s)
N SN S N SN S N SN S N SN S
図-3 最深部における流速プロファイルの変化(実績値:平成 19 年 6 月 6 日 12:00~6 月 7 日 23:00)
20cm/s
水深4m
20cm/s
水深6m
20cm/s
水深8m
また、図-3 では 6/6 12:00~6/7 23:00(図-2 中
①~⑤の範囲)における流速プロファイルの変化を
示す。①と⑤の時間帯では、それぞれ南風・北風に
対し、成層水域に風が吹いた場合の典型的な鉛直循
環流が形成されている。前述の時間とともに上方に
伝播するような現象は、①から⑤の状態に変化する
過程で起きている。また正負の流れが交互に現れる
タイミングは、風の変化によく対応している。つま
り風がある程度強い場合には、流動変化の周期性は
内部静振等よりも、風による強制的な駆動力の影響
が強いと考えられる。
b) 夏期の流動の面的分布特性
図-4 に平成 19 年 7 月4日の平面流速分布を水深
別に示す。当日は比較的安定した南東風が1日中吹
いていたことから、流速分布の時間変化は小さいと
みなし、当日に観測した流速ベクトルを、異なる測
線全て重ね合わせている。なお、図中の紫の矢印は、
主要な流れ方向である。
表層付近では、主に風と同じ方向である北向きの
流れが形成されている。こうした流れは、水深 6m
付近までであり、それ以深では、反転して南に向か
う流れが見られるようになる。また、湖内各所では、
複数の水平循環流が形成されているように見える。
4. 数値シミュレーションによる再現
現地観測で得られた流動特性を数値モデルにより
再現できるかを試みた。使用するモデルは、Nakamura
et al.3)により開発された、k-ε乱流モデルに基づ
く非静水圧 3 次元密度流解析モデルである。本モデ
ルは基礎方程式の解法に CIP 法を用いるとともに、
Soroban 格子法を用いて密度躍層付近に格子点を集
中させることで、数値拡散の抑制を図っている。
図-2 下段に平成 19年 6月 1日~6月 15日におけ
る最深部の流動鉛直構造の計算結果を示す。塩分躍
層(水深 15m 付近)より上層において、流向の反転
層が、風向、風速の変化に伴い、徐々に上方に伝播
していく様子などは再現されている。
また、図-5 には平成 19 年 7 月 4 日における水深
別の流速分布計算結果を示した。水深 6m付近まで湖
上の風に応じて北向きの流動層が形成され、それ以
深で流れが反転する様子や、その遷移層で循環する
ような流れができる様子など、観測結果の特徴を良
好に再現できている。
5. おわりに
本研究では青森県の汽水湖における湖内流動を観
測し、主に夏期の流動特性について整理・報告した。
現地観測では、風の変化に伴い、上方伝播する様
子など、湖内の鉛直方向の物質輸送を考える上で興
味深い現象が捉えられた。
こうした現象は、数値シミュレーションでも再現
することができた。今後は水質モデルを導入し、貧
酸素化や富栄養化等O湖の湖沼管理を進める上で重
要な水質現象の解析を行っていく予定である。
【参考文献】
1) 西田修三、佐野俊幸:小川原湖の内部流動と混合
現象に関する現地観測、水工学論文集、第 45 巻、
pp.1159-1164、2001.
2) 横山勝英、新谷哲也:ダム貯水池の内部静振と定
常的往復流のメカニズムに関する研究、水工学論
文集、第 50 巻、pp.1273-1278、2006.
3) Takashi Nakamura & Tadaharu Ishikawa:Multi-Scale
Numercal Solver for an Estuary River Flow using
CIP-Soroban Method, 8th
WCCM, Venice, 2008.
図-4 流速平面分布(実績値:平成 19年 7月 4日) 図-5 流速平面分布(計算値:平成 19年 7月 4日)
塩分(psu)
100 5
塩分(psu)
100 5
<水深 4m> <水深 6m> <水深 8m> <水深 4m> <水深 6m> <水深 8m>