[ノート]ノート]
播磨灘の栄養塩管理に資する河川流入負荷量推計モデルの開発
播磨灘 の栄養塩管理に資する河川流入負荷量推計モデルの開発
古賀佑太郎 １鈴木元治 １森正憲 2嶋寺光2１

兵庫県環境研究センター 水環境科（〒654-0037 神戸市須磨区行平町 3-1-18）
2大阪大学工学研究科（〒565-0871 大阪府吹田市山田丘 2-1）

Development of an influent load estimation model
for contributing to nutrient management of Harima Sea
Yutaro KOGA1， Motoharu SUZUKI1，
Masanori MORI2 and Hikari SHIMADERA2
1 Water Environment Division，Hyogo Prefectural Institute of Environmental Sciences，3-1-18，Yukihira-cho，Suma-ku，Kobe，Hyogo 654-0037，Japan
2 Graduate School of Engineering，Osaka University2-1，Yamadaoka，Suita，Osaka 565-0871，Japan

兵庫県南部に面する瀬戸内海の播磨灘においては，近年窒素濃度の低下によるノリの色落ちが頻発するほか，漁獲量の減少も貧栄養化が一因であるとの指摘があるなど，栄養塩類の挙動について関心が高まっている．そこで，本研究では兵庫県内の一級河川である加古川において播磨灘へ流入する窒素負荷量を把握するため，平水時・降雨時両面の評価が可能な水質モデルを構築し，平水時の常時監視データ及び降雨時の独自調査データを用い，窒素動態を解析した．構築した水文・水質モデルは，河川流量を良好に再現した．窒素濃度については，既報の窒素面源負荷原単位を用いた場合，過大評価となったが，大気沈着量及び山林の窒素消費量を考慮した面源負荷原単位を設定したところ，再現性が改善された．

Ⅰ

はじめにイベントの積算降水量や降雨強度に加えて，先行降雨や先行晴天期間の影響を受ける特性を有して瀬戸内海では，水質汚濁防止法や瀬戸内海環境

おり 3)，当該降雨イベント中の期間のみを調査対保全特別措置法等の規制や対策により，陸域から象としても栄養塩流出負荷量を詳細に解析するこの汚濁負荷量が削減され，水質が改善された.一方とができない．そこで，本研究では兵庫県内の一で，瀬戸内海の一部である播磨灘においては，近級河川である加古川において播磨灘へ流入する窒

年窒素濃度の低下によるノリの色落ちが頻発する

素負荷量を把握するため，各自治体等で蓄積されほか，漁獲量が減少している．これらは貧栄養化ている平水時の常時監視データに加え，独自で調1)が原因の一つであるとの指摘があり ，栄養塩類査した降雨時のデータを利用し，先行降雨等の影の動態についてより関心が高まっている.

響を考慮した平水時・降雨時両面の評価が可能な一般的に，大気中や地表面の窒素，りんは降雨水質モデルを構築した．本モデルの計算結果を用により地下水や河川に流入することが知られていいて，降雨時における陸域の面源からの流出負荷

る

2）．しかし，各自治体等で蓄積されている常時量の影響を評価し，播磨灘における栄養塩類の適監視データは平水時を対象としており，降雨時の正な管理方策に繋がる知見を得ることを目的としデータは少ない．また，降雨時の栄養塩流出負荷た．

量は，当該降雨イベントによる負荷が，当該降雨
8

Ⅱ

方法

1.3 窒素動態解析モデル
全窒素解析モデルでは，全窒素を対象として，

1. 水文・水質モデル

移流，拡散及び斜面からの横流入負荷を考慮し，

1.1 モデル概要

式 (1)で表される質量保存式に基づき，河川中濃モデルの概要をFig. 1に示す．水文モデルにて，度を算出した．ここで，横流入負荷量について流域界・水路網データ，土地利用データ及び気象は，土地利用ごとの全窒素の汚濁負荷原単位に基データの3種類のデータを入力し，流量を計算した.

づき面源負荷を考え，そこに事業所及び下水処理続いて水質モデルにて，全窒素の汚染源である面場の点源負荷を考慮し式(1)，(2)にて算出した．

源負荷量，事業所負荷量，下水処理場負荷量及び∂( ArCTN ) + ∂ ( ArUCTN ) = ∂  Ar DTN ∂CTN  + fTN
∂t∂x
∂x 
∂x 

流量を入力し，窒素移動量を計算した.

∑Rml

f TN =sTNlAlP

式(1)+ C S QS + C PS Q PS式(2)bl

Ar ：河道断面積[m 2]， R s ：降水強度[m s -1]

CTN ：河川中全窒素濃度[g m-3]
U ：断面平均流速[m s-1]， DTN ：拡散係数[m2 s-1]
fTN ：斜面からの横流入負荷量[g m-1s-1]

m TNl ：面源汚濁負荷原単位[g m-2 y-1]
Al ：土地利用ごとの流域面積[m2]P ：年間降水量[m y-1], bl ：河道長[m]C S ：日別下水処理場放出濃度[g m-3]
3-1
Q PS ：事業所放出流量[m s ]Fig. 1 Model overview．

Q S ：日別下水処理場放出流量[m3 s-1]

1.2 水文モデル-3
C PS ：事業所放出濃度[g m ]本研究で用いる水文モデル概念図を Fig. 2 に示す 4）．対象領域の地表面を網目状に分割し，計1.4 メッシュデータ

算格子を作成した．各計算格子に対して鉛直方向

1.4.1 標高に地上から A から D までの 4 層の陸域と河道を設流域内の水の流れる方向を決定するために，計定した．地表面および A 層について，畑，山林，算格子に隣接する 4 方向のメッシュのうち，最も市街地及び水田の 4 種類の土地利用を考慮し，各標高の低いメッシュを国土交通省の標高データ

面積率に応じて土地利用特性を考慮する．D 層に5）ついては地下水脈の再現を仮定した．

より決定し，下流メッシュとした．

1.4.2 土地利用面積率
各メッシュに土地利用面積率を，各土地利用には面源負荷原単位 5）を設定し，原単位に対して(降水強度/年間降水量)の比率で窒素流出を仮定した．
1.4.3 樹種
各メッシュに常緑針葉樹，落葉広葉樹及びその他の３種の優先樹種データ 6） を設定した．
1.4.4 気象各メッシュの最近傍の気象庁観測所のデータ 7）を参照した．また，気温と降水量に関しては高度差による補正をした．
1.4.5 点源負荷
各メッシュに存在する下水処理場排水及び事業

Fig. 2 Model conceptual diagram．

場排水の流量及び窒素濃度を入力した．
9

2. 計算条件
2.1 計算領域と計算期間
計算領域は Fig. 3 に示す加古川流域全域とし，流域全体を標準地域メッシュに分割し，1852の計算格子を設定した．計算期間は降雨時の調査を実施した 2015 年の 1 年間とした．
2.2 発生源データ
加古川流域の土地利用割合をTable 1に示す．流域北部から東部にかけて山林が多く，中流域には田畑が多く，河口付近には市街地が集中していた．
本モデルに使用した面源負荷原単位をTable 2に示す．窒素濃度の計算条件として、流域別下水道整備総合計画調査の平均値 8) による面源負荷原単位(AV)及び大気沈着 9) ・山林の窒素消費 10) を考慮した面源負荷原単位(AD)を設定した．
点源からの流出は，加古川水系に排水する下水処理場及び事業場の窒素濃度及び流量を使用した．
下水処理場は日平均値または月平均値を使用し，事業場は，水質汚濁防止法に基づく総量規制対象事業場に係る事業場の届出値を用いた．点源の年間窒素負荷量をTable 3に示す．
3. 降雨時の実測データ
本モデルの計算値と比較する全窒素濃度の実測データは，降雨時は独自で実施した調査データ 11）を使用し，平水時は常時監視データ 12）を使用した．
降雨時の調査はTable 4に示す3回の降雨イベント

Fig. 3 Modeling domain with locations

において，降雨後に上流より採水し（流域調査），of sampling points．

St.6では降雨時に自動採水器により2時間おきに計12回採水（経時調査）を実施した（Fig. 3）．
Table 1 Land use ratio in the basin of KAKO River．
Land use

ForestRice field

Farm land

CityWater area(%)

66.4

18.7

1.0

11.3

2.6

Table 2

Nonpoint source load per unit．
ForestRice field
Farm land[kg ha-1 year-1]
Average value of Comprehensive Basin5.8
10.6
29.5
Wide Plans of Sewerage Systems (AV)Atmospheric deposition(AD)
0.59
5.39
5.39
Table 4 Sampling dates．
Sampling
Eventyeardates
1
Sep.16-17

Table 3 Annual TN load from point source．
SewageIndustrial
Annual TN
treatment plantplantload(t)18352023102015Oct.27-28
Nov.17-18

City11.95.39

結果

Calculated stream flow[m3/s]

Ⅲ1. 流量

全流量観測点における年平均流量の実測値と計算値の比較をFig. 4に示す．流量は全体的に計算値が過大評価傾向ではあったが，概ね良好な結果といえる．

80
St.160

St.2
St.3

40

St.4
St.5

20

St.700

得られた結果を式(3)に示すモデル精度の統計

20406080

Observed stream flow[m3/s]

指 標 で あ る Nash – Sutcliffe model efficiency

Fig. 4

coefficient (NSE)を用いて，統計的に再現性を評

Comparison of observed and calculated
annual mean stream flows.

価した． 本指標は変動幅が大きい流量の再現性評

N∑ (M − O )2

価によく用いられ，0.7以上となれば数値計算の再i

NSE = 1 − i =N1i

式(3)∑ (O − O )現性が良好であり，0より小さければほぼ予測の効2i

果がないとされる 13）．Table 5に各地点における流i =1量の統計指標を示す．全体的に過大評価の傾向で

M：計算流量[m3 s-1]， O：実測流量[m3 s-1]
N：サンプル数， -：平均を表す修飾

再現性は良好であると考えられる．

Table 5 NSE value．
Observed Calculated
averageaverage[m3 s-1][m3 s-1]
19.929.7

また，加古川本流の中流域に位置するSt.2及び下流域に位置するSt.5における流量時別値の実測値と計算値の比較をFig. 5及びFig. 6に示す．

NSE

右図に特に降水量の多かった夏季を併載する．

St.1

St.2及びSt.5において降雨の影響により流量がSt.2

35.2

47.8

0.84増加する時間変動傾向が再現されていた．

St.3

4.6

7.1

0.85

3000(a)

5.2

7.7

0.78

St.5

60.5

67.8

0.90

St.7

7.5

12.7

0.930(b)

2500

2000
1500

50

100075

Stream flow[m3/s]

25

Precipitation[mm/h]

Stream flow[m3 /s]

St.4

3000

02500

0.81

Precipitation[mm/h]あったが，NSEの値は全地点で0.7を上回っており，

25
2000
1500

50

1000
75
500

500
00100
1/1

5/2
Precipitation

8/31
Observed

100
6/1

12/30

Precipitation

Calculated

7/1
Observed

8/1
Calculated

Fig. 5 Observed and calculated values of stream flow at St.2．(a)annual (b)summer

300050200075

100005/2
Precipitation

8/31
Observed

(b)

4000

25300050200075

1000

1001/10012/30

1006/1

Calculated

Precipitation

7/1
Observed

8/1
Calculated

Fig. 6 Observed and calculated values of stream flow at St.5．(a)annual (b)summer
11

Precipitation[mm/h]

25Stream flow[m3/s]

(a)

4000

Stream flow[m3 /s]

5000

0

Precipitation[mm/h]

5000本水文・水質モデルは，河川流量を良好に再現した．窒素の動態解析をしたところ，既報の窒素

2. 全窒素濃度
全窒素（TN）濃度は，St.6で降雨時に調査した

面源負荷原単位を用いた場合，窒素負荷量は過大

3つの降雨イベント（(ⅰ)9/16～9/18，(ⅱ)10/27評価となった．この原因として，面源負荷原単位～10/29及び(ⅲ)11/17～11/19）の実測値と計算値が過大であることが示唆された．そこで，面源負を比較し,それぞれの結果をFig. 7に示す．図中に

荷原単位中の大気沈着量及び山林の窒素消費量のは面源負荷原単位を0(NPS0)と設定した場合，流域要素を抽出し，加古川流域内の値を適用したとこ

別下水道整備総合計画調査の平均値による面源負ろ，窒素負荷量の再現性が改善された．

8)

荷原単位(AV) を使用した場合，及び面源負荷原単位より大気沈着等をそれぞれ抽出した場合(AD)5を使用した場合の3パターンを示す．

(ⅰ)
TN consentration (g/m3)

AVの条件での計算結果は全窒素濃度が過大評価となった．そこで，本モデルで使用した面源負荷原単位とは別の面源負荷原単位について調査を試みた．環境省マニュアルや既往の調査事例 14) を参照すると，例えば山林でも地域により0.3～20.9（kg ha-1 y-1）と非常に幅広い値を持っており，

2.509/16

9/179/18

各土地利用の面源負荷原単位に大きな差があった．

Observed value

Calculated value(AD)そのため、使用した面源負荷原単位が実際と大きCalculated value(AV)Calculated value(NPS0)

く異なった可能性が示唆された．

5

AVで使用した面源負荷原単位は直接大気降下物(ⅱ)
TN consentration (g/m3)

負荷，都市・農業・森林地域排出負荷等を全て考慮したものの全国平均値である 15)．そこで，加古川流域の各土地利用の面源負荷原単位を求めるた
めに，各負荷要因の抽出を試みた．湿性沈着は環境省の平成２７年度酸性雨調査 9） で実施している地点の中で最近傍の尼崎の湿性沈着量を用いた．

2.5010/27

10/2810/29

なお，年間湿性沈着量の全国平均値は29.67(mmol

Observed value

Calculated value(AD)m-2 y-1) であり， 尼崎は14.06(mmol m-2 y-1)であCalculated value(AV)Calculated value(NPS0)

る．山林においては窒素消費を考慮し，過去の文5献 10)より林外雨中の窒素負荷量と山林からの溶脱(ⅲ)
TN consentration (g/m3)

量の比を用いた面源負荷原単位(AD)を設定したところ，計算結果が改善された．
ADの計算で使用した面源負荷は湿性沈着と山林の窒素消費のみであるが，兵庫県内の南部沿岸地域より内陸地域の湿性沈着量が少ないという報告16)もあり，施肥量や乾性沈着を含め，これらの影

2.50
11/17

11/1811/19

響を詳細に解析すると，更にシミュレーションのObserved value

Calculated value(AD)

精度は向上する可能性がある．

Calculated value(AV)Calculated value(NPS0)

Ⅳ結Fig. 7 Observed and calculated values of論

TN concentration at St.6．

本研究では，貧栄養化が懸念されている播磨灘【謝辞】に流入する窒素動態を解析するために，平水時・

この研究の一部は，大阪湾広域臨海環境整備セ降雨時両面の評価が可能な水文・水質モデルを，ンターの助成を受けて実施した．

加古川流域を対象として構築した．
12文献1) 山本民次，花里孝幸：海と湖の貧栄養化問

9) 環境省：平成２７年度酸性雨調査結果

題，p．55-57，地人書館，東京（2015）

http://www.env.go.jp/air/acidrain/monitoring2) 大垣眞一郎，財団法人河川環境管理協会：河/h27/index.html（参照 2018.8.17）

川と栄養塩類，p．142-152，技報堂，東京

10) 依田恭二：森林の生態学，p．269，築地書（2005）

館，東京（1971）

3) 國松孝男，村岡浩爾：河川汚濁のモデル解析

11) 古賀佑太郎，宮崎一，藤森一男，松林雅之:

ｐ．118-119，技報堂，東京（1989）

加古川流域における降雨時の窒素，りん負荷量の4) Kundan Lal Shrestha：Water Resource

調査，公益財団法人ひょうご環境創造協会兵庫県

Assessment of Yodo River Basin Using Coupled

環境研究センター紀要，第 7 号，pp8-14

Hydrometeorological Modeling Approach，

12) 兵庫県:公共用水域の水質測定結果報告書

p.41，2010（2015年度版）

5) 国土交通省:国土数値情報ダウンロードサービ

13) Nash J. E.， Sutcliffe J. V.：River flowス（参照2017.9.20）

forecasting through conceptual models part I

http://nlftp.mlit.go.jp/ksj— A discussion of principles. Journal of

6) 環境省自然環境局：植生調査3次メッシュデー

Hydrology 10，pp.282-290，1970

タ生物多様性センター（参照2017.10.18）

14) 国土交通省：湖沼水質のための流域対策の基

http://www.biodic.go.jp/dload/mesh_vg.html

本的考え方 ～非特定汚染源からの負荷対策～

7) 一般財団法人気象業務支援センター：気象観

http://www.mlit.go.jp/river/shishin_guidelin

測月報 2015 年 1 月-2015 年 12 月

e/kankyo/kosyo/main.pdf（参照 2017.9.20）

8) 国土交通省：流域別下水道整備総合計画調査

15) 環境省：非特定汚染源対策の推進に係るガイ指針と解説 -ドライン（第二版）

http://www.mlit.go.jp/common/001065300.pdf16)Masahide AIKAWA: Variations and trends inacid deposition in JAPAN within a 100 km ×100 km region from 1989 to 1999, p.238, 2003

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