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