羽田沖底泥モデルの構築 - tbeic.go.jp · 鉛直分布の特徴 0 100 200 300 400 500...
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羽田沖底泥モデルの構築
○中川康之(独立行政法人港湾空港技術研究所)灘岡和夫(東京工業大学大学院)
八木宏(独立行政法人水産工学研究所)二瓶泰雄(東京理科大学)
木村彰宏・久保田踊児(㈱ハイドロソフト技術研究所)吉田稔(国土交通省関東地整横浜港湾空港技術調査事務所)
1
羽田プロジェクトにおける底質モ ニタリングのとりまとめに向けて
<定期観測>
•多摩川河口域周辺の底質物理・化学環境特性の把握
・・・出水時の変化が大,長期トレンド•D滑走路建設前後における底質特性の比較
・・・空間分布の変化(空港等背後で一部泥化?)
<集中観測>
•羽田沖底泥の動的特性の把握
・・・台風擾乱(高波浪,出水時)による挙動把握
現地底泥の堆積・輸送特性を考慮した底泥輸送シミュレーション(3次元流動場・波浪モデルとの結合)
2
Percen
tage in
weight(%)
ABCD
中砂分
細砂分
シルト分
粘土分
0
20
40
60
80
100
On shore Off shore 600
0
200
400
Water content(%)
Tama Riv.
3
河口域での堆積物分布特性
(Ariji et al., 2013)
WC=28% WC=216% WC=640%
Corse sand
Fine sand
Silt
Clay
鉛直分布の特徴
0 100 200 300 400 500 600-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Water content (%)
Dep
th (c
m)
Stn. AStn. BStn. C
水深10m以上の海域では• 堆積物表層(10cm程度)に高含水
比,流動泥層の存在
• 深さ方向の含水比の低下=底泥密度の増大
4
流動層
km
0 2 4
10
Sta.B(東京灯標)
Sta.A (M2)
km
0 2 4
10
Sta.B(東京灯標)
Sta.A (M2)
M4
羽田空港
多摩川 20
10
Stn.A
Stn.B
Stn.C
0 2 4km
5
(A) 河口沖(M2)
含水比
(%)
0
0.004
0.008
0.012
0.016
0.02
中央粒径
(mm)
0
200
400
600
800
0
4
8
12
16
強熱減
量(%)
2007/08
2007/11
2007/05
2008/02
2008/05
2008/08
2008/11
2009/02
2009/05
2009/08
2009/10
2007/09
2007/08
2007/11
2007/05
2008/02
2008/05
2008/08
2008/11
2009/02
2009/05
2009/08
2009/10
2007/09
2007/08
2007/11
2007/05
2008/02
2008/05
2008/08
2008/11
2009/02
2009/05
2009/08
2009/10
2007/09
出水前後の底質性状の変化
(有路ら・2010海講)
N
0 2km
0
10
20
30
0 1 2 3 4 5
出現種
類数(種)
L2h
2007/05
2008/05
2009/05
2006/05
0
50
100
150
200
0 1 2 3 4 5
出現生物
個体数(個
体)
L2h
2007/05
2008/05
2009/05
2006/05
0
5
10
15
20
0 1 2 3 4 5
湿重量(g/0.1m
2 )
L2h
2007/05
2008/05
2009/05
2006/05
ベントス出現状況の時系列
:2007年9月大出水
底質性状の変化と生物量の変化
沖合での底質環境の変化=高波浪・出水等擾乱時
連続観測による底泥挙動把握
Tokyo Int. Airport (Haneda)
Tama River
10m
20m
Monitoring pointDepth:D.L.-23m
35°30.73’N139°48.81’E0 2km
Exten
ded R
un W
ay
Tokyo Int. Airport (Haneda)
Tama River
10m
20m
Monitoring pointDepth:D.L.-23m
35°30.73’N139°48.81’E0 2km0 2km
Exten
ded R
un W
ay
Monitoring period(Aug.23~Sep.20 in 2007)
B+0.5mB+0.3m
ADCP(600kHz)
粒度分布計(LISST100
B+1.0m
B+0.1mB+0.1m
ADV
LISST100
OBSB+12m
-23m from D.L.
B+0.5mB+0.3m
ADCP(600kHz)
粒度分布計(LISST100
B+1.0m
B+0.1mB+0.1m
ADV
LISST100
OBSB+12m
-23m from D.L.B+0.0m
2min. at 8Hz (1024 data) every 30 min.
Bottom mud
TransmitterReceivers
0 50 100 150
100
200
300
400
500
Echo amplitude (count)
Dis
tanc
e fr
om tr
ansd
ucer
(mm
)
Velocity measurement rangeFrom bottom
Nakagawa et al. Ocean Dynamics (2012)6
7
底面境界における土砂輸送収支解析
rdzd FFFdt
tdZ
)(
''wcFz
sbd WCF
Fr (= fin -fout ): Residual flux
Fz
Fd
dZ
fin
Cb : SSC*Ws : Settling velocity (0.1mm/s)
:Settling flux
:Reynolds flux of sediment*
Z(t) : Sediment surface level *
d : Density(kg/m3)
ADV
fout
(* by ADV measurement)
Advection effect on the bed
台風擾乱時における海底泥収支
8
Nakagawa et al. (2012)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
18 0 6 12 18
Sept.6 Sept.7
(m)
(Pa) (a) Bottom shear stress
cwwc
(b) Sediment surface level
Zobs
Z’Zrsd Observed
Due to Deposition & Erosion
Due to advection
河口沖での主要な泥輸送プロセス
OffshoreRiver
Transport of fluid mud during storm event
Tranport of fluid mud during flood event
9
本モデル化検討対象
Fzb
Cm(z,t)um(z,t)
x
z
0
FD
U(z,t)C(z,t)
Fzb
Cm(z,t)um(z,t)
x
z
0
FD
U(z,t)C(z,t)
Schematics of sediment movement
10L
h1h2 h0
b
U
b P1P2
せん断応力作用下における泥層内の
輸送量評価
bz )(
.)( constzy
dzzzuz
hybm
y
)(1)(
Assumption for top surface thin layer
(z)τb
zu
zzz
zuz m
ym
sgn)()(
)()( (|(z)|>y )
0)(
)(
z
zuz m (|(z)|<y )
Applying the Bingham fluid model
however
Cm (z)=C0 +C(-z/D)0.25
ビンガム流体モデルに基づく泥層内 せん断流れの解析解
24/1
011)(
c
sy D
zCCcz
Cm (kg/m3) y (Pa) um (m/s)
Dep
th(m
)
(a)Mass concentration (b)Yield stress (c)Velocity in fluid mud
0 100 200 300 400
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0 1 2 0 0.2 0.4
b =1.0Pa
b =1.5Pa
(Foda et al.1993)(Van Kessel & Kranenburg, 1996)
4/7
4/74/7
302/3
2/32/3
204/5
4/54/5
100 74
32
541)(
Dhz
DD
hzD
Dhz
Dhzzu yyyybm
Dashed lineEq.(1)
DotsField data
(1)
Eq.(2)
(2)
11
2
549
010492
00
2
258
94
4516
21
yyyyb hChChChCD
dztzyxtzyxCtyxyh
bbb ),,,(),,,(),,(0
uq
輸送量公式の導出
3
411
030411
25
020
2
154
114
5516
52
yyyy hChChChCD
3
03
2
02
01
3010 )(,)(3,3,)(
CC
CC
CCCc
s
where
25.00)( DzCCzCm
C0
–D C
z
0)(zCm
泥層内輸送フラックスが底面せん断応力 b
a と泥密度の鉛直分布状態を表すパラメータ,
C0 , C, によって求めることができる 12
計算の流れ (底泥モジュール検証段階)
流れ場(POM)波浪場(SWAN)
流れ・波による底面せん断応力場の計算
湾全域(メッシュ間隔:約1km)→
河口周辺詳細メッシュ(約100m間隔)
1時間おきのU,V,H1/3,T1/3など
流動泥水平輸送量の計算
底泥含水比分布(時間方向には一定)
外力モデルの改良検討(ハイドロソフト)
収支計算に基づく堆積・侵食量の評価
沈降・巻き上げ量の計算
底泥モデルの改良検討(港空研)
SS等移流拡散計算
3次元流動モデル・波浪推算モデルとの結合
• Circulation model: ECOM Currents by Tide, wind stress, and
river discharge (density current)• Wind wave model: SWANSignificant wave height & period
Model grid induced by wave and current (Soulsby,1977)
c
wmax
m
Estimation of bottom shear stress distributions in space and time
14
15
計算対象期間における流れ・波(左:観測結果,右:計算結果)
0
0.1
0.2
0.3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0
0.4
0.8
220
240
260
9/7 9/8 9/99/6
10,000
1,000
100
10
底面せん断応力
底面直での平均流速および波動流速
SS濃度
侵食フラックス
底面高度
U, u
b(m
/s)
(P
a)SS
C (m
g/l)
F z (g/
m2 /s
)Z
(mm
)
B+0.0m B+0.1mB+0.3m B+12m
max cw
U
日付(2007年 月/日)
ub
0
-20
20
40
9/10
T1/3
H1/3
c
0
0.1
0.2
0.3
0
1
2
3
4
5
6
0
0.1
0.2
0.3
0:00 0:009/79/6
12:00 0:0012:00
T1/3
H1/3
Pa
s,m
m/s
c
w
U
(Pa)
0 10 20-10 (km)
-4
-5
-6
-7
(km)
2007年台風9号の再現計算
0.0
0.5
1.0
1.5
18 24 30 36 42
18 0 6 12 18Sept.6 Sept.7
(Pa)
w
cw
c
m
Peak of event
Bottom shear stress
(%)
0 10 20-10 (km)
-4
-5
-6
-7
(km)
Water content distribution (given)
16
(kg/m/s)
0 10 20-10 (km)
-4
-5
-6
-7
(km)
Monitoring Pt.
Haneda
N
底泥輸送量の計算結果(波・流れによる輸送フラックス)
Sep. 5 6 7 8 9 10 11 12-0.4
-0.2
0
Sep. 5 6 7 8 9 10 11 12-0.2
-0.1
0
-6
-4
-2
0
-6
-4
-2
0
(a) at 12m above the bottom
Cum
ulat
ive
SS fl
ux(1
03 kg/
m2 )
SS fl
ux
(kg/
m2 /s
)C
umul
ativ
e SS
flux
(103 k
g/m
2 )SS
flux
(k
g/m
2 /s)
(b) near the bottom
Date in 2007
Northward comp.Eastward comp.
Northward comp.Eastward comp.
No
data
No
data
17
4:00 am on Sep. 7
Stn.A
(m)
0 10 20-10 (km)
-4
-5
-6
-7
(km)
底泥輸送量の計算結果(台風イベント時の侵食・堆積量の空間分布)
-0.04
-0.02
0
0.02
0
0.5
1
1.5 x 10-3
22 2 4 6 820 0Sept.6 Sept.7
(kg/m/s)
(m)
(a) 水平輸送フラックス
(b) 底面高さ変動(水平輸送寄与分)
East-ward
North-ward
水平輸送による底泥面変動量の検証
19
Stn.A
(m)
0 10 20-10 (km)
-4
-5
-6
-7
(km)
Net sediment accumulation during 12 hrs
観測結果 計算結果
Observed
鉛直フラックス寄与分
水平輸送寄与分
今後の改善目標
• 計算精度の向上
-外力場の再現性向上,パラメータ調整
-ネスティング(詳細メッシュ)による時空間
解像度の向上計算
-3次元モデルとの同期計算
• 再現すべき現象(新たな知見取り込みなど)
-実測データに基づく外力(波浪)特性の評価
-斜面流下土砂の取り込み
20