研究テーマ | 田嶋智

多孔質媒体における溶質輸送・混合メカニズムの解明

多孔質媒体中では、空間的不均質性や潮汐などの時間的に変動する外力によって、時間とともに変化する物質の広がりやカオス混合といった複雑な輸送現象が生じます。本研究では、地下水流動・物質輸送の数値シミュレーション、粒子追跡、確率論的輸送理論を組み合わせることで、こうした現象を生み出すメカニズムの解明と、その時間発展の定量的な把握に取り組んでいます。これにより、陸域と海洋の相互作用によって生じる地下水中の物質輸送について、その基礎的なダイナミクスに関する新たな知見を得るとともに、地下における輸送過程をより適切に記述することを目指しています。さらに、こうした研究を通じて、地下水汚染や陸域から海洋への栄養塩輸送など、さまざまな環境問題の理解に新たな視座を提供することが期待されます。

Chaotic advection in a heterogeneous aquifer under transient forcing — **時間的に変動する外力を受ける不均質帯水層におけるカオス移流。** （a）ポアンカレ断面には、粒子軌道に基づく複雑なラグランジュ的構造が現れており、その中には確率的な領域もみられます。（b）（a）の点 A–C に対応する有限時間リアプノフ指数はいずれも正の値を示しており、カオス移流が生じていることを定量的に示しています。 *Tajima & Dentz (2025; AWR)*.

Pathlines illustrating chaotic mixing in a three-dimensional heterogeneous coastal aquifer under transient forcing — **時間的に変動する外力を受ける三次元不均質沿岸帯水層における、カオス混合を示す粒子軌道。** 赤色と青色の軌道は、それぞれ陸側境界と海側境界から流入した粒子を表しています。粒子軌道は *x–z* 平面に直交投影されており、x 軸は陸から海への平均的な地下水流動の方向に対応します。白色の等値線は正規化した塩分濃度を表しています。淡水―塩水遷移帯では、粒子が周期軌道やカオス軌道を描きながら長期間とどまり、陸側と海側に由来する粒子の混合が促進されることがわかります。 *Tajima & Dentz (2025; WRR)*.

高潮に対する沿岸域地表―地下水系の応答メカニズムの解明

高潮は、越波による地表の浸水や、それに伴う鉛直方向の塩水浸入を引き起こします。また、海水位の上昇に伴う水頭変化が地下を伝播することで地下水位が上昇し、地下水氾濫が発生することもあります。このように、高潮は沿岸の地表水と地下水の双方に複合的な影響を及ぼします。本研究では、地表水・地下水統合数値シミュレーションを用いて、こうした現象が時間とともにどのように進行するのか、また、その挙動が水文地質的条件によってどのように変化するのかを明らかにしています。これにより、高潮によって引き起こされる水文学的プロセスへの理解を深めるとともに、沿岸災害のより適切な評価や、沿岸域のレジリエンス向上につなげることを目指しています。

Schematic of storm–surge impacts on the coastal surface–subsurface continuum — **高潮が沿岸域地表―地下水系に及ぼす影響の概念図。** 高潮（Storm surge）によって海水位が上昇すると、越波（Wave overwash）により地表面が浸水し、地下への鉛直方向の塩水浸入（Vertical SWI: Seawater intrusion）が発生します。また、海水位の上昇により海側の水頭が高くなることによって、陸側への水平方向の塩水浸入（Lateral SWI）も起こります。さらに、地下水位も上昇し、場合によっては地下水氾濫（Groundwater flooding）を引き起こします。 *Tajima et al. (2026; WRR)*.

Temporal evolution of surge-driven groundwater flooding under different hydrogeological settings — **異なる水文地質的条件下における、高潮による地下水氾濫の時間変化。** 環礁（Atoll）では、完新世の堆積物からなる帯水層の下に、より透水性の高い更新世の石灰岩帯水層が分布する二重帯水層構造がみられ、その不整合面（境界）は Thurber discontinuity と呼ばれます。高潮に伴って生じる地下水氾濫の規模や継続時間は、この二重帯水層構造によって大きく変化します。ここでは、（a）Thurber discontinuity の標高と、（b）更新世帯水層の透水係数を変化させた場合における、環礁中心部の湿地（Swamp）の水深の時間変化を示しています。赤色の範囲は、高潮の継続時間を表します。 *Tajima et al. (2023; WRR)*.

気候変動下の島嶼地下水資源：評価手法の開発と持続可能な適応への超学際的展開

地下水は小島嶼における重要な水資源の一つですが、海面上昇や高潮の強度・発生頻度の変化など、気候変動に伴うさまざまな影響に対して脆弱です。本研究では、地表水・地下水統合数値シミュレーションを用いて、さまざまな気候シナリオのもとで気候変動が島嶼の淡水資源賦存量に及ぼす影響を評価しています。また、こうした影響の定量評価に向けて、利用できるデータや計算資源が限られる地域にも適用可能な汎用的手法の開発にも取り組んでいます。さらに、幅広いステークホルダーとの協働を通じて、水文地質学に基づくプロセスの理解を、多様な知の体系との対話へとつなげることを目指しています。こうした取り組みを通じて、持続可能な地下水管理や気候変動への適応に貢献する超学際的な研究へと発展させていきます。

Schematic of hydrogeological setting of a Pacific Island, and projected climate–change impacts and trends — **太平洋島嶼の水文地質学的環境と、気候変動がもたらしうる変化を示す概念図。** 淡水地下水（Fresh groundwater）は、主に降雨が不飽和帯を通って地下へ浸透することで涵養されます。淡水地下水の下には、密度の高い塩水地下水（Saline groundwater）が存在し、その境界には塩分濃度が徐々に変化する遷移域（Transition zone）が形成されます。淡水地下水資源は、涵養量（Recharge）の減少や、水平方向・鉛直方向の塩水侵入（SWI）によって減少します。気候変動は、海面上昇などの長期的な変化に加え、高潮などの短期的な現象の強度や発生頻度の変化を通じて、これらのプロセスに影響を及ぼします。Illustration by Lisa Vogel. *Tajima et al. (2026; Preprint)*.

Effects of sea level rise (SLR) on freshwater lens volume — **海面上昇が淡水レンズ体積に及ぼす影響。** （a）海面上昇（SLR: Sea level rise）の累積量が ΔH に達すると、海岸線は内陸側へ ΔR だけ後退します。後退の大きさは海岸の勾配（tanφ）によって異なり、それに伴って淡水レンズの体積も減少します。（b）累積海面上昇量（ΔH）に対して、淡水レンズの体積が海面上昇前の何倍になるか（*V′/V*）を、異なる海岸の勾配（tanφ）について示しています。 *Tajima et al. (2026; Preprint)*.

主な研究テーマ

多孔質媒体における溶質輸送・混合メカニズムの解明

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