2016 Fiscal Year Research-status Report
水質汚濁水域の水環境修復に向けた水面冷却・冷水塊沈降を利用した水質改善技術の開発
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16K15009
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
平松 和昭 九州大学, 農学研究院, 教授 (10199094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 昌佳 九州大学, 農学研究院, 准教授 (80325000)
田畑 俊範 九州大学, 農学研究院, 助教 (80764985)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 有機汚濁 / 閉鎖性水域 / 冷水塊沈降 / 溶存酸素 / 無酸素化解消 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機汚濁水域において水面冷却に伴う冷水塊の沈降により生じる鉛直対流は，無酸素化の解消に大きく関わる水理学的現象である．本研究は，閉鎖性水域の水温成層に起因する無酸素化への対策として冷水塊沈降に注目し，水面冷却対流による無酸素化の解消を通じた水質改善効果の可能性を検討した．平成２８年度では，その基礎的知見として，成層化した有機汚濁水域での冷水塊沈降による溶存酸素輸送量の推定を主目的として，室内実験，現地観測ならびに数値シミュレーションを行った．
まず，水温鉛直分布の経時変化が既知である場合の冷水塊の沈降フラックス量を鉛直一次元熱拡散モデルに基づいて算定する手法を提案した．さらに，沈降フラックス量を水面冷却対流速度と見なし，保存性物質の移流・拡散方程式を利用したＤＯの鉛直一次元解析手法を提案した．これらの解析手法の妥当性について，水槽スケールでの水面冷却実験，ならびに実水域での水温・ＤＯの現地観測を通じて検証した．ついで，気温・湿度・日射量・風速の気象条件を計算条件して，水温・ＤＯの鉛直分布の初期条件からこれらの時間的推移の推定方法を考案した．この推定方法は，水面冷却対流による移流効果を考慮に入れた水温・ＤＯの一次元乱流拡散方程式を基礎式とし，オペレータ・スプリッティング法の考え方を導入した有限差分法を適用したものである．夏季に強固な水温成層が形成される実水域にて，秋季の放熱期を対象に水温・ＤＯの鉛直分布の現地観測を行い，これらの観測結果の再現計算を通じて，本研究で提案した冷水塊沈降の影響を考慮に入れた水温・ＤＯの鉛直一次元解析方法の妥当性・有効性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は次の３つのフェーズで構成され，水面冷却と冷水塊沈降を利用した水質改善技術の可能性を実験・解析的に検証するとともに，本技術の実用化・高度化を目指すものである．すなわち，(1)フェーズⅠ：冷水塊沈降による無酸素化の解消効果に関する実験的検証，(2)フェーズⅡ：水面冷却による藻類増殖の制御効果に関する実験的検証，(3)フェーズⅢ：水理-水質モデルに基づいた冷水塊沈降による水質改善効果のメカニズムの定量化と最適な技術管理に向けたシナリオ分析である．
平成２８年度では，フェーズⅠの冷水塊沈降による無酸素化の解消効果について水槽実験と現地観測の二つのスケールで検証した．とくに，無酸素化の解消効果を評価する上で最も重要となる，水面冷却対流に伴う物質輸送の水理学的解析手法の確立に主眼を置いた．本手法の妥当性は水槽スケールと実水域スケールで認められ，強固な水温躍層が形成される比較的水深の深い有機汚濁水域においても冷水塊沈降に伴う熱・ＤＯ輸送量を算定できることを示した．本成果は，フェーズⅠで求めていたアウトカムとしてだけではなく，フェーズⅢの水理-水質モデルに基づいた冷水塊沈降による水質改善メカニズムの定量化に直接貢献しうるものであり，この点で，本研究の目的が着実に達成されていると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度では，当初研究計画のフェーズIIの「水面冷却による藻類増殖の制御効果に関する実験的検証」を下記の内容にて実施する．
まず，富栄養化が進行している実水域を対象とした定期的な水環境モニタリングを実施し，過去の観測結果も踏まえて，植物プランクトン種の季節的消長を水位・取水量といった貯水池の管理条件や気温・日射量・風速などの気象条件と関連付けて解析を行い，現地スケールの視点から藻類増殖の発生メカニズムについて検討する．併せて，特定の環境要因で制御した条件下での実験水槽を用いた植物プランクトンの増殖に関わる水質実験を実施する．これは，実験水槽内に準備した富栄養化水域の貯留水を，水位の時間的な低下がある場合，遮光ネットによって日射量が低減される場合，加温器・冷房器等で水温を高温・低温で調整する場合，送風機によって水面流動を生じさせる場合，以上の条件で管理し，植物プランクトンの発生状況をモニタリングするものである．このような調査・実験を通じて，植物プランクトン量の変動に影響を与える様々な環境要因を定量的に評価し，藻類増殖制御の技術開発にフィードバックさせる．
また，水面冷却による藻類増殖の制御効果に関する実験的検証として，夏季に増殖する藍藻類（ミクロキスティス）や緑藻類（アオミドロなど）に対する水面冷却による繁殖抑制効果を室内水槽スケールでの水質実験の観点から検討する．さらに，メソコズムスケールでの，冷水塊沈降による物質の鉛直移動を通じた表層の植物プランクトン現存量の減少効果に関する実験的検証も併せて実施する．
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