超大型浮体構造物の付着生物による溶存酸素濃度の

沿岸都市部における経済活動の発展・人口集中
超大型浮体構造物の付着生物による
溶存酸素濃度の変化に関する研究
空間資源の確保
利用可能な空間を拡大するため沿岸域を埋立開発
浅海域は高密度に利用
沖合の大水深海域や外洋に面した海域へ領域拡大
指導教官：藤野正隆教授
多部田茂助教授
・海底が軟弱な地盤
・大水深海域
埋立工法を補完
96603 秋山圭介
超大型浮体式構造物（メガフロート）も選択肢の一つ
構造物を設置する際の問題
メガフロート
浮体空港モデル
東京都
千葉県
・水質環境への影響
・水理的環境への影響
・生物への影響
・実海域実証実験を行い、現場で計測
長さ１０００ｍ
幅６０∼１２１ｍ
神奈川県
深さ３ｍ
・周辺海域への影響を評価するためシミュレーションモデル開発
東京湾
横須賀市
シミュレーションモデル
・海域での水質アセスメントを行うためのモデル
メガフロート
流動モデル＋ＣＯＤ拡散モデル（物理的な拡散のみ考慮）
メガフロート
ＣＯＤを保存物質として扱う
外部生産ＣＯＤより内部生産ＣＯＤの影響が大きい
・生態系モデル
三浦半島
0
1
2
3
(km)
房総半島
流れ場、水温・塩分・密度場を表す物理過程
生態系内の物質の保存を示す生物・化学過程
モデル構築のアプローチ
生態系モデル
物理過程
化学・生物過程
・流れ場の計算
・水温・塩分
密度場の計算
・浮遊系モデル
・底生系モデル
・付着系モデル
生物には重要
一般的には、個別の種の生物学的性質を実験室etcで計測し、モデル
化する海域での生物の構成を調査し、これらを元にモデルを構築する
長所：一旦ある種の生物学的性質をモデル化できれば、海域によらず適用可
短所：対象とする生態系プロセスを全てモデル化するのは不可能
モデルが複雑になるに従い生物パラメータの数が増大し、全てを
浮遊生態系モデル・海水中の生物の機能・物質循環を扱う
・物理モデルと併せて検討が行われている
決定するのは莫大な労力を要する
計測できない未知パラメータが存在する
底生生態系モデル・海底付近の生物の機能・物質循環を扱う
・近年、計測や検討が行われ始めている
付着生態系モデル・護岸・構造物に付着する生物の機能・物質循環を扱う
本研究では、超大型浮体構造物の付着生物を実海域で計測し、
そのデータを用いてパラメータを推定しモデル化を行う
・田口の関西空港の護岸生態系などの例はあるが、ほとんど研究例がない
メガフロート実海域実験モデルで計測された付着生物
研究の手順
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
4000
総個体数
ムラサキイガイの個体数
2000
1500
500
0
H07/12
H08/01
H08/06
H08/08
H08/10
H09/01
H07/12
浮体側面の個体数
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
H08/01
H08/06
H08/08
H08/10
H09/01
浮体側面の湿重量
4000
総個体数
3500
ムラサキイガイの個体数
総湿重量
ムラサキイガイの湿重量
3000
g/0.09m^2
個数/0.09m^2
・超大型浮体式海洋構造物・メガフロートの実海域実験浮体で付着生物群の呼吸
による溶存酸素濃度変化の計測を行う
・上記で得られたパラメータを用い、付着生物を考慮したモデルを用いてメガフロー
トの環境影響を検討する。また、田口によるパラメータを用いた場合との比較を
行う
総湿重量
ムラサキイガイの湿重量
2500
1000
・超大型浮体構造物上の付着生物の機能を考慮した生態系モデルを構築する
・計測データにデータ同化を用いて、メガフロートにおける付着生物群のパラメータ
を推定する
3500
3000
g/0.09m^2
付着生物を考慮した生態系モデルを構築し、
超大型浮体の環境影響について検討する
個数/0.09m^2
研究の目的
2500
2000
1500
1000
500
H07/12
H08/01
H08/06
H08/08
H08/10
浮体底面の個体数
H09/01
0
H07/12
H08/01
H08/06
H08/08
H08/10
浮体底面の湿重量
H09/01
植物プランクトン：PHY
付着生物：ADH
有機物：POC
栄養塩：DON
溶存酸素：DO
本研究で用いる生態系モデル
日射量・日長
モデルの定式化
付着生物
∂ADH = B − B − B − B + B
4
5
6
7
8
∂t
付着生物による摂餌
B1:摂取
栄養塩
植物プランクトン
光合成
分解
B10:分解
溶存酸素
B4:摂食
B8:摂食
B6:自然死
B7:排糞
B5 = α 5 exp( β 5T ) ADH
α 5 , β：呼吸速度
5
呼吸
B6 = m ADH ADH
m ADH：自然死亡速度
排糞
B7 = (1 − µ ADH )( B4 + B8 )
B3:分泌B9:枯死
有機物
α 4 , β：捕食速度
4
死亡
呼吸
呼吸
B5:排泄
B4 = α 4 exp( β 4T ) PHY ⋅ ADH
B8 = α 4 exp( β 4T ) POC ⋅ ADH
付着生物
µ ADH：同化効率
溶存酸素
∂DO = [TOD : C ] ( B − B ) − [TOD : C ] B − [TOD : C ] B
POC
1
2
ADH 5
POC 10
∂t
計測装置設置場所
計測装置
Station N
Station N'
×
浮体
×
×
Station C
Station E
×
1000m
付着生物
住友重機械工業岸壁
水温センサー
ＤＯセンサー
塩分センサー
逆止弁
×
解体後係留場
循環ポンプ
攪拌モーター
コントロール部へ
東北防波堤
Ｈ
空港浮体モデル
Ｎ ×
Ｎ
×
×Ｅ
60m
計測期間&装置の設定
計測期間
開始
H12.08.28
H12.10.12
H12.10.19
H12.10.30
H12.11.01
H12.11.02
H12.12.04
H12.12.20
海水交換計測間隔
終了
H12.08.29
H12.10.19
H12.10.30
H12.11.01
H12.11.02
H12.11.13
H12.12.05
H12.12.22
10:00
16:30
12:00
17:00
16:00
14:00
16:00
15:00
１インターバルのＤＯ消費速度
08:00
11:00
15:00
10:00
13:30
09:00
10:00
09:00
120[min]
30[min]
60[min]
ポンプ攪拌時間計測地点
稼働時間
5.0[min] 3.0[min] 1.0[min]
St.N
3.0[min]
5.0[min]
30[min]
120[min]
180[min]
1.0[min]
St.E
1.0[min]
1.0[min]
St.N'
St.H
4.5[min]
5.0[min]
5.0[min]
4.5[min]
4.5[min]
DO[mg/l]
計測結果
DO[mg/l]
溶存酸素連続計測結果
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
08/28
10:00
Inside
Outside
08/28
12:00
08/28
14:00
08/28
16:00
08/28
18:00
08/28
20:00
08/28
22:00
08/29
00:00
08/29
02:00
08/29
04:00
08/29
06:00
08/29
08:00
データ同化を用いた付着生態系モデルのパラメータの推定
ＤＯ消費速度の計測データを用いてモデルのパラメータの最適値を求める
変分法の一種である随伴法を用いる
随伴法
支配方程式
評価関数
・ＤＯ消費速度は、ＤＯ濃度が高いときはほぼ一定であるが、
ＤＯ濃度が低くなるとＤＯ濃度に依存して減少している
・今回データ同化では、ＤＯ濃度に依存しない部分を考える
dX
= N [X ; c]
dt
2
1
J ≡ ∫ A(t )(X tcal − X tobs ) dt
2
X : 同化期間中に時間変化する物理量：PHY , ADH , POC , DIN , DO
c : 演算子に含まれる物理パラメータ：α 4 , β 4 , α 5 , β 5 , m ADH , µ ADH
: DO obs
X obs : 計測値
A(t ) : 計測値の精度に応じた重み計数
「支配方程式を拘束条件として評価関数を最小にする
モデルの制御変数を求める」
という、強い拘束条件付き非線形最適化問題を、下に示すラグラ
ンジュ関数を汎関数とする条件無し変分問題とする
ラグランジュ関数
⎛ dX
⎞
L ≡ ∫ λ⎜
− N [X ; c ]⎟dt + J
dt
⎝
⎠
ラグランジュ関数の第一変分を求め、評価関数の極小点における条
件よりオイラー方程式が求まる
dX
N : Xに関する非線型演算子
X cal : モデルの出力（計算値）
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
08/28 08/28 08/28 08/28 08/28 08/28 08/28 08/28 08/28
18:00 18:15 18:30 18:45 19:00 19:15 19:30 19:45 20:00
: DO cal
dt
− N [X ; c ] = 0
− dλ
(
)
− N X λ + A X − X obs = 0
dt
λ (T ) = λ (0 ) = 0
∫
Time
0
λ (− N c )dt = 0
開始
計算アルゴリズム
dX
データセット読み込み
dt
計算結果例
− N [X ; c ] = 0
9.00
8.00
順方向計算
λ (T ) = 0
dt
7.00
(
)
− N X λ + A X − X obs = 0
勾配計算
∫
NO
Time
0
全データセット終了
6.00
DO[mg/l]
− dλ
逆方向計算
λ (− N c )dt = 0
5.00
4.00
3.00
YES
計測値
2.00
同化前のパラメータを用いた計算値
YES
評価関数判定
終了
NO
1.00
用いた計測データは
8月、10月、12月それぞれ
6組のデータで計18組
降下法ルーチン
同化後のパラメータを用いた計算値
0.00
0
300
600
900
[sec]
制御変数修正
基準
制御変数の感度解析
μ
α4
青：データ同化前のパラメータ
赤：データ同化後のパラメータ
1
β4
α4
α4
0
μ
1
β4
1
μ
m_ADH
α5
0
0
α4
m_ADH
β5
α4
α5
μ
m_ADH
1
β4
μ
1
α5
β4
β5
β5
α4
α4
m_ADH
1
α5
m_ADH
α5
β4
μ
β5
β4
0
α5
β5
1
β5
0
m_ADH
感度解析の結果、α5、β5以外のパラメータの感度が鈍く、またこ
れらのパラメータを変化させてもα5、β5 にほとんど影響がないの
がわかる。
これは評価関数にそれらのパラメータに対応した環境因子の計測
データがないことが理由であると考えられ、α4、β4、ｍADH、μADH。
を見るにはそれらに対応した計測値が必要である。
0
0
μ
β4
m_ADH
制御変数をそれぞれ±50％変化させて
データ同化を行った
α5
β5
本件ではそれらのデータが存在しないので、 α5、β5以外のパラ
メータを先程の感度解析時の基準で求まった値に固定して、α5、
β5について同化を行った。
α 5 、β 5 とＪの関係
超大型浮体による環境影響の検討
計算条件は夏期を想定しており、定常になった時の表層のＤＯの一日の平均値を
とっている。浮体は横須賀沖に3km×5kmのものを設置するとした。
田口による推定値
同化で求まった値
(α 5 , β 5 ) = (0.01,0.0693)
(α 5 , β 5 ) = (0.0017,0.097 )
温度依存性はデータ同化で求めた値の方があるが、
酸素消費速度自体は小さくなった
横須賀沖に3km×5kmの浮体を設置した時の表層のＤＯの計算値と浮体無しの時の差
浮体無し
[mg/l]
浮体あり
結論
(浮体ありのＤＯ) − (浮体無しのＤＯ)
本研究では、
１：超大型浮体による環境影響予測を行うために、付着生物を考慮した生態系モデ
ルを構築した。
２：超大型浮体構造物・メガフロートの実海域実験浮体で付着生物群の呼吸による
溶存酸素濃度計測を行った。
３：計測結果にデータ同化を用いて、メガフロートにおける付着生物群のパラメータ
を推定した。
以上により、次の知見が得られた。
[mg/l]
データ同化で求めたパラメータ
田口のパラメータ
１：
付着生物のＤＯ消費速度は特にＤＯ濃度が低くなったときにＤＯ濃度に依存する
ので、モデル化の際にこの影響を含めたモデルを検討する必要がある。
２：
求めようとするパラメータに対応した計測データが存在しない場合、そのパラメー
タの最適値が求まりにくい。従って、データ同化でパラメータを推定するには、求
めようとするパラメータに対応した環境因子を計測する必要がある。
３：
データ同化で得られたパラメータと既存の推定されたパラメータを比較すると、前
者の方が酸素消費速度に温度依存性が強く現れたが、酸素消費速度自体は小
さくなった。
４：
付着生物を考慮したモデルを用いてメガフロートの環境影響を検討した。どちら
のパラメータを用いた場合でも、全体的に見ると浮体による周辺海域への影響
は局所的な影響にとどまっている。しかしながら、ローカルな影響を細かく検討す
ることも必要であり、そのためにはさらなる検証が必要である。

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