陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

広域の地下水流動を把握する― 自治体と地球研の連携研究による地域貢献 ―
安部

豊、内山

佳

美（神奈川県自然環境保全センター）

1．はじめに：背景とすることから、5 年ごとに実行計画を見直しな

1-1．神奈川県の水源環境保全・再生の取り組み

がら取り組みを進めることとなっています（内山・森林の手入れ遅れなどにより林床の下層植生が山根，2008；神奈川県環境農政部緑政課，2010）。

衰退した荒廃人工林においては、水源かん養機能
1-2．水文モニタリング調査・研究の低下による豪雨に伴う洪水の増加、土壌侵食・流出、土砂崩れなどの災害リスクが高くなること

上記の取り組みでは、手入れ遅れの森林の間伐源林地域（図 1）において、森林の水源環境を保全・神奈川県自然環境保全センターの研究部門では、再生するための取り組みを始めました。この取り森林管理が渓流水の流出や土砂流出にどの程度効組みは水源環境保全税を財源として森林管理を行果があるのかを観測・検証することを担当しておい、その森林環境への効果の調査・研究結果をもり、県内の水源林エリアの 4 か所に精緻な調査・とに、行政と県民とが一緒になって将来の水源林研究エリアとして試験流域を設定しましたづくりを話し合いながら事業を進めることになっ（図 1）。図 2a に示すような数 ha 程度の集水地形ています。また、不確実性の高い自然環境を対象を呈した試験流域において、渓流水の流出量を修正コメントが指摘され、社会問題となっています。神奈川県
や植生保護柵の設置、シカの生息密度管理などの2020.01.28 初校では地図の⽂字が⾒にくくなっては全国の自治体に先駆けて、平成19（2007）年森林管理事業を実施し、加えて、これらの事業がしまっていたので、原稿のサイズを考えて、⽂字のから、将来にわたる良質な水の安定的な確保を目
水循環や生態系などの自然環境にどのように影響⼤きさや配置を修正しました。 を与えるかを評価する調査・研究を行っています。
的として、神奈川県内の丹沢山地を中心とした水10 分間隔で連続観測する流量堰（図 2a 写真）や、地下水観測井（50 m 深）、気象観測システムなど

東京都
山梨県を設置し、渓流水流出量、土砂流出量や降水量、地下水位を長期的かつ精密に観測する水文モニタ

相模湖
相模原市

リング調査1）を行っています。間伐や植生保護柵

宮ケ瀬湖

丹沢⼭地

設置などの森林管理事業を実験的に行い、前後の神奈川県渓流水の流出量の変化を定量的に観測すること

厚木市

で、森林管理が及ぼす水循環への効果を把握して相模川

丹沢湖

静岡県
小田原市

います（内山・山根，2013）。水文モニタリング
調 査 の も う 一 つ の 重 要 な 役 割 は、 観 測 開 始 の試験流域
⽔源林エリア
⼈⼯林
広葉樹林

2012 年からの長期間のデータを蓄積することで、現在の環境を知るだけでなく、将来の気候変動などによる変化を知るための基準もしくは基盤情報になることです。

図 1．神奈川県の水源エリアと試験流域
図1 神奈川県の⽔源エリアと試験流域

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陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版(a) ⼩スケールの試験流域での⽔⽂モニタリング調査
整備あり

試験流域 (数ha)
整備なし

河川流量観測地下⽔位観測深さ50mの井⼾

流量堰

河川流量を⽐較

森林整備による変化に伴う⽔循環の変化を定量的に観測するのに有効試験流域 (数ha)(b) 広域スケールでの⽔循環• 地下⽔や河川⽔の流動は広域スケールで流動• 数haの試験流域 (⼩スケール)の⽔流動は⽔源
かん養エリアの⼀部

試験流域(⼩スケール)の⽔流
動は、広域スケールの⽔流動と同じとは限らない

河川⽔⽔源かん養エリア※地形・地質はイメージです

⽔利⽤エリア

図 2．小スケール試験流域と広域スケールの水循環の概念図
図2 ⼩スケール試験流域と広域スケールの⽔循環の概念図
1-3．なぜ広域スケールが必要なのか
1-4．トレーサー手法の利点

水文モニタリング調査から、試験流域においてトレーサー手法は、広域スケールの水循環を把森林に降った雨が林内や地中でどのように移動握する研究に有効です。水試料に含まれる溶存イし、下流の河川に流出しているかなどの水循環のオ ン 成 分（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、特性がわかってきました（Oda et al., 2013；横山NO3-、SO42- など）や各種同位体は、雨が降った

ほか，2013；Abe et al., 2020 など）。ただし、水年代や標高、雨との土や岩石と接触、地中の移動源環境を保全・再生する取り組みのミッションはなどの水流動の歴史を記録しています。情報を持水源林エリア全体を対象としています。そのため、つ水質や同位体をトレーサー（追跡子）と呼び、各試験流域で得られた水循環の特性や森林管理のトレーサーの性質から記録された情報を読み解き効果を、わかりやすく県民の皆様に説明したり、ます。例えば、山地で降った雨水の酸素安定同位2）

行政にフィードバック したりする際には、水源体比は、標高が高いほど低い性質があるので、あ林地域の全体像として示す必要があります。しかる地点の河川水の酸素安定同位体比を分析するこし、数 ha の試験流域のような小規模スケールでとで、河川水がどの標高で降った雨で構成されての現象を単純に広げても、必ずしも広域スケールいるのかが推定できます。また、1 地点での採水の現象と同じとは限りません（図 2b）。一つとしで上流域の代表の値として広域の情報を読み取るて同じ形の木がないように、水循環特性を決めることができます。河川水を例にすると、ある 1 地

重要な環境条件（地形や土壌、地質、植生など）は点で採取した河川水は、その上流域から集まって小スケールの流域ごとに異なります。そのため、きた水が混合しているので、広域の水質・同位体

広域スケールの水循環の特性を把握し、試験流域の代表値として扱うことができます。局所的な不（小スケール）の現象が広域スケール特性の中でど均質が目立たない、より空間的に広域で平均的なういう特徴があるのかを把握することが重要です。

情報が手に入る点も広域スケールを把握するのに利点といえます。
そのため、本研究は水源地域全体の地下水流動40

陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

を含む水循環の特性の一端を明らかにすることを水質や同位体の値がどのような水の流動現象を表目的として、試験流域を中心とした周辺地域におすかを考察し解釈するには、高度な専門知識と解ける雨水・河川水・湧水・地下水に含まれる特定析経験が必要です。本研究の場合は、著者が水同の成分を水質・同位体トレーサーとして用いた調位体を用いた地下水流動研究の経験があったた査・研究を行いました。本稿では、試験流域 4 かめ、水流動に関する同位体トレーサーを解釈する所のうち、相模湖に面する「貝沢」と丹沢山地西ことはできますが、地質構造が多様である丹沢山部の「ヌタノ沢」試験流域における、観測井の地地や小仏山地においては、地質の情報も地下水流下水と湧水に焦点を当てて紹介します。観測井の動にとって重要でした。そのため、地球研の申基深さは 50 m と深く、深層の地下水であるといえ、澈（Shin, Kicheol）准教授の協力を仰ぎ、水と岩湧水は地下水が地表面から流出した水であり、地石の相互作用も含めた広域水循環の把握を目指す

表面近く（表層）の地下水を表します。表層近く体制ができました。
この研究連携のキッカケになったのは、地球研と深層の地下水がどのように流動しているか、2に所属していた経歴を持つポスドク3）であった著

つの地域に絞って考察します。

者を当センターで雇用していたことでした。当セ
2．県と地球研をつなぐンターではこの大規模な研究プロジェクトのため地方自治体がトレーサーを用いた水循環を把握に数名のポスドクを特別研究員として雇用していする高度な研究を行うには、「分析」と「解釈」るため、県職員だけでなくいろいろな背景や経験が大きな壁となります。それを解決してくれたのを持った人が一緒に研究しており、様々な情報がが、総合地球環境学研究所（以下、地球研）との集まり、人とのつながりが広がります。これらの連携でした。

人のつながりが本研究での自治体と研究機関の連水循環を対象にしたトレーサー手法の手順は、携に役に立ったといえます。

①現地調査での採水、②室内分析、③考察・解釈、のおおむね 3 つの行程があります。行程①に関し

3．研究でわかったことて、県で既に水源地域の各試験流域で様々な環境

3-1．研究対象地域と研究方法調査が行われており、調査地点の選定や許可申請、貝沢とヌタノ沢の試験流域において、表層の地採水調査はスムーズに行うことができました。こ

下水としての湧水、地表面から 50 m の深さで掘こは自治体が得意とするところです。しかし、行削した地下水観測井から深層の地下水を採取しま

程②の溶存イオン成分や同位体などの室内分析にした。貝沢は、約 5200 〜 3200 万年前と約 1 億年

関しては必要な分析機器は高価なことなどから、前〜 6500 万年前に海溝で複雑に変形した地層（付自治体の研究機関ではほとんど所有していませ加体）の境界に位置し、ヌタノ沢は、約 1500 万ん。分析専門の民間会社に依頼することもできま

年前〜 700 万年前の花崗岩質の深成岩を基岩としすが、分析料は高価で、多くの地点を測定するこています。17 地点で 20 試料の地下水および湧水とが難しくなります。地球研の実験施設は多くのを採取する調査を行いました。調査時期は降水が分析機器を所有しているだけでなく、外部者でも少なく、地下水への影響が少ない冬季（2018 年

分析機器を利用できる共同利用事業を行っていま

11 月〜 2019 年 3 月）に行いました（図 3）。採水す。もちろん、使用者は分析技術と知識を持ち、した水試料の溶存イオン成分、酸素・水素安定同学術研究目的である必要がありますので、それら位体比（δ18O，δ 2H）、ストロンチウム同位体比の条件をクリアした上で分析機器を利用すること（87Sr/86Sr）の分析には、地球研の分析機器を使ができました。また、行程③に関して、分析した用しました。
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陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

採水の作業状況

ヌタノ沢周辺の地質：花崗閃緑岩

貝沢の地質踏査
現場で話し合いながら水循環を考える

貝沢の地質：泥岩由来の変成岩

ヌタノ沢周辺の渓流水図 3．調査状況写真

3-2．水質・同位体トレーサーから読み取るした。一般に高い標高での降雨は低い同位体比に
図3 調査状況写真

図 4a は、溶存イオン成分の特徴を比較するたなることから、貝沢では地下水は湧水よりも高いめの散布図で、図中の I 〜 IV は地下水の大まか標高（遠い場所？）で地下水になった雨を起源とな水質タイプを表します。貝沢では地下水はタイしている可能性が考えられました。図3 4c はストプ III で、湧水はタイプ I であり、異なる水質タロンチウム同位体比を水の種類を分けてプロット

修正コメントイプを示した一方で、ヌタノ沢では、地下水も湧2020.01.28 図中(c)の「ストロンチウム同位体」を水もタイプ I で同じでした。また、図 4b の酸素・「ストロンチウム同位体⽐」に修正しました。
2020.01.28
溶存イオンの注釈の説明⽂の⽂字を⼤水素安定同位体比の散布図では、貝沢では地下水きくしましたが湧水に比べて離れて低い値であり、ヌタノ沢でしたものです。貝沢は 0.707 〜 0.709 の範囲に分布し、ヌタノ沢の 0.704 付近にまとまっていました。
これらの水質・同位体トレーサーの特徴から考えると、どうやら貝沢の深層の地下水は、湧水とは地下水と湧水のばらつきは大きくありませんでは異なる場所で形成された地下水のようで、試験流域やその周辺の表層の地下水とは分断され混ざ(a) 溶存イオン成分※

IIIIII
050
Na+ + K+ (%)

10087Sr/86Sr(c) ストロンチウム同位体比

⾙沢

湧⽔(周辺)
湧⽔(内)地下⽔

湧⽔(周辺)
湧⽔(内)
地下⽔

0.710
0.7090.708
0.7070.7060.705
0.7040.703‐52IV500

り合うことなく流動してきたと推察できます。一(b) 酸素・水素安定同位体比

ヌタノ沢

方、ヌタノ沢では、深層の地下水と表層の地下水‐54
δ2H (‰)

Cl− + SO4 2− (%)

100‐56を表す湧水は、水質組成も同位体の特徴も似てお‐58り、同じような流動の歴史を持っているか、混ざ‐60り合っていることが考えられました。

‐62‐9.5‐9.0‐8.5
δ18O (%)‐8.0

3-3．トレーサーと既存研究からわかる地下水流動

地下⽔ (⾙沢流域内)
湧⽔ (⾙沢流域内)
湧⽔ (⾙沢周辺)
地下⽔ (ヌタノ沢流域内)
湧⽔ (ヌタノ沢流域内)
湧⽔ (ヌタノ沢周辺)のまとめ
水質・同位体トレーサーから読み取った地下水
流動の特徴と、既存の調査・研究結果を合わせて、※全陰イ オン中のCl−+SO42− の割合と、前陽イオン中のNa++K+の割合をプロットすることで、主要イオンの特徴を相対的に表した図。図中のI～IVは地下水の大まかな水質のタイプを表す。

貝沢とヌタノ沢の深層地下水と表層地下水（湧水）の流動の特徴をまとめてみましょう。
貝沢については、砂岩や頁岩、砂岩泥岩互層などの堆積岩で構成され、層状の地質であることか

図 4．貝 沢、ヌタノ沢における水質、酸素・水素安定
図4 ⾙沢、ヌタノ沢における⽔質、酸素・⽔素安定
同位体⽐、ストロンチウム同位体⽐の特徴
同位体比、ストロンチウム同位体比の特徴

ら、地表面付近の地下水と深層の地下水が難透水
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陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

層（泥岩など地下水を浸透させにくい地層）で分下水が同一の帯水層を流動していることが考えらかれていてもおかしくはない地質です。貝沢の観れました。

4）

測井では地下水が自噴 していますが、これは井ストロンチウム同位体比は、ヌタノ沢の地質（約戸の取水口（深さ 50 m）と地表面の間に難透水1500 万年前〜 700 万年前の深成岩）と、貝沢の層がある可能性が高いことを示す現象です。その地 質（ 約 5200 〜 3200 万 年 前 と 約 1 億 年 前 〜ため、貝沢では、図 5（上）に示すように難透水6500 万年前の境界線に位置する付加体）の岩石層によって、深層と表層の地下水は異なる帯水層の年代をよく表しました。貝沢では、ストロンチを流動しており、深層地下水のかん養源は離れたウム同位体比に幅があり、何かが読み取れそうな場所にあることが考えられました。

雰囲気を醸し出しています。今後、更なる考察かヌタノ沢における観測井掘削の際に採取した地ら、深層地下水のかん養源が把握できる可能性を質コアサンプルでは、地表面から 50 m の深さで示しているように思います。

風化した花崗閃緑岩であり、多くの亀裂が確認さ以上のように、水質・同位体トレーサーから水れました。風化された花崗閃緑岩はマサと呼ばれ循環の情報を読み取ることは、非常に地道な作業る砂礫になり、地下水が早く浸透できる帯水層とと考察を要しますが、水循環の全体像を把握するなります。また、降水の際の地下水位の変化や数のに大変に有効な方法です。今後は、流域の地形・値モデルによる水収支の計算から、流域内に降っ地質特性や金属元素を加えて解析を進め、県民のた雨が、地下深くの基盤岩にすばやく浸透するこ皆様への説明や行政へのフィードバックなど、将とが確認されています（Abe et al., 2020）。これ

来の水源林における再生・保全の取り組みに貢献らのことから、ヌタノ沢では、図 5（下）のようできるような水循環の情報を提供していきたいとに風化した岩盤や亀裂を地下水が流動しやすい地考えています。

質になっており、50 m 深の深層地下水と表層地
注

貝沢
地表面付近の湧水(地下水)と深層地下水は分断されて、異なる帯水層を流動する難透水層(水を通しにくい地層)によって、帯水層1と帯水層2に分断される水の動きや質を対象とした学問で、モニタリ
ングは自然環境の状況について、〇〇時間ごとなど決められた間隔で「連続的」に観測を湧水実施することです。本稿では 2012 年から継続している試験流域における河川水流量を中地下水観測井
(自噴井)

50m

心とした連続観測を「水文モニタリング調査」と呼ぶこととします。

深層地下水

ヌタノ沢
地表面付近の湧水(地下水)と深層地下水はつながっており、同じ帯水層を流動する

湧水

2）フィードバックとは、取り組みの計画の見直花崗岩は風化するを砂礫になる。砂礫や亀裂は地下水を通し易い。

しのための情報提供のことです。神奈川県の取り組みは 5 年ごとの計画の見直しを設定しているので、非常に重要です。

風化した岩石3）ポスドクとは、Post-doctor の略語で、博士号を取った後に任期付きの研究職に就いて研

地下水観測井50m

すいもんがく1）水文学は、雨や河川水、地下水などの陸域の究の修行している人たちです。任期付きなので、色々な職場を経験しています。

深層地下水4）自噴とは、地下水面が井戸の上端よりも高く、

図 5．貝沢、ヌタノ沢の地下水流動の違いの概念図
図5 貝沢、ヌタノ沢の地下水流動の違いの概念図43

陀安一郎、申基澈編（2021）同位体環境学がえがく世界：2021 年版

井戸から自然に地下水が溢れ出る現象です。

内山佳美・山根正伸（2008）：森林における水環

一般に、井戸の取水口と地表面の間に難透水境モニタリングの調査設計．神奈川県自然環層があり、深層地下水の圧力が高い条件でお境保全センター報告．5：15‒24.
内山佳美・山根正伸（2013）：対照流域法によるきる現象です。

モニタリング調査のための観測システムの整文献

備．神奈川県自然環境保全センター報告．

Abe Y, Uchiyama Y, Saito M, Ohira M, Yokoyama

10：13‒21

T (2020) Effects of bedrock groundwater

内山佳美・横山尚秀・三橋正敏（2015）：西丹沢

dynamics on runoff generation: a case study

ヌタノ沢の流出特性．神奈川県自然環境保全

on granodiorite headwater catchments,

センター報告．13：39‒47

western Tanzawa Mountains, Japan.

横山尚秀・内山佳美・山根正伸（2013）：西丹沢

Hydrological Research Letters. 14: 62‒67.

ヌタノ沢の水文地質と流出状況．神奈川県自https://doi.org/10.3178/hrl.14.62

然環境保全センター報告．10：101‒113.

神奈川県環境農政部緑政課（2010）神奈川県の水著者情報

源環境保全・再生施策について．地下水学会
誌．52：65‒73.

安部https://doi.org/10.5917/jagh.52.65

センター研究企画部 研究連携課

豊（神奈川県自然環境保全特別研究員）2012 年に筑波大学

Oda T, Suzuki M, Egusa T, Uchiyama Y (2013)

大学院生命環境科学研究科修了、Effect of bedrock flow on catchment rainfall-博士（環境学）取得。総合地球環境学研究所計測分析部門技術補佐

runoff characteristics and the water balance員、サントリーグローバルイノ

in forested catchments in Tanzawa

ベーションセンター株式会社水科Mountains, Japan. Hydrological Processes.

学研究所研究員を経て、2018 年より現職。

27: 3864-3872.https://doi.org/10.1002/
hyp.949744（2021 年 3 月 31 日掲載）